Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches
Material mit einem niedrigen dielektrischen Verlustfaktor für
Hochfrequenzanwendungen, wie für Oszillatoren, Antennen,
Filtern und elektronischen Schaltkreisen, die in
Hochfrequenzbereichen, wie z. B. Mikrowellen- und
Millimeterwellenbereichen, angewendet werden, und
insbesondere ein Material für Fenster zur Übertragung von
Hochfrequenz, wie z. B. ein solches für eine Plasma erzeugende
Hochfrequenz-CVD-Vorrichtung, eine Mikrowellenausgabeeinheit
und einen Oszillator, die in einer Vorrichtung zur
Herstellung von Halbleitern, einer Vorrichtung zur
Herstellung von flüssigen Kristallen, einer Vorrichtung zur
Herstellung einer photosensitiven Trommel, einer Vorrichtung
zur Herstellung eines Diamantfilms und einer Vorrichtung zur
Kernfusion verwendet werden.
Beschreibung des Standes der Technik
-
In den letzten Jahren wurden dielektrische Keramiken zur
Hochfrequenzanwendung als elektronische Komponenten und
elektronische Schaltkreise in Hochfrequenzbereichen mit
Erfolg in Verbindung mit der Entwicklung und weitverbreiteten
Anwendung mobiler Kommunikationsausrüstungen, wie z. B.
schnurlose Telefone, einfach tragbarer Telefonsysteme (PHS),
Satellitenrundfunkempfänger, sowie als Hochfrequenzgeräte und
Vorrichtungen, wie z. B. einer CVD-Vorrichtung zur Herstellung
von Halbleitern und flüssigen Kristallen, mit Erfolg
angewendet.
-
Vom Standpunkt der Leistungserhöhung müssen die bei
Hochfrequenzen verwendeten dielektrischen Materialien geringe
dielektrische Verluste bei hohen Frequenzen zeigen. Mit dem
modernen Trend zur Anwendung der Hochfrequenztechnologie auf
allgemeine Anwendungen, wurden außerdem Untersuchungen
durchgeführt, dielektrische Materialien unter speziellen
Umweltbedingungen, wie z. B. bei einer hohen Temperatur und
unter korrosiven Bedingungen, zu verwenden. Es bestand
deshalb ein Bedürfnis nach einem dielektrischen Material mit
einem niedrigen dielektrischen Verlustfaktor zur Verwendung
in Hochfrequenztechniken, das außerdem hervorragende
mechanische Eigenschaften, chemische Stabilität und hohe
Zuverlässigkeit aufweist.
-
Konventionelle dielektrische keramische Materialien der Arten
BaO-TiO&sub2;, MgO-CaO-TiO&sub2; und CaO-ZrO&sub2; haben hervorragende
dielektrische Eigenschaften, sind aber im Hinblick auf ihre
mechanischen Eigenschaften und die chemische Stabilität noch
nicht zufriedenstellend. Obwohl eine Vielzahl von Versuchen
durchgeführt wurde, um solche Eigenschaften zu verbessern,
liegen ihre Festigkeiten bei höchstens ca. 100 MPa. Außerdem
variieren die mechanischen und chemischen Eigenschaften in
hohem Ausmaß abhängig vom Young-Modul, der für das Material
spezifisch ist, von der Art der interatomaren Bindung und der
Bindungskraft, wodurch ein großer Spielraum für
Verbesserungen geschaffen wird.
-
Keramiken mit hervorragenden mechanischen und chemischen
Eigenschaften werden durch ein gesintertes Produkt aus
Siliciumnitrid repräsentiert. Gemäß Journal of the Japanese
Association of Precision Engineering, Band 53, Nr. 5 (1987)
743-748, zeigt das gesinterte Produkt aus Siliciumnitrid bei
der Verwendung für allgemeine mechanische Teile jedoch einen
dielektrischen Verlustfaktor, der bei einer Frequenz von
6 GHz die Größe 7 · 10&supmin;&sup4; aufweist, und ist als dielektrisches
Material für eine Hochfrequenzanwendung nicht geeignet.
Deshalb wurde Siliciumnitrid bis jetzt selten als
dielektrisches Material erprobt.
-
Neuerdings wurde außerdem häufig eine Vorrichtung zur
Verarbeitung von Mikrowellenplasma verwendet, und zwar
hauptsächlich im CVD-Verfahren, Ätzen und bei Resist-
Verfahrensstufen zur Herstellung von Halbleitern, flüssigen
Kristallen und dünnen Filmen. In einem Hochfrequenzgenerator
(z. B. Gyrotron), das für die Kernfusion verwendet wird,
werden außerdem Millimeterwellen von mehr als 20 GHz
ausgegeben und in einen Kernfusionofen eingeführt, um ein
Plasma mit hoher Energie zu erzeugen.
-
Ein Fenster, das Wellen hoher Frequenz überträgt und aus
einem Material mit guter Hochfrequenz-Durchlässgikeit
besteht, wird für die Hochfrequenz-einführenden und -
ausführenden Teile eine Vorrichtung verwendet, die Plasma
unter Verwendung hoher Frequenzen erzeugt, wie z. B. von
Mikrowellen oder Millimeterwellen. Ein solches
Einführungsfenster und Ausführungsfenster (nachfolgend als
Übertragungsfenster bezeichnet) muß jedoch die Eigenschaft
zur Übertragung hoher Frequenzen (niedrige
Dielektrizitätskonstante, niedriger dielektrischer Verlust)
besitzen, sowie Wärmebeständigkeit aufweisen, um einer
Temperaturerhöhung und einem schnellen Temperaturwechsel
standzuhalten, Wärmeschockbeständigkeit besitzen und zur
Aufrechterhaltung eines Vakuums luftdicht sein. In den
letzten Jahren wurde darauf gedrängt,
Herstellungsvorrichtungen mit einer hohen Produktivität
bereitzustellen. Um eine Kernfusion zu bewirken, muß außerdem
ein Plasma hoher Temperatur erzeugt werden, was eine hohe
elektrische Leistung mit hohen Frequenzen erfordert. Es
bestand deshalb ein Bedürfnis für Fenster mit größerer
Leistungsfähigkeit und höherer Zuverlässigkeit, um diesen
Tendenzen gerecht zu werden.
-
Solche Fenster bestanden bisher aus Quarzglas, Aluminiumoxid-
Keramiken, Einkristall-Aluminiumoxid (Saphir),
Aluminiumnitrid (AlN) oder Berylliumoxid (BeO) mit niedriger
Dielektrizitätskonstante, niedrigem dielektrischen Verlust
und hoher Dichte, wobei besonders die Hochfrequenz-
Übertragungseigenschaften und die Luftdichtigkeit zur
Aufrechterhaltung eines Vakuums berücksichtigt wurde.
