一种碳化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。本发明专利技术还提供了一种上述制备方法制备的碳化硅陶瓷材料。本发明专利技术涉及一种适用于半导体制造的高纯度、高导热性的碳化硅陶瓷材料及其制备方法，采用碳源和硼源作为烧结助剂，同时以液相的形式引入硼源，提高了其分散性，以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种碳化硅陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体产业主要分为芯片设计、晶圆制造和封装测试三个方面。其中，中国在芯片设计和封装测试方面能跟上国际先进技术，但是由于美国近年来对我国半导体制造业的一步步限制，使得我国在晶圆制造方面极为欠缺。
[0003]碳化硅陶瓷由于具有良好耐酸碱腐蚀性、耐磨擦摩损性、高强度、高硬度、良好的抗氧化性能、较高的抗热震性以及在极高的温度下有良好的尺寸性等物理与化学性能，可用于放射性、腐蚀性、剧毒、易燃、易爆、高温等诸多复杂工况条件。因此，在热机工程及机械密封行业中所显示的良好性能和应用潜力已逐步为人们所认识，已经获得了广泛应用。
[0004]随着国家对半导体行业的愈发重视，投入大量科研力量开始攻关半导体加工制造技术，希望能打破国外的垄断，制造出我们中国自己的高端芯片。而与此息息相关的便是半导体加工中所需要用到的各种器件。其中，由于高纯碳化硅(SiC)材料具有很多优异的性能，例如高强度、高硬度、优秀的高温稳定性、耐腐蚀性和等离子体耐用性等，因此在加工器件中占据了较大的比重。
[0005]目前半导体加工中使用的SiC陶瓷器件主要是通过重结晶烧结法制备的。由于重结晶的烧结温度很高(超过2400℃)，在此温度下许多杂质都会挥发掉。因此，重结晶SiC具有极高的纯度。但是其通过表面扩散和蒸发
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凝聚机理来实现原子的传输和迁移，在这个过程中没有发生晶界扩散和体积扩散，因此不会发生体积收缩、致密度也不会提高，导致重结晶SiC存在抗弯强度较低和表面粗糙度值较高的缺点。
[0006]放电等离子烧结法可以在不添加烧结助剂的条件下制备出具有高致密度的SiC陶瓷，但是其烧结条件较为苛刻(2100℃，70MPa)，并且此方法仅适用于制备小尺寸的样品，不能制备大尺寸的陶瓷器件。
[0007]美国专利US 5422322专利技术了一种致密的自烧结的碳化硅/碳
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石墨复合材料和一种用于制造复该合材料的方法。该复合材料包括碳化硅基体，2
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30wt％的碳
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石墨，碳
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石墨由石墨表面包裹一层碳的前驱体构成，含10
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20wt％石墨，至少5wt％的碳前驱体粘结剂如酚醛树脂等和(0.1
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15wt％)少量的烧结助剂，如硼和游离碳。上述原料混合制备浆料，经造粒、干压、脱粘、烧成制备出复合材料。复合材料中碳化硅粒度在2和15微米之间，碳石墨的晶粒直径在10和75微米之间，且密度至少为理论密度的80％。
[0008]CN200910247865.7专利技术了一种添加酚醛树脂为碳源的固相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，酚醛树脂占粉体总量的5
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30wt％，其裂解后样品中残C量为1.5
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9wt％。其完全以酚醛树脂引入C源，通过调节C含量和烧成温度获得不同晶粒尺寸和形貌的致密SiC陶瓷。
[0009]常压固相烧结法能制备大尺寸、形状复杂的陶瓷器件。通过此方法制备的SiC陶瓷具有优异的物理、化学性能，并且其晶界干净。但是为了致密化必须加入少量的烧结助剂，而这些多余的烧结助剂可能在实际使用中污染晶圆、导致颗粒问题，降低良品率。
[0010]热压烧结是在烧结时给予烧结体单轴压力的一种烧结方法，在高温和高压的双重作用下，烧结驱动力得到提高，因此很容易使材料致密化。热压烧结虽然难以制备形状复杂的陶瓷器件，但是极其适合制备扁平状的器件，如晶圆承载盘等。在仅添加C源作为烧结助剂时，在2350℃，50MPa下保温3小时后，致密度仅能达到92％。
[0011]因此，迫切需要一种只需添加极少量的烧结助剂就能制备出高致密化的热压烧结碳化硅陶瓷材料的方法。

技术实现思路

[0012]本专利技术旨在克服现有碳化硅陶瓷材料制备方法的不足，基于不添加烧结助剂，难以使SiC陶瓷致密化的难题，本专利技术提供了一种热压烧结的高纯度、高导热碳化硅陶瓷材料及其制备方法。该方法采用热压固相烧结，通过加入极低含量的烧结助剂(硼源和碳源)，来达到半导体加工应用的要求。
[0013]第一个方面，本专利技术提供了一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
