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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein auf keramisches Molybdändisilicid (MoSi2)
basierendes Verbundheizelement, insbesondere ein Heizelement für einen
Wärmebehandlungsofen,
in dem eine sehr exakte Temperaturverteilung erforderlich ist, wie
ein Oxidations-, Diffusions- oder Niederdruck-Chemical-Vapor-Deposition-Ofen (LP-CVD)
zur Halbleiterherstellung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung der keramischen Verbundheizelemente auf Basis von
Molybdändisilicid.
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2. Beschreibung des Stands
des Technik
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Die
DE 1 060 066 B beschreibt
ein auf pulvermetalogischem Weg hergestelltes keramisches Heizelement
auf der Basis von Molybdänsilicid,
dessen Hochtemperaturteil bei Temperaturen oberhalb 1600°C in oxidierenden
Atmosphären
betrieben werden kann. Die Hochtemperaturzone des Elements besteht
aus Molybdänsilicid
mit einem Anteil von 34 bis 36 Gew.% Silicium, Rest Molybdän. Außerhalb
dieser Zone besteht das Heizelement zur Vermeidung des Pestphänomens aus
einem vornehmlich wolfram- und molybdänfreiem Silicidwerkstoff. Die
DE 1 041 261 B beschreibt
einen als Heizleiter einsetzbaren Sinterkörper aus Molybdändisilicid
mit einem Siliciumgehalt des Molybdänsilicids im Hochtemperaturteil
von 34 bis 35,5 Gew.% und im Niedertemperaturteil von 36 bis 37
Gew.%. Zur Vermeidung des Pestphänomens
wird vorgeschlagen, im gesamten Werkstück den zuvor genannten Siliciumanteil
einzustellen und auf das Tieftemperaturteil des gesinterten Werkstücks zusätzlich Silicium,
beispielsweise in Form von geschmolzenem Silicium, aufzubringen,
um den dort erwünschten
geringfügig
höheren
Siliciumgehalt von 36 bis 37 Gew.% zu erreichen.
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Aus
der
US 5 470 506 ist
ein Verbundheizelement auf der Basis eines elektrisch leitfähigen Pulvers und
einer kristallisierbaren Glasmasse bekannt. Die Glasmasse ist ein
Erdalkalimetallglas, das Oxide der seltene Erden und 20 bis 60 Gew.%
B
2O
3 als Komponente
enthält.
Als elektrisch leitfähiges
Pulver kann Molybdänsilicid
eingesetzt werden.
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Bislang
wurde in Wärmebehandlungsöfen zur
Halbleiterherstellung wie Oxidations-, Diffusions- und LP-CVD-Öfen ein
metallisches Heizelement auf Basis von Fe-Cr-Al eingesetzt. In einer
neueren Entwicklung des thermischen Schnellverfahrens (rapid thermal
processing), das auf die Herstellung von mikroskopisch kleinen Teilen
gerichtet ist und eine Kostenersparnis bei der Herstellung von Halbleiterprodukten
mit sich bringt, wurde das MoSi2-Heizelement
eingesetzt. Da das MoSi2- Heizelement eine bessere Hitzebeständigkeit
als ein metallisches Heizelement aufweist, kann es bei einer Leistungsdichte
an der Oberfläche
verwendet werden, die bis zu zehnmal so groß ist wie diejenige eines metallischen
Heizelements. Beispielsweise beträgt die zulässige Grenze für die Leistungsdichte
an der Oberfläche
eines metallischen Heizelements bei 1000°C etwa 2 W/cm2,
während
diejenige eines MoSi2-Heizelements bei 1000°C 20W/cm2 beträgt.
Ferner wird durch Verwendung des Molybdändisilicid-Heizelements unter
Verzicht auf ein Verkleidungsrohr, das üblicherweise aus Siliciumcarbid
hergestellt und im Inneren des Heizelements installiert ist, die
Wärmekapazität des Wärmebehandlungsofens
dramatisch reduziert. Daher wird im Inneren des Heizelements lediglich
ein Quarzrohr installiert. Durch diese Maßnahme lassen sich die Aufheiz-
und Abkühlzeiten
wesentlich verkürzen.
So kann im Fall eines Diffusionsofens die Wärmebehandlungszeit um 60 %
und mehr verkürzt
werden, d. h. die üblicherweise
erforderlichen 200 Minuten oder mehr können auf 80 Minuten oder weniger
reduziert werden.
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Das
MoSi2-Heizelement läßt sich bei einer Temperatur
von 1400°C
oder mehr und unter Raumatmosphäre
stabil betreiben, da sich auf der Oberfläche des Heizelements ein Schutzfilm
aus Siliciumdioxid (SiO2) bildet. In einem
Temperaturbereich von 400 bis 1200°C, in dem Oxidations-, Diffusions-
und LP-CVD-Öfen
betrieben werden, tritt eine Niedrigtemperaturoxidation ein, die
charakteristisch für
MoSi2-Heizelemente ist und das polykristalline
Material pulverisiert, da der dichte Siliciumdioxidschutzfilm nicht
gebildet wird. Dieses Phänomen
bezeichnet man als „Pest"-Phänomen. In
der gegenwärtigen
Situation ist daher die Lebensdauer des MoSi2-Heizelements
unbefriedigend für
den Anwender.
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Die
Anmelderin schlug in der am 4. Juni 1996 veröffentlichten JP 8-143 365 vor,
auf der Oberfläche des
Heizelements einen Siliciumcarbid (SiC)-Film durch CVD auszubilden.
Die durch diesen Film erreichten Wirkungen sind jedoch noch nicht
völlig
zufriedenstellend.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, ein keramisches Verbundheizelement auf
der Basis von Molybdändisilicid
bereitzustellen, in dem die Niedrigtemperaturoxidation von MoSi2 verhindert wird, um die Lebensdauer des
Heizelements im Niedrigtemperaturbetrieb, beispielsweise bei dessen
Einsatz in einem Wärmebehandlungsofen
zur Halbleiter-herstellung, ausreichend zu verlängern.
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Aufgabe
der Erfindung ist ferner, ein Verfahren zur Herstellung des keramischen
Molybdändisilicid-Verbundheizelements
bereitzustellen.
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Zum
charakteristischen Pest-Phänomen
des MoSi2-Heizelements gibt es einen Bericht von
Kurokawa in dem 22. Tagesbericht der Society for Corrosion Engineering
(1995), Seiten 63–81,
die von der Japan Corrosion Protection Society organisiert ist.
