DE69812489T2

DE69812489T2 - Korrosionsbeständiges Bauteil, Waferträger und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69812489T2
Application number: DE69812489T
Authority: DE
Inventors: Tsuneaki Ogaki-city Ohashi; Kiyoshi Tenpaku-ku Araki; Sadanori Ishibotoke-cho Shimura; Yuji Tsushima city Katsuda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: EP0891957B1; US6139983A; US6632549B1; DE69812489D1; KR19990013565A; JPH1180925A; EP0891957A1; KR100300647B1; TW526274B; JP3362113B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Keramikelement, das Beständigkeit gegen Korrosion durch ein Plasma eines Halogen-hältigen Gases aufweist, auf die Verwendung eines solchen Elements als Wafer-Auflage und auf ein Verfahren zur Herstellung des Elements.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Verfahren, die sich einer chemischen Reaktion bedienen, haben im Zuge eines erhöhten Bedarfs an Feinbearbeitung aufgrund der größeren Speicherkapazität bei Super-LSI eine immer weit verbreitetere Anwendung gefunden. Insbesondere bei Halbleiter-Herstellungsvorrichtungen, die äußerst saubere Bedingungen benötigen, werden korrodierende Gase auf Halogen-Basis, wie Gase auf Chlor-Basis, Fluor-Basis oder Ähnliches, als ein Gas zur Ablagerung, zum Ätzen oder Reinigen verwendet.
Wenn z. B. eine Wärme-CVD-Vorrichtung oder dergleichen als Heizvorrichtung in einer Halbleiter-Herstellungsvorrichtung verwendet wird, um im Kontakt mit diesen korrodierenden Gasen Wärme zu erzeugen, werden korrodierende Gase auf Halogen-Basis, wie ClF₃, NF₃, CF₄, HF, HCl oder Ähnliches als Gas für das Reinigen des Halbleiters nach der Abscheidung herangezogen. Korrodierende Gase auf Halogen-Basis wie WF₆, SiH₂Cl₂ oder dergleichen werden auch als Gase zum Ausbilden eines Films im Abscheidungsschritt eingesetzt.
Die Erfinder haben in der JP-A-5-251365 offenbart, dass ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper, der auf seiner Oberfläche eine Aluminiumfluoridschicht aufweist, eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion durch ein Plasma eines solchen korrodierenden Gases auf Halogen-Basis besitzt. Denn selbst wenn der Aluminiumnitrid-Sinterkörper z. B. für eine Stunde ClF₃-Gas ausgesetzt ist, ist keine Veränderung des Oberflächenzustands zu beobachten.
Die Erfinder haben außerdem offenbart (JP-A-5-251365), dass durch ein Gasphasenverfahren wie CVD-Verfahren oder Ähnliches ein Aluminiumfluoridfilm auf der Oberfläche des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers ausgebildet wird. Die JP-A-7-273053 offenbart, dass, um das Auftreten von Korrosion auf einer Oberfläche einer elektrostatischen Spannvorrichtung für einen Halbleiter-Wafer zu verhindern, die Oberfläche der elektrostatischen Spannvorrichtung vorher einer Oberflächenbehandlung mit Fluor unterzogen werden muss, um AlF₃ auf der Oberfläche der elektrostatischen Spannvorrichtung auszubilden.
Die Erfinder haben jedoch mehrere Untersuchungen durchgeführt und bestätigt, dass, wenn der Keramikkörper auf Aluminiumnitrid-Basis über einen großen Temperaturbereich, insbesondere über 500°C, dem korrodierenden Gas auf Halogen-Basis, wie ClF₃ oder Ähnlichem, ausgesetzt wird, die Korrosion der Keramik entsprechend der Einwirkbedingung vorangetrieben wird, um Teilchen zu bilden.
Die EP-A-702098 beschreibt eine schützende Magnesiumfluoridschicht, die auf der Oberfläche eines Aluminiumerzeugnisses, wie ein Suszeptor, ausgebildet wird, indem die Al-Mg-Legierung einem Fluor-hältigem Plasma ausgesetzt wird. Bei einer Dicke der Schicht von über 0,1 μm wird empfohlen, dass die Magnesiumfluoridschicht mit einer haftenden Schicht, z. B. Aluminiumoxid, überzogen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein korrosionsbeständiges Element vorzusehen, das das Auftreten von Korrosion, und somit auch das Auftreten von Teilchen, verhindern kann, selbst wenn es einem Plasma eines korrodierenden Gases auf Halogen-Basis über einen großen Temperaturbereich von niedrigen bis zu hohen Temperaturen, insbesondere in einem Bereich von nicht unter 500°C, ausgesetzt ist.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist ein Keramikelement vorgesehen, das, wie in Anspruch 1 erläutert, Beständigkeit gegen Korrosion durch ein Plasma eines Halogenhältigen Gases aufweist.