-
Diese Materialien haben jedoch alle eine schlechte
Wärmeschockbeständigkeit. Wenn eine hohe elektrische Leistung
mit hoher Frequenz übertragen wird, wird das Fenster außerdem
lokal erhitzt, was aufgrund des Schmelzens zum Auftreten von
Rissen oder kleinen Löchern führt, und damit zu einer
Verringerung der Luftdichtigkeit zum Aufrechterhalten eines
Vakuums.
-
Um diese Probleme zu lösen, wurden die Oberflächen der
Fenster z. B. mit einem Film aus TiN beschichtet, oder, im
Hinblick auf die Verhinderung eines Ansteigens der Temperatur
an den Oberflächen der Fenster, mit einem Film mit einer
hohen thermischen Leitfähigkeit. Im Hinblick auf eine
Erhöhung der Festigkeit wurde auch vorgeschlagen, ein
Fenstermaterial unter Verwendung von Aluminiumoxid-Keramiken
herzustellen, wie dies z. B. in der Japanischen offengelegten
Patentpublikation Nr. 345527/1994 beschrieben ist, oder unter
Verwendung eines Aluminiumoxid-Zirconiumdioxid-
Verbundmaterials, wie dies in der Japanischen offengelegten
Patentpublikation Nr. 280976/1992 beschrieben wird. Diese
Keramiken weisen jedoch eine so niedrige
Wärmeschockbeständigkeit wie ca. 200 bis 300ºC auf, was im
Hinblick auf die Zuverlässigkeit nicht ausreicht. Außerdem
bilden sich in den Fenstern leicht Risse, die die mechanische
Zuverlässigkeit beeinträchtigen und es schwierig machen, mit
einer hohen elektrischen Leistung bei hohen Frequenzen zu
arbeiten.
-
Außerdem sind Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;)-Keramiken bekannt, die
eine weitaus bessere Wärmebeständigkeit,
Wärmeschockbeständigkeit und mechanische Eigenschaften als
die vorstehend genannten Keramiken zeigen. Das Siliciumnitrid
wurde jedoch für Strukturelemente verwendet, aber aus dem
Grund, daß es einen hohen dielektrischen Verlust besitzt, nie
im Hinblick auf die Verwendung als Fenstermaterial zur
Einführung hoher Frequenzen untersucht.
-
Um ein Material mit hoher Festigkeit und einem niedrigen
dielektrischen Verlustfaktor in einem Hochfrequenzband zu
erhalten, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung
intensive Untersuchungen durchgeführt, um den dielektrischen
Verlust unter Verwendung eines gesinterten Produktes aus
Siliciumnitrid, das hervorragende mechanische und chemische
Eigenschaften, aber einen hohen dielektrischen Verlustfaktor
aufweist, zu verringern. Dabei sind die Erfinder zu dem
Ergebnis gekommen, daß der dielektrische Verlustfaktor bei
10 GHz bis auf nicht mehr als 5 · 10&supmin;&sup4; verringert werden
kann, wenn der Aluminiumgehalt, der als Verunreinigungen im
gesinterten Produkt aus Siliciumnitrid unvermeidlich
enthalten ist, kleiner gehalten wird als eine bestimmte
Menge, und das damit ein hervorragendes Material mit einem
geringen dielektrischen Verlustfaktor erhalten werden, das
zur Verwendung für Hochfrequenzen geeignet ist, und haben
damit die vorliegende Erfindung gemacht.
-
Die Erfinder haben außerdem festgestellt, daß besonders
hervorragende Eigenschaften erhalten werden, wenn ein
erfindungsgemäßes Material, und insbesondere, wenn ein
erfindungsgemäßes Material mit einer relativen Dichte von
nicht weniger als 97% und einem dielektrischen Verlustfaktor
von nicht mehr als 5 · 10&supmin;&sup4; als Fenster für Hochfrequenzen
verwendet wird, z. B. in einer wie vorstehend genannten CVD-
Vorrichtung, einer Mikrowellen-Ausgabeeinheit und einem
Oszillator.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein dielektrisches Material
bereitgestellt mit einem niedrigen dielektrischen
Verlustfaktor zur Hochfrequenz-Anwendung, umfassend ein
gesintertes Produkt aus Siliciumnitrid, das hauptsächlich aus
Siliciumnitrid besteht und mindestens Sauerstoff, als SiO&sub2;-
Verunreinigung oder zugegebene SiO&sub2;-Komponente, enthält, oder
mindestens Sauerstoff, als SiO&sub2;-Verunreinigung oder
zugegebene SiO&sub2;-Komponente, und eine Verbindung eines
Elements der Gruppe 3a des periodischen Systems enthält,
wobei das gesinterte Produkt Aluminium in einer Menge
enthält, die nicht größer ist als 2 Gew.-%, berechnet als
Oxid davon, eine relative Dichte von > 97% aufweist, und
einen dielektrischen Verlustfaktor bei 10 GHz von nicht mehr
als 5 · 10&supmin;&sup4; besitzt.
-
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Material bereitgestellt,
das eine relative Dichte von nicht weniger als 97% besitzt,
und zur Verwendung als Fenster zur Einführung hoher
Frequenzen geeignet ist.
-
Das erfindungsgemäße dielektrische Material zur Hochfrequenz-
Anwendung enthält hauptsächlich Siliciumnitrid, sowie
Sauerstoff als verunreinigende Komponente, oder Sauerstoff
als verunreinigende Komponente und eine Verbindung eines
Elements der Gruppe 3a des periodischen Systems. Durch
Beschränken der Menge an Aluminium im dielektrischen
Material auf nicht mehr als 2 Gew.-%, berechnet als Oxid
davon, konnte erfindungsgemäß der dielektrische Verlustfaktor
auf nicht mehr als 5 · 10&supmin;&sup4; bei 10 GHz gesenkt werden.
-
Insbesondere beeinflußt die Menge an Aluminium den
dielektrischen Verlust des dielektrischen Materials stark.
Obwohl der Grund dafür, warum die Gegenwart von Aluminium den
dielektrischen Verlust erhöht, nicht klar ist, war es
bekannt, daß Aluminium normalerweise im Siliciumnitrid in
fester Lösung unter Bildung von Sialon (Si-Al-O-N) vorliegt,
wodurch die thermische Leitfähigkeit verringert wird, und
gleichzeitig eine niedrigschmelzende Zusammensetzung an den
Korngrenzen ausgebildet wird, die die mechanische Festigkeit
bei hohen Temperaturen verschlechtert. Es wird deshalb
angenommen, daß Sialon oder die niedrigschmelzende
Zusammensetzung die Charakteristika des dielektrischen
Verlusts stark beeinflußt.