Nach diesem Bericht beruht das „Pest"-Phänomen
auf einer Volumenerweiterung, die durch eine Bildung von MoO3 verursacht wird, das einen hohen Dampfdruck
aufweist und zu Korngrenzenfehlern in MoSi2-gesintertem
Material führt.
Um das „Pest"-Phänomen zu
verhindern, erscheint es daher sinnvoll, ein vollständig verdichtetes
Material herzustellen, das frei von Fehlern wie Rissen und Poren ist.
Ferner erscheint es wichtig, auf der Oberfläche des gesinterten Materials
eine dichte und stabile Oxidationsschutzschicht aus Siliciumdioxid
auszubilden.
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Während die
Erfinder der dieser Anmeldung zugrundeliegenden Erfindung im Journal
of the Japan Institute of Metals, Vol. 61(3), Seiten 247–248, 1997, über die
Verhinderung der „Niedrigtemperaturoxidation durch
(direktes) Erhitzen mit Strom" in
keramischen Verbundmaterialien auf Basis von MoSi2 für Infrarotquellen berichten,
stellen sie andererseits fest, daß sich durch Anlegen von Elektrizität Risse
in dem Siliciumschutzfilm bilden und die Niedrigtemperaturoxidation
daher fortschreitet. Obwohl die Ausbildung des oben genannten Siliciumdioxidschutzfilms
auf der Oberfläche
ein wichtiges Verfahren zur Verhinderung der Niedrigtemperaturoxidation
darstellt, ist sie in erster Linie eine Maßnahme zur Verlängerung
der Lebensdauer des Heizelements und keine Maßnahme zur Verhinderung des „Pest"-Phänomens.
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Die
Erfinder haben erkannt, daß der
Hauptgrund für
das Pest-Phänomen
darin liegt, daß bei
der Bildung von MoO3 in den Korngrenzen
von MoSi2 ein intergranularer Bruch (eine
Trennung von Körnern)
stattfindet. Die Erfinder haben daraufhin das folgende keramische
Verbundmaterial auf Basis von Molybdändisilicid entworfen. Nach
dem herkömmlichen
Verfahren zur Verhinderung des Pest-Phänomens
wird ein dichter und stabiler SiO2-Schutzfilm
auf der Oberfläche
des gesinterten Materials ausgebildet. Erfindungsgemäß wird diese
Maßnahme
mikroskopisch auf die Korngrenzen angewendet, so daß die Korngrenzfläche, bei
der die MoSi2-Körner in Kontakt miteinander
stehen, so niedrig wie möglich
ist. Das dabei gewonnene Material ist ein Verbund aus MoSi2 und einer siliciumdioxidtragenden Oxidphase
oder einer Glasphase, die, verglichen mit MoSi2,
einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Ein solches Verbundmaterial
besitzt eine Mikrostruktur, so daß ein möglichst großer Teil der Siliciumdioxid
enthaltenden Oxidphase oder der Glasphase an den Korngrenzen der
MoSi2-Körner
vorliegt und dadurch die „Pest"-Oxidation verhindert
wird.
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Erfindungsgemäß wird ein
keramisches Verbundheizelement auf der Basis von Molybdändisilicid
bereitgestellt, das Molybdändisilicidkörner und
eine Sekundärphase
umfasst, die sich in einer netzartigen Form entlang der Grenzen
der Molybdändisilicidkörner erstreckt
und die einen geringeren Schmelzpunkt als das Molybdändisilicid
aufweist. Das keramische Verbundheizelement auf der Basis von Molybdändisilicid
ist erhältlich durch
Sintern eines Gemischs, das im wesentlichen aus 20 bis 45 Vol.%
eines Tonmineralpulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm oder weniger
und eines Molybdändisilicidpulvers
mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm oder weniger
als Rest besteht bei einer Temperatur von 1250 bis 1550°C, wobei
die netzartige Struktur der sekundären, aus dem Tonmineral bestehenden
Phase entlang der Grenzen der Molybdändisilicidkörner gebildet wird.
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Das
erfindungsgemäße keramische
Verbundheizelement auf Basis von Molybdändisilicid mit langer Lebensdauer
im Niedrigtemperaturbereich besteht im wesentlichen aus Molybdändisilicidkörnern, die
eine Netzstruktur aufweisen und einer Sekundärphase aus mindestens einem
Material, ausgewählt
aus einem Siliciumdioxid enthaltenden Oxid und einem Glas mit einem
im Vergleich zu Molybdändisilicid verhältnismäßig niedrigen
Schmelzpunkt, wobei die Sekundärphase
sich in einer netzartigen Form entlang der Grenzen der Molybdändisilicidkörner verteilt.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Heizelement zum Einsatz in einem Wärmebehandlungsofen
zur Herstellung von Halbleitern bereitgestellt, in dem auf das äußere Behandlungsrohr,
d. h. das Verkleidungsrohr verzichtet wird und das Heizelement dadurch
unmittelbar neben dem Quarzrohr angebracht ist, in dem die Halbleiterrohlinge
wärmebehandelt
werden. Nach dieser Ausführungsform
der Erfindung sind die Verunreinigungen des Heizelements auf 0,05
Massen-% oder weniger Fe, 0,01 Massen-% oder weniger Cu, 0,05 Massen-%
oder weniger Na und 0,05 Massen-% oder weniger K und 0,16 Massen-%
oder weniger Gesamtverunreinigungen begrenzt.
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Ein
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen keramischen Verbundheizelements,
das die Schritte Sintern, Biegen und Verschweißen umfaßt, ist wie folgt gekennzeichnet:
20 bis 45 Vol.% eines Tonmineralpulvers werden zu dem MoSi2-Pulver gegeben und anschließend mit
Wasser verrührt;
die gerührte
Mischung wird geformt, getrocknet und in einer nichtoxidierenden
Atmosphäre
bei einer Temperatur von 1250 bis 1550°C gesintert, wodurch sich die
oben genannte netzartige Mikrostruktur der Siliciumdioxid enthaltenden Oxidphase
oder Glasphase sowie die Netzwerkstruktur der MoSi2-Körner ausbildet.
Um ein Heizelement mit größstmöglicher
Dichte bereitzustellen, wird (A) ein MoSi2-Pulver
mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 5 μm oder weniger
sowie (B) ein Tonmineral mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser
von 1 μm
oder weniger eingesetzt. Diese Rohmaterialien werden mit Wasser
verrührt
und mit Hilfe eines geeigneten Formverfahrens zu der gewünschten
Größe geformt.