Im Allgemeinen weist ein korrosionsbeständiges Keramikelement auf eine Ionen-Reaktionsbereitschaft mit einer Säure oder alkalischen Lösung hin. In der Erfindung kommt es jedoch zu keiner Ionen-Reaktionsbereitschaft, sondern es kann eine Reaktionsbereitschaft für eine Redox-Reaktion durch ein Halogen in einem Trockengas oder Plasma beobachtet werden.
Die Erfinder haben untersucht, warum es bei dem Aluminiumnitrid-Basis-Sinterkörper, der mit einer inaktiven Beschichtung aus Aluminiumfluorid oder Ähnlichem versehen ist, zu einem Fortschreiten der Korrosion kommt, wenn dieser im Speziellen dem Plasma des korrodierenden Gases auf Halogen-Basis über einen großen Temperaturbereich ausgesetzt wird. Als Folge davon verschwindet die inaktive Beschichtung aus Aluminiumfluorid beim korrosionsbeständigen Element, bei dem die Korrosion voranschreitet, im Wesentlichen von der Oberfläche der Keramik, während die unter der inaktiven Beschichtung vorhandenen Teilchen auf Aluminiumnitrid-Basis korrodiert werden, und auch die zwischen den Aluminiunnitrid-Teilchen existierende Korngrenzen-Phase der Korrosion ausgesetzt wird.
Obwohl der Grund für diese Korrosion nicht klar ist, wird angenommen, dass, da der Dampfdruck von AlF₃ relativ hoch ist und die Temperatur, bei der der Dampfdruck von AlF₃ 0,13 Pa (0,001 Torr) beträgt, bei etwa 695°C liegt, der Evaporisationsvorgang von AlF₃ bei der hohen Temperatur voranschreitet, und daher die Korrosion der Aluminiumnitrid-Teilchen angrenzend an den Bereich einsetzt, wo sich die inaktive Beschichtung aus AlF₃ auflöst.
Die Temperatur, bei der der Dampfdruck bei 0,13 Pa (0,001 Torr) ist, beträgt z. B. für MgF₂ 1066°C, für CaF₂ 1195°C, für SrF₂ 1233°C, für BaF₂ 1065°C, für ScF₃ 975°C, für PrF₃ 1100°C, für EuF₂ 1134°C und für AlF₃ 695°C.
Um obiges Problem zu lösen, führten die Erfinder weitere Untersuchungen durch, und stellten fest, dass, wenn ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper, der ein bestimmtes Sinterhilfsmittel enthält, unter heftigen Korrosionsbedingungen korrodiert wird, das Fortschreiten der Korrosion an einem gewissen Zeitpunkt stoppt, und eine neue inaktive Beschichtung auf der Oberfläche des Keramikkörpers ausgebildet wird. Überraschenderweise verfügt diese Beschichtung bei über 500°C über eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit gegen das Plasma des korrodierenden Gases auf Halogen-Basis.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sind Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Elementes, wie in Anspruch 6 erläutert, vorgesehen.
Beim Sintern von Aluminiumnitrid kann sein Sinterhilfsmittel wie Yttriumoxid oder dergleichen zugegeben werden, um den Sintervorgang zu fördern und die Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit des entstehenden Sinterkörpers zu erhöhen. Nach abgeschlossenem Sintern ist ein großer Anteil eines solchen Sinterhilfsmittels in der Korngrenzen-Phase der Aluminiumnitridkörner vorhanden. Nach herkömmlichem Wissen wird angenommen, dass sich, wenn der das Sinterhilfsmittel enthaltende Aluminiumnitrid-Keramikkörper dem Plasma des korrodierenden Gases auf Halogen-Basis ausgesetzt wird, Fluor-Radikale oder Ähnliches entlang der Korngrenzen-Phase ausbreiten, um das Volumen der Korngrenze zu verändern, wodurch Aluminiumnitridkörner Iosgelöst werden, um vorzeitig Korrosion auszulösen.
