DE69634562T2

DE69634562T2 - Hochreine zusammensetzung für ofenteile

Info

Publication number: DE69634562T2
Application number: DE69634562T
Authority: DE
Inventors: H. Robert METTER
Original assignee: Hitco Carbon Composites Inc
Current assignee: Hitco Carbon Composites Inc
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: WO1996026791A1; IL117048A; EP0812239A1; KR19980702569A; US5683281A; KR100334324B1; AU4997596A; US5800924A; TW314640B; DE69634562D1; EP0812239B1; DE812239T1; JP2001503364A; MY113433A; EP0812239A4; IL117048A0

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft hochreine Verbundwerkstoffe aus Kohlefaser innerhalb einer Kohlenstoffmatrix und ihre Herstellung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung hochreiche Verbundwerkstoffe, die als Halbleiterverarbeitungsbestandteile nützlich sind, wie z. B. Czochralski-Ofenbestandteile und -Ausstattung.
Hintergrund der Erfindung
Siliziumwafer, die in der Halbleiterindustrie Verwendung finden, werden durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt. Eines dieser Verfahren wird als Czochralski- oder „CZ"-Methode bezeichnet. Bei der CZ-Methode wird ein Impfkristall mit bekannter Orientierung in ein Reservoir aus geschmolzenem Silizium eingetaucht. Dies löst die Erstarrung und Ablagerung von Silizium aus. Während der Kristall mechanisch aus dem Reservoir aufwärts gezogen wird, imitiert die Orientierung der kristallisierten Front die des Impfkristalls. Siliziumwafer können aus dem festen Block durch maschinelles Bearbeiten und Polieren hergestellt werden.
Besonders konstruierte Öfen werden verwendet, um die unterschiedlichen Parameter, die benötigt werden, um die Herstellung von hochqualitativen Kristallen sicherzustellen, genau zu kontrollieren. Mehrere der Schlüsselbestandteile in CZ-Kristallzüchtungsöfen werden aus Graphit hergestellt. Diese schließen verschiedene Rohre (Liner), Abschirmungen, Kanäle, Tiegelprobenhalter (Susceptor) und ähnliches ein. Graphit ist das Material, das herkömmlicherweise in solchen Verfahren aufgrund seiner hohen Temperaturfähigkeit und seiner relativen chemischen Trägheit verwendet wurde.
Nachteile von Graphit schließen dessen schlechte Beständigkeit aufgrund seiner hochspröden Natur und seiner Tendenz zu Haarrissen, wenn es wiederholten Temperaturzyklen ausgesetzt wird, ein. Solches Mikroreißen ändert die thermische Leitfähigkeit des Bestandteils, was wiederum exakte Temperaturkontrolle der Siliziumschmelze schwierig macht. Zusätzlich kann durch Auslaugen von Verunreinigungen aus den Graphitbestandteilen oder durch Teilchen, die durch die zunehmende Schädigung des Graphits selbst erzeugt werden, eine Verunreinigung der Siliziumschmelze auftreten. Halbleiterstandards verlangen extrem niedrige Niveaus an Verunreinigungen im Halbleiterverarbeitungssystem, dass im wesentlichen keine Verunreinigungen in das Halbleitermaterial eingebaut werden, da schon Spurenmengen die elektronischen Eigenschaften des Halbleitermaterials ändern können.
Des weiteren tritt Abscheidung von Oxiden des Siliziums auf Graphitteilen während der Herstellung der Siliziumkristalle in einem solchen Maß auf, daß Teile regelmäßig gereinigt und periodisch ersetzt werden müssen. Das Ersetzen abgenutzter Graphitteile ist ein zeitaufwendiges und kostspieliges Verfahren.
Daher besteht ein Bedarf an der Herstellung von Bestandteilen für CZ-Kristallzüchtungsreaktoren, die die Vorteile des Graphits ohne dessen Nachteile besitzen. Solche Bestandteile würden die kosteneffektivere Herstellung von Siliziumhalbleiterwafern hoher Qualität erlauben.
Es wurden Versuche unternommen, Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe in ähnlichen elektronischen Materialherstellungsverfahren anstelle von Graphit-Ofenbestandteilen und -Ausstattung zu verwenden. Das US Patent Nr. 5,132,145 und die entsprechende europäische Anmeldung 88401031.5 von Valentian offenbaren ein Verfahren zur Herstellung eines Tiegels aus Verbundwerkstoffmaterial zur Verwendung beim Bridgman-Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Halbleitern aus metallischem Material.
Valentian schlägt die Herstellung eines zylindrischen Tiegels zum Halten einer geschmolzenen Probe aus einer einzigen Wand aus Kohlenstoffasern oder Siliziumcarbidfasern vor, die mit Kohlenstoff oder Siliziumcarbid imprägniert sind, und auf der inneren Seite des Tiegels Anbringen einer dünnen, inneren Verkleidung aus Siliziumcarbid in Verbindung mit Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Siliziumnitrid/Aluminiumoxid, oder in anderen Ausführungsformen amorphem Kohlenstoff Bornitrid, Titannitrid oder Diborid, und Zirkonnitrid oder Diborid. Die dünne innere Verkleidung wird benötigt, um Verunreinigung der geschmolzenen Probe zu vermeiden, um eine passende Wärmeleitfähigkeit mit der geschmolzenen Probe bereitzustellen, und um Rißausbreitung zu vermeiden, die ein Nachteil des Bulkmaterials ist.