Das geformte Material wird getrocknet und anschließend in
einer nichtoxidierenden Atmosphäre
wie Stickstoff, Argon und ähnlichen
Gasen bei einer Temperatur von 1250 bis 1550°C gesintert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein gewelltes mehrschaftiges
Heizelement.
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2 zeigt ein zylindrisches
spiralförmiges
Heizelement.
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3 zeigt ein mehrschaftiges
Heizelement, das in einem Single-Wafer-Verarbeitungsofen eingesetzt wird.
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4 zeigt ein U-förmiges Heizelement.
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5 ist eine mikroskopische
Fotografie von Beispiel 1 (1000fache Vergrößerung).
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6 ist eine mikroskopische
Fotografie von Beispiel 2 (1000fache Vergrößerung).
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7 ist eine mikroskopische
Vergrößerung von
Vergleichsbeispiel 1 (1000fache Vergrößerung).
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8 ist eine mikroskopische
Fotografie von Vergleichsbeispiel 2 (1000fache Vergrößerung).
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9 zeigt ein gewelltes mehrschaftiges
Heizelement.
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10 zeigt eine schematische
Zeichnung eines Beispiels für
ein bekanntes LP-CVD-Gerät.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden wird die Erfindung in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen
näher beschrieben.
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In 10 sind die folgenden Teile
des bekannten LP-CVD-Geräts dargestellt: 10 – Ofenkörper; 11 – Heizvorrichtung,
für die
das erfindungsgemäße keramische
Verbundheizelement auf Basis von Molybdändisilicid verwendet wird; 12 – Quarz-Reaktorröhre; 13 – ärmelförmige innere
Quarzröhre
zur Bildung eines Gaskanals; 14 – Halbleiterplatten; 15 – Trägersockel
für die
Platten; 16 – Gaseinlaßrohr; 17 – Gasauslaßrohr. Das Verkleidungsrohr
ist ausgelassen und wird nicht verwendet.
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Bei
der Herstellung des in der in 10 abgebildeten
Heizvorrichtung 11 verwendeten Heizelements sollte (a)
das verwendete MoSi2-Pulver jeweils 0,01
Massen-% oder weniger an Metallverunreinigungen wie Fe, Cu, Al,
Ca, Mg, Na und K enthalten, wobei die Gesamtmenge dieser Metallverunreinigungen
0,07 Massen-% oder weniger beträgt
und (b) die Verunreinigung des natürlichen Tonminerals oder künstlichen
Tons auf 0,3 Massen-% oder weniger Fe, 0,1 Massen-% oder weniger
Cu, 0,1 Massen-% oder weniger Na und 0,1 Massen-% oder weniger K
beschränkt
sein. Es können
jedoch auch Tonmineralien verwendet werden, die 0,1 Massen-% oder
mehr Na enthalten, vorausgesetzt, daß diese nach dem Sintern einem
geeigneten Na-Entfernungsverfahren
unterzogen werden, durch das der Na-Gehalt des Heizelements auf 0,05 Massen-%
oder weniger reduziert wird. Ein derartiger Na-reicher Ton muß jedoch
einen Verunreinigungsgrad von 0,03 Massen-% oder weniger Fe, 0,1
Massen-% oder weniger Cu und 0,1 Massen-% oder weniger K aufweisen.
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Es
werden Rohmaterialien von möglichst
hoher Reinheit verwendet. Das Vorhandensein von Schwermetallen wie
Fe, Cu und ähnlichen
sowie Alkalimetallen wie Na, K und ähnlichen in den Halbleitermaterialien führt zu Geräteausfällen. Bei
Wärmebehandlungsöfen, die
kein äußeres Behandlungsrohr,
d. h. kein Verkleidungsrohr, aufweisen, können diese Materialien als
Verunreinigungen in dem Heizelement auftreten und durch das Quarzreaktorrohr 12 (10) treten und so die in
dem Quarzreaktorrohr 12 erhitzten Halbleiterscheiben 14 verunreinigen.
Daher müssen
in einem solchen Ofen die inneren und äußeren Ofenmaterialien von sehr hoher
Reinheit sein. Wegen des relativ hohen Diffusionskoeffizienten von
Cu im Quarzrohr muß insbesondere der
Cu-Gehalt streng begrenzt werden.
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Im
erfindungsgemäßen Heizelement
werden die oben genannten Probleme dadurch verhindert, daß man die
Fe-Verunreinigungen
auf 0,05 Massen-% oder weniger, vorzugsweise 0,03 Massen-% oder
weniger, die Cu-Verunreinigungen
auf 0,01 Massen-% oder weniger, vorzugsweise 0,005 Massen-% oder
weniger begrenzt. Alternativ besitzen die als Ausgangsmaterialien
zur Herstellung des erfindungsgemäß eingesetzten MoSi2 verwendeten Mo und Si jeweils eine Reinheit
von 99,9 oder mehr, vorzugsweise eine Reinheit von 99,99 % oder
mehr. Die Reinheit des oben genannten Mo und Si kann auch dadurch
erreicht werden, daß der
jeweilige Gehalt an Fe, Cu, Al, Ca, Mg, Na und K 0,01 Massen-% oder
weniger beträgt.
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Die
Siliciumdioxid enthaltende Oxid- oder Glasphase wird aus dem Tonmineral
mit relativ niedrigem Schmelzpunkt hergestellt und als Korngrenzenmaterial
verwendet, da sie eine hervorragende Resistenz gegenüber Oxidation
aufweist und der aus diesen Phasen gebildete Film die MoSi2-Körner
umgibt und sie so vor dem oxidierenden Gas schützt. Als Ausgangsmaterial zur
Herstellung der Siliciumdioxid enthaltenden Oxid- oder Glasphase
mit relativ niedrigem Schmelzpunkt kann ein natürliches oder künstliches
(synthetisches) Tonmineral eingesetzt werden. Insbesondere kann
ein gereinigtes Montmorillonit- Tonmineral,
(Kunipia®)
oder natürliches
Tonmineral (Bengel®) eingesetzt werden.
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Die
zur Herstellung des Heizelements für einen Wärmebehandlungsofen, in dem
das äußere Behandlungsrohr,
d. h. das Verkleidungsrohr, ausgelassen ist, verwendete Tonminerale
erfüllen
vorzugsweise die oben genannten Bedingungen (A) und (B). Ein Tonmineral,
welches 0,1 Massen-% oder mehr Na enthält, kann ebenfalls verwendet
werden, solange es nach dem Sintern einem geeigneten Verfahren zur
Entfernung von Na unterzogen wird und der Na-Gehalt des Heizelements
auf 0,05 % oder weniger reduziert wird. Ein solcher Na-reicher Ton
muß jedoch
einen Verunreinigungsgehalt von 0,3 Massen-% oder weniger Fe, 0,1
Massen-% oder weniger Cu und 0,1 Massen-% oder weniger K aufweisen.