-
Das erfindungsgemäße dielektrische Material zeigt sogar bei
einer Hochfrequenz von 10 GHz einen dielektrischen
Verlustfaktor (tan δ) von nicht mehr als 5 · 10&supmin;&sup4;, und im
Vergleich mit den bisher bekannten dielektrischen
Materialien eine merklich höhere Festigkeit. Das
erfindungsgemäße dielektrische Material ist deshalb zur
Verwendung in Oszillatoren, Antennen, Filtern und als
elektronische Leiterplatten, die unter strengen Bedingungen
in Hochfrequenzbanden von Mikrowellen- und Millimeterwellen
von mehreren 100 MHz bis 300 GHz, und insbesondere von 1 GHz
bis 100 GHz, verwendet werden, geeignet. Die Verwendung eines
solchen dielektrischen Materials macht es möglich,
elektronische Komponenten zur Hochfrequenz-Anwendung
bereitzustellen, die eine hohe Zuverlässigkeit besitzen.
-
Wenn das erfindungsgemäße dielektrische Material als Fenster
zur Übertragung hoher Frequenzen verwendet wird, und
insbesondere, wenn ein dielektrische Material mit einer
relativen Dichte von nicht weniger als 97% als
Fenstermaterial verwendet wird, wird im Vergleich zu
konventionellen Fenstermaterialien dieser Art ein weitaus
bessere Wärmeschockbeständigkeit und Wärmebeständigkeit
erzielt.
-
Darüberhinaus zeigt das erfindungsgemäße dielektrische
Material, wenn es an seinen Oberflächen mit einem
Keramikfilm, z. B. aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder
Zirconiumdioxid, beschichtet ist, sehr gute Eigenschaften,
wie z. B. Widerstandsfähigkeit gegenüber durch Plasma
verursachte Korrosion, und ähnliche gute Eigenschaften.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gyrotron-
Mikrowellenoszillators;
-
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines
Mikrowellenheizgerätes, das mit dem Oszillator der Fig. 1
ausgestattet ist und
-
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer
Elektronencyclotronresonanzplasma-CVD-Vorrichtung.
-
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
-
Die Erfindung wird nun detailliert beschrieben.
-
Erfindungsgemäß besteht das dielektrische Material
hauptsächlich aus Silicumnitrid und mindestens Sauerstoff als
verunreinigende Komponente, oder Sauerstoff als
verunreinigende Komponente und einer Komponente eines
Elements der Gruppe 3a des periodischen Systems. Sauerstoff
als verunreinigende Komponente steht hier für eine
Siliciumdioxid (SiO&sub2;)-Komponente, die eines der vielen Oxide,
die in dem gesinterten Produkt von Siliciumnitrid enthalten
sind, ist. Sauerstoff als Verunreinigung stammt von
verunreinigendem Sauerstoff, der im Ausgangsmaterial von
Siliciumnitrid unvermeidbar enthalten ist oder von
Siliciumoxid (SiO&sub2;), das absichtlich zugegeben wird.
-
Eine Verbindung eines Elementes der Gruppe 3a des
periodischen Systems wird als Sinterhilfsmittel zugegeben.
Beispiele für diese Verbindung umfassen solche von Y, La, Ce,
Sm, Dy, Ho, Er, Yb, Lu und Sc. Im Hinblick auf die Festigkeit
ist es zweckmäßig, unter diesen eine Verbindung von Er, Yb
oder Lu mit einem kleinen Ionenradius zu verwenden. Besonders
zweckmäßig ist es, davon Lu zu verwenden. Es ist zweckmäßig,
daß die Verbindung des Elementes der Gruppe 3a des
periodischen Systems in einer Menge von nicht mehr als
10 Mol-%, berechnet als Oxid davon, und insbesondere von
nicht mehr als 3 Mol-%, verwendet wird. Zweckmäßig ist es,
daß der Gehalt an Sauerstoff als verunreinigende Komponente,
d. h. der Gehalt an Siliciumdioxid, 1,5 bis 10, und
insbesondere 1,8 bis 3,5, ausgedrückt als Molverhältnis
(SiO&sub2;/RE&sub2;O&sub3;) relativ zur Menge der Verbindung des Elementes
der Gruppe 3a des periodischen Systems, ausgedrückt als Oxid
(RE&sub2;O&sub3;) davon, beträgt.
-
Im allgemeinen enthalten gesinterte Produkte dieser Art,
einschließlich des erfindungsgemäßen gesinterten Produkts,
unvermeidlich Aluminiumverbindungen als verunreinigende
Komponente. In der vorliegenden Erfindung ist es jedoch
besonders wichtig, den Gehalt an Aluminiumverbindung auf
nicht mehr als eine bestimmte Menge zu beschränken.
-
Der Gehalt an Aluminium (Al) im gesinterten Produkt ist ein
Hauptfaktor, der den dielektrischen Verlust des gesinterten
Produkts bestimmt, und der dielektrische Verlust nimmt ab,
wenn die Menge an Aluminium abnimmt.
-
Erfindungsgemäß ist es deshalb von Bedeutung, daß die Menge
an Aluminium nicht größer als 2 Gew.-%, berechnet als Oxid
(Al&sub2;O&sub3;) davon, und insbesondere nicht größer als 0,5 Gew.-%,
und in erster Linie nicht größer als 0,1 Gew.-% ist. Wenn die
Menge an Aluminium 2 Gew.-% übersteigt, kann ein gesintertes
Produkt mit niedrigem Verlustfaktor nicht erhalten werden.
-
Zusätzlich zur Menge an Aluminium im vorstehend genannten
Bereich kann das erfindungsgemäße dielektrische Material
Spuren von Erdalkalimetallen, Molybdän und
Verbindungsteilchen, wie z. B. eine Wolframverbindung,
enthalten.
