无孔陶瓷部件制造技术

技术编号:13136834 阅读:116 留言:0更新日期:2016-04-06 22:31
本发明专利技术涉及一种具有高弹性模量和低热膨胀系数的无孔陶瓷以及一种用于制备相应的陶瓷的方法。具体而言,本发明专利技术涉及一种可以在经受的温度梯度的应用中、例如在半导体制造中用作尺寸稳定的衬底材料的陶瓷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有高弹性模量和低热膨胀系数的无孔陶瓷部件、一种用于制备相应的陶瓷部件的方法以及这样的陶瓷部件的用途。具体而言,本专利技术涉及一种可以在经受的温度梯度的应用中、例如在半导体制造中用作尺寸稳定的衬底材料的陶瓷部件。
技术介绍
在半导体制造或(显微)光刻领域中,除其他外,还使用烧结的堇青石构成的陶瓷。这些陶瓷显示出例如相对高的弹性模量(杨氏模量)和低的热膨胀系数,使得这样的陶瓷特别适合作为特别有利的衬底材料、例如用于硅片台的衬底材料。该类型的陶瓷可以通过烧结处理由粉末前体来制备,但是用于制备大致无孔的陶瓷的烧结处理是复杂的且需要熔剂作为烧结助剂。此外,难以确保陶瓷部件的全部体积中的无孔的质量。制备堇青石陶瓷的另一可行的方式是将适当的前体或起始玻璃或绿玻璃(greenglass)陶瓷化。由于玻璃陶瓷通过固体材料的陶瓷化得到,因此它们不具有孔隙或仅具有非常低的孔隙率。EP1079373A2描述了一种具有堇青石作为主晶相的玻璃陶瓷。所述玻璃陶瓷具有高的弹性模量,但是热膨胀系数比在烧结的陶瓷的情况下显著更高。由玻璃质前体材料制备堇青石陶瓷的缺点在于,堇青石从表面或界面而不是在体积中快速地陶瓷化。因此,不能获得或者仅可以以非常高的难度通过玻璃质前体的体积陶瓷化来获得较大几何形状和较大体积的工件、例如厚度为10厘米或以上的衬底。因此,迄今描述的固体材料通常是厚度显著较小的衬底。US2,920,971和US4,042,362描述了一种具有堇青石作为晶相的玻璃陶瓷。然而,排他地使用TiO2作为晶核形成剂。DE2261925描述了一种CTE为2.1×10-6/K或以上并且晶核形成剂ZrO2+TiO2的总含量为至少11.5重量%的堇青石陶瓷。
技术实现思路
因此,本专利技术的目的是提供一种通过陶瓷化由固体材料制备甚至在相对大的厚度或体积的情况下具有高弹性模量和低热膨胀系数的无孔陶瓷的方法。本专利技术的另一目的是提供相应的陶瓷。本专利技术的目的通过独立权利要求的主题得以实现。各从属权利要求的主题是本专利技术的有利的实施方案和改进方案。本专利技术提供了一种无孔陶瓷部件,其包括以下成分(以基于氧化物的重量%计):出于本专利技术的目的,无孔陶瓷是孔隙率小于1%、优选小于0.5%、更优选小于0.1%的陶瓷。晶相的比例为至少60%、更优选至少70%。在具体实施例中,晶相的比例可以是至少80%,在一个变型中为至少90%、优选至少95%。具有高比例的晶相的变型通常具有更好的热导率和更低的热膨胀系数。陶瓷的主晶相优选由印度石构成。印度石是堇青石的六角形变体和高温多晶型,并且具有与此(Mg2Al4Si5O18)相同的化学计量。印度石与堇青石的不同之处在于Al在(Al,Si)6O18环中的随机分布,所述随机分布提高了六方晶系的点群6/m2/m2/m和空间群P6/mcc的对称性。即使根据本专利技术印度石优选作为主晶相,具有其它主晶相的其它有利的陶瓷也可以由起始玻璃的起始成分、例如Mg-β-石英(MgO*Al2O3*SiO2)、顽辉石(MgSiO3)和/或Mg尖晶石(MgAl2O4)制备。本专利技术的这些变型通常是不太优选的,因为以这种方式形成的陶瓷通常具有较差的物理性能、例如膨胀系数和弹性模量,但对于特定的应用可以是有利的。陶瓷的印度石微晶在金红石和/或ZrTiO4晶核上生长和/或生长到金红石和/或ZrTiO4晶核上,即次晶相可以存在于内部或接近主晶相。在一个实施例中,陶瓷具有尺寸在40-70纳米、优选50-60纳米范围中的微晶。起始玻璃的成分包括具有以下比例的以下组分(以基于氧化物的重量%计):起始玻璃具有40-55重量%的比例的SiO2。起始玻璃优选包含至少42重量%和/或优选不高于52重量%的SiO2。起始玻璃具有21-40重量%的比例的Al2O3。起始玻璃优选包含至少26重量%和/或优选不高于33重量%的Al2O3。起始玻璃具有9-20重量%的比例的MgO。起始玻璃优选包含至少10重量%和/或优选不高于15重量%的MgO。SiO2、Al2O3和MgO的比例基本上以这样的方式选择,使得化学计量近似地相当于堇青石和Mg尖晶石的混合物,特别是可以形成印度石相。然而,在一个实施例中,与上述化学计量相比,SiO2的比例可以在化学计算量上略微增加例如3、5或10重量%。替代地,可以设置摩尔比为(5±1.5)SiO2:(2±1)Al2O3:(2±1)MgO或重量比为(15±2)SiO2:(10±1.5)Al2O3:(4±1)MgO。本专利技术的陶瓷部件包括通过前体化合物的陶瓷化而不是通过烧结处理制备的陶瓷。为了实现起始玻璃的受控和均匀的体积陶瓷化,已经发现将可以用作晶核形成剂的组分加入到起始玻璃成分中是有利的。根据本专利技术,特别有利的是使用至少两种作为晶核形成剂的组分的混合物。出于该目的,起始玻璃包含至少TiO2和ZrO2作为晶核形成剂。在本专利技术的陶瓷中,TiO2以1-11重量%的比例存在。TiO2的比例优选为至少为2重量%,更优选至少3重量%,和/或优选不高于10重量%。在本专利技术的具体实施例中,TiO2的比例为不高于9重量%,更优选不高于8重量%,最优选不高于6重量%。在本专利技术的陶瓷中,ZrO4以1-8重量%的比例存在。ZrO4的比例优选为至少为1.5重量%,更优选至少2重量%,和/或优选不高于8重量%。在本专利技术的具体实施例中,ZrO4的比例为不高于7重量%,更优选不高于6重量%。TiO2和ZrO4在起始玻璃中的总含量为至少6重量%、优选至少7重量%,已发现是特别有利的。总含量优选为不高于15重量%,更优选不高于12重量%,根据另一实施例优选为不高于11重量%,更优选至多10重量%。晶核形成剂的至少6重量%的比例确保了在体积结晶化中以足够的数量进行晶核的上述形成。同时,ZrO2和TiO2的总含量足够低,以避免在起始玻璃的制备中过早结晶化或通过这些组分显著改变陶瓷的有利的物理性质。在一个实施例中,晶核形成剂的总比例限制在不高于9重量%,优选不高于8重量%。在该变型中晶核形成剂的比例的降低使得次晶相的比例降低和所得陶瓷的弹性模量和热膨胀系数得以改进。关于起始玻璃的可加工性、特别是其熔化行为,玻璃中的TiO2和ZrO2的重量比优选在至少0.7、更优选0.9的范围中,根据本专利技术的一个实施例为至少1.3和/或优选不高于1.4,更优选至多1.7,已发现是有利的。根据一本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种无孔陶瓷部件,其包括以下成分(以基于氧化物的重量%计):