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Erfindungsgemäß einsetzbare
künstliche
(synthetische) Tonmineralien werden unter den Handelsbezeichnungen
Sumecton SA, Laponite oder Hectite/Laponite, Ionite und Thixopy
hergestellt und verkauft.
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Das
bekannte Verfahren, wonach das mit MoSi2 versehene
Tonmineral (welches quellbares Bentonit enthält) zunächst geformt und anschließend gesintert
wird, ist beispielsweise in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung
(Kokoku) 35-1235 beschrieben. In dieser Veröffentlichung beträgt die Menge
der durch Vitrifikation des beschriebenen Bentonits gebildeten Glasphase
nur etwa 18 %. Maßnahmen
gegen die Niedrigtemperaturoxidation werden in dieser Veröffentlichung überhaupt
nicht beschrieben.
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Der
Anteil der Siliciumdioxid enthaltenden Oxid- und Glasphase beträgt 20 bis
45 Vol.%. Wenn der Anteil weniger als 20 Vol.% beträgt, ist
die Wahrscheinlichkeit, daß sich
derartige Phasen an den Korngrenzen von MoSi2 ausbilden,
so gering, daß Niedrigtemperaturoxidation
auftritt. Wenn der Anteil jedoch mehr als 45 Vol.% beträgt, wird
die Kontaktfläche
zwischen den MoSi2-Körnern so gering, daß die durch
Verbindung der MoSi2-Inseln gebildete Netzstruktur
zerstört
und infolgedessen die Hitzeschockbeständigkeit stark beeinträchtigt wird,
so daß das
Material infolge schlechter Wärmeleitfähigkeit
nicht als Heizelement einsetzbar ist. Vorzugsweise beträgt der Anteil
25 bis 40 Gew.%. Somit hängt
die Menge des zuzumischenden Tonminerals von zwei Faktoren ab; zum
einen von den Netzbildungseigenschaften der Siliciumdioxid enthaltenden
Oxid- und Glasphase, d. h. diese Phasen sind an den MoSi2-Körnern
vorhanden und können
nicht voneinander isoliert werden, sondern bilden eine ununterbrochene
Netzform wie der proeutektonische Zementit von hypereutektonischem
Kohlenstoffstahl; zum anderen ist zu berücksichtigen, daß die MoSi2-Körner
eine dreidimensionale Netzstruktur ausbilden, in der die MoSi2-Inseln
dreidimensional miteinander verbunden sind. Diese beiden Phasen,
d. h. die netzartige Siliciumdioxid enthaltende Oxid- oder Glasphase
und die MoSi2-Körner mit der Netzstruktur sind
ineinander verwoben.
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Das
Tonmineral schmilzt während
des Sinterns. Die dabei gebildeten Schmelzetropfen neigen dazu, abzufließen und
durch Zusammenschluß einen
Film um die MoSi2-Partikel zu bilden. Diese
Tendenz ist um so ausgeprägter,
wenn der Anteil des Tonminerals 20 Vol.% oder mehr beträgt. Wenn
dieser Anteil also geringer als 20 Vol.% ist, gibt es eine Anzahl
von isolierten Tropfen der Schmelze sowie Teile des Films, die noch
nicht die MoSi2-Körner umgeben. Inzwischen entspricht
die Netzstruktur der MoSi2-Körner einem
Bild von miteinander verbundenen Inseln. Wenn der Volumenanteil
von MoSi2 größer als etwa 55 % ist, bilden
die MoSi2-Körner aus den folgenden Gründen eine
dominante Netzstruktur. (1) Die Morphologie von MoSi2 ist
etwas anders als diejenige der Glasphase, (2) der Partikeldurchmesser
des Ausgangsmaterials von MoSi2 ist wesentlich
größer als
derjenige des Tonminerals und (3) das MoSi2 schmilzt
nicht während
des Sinterns.
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Die
oben beschriebene charakteristische Verbindungsart in der Struktur
kann quantitativ wie in R. T. Dehoff und F. N. Rhiness in „Quantitative
Microscopy" Mc Graw-Hill,
New York (1968) Seite 325 beschrieben durch die Betti-Nummer ausgedrückt werden.
Obwohl die Betti-Nummer in dieser Literaturstelle nur kurz beschrieben
ist, entspricht sie der Anzahl von Inseln in dem Systembereich.
Tatsächlich
wird die Betti-Nummer durch Zählen
der Inseln bestimmt. Die Betti-Nummer von MoSi2-Inseln
nimmt ab mit einer Zunahme des Volumenanteils der Siliciumdioxid
enthaltenden Oxid- und Glasphasen. Wenn der Volumenanteil der auf
Siliciumdioxid basierenden Oxid- oder Glasphasen 45 % beträgt, ist
die Betti-Nummer 0 und die charakteristische Verbindungsart der
MoSi2-Körner
verschwindet. Andererseits steigt die Betti-Nummer der Siliciumdioxid
enthaltenden Oxid- und Glasphasen stetig mit einer Zunahme von deren
Volumenfraktion und bei 20 Vol.% oder mehr wird deren charakteristische
Verbindungsart bemerkbar. Wenn der Volumenanteil der Siliciumdioxid
enthaltenden Oxid- und Glasphasen 20 oder weniger beträgt, sind
diese Phasen in der MoSi2-Matrix verteilt. Wenn
jedoch der Volumenanteil der Siliciumdioxid enthaltenden Oxid- und
Glasphasen 45 oder mehr beträgt, ist
das MoSi2 in der Matrix aus Siliciumdioxid
enthaltenen Oxid- und Glasphasen verteilt. Wenn der Volumenanteil
20 % oder weniger bzw. 45 % oder mehr beträgt, handelt es sich bei dem
Material um einen Verbund, in dem die Partikel verteilt sind. Wenn
der Volumenanteil in einem Bereich von 20 bis 45 % liegt, sind die
Siliciumdioxid enthaltenden Oxid- oder Glasphasen und die MoSi2-Phase miteinander verwoben und bilden einen Verbundkörper mit
einer Netzwerkstruktur.