Es kann auch auf die japanische Patentveröffentlichung 01-264964 A verwiesen werden, die ein verstärktes Kohlenstoffverbundwerkstoffmnaterial offenbart, das durch Einführen von pyrolytischem Kohlenstoff in einen hochreinen, kohlehaltigen Filz hergestellt wird, und auf die japanische Patentveröffentlichung 01-145376 A, die einen hitzebehandelten, kohlenstoffverstärkten Verbundwerkstoff offenbart, der eine hohe Reinheit mit einem Gesamtascheanteil von 10 ppm oder weniger besitzt und für ein strukturelles Material geeignet ist.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Bestandteile für die Verwendung in der Halbleiterverarbeitung bereitzustellen, die in ihren mechanischen und thermischen Eigenschaften herkömmlichen Graphitbestandteilen überlegen sind.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Bestandteile für die Verwendung in der Halbleiterverarbeitung bereitzustellen, die in ihren Reinheitseigenschaften herkömmlichen Graphitbestandteilen und herkömmlichen Kohlenstoff/Kohlenstoffmaterialien überlegen sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen hochreinen Verbundwerkstoff bereit, der eine kohlefaserverstärkte Kohlenstoffmatrix umfaßt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er einen Gehalt an Verunreinigung unterhalb der Nachweisgrenze der induktiv gekoppelten Plasmaspektroskopie für die Elemente Ag, Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr und Zn, d. h. Ag 0,02 ppm, Al 0,1 ppm, Ba 0,01 ppm, Be 0,01 ppm, Ca 0,1 ppm, Cd 0,01 ppm, Co 0,02 ppm, Cr 0,01 ppm, Cu 0,02 ppm, K 4 ppm, Mg 0,02 ppm, Mn 0,01 ppm, Mo 0,02 ppm, Na 0,2 ppm, Ni 0,04 ppm, P 0,02 ppm, Pb 0,2 ppm, Sr 0,02 ppm und Zn 0,02 ppm, besitzt, wobei die Kohlefaser ausgewählt ist aus einer Faser, außer geschnittener Faser, Tuch/Stoff, außer geschnittenem Tuch/Stoff, Gewebe, außer geschnittenem Gewebe, Garn, außer geschnittenem Garn, und Band, und der hochreine Verbundwerkstoff eine Zugfestigkeit von 1,7 × 10⁸ bis 6,89 × 10⁸ Pa (25 bis 100 ksi) und ein Zugmodul von 2,1 × 10¹⁰ bis 2,1 × 10¹¹ Pa (3 bis 30 msi) und eine Biegefestigkeit von 1 × 10⁸ bis 4,1 × 10⁸ Pa (15 bis 60 ksi) und eine Druckfestigkeit von 6,9 × 10⁷ bis 3,45 × 10⁸ Pa (10 bis 50 ksi) besitzt.
Bevorzugt ist ein solcher hochreiner Verbundwerkstoff des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eines der folgenden Merkmale besitzt:

(i) Bruchzähigkeit, gemessen mit dem Izod-Schlagtest, von 2,7 × 10² bis 1,3 × 10³ J/m (5 bis 25 ft-lb/in);
(ii) Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebene von Null bis 2 × 10⁶ und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten senkrecht zur Ebene von 6 bis 10 × 10⁶;
(iii) Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von 20 bis 500 W/mK und eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Ebene von 5 bis 200 W/mK;
(iv) thermisches Emissionsvermögen von 0,4 bis 0,8; und
(v) spezifischer elektrischer Widerstand von 1 × 10^–4 bis 1 × 10^–2 Ohm-cm.

Er kann eine hitzebeständige Beschichtung, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden und Boriden, besitzen. Bevorzugter ist die hitzebeständige Beschichtung aus Siliziumcarbid.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mindestens einen solchen hochreinen Verbundwerkstoff umfaßt, wobei die Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung zusätzlich mindestens ein Heizelement in thermischer Nähe zu einer Kristallwachstumszone zum Ziehen eines Halbleiterkristalls aus einer Halbleitermaterialschmelze umfaßt, wobei das Bauteil aus hochreinem Verbundwerkstoff mindestens eines ist von (a) einem Hitzeschild zwischen dein mindestens einen Wärmeelement und der Kristallwachstumszone, und (b) einem Hitzeschild, der radial auswärts von dem mindestens einen Wärmeelement und der Kristallwachstumszone angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochreines Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial, das aus Kohlenstoffaserverstärkungen innerhalb einer Kohlenstoffmatrix besteht. Dieses Material besitzt außerordentliche thermische Fähigkeiten, insbesondere in nicht oxidierenden Atmosphären. Vor der vorliegenden Erfindung war die Verwendung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien in der Elektronikindustrie weitgehend beschränkt aufgrund des Unvermögens, Materialien herzustellen, die nicht nur gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen zeigen, sondern die besonders rein sind und empfindliche elektronische Herstellungsgegenstände wie z. B. Halbleitermaterialien oder Vorrichtungen, und insbesondere Siliziumwafer, nicht verunreinigen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein hochreines Verbundmaterial mit Halbleiterstandard, das eine kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffmatrix mit einem Verunreinigungsgrad unterhalb der Nachweisgrenze der induktiv gekoppelten Plasmaspektroskopie für die Elemente Ag, Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr und Zn, besitzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren die Halbleiterverarbeitung, wie z. B. die Czochralskikristallzüchtung, Ofenbestandteile und -ausstattung, die den obigen hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff umfassen, wobei der Verbundstoff eine kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffmatrix mit einem Verunreinigungsgrad unterhalb der Nachweisgrenze der induktiv gekoppelten Plasmaspektroskopie für die Elemente Ag, Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr und Zn einschließt. In einem Fall betrifft die vorliegende Erfindung ein Ofenhitzeschild oder eine Ofenröhre für die Halbleiterverarbeitung, die einen hochreinen Verbundstoff mit Halbleiterstandard umfaßt. In einem anderen Fall betrifft die vorliegende Erfindung einen Tiegelprobenhalter für ein Czochralskiverfahren, der einen hochreinen Verbundstoff mit Halbleiterstandard umfaßt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Halbleiterkristallzüchtungsgerät, das mindestens einen hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffbestandteil umfaßt, wobei der Verbundstoff eine kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffmatrix mit einem Verunreinigungsgrad unterhalb der Nachweisgrenze der induktiv gekoppelten Plasmaspektroskopie für die Elemente Ag, Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr und Zn einschließt.