-
Unter der Voraussetzung, daß das gesinterte Produkt dicht
genug ist, besteht im Hinblick auf die Dichte des
erfindungsgemäßen dielektrischen Materials keine besondere
Beschränkung. Im Hinblick auf die mechanische Festigkeit ist
es jedoch zweckmäßig, daß die relative Dichte nicht kleiner
als 97%, und insbesondere nicht kleiner als 98% ist. Im
Hinblick auf die Mikrostruktur besteht das dielektrische
Material aus Siliciumnitridteilchen und einer
Korngrenzenphase davon. Die Verbindung des Elements der
Gruppe 3a des periodischen Systems und Sauerstoff als
verunreinigende Komponente bilden eine Glasphase oder eine
kristalline Phase, die die Korngrenzen des gesinterten
Produktes ausbilden. Was die kristalline Phase anbelangt,
können die Siliciumnitridteilchen eine kristalline Phase vom
α-Typ oder β-Typ aufweisen. Im Hinblick auf eine Erhöhung der
mechanischen Festigkeit bei hohen Temperaturen ist es
zweckmäßig, daß die Korngrenzenphase kristallin ist.
-
Im Hinblick auf die kationischen Verunreinigungen besteht
keine besondere Beschränkung, vorausgesetzt, daß die Menge an
Aluminium innerhalb des oben angegebenen Bereichs liegt. Im
Hinblick auf die Festigkeit ist es zweckmäßig, daß die Menge
an Aluminium klein ist. Zweckmäßig ist es, daß die
Gesamtmenge an Übergangsmetallen, wie z. B. Fe, Ni, Zn, usw.,
nicht größer als 1 Gew.-%, und vorzugsweise nicht größer als
0,5 Gew.-%, berechnet als Oxide davon, ist. Es liegt kein
Problem vor, wenn die Mengen an Fluor (F) und Chlor (Cl), die
von den Ausgangsmaterialien für das Siliciumnitrid adsorbiert
sind, denen eines Siliciumnitridpulvers, das im Handel
erhältlich ist, entsprechen, d. h. nicht größer als 0,1 Gew.-%
sind. Kleinere Mengen sind jedoch besser. Alkalimetalle, wie
z. B. Na und K, können den dielektrischen Verlust
beeinflussen, wenn ihre Mengen zu hoch sind. Es ist deshalb
zweckmäßig, daß die Menge an Alkalimetallen nicht größer als
0,1 Gew.-% ist.
-
Wenn das erfindungsgemäße dielektrische Material mit einem
niedrigen dielektrischen Verlustfaktor zur Hochfrequenz-
Anwendung als Fenster zur Übertragung hoher Frequenzen
verwendet wird, ist es insbesondere zweckmäßig, daß das
dielektrische Material eine relative Dichte von nicht weniger
als 97% besitzt. Die Verwendung eines solchen Materials
macht es möglich, die Wärmeschockbeständigkeit, mechanische
Festigkeit und die Luftdichtigkeit zur Aufrechterhaltung
eines Vakuums stark zu verbessern. Die Verwendung des
dielektrischen Materials mit einer relativen Dichte von nicht
weniger als 97% macht es möglich, Störungen wie z. B. das
Auftreten von Rissen in den Einführungsfenstern, usw.,
vollständig auszuschließen.
-
Im Hinblick auf die Wärmeschockbeständigkeit, Festigkeit und
Dichtigkeit zur Aufrechterhaltung eines Vakuums ist es
außerdem zweckmäßig, daß die relative Dichte nicht kleiner
als 98% ist.
-
Zweckmäßig ist es, daß das für diese Ausführungsform
verwendete Material eine Festigkeit von nicht weniger als
500 MPa und eine Wärmeschockbeständigkeit besitzt, die sich
sogar dann nicht verschlechtert, wenn das dielektrische
Material rasch um 500ºC gequenscht wird.
-
Das aus dem erfindungsgemäßen dielektrischen Material
bestehende Fenster zur Übertragung hoher Frequenzen ist an
seinen Oberflächen mit mindestens einem keramischen Film
beschichtet, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Aluminiumnitrid (AlN) und
Zirconiumdioxid (ZrO&sub2;). Das erfindungsgemäße Fenstermaterial,
das mit einem solchen Film beschichtet ist, zeigt eine
hervorragende Beständigkeit gegenüber Plasmaätzen, und ist
insbesondere geeignet zur Verwendung als Fenstermaterial für
eine Vorrichtung, die bei der Verfahrensstufe des Ätzens bei
der Herstellung von Halbleitern und flüssigen Kristallen
unter Verwendung von CF oder Cl-Gas verwendet wird, wo ein F-
Plasma oder ein Cl-Plasma ausgebildet wird.
-
Die Dicke des Films beträgt 50 bis 200 um und insbesondere 50
bis 100 um. Wenn die Dicke geringer als dieser Bereich ist,
besteht nur eine geringe Beständigkeit gegenüber dem Ätzen
durch Plasma. Wenn die Dicke größer als dieser Bereich ist,
steigt der dielektrische Verlust, d. h. die
Übertragungseigenschaften bei hohen Frequenzen werden
verschlechtert. Der Film kann nach irgendeinem bekannten
Verfahren, wie z. B. einer CVD-Methode, PVD-Methode oder einem
Plasma-Schmelzspritzverfahren, ausgebildet werden. Zweckmäßig
ist es, daß der Keramikfilm kristallisiert ist. Wenn er als
Fensterelement verwendet wird, ist es insbesondere
zweckmäßig, daß weder eine schlechte Adhäsion noch Lücken in
der Grenze zwischen dem keramischen Film und dem
dielektrischen Material bestehen. Die Gegenwart solcher
Lücken können verursachen, daß elektromagnetischen Wellen
hoher Frequenz quer über die Lücken variieren oder ihre
Energie in den Lücken konzentriert wird, was die Übertragung
elektromagnetischer Wellen schwer beeinträchtigt. Außerdem
ist es zweckmäßig, daß der Film eine gleichmäßige Dicke und
wenig Fehler aufweist. Es ist wichtig, daß keine organische
Verbindung zurückbleibt, die unter den Bedingungen eines
hohen Vakuums verdampfen könnte.
-
Bei der Ausbildung des Films sollten die Oberflächen des
dielektrischen Materials durch Sandstrahlen aufgerauht
werden, damit das dielektrische Material einen Ankereffekt
für den Film besitzt. In diesem Fall kann der Film gut am
dielektrischen Material anhaften. Wenn der Film z. B. durch
Plasmaschmelzspritzverfahren ausgebildet wird, ist es
zweckmäßig, ein Plasmaschmelzspritzverfahren unter
verringertem Druck zu verwenden, um einen Film auszubilden,
der eine Porösität von nicht mehr als 10% besitzt.