Überraschenderweise wurde jedoch entdeckt, dass obige inaktive Beschichtung ausgebildet wird, wenn ein solcher Aluminiumnitrid-Keramikkörper dem Plasma des korrodierenden Gases auf Halogen-Basis bei einer hohen Leistung unter spezifischen rauen Bedingungen hoher Temperaturen ausgesetzt wird.
Die inaktive Beschichtung enthält als Hauptbestandteil ein Fluorid eines Seltenerdelementes oder eines Erdalkalielements. Es wird angenommen, dass ein solcher Bestandteil dieselbe hohe Korrosionsbeständigkeit wie das Aluminiumfluorid aufweist und selbst bei einer höheren Temperatur im Vergleich zu Aluminiumfluorid schwer verdampft werden kann. Dadurch verbessert sich die Korrosionsbeständigkeit des korrosionsbeständigen Elements gemäß der Erfindung gegen das Plasma des korrodierenden Gases auf Halogen-Basis.
Die Erfinder haben weitere Untersuchungen durchgeführt und herausgefunden, dass bei einem über lange Zeit gehaltenen extrem hohen Temperaturbereich eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen das korrodierende Gas auf Halogen-Basis ausgebildet werden kann, selbst wenn als Hauptkörper des korrosionsbeständigen Elements ein Hauptkörper aus einem anderen Material als Aluminiumnitrid verwendet wird und eine korrosionsbeständige Schicht aus einem Fluorid zumindest eines Elementes, das aus der aus Yttrium, Seltenerdelementen und Erdalkalielementen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, auf der Oberfläche des Hauptkörpers mittels eines Gasphasenverfahrens oder Ähnlichem ausgebildet ist.
In diesem Fall ist als korrosionsbeständige Schicht ein Film aus Fluorid besonders bevorzugt, das einen im Wesentlichen homogenen Schutz über einen großen Bereich bereitstellen kann.
Genauer gesagt kann die Beständigkeit gegen Gase auf Fluor-, Chlor- sowie Brom-Basis, die eine niedrigere Elektronegativität als Fluor aufweisen, durch das Ausbilden einer Schicht aus einer Verbindung aus Fluor mit hoher Elektronegativität sichergestellt werden. Ebenso kann die Beständigkeit gegen eine hohe Temperatur dadurch erzielt werden, dass das Fluorid eines Seltenerdelements oder eines Erdalkalielements mit einem niedrigen Dampfdruck verwendet wird.
Als Fluorid werden vorzugsweise die vorher angeführten Verbindungen, insbesondere Magnesiumfluorid, eingesetzt.
Die Erfinder haben darüber hinaus weitere Untersuchungen durchgeführt und herausgefunden, dass die korrosionsbeständige Schicht des Fluorids durch das Ausbilden einer Oberflächenschicht aus einer Verbindung aus zumindest einem Element, das aus der aus Yttrium, Seltenerdelementen und Erdalkalielementen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, auf der Oberfläche des Hauptkörpers und das Halten dieser Oberflächenschicht in einem Plasma aus Fluor-hältigem Gas bei Temperaturen von 500 bis 1000°C hergestellt werden kann. Somit kann die korrosionsbeständige Schicht des Fluorids einfacher und sicherer erzeugt werden.
Das Material der Oberflächenschicht ist auf kein spezielles Material eingeschränkt, ist jedoch vorzugsweise ein Einfachoxid aus einem Seltenerdelement und Aluminium oder ein Oxid aus zwei oder mehreren Metallen. Die Oberflächenschicht besteht noch bevorzugter aus einem oder mehreren Oxiden, die aus Y₂O₃-Al₂O₃-Zweikomponentensystemoxid und Y₃Al₅O₁₂ ausgewählt sind.
Die Erfindung wird nun im Nachfolgenden genauer erklärt.
Es wurde festgestellt, dass das korrosionsbeständige Element gemäß der Erfindung gegen ein Plasma eines korrodierenden Gases auf Halogen-Basis, wie ClF₃-Gas, NF₃-Gas, CF₄-Gas, WF₆-Gas, Cl₂-Gas oder BCl₃-Gas und dergleichen, beständig ist.