Daher ist hier ein Czochralski-Kristallzüchtungsverfahren zum Ziehen eines Halbleiterrohlings aus einer Halbleitermaterialschmelze, wie z. B. einem Siliziumrohling aus einer Siliziumschmelze, offenbart, einschließlich der Bereitstellung der Halbleitermaterial (wie z. B. Silizium-Schmelze in einem Quarztiegel, wobei der Quarztiegel von verunreinigenden Quellen durch mindestens ein hochreines Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialbestandteil isoliert wird. In einem Fall schließt das Verfahren enges Stützen des Tiegels mit dem obigen Probenhalter ein. In einem anderen Fall schließt das Verfahren das Anbringen des Ofenhitzeschildes oder Ofenrohres zwischen die Kristallziehzone und dein Heizelement ein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Herstellung eines hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffes mit Halbleiterstandard mit den folgenden Schritten:
Erhitzen einer Kohlenstoffaserverstärkung auf mindestens ungefähr 2400°C,
Imprägnieren der Kohlenstoffaser mit einem Matrixvorläufer aus hochreinem Kohlenstoff (Halbleiterqualität),
Karbonisieren des imprägnierten Stoffes um ein karbonisiertes Teil zu bilden,
Verdichten des karbonisierten Teils mit hochreinem Kohlenstoff, um ein Bestandteil zu bilden, und
Erhitzen des Bestandteils auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 2400°C, um ein hitzebehandeltes Bestandteil zu bilden, und
Erhitzen des hitzebehandelten Bestandteils auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 2400°C in einer Halogenatmosphäre, um den hochreinen Verbundstoff zu bilden.
In einem Fall schließt das Verdichten des karbonisierten Teils Spülen eines CVD-Verarbeitungsofens mit einem inerten Gas bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 2400°C und Verdichten des Kohlenstoffteils mit CVD-Kohlenstoff in einem gespülten CVD-Ofen ein, um den Bestandteil zu bilden.
Ich habe daher festgestellt, daß es möglich ist, Kohlenstoff/Kohlenstoffmaterialien mit den gewünschten mechanischen, thermischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften herzustellen, die diese Materialien für die Verwendung in der Halbleiterelektronikindustrie sehr geeignet machen, und insbesondere für die Verwendung als Halbleiterverarbeitungsofen, wie z. B. einem Kristallzüchtungsreaktor, -einrichtung und -bestandteile.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 und 1A sind schematische Schnittzeichnungen von Halbleiterverarbeitungsöfen, insbesondere Czochralski-Kristallzüchtungsreaktoren.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ofenhitzeschildes oder eines Ofenrohres.
3 ist eine Draufsicht eines Ofenhitzeschildes oder eines Ofenrohres.
4 ist eine Aufrißansicht eines Ofenhitzeschildes oder eines Ofenrohres.
5 ist eine Draufsicht eines Tiegelprobenhalters aus hochreinem Verbundstoff.
6 ist eine Aufrißansicht eines Tiegelprobenhalters aus hochreinem Verbundstoff.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Tiegelprobenhalters aus hochreinem Verbundstoff.
8 ist eine Draufsicht eines alternativen Tiegelprobenhalters aus hochreinem Verbundstoff.
9 ist eine Aufrißansicht eines alternativen Tiegelprobenhalters aus hochreinem Verbundstoff.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Tiegelprobenhalters aus hochreinem Verbundstoff.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffmatrixmaterialien oder Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe besitzen thermische Stabilität, hohe Beständigkeit gegen thermischen Schock aufgrund hoher thermischer Leitfähigkeit und niedriges thermisches Expansionsverhalten (d. h. Wärmeausdehnungskoeffizient oder TEC), und besitzen hohe Belastbarkeit, Stärke und Steifheit bei Hochtemperaturanwendungen. Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffe umfassen Kohlenstoffverstärkungen, die mit Matrixvorläufermaterialien vermischt oder in Kontakt gebracht werden, um einen „grünen" Verbundstoff zu bilden, der dann karbonisiert wird, um den Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoff zu bilden. Sie können auch Kohlenstoffverstärkungen umfassen, in denen die Matrix vollständig oder teilweise durch chemische Gasphaseninfiltration eingeführt wird.
Die Kohlenstoffverstärkungen sind kommerziell von Amoco, DuPont Hercules, Celanese und anderen erhältlich und können die Form von Fasern, geschnittenen Fasern, Tuch/Stoff oder Gewebe, geschnittenem Tuch/Stoff oder Gewebe (als Formverbindungen bezeichnet), Garn, geschnittenem Garn und Band (gleichlaufende Anordnung von Fasern) einnehmen. Garne können zu gewünschten Formen durch Flechten oder multidirektionales Weben verwoben werden. Das Garn, das Tuch/der Stoff und/oder das Band können um einen Dorn gehüllt oder gewickelt werden, um eine Vielzahl von Formen und Verstärkungsorientierungen zu bilden. Die Fasern können im trockenen Zustand gewickelt werden, oder sie können vor dein Einhüllen, Einwickeln oder Stapeln mit dein gewünschten Matrixvorläufer imprägniert werden. Solche Prepreg- und gewobenen Strukturverstärkungen sind kommerziell von BP Chemicals (Hitco) Inc. erhältlich. Die Verstärkungen werden aus Vorläufern wie z. B. Polyacrylnitril (PAN), Rayon oder Pech hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verstärkung in Form von gewebtem Tuch/Stoff.
Matrixvorläufer, die verwendet werden können, um die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, schließen flüssige Quellen hochreinen (d. h. Halbleiterqualität) Kohlenstoffs, wie z. B. phenolische Harze und Pech, und gasförmige Quellen, einschließlich Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan, Ethan und Propan, ein. Repräsentative Phenole schließen Phenole, die unter der Handelsbezeichnung USP39 und 91LD verkauft werden, wie z. B. von Stuart Ironsides, aus Willowbrook, Illinois, bereitgestellt, ein.
