硅化的碳化硅基复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术是一种高强度、耐热冲击、高纯度硅化的碳化硅材料，它是由至少含７１体积％碳化硅的转化石墨碳化硅体硅化而成的。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
制造半导体器件(如集成电路)通常包括在约250℃至超过1200℃的温度在活性气体的存在条件下对硅晶片进行热处理的步骤。必须仔细控制这些晶片的温度和接触的气体浓度，因为最终器件常包括尺寸小于1微米的电路元件，而这样细的电路元件对处理晶片环境的微小变化十分灵敏。半导体制造工业通常使用碳化硅或硅化的碳化硅制成的水平或垂直载体作为晶片的窑具，这些载体设计成可承载大约50片晶片。当使用这种常规载体时，半导体制造的工艺步骤一般包括约10-30℃/分钟的相当慢的升温速度。但是，由于对晶片的性能和效率要求日趋严格，半导体制造工业一直在考虑采用快速热处理(RTP)晶片的技术。根据美国专利4,978,567(Miller)报道，在RTP时，要在秒数量级的时间内将晶片处理环境的温度由室温升至高达约1400℃。RTP的升温速度通常为600-6000℃/分钟的数量级。在这种极端迅速的升温条件下，材料在这种环境中的耐热冲击性是非常重要的。Miller公开了由未经硅化的CVD碳化硅制成的RTP晶片载体和由涂覆CVD碳化硅的石墨制成的载体。但是，未经硅化的CVD碳化硅通常成本很高，而涂覆CVD碳化硅的石墨制成的载体，在热膨胀系数(CTE)上明显失配，所以这种复合材料耐热冲击性差。硅化的碳化硅已被视为RTP系统中作为窑具的候选材料。具体地说，美国专利5,514,439(Sibley)公开了一种RTP窑具，它选用硅化的碳化硅作为原料。但是，在一个采用常规晶片处理中作为窑具的市售硅化的碳化硅(Si-SiC)材料的试验中，发现在骤冷试验(此时材料周围环境的温度几乎瞬间地由500℃下降至0℃)后，该Si-SiC材料损失了40％弯曲强度(由261MPa下降至158MPa)。发现上述硅化的碳化硅在RTP环境中没有优异的耐热冲击性，这并不令人惊奇。Torti等人在“用于热发动机用途的高性能陶瓷”，ASME 84-GT-62中描述了用活性结合法制得的另一种硅化的碳化硅材料(NC-430)，据报道它具有很高的耐热冲击性。但是，Torti等人还描述了这种NC-430材料的Tc值仅为275℃，意味着当该材料瞬时经受仅为275℃的温度差时，就会发生明显的强度下降现象。Weaver等人在“用于严酷环境的高强度碳化硅”(1973)中报道了含95-99％的热压碳化硅材料，其耐热冲击性不好。因此非常需要一种硅化的碳化硅材料，其耐热冲击性能使其适用于作为RTP用途的窑具。除了更严格的耐热冲击性要求以外，半导体制造工业的另一趋势是要降低处理晶片时的金属污染程度。因此目前半导体制造工业要求采用更高纯度的材料制造窑具。已知“转化石墨”型碳化硅具有很低的金属污染程度，所以已经在考虑从转化石墨材料制造SiC窑具。这种转化石墨材料的制造方法是在仔细控制的条件下将多孔石墨体置于SiO气体中，使石墨体中50％的碳原子被硅原子所取代，最终制得化学计量的β-碳化硅体。特开平1-264969(1989，Tanso)报道了将一种由转化石墨材料制成的30％孔隙度的SiC材料进行硅化至基本上完全密实，使用这种硅化的材料作为半导体晶片处理用的晶片载体。Tanso还报道了用其方法制得的基本无孔隙的硅化产品的密度为2.9-3.2g/cc。由于硅和碳化硅的密度各自为2.33g/cc和3.21g/cc，因此Tanso报道的硅化的碳化硅产品看来含有64-99体积％碳化硅。但是，Tanso所述的实际可行的技术似乎仅限于较低碳化硅含量的物体。具体地说，Tanso报道了其能成功地将石墨转化成化学计量的碳化硅的原因，在于他将石墨原料体的密度限制在不超过1.50g/cc，从而在石墨体中具有足够的孔隙通道使SiO气体得以充分渗透。由于遵循这个建议看来会将转化碳化硅体的密度限制在仅约2.25g/cc，显然Tanso未说明怎样制造密度超过2.25g/cc(即碳化硅含量为70.09体积％)的转化石墨碳化硅体，从而未进一步描述碳化硅超过70.09体积％的硅化碳化硅体。一家知名的用于半导体晶片处理的转化石墨材料制造厂家提供了由转化石墨构成的密度为2.55g/cc(即约含80体积％碳化硅)的多孔β-碳化硅材料。但是，这种材料报导的室温弯曲强度(25ksi或约175MPa)相对较低。通常工业上适用的碳化硅扩散部件的室温弯曲强度较好至少约为230MPa。另外，尽管已知对多孔碳化硅体进行硅化一般会提高其强度，但是上述厂家提供的说明书不主张对这种碳化硅含量为80体积％的多孔转化石墨材料进行硅化，因为担心会发生热膨胀失配。具体地说，根据该厂家的说明书，硅(CTE＝2.5－4.5×10-6/℃)和碳化硅(CTE＝4.8×10-6/℃)之间的热膨胀系数相差太大，以致硅化后冷却时碳化硅收缩得比硅更厉害，所以在硅化后的冷却过程中以及在随后的使用热循环过程中，在碳化硅中会产生晶粒之间结合部位的应力。因此，显然该说明书特别不主张对碳化硅含量超过71体积％的多孔转化石墨材料进行硅化，以免在所得的复合材料中产生使强度下降的裂缝。