DE69713758T2

DE69713758T2 - Bandgegossener siliciumcarbid-ersatzwafer

Info

Publication number: DE69713758T2
Application number: DE69713758T
Authority: DE
Inventors: M. Holmes
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2017-04-01
Also published as: JPH11506570A; DK0891311T3; ES2180970T3; CN1214666A; KR100276154B1; ATE220055T1; EP0891311A1; EP0891311B1; US5904892A; KR20000005172A; WO1997036843A1; JP2001039774A; DE69713758D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Herstellung von Halbleiterbaugruppen wie z. B. Dioden oder Transistoren erfordert typischerweise die Abscheidung dielektrischer Materialien wie etwa polykristallinem Silicium, Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid auf der Oberfläche dünner Siliciumwafer. Die Abscheidung dünner Schichten dieser Materialien verlangt dabei wiederholtes schnelles Aufheizen und Abkühlen in einem elektrisch beheizten Ofen (der Diffusionsröhre, engl.: "diffusion process tube"), herkömmlicher Weise bei Temperaturen zwischen 250 und 1000ºC. Wenn dielektrische Vorstufengase des Dielektrikums in die vorgeheizte Diffusionsröhre gespeist werden, reagieren diese miteinander und scheiden das dielektrische Reaktionsprodukt auf der Oberfläche des Siliciumwafers ab.
Während dieses Abscheidungsschrittes werden die Siliciumwafer in Scheibenhaltern, die sich vertikal oder horizontal innerhalb der Diffusionsröhre befinden, gehalten. Der Wafer- Scheibenhalter und die Diffusionsröhre sind dabei normalerweise aus einem Material gefertigt, das eine exzellente Beständigkeit gegenüber thermischen Schocks und eine große mechanische Stabilität aufweist. Ferner sollte dieses Material auch nach einer großen Zahl Von Heiz- und Kühlzyklen seine Form bewahren, und es sollte nicht ausgasen, also während des Heizprozesses keine unerwünschten gasförmigen Verunreinigungen in die Atmosphäre des Brennofens entlassen. Ein Material, das diese Bedingungen erfüllt, ist Siliciumcarbid. Für die oben beschriebene Anwendung werden die Apparaturkomponenten aus Siliciumcarbid wie z. B. Scheibenhalter, Schauteln oder die Diffusionsröhre typischerweise mit dem für die Abscheidung gewählten Dielektrikum vorbeschichtet.
Wenn die Siliciumwafer in einem Scheibenhalter bearbeitet werden, ist es selbstverständlich erwünscht, dass jeder Wafer im Scheibenhalter dieselbe Gaskonzentration und dasselbe Temperaturprofil erfährt, um so ein einheitliches Produkt zu gewährleisten. Leider ergibt sich aus den gasdynamischen Verhältnissen in der Diffusionsröhre, dass ein solcher homogener Zustand nur in der Mitte des Diffusionsbehälters gefunden wird, während an den Enden uneinheitliche Konzentrationen und Temperaturverläufe auftreten. Das wiederum führt zu einer Abscheidung des Dielektrikums in unerwünschtem Maß und macht so die Wafer an den Enden des Diffusionsbehälters unbrauchbar.
Eine herkömmliche Methode dieses Problem des "End-Effekts" zu mildern, ist es, die Endschlitze der Scheibenhalter mit Opfer-"Dummy"-wafern aus Silicium zu bestücken. Allerdings sind Siliciumwafer sehr teuer, gasen stark aus, verziehen sich bei den hohen Prozesstemperaturen und haben nur eine kurze Lebensdauer.
Eine andere, herkömmliche Methode mit dem "End-Effekt" umzugehen liegt darin, die Endschlitze des Scheibenhalters mit Opferwafern aus anderen Materialien zu besetzen. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, Siliciumcarbidbeschichtete Kohlenstoffwafer mit den exakt gleichen Ausmaßen wie die benachbarten Siliciumwafer in den Endschlitzen zu benutzen. Dabei zeigte sich allerdings, dass diese Wafer sehr leicht zerbrachen und so den Brennofen mit Kohlenstoffpartikeln verunreinigten. Von einem anderen Forscher wurden Dummywafer aus CVD-Siliciumcarbideinkristallen vorgeschlagen. Allerdings ist dieses Material als sehr teuer bekannt. Ein früherer Vorschlag zur Produktion von Siliciumcarbidwafern sah die Benutzung des Gefriergussverfahrens (engl.: "freeze casting") vor, bei dem zunächst Rohlinge aus Siliciumcarbid mit einer Mindestdicke von ungefähr 25 mm gefertigt werden, die dann umkristallisiert und in Scheiben von kommerziell brauchbarer Dicke geschnitten werden. Bei den durch das Gefriergussverfahren hergestellten Siliciumcarbidwafern wurde allerdings eine erhebliche Porosität festgestellt (in der Größenordnung von 40 Vol.-% mit 15 % der Poren größer als 25 um). Diese großen Poren machen die vollständige Vorbeschichtung der Wafer mit dem Dielektrikum schwierig und so den Abscheidungsprozess sehr teuer. Die japanische Patentschrift JP 5-283306 (die "Toshiba reference") beschreibt die Herstellung eines kommerziell brauchbaren Wafers durch Herunterschleifen einer 2 mm dicken, silikonisierten Siliciumcarbidscheibe auf eine Dicke von ungefähr 0,625 mm, und anschließende CVD-Beschichtung der Scheibe mit einer Aluminiumoxid-Siliciumoxidbeschichtung. Allerdings sind die Schleif-, Silikonisierungs- und CVD-Schritte sehr teuer; im Besonderen für Tieftemperaturanwendungen (unterhalb von 1000ºC), bei denen eine Silikoninfiltration zur Verhinderung einer Oxidation des Siliciumcarbids eigentlich nicht nötig wäre.
Aus diesem Grund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen preiswerten Siliciumcarbid-Ersatzwafer anzugeben, der die Formstabilität besitzt und sowohl die physikalischen als auch mechanischen Bedingungen erfüllt, die zur Benutzung in Anwendungen unterhalb von 1000ºC nötig sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Wafer angegeben, der im wesentlichen aus Siliciumcarbid besteht und eine Dicke zwischen 0,5 und 1,0 mm, einen Durchmesser von mindestens 100 mm und eine Festigkeit (gemessen durch biaxiale Ring-auf-Ring-Biegung) von mindestens 30 MPa (typischerweise zwischen 50 und 70 MPa) aufweist, wobei der Wafer eine Porosität hat, bei der mindestens 85% der Poren nicht größer als 14 um sind. Dabei hat der Wafer bevorzugt eine Dichte von mindestens etwa 2,15 g/cm³, bevorzugter zwischen 2,3 und 2,4 g/cm³. Seine Porosität liegt zwischen 14% und 16%, wobei wenigstens 85% der Poren nicht größer als 12 um und wenigstens 95% der Poren größer als 3 um sind, die durchschnittliche Porengröße zwischen 6 und 10 um, typischerweise bei 8 um liegt, zwischen 40 und 60 Gew.-% der umkristallisierten Siliciumcarbidkörner eine Größe zwischen 2 und 5 um und 40 bis 60 Gew.-% der Körner eine Größe zwischen 30 und 200 um haben und wobei die Oberfläche der Wafer ungeschliffen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines dünnen, rissfreien, unbehandelten Siliciumcarbidblattes angegeben, umfassend folgende Schritte:
a) Bilden eines Schlickers umfassend ein flüssiges Trägermaterial (vorzugsweise Wasser) und ein keramisches Pulver, das hauptsächlich aus Siliciumcarbid besteht,
b) Bandgießen des Schlickers zur Herstellung eines feuchten unbehandelten Blattes mit einer Dicke zwischen 0,6 und 1,2 mm,
c) Verdampfen im wesentlichen des gesamten flüssigen Trägermaterials aus dem feuchten unbehandelten Blatt zur Herstellung eines trockenen unbehandelten Blattes mit mindestens 80% der Dicke des feuchten unbehandelten Blattes,
d) Bilden einer Form aus dem getrockneten unbehandelten Blatt zur Herstellung eines Siliciumcarbidwaferrohlings,
e) Umkristallisieren des Siliciumcarbidwaferrohlings zur Herstellung eines umkristallisierten Siliciumcarbidwafers mit einer Dicke zwischen 0,5 und 1,0 mm und einer Ebenheit von weniger als 130 um und gegebenenfalls
f) Schleifen des Siliciumcarbidwafers zur Verminderung seiner Dicke um nicht mehr als 5%.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens besteht das Siliciumcarbidpulver zu 40 bis 50 Gew.-% aus Körnern mit einer Größe zwischen 2 und 5 um und zu 38 bis 42 Gew.- % aus Körnern mit einer Größe zwischen 30 und 100 um (wobei sich die Gew.-% Anteile auf die Gesamtmasse des Schlickers beziehen), liegt der Wassergehalt des Schlickers zwischen 12 und 15 Gew.-%, liegt der Gesamtfeststoffanteil des Schlickers (Siliciumcarbid und der Feststoffanteil des Bindemittels) zwischen 80 und 90 Gew.-% des Schlickers, beträgt die Dichte des unbehandelten Blattes mindestens etwa 2,3 g/cm³ und umfaßt der Schlicker ferner zwischen 2 und 5 Gew.-% eines Bindemittels, das eine Glasübergangstemperatur von weniger als 22ºC hat.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Siliciumcarbid- Ersatzwafers angegeben, umfassend folgende Schritte:
a) Bereitstellen eines Siliciumwafer-Diffusionsbehälters (Scheibenhalters) mit Schlitzen für die Insertion (das Einsetzen) von Wafern,
b) Einsetzen eines erfindungsgemäßen Siliciumcarbidwafers, der eine Beschichtung aus einem dielektrischen Material aufweist, in mindestens einen Schlitz des Siliciumwafer-Diffusionsbehälters,
c) Einsetzen eines Siliciumwafers in mindestens einen anderen Schlitz und
d) Abscheiden eines dielektrischen Materials auf der Oberfläche des Siliciumwafers bei einer Temperatur von nicht mehr als 1000ºC.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es ist gefunden worden, dass Bandgiessen eines bimodalen Siliciumcarbidschlickers auf Wasserbasis, Herausschneiden eines unbehandelten Wafers aus dem Band und Umkristallisieren des unbehandelten Wafers einen preiswerten Siliciumcarbidwafer mit geringer Porosität liefert, der als Ersatzwafer geeignet ist.