Die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. Herkömmlich werden harzimprägnierte Kohlenstoffasern auf einem Hilfsmittel oder in einer Preßform in die gewünschte Form autoklav- oder pressgeformt. Die geformten Teile werden in einer inerten Umgebung bei Temperaturen von ungefähr 700°C bis ungefähr 2900°C hitzebehandelt, um die organischen Phasen zu Kohlenstoff umzuwandeln. Die karbonisierten Teile werden dann durch chemische Kohlenstoffgasphasenimprägnierung oder durch mehrmalige Reimprägnierungen mit den oben beschriebenen Harzen verdichtet. Andere Herstellungsverfahren schließen das Heißpressen und die chemische Gasphasenimprägnierung trockener Vorformen ein. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in den US Patent 3,174.895 und 3,462,289 beschrieben, die durch Verweis hierin aufgenommen sind.
Geformte Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffteile für Bestandteile zur Halbleiterverarbeitung können entweder ganzheitlich vor oder nach der Karbonisierung hergestellt werden, oder sie können aus Materialteilen hergestellt werden, die zu der gewünschten Form verbunden werden, wiederum entweder vor oder nach der Karbonisierung.
Sobald die allgemeine Form des Kohlenstoff/Kohlenstoff-Vverbundstoffartikels hergestellt ist, kann das Stück leicht mit genauen Abweichungen verarbeitet werden, in der Größenordnung von ungefähr 0,1 mm oder weniger. Des weiteren können Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffe aufgrund der Stärke und der maschinellen Bearbeitbarkeit von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen, zusätzlich zu den Formungsmöglichkeiten des ursprünglichen Herstellungsverfahrens, zu Formen für Bestandteile geformt werden, die mit normalem Graphit nicht möglich sind.
Der hochreine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoff gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Eigenschaften von herkömmlich hergestellten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen, hat jedoch verbesserte Reinheit, die aus dem Verfahren für die Herstellung eines Verbundstoffs mit Halbleiterstandard nach der vorliegenden Erfindung herrührt.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Faser(Verstärkungs)-Reinheit durch die Kohlenstoffaserverstärkung verbessert, bevorzugt in der Form von gewobenem Gewebe, das in einer nicht oxidierenden (inerten) Atmosphäre auf eine Temperatur von ungefähr 2400°C (4350° F) bis ungefähr 3000°C erhitzt wird, um Verunreinigungen zu entfernen. Diese Hitzebehandlung erlaubt den Verstärkungen des weiteren, daß sie sich setzen, wodurch eine Schrumpfung in späteren Verfahren vermieden wird.
Die Kohlenstoffmatrixreinheit wird durch die Verwendung hochreiner Matrixvorläufer bei der Imprägnierung der hitzebehandelten Kohlenstoffverstärkung verbessert. Der Reinheitsgrad der Kohlenstoffquellen sollte weniger als ungefähr 50 ppm Metalle betragen. Zum Beispiel sollten die phenolischen Harze weniger als ungefähr 50 ppm Metalle enthalten, sollten nicht metallische Beschleuniger zum Aushärten verwenden, und sollten bevorzugt in einem Edelstahlreaktor hergestellt werden.
Die imprägnierten Verstärkungen oder Prepregs werden auf herkömmliche Art und Weise bereitgestellt, aufgelegt, gehärtet und karbonisiert (oder pyrolisiert), mit Ausnahme, daß die Verarbeitungsbedingungen unter Halbleiterstandards beibehalten werden. Das karbonisierte Teil wird dann durch chemische Gasphasenimprägnierung oder Flüssig-Druckimprägnierung unter Verwendung der oben erwähnten Kohlenstoffquellmaterialien verdichtet.
Bei der Verdichtung der karbonisierten Teile durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um keine elementaren Verunreinigungen in den CVD-Ofen einzuführen. Vor der Verarbeitung der karbonisierten Teile wird der Ofen gespült, indem ein inertes Gas wie z. B. Argon, Helium oder Stickstoff über mehrere Heizzyklen bei ungefähr 2400° bis ungefähr 3000°C durchgeleitet wird.
Nachdem der Bestandteil durch die Verdichtung des karbonisierten Teils gebildet wurde, wird der Bestandteil weiter bei 2400°C bis ungefähr 3000°C in einer nicht oxidierenden oder inerten Atmosphäre hitzebehandelt, um die Graphitisierung der Struktur sicherzustellen und irgendwelche Unreinheiten, die eingeführt worden sein könnten, zu entfernen. Der Zeitraum für dieses Verfahren wird aufgrund der Graphitisierungszeit/Temperaturkinetiken berechnet, wobei die thermische Belastung und Masse des Ofens beachtet wird. Der Bestandteil kann maschinell bearbeitet werden, wenn gewünscht, um genaue Spezifikationen und Toleranzen, wie oben diskutiert, zu erfüllen.
In einem weiteren Reinigungsverfahren werden die hitzebehandelten Bestandteile weiter bei 2400°C bis ungefähr 3000°C in einer Halogenatmosphäre hitzebehandelt, um irgendwelche restlichen metallischen Elemente als entsprechende flüchtige Halogenide zu entfernen. Geeignete Halogene schließen Chlor, Brom und Jod ein, wobei Chlor bevorzugt wird.
Die Reinigungsbehandlung kann abgeschlossen werden, wenn keine metallischen Spezies mehr im Abgas festgestellt werden.
Während des Herstellungsverfahrens muß große Vorsicht angewandt werden, um nicht irgendwelche Teile zu verunreinigen. Wie oben beschrieben, wird die Verarbeitung bei Halbleiterstandards durchgeführt, einschließlich der Verwendung laminaren Luftflusses im Arbeitsbereich, die Iso 1000 Bedingungen sicherstellen.
