CN1587204A

CN1587204A - 以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法及组合物

Info

Publication number: CN1587204A
Application number: CN 200410073054
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 刘磊磊
Original assignee: XILANG MATERIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd XI'AN
Current assignee: XILANG MATERIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd XI'AN
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2005-03-02

Abstract

本发明涉及高纯碳化硅烧结体的制备方法。方法包括按质量比称取组合物、机械搅拌、模具中成型、烘干固化、机床加工、混合酸浸泡再用去离子水清洗，除去表面吸附杂质、高温窑炉中硅粒渗入、烧成，酸洗后，真空包装。原料包括高纯固态碳素材料、粘合剂、润滑剂、高纯硅粒。具有加工成本低，无开口气孔、耐化学腐蚀的特点，由于在烧成过程中碳化硅的生成，增加了致密度和强度，烧成后产品密度大于3.05克/厘米³，使产品中游离硅降低，采用高纯固态碳素材料降低了杂质的含量，使产品单个杂质浓度小于0.5ppm。满足0.13μm线宽以下半导体器件制造要求。广泛用于加工制造扩散管、晶舟、样板晶圆、真空高温炉密封件等产品。

Description

以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法及组合物

技术领域

本发明涉及半导体器件在制造过程中氧化、扩散、LPCVD工艺使用的装备部件的制备方法及组合物。

背景技术

目前用于半导体器件制造过程中的碳化硅部件，存在着成型、加工难度大，部件游离硅含量高，碳化硅含量及纯度低、材料强度低、不耐化学腐蚀等缺陷。常用的方法有将碳化硅、有机硅、有机碳、无机碳混合浇注成型。成本高、难成型、烧成时能耗高。如相关美国专利：(1)6699411 March 2，2004 Odaka，etal.首先要通过混合高纯硅的聚合物和高纯碳元素的有机化合物制备碳化硅粉末，再将碳化硅粉末分散在熔剂中的悬浮液；通过将此悬浮液倾倒于模型中形成一个模型体，将含有至少一种可供应碳元素的有机物充入模型体；在真空或惰性气氛中煅烧渗硅。此专利工艺复杂易混入杂质、成本高、成型方法受局限等缺点.(2)5589116 December 31，1996 Kojima，et al.首先制取碳化硅颗粒并成型为模型体；在非氧化性气氛中煅烧模型体为带孔洞的烧结体；将此带有孔洞的模型体进行渗硅反应烧结。此工艺中碳化硅颗粒是由含碳和硅的混合物经过一定的工艺过程制备而成。此专利工艺复杂，产品加工难度大。成品中含有20％左右的游离硅。加工过程易引入杂质。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种加工成本低，产品的密度和碳化硅含量高、游离硅含量低、无开口气孔、耐化学腐蚀的以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法。

本发明的另一发明目的是提供以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的组合物。

实现发明目的的技术方案是这样解决的：以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法，按以下步骤进行：

a、按质量比称取高纯固态碳素材料；

b、在高纯固态碳素材料中加入热固型有机粘合剂和润滑剂放入机械搅拌中搅拌混合均匀；

c、将搅拌好的混合料放入模具中成型；

d产品成型的半成品素胚放入烘干窑中升温温度为160～300℃素胚固化；烘干固化周期10-40小时；

e、对烘干固化后的素胚按产品尺寸及形状进行机械加工；

f、经机械加工后的半成品进行酸洗，再用去离子水清洗，除去加工过程中表面吸附杂质；

g、在高温可控气氛炉中烧成，素胚下铺纯度大于99％高纯硅粒，硅粒粒径为0.3～12mm，渗硅烧成温度为1600～2600℃使硅粒熔化渗入胚体和高纯固态碳素材料进行反应，生成纯度大于99.9995碳化硅体；

h、在烧成碳化硅体的同时，充入高纯氮气或惰性气体，在大于硅熔化温度1414℃后，抽真空使液态硅完全渗入胚体和高纯固态碳素材料反应生成碳化硅体；

i、碳化硅体再次进行精加工和酸洗后，真空包装即为合格产品。

实现权利要求1所述的一种以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的组合物包括：

a、素胚组合物按质量比，高纯固态碳素材料为92～96％，所述的热固型粘合剂按质量比为3～8％，所述的润滑剂按质量比为1～3％；

b、所述的硅粒按质量比为素胚重量的2.0～2.7倍。

上述所说的高纯固态碳素材料主要是材料中以含碳元素为主要成分的材料，其中包括炭黑或石墨或炭黑、石墨的混合物。这里所说的高纯固态碳素材料本身的纯度必须大于99％以上。要求产品单个杂质浓度小于0.5ppm。杂质总含量小于5ppm。

