半導体製造におけるグラファイトについて

活況を呈する半導体産業では、あらゆる材料が重要な役割を担っている。黒鉛は一見平凡に見えるが、その特性から用途に至るまで、半導体製造に欠かせない材料であり、技術の進歩を促進する。

グラファイトは半導体か？

いや、そうではない。半導体の導電性は導体と絶縁体の中間にあり、その電気特性は温度や不純物の影響を大きく受ける。また、半導体は独特のバンド構造を持っており、ドーピングによって導電特性を大きく変えることができる。黒鉛は電気をよく通すが、その結晶は六角形の層状に並んでおり、非局在化した大きなπ結合によって電気を通す。精密に制御できるバンド構造はなく、通常のドーピングでは電気特性を大きく変えることはできない。つまり半導体ではなく、特殊な炭素材料なのだ。

グラファイトの基本特性

物理的性質

結晶構造

グラファイトは典型的な層状結晶構造をしている。炭素原子の各層は六角形の密な二次元平面ネットワークに配置されている。結合長は約0.142nm、結合角度は120°である。そして層は弱いファンデルワールス力によって作用され、これがグラファイトにユニークな物理的特性を与えている。

密度と硬度

密度は約2.09～2.23g/cm³で、重量が要求される場面で有利である。モース硬度は1～2程度で、感触は柔らかい。また、外力の作用で層が相対的に滑りやすい。

化学的性質

化学的安定性

常温常圧下で、化学的安定性に優れている。一般的な試薬とは反応しにくく、過酷な化学環境下でも安定した構造と性能を維持できる。これは炭素原子間の共有結合構造によるもので、従来のほとんどの化学的攻撃に耐えることができる。

一般的な半導体製造試薬との反応特性

半導体製造では、フッ酸や硝酸などの強酸化剤や腐食性の試薬が一般的に使用されます。一般に、それはフッ化水素酸とのほとんど効果のようなこれらの試薬と著しく反応しない。そしてそれは生産設備の構造完全性そして機能を維持できます。

半導体製造のあらゆる場面における黒鉛の応用

ウェハー製造

ウェハー製造プロセスでは、主に加熱および支持システムに使用することができます。ウェハーの成長には正確な温度制御が必要ですが、グラファイトヒーターは電気伝導性と熱伝導性に優れています。電気エネルギーを素早く均一に熱に変換し、ウェハーの成長に安定した高温環境を提供することができます。グラファイト製のサポート部品は高温に耐えることができ、成長プロセス中のウェハーの安定性を確保します。そして、ウェハーの品質と生産効率の向上に貢献します。

フォトリソグラフィー

フォトリソグラフィは半導体製造の重要なステップであり、高精度の位置決めと安定した作業環境が要求されます。リソグラフィ装置のベアリングプラットフォームやいくつかの主要部品の製造にグラファイト材料を使用することができます。機械的安定性が高く、熱膨張率が低いからです。リソグラフィのプロセスでは、リソグラフィマスクとウェハ間の相対位置精度を保証することができます。そしてリソグラフィーの決断そして正確さを改善するために熱拡張および冷たい収縮によって引き起こされるリソグラフィー間違いを減らして下さい。

エッチングと蒸着

エッチングや成膜プロセスにおいても、グラファイトは重要な役割を果たしている。エッチングプロセスでは、高純度グラファイト電極がエッチングマシンで使用されます。電界の作用で安定したプラズマを発生させ、半導体材料の精密なエッチングを行うことができる。成膜プロセスでは、グラファイトベースは化学気相成長（CVD）およびその他のプロセスに使用されます。膜の成長に安定した支持体と反応環境を提供する。高温安定性と化学的不活性により、これらの高温・高エネルギープロセスにおいても安定した性能を維持することができる。また、エッチングと成膜の品質と均一性を確保する。

半導体製造における黒鉛部品

グラファイトヒーター

グラファイトヒーターは、半導体製造用発熱体として一般的に使用されています。低抵抗、高速加熱、短時間で高温に達することができ、温度分布も均一です。ウェハーのアニール、エピタキシャル成長および急速な暖房および精密な温度調整を要求する他のプロセスで、それは粗い温度の条件を満たすことができます。また、半導体材料特性の最適化を保証します。

黒鉛るつぼ（単結晶シリコン）

黒鉛るつぼ は単結晶シリコン製造に広く使われている。単結晶シリコンの成長には高温の純粋な環境が必要で、高温耐性と良好な化学的安定性がある。単結晶シリコンを汚染しません。また、熱伝導がよく、熱の伝わりが均一で、単結晶シリコンの安定成長に役立ちます。 単結晶シリコン そして品質と収量を向上させる。

グラファイト・ベース（CVD）

化学蒸着 (CVD)プロセスの鍵である。気相反応に安定した表面を提供し、ガス状反応物のフィルムへの反応を促進する。その表面の平坦性と熱安定性は、フィルムの品質と均一性に関係する。また、熱伝導性が良いことで、ベースの表面温度が均一となり、フィルムの品質が安定します。

高純度グラファイト電極（エッチング装置）

エッチング装置では、これを使用してプラズマを発生させ、半導体材料の精密なエッチングを行うことができます。導電性、耐食性に優れ、高電圧、強電界、腐食性ガス環境下でも安定して動作します。高純度であるため、エッチング中の不純物の混入を防ぎ、エッチング精度とデバイス性能を確保することができます。

焼結用黒鉛鋳型（電子デバイス）

多くの 黒鉛鋳型 は、電子デバイスの焼結に使用されます。加工性に優れ、電子デバイスの形状に合わせてカスタマイズが可能です。高温での強度と安定性が高く、焼結中の高温と高圧に耐えることができます。焼結中の電子デバイスの形状とサイズの精度を確保し、内部材料の緊密な結合を促進します。そして、デバイスの性能と信頼性を向上させます。

黒鉛材料の利点

優れた高温耐性

黒鉛の融点は3652-3697℃に達し、半導体製造の高温プロセスの極端な温度に耐えることができる。構造の安定性を維持し、高温処理に信頼できる保証を提供することができる。

良好な電気および熱伝導性

電気伝導性がよく、電流を素早く流し、プラズマを発生させることができる。熱伝導率がよく、熱伝導が速く、半導体製造プロセスの温度制御の精度と効率を向上させる。

機械的安定性と加工性能

ソフトな風合いですが、高温での機械的安定性が良く、通常使用できます。加工性が良く、切断加工などで様々な部品に加工でき、生産ニーズに対応できる。

半導体黒鉛材料市場の現状

半導体産業の活発な発展に伴い、半導体用黒鉛材料の需要は増加の一途をたどっている。そして、世界市場は着実に上昇している。国際的に有名な材料企業は技術と生産能力の優位性を持ち、大きなシェアを占めている。国内企業も研究開発投資を増やし、競争力を強化している。半導体技術は高精度、大型ウェハーに移行しており、黒鉛材料はより高い性能を要求される。そのため、黒鉛材料の性能向上が求められている。

結論

黒鉛は半導体ではないが、そのユニークな物理的・化学的特性により、半導体製造のあらゆる面で大きな役割を果たしている。その高温耐性、良好な電気・熱伝導性、機械的安定性、優れた加工性能は、生産に不可欠な材料である。