Hochreine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wurden durch induktive gekoppelte Plasmaspektroskopie (ICP) im Vergleich mit herkömmlichen Graphitbestandteilen analysiert, wobei letzteres auch durch Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) analysiert wurde, und die Ergebnisse sind in Tabelle I unten gezeigt. TABELLE 1

ND: – Nicht Nachgewiesen

Hochreine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wurden durch induktive gekoppelte Plasmaspektroskopie im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien analysiert, wobei die letzteren durch Hochtemperaturhalogenisierung (halonization) analysiert wurden, und die Ergebnisse sind in Tabelle II unten gezeigt. TABELLE 2

ND: = Nicht Nachgewiesen

Wie in Tabellen I und II gezeigt, sind die hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung unterhalb der Nachweisgrenze für induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopieanalyse für die Elemente Al, Ca, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni und P, während diese Verunreinigungen im Graphit und in herkömmlichen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien (außer in letzterem für Nickel und Kalium) nachgewiesen wurden.
Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wurden verascht und der verdünnte Rest wurde weiter durch induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopie auf ihren Metallgehalt zusätzlich zu den oben untersuchten Metallen analysiert. Wie in Tabelle III unten dargestellt war die Konzentration dieser Metalle, Ag, Ba, Be, Cd, Co, Pb, Sr und Zn, unterhalb der Nachweisgrenze für die analytische Methode. TABELLE III

ND: = Nicht Nachgewiesen

Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien gemäß der Erfindung können bei der Halbleiterverarbeitung verwendet werden, ohne daß der Bestandteil zuerst beschichtet wird, obwohl es bevorzugt wird, daß das Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial vor der Verwendung vorbeschichtet wird, um irgendwelche Partikel festzuhalten, die sich als Ergebnis des Herstellungs- oder Verarbeitungsverfahrens des Verbundstoffes gebildet haben könnten. Eine Beschichtung kann im Fall einer Änderung der Verfahrensatmosphäre des Ofens wünschenswert sein. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe können leicht mit einer schützenden, feuerfesten Beschichtung beschichtet werden, wie z. B. feuerfeste Carbide, feuerfeste Nitride und insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Galliumarsenidkristallen feuerfeste Boride. Bevorzugte feuerfeste Beschichtungen sind Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, pyrolytisches Bornitrid und Siliziumborid. Abgestufte oder schichtförmige Beschichtungen der Carbide, Nitride und Boride können auch verwendet werden.
Vorteile der Kohlenstoff/Kohlenstoff (C/C)-Verbundstoffe gegenüber Graphit, insbesondere in Bezug auf Halbleiterverarbeitung wie z. B. in dem Halbleiterkristallzüchtungsverfahrensofen, ergeben sich aus verbesserten mechanischen Eigenschaften, nämlich verbesserte Stärke, Formstabilität und Schlag- und Thermoschockbeständigkeit, teilweise aufgrund des Einbaus der Verstärkungsfasern. Repräsentative Graphitbestandteile und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffhestandteile, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wurden bezüglich ihrer physikalischen, thermischen und mchanischen Eigenschaften getestet, deren Ergebnisse in Tabelle IV dargestellt sind.
TABELLE IV
Obwohl die Eigenschaften in Tabelle IV oben bei Verbundstoffen, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurden, untersucht wurden, können die hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe nach Halbleiterstandard gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, um eine Dichte von 1,6 bis 2 g/cm³ und eine Porosität von 2 bis 25% zu besitzen. Diese hochreinen Verbundstoffe reichen in ihrer Bruchfestigkeit von 1,7 × 10⁸ bis 6,89 × 10⁸ Pa (von 25 bis 100 ksi), im Zugmodul von 2,1 × 10¹⁰ bis 2,1 × 10¹¹ Pa (von 3 bis 30 msi), in Biegefestigkeit von 1,0 × 10⁸ bis 4,1 × 10⁸ Pa (von 15 bis 60 ksi), in Druckfestigkeit von 6,9 × 10⁷ bis 3,4 × 10⁸ Pa (von 10 bis 50 ksi) und in Bruchzähigkeit, gemessen durch Izod-Schlag, von 2,7 × 10² bis 1,3 × 10³ Jm (von 5 bis 25 ft-lb/in).
Solche erfindungsgemäßen, hochreinen Verbundstoffe zeigen eine thermische Leitfähigkeit von 20 bis 500 W/mK in der Ebene und 5 bis 200 W/mK außerhalb der Ebene, Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0 bis 2 × 10^–6 mm/mm/°C in der Ebene und 6 × 10^–6 mm/mm/°C bis 10 × 10^–6 mm/mm/°C außerhalb der Ebene. Das Wärmeemissionsvermögen der hochreinen Verbundstoffe beträgt 0,4 bis 0,8. Der spezifische elektrische Widerstand der hochreinen Verbundstoffe ist 1 × 10^–4 bis 1 × 10^–2 Ohm-cm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe nach Halbleiterstandard zu Bestandteilen für die Verwendung bei der Halbleiterverarbeitung, wie z. B. Ofenhitzeschilden, Ofenrohren und Tiegelhaltern gebildet. Diese Bestandteile sind im Czochralski-Kristallzüchtungsofen für die Herstellung von Halbleiterkristallen und -Blöcken aus Silizium wie auch anderen Halbleitermaterialien wie z. B. Galliumarsenid nützlich.
Gemäß der Erfindung wurden daher Czochralski-Verfahren-Ofenbestandteile wie z. B. Hitzeschilde und Tiegelhalter hergestellt, die einen hochreinen Verbundstoff nach Halbleiterstandard einschließlich einer kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffmatrix mit einem Verunreinigungsgrad unterhalb der Nachweisgrenze der induktiv gekoppelten Spektroskopie für die Elemente Ag, Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr und Zn umfassen.