本发明与现有技术相比，组合物固化成型后形成素胚，在素胚上用精密机床按设计尺寸和形状进行加工，这种素胚仅在低温下固化，它的强度相对成品在硬度上较低，加工起来比较容易，且加工速度要快，成品率高，成本比较低。然后将加工好的半成品进行酸洗，再用去离子水清洗，除去加工过程中表面吸附杂质；在窑炉中烧成，素胚下铺纯度大于99％硅粒，使硅粒熔化渗入胚体与高纯固态碳素材料进行反应，生成碳化硅体；再进行二次精细加工，除去由于高温烧成时产生的毛刺，经精细加工后的碳化硅体再次进行酸洗后，真空包装即为合格产品。由于在烧成过程中碳化硅的生成，增加了致密度，使产品中游离硅降低，增加了产品的强度和耐化学腐蚀能力。又由于采用高纯固态碳素材料降低了杂质的含量，使产品单个杂质浓度小于0.5ppm。满足0.13μm以下线宽半导体器件制造要求。广泛用于加工制造扩散管、晶舟、样板晶圆、高温真空炉密封件等产品。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明：

实施例1

以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法，按以下步骤进行：

a、按质量比称取炭黑92％。

b、在炭黑中加入热固型树脂粘合剂环氧树脂3％和润滑剂机油1％放入机械搅拌机中搅拌混合5小时使原料充分均匀；

c、将搅拌好的混合料放入模具中成型；其模具的形状及尺寸由产品要求而定，可以做出任意形状及尺寸的模具。

d、产品成型的半成品素胚放入烘干窑中缓慢升温温度为160℃素胚固化；烘干固化20小时；

e、经机械加工后的半成品放入盐酸中浸泡1小时，再用去离子水清洗，除去加工过程中表面吸附杂质；

g、在电阻炉中烧成，素胚下铺纯度大于99％硅粒，硅粒粒径为0.3mm，下铺硅粒硅粒是素胚重量的2.60倍。升温至1600℃使硅粒熔化渗入胚体与炭黑进行反应，生成碳化硅体；

h、在进行烧成的同时，充入高纯氮气做保护气体防止炭黑氧化，在大于硅熔化温度1414℃后，开始抽真空使硅粒快速完全渗入胚体反应生成碳化硅体；

i、碳化硅体再次进行酸洗后，真空包装即为合格产品。

实施例2

a、按质量比称取高纯石墨93％；

b、在高纯石墨中加入热固型粘合剂酚醛树脂4％，植物油3％。放入机械搅拌机中搅拌混合5小时使原料充分均匀；

c、将搅拌好的混合料放入的模具中成型；

d、产品成型的半成品素胚放入烘干窑中缓慢升温至180℃固化。烘干固化30小时；

e、素胚在精密机床上用刀具按尺寸进行打孔刻槽加工；

f、将加工好的半成品放入氢氟酸中浸泡2小时，再用去离子水清洗，除去加工过程中表面吸附杂质；

g、在中频感应炉中烧成，素胚下铺纯度大于99％硅粒，硅粒粒径为0.5mm，下铺硅粒硅粒是素胚重量的2.40倍。升温至2400℃使硅粒熔化渗入胚体和炭黑进行反应，生成碳化硅体；

h、在进行烧成的同时，充入高纯氩气做保护气体防止炭黑氧化，在大于硅熔化温度1414℃后，开始抽真空使硅粒快速完全渗入次生碳化硅体；

i、碳化硅体再次进行酸洗后，真空包装即为合格产品。

实施例3

实现权利要求1所述的以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的组合物，包括所述的碳化硅和游离硅，按质量比为碳化硅占95％，游离硅占5％。配方中碳黑92％，所述的热固型树脂粘合剂环氧树脂按质量比为7％，所述的润滑剂为机油按质量比为1％，下铺硅粒硅粒是素胚重量的2.70倍。制备方法同实施例1。

实施例4

组合物包括所述的高纯石墨按质量比为94％，所述的热固型粘合剂酚醛树脂按质量比为4％，所述的润滑剂植物油按质量比为2％。下铺硅粒硅粒是素胚重量的2.60倍。制备方法同实施例1。

