DE3701691A1

DE3701691A1 - Verfahren zum herstellen einer ofenkomponente

Info

Publication number: DE3701691A1
Application number: DE19873701691
Authority: DE
Inventors: Shuichi Matsuo; Takashi Tanaka; Isao Sakashita
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1986-07-31
Filing date: 1987-01-22
Publication date: 1988-02-04
Also published as: JPS6327220U; JPH0521297Y2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Ofenkomponente bzw. eines Ofenbauteils, wie eines Pro zeßrohres oder eines Schiffchens für einen Halbleiter-Diffu sionsofen.

Aus der japanischen Veröffentlichung Nr. 54-10 825 bzw. der US-Patentschrift 39 51 587 sind Komponenten für einen Halb leiter-Diffusionsofen, wie ein Prozeßrohr, ein Rührer bzw. Löffel und ein Schiffchen bekannt, die im wesentlichen aus einer gesinterten Siliciumcarbidmatrix bestehen, die sich durch Sintern von Siliciumcarbidpulver ergibt, das aus etwa 50 Gew.-% feinem Siliciumcarbid mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,1-8 µm und 50 Gew.-% grobem Silicium carbid mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 30- 170 µm besteht. Die Ofenkomponenten werden hauptsächlich durch ein keramisches Gießverfahren hergestellt.

Auf der anderen Seite werden Verfahren zur Bildung eines Siliciumcarbid-CVD-Überzugs (Chemische-Dampf-Abscheidung - Chemical Vapor Deposition) auf einer Ofenkomponente in den japanischen Offenlegungsschriften 52-145 419, 54-90 966 und 54-90 967 vorgeschlagen.

Da das feine Siliciumcarbidpulver eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,1-8 µm aufweist, werden bei derartigen Halbleiter-Diffusionsofenkomponenten, wie sie in der US- Patentschrift 39 51 587 beschrieben sind, die Oberflächen der Pulver sehr groß, so daß Verunreinigungen sehr leicht von ihnen aufgenommen werden können.

Im allgemeinen wird Siliciumcarbidpulver durch unter Vibra tion arbeitende Mühlen o.dgl. gemahlen und anschließend ge siebt, um dadurch zu einem Ausgangsmaterial mit gewünschten Partikelgrößen zu werden. Während des Mahlens werden jedoch viele Verunreinigungen in einem solchen Ausmaß eingefangen, daß derart hergestellte Siliciumcarbidpulver nicht für den Zweck der Herstellung von Halbleiter-Diffusionsofenkomponen ten guter Qualität verwendet werden können. Daher wird eine Reinigungsbehandlung, beispielsweise eine Säurebehandlung, auf das Pulver angewendet. Bei dieser Behandlung wird feine res Pulver relativ stärker kontaminiert und läßt sich nicht leicht reinigen. Aus diesem Grunde ist es unter dem Ge sichtspunkt hoher Qualität vorzuziehen, grobes Siliciumcar bidpulver zu verwenden. Wenn jedoch nur groberes Silicium carbidpulver verwendet wird, läßt sich keine ausreichende Dichte und Festigkeit für eine Ofenkomponente erreichen. Dichte und chemische Reinheit eines geformten Körpers sind jedoch wichtige Faktoren für eine Komponente bzw. einen Bau teil für einen Halbleiter-Diffusionsofen.

Es wurde gefunden, daß die Glätte einer Oberfläche einer Komponente eines Halbleiter-Diffusionsofens ihre mechanische Festigkeit beeinflußt. Dies kann darauf zurückzuführen sein, daß die Struktur eines Siliciumcarbid-CVD-Überzuges von der des Ofenbauteils verschieden ist. Wenn die Oberfläche des Ofenbauteils nicht glatt ist, dann kann der CVD-Überzug wäh rend der Wärmebehandlung von Waffeln, bzw. Oblaten o.dgl. (wafer) Sprünge bekommen. Selbst wenn ein kleinerer Vor sprung auf der Oberfläche der Komponente vorhanden ist, wird dieser vergrößert, wenn ein CVD-Überzug auf der Komponente gebildet wird, wobei ein relativ großer Vorsprung auf dem CVD-Überzug gebildet wird. Deshalb sollte eine gegebene Oberfläche einer Ofenkomponente, wie zum Beispiel die Innen fläche eines Prozeßrohres sehr glatt sein.