Die hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffhalter wurden in dem Czochralski-Kristallzüchtungsverfahren zum Ziehen eines Siliziumblocks aus einer Siliziumschmelze verwendet. Bei diesem Verfahren wurde die Siliziumschmelze in einem Quarztiegel hergestellt, der innerhalb des Ofens durch den Halter innig getragen wurde. Ein hochreines Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffofenhitzeschild wurde auch zwischen dem Tiegel, der die Siliziumschmelze enthält, und den Ofenheizelementen angebracht.
Wie in den Schnittzeichnungen der 1 und 1A gezeigt ist, umfaßt ein typischer Czochralski-Halbleiterverarbeitungsreaktor einen Ofen 10 mit einer wasserummantelten Wand aus Edelstahl 11, um den Verarbeitungsbereich abzuschließen. Isolierung, die nicht gezeigt ist, schützt die Wand vor den inneren Heizelementen 12. Von den Heizelementen 12 radial nach innen angebracht ist die Kristall- oder Blockziehzone 13, in der das Halbleitermaterial geschmolzen und verarbeitet wird.
Innerhalb der Kristallziehzone 13 ist ein Tiegel 14, der geeigneterweise aus Quarz hergestellt ist, innigst durch den hochreinen Verbundstofftiegelhalter 15 getragen, der entweder auf einer feuerfesten, heißen Oberfläche, Isolierung, einer Rotationsachse des Tiegelhalters 15 oder einem anderen Ofenbestandteil (nicht gezeigt) liegt. Das Halbleitermaterial wird innerhalb des Tiegels 14 erhitzt, um eine Schmelze 16 zu bilden, aus der ein Kristall oder Block 17 durch herkömmliche Kristallzüchtungseinrichtungen 18 gezogen wird, wie z. B. einem Flaschenzug. Das Halbleitermaterial ist hochreines Silizium oder Galliumarsenid in Elektronikqualität. Die Kristallziehzone 13 kann auf einem subatmosphärischen Druck durch Einrichtungen zur Evakuierung des Ofens (nicht gezeigt) beibehalten werden.
Wie in 1 dargestellt, sind die Heizelemente 12 und die Kristallziehzon 13 von einem Ofenhitzeschild oder einem Ofenrohr 19 getrennt, die den hochreinen Verbundstoff umfassen. Der Tiegelhalter 15, und insbesondere das Hitzeschild oder Ofenrohr 19, schützen die Kristallziehzone 13 und die Schmelze 16 und den Kristall 17, der darin vorliegt, vor möglicherweise verunreinigenden Elementen.
Diese hochreinen Verbundstoffbestandteile stellen eine stabile thermische Umgebung bereit, in der es möglich ist, daß die Verfestigung des Kristalls oder Blocks 17 ohne Inhomogenitäten hervorrufende Wärmeabweichungen stattfindet. Das Wärmeschild 19, wie es in 1 dargestellt ist, erlaubt es, die Kristallziehzone 13 bei einer optimalen Temperatur beizubehalten, damit das Halbleitermaterial verarbeitet werden kann, wie z. B. ungefähr 1450°C für Silizium, obwohl die äußere Oberfläche des Schildes, die den Heizelementen ausgesetzt ist, eine viel höhere Temperatur wie z. B. 1500°C bis 2000°C erfahren kann. Der Tiegelhalter 15 trägt den Tiegel 14 inniglich, der bei den Arbeitstemperaturen erweichen kann und anfangen kann zu „fließen". Der Halter 15 behält die strukturelle Vollständigkeit des Tiegels 14 während des Arbeitsablaufs bei.
Wie in 1A dargestellt ist, kann bei einer kleineren Ofenauslegung das Hitzeschild 19 radial außerhalb einer Zusammenstellung, die einen Tiegel 14 innerhalb eines Halters 16 in enger Nähe zu den Heizelementen 12 umfaßt, angebracht sein, um die Hitze innerhalb der Kristallziehzone 13 beizubehalten und seine radiale Entweichung zu verhindern.
Die hochreinen Verbundstoffe sind auch gegenüber Wärmeschock und Erhitzungs-/Abkühlungsdurchläufen widerstandsfähig, wodurch sie eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Graphitbestandteilen darstellen. Andere vorteilhafte Wärmeeigenschaften sind in Tabelle IV oben dargestellt.
Wie in den 2, 3 und 4 dargestellt, kann das Ofenhitzeschild oder das Ofenrohr 20 eine im allgemeinen zylindrische Gestalt besitzen, obwohl man nicht auf diese Zusammenstellung beschränkt ist, mit einer hochreinen Verbundstoffwand 2l, die eine innere Öffnung 22 definiert. Die Kristallziehzone 13 kann innerhalb der Öffnung 22 enthalten sein.
Wie in den 5, 6 und 7 dargestellt, besitzt der Tiegelhalter 30 eine hochreine Verbundstoffseitenwand 31, eine obere Öffnung 32 und einen hochreinen Verbundstoffboden 33. Das Innere des Tiegelhalters 30 ist so gestaltet, um die speziellen Tiegelausgestaltungen, für die es gedacht ist, zu halten, und daher kann der Boden 33 in Form einer Schale ausgeschöpft sein, und die Seitenwände 31 können eine Kante 34 zum Aufnehmen des Tiegels enthalten. Die Seitenwand 3l kann Fixierlöcher 35 zum Anbringen des Tiegels 30 enthalten.