实施例5

组合物包括所述的炭黑按质量比为96％，所述的热固型粘合剂脲醛树脂按质量比为3％，所述的润滑剂机油按质量比为1％，下铺硅粒硅粒是素胚重量的2.7倍。制备方法同实施例1。

实施例6

称取高纯石墨95kg，环氧树脂4kg。机油1kg。在混料机中混合5小时使原料充分均匀。将混合后的半干料装入至少50个晶舟的橡胶模具中，在等静压机中成型素胚，素胚在烘窑中烘干固化40小时，升温温度至200℃。烘干固化后的素胚在精密机床上打孔刻槽。刻槽后的半成品放入盐酸中浸泡再用去离子水清洗。在中频感应炉中烧成，烧成温度为1900℃，素胚下铺高纯硅粒是素胚重量的2.7倍，硅粒粒径为8mm，纯度大于99％。升温前先抽真空再通入高纯氮，至1500℃开始抽真空，在1900℃保温一小时烧成。烧成后的产品进行喷砂、精加工使产品满足尺寸要求，再进行酸洗真空包装。

综上所述，反应生成碳化硅体积增大，使胚致密化。其它孔隙被游离硅填充。烧成后产品密度大于3.05克/厘米³，碳化硅含量大于95％，游离硅含量小于或等于5％。产品单个杂质浓度小于0.5ppm。杂质总含量小于5ppm。

本发明的最突出的特点是以高纯固态形式的碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法及组合物，比美国和日本在美国申请的两专利用液体和部分有机材料制备的烧结体的方法及组合物，其成本要低，工艺要简单，加工方便，加工成品率高，游离硅含量低。基本无杂质。符合生产碳化硅半导体装备部件的要求。

Claims

1、一种以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法，其特征在于按以下步骤进行：

a、按质量比称取高纯固态碳素材料；

b、在高纯固态碳素材料中加入热固型有机粘合剂和润滑剂放入械搅拌机中搅拌混合均匀；

c、将搅拌好的混合料放入模具中成型；

d、成型的半成品素胚放入烘干窑中升温温度为160℃～300℃素胚固化；成型的素胚固化的最高温度为300℃，烘干固化周期10-40小时；

e、对烘干固化后的素胚按产品尺寸及形状进行机械加工；

g、在高温可控气氛炉中烧成，素胚下铺纯度大于99％高纯硅粒，硅粒粒径为0.3～12mm，渗硅烧成温度为1600～2600℃使硅粒熔化渗入胚体和高纯固态碳素材料进行反应，生成纯度大于99％碳化硅体；

h、在烧成碳化硅体的同时，充入高纯氮气或惰性气体，在大于硅熔化温度1414℃后，抽真空使液态硅渗入胚体和高纯固态碳素材料完全反应生成碳化硅体；

2、根据权利要求1所述以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法，其特征在于所说的渗硅烧成温度为1800～2400℃；

3、根据权利要求1或2所述以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法，其特征在于所说的渗硅烧成温度为2000～2200℃；

4、根据权利要求1所述以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的方法，其特征在于所说的成型的半成品素胚放入烘干窑中升温温度为180℃～250℃进行固化。

5、一种实现权利要求1所述的以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的组合物，其特征在于所述的组合物包括：

a、素胚组合物按质量比，高纯固态碳素材料为92～96％，所述的热固型粘合剂按质量比为3～8％，所述的润滑剂按质量比为1～2％；

b、所述的硅粒按质量比为素胚重量的2.0～2.7倍。

C.碳化硅产品单个杂质浓度小于0.5ppm。杂质总含量小于5ppm。

6.根据权利要求5所述以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备碳化硅烧结体的组合物，其特征在于所述的组合物包括：

a、素胚组合物按质量比，高纯固态碳素材料为93～95％，所述的热固型粘合剂按质量比为4～6％，所述的润滑剂按质量比为1～2％；

b、所述的硅粒按质量比为素胚重量的2.2～2.5倍。

7、根据权利要求5所述以高纯固态碳素材料为主经渗硅制备高纯碳化硅烧结体的组合物，所述的热固型有机粘合剂是指环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂。可以是其中一种，或其中任意两种或三种同时添加。

8、根据权利要求5所述以高纯固态碳素材料为主制备高纯碳化硅烧结体的组合物，所述的润滑剂剂为机油或植物油或二者的混合物。