Der Grad der Porosität, der durch Bandgiessen eines bimodalen Siliciumcarbidschlickers gemäß dem bevorzugten Verfahren vorliegender Erfindung erzielt wird, liegt typischerweise in der Größenordnung von ungefähr 14 bis 16 Vol.-% des umkristallisierten Wafers, wobei sich folgende Porengrößenverteilung ergibt: mindestens 95% der Poren sind größer als 3 um, mindestens 85% der Poren sind nicht größer als 12 um (vorzugsweise 10 um) und die durchschnittliche Porengröße liegt zwischen 4 und 8 um, typischerweise bei ungefähr 7 um. Da die Poren sowohl selten, als auch relativ klein sind, können diese Wafer gleichmäßiger und weniger kostenintensiv mit dem Dielektrikum vorbeschichtet werden als durch das Gefriergussverfahren hergestellte Siliciumcarbidwafer. Darüber hinaus sind diese Wafer preiswerter als silikonisierte Siliciumcarbidwafer, da sie keiner Imprägnierung mit Silicium, also keiner Silikonisierung, bedürfen.
Des weiteren wird erwartet, dass die bandgegossenen Ersatzwafer hergestellt nach vorliegender Erfindung mit bedeutend geringeren Herstellungskosten gefertigt werden können, da das oben beschriebene new net shape-Gussverfahren das ansonsten erforderliche Schneiden oder Schleifen der SiC-Wafer reduziert bzw. vollständig beseitigt, unabhängig davon, ob der Wafer unsilikonisiert (für Tieftemperaturanwendungen) oder silikonisiert (für Hochtemperaturanwendungen) ist. Wenn ein preiswerter, silikonisierter Wafer verlangt wird, erlaubt die relative Abwesenheit sehr kleiner Poren (d. h. Poren kleiner als 3 um) eine einfache Silikonisierung.
Ein weiteres neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ihre Fähigkeit zur zuverlässigen Herstellung von unbehandelten Siliciumcarbidwafern der beschriebenen Dicke, die während der Trocknungsphase nicht brechen. Der Bandguss von Siliciumcarbid nach bisherigem Stand der Technik war begrenzt auf die Benutzung von Schlickern auf nicht- wässriger Basis zur Herstellung sehr viel dünnerer (0,025 bis 0,125 mm), unbehandelter Blätter. Da aber ein Ersatzwafer dieselbe Dicke wie ein normaler Siliciumwafer besitzen sollte, also ungefähr 0,625 mm bis 0,725 mm, waren diese dünneren Wafer, hergestellt aus Schlickern auf nicht-wässriger Basis, nicht als Ersatzwafer brauchbar. Versuche, dickere Blätter aus den Schlickern auf nicht-wässriger Basis zu gießen, endeten in exessivem Brechen der Wafer. Ohne an folgende theoretische Erklärung gebunden sein zu wollen, wird vermutet, dass die übermäßig schnelle Verdampfung des organischen Lösungsmittels in diesen herkömmlichen Schlickern zu einer ausgeprägten vertikalen Ungleichmäßigkeit der Trocknungsgeschwindigkeit dieser relativ dicken, unbehandelten Blätter führte, was wiederum die Bildung einer trockenen Haut auf der Oberfläche hervorrief deren höhere Abdichtung ein Brechen unterhalb der Haut förderte. Im Gegensatz dazu trocknen Schlicker auf Wasserbasis sehr viel langsamer. Da die Trocknungsgeschwindigkeit also kleiner ist, verläuft die Verdampfung durch die gesamte Dicke des Blattes erheblich gleichmäßiger, so dass die Bildung einer unerwünschten, trockenen Haut auf der Oberfläche minimiert wird. Des weiteren verbessert ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung die gleichmäßige vertikale Trocknung dadurch, dass das gegossene Blatt von unten beheizt wird, wodurch die Entfernung von Feuchtigkeit von der Unterseite des unbehandelten Blattes her gefördert wird.
Darüber hinaus wird angenommen, dass das Bandgussverfahren die zuverlässige Herstellung von Siliciumcarbid-Ersatzwafern mit größeren Durchmessern als bisher bekannt erlaubt. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die "Toshiba reference" nur eine relativ kleine (150 mm · 150 mm · 2 mm) silikonisierte Kachel offenbart. Des weiteren ist festzuhalten, dass ein Ansatz unter Verwendung der Gefriergussmethode, der die Darstellung eines Siliciumcarbidrohlings mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Dicke von zunächst 150 mm sowie anschließendes Schneiden dieses Rohlings umfasste, im inneren eines Großteils der Rohlinge zu massiver Rissbildung führte. Im Gegensatz dazu erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die zuverlässige Herstellung von brauchbaren Siliciumcarbid- Ersatzwafern mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 200 bis 300 mm mittels Bandgussverfahren.
Die Größenverteilung der Siliciumcarbidkörner, die in der vorliegenden Erfindung Verwendung finden, ist dabei vorzugsweise bimodal. Eine solche Verteilung bewirkt eine viel kleinere Schrumpfung des dünnen, unbehandelten Blattes (in einer Größenordnung von nur 10 bis 15%) als sie durch eine feine unimodale Zusammensetzung erreicht wird (hierbei tritt eine Schrumpfung in der Größenordnung von ungefähr 85 bis 90% auf), wodurch die Dicke des Bandes viel einfacher kontrolliert werden kann. Da sich nach bisherigem Stand der Technik das Bandgussverfahren auf die Benutzung von unimodalen Pulvern beschränkte, wurde dieser Vorteil der bimodalen Pulver bisher nicht erkannt. Die bimodale SiC-Kornverteilung sollte bevorzugt ungefähr 38 bis 42 Gew.-% grobe SiC-Körner mit einer Partikelgröße von 10 bis 150 um ("die grobe Fraktion") und ungefähr 40 bis 45 Gew.-% feine SiC-Körner mit einer Partikelgröße zwischen 2 und 4 um ("die feine Fraktion") umfassen. Bevorzugter umfasst die feine Fraktion 43 Gew.-% SiC-Körner mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ungefähr 2 bis 3 um, während die grobe Fraktion 40 Gew.-% SiC-Körner mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ungefähr 60 um umfasst. In einigen Ausführungsformen ist die feine Fraktion E277, ein von Saint-Gobain/Norton Industrial Ceramics Corporation ("SG/NICC"), Worcester, MA, erhältliches Siliciumcarbidpulver und die grobe Fraktion F240, ein anderes von SG/NICC erhältliches Siliciumcarbidpulver.
In den bevorzugten Ausführungsformen des Schlickers wird soviel Wasser zugesetzt, dass ein Schlicker entsteht, dessen Feststoffanteil ungefähr 80 bis 90 Gew.-% beträgt. Der Schlicker kann auch herkömmliche Additive wie Dispersionsmittel, Bindemittel oder Weichmacher enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Schlicker 13 Gew.-% Wasser, 0,01 Gew.-% Dispersionsmittel wie z. B. Natriumhydroxid und zwischen 1 und 10% (vorzugsweise zwischen 1 und 5%) eines Bindemittels mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als 22ºC. Der erfindungsgemäße Bindemittelanteil ist typischerweise kleiner als bei herkömmlichen Siliciumcarbid- Bandgussverfahren, der normalerweise mindestens 10% des Schlickers beträgt. Die Verwendung eines Bindemittels mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als 22ºC beseitigt in vorliegender Rezeptur die Notwendigkeit eines Weichmachers. Es wird vermutet, dass ein kleinerer Bindemittelanteil zu einer gleichmäßigeren Porengrößenverteilung führt. Im Normalfall werden das Siliciumcarbid, das Wasser und das Dispersionsmittel in einer Kugelmühle, die bis zu einem Druck zwischen 27 und 30 inches Hg evakuiert wurde, gemischt, dann wird das Mühlengut entnommen, das Bindemittel hinzugefügt und die Gesamtmischung gewalzt.
Der Bandgussschritt der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Flüssigkeit durch einen horizontalen Schlitz im Behälter, der den Siliciumcarbidschlicker enthält, abgelassen wird, wobei die obere Oberfläche des Schlitzes durch ein Abschiebemesser und die untere Oberfläche des Schlitzes durch ein Endlosband definiert wird, das unterhalb des Abschiebemessers läuft. Typischerweise ist das Abschiebemesser ungefähr 0,4 bis 1,3 mm oberhalb des Endlosbands positioniert. In einigen Ausführungsformen ist eine Heizquelle unterhalb des Endlosbandes angebracht, um so ein gleichmäßigeres Trocknungsprofil für das gegossene Blatt zu erzielen. Die anfängliche Dicke des so produzierten feuchten gegossenen Blattes liegt im allgemeinen zwischen 0,4 und 1,3 mm. Das gegossene Blatt wird dann für 20 bis 30 Minuten auf dem beheizten Band getrocknet, wonach die Dicke des gegossenen Blattes um 10 bis 15% schrumpft, und ein unbehandeltes Blatt mit einer Dichte zwischen 2,3 und 2,4 g/cm³ erhalten wird.
Als nächstens werden die getrockneten Blätter mit Hilfe eines kreisförmigen Lochstempels geschnitten, um unbehandelte Siliciumcarbidwafer mit einem Durchmesser zwischen 100 und 300 mm und einer Dicke zwischen ungefähr 0,5 und 1,1 mm (möglichst zwischen 0,5 und 1 mm, im Idealfall zwischen 0,625 und 0,725 mm) zu bilden. Wenn die Dicke der Wafer in einem Bereich von ungefähr 0,625 bis 0,725 mm liegt, brauchen diese nicht flach geschliffen zu werden.