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Im
folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des keramischen Verbundheizelements
auf Basis von Molybdändisilicid
beschrieben. Die zur Herstellung von MoSi2 erforderlichen
Ausgangsmaterialien werden vorzugsweise nach dem Kugelmahlverfahren
auf einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 5 μm oder weniger,
vorzugsweise 2 μm
oder weniger gebracht. Um eine Verunreinigung durch Metalle beim
Zerkleinern der Ausgangsmaterialien zu vermeiden, wird vorzugsweise
ein keramischer Behälter
sowie Geräte
aus Zirkonium und ähnlichem
verwendet. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann ferner das Air-flow-Pulverisierungsverfahren verwendet werden.
Das so zerkleinerte MoSi2-Pulver wird mit
dem Tonmineral, welches eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 μm oder weniger,
vorzugsweise 0,5 μm
oder weniger aufweist und mit Wasser, vorzugsweise reinem Wasser,
vermischt. Die Mischung wird zu einer Stangenform extrudiert und
anschließend
getrocknet. Das Sintern erfolgt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer
Temperatur von 1250 bis 1550°C.
Hochtemperatursintern führt
zu Kornwachstum und ist daher weniger geeignet im Hinblick auf die
Verbundstruktur. Die Sintertemperatur beträgt vorzugsweise 1300 bis 1450°C. Das stangenförmige gesinterte
Material kann als solches als Heizelement verwendet werden. Es kann
jedoch auch durch konduktive oder externe Erwärmung mit einer Siliciumschutzschicht
versehen werden.
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Anschließend wird
die Stange gebogen und zu dem in 1 abgebildetem
mehrschaftigen Heizelement 1, welches auf dem in Kammeröfen Verwendung
findenden Wärmeisoliermaterial 2 montiert
wird, einem in 2 abgebildeten
zylindrischen und spiralen Heizelement 1 oder einem in 3 abgebildeten flachen, mehrschaftigen
Heizelement, welches bei der Einzelverarbeitung von Wafern Anwendung
findet, verarbeitet.
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Bevor
das Heizelement in einen Wärmebehandlungsofen
eingebaut wird, kann dieses an seiner gesamten Oberfläche mit
einer vollständig
verdichteten Siliciumdioxidschutzschicht von geeigneter Dicke versehen
werden.
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Im
folgenden wird das erfindungsgemäß verstärkte keramische
Verbundmaterial beschrieben. Um das erfindungsgemäße keramische
Verbundheizelement auf Basis von Molybdändisilicid mit einer bei Raumtemperatur ausreichend
hohen mechanischen Festigkeit zu versehen, können dem Gemisch aus MoSi2 und siliciumdioxidtragendem Oxid- oder
Glasphasen verfestigende ternäre
Phasen zugegeben werden, die die Eigenschaften des Heizelements
nicht verschlechtern und aus der Gruppe von MoB, Mo2B,
MoB2, Mo2B5, WB, W2B, WB2, W2B5,
SiC, HfB2, ZrB2,
TiB2, TiB, HfC, ZrC und TiC, vorzugsweise
MoB zugegeben werden. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser
der verfestigenden Phase beträgt
5 μm oder
weniger. Dabei ist zu beachten, daß die Siliciumdioxid enthaltende
Oxid- oder Glasphase eine sekundäre
Phase und die verfestigende Phase eine ternäre Phase ist. Der Volumenanteil
der verfestigenden Phase beträgt
bis zu 35 %, wobei der Gesamtvolumenanteil der sekundären und
ternären
Phase auf 55 % oder weniger beschränkt ist, so daß die Wärmeerzeugung
nicht beeinträchtigt
wird. Die in der verfestigenden Phase verwendeten Materialien müssen eine
hohe Reinheit aufweisen, um die hohe Reinheit des Heizelements zu
gewährleisten.
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Der
durchschnittliche Teilchendurchmesser der Rohmaterialien beträgt 5 μm oder weniger.
Dies bedeutet, daß MoSi2, MoB, Mo2B, MoB2, Mo2B5,
WB, W2B, WB2, W2B5, SiC, HfB2, ZrB2, TiB2, TiB, HfC, ZrC und TiC jeweils einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 5 μm
oder weniger aufweisen, da mit durchschnittlichen Teilchendurchmessern
von mehr als 5 μm
kein vollständig
verdichtetes Material erzeugt werden kann. Der durchschnittliche
Teilchendurchmesser beträgt
vorzugsweise 2 μm
oder weniger.
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Die
ternäre
Phase, die aus einer oder mehreren der oben genannten Verbindungen
besteht, kann in einer Menge von 5 bis 35 Vol.% enthalten sein.
Wenn der Volumenanteil weniger als 5 % beträgt, werden die mechanischen
Eigenschaften nicht ausreichend verbessert. Wenn andererseits der
Volumenanteil mehr als 35 % beträgt, übersteigt
der Gesamtanteil von sekundären
und ternären
Phasen 55 Vol.%, was nicht vorteilhaft ist. Der bevorzugte Volumenanteil
der ternären
Phase beträgt
10 bis 25 %.
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Im
folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundheizelements
auf Basis von Molybdändisilicid
beschrieben, das insbesondere in einem Wärmebehandlungsofen zur Herstellung
von Halbleitern verwendet wird.
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Die
zuvor bestimmten Mengen des oben erwähnten hochreinen MoSi2 und Tonminerals sowie der verfestigenden
ternären
Phase werden abgewogen. Zu dem Rohmaterialpulver wird, Wasser gegeben
und das Gemisch anschließend
beispielsweise mit einer Knetmaschine beispielsweise 15 Minuten
oder länger
gründlich
verrührt.
Nach dem Rühren
sollte das Wasser in einem Härteschritt
weitestgehend absorbiert werden, indem man das Gemisch eine bestimmte
Zeit, etwa 48 Stunden oder länger,
in einem geschlossenen Gefäß, in dem
ein Austrocknen verhindert wird, aufbewahrt. Das erhaltene verrührte Gemisch
wird zu einer Stange extrudiert, getrocknet und anschließend in
einer nichtoxidierenden Atmosphäre
wie Argon bei einer Temperatur von 1250 bis 1550°C gesintert, da bei niedrigeren
Temperaturen als 1250°C
das Sintern nur unzureichend erfolgt, während eine höhere Sintertemperatur
als 1550°C
im Vergleich zur Schmelztemperatur des Tonminerals derart hoch ist,
daß es
zu einer nachteiligen Blasenbildung kommt. Die bevorzugte Sintertemperatur
beträgt 1300
bis 1450°C.