Wird ein Prozeßrohr durch eine keramische Gießmethode herge stellt, dann ist in dieser Hinsicht zumindest eine innere Oberfläche des Prozeßrohres nicht glatt, da viele korn- bzw. blasenartige Strukturen darauf gebildet werden unabhängig von der Glätte einer Innenfläche einer Gipsform für kerami schen Guß. Wenn ein CVD-Überzug auf einer solchen Innenflä che eines Prozeßrohres gebildet wird, dann werden diese Kornstrukturen im Maßstab vergrößert, so daß die Glätte der Innenfläche des Prozeßrohres abnimmt. Während der Hitzebe handlung der Waffeln können solche Körner (Blasen) leicht brechen. Dies führt dazu, daß feine Löcher darin gebildet werden und/oder der CVD-Überzug beschädigt wird, besonders dann, wenn ein Schiffchen für die Aufnahme von Waffeln dar auf bewegt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Ofenkomponenten für einen Halbleiter-Diffu sionsofen, wie zum Beispiel ein Prozeßrohr zu schaffen, durch das die physikalischen Eigenschaften und insbesondere die mechanische Festigkeit eines auf dem Körper der Ofenkom ponente gebildeten CVD-Überzuges verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß werden zwei Typen von Siliciumcarbidpulver verwendet, die im wesentlichen aus grobem Siliciumcarbidpul ver und mittlerem Siliciumcarbidpulver ohne feines Silicium carbidpulver bestehen.

Das mittlere Siliciumcarbidpulver hat eine durchschnittliche Partikelgröße von 10-30 µm. Das grobe Siliciumcarbidpulver hat eine durchschnittliche Partikelgröße von 40-200 µm. Kein feines Siliciumcarbidpulver mit einer durchschnittli chen Partikelgröße von einigen Mikron oder weniger wird ver wendet.

In Weiterbildung können 10 Gew.-Teile mittleren Siliciumcar bidpulvers und 10-25 Gew.-Teile grobes Siliciumcarbidpul ver gemischt und mit einem organischen Bindemittel, wie bei spielsweise Phenolharz, Polyvinylalkohol oder Teerpech zur Erzeugung einer Mischung vermischt werden.

Eine derartige Mischung kann granuliert oder pelletisiert werden, um Pellets zu erhalten, und dann mit einer Preßform, insbesondere einer Gummipresse, in die Form einer Ofenkompo nente, beispielsweise eines Prozeßrohres, vorgeformt werden, um dadurch einen geformten Körper zu erhalten. Er wird bei einer Temperatur von 800-1 200°C vorgesintert, um dadurch einen vorgesinterten Körper zu erhalten. Der vorgesinterte Körper wird mit Silicium imprägniert bei einer Temperatur von 1 500-1 800°C zum Zwecke der Silicidierung, während er gleichzeitig bei einer Temperatur von 1 500-1 800°C gesin tert wird. Der vorgesinterte Körper wird vorzugsweise durch ein halogenhaltiges Gas gespült, wie HCl, Halogengas, Gas von halogenisierten Kohlenwasserstoffen und Chlorgas, und zwar bei einer Temperatur von 1 000-1 800°C, um vor der Imprägnierungsstufe gereinigt zu werden, wodurch eine hohe Qualität einer Ofenkomponente erreicht werden kann.

Danach wird auf einer gegebenen Oberfläche der Ofenkomponen te ein Siliciumcarbid (SiC)-CVD-Überzug gebildet. Die Dicke des durch chemische Dampfabscheidung gebildeten CVD-Überzu ges liegt bei 10 µm oder mehr und vorzugsweise im Bereich zwischen 20 und 500 µm. Es ist weiterhin bevorzugt, den CVD-Überzug unter vermindertem Druck zu bilden.

Da die Sintertemperatur im Bereich zwischen 1 500 und 1 800°C variiert, hat der Sinterkörper eine SiC-Matrix, welche nicht umkristallisiert wird als Folge von Reaktionssintern. Die mechanische Festigkeit kann verbessert werden, wenn eine solche nicht umkristallisierte SiC-Matrix mit dem CVD-Über zug kombiniert wird, zumindest im Vergleich mit der herkömm lichen umkristallisierten SiC-Matrix. Da kein feines Sili ciumcarbidpulver verwendet wird und beide Typen von Silici umcarbidpulvern jeweils größere durchschnittliche Teilchen größe haben als diejenigen, die für die Komponenten nach dem Stand der Technik verwendet wurden, haben alle Siliciumcar bidpulver relativ kleine Oberflächen. Deshalb können sie leicht innerhalb kurzer Zeit gereinigt werden, und Verunrei nigungen werden nicht so sehr eingefangen.