In einigen Ausführungsformen wird das Verschnittmaterial des getrockneten, geschnittenen Blattes wiederverwendet. Dazu wird dieses Material vorzugsweise vollständig über Nacht gemahlen und in 25 Gew.-% demineralisiertem Wasser dispergiert. Der daraus resultierende Schlicker wird dann mit frischen Siliciumcarbidpulvern und den Additiven vermischt, wieder vermahlen und mit soviel Wasser versetzt, dass der Schlicker eine Viskosität von ungefähr 30.000 cps bei 0,6 U/min erreicht. Dieser wiederverwendete Schlicker kann dann verwendet werden, um weitere unbehandelte Blätter herzustellen und hilft so einer Verschwendung des Siliciumcarbidrohmaterials vorzubeugen.
In einigen Ausführungsformen werden die gegossenen Wafer vor der Umkristallisation hitzebehandelt, um das Bindemittel teilweise zu entfernen. Es wurde gefunden, dass bei der teilweisen Entfernung des Bindemittels (d. h. einer Entfernung von ungefähr 15 bis 25%) eine Porenstruktur im gesinterten Substrat erhalten wird, die sehr vorteilhaft für die Vorbeschichtung ist. Es wird vermutet, dass ein teilweises Ausbrennen Gas-"Fluchtwege" von kleinem Durchmesser für das zurückbleibende Bindemittel erzeugt, und so die Bildung größerer Poren während des Umkristallisationsprozesses verhindert. In bevorzugten Ausführungsformen werden die gegossenen Wafer der Luft bei einer Temperatur von 220ºC und einem Druck von 5 inches Hg für 8 Stunden ausgesetzt.
Als nächstes werden die getrockneten unbehandelten Wafer umkristallisiert. Die Umkristallisation bewirkt das Wachstum festigkeitserhöhender Bindungen zwischen den SiC- Körnern, ohne die Dichte wesentlich zu erhöhen. Die Umkristallisation wird üblicherweise bei Temperaturen zwischen 1900 bis 1950ºC und bei einem Vakuum von 0,6 torr in einer Ar- Atmosphäre durchgeführt. In einigen Ausführungsformen werden die unbehandelten Wafer zwischen plangeschliffenen Siliciumcarbidplatten eingespannt, um so eine Ebenheit zu erzielen.
Ein umkristallisierter Wafer, der gemäß der bimodalen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, hat eine Gesamtdichte (gemessen durch Quecksilber- Eindringungs-Porosimetrie, engl.: "mercury intrusion porosimetry") von mindestens etwa 2,15 g/cm³, vorzugsweise zwischen 2,3 und 2,4 g/cm³, eine Gesamtporosität von ungefähr 14 bis 16% und eine durchschnittliche Porengröße zwischen 4 und 8 um, mit einer Porengrößenverteilung, bei der mindestens 95% der Poren größer sind als 3 um und mindestens 85% nicht größer als 12 um (bevorzugt 10 um) sind. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen unter Verwendung einer bimodalen Kornverteilung hat die feine Kornfraktion durchschnittlich einen Durchmesser von etwa 2 bis 5 um und die grobe Kornfraktion einen Durchmesser von durchschnittlich etwa 30 bis 100 um. Im Ergebnis hat das Produkt eine Ebenheit von nicht mehr als ungefähr 130 um über einen Durchmesser von ungefähr 200 mm. Seine Festigkeit (gemessen durch biaxiale Ring-auf-Ring-Biegung) liegt normalerweise zwischen ca. 50 und 70 MPa.
Gemäß dieser Ausführungsform können umkristallisierte Siliciumcarbid-Ersatzwafer mit einem Durchmesser von mindestens 100 um, vorzugsweise zwischen ungefähr 150 und ungefähr 200 mm, einer Dicke von etwa 0,5 bis 1 mm, vorzugsweise zwischen ca. 0,625 und 0,725 mm, und einer Ebenheit zwischen ca. 50 und 130 um, vorzugsweise weniger als etwa 100 um, erhalten werden.
Falls erwünscht kann durch einen zusätzlichen Brennschritt der Wafer widerstandsfähig gegenüber Angriffen von Gasen oder Flüssigkeiten in Hochtemperaturanwendungen gemacht werden. Dieser Schritt beinhaltet typischerweise entweder die Imprägnierung des umkristallisierten Wafers mit Silicium, um die Porosität zu eliminieren, und/oder eine CVD-Beschichtung mit einer undurchlässigen Keramik wie etwa Siliciumcarbid. Falls die Silikonisierung gewählt wird, kann diese in Übereinstimmung mit US-Patent 3,951,587 ("das Alliegro- Patent") durchgeführt werden, dessen Beschreibung hier unter Bezugnahme aufgenommen wird. Folglich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wafer mit einer Dicke zwischen 0,5 und 1 mm und einem Durchmesser von mindestens 100 mm angegeben, der im wesentlichen aus Siliciumcarbid besteht und durch Silikonisierung mit Silicium durchzogen wurde, wobei sich das Silicium in Siliciumtaschen befindet und 14 bis 16 Vol.-% des Wafers ausmacht, wobei wenigstens 85% der Siliciumtaschen nicht größer als 10 um (vorzugsweise 8 um) und wenigstens 95% der Siliciumtaschen größer als 3 um sind. Im weiteren wird ein Verfahren zur Verwendung der silikonisierten Siliciumcarbidwafer angegeben, das folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellung eines Siliciumwafer-Diffusionsbehälters mit Schlitzen für die Insertion von Wafern,
b) Insertion eines wie in diesem Absatz beschriebenen Siliciumcarbid-Ersatzwafers in einen Schlitz des Siliciumwafer-Diffusionsbehälters, wobei der Ersatzwafer eine Beschichtung aus CVD-Siliciumcarbid aufweist,
c) Insertion eines Siliciumwafers in einen anderen Schlitz des Behälters und
d) Oxidation der Oberfläche des Siliciumwafers bei einer Temperatur von mindestens 1000ºC.
Für den Fall dass die CVD-Beschichtung mit Siliciumcarbid gewählt wird, kann diese mit jeder herkömmlichen CVD-SiC-Methode durchgeführt werden. In ähnlicher Weise können die Siliciumcarbidwafer gemäß vorliegender Erfindung mit einem Dielektrikum wie etwa polykristallinem Silicium, Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid beschichtet werden.
Herkömmliches Sandstrahlen der silikonisierten Siliciumcarbidwafer ermöglicht es, überschüssiges, freies Silicium, das sich durch die Volumenzunahme während des Aushärtens gebildet hat, zu entfernen. Da diese Wafer eine hohe Festigkeit haben, brechen sie nicht, wenn sie einem Sandstrahlen unterworfen werden.
Die neuen, umkristallisierten Siliciumcarbidwafer der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise als Ersatzwafer in der Siliciumwaferproduktion verwendet. Sie können aber auch als Trägermaterial in Computerfestplatten, als Substrate für andere mikroelektronische Anwendungen einschließlich der Benutzung als Halterungen in der Einzelwaferherstellung und dem Plasmaätzen, als Trägermaterial für LCD Flachbildschirme oder als Ablenkplatten in Siliciumwafer-Diffusionsbehältern Anwendung finden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein bevorzugtes Verfahren zur Einzelwaferherstellung angegeben, das folgende Schritten umfasst:
a) Bereitstellung einer Siliciumcarbidscheibe gemäß vorliegender Erfindung (vorzugsweise mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm und bevorzugter von mindestens 300 mm) in einer im wesentlichen horizontalen Lage,
b) Platzierung eines Siliciumwafers (vorzugsweise mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm oder bevorzugter von mindestens 300 mm) auf der Siliciumcarbidscheibe und
c) Aufheizen des Siliciumwafers mit einer Geschwindigkeit von mindestens 100ºC pro Sekunde.
Gemäß vorliegender Erfindung wird auch ein Verfahren zur Reinigung von Einzelwafer- Herstellungskammern angegeben, das folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellung eines Graphitträgers (Suszeptors) in einer Herstellungskammer,
b) Platzierung eines Siliciumwafers auf dem Suszeptor,
c) Bearbeitung des Siliciumwafers,
d) Entfernung des Siliciumwafers,
e) Platzierung einer erfindungsgemäßen Siliciumcarbidscheibe mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm und vorzugsweise von mindestens 300 mm oberhalb des Suszeptors und
f) In-situ Reinigung der Prozesskammer durch Einwirken freier Radikale.
Gemäß vorliegender Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung von Flachbildschirmen angegeben, das folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Siliumcarbidscheibe (vorzugsweise mit einer Länge von wenigstens 165 mm und einer Breite von mindestens 265 mm), in einer im wesentlichen horizontalen Lage,
b) Platzierung einer flachen Glasplatte (vorzugsweise mit einer Länge und einer Breite von mindestens 100 mm) auf der Siliciumcarbidscheibe und
c) Behandlung der flachen Glasplatte durch Oxidation, Abscheidung eines Dielektrikums und/oder Diffusion bei einer Temperatur von nicht mehr als 800ºC.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein auch Verfahren zum Plasmaätzen von Siliciumwafern angegeben, das folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellung eines Siliciumwafers mit einem vorbestimmten Durchmesser von mindestens 200 mm,
b) Platzierung eines Siliciumcarbidringes gemäß vorliegender Erfindung (mit einem inneren Durchmesser, der im wesentlich dem vorbestimmten Durchmesser des Siliciumwafers entspricht) um den Siliciumwafer herum,
c) Plasmaätzen des Silikonwafers (vorzugsweise Trockenmetall-Plasmaätzen).
Andere vorgesehene Verwendungen der erfindungsgemäßen Siliciumcarbidwafer (die den erwarteten kleinen Abfall des Drucks durch den Wafer hindurch ausnutzen könnten), umfassen Gasbrennerplatten, Kompositsubstrate und Filter.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet "Vol.-%" Volumenprozent und "Gew.-%" Gewichtsprozent. Des Weiteren bezieht sich der Begriff "Ebenheit" auf die Gesamtbreitenausdehnung zwischen der minimalen und maximalen Abweichung von einer ebenen Granitplatte.