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In
einem Heizelement, das in einem Wärmebehandlungsofen verwendet
wird, welcher nicht mit dem äußeren Verarbeitungsrohr
oder dem Mantelrohr versehen ist, beträgt der Na-Gehalt des Heizelements
vorzugsweise 0,05 Massen-% oder weniger. Wenn der Na-Gehalt des
Tonminerals 0,1 Massen-% oder mehr beträgt, wird vorzugsweise nach
dem Sintern die folgende Behandlung zum Entfernen von Na vorgenommen.
Im Heizelement kann Na bei einer Temperatur von 1250 bis 1550°C in einer
oxidierenden Atmosphäre
und unter vermindertem Druck von weniger als 1 atm entfernt werden.
Der Druck beträgt
vorzugsweise 1 bis 50 Torr. Durch Evakuierung des Ofens auf den
oben genannten Druck unter Zufuhr von trockener Luft wird Na wirksam entfernt.
In einer reduzierenden Ofenatmosphäre kann Na nicht wirksam entfernt
werden. Bei Drücken
von weniger als 1 Torr ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß die Ofenatmosphäre reduzierend
ist. Daher beträgt
der Druck vorzugsweise 1 Torr oder mehr. Andererseits wird bei Drücken von
50 Torr oder mehr die Oberfläche des
Heizelements unter Bildung eines dicken Oxidfilms oxidiert, so daß Na nicht
mehr wirksam entfernt wird. Anstelle von Luft kann auch Sauerstoff
zugeführt
werden. In diesem Fall hängt
der Druck der Ofenatmosphäre von
dem partiellen Sauerstoffdruck ab. Der partielle Sauerstoffdruck
wird daher derart eingestellt, daß der oben genannte bevorzugte
niedrigere Wert erhalten wird. Bei Behandlungstemperaturen niedriger
als 1250°C
kann Na nicht wirksam entfernt werden. Bei einer Temperatur höher als
1550°C tritt
eine nachteilige Blasenbildung auf, da die Temperatur wesentlich
höher als
der Schmelzpunkt des Tonminerals ist. Da das Material nach der Behandlung
zum Entfernen von Na mit einer Glasschicht versehen ist, die Störstellen
enthält,
wird diese oberflächliche Glasschicht
vor Inbetriebnahme als Heizelement vorzugsweise durch Shot-Blasting
oder ähnliche Verfahren
entfernt.
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Beim
Biegen und Schweißen
des MoSi2-Heizelements kann eine selektive
Oxidation auftreten, wobei sich ein weißer Rauch aus Metalloxid bilden
kann. Nach dem Sintern und vor dem Biegen und Verschmelzen sollte
das MoSi2-Heizelement daher durch konduktives
oder externes Erhitzen mit einer vorläufigen dichten Schutzschicht
versehen werden, um die Bildung von weißem Rauch zu verhindern. Erfindungsgemäß ist es jedoch
nicht erforderlich, eine vorläufige
Schutzschicht auszubilden. Dennoch kann die Schutzschicht trotzdem ausgebildet
werden. Die Siliciumdioxidschutzschicht kann durch konduktive Erwärmung auf
eine Temperatur von 1200 bis 1550°C
ausgebildet werden. Es gehört
zu den Merkmalen dieser Erfindung, daß sich durch die Ausbildung
der Schutzschicht praktisch kein weißer Rauch mehr bildet.
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Das
Biegen erfolgt bei einer Temperatur von 1200 bis 1550°C. Bei niedrigeren
Temperaturen als 1200°C
wird keine zufriedenstellende thermische Plastizität erreicht,
während
bei Temperaturen höher
als 1550°C
eine exzessive Verformung eintritt, so daß die gewünschte Form nicht erhalten
werden kann.
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Die
Heizelemente werden miteinander und mit dem terminalen Element des
Heizelements durch Schmelzschweißung verschweißt. Das
Schweißen
erfolgt in einem Temperaturbereich von 1400 bis 1700°C unter Inertgasatmosphäre wie Argon
oder ähnlichen
Basen. Wenn die Schweißtemperatur
weniger als 1400°C beträgt, ist
die Schweißstärke nicht
ausreichend hoch. Wenn die Schweißtemperatur mehr als 1700°C beträgt, verformt
sich das Heizelement so stark, daß eine geeignete Schweißform nicht
erhalten werden kann.
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Das
erfindungsgemäße keramische
Verbundheizelement auf Basis von Molybdändisilicid kann zur Wärmebehandlung
bei Termperaturen von 1200°C
oder weniger, insbesondere in dem Bereich um 500°C eingesetzt werden, indem üblicherweise
Niedrigtemperaturoxidation von Molybdändisilicid eintritt. Eine solche Wärmebehandlung
wird in einem Oxidations-, Diffusions- oder LP-CVD-Ofen einer Halbleiterherstellungsmaschine
durchgeführt.
Bei einem solchen Einsatz werden die folgenden Merkmale (i) und
(ii) verwirklicht.
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(i)
Die MoSi2-Phase und die Siliciumdioxid enthaltende
Oxid- oder Glasphase werden miteinander so verwoben, daß eine gemeinsame
Netzstruktur entsteht. In einer solchen Struktur werden die Korngrenzen
der MoSi2-Körner derart verringert, daß die Niedrigtemperaturoxidation
(„Pest"-Phänomen),
die der Korngrenzenoxidation zugeschrieben werden kann, verhindert
wird. Wenn die Struktur nicht das oben genannte gemeinsame Netzwerk,
sondern lediglich ein Netzwerk der Siliciumdioxid enthaltenden Oxid-
oder Glasphase darstellt, worin die MoSi2-Partikel
vollständig
von der Siliciumdioxid enthaltenden Oxid- oder Glasphase umgeben
werden, kann ebenfalls die Niedrigtemperaturoxidation verhindert
werden. Dabei wird jedoch in keiner Weise die Netzstruktur der MoSi2-Phase, d. h. das Skelett des gesinterten
Materials, erhalten. Als Ergebnis wird der Widerstand des Materials
zu hoch, um als Heizelement eingesetzt zu werden. Infolge der geringeren
Wärmeleitfähigkeit
wird ferner die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Hitzschocks stark beeintächtigt.
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(ii)
Es werden Rohmaterialien von hoher Reinheit verwendet. Dies ist
von Bedeutung insbesondere, um die Verunreinigung von Halbleiterwafers
zu vermeiden, die in einem Ofen behandelt werden, in dem die äußere Bearbeitungsröhre oder
Einlegeröhre
ausgelassen ist.