[0014]步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；
[0015]步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；
[0016]步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。
[0017]碳化硅材料烧结机理表明：添加的碳在烧结过程中起到去除碳化硅颗粒表面二氧化硅，增加反应活性，同时阻碍碳化硅颗粒长大的作用。研究表明：选择D
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果糖、葡萄糖或蔗糖作为碳源，原因在于果糖在水中或乙醇中均具有较高的溶解度，并且其为小分子，相对于传统的酚醛树脂、炭黑等碳源，其更容易分散均匀，使脱粘裂解后生成的碳原子能更好地与氧原子反应，从而降低所制备的SiC陶瓷材料中的残余碳含量。在本专利技术新型热压烧结碳化硅陶瓷材料的研制过程中，以液相的形式引入硼源，提高了其分散性，以最低的添加量使 SiC陶瓷致密化。根据本领域的公知常识，陶瓷的致密化程度越高，其热导率越高，本专利技术所制备的SiC陶瓷的致密度接近100％，而且本专利技术制备的SiC陶瓷的纯度高，其含有极少的硼元素和石墨第二相，从而减少杂质元素引起的声子散射，从而进一步提高热导率。并且通过碳热还原反应，在烧结过程中使素坯中的氧元素和游离碳反应去除，反应式如下所示：2B2O3+7C＝B4C+6CO(g)
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(1)SiO2+3C＝SiC+2CO(g)
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(2)2SiO2+SiC＝3SiO(g)+CO(g)
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(3)
[0018]较佳地，所述烧结助剂包括碳源和硼源，所述碳源选自D
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果糖、葡萄糖和蔗糖中的至少一种，所述硼源为硼单质或硼化合物。
[0019]较佳地，所述碳源为D
‑
果糖，所述硼源为硼酸。
[0020]较佳地，所述碳源中碳元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.5
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2wt％，所述硼源中硼元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.06
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1wt％。
[0021]较佳地，步骤1)中，所述溶剂为水或无水乙醇，加热溶解的温度为70
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90℃，所述的球磨过程使用行星式球磨机与SiC磨球。
[0022]较佳地，步骤2)中，烘干温度为70
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90℃，烘干时间为5
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7小时，脱粘气氛为真空，真
空度小于20Pa，脱粘温度为600
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900℃。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂包括碳源和硼源，所述碳源选自D
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果糖、葡萄糖和蔗糖中的至少一种，所述硼源为硼单质或硼化合物。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为D
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果糖，所述硼源为硼酸。4.根据权利要求1
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3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述碳源中碳元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.5
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2wt％，所述硼源中硼元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.06
‑
1wt％。5.根据权利要求1或4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述溶剂为水或无水乙醇，加热溶解的温度为70
‑
90℃，所述的球磨过程使用行星式球磨机与SiC磨球。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，刘盟，黄政仁，刘岩，刘学建，姚秀敏，魏玉全，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：