【技术特征摘要】
2014.09.25 DE 102014219442.31.一种无孔陶瓷部件,其包括以下成分(以基于氧化物的重量%计):
2.根据权利要求1所述的陶瓷部件,其特征在于,印度石在晶相中的比例
为至少60%、优选至少70%,以及所述陶瓷包含至少金红石和/或ZrTiO4作为次
晶相。
3.根据权利要求1所述的陶瓷部件,其特征在于,晶核形成剂、尤其是TiO2和ZrO2的总和为6-15重量%和/或TiO2和ZrO2的比率为0.7至1.7。
4.根据权利要求1所述的陶瓷部件,其特征在于,所述陶瓷部件的孔隙率
为小于1%、优选小于0.5%、更优选小于0.1%。
5.根据权利要求1所述的陶瓷部件,其特征在于,所述陶瓷的弹性模量优
选为至少130GPa和/或线性热膨胀系数α(0-50)为不高于1×10-6/K和/或热导率λ
为至少3W/mK、优选至少5W/mK和/或密度ρ为不高于2.7g/cm3、优选不高于
2.8g/cm3。
6.根据权利要求1所述的陶瓷部件,其特征在于,所述部件的侧面具有至
少500毫米×500毫米的面积或在圆形部件的情况下直径为至少1000毫米。
7.根据权利要求1所述的陶瓷部件,其特征在于,厚度在...

【专利技术属性】
技术研发人员:B·施罗德U·沃尔佛S·汉森
申请(专利权)人:肖特股份有限公司
类型:发明
国别省市:德国;DE

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