Beispiel I

Ein bimodales Pulver, bestehend aus ungefähr 42 Gew.-% feinem Siliciumcarbid und ungefähr 39 Gew.-% grobem Siliciumcarbid, und ein Dispersionsmittel werden mit ungefähr 8 Gew.-% demineralisiertem Wasser, 4 Gew.-% eines Latexbindemittels und 6 Gew.-% eines Weichmachers (PPG) gemischt. Der daraus resultierende Schlicker wurde über Nacht und unter Vakuum vermahlen. Die Viskosität des Schlickers wurde mit 30.000 bis 35.000 cps bei 0,6 U/min bestimmt.
Es wurden Blasen im gemahlenen Schlicker beobachtet. Es wird vermutet, dass diese Blasen nadelfeine Löcher im unbehandelten Bandguss hervorrufen. Zum Guss des Schlickers wurde ein herkömmlicher Bandgusstisch benutzt. Dieser umfasste eine Antriebsregelung, einen "mylar carrier", das Schlammreservoir, das Abschiebemesser, den tragenden Tisch, eine Trocknungseinheit und eine Aufnahmetrommel. Die Einheit wies auch ein elektrisches Heizgerät unterhalb des Tisches auf, so dass Feuchtigkeit im Schlicker von der Unterseite des Bandes her nach oben entfernt, und so der Hautbildung auf der Oberfläche des Bandes vorgebeugt werden konnte.
Mit einer Geschwindigkeit von 300 mm pro Minute wurden Stücke des Schlickers mit einer Länge von 8 Fuß und Breiten zwischen 150 und 300 mm bandgegossen, wobei das Abschiebemesser einen Abstand von 1,25 mm einhielt. Das gegossene Band wurde dann für etwa eine Stunde bei 30ºC getrocknet, bevor es vom Tisch genommen wurde. Danach wurden die Bänder über Nacht bei Raumtemperatur getrocknet, um so ihre Rohstabilität zu erhöhen.
Durch das Trocknen erfuhren die Bänder im wesentlichen nur eine Schrumpfung in ihrer Dicke, so dass die Dicke der trockenen Bänder ungefähr 0,94 mm betrug. Wafer mit Durchmessern von ungefähr 100, 150 und 200 mm wurden aus dem trockenen Band herausgeschnitten.
Zur Vorbereitung der Umkristallisation wurden die unbehandelten Wafer horizontal zwischen Siliciumcarbidplatten von hoher Dichte so gestapelt, dass sich eine Säule bildete, wobei, um ein Zusammenkleben zu verhindern, auf jeder Seite der unbehandelten Wafer Graphitpapier eingelegt wurde. Die Wafer wurden dann bei 1950ºC und 900 mtorr umkristallisiert.
Die kleinen Löcher, die noch im Bandguss beobachtet worden waren, wurden in den umkristallisierten Wafern nicht mehr beobachtet. Trotzdem waren einige der Wafer an den Kanten verbogen, und die meisten von ihnen zeigten Einprägungen auf ihren Oberflächen. Der Grund für das Verbiegen liegt wahrscheinlich in einem Verrutschen der Siliciumcarbidplatten während der Umkristallisation, wobei das Graphitpapier wohl als Gleitmittel dient. Die Abdrücke auf den Wafern beruhen wahrscheinlich auf einer thermischen Zersetzung des Graphitpapiers.
Auch eine Oxidation von ausgewählten, umkristallisierten Wafern mit diesen Abdrücken, konnte diese nicht nennenswert entfernen. Trotzdem minderten die Abdrücke die Qualität des Endprodukts nicht.