In einer alternativen Ausführungsform, die in den 8, 9 und 10 gezeigt ist, besitzt der Tiegelhalter 40 auch eine hochreine Verbundstoffseitenwand 41, eine obere Öffnung 42 und einen hochreinen Verbundstoffboden 43. Der Boden 43 kann auch ausgeschöpft sein, und die Seitenwand 4l kann eine oder mehrere Kanten 44 enthalten. Fixierlöcher 45 können in der Seitenwand 41 vorliegen. Der Boden 43 kann eine hochreine Verbundstoffhalterung 46 enthalten, die eine Verbindungszone 47 definiert, die eine Achse für die Rotation der Tiegel/Tiegelhalterungseinheit aufnimmt, eine Abgasröhre, um den Druck des Ofeninneren zu erniedrigen, oder andere Ofenbestandteile. Die Leichtigkeit der Herstellung der hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffmaterialien vor der Karbonisierung und ihre maschinelle Verarbeitbarkeit nach der Karbonisierung erlauben die Herstellung von Ofenbestandteilen zu jeder gewünschten Konfiguration.
Die folgenden Vorteile wurden unter Verwendung der hochreinen Verbundstoffbestandteile der vorliegenden Erfindung bei dem Czochralski-Kristallzüchtungsapparat realisiert. Die verbesserte Haltbarkeit der hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffbestandteile führt zu einer Verminderung der Offenstillstandszeit. Die typische Lebensdauer für Graphitbestandteile in der Czochralski-Halbleiterkristallzüchtungsindustrie beträgt drei bis vier Monate, während für die hochreinen Verbundstoffbestandteile eine Lebenszeit von 12 bis 15 Monaten realisiert werden kann, basierend auf einer Extrapolation von in-situ Echtzeituntersuchung.
Die Haltbarkeit der hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteile besteht aufgrund ihrer überlegenen thermischen und mechanischen Eigenschaften. Zusätzlich ist die Affinität von Siliziumoxiden für die hochreinen Verbundstoffmaterialien wesentlich niedriger als die von Graphit, wodurch das Bedürfnis zum regelmäßigen Reinigung und Ersetzen vermindert wird.
Die verbesserte Reinheit der hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteile gegenüber Graphit führt zu einem verminderten Grad an Verunreinigung der Siliziumblöcke und -wafer. Dies wird durch die Zeit bewiesen, die ein elektrischer Strom benötigt, um zwischen verunreinigenden Atomen zu fließen (die Lochbeweglichkeit). Je kürzer die Zeit des Stromes ist, um zwischen den verunreinigenden Atomen zu fließen, desto „unreiner" ist der Siliziumwafer.
Elektrische Durchbruch-Zeiten (Electrical Breakdown) für Siliziumwafer, die aus Öfen hergestellt wurden, die Graphit und hochreine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteile verwenden, wurden untersucht. Elektrische Durchbruch-Zeiten für Siliziumwafer, die in Öfen hergestellt wurden, die Graphitbestandteile verwenden, reichen von 200 bis 250 Mikrosekunden. Die Wafer, die in Öfen unter Verwendung des hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteils hergestellt wurden, sind wesentlich reiner, und zeigen elektrische Durchbruch-Zeiten von mehr als 300 Mikrosekunden. Die Verbesserung ist für die Halbleiterindustrie höchst wichtig.
In einer anderen Messung der Verunreinigungskonzentrationen in Graphit und dein erfindungsgemäßen Material wurde die Verunreinigungsübertragung in das Silizium durch direkten Kontakt bei 550°C über einen Zeitraum von 12 Stunden gemessen. Es wurde festgestellt, daß die Elementverunreinigungen, die in Tabelle I und II aufgeführt sind, in dein erfindungsgemäßen Material um einen Faktor von mindestens einhundert (100) niedriger als in Graphit sind.
Die Verwendung von hochreinem Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffbestandteilen in dein Czochralski-Kristallzüchtungsreaktor führt zu bedeutenden Verbesserungen in der Ausbeute von Siliziumwafern, die als „gut zum strukturieren" klassifiziert sind. Die Ausbeute von Wafern, die „gut zum strukturieren" sind, die mit Graphitofenbestandteilen hergestellt wurden, betrug 68%, während die Ausbeute von Wafern, die „gut zum strukturieren" sind, die mit hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffofenbestandteilen hergestellt wurden, 72% betrug. Es sollte festgehalten werden, daß in der Siliziumhalbleiterwaferherstellungsindustrie ein Anstieg der Ausbeute von 1% als finanziell äußerst bedeutsam betrachtet wird. Dieser Unterschied in der Ausbeute „gut zu strukturieren" kann der überlegenen Kontrolle der thermischen Leitfähigkeit über das hochreine Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffbestandteil im Verlauf der Zeit zugeschrieben werden. Es wurde nur eine sehr geringe Verminderung der thermischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials beobachtet.
Ein zusätzlicher und unerwarteter Nutzen aus der Verwendung der hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteile gegenüber Graphit betrifft die Herstellung von großen Bestandteilen. Die Herstellung von großen Graphitteilen ist aufgrund der niedrigen mechanischen Eigenschaften von Graphit und der Unmöglichkeit von Graphit, sein eigenes Gewicht zu tragen, schwierig. Auf der anderen Seite konnten große Teile aus hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen leicht hergestellt werden, z. B. bis zu 100 cm (48 Zoll) Durchmesser.
Bezüglich des Energieverbrauchs ist die benötigte elektrische Energie von einem Czochralski-Ofen, der mit hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteilen ausgestattet ist, bedeutend niedriger als der eines ähnlichen Ofens, der mit herkömmlichen Graphitteilen ausgestattet ist. Dies ist aufgrund der überlegenen thermischen Eigenschaften der hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteile, wie oben gezeigt wurde. Öfen, die die hochreine Verbundstoffofenröhre verwendeten, erfuhren eine Verminderung der benötigten Energie von 2% bis 5%, in Abhängigkeit von der Zahl der Bestandteile in dem Ofen. Diese Energieersparnis ist sehr bedeutend in Bezug auf Kapitalerfordernisse als auch Betriebskosten.