-
Ein konkretes Beispiel für die Verwendung des
erfindungsgemäßen dielektrischen Materials mit niedrigem
dielektrischen Verlustfaktor wird nun unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist eine schematische
Darstellung eines Gyrotrons, das ein Mikrowellenoszillator
ist. Im Gyrotron 1 der Fig. 1 erzeugt einen Elektronenkanone
2 Elektronen, wodurch im Raum 3 aufgrund der
Hauptmagnetwindungen 4 eine Elektronencyclotronresonanz
stattfindet, und elektromagnetische Wellen (Mikrowellen oder
Millimeterwellen) einer bestimmten Frequenz induziert und
abgestrahlt werden. Die Elektronen werden durch die
Sammelmagnetspulen 6 in einem Strahlensammelbereich 5, der im
Vakuum gehalten wird, gesammelt. Die elektromagnetischen
Wellen (Mikrowellen, Millimeterwellen) die induziert und
abgestrahlt werden, werden durch ein Ausführungsfenster 7
ausgeführt. Nach der vorliegenden Erfindung besteht das
Ausführungsfenster 7 im Gyrotron der Fig. 1 aus dem
erfindungsgemäßen dielektrischen Material mit einem niedrigen
dielektrischen Verlustfaktor. Wenn das Ausführungsfenster 7
aus dem erfindungsgemäßen dielektrischen Material mit hoher
Festigkeit und niedrigem dielektrischen Verlustfaktor
besteht, gehen die Mikrowellen mit starker Ausgangsleistung,
die durch das Fenster hindurchtreten, nicht in großem Ausmaß
verloren und das Vakuum im Strahlensammelbereich 5 wird
aufrechterhalten.
-
Die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die ein
Mikrowellenheizgerät zeigt, an dem der Mikrowellenoszillator
der Fig. 1 angebracht ist. Unter Verwendung des Heizgerätes
8 der Fig. 2 werden Mikrowellen, die vom
Mikrowellenoszillator 1 erzeugt werden, in die Heizkammer 11
eingeführt und passieren einen Wellenleiter 9 und ein
Mikrowelleneinführungsfenster 10. Ein zu erhitzendes Material
12 wird in die Heizkammer gestellt, mit Mikrowellen bestrahlt
und erhitzt.
-
Erfindungsgemäß wird das Mikrowelleneinführungsfenster 10 in
Fig. 2 unter Verwendung des erfindungsgemäßen dielektrischen
Materials mit einem niedrigen dielektrischen Verlustfaktor
ausgebildet. Selbst wenn Mikrowellen mit einer hohen Leistung
und einer hohen Frequenz eingeführt werden und die Heizkammer
bei einer hohen Temperatur gehalten wird, bildet das Fenster
keine Risse aus. Darüberhinaus können die Mikrowellen in die
Heizvorrichtung ohne Verlust an Mikrowellen eingeführt
werden.
-
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die eine
Elektronencyclotronresonanzplasma-CVD-Vorrichtung zeigt. In
dieser CVD-Vorrichtung 13 werden die vom
Mikrowellenoszillator 14 gebildeten Mikrowellen in eine
Reaktionskammer 17 eingeführt, wobei sie durch einen
Wellenleiter 15 und ein Mikrowellen-Einführungsfenster 16
laufen. Ein zu behandelndes Material 18 wird in die
Reaktionskammer 17 gestellt. In die Reaktionskammer 17 wird
durch eine Gaseinführungsöffnung 19 ein Reaktionsgas
eingeführt und mit Mikrowellen bestrahlt. Außerdem wird durch
die Magnetspule 20 ein Magnetfeld angelegt, um ein
Elektronencyclotronresonanzplasma des Reaktionsgases in der
Reaktionskammer 17 auszubilden. Das Gas ist deshalb effizient
dissoziiert, und auf der Oberfläche des zu behandelnden
Materials 18 wird der gewünschte Film homogen ausgebildet.
-
Auch in dieser CVD-Vorrichtung ist das Mikrowellen-
Einführungsfenster 16 unter Verwendung des erfindungsgemäßen
dielektrischen Materials mit einem niedrigen dielektrischen
Verlustfaktor ausgebildet. Selbst wenn die Reaktionskammer
bei hoher Temperatur erhitzt wird, können deshalb die
Mikrowellen effizient ohne Verlust an Mikrowellen eingeführt
werden. Das Plasma wird deshalb innerhalb eines kurzen
Zeitraums stabilisiert und der Film wird mit einer erhöhten
Geschwindigkeit ausgebildet.
-
Um das erfindungsgemäße dielektrische Material zu erhalten,
wird Siliciumnitrid, das eine kleine Menge an Aluminium
enthält, als Ausgangsmaterial verwendet, und außerdem werden
Verbindungen, wie z. B. Siliciumoxid oder ein Oxid eines
Elementes der Gruppe 3a des periodischen Systems, zum
Siliciumnitrid zugegeben. Das Ausgangsmaterial wird dann
unter Verwendung eines geeigneten Formgebungsmittels, wie
z. B. einer Formpresse, einer Presse zum kaltisostatischen
Pressen, durch Strangpressen oder nach einem Rakelverfahren
in irgendeine Form, wie z. B. einen Block oder eine Platte,
geformt, und danach gesintert.
-
Wesentlich ist es, daß das Sintern unter Bedingungen bewirkt
wird, die die Zersetzung des Siliciumnitrids verhindern. Es
kann irgendeine allgemein bekannte Sintermethode, wie z. B.
ein druckloses Sinterverfahren, ein
Stickstoffdrucksinterverfahren, oder ein heißisostatisches
Presssinterverfahren, verwendet werden. Die Sintertemperatur
liegt im Bereich von 1600 bis 2000ºC, obwohl sie mit der
Zusammensetzung variieren kann, und das Sintern wird so
durchgeführt, daß eine relative Dichte erzielt wird, die
nicht kleiner als 90% ist.
-
Wenn das erfindungsgemäße dielektrische Material als
Fenstermaterial zur Übertragung hoher Frequenzen verwendet
wird, wird irgendeines der vorstehend genannten
Formgebungsmittel verwendet, um das Formen durchzuführen, und
der Formkörper wird in die Form eines Einführungsfensters
geschnitten, und danach gesintert.