Beispiel II

In diesem Beispiel wurde Verschnitt des gegossenen Bandes, das aus Experimenten resultierte, die im wesentlichen gemäß Beispiel I durchgeführt wurden, als Startmaterial verwandt. Die Bandabschnitte wurden über Nacht in 25 Gew.-% demineralisiertem Wasser vermahlen und so vollständig dispergiert. Der daraus resultierende Schlicker wurde dann mit den Siliciumcarbid-Pulvern, dem Dispersionsmittel und einem Weichmacher wie oben beschrieben gemischt und über Nacht unter Vakuum in einem Nylonbehälter (engl.: "nylon jug") vermahlen. Schließlich wurde dem Schlicker so viel Wasser zugesetzt, dass seine Viskosität etwa 30.000 cps bei 0,6 U/m betrug. Schlicker, der bis zu 50 Gew.-% Verschnitt umfasste, führte zu Bändern von hoher Qualität.

Beispiel III

In diesem Beispiel wird versucht, die Anzahl der nadelfeinen Löcher, die in den unbehandelten Wafern aus Beispiel II beobachtet wurden, zu reduzieren. Da eine genauere Beobachtung des Schlickers kleine ölige Blasen offenbarte, wurde vermutet, dass die Löcher aus der unvollständigen Auflösung entweder des Latexbindemittels oder des Weichmachers resultierten. Da der Weichmacher (Polypropylenglycol) bei den hohen Scherraten, die beim Mahlen auftreten, zur Koagulation neigt, wurde vorgeschlagen, den Weichmacher erst nachdem das Wasser die Partikel umhüllt hat mit dem Schlicker zu vermengen.
Dementsprechend wurde ein neuer Schlicker dadurch hergestellt, dass zunächst der recyclierte Schlicker aus Beispiel II, das Siliciumcarbidpulver und das Dispersionsmittel unter Vakuum vermahlen, dann die Kugeln aus der Kugelmühle entfernt, die vorgemischten Bindemittel und Weichmacher zugesetzt und schließlich diese Mischung über Nacht und unter Vakuum in einem Nylonbehälter gewalzt wurden. Der sich daraus ergebene Schlicker hatte eine erheblich niedrigere Viskosität (ungefähr 9900 cps bei 0,6 U/m). Beim Guss zeigte sich, dass die Anzahl der nadelfeinen Löcher zwar stark zurückgegangen, aber ihr Auftreten nicht vollständig eliminiert war.

Beispiel IV

Mit der Ausnahme, dass ein separater Ausbrennschritt vor dem Umkristallisationsschritt eingeschoben wurde, ist dieses Beispiel im wesentlichen gemäß Beispiel I durchgeführt worden.
Die unbehandelten, im wesentlichen gemäß Beispiel I hergestellten Wafer wurden auf bereits umkristallisierten Siliciumcarbidplatten platziert, und diese mit Siliciumcarbidabstandsstücken zwischen ihnen zu Säulen gestapelt. Diese Säulen wurden der Luft bei einer Temperatur von 200ºC und einem Druck von 5 in. Hg für sechs Stunden ausgesetzt, um so ein Ausbrennen des Weichmachers zu fördern. Diese Behandlung zersetzte den Weichmacher und führte zum Aushärten des Bindemittels. Die Entfernung des Weichmachers eliminierte das Zusammenkleben der Wafer und die damit einhergehende Notwendigkeit der Verwendung von Graphitpapier, so dass in diesem Beispiel das Problem des Rutschens, das noch in Beispiel I auftrat, nicht mehr zu beobachten war.

Beispiel V

Nach Giessen und Ausbrennen des Weichmachers, wie in Beispiel IV beschrieben, erhaltene Wafer wurden in Zehnergruppen zwischen zwei Siliciumcarbidplatten aber ohne Graphitpapier zwischen ihnen gestapelt. Daraufhin wurden die Wafer wie in Beispiel I umkristallisiert.
Dabei zeigte sich, dass die Wafer während der Umkristallisation nicht mehr verrutschten. Ihre Ebenheit war kleiner als ungefähr 0,005 in. Darüber hinaus verklebten die Wafer nur minimal und konnten leicht aus dem Stapel isoliert werden. Bei der Entnahme verklebter Wafer zerbrachen nur 0 bis 6%.

Beispiel VI

Ein bimodales Pulver umfassend ungefähr 43 Gew.-% feines Siliciumcarbid und ungefähr 40 Gew.-% grobes Siliciumcarbid sowie ein Dispersionsmittel wurden mit ungefähr 13 Gew.-% demineralisiertem Wasser und einer 0,01 Gew.-% NaOH-Lösung gemischt. Der Schlicker wurde in einer Kugelmühle unter Vakuum (25 in. Hg) für 12 Stunden bei 200 U/min gemahlen. Etwa 3 Gew.-% einer Latexbinderemulsion wurden hinzugefügt, und der Schlicker wurde für weitere zwei Stunden bei 25 U/min ohne Vakuum gemixt. Des weiteren wurden Spuren (0,1 Gew.-%) eines Tensids hinzugefügt, um das Durchfeuchtungsverhalten des Schlickers auf dem "mylar carrier" zu verbessern. Der Gesamtfeststoffanteil des Schlickers lag zwischen 85 Gew.-% und 90 Gew.-% und die Viskosität betrug ca. 20.000 cps bei 0,6 U/min.
Zum Bandguss des Schlickers wurde ein Bandgusstisch, wie in Beispiel I beschrieben, verwendet. Es wurden Bänder mit einer Rohdicke zwischen 0,5 und 1,0 mm mit den folgenden Gussparametern erhalten: einer Reservoirhöhe von 10 bis 30 mm, einer Trägergeschwindigkeit von 0,4 bis 1,1 m/min; einer Höhe des Abschiebemessers von 0,4 bis 0,7 mm; und einer Untertisch-Heiztemperatur von 35 bis 45ºC. In Abhängigkeit von ihrer Dicke wurde für die Bänder eine Gesamttrocknungszeit von 20 bis 40 Minuten benötigt, die zu einer Dickenschrumpfung zwischen 10 und 15% führte. Das rohe Band wurde vom Ende des Tisches gesammelt und in 1 m lange Blätter zerteilt. Aus dem unbehandelten Band wurden Wafer mit Durchmessern von 100 bis 300 mm geschnitten. Die unbehandelten Wafer wurden dem Bindemittel-Ausbrennen an Luft bei 200ºC über 8 Stunden unterworfen und wie in Beispiel V beschrieben umkristallisiert. Die Dichten der umkristallisierten Wafer lagen zwischen 2,3 und 2,4 g/cm³.
Die umkristallisierten Wafer wurden dann mit herkömmlichen Verfahren silikonisiert und gesandstrahlt. Die Dichten der daraus resultierenden Wafer wurden mit Werten zwischen 2,91 und 2,98 g/cm³ bestimmt.
Vorläufige Studien, in denen das flexible, unbehandelte Band zunächst mit einer Hydraulikpresse bei einem Druck von 8.000 psi gepresst, dann wie in Beispiel IV ausgebrannt und schließlich wie in Beispiel V umkristallisiert wurden, zeigten eine Zunahme der Dichte auf bis zu 2,55 g/cm³, wobei sich die durchschnittliche Porengröße auf 6 um verringerte. Ähnliche Ergebnisse konnten mit anderen Verdichtungsmethoden wie etwa Tiefziehen bei 3.000 psi oder Walzen des Bandes erzielt werden.
Obwohl die oben beschriebene SiC-Keramik von Nutzen als Ersatzwafer ist, besteht auch Interesse an der Herstellung von Substraten zur Ablagerung von Diamantfilmen, um diese als hitzestabile Kunststoffgehäuse für Halbleiterbausteine zu benutzen. Für solche Anwendungen muss das SiC-Substrat sehr stabil und dünn sein. Es wird angenommen, dass die SiC- Keramik, um diese Bedingungen zu erfüllen, eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,6 mm und eine Festigkeit von mindestens 80 MPa aufweisen sollte. Unglücklicherweise erfüllen die in den Beispielen I bis VI beschriebenen SiC-Wafer mit einer Dicke von 0,5 mm, bei denen ein D&sub1;&sub5;-Porendurchmesser von ungefähr 3 um, ein D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von 12 um und eine biaxiale Biegefestigkeit von nur 50 bis 70 MPa vorliegen, diese Bedingungen nicht. Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis für eine bandgegossene umkristallisierte Siliciumcarbidkeramik (möglichst mit einer Dicke zwischen 0,1 und 0,6 mm) mit einer Festigkeit von mindestens 80 MPa.