Bezüglich der Teilchenbildung zeigen hochreine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteile außergewöhnlichen Widerstand gegenüber der Erzeugung von Staubteilchen in Bezug auf herkömmliches Graphit, das vom Fachmann als mehlig beschrieben wird. Die Verunreinigung von Siliziumwafern, die in Öfen mit hochreinen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffbestandteilen hergestellt wurden, ist bedeutend gegenüber denen, die mit Graphitbestandteilen hergestellt wurden, verringert.
Daher werden die Ziele der vorliegenden Erfindung durch die Herstellung und Verwendung von hochreinem Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffbestandteilen für die Verwendung bei der Halbleiterverarbeitung erreicht. Die mechanischen und Reinheitsvorteile des erfindungsgemäßen Materials in Bezug auf Graphit und die Reinheitsvorteile des erfindungsgemäßen Materials in Bezug auf Graphit und herkömmliche Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffe wurden wie oben dargestellt gezeigt. Es sollte verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, nicht beschränkt ist, sondern Veränderungen, Modifikationen und gleichwertige Ausführungsformen einschließt, die durch die folgenden Ansprüche definiert sind.

Claims

Hoch reiner Verbundwerkstoff, der eine Kohlenstofffaser verstärkte Kohlenstoffmatrix umfasst, der durch einen Gehalt an Verunreinigung unterhalb der Nachweisgrenze der induktiv gekoppelten Plasmaspektroskopie für die Elemente Ag, Al, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr und Zn, das heißt Ag 0,02 ppm, Al 0,1 ppm, Ba 0,01 ppm, Be 0,01 ppm, Ca 0,1 ppm, Cd 0,01 ppm, Co 0,02 ppm, Cr 0,01 ppm, Cu 0,02 ppm, K 4 ppm, Mg 0,02 ppm, Mn 0,01 ppm, Mo 0,02 ppm, Na 0,2 ppm, Ni 0,04 ppm, P 0,02 ppm, Pb 0,2 ppm, Sr 0,02 ppm und Zn 0,02 ppm, gekennzeichnet ist, wobei die Kohlenstofffaser ausgewählt ist aus einer Faser, außer geschnittener Faser, Tuch/Stoff, außer geschnittenem Tuch/Stoff, Gewebe, außer geschnittenem Gewebe, Garn, außer geschnittenem Garn, und Band, und der hoch reine Verbundwerkstoff, eine Zugfestigkeit von 1,7 × 10⁸ bis 6,89 × 10⁸ Pa (25 bis 100 ksi) und ein Zugmodul von 2,1 × 10¹⁰ bis 2,1 × 10¹¹ Pa (3 bis 30 msi) und eine Biegefestigkeit von 1 × 10⁸ bis 4,1 × 10⁸ Pa (15 bis 60 ksi) und eine Druckfestigkeit von 6,9 × 10⁷ bis 3,45 × 10⁸ Pa (10 bis 50 ksi) besitzt.
Hoch reiner Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, der des Weiteren dadurch gekennzeichnet ist, dass er mindestens eines der folgenden Merkmale besitzt: (i) Bruchzähigkeit, gemessen mit dem Izod-Schlagtest, von 2,7 × 10² bis 1,3 × 10³ J/m (5 bis 25 ft-lb/in); (ii) Wärmeausdehnungskoeffizient in der Ebene von 0 bis 2 × 10⁶ und einen Querlagen-Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 bis 10 × 10⁶; (iii) Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von 20 bis 500 W/mK und eine Querlagen-Wärmeleitfähigkeit von 5 bis 200 W/mK; (iv) thermisches Emissionsvermögen von 0,4 bis 0,8; und (v) spezifischer elektrischer Widerstand von 1 × 10^–4 bis 1 × 10^–2 Ohm-cm.
Hoch reiner Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei er eine hitzebeständige Beschichtung, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden und Boriden, besitzt.
Hoch reiner Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, wobei die hitzebeständige Beschichtung eine hitzebeständige Beschichtung aus Siliciumcarbid ist.
Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen hoch reinen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, wobei die Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung zusätzlich mindestens ein Heizelement in thermischer Nähe zu einer Kristallwachstumszone zum Ziehen eines Halbleiterkristalls aus einer Halbleitermnaterialschmelze umfasst, wobei das Bauteil aus hoch reinem Verbundwerkstoff mindestens eines ist von (a) einem Hitzeschild zwischen dem mindestens einen Wärmeelement und der Kristallwachstumszone, und (b) einem Hitzeschild, der radial auswärts von dem mindestens einen Wärmeelement und der Kristallwachstumszone angeordnet ist.
Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen hoch reinen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, wobei die Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung zusätzlich mindestens ein Heizelement und eine Kristallwachstumszone zum Ziehen eines Halbleiterkristalls aus einer Halbleitermaterialschmelze umfasst, wobei sich die Schmelze in einem Tiegel in der Kristallwachstumszone befindet und das Bauteil aus hoch reinem Verbundwerkstoff ein Tiegelhalter ist, der den Tiegel in innigem Kontakt stützt.
Czochralskiverfahren-Ofenelement, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen hoch reinen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
Czochralskiverfahren-Ofenelement nach Anspruch 7, das ausgewählt ist aus einem Tiegelhalter, einem Ofenhitzeschild und einer Ofenrohrauskleidung.
Czochralski-Kristallzüchtungsverfahren zum Ziehen eines Halbleiterblocks aus einer Halbleitermaterialschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitermaterialschmelze in einem Quarztiegel bereitgestellt wird, und der Quarztiegel wenigstens (i) von innigem Kontakt durch mindestens ein Czochralskiverfahren-Ofenteil nach Anspruch 7 gestützten oder (ii) von verunreinigenden Quellen durch mindestens ein Czochralskiverfahren-Ofenteil nach Anspruch 7 isoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Halbleiter aus Silicium und Galliumarsenid ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Halbleiterblock ein Siliciumblock ist, der Siliciumblock zu Silicium-Wafern geschnitten ist und die Siliciumn-Wafer eine elektrische Durchbruchszeit von > 300 Mikrosekunden besitzen.