Gemäß der Erfindung kann die vorgesinterte Struktur eine bevorzugte Porosität aufweisen, die zur Imprägnierung mit Silicium geeignet ist, so daß sie eine ausreichende Festig keit aufweisen kann. Nach ihrem Vorsintern sind keine Feh lerstellen, wie unfertige Poren, vorhanden. Dementsprechend kann eine homogene Si-SiC-Mikrostruktur mit hoher Festigkeit erhalten werden.

Zusätzlich lassen sich beide Typen von Siliciumcarbidpulvern mit relativ großen Teilchengrößen leicht granulieren oder mit hohem Wirkungsgrad pelletisieren. Somit lassen sich die Herstellungskosten unter Stabilisierung der Qualität verrin gern.

Diese Vorteile lassen sich weiterhin dadurch vergrößern, wenn die zwei Arten von Siliconcarbidpulvern durch eine Presse, insbesondere eine Gummipresse geformt werden.

Da relativ großteiliges Siliciumcarbidpulver verwendet wird, kann die Reinheit einer Ofenkomponente leicht verbessert werden, so daß keine Substanzen mit niedrigem Siedepunkt in der CVD-Beschichtungsstufe in gasförmigen Zustand übergehen und somit ein hervorragender Kontakt einer CVD-Beschichtung mit einer Oberfläche der Ofenkomponente ermöglicht wird.

Da die Oberfläche der Komponente mit Hilfe einer Presse, insbesondere Gummipresse erfolgt und somit glatt ist, kann der CVD-Überzug in der Festigkeit verbessert werden.

Im allgemeinen werden Waffeln bei einer Temperatur von 1000- 1300°C erhitzt. Nach dem Stand der Technik kann somit etwas Silicium aus einer Ofenkomponente ausschwitzen und somit zur Bildung kleinerer Vorsprünge beitragen, so daß die Oberfläche der Ofenkomponente nicht glatt ist. Gemäß der Erfindung verhindert jedoch der CVD-Überzug wirksam ein Aus schwitzen von Silicium aus der Ofenkomponente.

Im allgemeinen schließt ein großer Bauteil eines Halblei ter-Diffusionsofens eine relativ große Menge an Verunreini gungen ein, die während der Hitzebehandlung der Waffel mög licherweise aus der Oberfläche der Ofenkomponente austreten können. Erfindungsgemäß versiegelt jedoch der CVD-Überzug die Komponente im wesentlichen, so daß die darin enthaltenen Verunreinigungen die Waffeln nicht beeinträchtigen können. Die Größe der Ofenkomponente kann somit außer acht bleiben. Die Vorteile der Erfindung sind somit besonders im Falle von großen Waffeln, wie 15 cm- oder 20 cm-Waffeln bemerkenswert.

Auf den Inhalt der japanischen Patentanmeldung Nr. 60-149 345 vom 9. Juli 1985 und auf die entsprechende deutsche Patent anmeldung P 36 22 517.7 (ältere Patentanmeldung) wird hier mit ausdrücklich Bezug genommen einschließlich deren Fig. 1 und 2.

Es sei weiterhin erwähnt, daß im Falle der Verwendung von 10 Gew.-Teilen mittleren Pulvers und weniger als 10 Teilen groben Pulvers Verunreinigungen in starkem Maße aufgenommen werden können, so daß die Reinigung schwierig wird, wogegen dann, wenn mehr als 25 Gew.-Teile grobes Pulver verwendet werden, die gewünschte mechanische Festigkeit nicht leicht erreicht werden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, wobei die Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren bei einer Ausführungsform verwirklicht sein kön nen.

Beispiel 1

Ein Prozeßrohr für einen Halbleiter-Diffusionsofen wird wie folgt hergestellt:

Zunächst wird eine Mischung aus der folgenden Kombination von Materialien bereitet:

a) 10 Gew.-Teile mittleres Siliciumcarbidpulver, wie zum Beispiel grüner Carborund, mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 µm; und
b) 10 Gew.-Teile grobes Siliciumcarbidpulver, wie zum Bei spiel grüner Carborund mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 150 µm.