Beispiele
Beispiel 1
-
Es wurden drei Arten von Ausgangsmaterialien (mit
spezifischen Oberflächen nach BET von nicht weniger als
8 m²/g, und mit mittleren Teilchendurchmessern von 2 bis
5 um) hergestellt, nämlich ein hochreines Siliciumnitrid-
Ausgangsmaterial (Gesamtmenge an Übergangsmetall-
Verunreinigungen nicht größer als 100 ppm, Menge an Aluminium
nicht größer als 20 ppm; Ausgangsmaterial A) mit einem α-
Verhältnis von 95%, hergestellt nach einer
Imidzersetzungsmethode; ein Siliciumnitrid-Ausgangsmaterial
(Gesamtmenge an Übergangsmetallverunreinigungen nicht größer
als 1000 ppm, Menge an Aluminium nicht größer als 200 ppm;
Ausgangsmaterial B) mit einem α-Verhältnis von 90%,
hergestellt durch ein direktes Nitrierverfahren, und ein
Siliciumnitrid-Ausgangsmaterial geringer Reinheit
(Gesamtmenge an Übergangsmetall-Verunreinigungen nicht größer
als 10000 ppm, Menge an Aluminium nicht größer als 1000 ppm;
Ausgangsmaterial C) mit einem α-Verhältnis von 70%,
hergestellt durch ein direktes Nitrierverfahren.
-
Als Sinterhilfsmittel wurde feingepulvertes Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; und
Oxid (RE&sub2;O&sub3;) eines Elementes der Gruppe 3a des periodischen
Systems mit Reinheiten von nicht weniger als 99,9% in den in
Tabellen 1 und 2 angegebenen Mengen verwendet. Unter ihnen
umfaßt SiO&sub2; solche, in denen Sauerstoff als verunreinigende
Komponente im Ausgangs-Siliciumnitrid als SiO&sub2; berücksichtigt
wurde. Die Pulver wurden in den angegebenen Mengen in einen
500 ml-Topf aus Polyethylen eingebracht, und in einer
Rotationsmühle 72 Stunden unter Verwendung von Urethankugeln
und IPA (Isopropanol) als organisches Lösungsmittel gemischt
und pulverisiert. Nach Zugabe eines Bindemittels zu der
erhaltenen Aufschlämmung wurde diese dann sprühgetrocknet und
ein granuliertes Pulver erhalten. Zur Messung der Festigkeit
wurde das Pulver dann unter Verwendung einer Metallformpresse
und einem Formdruck von 1 Tonne/cm² in einen Formkörper mit
einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 10 mm und in
einen Formkörper mit den Ausmaßen 5 · 6 · 45 mm geformt. Die
Formkörper wurden bei 500ºC entwachst und Probekörper für
das Sintern erhalten.
-
Das Sintern wurde auf drei Wegen durchgeführt, nämlich in
Stickstoff unter einem Druck von 1,2 Atm bei 1750ºC während
5 Stunden (PLS-Methode), und nach Sintern mittels der PLS-
Methode in Stickstoff unter einem Druck von 9 Atm bei 1850ºC
während 5 Stunden (GPS), und durch Einbetten des Formkörpers
in ein Glasbad und einer heißisostatischen Presse in Argon
mit einem Druck von 2000 Atm bei 1950ºC während 3 Stunden
(HIP).
-
Es wurde bestätigt, daß die Proben relative Dichten besaßen,
die nicht kleiner als 95% waren. Die Proben wurden einem
zylindrischen und Flachflächen-Mahlen unterworfen und zur
Messung der dielektrischen Verlustfaktoren Proben mit einem
Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 7 mm erhalten, und
zur Messung der Festigkeit und anderer Eigenschaften JIS-
Teststücke (3 · 4 · 35 mm) erhalten. Der dielektrische
Verlust wurde nach einer zylindrischen Resonanzmeßmethode bei
einer Resonanzfrequenz von 10 GHz gemessen. Nach der Messung
wurden die zentralen Teile der Proben ausgeschnitten und die
Menge an Aluminium aus der ICP-Analyse bestimmt und als
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) berechnet. Durch Röntgenstrahlanalyse
der Pulver wurden außerdem kristalline Phase, die von den
Siliconnitrid-kristallinen Phasen verschieden waren,
festgestellt. Die mechanischen Festigkeiten wurden mittels
eines Vier-Punkt-Biegetests in Übereinstimmung mit JIR R 1601
bestimmt. Die relativen Dichten wurden aus den theoretischen
Dichtenverhältnissen ermittelt, die aus der
Ausgangszusammensetzung und den nach Archimedes-Methoden
gemessenen Schüttdichten berechnet wurden. Die Ergebnisse
sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben.
Tabelle 1
-
Die mit einem * gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens.
-
Anmerkung: Menge an Al im gesinterten Produkt und als Al&sub2;O&sub3; berechnet.
-
R&sub2;S ist RE&sub2;Si&sub2;O&sub7;, RS is RE&sub2;SiO&sub5;, SNO ist Si&sub2;N&sub2;O, A ist Apatit, Y ist YAM, g ist Glas
(amorph)
Tabelle 2
-
Die mit einem * gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens.
-
Anmerkung: Menge an Al im gesinterten Produkt und als Al&sub2;O&sub3; berechnet.
-
R&sub2;S ist RE&sub2;Si&sub2;O&sub7;, RS is RE&sub2;SiO&sub5;, SNO ist Si&sub2;N&sub2;O, A ist Apatit, Y ist YAM, g ist Glas
(amorph)
-
Aus den Tabellen 1 und 2 ist es ersichtlich, daß die Proben
Nr. 1-13, 1-14, 1-16, 1-17 und 1-19, in denen die Mengen an
Aluminium 2 Gew.-%, berechnet als Oxid, übersteigen,
ausreichend hohe Festigkeiten zeigen, aber auch dielektrische
Verlustfaktoren von nicht weniger als 5 · 10&supmin;&sup4;. Die
erfindungsgemäßen dielektrischen Materialien, in denen die
Mengen an Aluminium nicht größer als 2 Gew.-% sind, zeigen
dagegen dielektrische Verlustfaktoren von nicht größer als 5
· 10&supmin;&sup4;, gemessen bei einer so hohen Frequenz wie 10 GHz, und
zeigen bei Raumtemperatur Festigkeiten, die nicht kleiner als
500 MPa sind, und insbesondere nicht kleiner als 600 MPa.
Insbesondere wenn die Menge an Aluminium nicht größer als 0,5
Gew.-%, berechnet als Oxid, ist, werden die dielektrischen
Verlustfaktoren nicht größer als 4 · 10&supmin;&sup4;, und wenn die Menge
an Aluminium nicht größer als 0,1 Gew.-% ist, wird der
dielektrische Verlustfaktor nicht größer als 3 · 10&supmin;&sup4;.
Beispiel 2
-
Es wurden die gleichen Ausgangsmaterialien A, B, C und
Sinterhilfsmittel wie im Beispiel 1 hergestellt und in den in
den Tabellen 3 und 4 angegebenen Mengen abgewogen.