Beispiel VII

In diesem Beispiel wurden die Effekte untersucht, die bei der ausschließlichen Verwendung eines feinen Siliciumcarbidpulvers auftreten. Dazu wurde im wesentlichen dem Verfahren aus Beispiel I gefolgt, mit der Ausnahme, dass auf die grobe Siliciumcarbidfraktion verzichtet wurde.
Das daraus resultierende Band zeigte bereits während der Trocknung übermäßige Schrumpfung und starkes Reißen.

Beispiel VIII

In diesem Beispiel wurde der Anteil sowohl der feinen, als auch der groben Fraktion des Siliciumcarbidpulvers sowie die Sintertemperatur im Vergleich zu den oben beschriebenen Beispielen, in denen ungefähr 52 Gew.-% feine und 28 Gew.-% grobe Körner bei ungefähr 1950ºC gesintert wurden, verändert.
Im wesentlichen wurde das Verfahren aus Beispiel VI beibehalten, mit der Ausnahme, dass drei verschiedene fein/grob-Verhältnisse (35/65, 50/50 und 65/35) der SiC-Pulver und drei verschiedene Sintertemperaturen (1700, 1850 und 2000ºC) verwendet wurden.
Insbesondere wurde zunächst die grobe Fraktion durch ein 50 um-Sieb gesiebt, um so ihren groben Anteil zu entfernen. In der Rezeptur mit 35% feinen Körnern wurde ein Anfangswassergehalt von 15% benutzt, während die beiden anderen Rezepturen einen Anfangswassergehalt von 12% aufwiesen. Für jede Rezeptur wurden gemäß ISO-Herstellungsverfahren Dispersionskurven erstellt und die jeweils optimalen Dispergierungspunkte bestimmt. Im nächsten Schritt wurden 1000 g Chargen der drei Rezepturen hergestellt. Die Menge des B-1035-Bindemittels richtete sich nach der Oberfläche der Körner, und 2 Gew.-% des Bindemittels eines herkömmlichen, nichtionischen Tensids wurden zugesetzt. Der optimale Endwassergehalt für jede Rezeptur wurde durch eine Inkrementrechnung so bestimmt, dass der Schlicker eine Viskosität von 25 (Skala) bei 0,6 U/min (gemessen mit einem Brookfield Viskosimeter mit einer LV-2 Spindel) aufwies. Der Feststoffanteil in diesen Rezepturen lag immer zwischen 85 und ungefähr 87 Gew.-% (66-68 Vol.-%).
Die drei Rezepturen wurden in einer Vakuumglocke bei 15 in. Hg für 15 Minuten entgast. Die Schlicker wurden bei einer Trägergeschwindigkeit von 20 in./min., einer Abschiebemesserhöhe von 0,016 in. und einer Temperatur von 150ºF bandgegossen. Dabei wurde der Schlamm von Hand so in das Reservoir eingefüllt, dass dort eine Höhe von etwa 1,0 cm gehalten wurde. Die durchschnittliche Dicke des getrockneten unbehandelten Bandes lag für jede Charge zwischen 0,128 und 0,132 in und wurde bestimmt, indem Rohwafer mit einem Durchmesser von 100 mm ausgeschnitten und ihre Dicke an jedem der vier Quadranten gemessen wurde.
Die Wafer jeder Charge wurden durch beabstandete Primärwalzen mit einem Durchmesser von 15 cm, gefertigt aus gehärtetem Stahl, und einem Walzenabstand von 0,005 in. kreuzweise gewalzt (also gewalzt, um einen Winkel von 90º gedreht und wieder gewalzt). Durch die erhebliche Elastizität der Wafer ergab sich eine Verdichtung im Vergleich zur Dicke der unbehandelten Wafer von nur ca. 5 bis 10%. Die durchschnittliche Dicke der gewalzten Wafer einer jeden Charge wurde ebenfalls durch Messung der Dicke an den vier Quadranten eines jeden Wafers bestimmt.
Die Wafer wurden in einem Sinterofen auf Einsatzplatten aus SiC platziert. Das Ausbrennen des Bindemittels wurde so durchgeführt, dass zunächst mit einem Gradienten von 0,2ºC/min aufgeheizt und schließlich eine Temperatur von 240ºC für acht Stunden gehalten wurde. Die Wafer einer jeden Charge wurden in drei Gruppen geteilt und jeweils bei der entsprechenden Temperatur gesintert. Jeder Sinterzyklus begann mit einer Temperatursteigerung von 3 ºC/min. bis eine Temperatur von 500ºC erreicht war, die dann für eine Stunde gehalten wurde, um so den Ausbrennschritt zu vervollständigen. Dann wurde mit einem Gradienten von 5ºC/min bis zum Erreichen der Endtemperatur geheizt, und diese Endtemperatur für drei Stunden gehalten. Jeder dieser Läufe wurde unter einer Argon-Atmosphäre bei einem Druck von 0,6 torr durchgeführt.
Die Dichte nach dem Sintern und die Verteilung der Porengrößen wurde durch Quecksilber- Eindringungs-Porosimitrie bestimmt, die biaxiale Biegefestigkei durch Ring-auf-Ring- Biegung.
Die Dichten der gesinterten Materialien werden in Tabelle I aufgeführt. Tabelle I Gesinterte Dichten (in g/cm³)
Die Betrachtung von Tabelle I ergibt, dass die Dichte sowohl mit Zunahme des Anteils der groben Fraktion, als auch mit steigender Sintertemperatur zunimmt. Eine Zunahme der feinen Anteile in der Rezeptur erfordert die Verwendung von zusätzlichem Bindemittel und einer größeren Menge Flüssigkeit während der Herstellung der unbehandelten Wafer, um so einem Brechen entgegenzuwirken. Die sich daraus ergebende kleinere Dichte der unbehandelten Wafer führt zu einer kleineren Dichte in den gesinterten Materialien. Gleichermaßen vermuten wir, dass eine Steigerung der Sintertemperatur eine Erhöhung der Sinteraktivität, eine Vergrobung der Körner und eine Bildung von Verbindungen zwischen den Körnern (engl.: "neck formation") hervorruft, woraus wiederum eine höhere Dichte resultiert.
Die D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser der erhaltenen Materialien sind in Tabelle II wiedergegeben. Tabelle II D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser (um)
Die Auswertung dieser Tabelle zeigt, dass der Porendurchmesser mit der Sintertemperatur und dem Anteil der groben Fraktion zunimmt.
Die charakteristischen Biegefestigkeiten dieser Materialien, bestimmt durch eine Weibull- Analyse, sind in Tabelle III wiedergegeben. Tabelle III Biegefestigkeit (Mpa)
Die Auswertung von Tabelle III zeigt das überraschende Ergebnis, dass niedrigere Sintertemperaturen und größere Anteile der feinen Fraktion zu Wafern mit höherer Festigkeit führen.
Diese Ergebnisse sind aus zwei Blickwinkeln überraschend. Erstens ist es klar, dass bei verschiedenen fein/grob Verhältnissen und verschiedenen Temperaturen verschiedene Phänomene zur Wirkung kommen. In der Studie gemäß Tabelle III, bei der das SiC-Pulver konstant bei 35% feinen und 65% groben Körnern gehalten wurde, führte eine Erhöhung der Sintertemperatur von 1850ºC auf 2000ºC zu einer Erhöhung der Biegefestigkeit von 31 MPa auf 47,8 MPa. Es wird vermutet, dass in diesen verhältnismäßig groben Rezepturen das Ausmaß der Verbindungen zwischen den Körnern (engl.: "inter-necking"), das mit einer Zunahme der Sintertemperatur ebenfalls zunimmt, den dominanten Faktor darstellt. Im Gegensatz dazu führte in den Studien, in denen das Pulver konstant bei 65% feinen und 35% groben Körnern gehalten wurde, eine Erhöhung der Sintertemperatur zu einer geringeren Festigkeit. Es wird vermutet, dass in den verhältnismäßig feinen Pulvermischungen die Porengröße, die mit steigender Sintertemperatur wächst, die entscheidende Schwachstelle darstellt.
In ähnlicher Weise zeigt sich bei den Studien, die bei 2000ºC durchgeführt wurden, dass eine Zunahme des Anteils der feinen Fraktion von. 35% auf 65% praktisch keinen Effekt auf die Biegefestigkeit hat. Es wird vermutet, dass in diesen stark gebrannten Ausführungsformen die großen Poren, die durch eine Vergrobung der Körner entstehen, den die Biegefestigkeit limitierenden Faktor darstellen. Im Gegensatz dazu zeigte sich in den Studien, die bei einer Temperatur von 1700ºC durchgeführt wurden, eine Zunahme der Biegefestigkeit von 47,7 auf 103,5 MPa bei einer Erhöhung des Anteils der feinen Fraktion von 35% auf 65%.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Studien den traditionellen Erwartungen nicht folgen, wonach ein einfaches Erhöhen der Sintertemperatur und eine Verkleinerung der Korngröße automatisch zu einer Erhöhung der Stabilität führen sollte.
Zweitens korrelieren die Stabilitäten, wie sie in Tabelle III dargestellt werden, nicht wirklich mit solchen Faktoren, die sich traditionell positiv auf die Stabilität auswirken (wie etwa Dichte und D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser). So zeigt das Beispiel aus 35% feinen Körnern, das bei 1700ºC gesintert wurde, eine verhältnismäßig geringe Festigkeit (47,7 MPa), obwohl sein D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser mit 2,2 um relativ klein ist. Auch zeigen die gebrannten Wafer mit den größten Dichten (d. h. größer als 2,5 g/cm³) die geringsten Festigkeiten (31,1 MPa und 47,8 MPa).
Die gesinterten Wafer wurden auch hinsichtlich der D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser, der Durchmesser der von exakt 85% der Poren überschritten wird, analysiert. Der D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser der Beispiele ist in Tabelle IV zusammen mit den dazugehörigen Biegefestigkeiten in Klammern dargestellt: Tabelle IV D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser in um, (Biegefestigkeit in Klammern)
Ein Vergleich zeigt eine starke Korrelation zwischen dem D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser und der Biegefestigkeit. Zum Beispiel zeigen nur solche Beispiele mit einem D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser nicht größer als 4 um eine Biegefestigkeit, die größer ist als 80 Mpa und die Beispiele mit den kleinsten D&sub8;&sub5;-Porendurchmessem haben die größte Biegefestigkeit. Des weiteren erklärt der unerwartet große D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser (von 5,7 um) die geringe Festigkeit (47,7 MPa) des Beispiels mit einem D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser von 2,2 um.
Damit wird jetzt klar, dass ein D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von weniger als 4 um, besser noch weniger als 2,5 um, entscheidend ist, um eine Biegefestigkeit von mindestens 80 Mpa, vorzugsweise von wenigstens 95 Mpa, zu erhalten und dass die Verwendung entweder von
i) einem Anteil der feinen Fraktion von wenigstens 50%, (bevorzugt wenigstens 60 %) und Sintern bei einer Temperatur von nicht mehr als 1750ºC oder
ii) einem Anteil der feinen Fraktion von wenigstens 60% und Sintern bei einer Temperatur von nicht mehr als 1850ºC (vorzugsweise 1750ºC)
ebenfalls entscheidend ist, um diese kleinen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser zu erzeugen, die zu SiC- Wafern hoher Festigkeit führen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein keramischer Wafer angegeben, der im wesentlichen aus umkristallisierten Siliciumkörnern besteht, und einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 4 um und eine biaxialen Biegefestigkeit von mindestens 80 MPa aufweist, wobei zwischen ca. 50 und 70 Gew.-% des Silizumcarbids feine Körner mit einer Korngröße von nicht mehr als 5 um und zwischen 30 und 50 Gew.-% des SiC Körner mit einer Korngröße von mindestens 20 um umfassen.
In einigen Ausführungsformen hat der Wafer eine Dichte von nicht mehr als 2,3 g/cm³, bevorzugt einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 3 um und eine Festigkeit von wenigstens 90 MPa.
In einigen Ausführungsformen hat der Wafer eine Dichte von nicht mehr als 2,25 g/cm³ und einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 2,5 um, eine Festigkeit von wenigstens 100 MPa und umfassen ca. 60 bis 70 Gew.-% des Siliciumcarbids feine Körner mit einer Korngröße von nicht mehr als 5 um.
In einigen Ausführungsformen hat die Keramik eine Dicke zwischen 0,1 und 0,3 mm, ist vorzugsweise ungeschliffen und hat bevorzugt einen D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser von wenigstens ungefähr 1 um.
In einigen Ausführungsformen umfassen zwischen 30 und 50 Gew.-% des SiC eine Korngröße von wenigstens 3 um.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten bandgegossenen SiC-Wafern angegeben, umfassend folgende Schritte:
a) Bereitstellung einer Mischung, die im wesentlichen aus Siliciumcarbidpulver und Wasser besteht, wobei
i) zwischen 50 Gew.-% und 70 Gew.-% des SiC-Pulvers eine Partikelgröße von nicht mehr als 5 um haben, und
ii) zwischen 30 Gew.-% und 50 Gew.-% des SiC-Pulvers Partikelgröße von mindestens 30 um haben,
b) Bandgießen dieser Mischung zur Erzeugung eines Bandgusskörpers,
c) Trocknung des bandgegossenen Wafers zur Erzeugung eines unbehandelten Wafers mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,1 und 0,6 mm und
d) Sintern des unbehandelten Wafers bei einer Temperatur von nicht mehr als 1850ºC, um so einen umkristallisierten Siliciumcarbidwafer mit einer Dichte von nicht mehr als 2,35 g/cm³ und einer Festigkeit von wenigstens 80 MPa zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen ist die Sintertemperatur nicht höher als 1750ºC, und hat der umkristallisierte Siliciumcarbidwafer eine D&sub8;&sub5;-Porengröße von nicht mehr als 2,5 um und eine Festigkeit von wenigstens 90 MPa.
In einigen Ausführungsformen umfasst das SiC-Pulver wenigstens 60 Gew.-% SiC-Partikel mit einer Größe von nicht mehr als 5 um, und hat der umkristallisierte Siliciumcarbidwafer einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 3 um.
In einigen Ausführungsformen ist die Sintertemperatur nicht größer als 1750ºC, umfasst das SiC-Pulver wenigstens 60 Gew.-% SiC-Partikel mit einer Größe von nicht mehr als 5 um und hat der umkristallisierte Siliciumcarbidwafer einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 2,5 um, eine Dichte von nicht mehr als 2,25 g/cm³ sowie eine Festigkeit von wenigstens 100 MPa.
In einigen Ausführungsformen ist die Sintertemperatur nicht höher als 1700ºC, umfasst das SiC-Pulver wenigstens 65 Gew.-% SiC-Partikel mit einer Größe von nicht mehr als 5 um und hat der umkristallisierte Siliciumcarbidwafer eine Stabilität von wenigstens 103 MPa.
In einigen Ausführungsformen schließt das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Verdichtens des Wafers zur Verminderung seiner Dicke um mindestens S% (vorzugsweise um mindestens 10%) vor dem Sintern ein.