Die Mischung wird mit Phenolharz versetzt und dann zur Her stellung von Pellets in an sich bekannter Weise granuliert. Nach dem Trocknen werden die Pellets mit Hilfe einer her kömmlichen Gummi- bzw. Kautschukpresse in die Gestalt eines Prozeß- bzw. Verarbeitungsrohres geformt, um somit einen geformten Körper eines Prozeßrohres herzustellen. Wenn er wünscht, kann er bearbeitet werden. Anschließend wird er bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1 200°C vorgesintert, um den vorgesinterten Körper des Prozeßrohres zu erhalten. Der vorgesinterte Körper des Prozeßrohres wird dann in einen Spül- bzw. Reinigungsofen gebracht und mit HCl-Gas bei einer Temperatur von 1 000-1 800°C, insbesondere 1 500-1 800°C gespült, um dadurch gereinigt zu werden. Ein solcher vorge sinterter und gereinigter Körper wird in einen Sinterofen gebracht, in welchem er mit Silicium (Si) zum Zwecke der Silicifizierung bei 1 700°C imprägniert, während er gleich zeitig bei einer Temperatur von 1 500-1 800°C gesintert wird, um einen gesinterten Körper eines Prozeßrohres zu er halten.

Danach wird auf einer inneren Oberfläche des gesinterten Prozeßrohr-Körpers unter vermindertem Druck ein SiC-CVD- Überzugsfilm gebildet. Hierzu kann beispielsweise, wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 54-90 967 beschrie ben, eine Einrichtung mit einer zylindrischen Graphitelek trode in einem abgedichteten Gehäuse vorgesehen sein und der Körper des gesinterten Prozeßrohres vertikal darin angeord net werden. Silicium und Kohlenstoff enthaltendes Gas, wie Trichlormethylsilan-Gas, strömt dann in das untere offene Ende des Körpers des gesinterten Prozeßrohres mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 ml/Minute. Gleichzeitig fließt Wasserstoffgas mit einer Fließgeschwindigkeit von 4000 ml/Minute als Trägergas ein. Der Druck in dem gesinter ten Körper des Prozeßrohres ist vermindert, beispielsweise auf 70 Torr. Danach wird mit Hilfe eines Induktionsheizers aufgeheizt, um einen SiC-CVD-Überzug als Umsetzungssubstanz auf einer vorgegebenen inneren Oberfläche des gesinterten Prozeßrohres zu bilden, bis die Dicke des CVD-Überzuges 30 µm erreicht.

Wenn gewünscht, kann der Körper durch Schleifen seiner Ober fläche fertig bearbeitet werden.

In gleicher Weise können auch andere Körper, wie zum Bei spiel ein Auskleidungsrohr, ein Schiffchen und ein Rührer oder eine Schaufel für einen Halbleiter-Diffusionsofen her gestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Komponente für einen Halbleiter-Diffusionsofen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
zwei Arten von Siliciumcarbidpulver, nämlich 10 Gew.- Teile eines mittleren Siliciumcarbids mit einer durch schnittlichen Partikelgröße von 10-30 µm und 10- 25 Gew.-Teile groben Siliciumcarbids mit einer durch schnittlichen Partikelgröße von 80-200 µm werden mit einander vermischt;
ein organisches Bindemittel wird der Mischung beige mischt;
die Mischung wird zur Erzeugung von Pellets anschließend granuliert;
die Pellets werden zur Herstellung eines geformten Kör pers durch Pressen vorgeformt;
der geformte Körper wird zur Erzeugung eines vorgesin terten Körpers bei einer Temperatur von 800-1 200°C vorgesintert;
der vorgesinterte Körper wird mit Silicium imprägniert, während der vorgesinterte Körper bei einer Temperatur von 1 500-1 800°C gesintert wird zur Erzeugung eines gesinterten Körpers;
danach wird ein Siliciumcarbid-CVD-Überzug mit einer Dicke von 10 µm oder mehr auf einer vorgegebenen Ober fläche des gesinterten Körpers gebildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgesinterte Körper mit HCl-Gas bei einer Tempera tur von 1 000-1 800°C gespült wird, um ihn vor der Im prägnierungsstufe zu reinigen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der CVD-Überzug mit einer Dicke von 20-500 µm erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der CVD-Überzug unter vermin dertem Druck gebildet wird.

5. Komponente für einen Halbleiter-Diffusionsofen, erhält lich durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.