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Da
das erfindungsgemäße Heizelement
die oben genannten Merkmale (i) und (ii) aufweist, besitzt es eine
hohe Resistenz gegenüber
Niedrigtemperaturoxidation und weist eine verlängerte Lebensdauer auf. Das erfindungsgemäße Heizelement
trägt daher
zur Entwicklung der Heizofenindustrie bei. Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement
tritt keine Verunreinigung der Halbleitergeräte auf. Das Heizelement kann
in dem Produktionsapparat für
Halbleiterbauteile eingesetzt werden, deren Zweck die Herstellung
von mikroskopisch kleinen Teilen sowie eine gesteigerte Produktivität ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf Beispiele näher beschrieben.
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Beispiele
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Beispiele 1–2 und Vergleichsbeispiele
1–2
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Ein
Gemisch aus MoSi2 mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 3,72 μm
und 0,006 Massen-% Fe-Verunreinigungen
und 0,001 Massen-% Cu-Verunreinigungen und gereinigtem Montmorillonittonmineral
(Markenbezeichnung „Kunipia", hergestellt durch
Kunimine Industries Co., Ltd.) wurde, wie aus Tabelle 1 ersichtlich,
hergestellt. Das Gemisch wurde trocken unter Verwendung einer Knetmaschine
10 Minuten lang gerührt
und anschließend
weitere 20 Minuten mit einer zuvor abgemessenen Menge zugegebenen
Wassers geknetet. In Tabelle 1 ist die Menge des zugegebenen Wassers
in Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Teile des Gesamtgewichts von
MoSi2 und Tonmineral, angegeben. Die erhaltene
gerührte
Mischung wurde drei Tage ausgehärtet
und anschließend
mit einem Extruder zu Stangen von 3,4 mm und 6,9 mm Durchmesser geformt.
Nach dem Trocken wurde 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 1340°C in einer
Argon-Atmospäre gesintert.
Dabei wurden stangenförmige
gesinterte Materialien mit einem Durchmesser von 3 mm und 6 mm erhalten.
Aus den gesinterten Produkten wurden durch Biegen und Schweißen die
in 4 abgebildeten U-förmigen Heizelemente hergestellt.
Diese wiesen die folgenden Dimensionen auf: D Ø = 6 mm; d Ø = 3 mm; Au
(Länge
des endständigen
Teils) = 150 mm und Ae (Länge
des Elementteils) = 200 mm. An die Enden der U-Form wurde durch
ein Flammensprayverfahren Aluminium aufgebracht.
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Bei
den getesteten Heizelementen wurde der Schweißabschnitt der (endständigen)
Stange von 6 mm Durchmesser mit Hilfe einer Diamantschleifscheibe
rund abgeschrägt
und so an die Element-Stange von 3 mm Durchmesser angepaßt. Die
so hergestellten U-förmigen
Heizelemente wurden in einen Ofen eingebaut. Die Innentemperatur
des Ofens wurde auf 400°C
eingestellt. Die Temperatur des Heizelements betrug in diesem Fall
500°C. Es
wurde ein ununterbrochen 720 Stunden andauernder Stromleitfähgikeitstest
durchgeführt.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, ob während des Test das Pulverisierungsphänomen von
MoSi2, welches charakteristisch für die Niedrigtemperaturoxidation
ist, auftrat. Wegen der geringen Menge an Tonmaterial wurde das
Pulverisierungsphänomen
in Vergleichsbeispiel 1 erst nach 24 Stunden Stromfluß festgestellt.
Bei den erfindungsgemäßen Beispielen
wurde selbst nach 720 Stunden kein Pulverisierungsphänomen festgestellt.
Wegen der großen
Menge an Tonmaterial wurde in Vergleichsbeispiel 2 keine Niedrigtemperaturoxidation
festgestellt, jedoch nahm die Festigkeit nach dem konduktiven Erhitzen
so stark ab, daß eine
Verwendung als Heizelement schwierig erschien. Die Festigkeitsabnahme
nach dem konduktiven Erhitzen wird auf den thermischen Schock, den
das Heizelement beim Abkühlen
von der Heiztemperatur erfahren hat, zurückgeführt, bei dem sich kleine Risse
bilden. Diese Phänomene
stehen im Zusammenhang mit der Struktur der gesinterten Materialien.
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In
den 5 bis 8 sind die Mikrostrukturen
der Beispiele 1, 2 und der Vergleichsbeispiele 1, 2 abgebildet.
Diese zeigen die Bildung von kleinen Rissen. Diese Phänomene stehen
im Zusammenhang mit der mikroskopischen Struktur des gesinterten
Materials.
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In
den 5 bis 8 ist jeweils die Mikrostruktur
der Beispiele 1, 2 und Vergleichsbeispiele 1, 2 abgebildet. In Vergleichsbeispiel
1 (7) liegt die von
dem Tonmineral abgeleitete Sekundärphase in dem grauen Teil vor,
der die MoSi2-Matrix darstellt. Die isolierten
Teilchen der Sekundärphase
sind in der MoSi2-Matrix verteilt. Im Gegensatz
hierzu verteilt sich die Sekundärphase
in den Beispielen 1 und 2 (5 und 6) entlang den MoSi2-Körnern,
wodurch diese von Netzen der Sekundärphase umgeben sind. Im Vergleichsbeispiel
2 (8) bildet das Tonmineral
die Matrix, in dem die isolierten MoSi2-Teilchen
verteilt sind.
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Beispiele 3–6
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Das
verwendete MoSi2 wies einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 1,7 μm
auf. Das verwendete MoSi2 enthielt als Verunreinigungen
0,006 Massen-% Fe, 0,001 Massen-% oder weniger Cu, 0,008 Massen-%
Al, 0,001 Massen-% oder weniger Ca, 0,001 Massen-% oder weniger
Mg, 0,005 % oder weniger Na und 0,001 Massen-% oder weniger K. Als
Tonmineral wurde ein künstlicher
(synthetischer) Sumectite-Ton verwendet, der als Verunreinigungen
0,005 Massen-% Fe2O3,
3,98 Massen-% Na2O und 0,02 Massen-% K (Markenbereichnung „Sumecton
SA", hergestellt
durch Kunimine Industries Co., Ltd.) enthielt. Das ebenfalls eingesetzte
MoB wies einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2,6 μm auf und
enthielt als Verunreinigungen 0,01 Massen-% Fe und 0,001 Massen-%
Cu. Das MoSi2, Tonmineral und MoB wurden
in den in Tabelle 2 angegebenen Mengen miteinander verrührt. Die
stabförmigen,
gesinterten Materialien von 3 mm und 6 mm Durchmesser wurden nach
den in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren hergestellt. Anschließend wurde eine
fünfstündige Behandlung
zum Entfernen von Na bei 1500°C
durchgeführt,
wobei der Ofeninnenraum zur Verminderung des Drucks evakuiert und
gleichzeitig durch ein Massenflußventil trockene Luft in den
Ofen eingeleitet wurde, um einen Druck von 3 Torr zu erreichen.