-
Die abgewogenen Pulver wurden auf die gleiche Weise wie im
Beispiel 1 behandelt, um Probekörper für das Sintern
herzustellen.
-
Das Sintern wurde auf zwei Wege durchgeführt, d. h. in
Stickstoff unter einem Druck von 1,2 atm. bei 1750ºC während
5 Stunden (PLS-Methode), und nach Sintern mittels der PLS-
Methode in Stickstoff unter einem Druck von 9 atm. bei
1850ºC während 5 Stunden (GPS).
-
Es wurde festgestellt, daß die Proben relative Dichten von
nicht weniger als 94% besaßen. Die Proben wurden einem
zylindrischen und Flachflächen-Mahlen unterworfen und zur
Messung der dielektrischen Verlustfaktoren Proben mit einem
Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 7 mm erhalten, und
zur Messung der Festigkeit und anderer Eigenschaften JIS-
Teststücke (3 · 4 · 35 mm). Der dielektrische Verlust wurde
mittels einer zylindrischen Resonanzmeßmethode bei einer
Resonanzfrequenz von 10 GHz gemessen. Nach der Messung wurden
die zentralen Teile der Probe ausgeschnitten und die Mengen
an Aluminium aus der ICP-Analyse bestimmt und als
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) berechnet. Durch Röntgenstrahlanalyse
wurden außerdem kristalline Phasen festgestellt, die von der
Siliciumnitrid-kristallinen Phase verschieden waren. Die
relativen Dichten wurden aus den theoretischen
Dichtenverhältnissen ermittelt, die aus den
Ausgangszusammensetzungen und den Schüttdichten, gemessen
nach der Archimedes-Methode, berechnet wurden. Die
Festigkeiten wurden mittels eines Vier-Punkt-Biegetests in
Übereinstimmung mit JIS R 1601 gemessen. Die Ergebnisse sind
in den Tabellen 3 und 4 angegeben.
Tabelle 3
-
Die mit einem * gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens.
-
Anmerkung: Menge an Al im gesinterten Produkt und als Al&sub2;O&sub3; berechnet.
-
R&sub2;S ist RE&sub2;Si&sub2;O&sub7;, RS is RE&sub2;SiO&sub5;, SNO ist Si&sub2;N&sub2;O, A ist Apatit, Y ist YAM, g ist Glas
(amorph)
Tabelle 4
-
Die mit einem * gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens.
-
Anmerkung: Menge an Al im gesinterten Produkt und als Al&sub2;O&sub3; berechnet.
-
R&sub2;S ist RE&sub2;Si&sub2;O&sub7;, RS is RE&sub2;SiO&sub5;, SNO ist Si&sub2;N&sub2;O, A ist Apatit, Y ist YAM, g ist Glas
(amorph)
-
Um die Eigenschaften der in den Tabellen 3 und 4 angeführten
Proben als Einführungsfenster zu bestätigen, wurden auf dem
Einführungsfenster einer ECR (Elektronencyclotronenresonanz)-
Plasma-CVD-Vorrichtung unter Verwendung der in den Tabellen 3
und 4 angeführten Proben Filme ausgebildet, und die
Dauerhaftigkeit des Einführungsfensters getestet. Die ECR-
Plasma-CVD-Vorrichtung, die verwendet wurde, war eine solche
zur Synthese von Diamanten in gasförmiger Phase, und das
Vakuum betrug 1 · 10&supmin;&sup4; Pa, der Plasma-Anschaltdruck betrug
1 Pa, die Mikrowellenfrequenz betrug 2,45 GHz, und die
maximale elektrische Leistung zur Herstellung der Mikrowellen
betrug 5 KW. Das Einführungsfenster besaß einen Durchmesser
von 130 mm und eine Dicke von 16 mm.
-
Die Filme wurden unter Verwendung von mit Wasserstoff
verdünntem Methangas ausgebildet, wobei ein Einkristall-
Siliciumwafer als Substrat zur Abscheidung der Filme
verwendet wurde, und in die Vorrichtung wurden durch das
Einführungsfenster Mikrowellen mit 5 KW eingeführt. Es wurde
die Zeit bis zur Stabilisierung des Plasmas im Reaktionsofen
bestimmt. Nachdem bestätigt war, daß das Plasma stabilisiert
war, wurde der Film für einen Dauer von maximal 50 Stunden
ausgebildet, und die Dicke des abgeschiedenen Films mittels
SEM gemessen. An das Einführungsfenster wurde ein
Thermoelement angeschlossen, und zum Schutz der Vorrichtung
die Vorrichtung so eingestellt, daß sie zum Stillstand kam,
wenn die Temperatur 70ºC überstieg.
-
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben.
Tabelle 5
-
Die mit einem * gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des
erfindungsgemäßen Rahmens.
-
Aus den Tabellen 3, 4 und 5 ist es ersichtlich, daß, wenn ein
erfindungsgemäßes hohe Frequenzen übertragendes
Fenstermaterial mit einer relativen Dichte von nicht weniger
als 97% und einem dielektrischen Verlustfaktor bei 10 GHz
von nicht mehr als 5 · 10&supmin;&sup4; verwendet wurde, das Plasma
innerhalb eines kurzen Zeitraums stabilisiert war, und der
Film während mehr als 50 Stunden nach Stabilisierung des
Plasmas ausgebildet werden konnte, und die Filmwachstumsrate
hoch war.
-
Wenn die Menge an Aluminium im gesinterten Produkt nicht
größer als 2 Gew.-% war, berechnet als Oxid davon, konnte ein
dielektrischer Verlustfaktor von nicht größer als 5 · 10&supmin;&sup4;
erreicht werden. Insbesondere wenn die Menge des Aluminiums
nicht größer als 0,5 Gew.-%, berechnet als Oxid, war, war der
dielektrische Verlustfaktor nicht größer als 4 · 10&supmin;&sup4;, und
wenn die Menge an Aluminium kleiner als 0,1 Gew.-% war, war
der dielektrische Verlustfaktor nicht größer als 3 · 10&supmin;&sup4;.
Aus Tabelle 5 ist es auch ersichtlich, daß die unter
Verwendung dieser Materialien hergestellten Hochfrequenz-
Einführungsfenster vorteilhafte Eigenschaften zeigen.