因此，还需要一种碳化硅含量超过71体积％(较好超过75体积％，最好至少80体积％)的硅化碳化硅材料，它同时要具有较高的纯度和满足常规晶片载体用途需要的适当的强度，并较好具有满足将来RTP用途的高耐热冲击性。本专利技术人不受上述说明书的束缚，成功地对碳化硅含量约为80体积％的多孔转化石墨碳化硅材料进行了硅化。发现如此制得的硅化碳化硅体基本上完全密实，并且室温弯曲强度(266MPa)与半导体制造工业中常作为窑具的市售Si-SiC材料基本相等。因此，这种新的含转化石墨的硅化碳化硅体在纯度高和强度可接受这两方面满足了目前半导体制造厂家的要求。另外，鉴于多孔转化石墨碳化硅材料制造厂家说明书的前述警示，这种材料却具有工业上合适的室温强度，这是令人惊奇的。本专利技术人还对该新的硅化材料进行了测定，发现在严酷的热冲击试验中它基本不受影响。具体地说，在几乎瞬间使材料所处的环境温度由500℃降至0℃的骤冷试验后，该材料后来的MOR强度下降小于10％。因此，这种含转化石墨的新的硅化的碳化硅体在高纯度和高耐热冲击性这两方面能满足将来半导体制造厂家在RTP用途中的要求。此外，这种材料的优良的耐冲击性是令人惊奇的，因为a)多孔转化石墨碳化硅材料制造厂家的说明书提出了警示，具体是关于硅化的产生的热应力的警示；b)常规的Si-SiC产品不能通过500℃热冲击试验；c)市售的Si-SiC产品与该新材料具有十分相似的室温强度和300℃热冲击试验性能。还发现本专利技术材料的高温(1300℃)弯曲强度优于市售的硅化碳化硅材料。因此，本专利技术提供一种高强度、耐热冲击、高纯度硅化的碳化硅材料的制备方法，它包括下列步骤a)提供碳化硅含量至少为71体积％的多孔转化石墨碳化硅体；b)将该多孔转化石墨碳化硅体硅化至基本上完全密实。较好的是，步骤a)是如下实施的1)提供多孔石墨体，和ii)将该多孔石墨体以这样的方式与一反应物接触，使得形成至少含71体积％转化石墨碳化硅的多孔转化石墨碳化硅体。本专利技术还提供一种高强度、耐热冲击、高纯度硅化的碳化硅复合材料，该材料至少含有约71体积％具有开口孔隙的转化石墨碳化硅基质，而所述碳化硅基质的开口孔隙中填有硅。本专利技术还提供一种半导体制造用的窑具部件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅化的碳化硅基复合材料，包括至少约７１体积％转化石墨碳化硅并具有开口孔隙的基质，所述基质的开口孔隙基本上填满硅。

【技术特征摘要】
US 1998-12-11 09/210,6351.一种硅化的碳化硅基复合材料，包括至少约71体积％转化石墨碳化硅并具有开口孔隙的基质，所述基质的开口孔隙基本上填满硅。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于它包含至少75体积％碳化硅。3.如权利要求2所述的复合材料，其特征在于它包含75-95体积％碳化硅。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于它的密度至少为理论密度的96％。5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述碳化硅基质至少含90重量％β-碳化硅。6.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于粒径大于30微米的碳化硅颗粒在碳化硅基质中的量小于10重量％。7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于金属杂质总含量不超过10ppm。8.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述硅以硅凹囊的形式存在，并且至少60％的硅凹囊其最大长度小于10微米。9.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述硅以硅凹囊的形式存在，并且至少50％的硅凹囊其面积小于20微米2。10.一种半导体晶片制造用的部件，它包含权利要求1所述的复合材料。11.如权利要求10所述的半导体晶片制造用的部件，它选自水平的晶片舟、垂直的支架、处理炉管和操作用的叶板。12.如权利要求10所述的半导体晶片制造用的部件，它选自钟罩室和晶片接受器。13.一种半导体制造用的窑具部件的使用方法，它包括下列步骤a)提供窑具部件，所述部件包含权利要求1所述的复合材料；b)在峰值温度为800-1400℃的环境中将该部件置于制造半导体中所用的活性气体中。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于该部件的室温弯曲强度至少为230MPa。15.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述峰值温度约为1200-1400℃。16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述部件在1300℃的弯曲强度至少为200MPa。17.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D多布特，A赫尔勒，
申请(专利权)人：圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]