Beispiel IX

Dieses Beispiel untersucht die Effekte des Walzverdichtens des bandgegossenen, unbehandelten SiC-Wafers.
Im wesentlichen wurde Beispiel VIII gefolgt, mit der Ausnahme, dass die Rezeptur 57% feine und 43% grobe SiC-Partikel umfasste, die Sintertemperatur 1850ºC war und der getrocknete bandgegossene Wafer nicht einer Walzverdichtung unterzogen wurde.
Die resultierenden Wafer haben eine Dichte von ungefähr 2,36 g/cm³, einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von ungefähr 8,5 um und eine Biegeflexibilität von nur etwa 35 bis 45 MPa.
Es ist dienlich, dieses Beispiel mit den Ausführungsformen aus obigem Beispiel VIII zu vergleichen, die aus Mischungen mit 50% bzw. mit 65% feinem Anteil erzielt wurden, die sowohl gewalzt, als auch bei 1850ºC gesintert wurden und Biegefestigkeiten von 65,4 MPa bzw. 81,5 MPa zeigten. Da jedes der vorherigen Beispiele (von denen eines einen geringfügig kleineren Anteil an feinem Material und eines etwas mehr feines Material aufwies) eine fast doppelt so große Biegefestigkeit aufwies, ist klar, dass Walzen des bandgegossenen Wafers einen deutlichen positiven Effekt auf die Biegefestigkeit des umkristallisierten Wafers hat. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird vermutet, dass das Walzverdichten den Abstand zwischen den Partikeln verkleinert und so beim Umkristallisieren eine effektivere Verbindungsbildung zwischen den SiC-Partikeln ("neck formation") bewirkt.
Im Rahmen dieser Erfindung wird der Porendurchmesser durch Quecksilber-Eindringungs- Porosimetrie bestimmt.

Claims

1. Ein Wafer bestehend im wesentlichen aus umkristallisierten Siliciumcarbidkörnern, wobei der Wafer eine Dicke von zwischen 0,5 und 1 mm, einen Durchmesser von mindestens 100 mm und eine Festigkeit von mindestens 30 MPa (gemessen durch biaxiale Ring-auf-Ring-Biegung) aufweist, wobei der Wafer eine Porösität aufweist, wobei mindestens 85% der Poren nicht größer als 14 Mikrometer sind.