-
Wenn der dielektrische Verlustfaktor nicht kleiner als 5 ·
10&supmin;&sup4; (Probe Nr. 2-14) war, stieg hingegen die Temperatur des
Fenstermaterials rasch und überstieg 5 Minuten nach
Einführung des Plasmas 70ºC, und die Vorrichtung kam zum
Stillstand. Wenn die relative Dichte nicht größer als 97%
war (Proben Nr. 2-13, 2-26, 2-27, die Bezugsbeispiele sind),
traten im Fenstermaterial 20 bis 30 Stunden nach Bildung des
Films Risse auf, und die Luftdichtigkeit zur
Aufrechterhaltung des Vakuums nahm ab.
-
Um die Einführungsfenstermaterialien im Hinblick auf ihre
Leistungsfähigkeit zu vergleichen, wurde außerdem ein
Quarzglas und ein gesintertes Produkt aus hochreinem
Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99%
als Fenster zur Einführung von Mikrowellen verwendet, und
Filme ausgebildet. Das Quarzglas enthielt SiO&sub2; in einer Menge
von 99,9 Mol-% und zeigte einen dielektrischen Verlustfaktor
von 1 · 10&supmin;&sup4; und eine Festigkeit bei Raumtemperatur von nicht
mehr als 100 MPa. Wenn dieses Quarzglas verwendet wurde,
betrug die Zeit bis zur Stabilisierung des Plasmas
10 Minuten, und die Temperatur des Einführungsfensters
überschritt 70ºC, nachdem der Film während 35 Stunden
ausgebildet wurde, und die Vorrichtung wurde zum Stillstand
gebracht. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Dicke des
abgeschiedenen Filmes 18 um und die Filmwachstumsrate betrug
0,51 um/Stunde. Das gesinterte Produkt aus Aluminiumoxid
enthielt 0,5 Mol-% SiO&sub2; und besaß einen dielektrischen
Verlustfaktor von 1 · 10&supmin;&sup4; und eine mechanische Festigkeit
bei Raumtemperatur von 400 MPa. In einem Test zur Abscheidung
von Filmen unter Verwendung dieses gesinterten Produktes aus
Aluminiumoxid traten in dem Fenstermaterial aus dem
gesinterten Produkt aus Aluminiumoxid 5 Minuten nach
Einführung des Plasmas Risse auf, die Luftdichtigkeit nahm
ab, und der Film konnte nicht mehr länger abgeschieden
werden.
Beispiel 3
-
Es wurden die gleichen Ausgangsmaterialien A, B, C und
Sinterhilfsmittel wie im Beispiel 1 hergestellt und in den in
Tabelle 6 angegebenen Mengen abgewogen.
-
Die abgewogenen Pulver wurden in der entsprechenden Menge in
einen 500 ml-Topf aus Polyethylen eingebracht und in einer
Rotationsmühle während 72 Stunden unter Verwendung von
Urethankugeln und IPA (Isopropanol) als organisches
Lösungsmittel zusammen mit einem Bindemittel gemischt und
pulverisiert. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde dann
sprühgetrocknet und ein granuliertes Pulver erhalten. Das
Pulver wurde unter Verwendung einer Metallformpresse unter
einem Formdruck von 1 Tonne/cm in einen Formkörper mit einem
Durchmesser von 60 mm und einer Dicke von 4 mm geformt. Der
Formkörper wurde bei 500ºC entwachst und Probekörper zum
Sintern erhalten. Das Sintern wurde in Stickstoff unter einem
Druck von 9 atm. bei 1750 bis 1900ºC während 5 Stunden
durchgeführt (GPS-Methode).
-
Die erhaltenen gesinterten Produkte wurden dem Flachflächen-
Mahlen unterworfen und zur Messung der dielektrischen
Verlustfaktoren Proben mit einem Durchmesser von 48 mm und
einer Dicke von 2 mm erhalten. Der dielektrische Verlust
wurde mittels einer Zylinderresonanzmeßmethode bei einer
Resonanzfrequenz von 10 GHz bestimmt. Die zentralen Teile der
gesinterten Produkte wurden außerdem ausgeschnitten und die
Menge an Aluminium aus der ICP-Analyse bestimmt und als
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) berechnet. Die relativen Dichten wurden
aus den theoretischen Dichteverhältnissen ermittelt,
berechnet aus den Rezepturzusammensetzungen und den
Schüttdichten, gemessen nach der Archimedes-Methode.
-
Als nächstes wurden auf den gesinterten Produkten eine
Vielzahl keramischer Pulver mittels des
Plasmaschmelzspritzgießverfahrens unter vermindertem Druck
bis zu einer Dicke von 50 bis 70 um abgeschieden. Durch
Röntgenstrahlanalyse wurde festgestellt, daß die Filme alle
kristallisiert waren.
-
Zur Messung der Beständigkeit gegenüber Ätzen durch Plasma
wurden die Proben in einen Hochfrequenz-Plasmareaktor so
eingebracht, daß die Oberflächen der Filme den
Hochfrequenzwellen ausgesetzt waren, und wurden dem Ätzen
durch Plasma in eine CF&sub4;/O&sub2;-Gasmischung und in einer ClF&sub3;/O&sub2;-
Gasmischung während 100 Minuten unterworfen. Veränderungen in
der Dicke der Probe wurden unter Verwendung eines Mikrometers
festgestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6
-
Die mit * gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens
-
Die mit ** gekennzeichneten Proben sind Bezugsbeispiele.
-
Aus den Ergebnissen der Tabelle 6 ist es ersichtlich, daß die
Proben Nr. 3-11 bis 3-14, in denen die Menge an Aluminium in
der Scheibe aus dem gesinterten Produkt aus Siliciumnitrid
nicht kleiner als 2 Gew.-% war, alle dielektrische
Verlustfaktoren von nicht kleiner als 5 · 10&supmin;&sup4; zeigten. Es
ist deshalb verständlich, daß die Einstellung der
Aluminiummenge zur Verringerung des dielektrischen
Verlustfaktors wichtig ist.
-
Die Probe Nr. 3-18 war als Scheibe an sich zufriedenstellend,
wurde aber nicht mit dem Keramikfilm beschichtet, und durch
Plasma in einem hohen Ausmaß geätzt. Dagegen wurde das mit
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Zirconiumdioxid
beschichtete erfindungsgemäße dielektrische Material durch
das CF-Plasma in einer so geringen Menge wie 50 nm/min oder
weniger und durch das CIF-Plasma in einer so geringen Menge
wie 20 nm/min oder weniger geätzt. Von den Keramikfilmen
ermöglichten jedoch Siliciumdioxid und Zirconiumdioxid ein
Ätzen des dielektrischen Materials in einem hohen Ausmaß, und
sie waren im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber Plasma
schlechter.