Das von Natrium befreite Material wurde einer Shot-Blast-Behandlung unterzogen,
um die oberflächliche
Oxidationsschicht zu entfernen und anschließend ein elektrischer Strom
angelegt. Danach wurden die U-förmigen
Heizelemente hergestellt. Die Verunreinigungen der Heizelemente
betrugen 0,02 Massen-% Fe, 0,001 Massen-% Cu, 0,015 % Na und 0,012
Massen-% K.
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Die
stangenförmigen,
gesinterten Materialien von 3 mm Druckmesser wurden 1 Minute lang
konduktiv auf 1500°C
erhitzt, um die Oxidschutzschicht auszubilden. Der Dreipunkte-Biegetest
der gesinterten Materialien wurde für eine Länge von 50 mm und bei einer
Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,5 mm/Minute durchgeführt, um
die Biegefestigkeit der Materialien zu messen.
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Die
U-förmigen
Heizelemente wurden wie in Beispiel 2 einem durchgehenden Stromleitfähigkeitstest über 720
Stunden bei 400°C
Ofeninnentemperatur unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
aufgeführt. Das
für die
Niedrigtemperaturoxidation charakteristische Pulverisierungsphänomen von
MoSi2 wurde nicht beobachtet.
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Die
Biegefestigkeit wird durch Zugabe von MoB erhöht.
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Beispiele 7, 8
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Das
in Beispiel 1 verwendete MoSi2 wurde auch
in diesen Beispielen eingesetzt. Das in diesen Beispielen zusätzlich eingesetzte
synthetische Kaolinit (Produkt der Toyo Denka Co., Ltd.) wies eine
spezifische Oberfläche
von 45,9 m2/g auf und enthielt als Verunreinigung
0,09 Massen-% Fe2O3,
0,006 Massen-% Na2O und 0,01 Massen-% K2O. Das MoSi2 und
synthetische Kaolinit wurden in den in Tabelle 3 angegebenen Mengen
verrührt.
Die U-förmigen
Heizelemente wurden nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren
hergestellt und es wurden die gleichen Tests wie in Beispiel 1 durchgeführt.
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Beispiele 9–12 und
Vergleichsbeispiele 3, 4
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Das
in Beispiel 4 verwendete MoSi2 und MoB wurden
auch in diesen Beispielen und Vergleichsbeispielen eingesetzt. Das
in diesen Beispielen und Vergleichsbeispielen eingesetzte gereinigte
Montmorillonit-Tonmineral (Markenbezeichnung „Bengel 23" der Hojun Yoko Co., Ltd.) enthielt
0,82 Massen-% Fe2O3 (entspricht
0,29 Massen-% Fe) und 4,1 Massen-% Na2O
(entspricht 1,52 Massen-% Na) und 0,27 Massen-% K2O (entspricht
0,1 Massen-% K). Das Gemisch aus MoSi2,
MoB und Montmorillonit-Tonmineral in den Volumenanteilen von jeweils
62 %, 8 % und 30 % wurde gesintert und anschließend einem Natriumentfernungsverfahren
unter den in Tabelle 4 angegebenen Bedingungen unterzogen. Die wie
in Beispiel 1 hergestellten gesinterten Materialien mit einem Durchmesser
von 3 mm wurden der in Beispiel 4 beschriebenen Biegefestigkeitsmessung
unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
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Beispiele 13 und 14
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Das
Material aus Beispiel 3 sowie das Material aus Beispiel 10 wurden
verwendet, um das in 9 dargestellte
meanderartige mehrschaftige Heizelement herzustellen. Es wurden
zwei Arten von meanderartigen mehrschaftigen Heizelementen unter
Verwendung der Stangen von 3 mm Durchmesser hergestellt. Ein Element
hatte vierzig (40) Schäfte
mit einem Abstand (d) von 15 mm und einer Schaftlänge von
120 mm. Das andere hatte zweiunddreißig (32) Schäfte mit
einem Schaftabstand (d) von 20 mm und einer Schaftlänge von 260
mm. Die 40 Schaftelemente wurden in der oberen und unteren Zone
und die 32 Schaftelemente in der mittleren Zone einer halbzylindrischen
Isolierform mit einem inneren Radius von 200 mm und einer Länge von 950
mm montiert. Die Isolierform bestand aus keramischen Fasern. Ein
Paar halbzylindrische Formen, auf die, wie oben beschrieben, die
vier meanderartigen mehrschaftigen Heizelemente montiert waren,
wurde unter Ausbildung eines rohrförmigen Heizelementmoduls und
in einen Kammerofen eingebaut. In 9 bedeutet „n" die Anzahl der Schäfte.
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Die
Leistung des Heizelements wurde in einem Diffusionsofen beurteilt.
Die Beurteilung wurde auch im beschleunigten Modus durchgeführt. Ein
schnelles Aufheizen war mit den Materialien der Beispiele 3 und 10
möglich.
Die geschätzte
Lebensdauer dieser Materialien beträgt etwa fünf Jahre.
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Da
das erfindungsgemäße keramische
Verbundheizelement auf Basis von Molybdändisilicid, wie oben beschrieben,
eine ausgezeichnete, verbesserte Resistenz gegenüber Niedrigtemperaturoxidation
aufweist, hat es eine hervorragende Lebensdauer bei Anwendung als
Heizelement für
einen Heizofen zur Herstellung von Halbleitern, wie einem Oxidations-,
Diffusions- oder LP-CVD-Ofen, welche zuvor das Problem der Niedrigtemperaturoxidation
aufwiesen. Da das erfindungsgemäße Heizelement
ferner einen schnellen Anstieg der Temperatur ermöglicht,
können
die Halbleiterbauteile miniaturisiert werden und die Produktivität gesteigert werden.
Die vorliegende Erfindung trägt
daher zum Fortschritt der Halbleiterindustrie bei.