2. Wafer nach Anspruch 1 mit einer Dichte von mindestens etwa 2,15 g/cm³, wobei die Siciliumcarbidkörner durch eine bimodale Korngrößenverteilung gekennzeichnet sind und eine homogene Mikrostruktur bilden, und die Oberfläche des Wafers ungeschliffen ist und eine Ebenheit (gemessen durch die gesamte Breitenausdehnung zwischen der minimalen und maximalen Abweichung von einer ebenen Granitplatte) von weniger als 130 um aufweist.

3. Wafer nach Anspruch 1, wobei mindestens 85% der Poren nicht größer als 10 Mikrometer sind.

4. Wafer nach Anspruch 1, wobei mindestens 95% der Poren größer als 3 Mikrometer sind.

5. Wafer nach Anspruch 1, wobei das Siliciumcarbid aus Körnern mit einer Größe von zwischen 2 und 5 um im Bereich von 40 bis 60 Gew.-% des Wafers sowie Körnern mit einer Größe von zwischen etwa 30 und 200 um im Bereich von zwischen 40 und 60 Gew.-% des Wafers besteht.

6. Wafer nach Anspruch 1, wobei das Siliciumcarbid aus Körnern mit einer Größe von zwischen 2 und 5 Mikrometer im Bereich von zwischen 50 und 55 Gew.-% des Wafers sowie Körnern mit einer Größe von zwischen etwa 30 und 100 um im Bereich von zwischen 45 und 50 Gew.-% des Wafers besteht.

7. Wafer nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Wafers ungeschliffen ist und eine Ebenheit von weniger als 130 um aufweist.

8. Wafer nach Anspruch 1 mit einer Dicke von zwischen 0,625 mm und 0,725 mm und einen Durchmesser von zwischen 150 mm und 200 mm.

9. Verfahren zur Herstellung einem bruchfesten unbehandelten Siliciumcarbidblatt, umfassend die Schritte:

a) Bildung eines wässrigen Schlickers, umfassend 1-5 Gew. -% Bindemittelkomponente und 80-90 Gew.-% eines im wesentlichen aus Siliciumcarbid bestehenden keramischen Pulvers,

b) Bandgießen des Schlickers zur Herstellung eines feuchten unbehandelten Blatts mit einer Dicke von zwischen 0,6 und 1,2 mm, und

c) Verdampfung im wesentlichen des gesamten Wassers von dem feuchten unbehandelten Blatt zur Herstellung eines bruchfesten trockenen unbehandelten Blatts mit einer Dicke, die mindestens 80% des feuchten unbehandelten Blatts beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dichte des unbehandelten Blatts mindestens 2,3 g/cm² beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bindemittel eine Glasübergangstemperatur von weniger 22ºC aufweist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Schlicker 2-5 Gew.-% Bindemittelkomponente umfasst.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Schlicker 3-5 Gew.-% Bindemittelkomponente umfasst.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Siliciumcarbidpulver durch eine bimodale Korngrößenverteilung gekennzeichnet ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Schlicker etwa 43 Gew.-% Siliciumcarbidkörner mit einer Größe von zwischen 2 bis 5 um und etwa 40 Gew.-% Siliciumcarbidkörner mit einer Größe zwischen etwa 30 und 100 um umfasst.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Schlicker zwischen etwa 38 und 42 Gew.-% grobe Siliciumcarbidkörner mit einer Partikelgröße von zwischen 10 und 150 um und zwischen etwa 40 und 45 Gew.-% feine Siliciumcarbidkörner mit einer Partikelgröße von zwischen 2 und 4 um umfasst.

17. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schlicker im wesentlichen besteht aus:

a) Wasser,

b) 1-5 Gew.-% Bindemittel mit einer Glasübergangstemperatur Tg von weniger als 22ºC,

c) einem keramischen Pulver bestehend im wesentlichen aus Siliciumcarbid, und

d) einem Dispersionsmittel.

18. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend die Schritte:

d) Bildung einer Form aus dem getrockneten unbehandelten Blatt zur Herstellung eines unbehandelten Siliciumcarbidwafers,

e) Umkristallisierung des unbehandelten Siliciumcarbidwafers zur Herstellung eines ungeschliffenen umkristallisierten Siliciumcarbidwafers mit einer Dicke von zwischen 0,625 mm und 0,725 mm und einem Maß für die Ebenheit von weniger als 130 Mikrometer.

19. Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend den Schritt:

f) Schleifen des Siliciumcarbidwafers zur Verminderung seiner Dicke um nicht mehr als 5%.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei das Bindemittel ein Latexemulsions-Bindemittel ist.

21. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidkörpers, umfassend die Schritte:

a) Bildung eines Schlickers umfassend Wasser und ein keramisches Pulver, das im wesentlichen aus Siliciumcarbidpartikeln mit einer bimodalen Korngrößenverteilung besteht, und

b) Bandgießen des Schlickers zur Herstellung eines feuchten unbehandelten Blatts,

c) Trocknen des feuchten unbehandelten Blatts zur Herstellung eines trockenen unbehandelten Blatts mit einer Dicke von zwischen etwa 0,625 und 0,725 mm,

d) Bildung einer Form mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm aus dem trockenen unbehandelten Blatt zur Bildung eines unbehandelten Körpers, und

e) Umkristallisierung des unbehandelten Körpers zur Bildung eines Siliciumcarbidkörpers mit einer homogenen Mikrostruktur, einem Durchmesser von mindestens 200 mm und einer Ebenheit von weniger als 130 Mikrometer.

22. Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend den Schritt der Bildung eines Schlickers umfassend Wasser, 1-5 Gew.-% Bindemittel mit einer Glasübergangstemperatur Tg von weniger als 22ºC und einem im wesentlichen aus Siliciumcarbid bestehenden keramischen Pulver.

23. Verfahren zum Abscheiden eines dielektrischen Materials auf der Oberfläche eines Siliciumwafers, umfassend die folgenden Schritte a) bis d):

a) Bereitstellung eines Siliciumwafer-Diffusionsbehälters mit Schlitzen für die Insertion von Wafern,

b) Insertion eines opfernden Siliciumcarbidwafers nach Anspruch 1 in einen Schlitz des Siliciumwafer-Diffusionsbehälters, wobei der opfernde Wafer eine Beschichtung aus einem dielektrischen Material aufweist,

c) Insertion eines Siliciumwafers in einen anderen Schlitz des Behälters, und

d) Abscheiden eines dielektrischen Materials auf die Oberfläche des Siliciumwafers bei einer Temperatur von nicht mehr als 1000ºC.

24. Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wafer einen D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 4 um und eine biaxiale Biegefestigkeit (gemessen durch biaxiale Ring-auf-Ring-Biegung) von mindestens 80 MPa, aufweist, wobei zwischen etwa 50 Gew.-% und 70 Gew.-% des Siliciumcarbids feine Körner mit einer Korngröße von nicht mehr als 5 um umfassen, und zwischen 30 Gew.-% und 50 Gew.-% des Siliciumcarbids grobe Körner mit einer Korngröße von mindestens 20 um umfassen.

25. Keramik nach Anspruch 24 mit einer Dichte von nicht mehr als 2,33 g/cm³.

26. Keramik nach Anspruch 25 mit einem D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 3 um und einer Festigkeit von mindestens 90 MPa.

27. Keramik nach Anspruch 26 mit einer Dichte von nicht mehr als 2,25 g/cm³ und einem D&sub8;&sub5;-Porendurchmesser von nicht mehr als 2,5 um und einer Festigkeit von mindestens 100 MPa.

28. Keramik nach Anspruch 27, wobei zwischen etwa 60 Gew.-% und 70 Gew.-% des Siliciumcarbids feine Körner mit einer Korngröße von nicht mehr als 5 um umfassen.

29. Keramik nach Anspruch 28, wobei der Wafer ungeschliffen ist.

30. Keramik nach Anspruch 29 mit einer Dicke von zwischen 0,1 mm und 0,6 mm.

31. Keramik nach Anspruch 24, wobei der Wafer einen D&sub5;&sub0;-Porendurchmesser von mindestens etwa 1 um aufweist.

32. Wafer nach Anspruch 24, wobei zwischen 30 Gew.-% und 50 Gew.-% des SiC grobe Körner mit einer Korngröße von mindestens 30 um umfassen.