Wenn das korrosionsbeständige Element gemäß der Erfindung als Wafer tragendes Element, insbesondere als ein Suszeptor zum Tragen eines Halbleiter-Wafer, eingesetzt wird, kann ein gegen ein Reinigungsgas oder ein Ätzgas beständiges Konstruktionselement vorgesehen werden, und auch das Entstehen von Teilchen oder Verunreinigungen, die das Verwerfen des Halbleiters zur Folge haben, für einen langen Zeitraum verhindert werden. Die Erfindung kann somit sogar bei der Herstellung eines hochintegrierten Halbleiters, wie DRAM, 4M oder dergleichen, angewendet werden.
Die Erfindung ist bei der Filmbildung und Reinigung für den Halbleiter äußerst nützlich, wenn sie auf einen durch eine Infrarotlampe erhitzten Suszeptor, ein Keramikheizelement zum Erhitzen eines Halbleiters, einen auf einer Heizfläche des Keramikheizelements angeordneten Suszeptor, einen Suszeptor, der eine Elektrode für eine elektrostatische Spannvorrichtung einbettet, einen Suszeptor, der eine Elektrode für eine elektrostatische Spannvorrichtung und einen Wärmewiderstand einbettet, einen Suszeptor, der eine Elektrode zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Plasmas einbettet, oder einen Suszeptor, der eine Elektrode zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Plasmas und einen Wärmewiderstand einbettet, angewendet wird. Es ist wünschenswert, ein brauchbares Material zu entwickeln, da diese Komponenten einem korrodierenden Gas auf Halogen-Basis bei einer hohen Temperatur von nicht weniger als 500°C ausgesetzt sein können.
Das korrosionsbeständige Element gemäß der Erfindung kann zudem als Substrat für die Halbleiter-Herstellungsvorrichtung verwendet werden, wie z. B. ein Leer-Wafer, ein Schattenring, eine Röhre zum Herstellen eines Hochfrequenz-Plasmas, eine Glocke zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Plasmas, ein Hochfrequenz-Übertragungsfenster, ein Infrarot-Übertragungsfenster, ein Heber zum Tragen eines Halbleiter-Wafers, eine Sprühplatte oder Ähnliches.
Da das im Suszeptor enthaltene Metallelement normalerweise zusammen mit dem Aluminiumnitridpulver gebrannt wird, besteht es vorzugsweise aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt. Ein derartiges Metall mit hohem Schmelzpunkt kann aus Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin, Rhenium, Hafnium oder Legierungen davon bestehen. Unter Berücksichtigung der Verhinderung einer Verschmutzung eines Halbleiters, werden vorzugsweise Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin oder Legierungen davon verwendet.
Das aus einem korrodierenden Gas auf Halogen-Basis bestehende Reinigungs- oder Ätzgas wird abgesehen von der Halbleiter-Herstellungsindustrie auch in der chemischen Industrie eingesetzt, so dass das korrosionsbeständige Element gemäß der Erfindung auch auf dem Gebiet der chemischen Industrie nützlich ist.
Als Seltenerdelement werden vorzugsweise Y, Yb, Ce, Pr und Eu, und als Erdalkalielement vorzugsweise Mg, Ca, Sr und Ba herangezogen.
Unter diesen Elementen ist ein Element mit einem Ionenradius von nicht weniger als 0,09 mm besonders bevorzugt. Unter Ionenradius wird ein Ionenradius verstanden, der durch ein von R. D. Shannon und C. T. Prestwitz in „Acta Cryst.", Band 25, 925 (1969) beschriebenes Verfahren durch sechs Koordinationszahlen definiert ist. Solche Ionenradien sind z. B. La³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, Eu²⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ und Ra²⁺.
In den Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung kann das durch Direktnitrierungsverfahren erhaltene Pulver als pulverförmiges Aluminiumnitrid-Rohmaterial verwendet werden, wobei auch ein aus Reduktionsnitrierungsverfahren erhaltenes Pulver eingesetzt werden kann.
Das Seltenerdelement und/oder das Erdalkalielement können in verschiedenen Formen zum pulverförmigen Aluminiumnitrid-Rohmaterial zugegeben werden. Es kann z. B. ein Pulver aus einem einzelnen oder einer Verbindung aus Seltenerdelement und/oder Erdalkalielement zum Aluminiumnitrid-Rohmaterialpulver beigemengt werden. Wenn die als Sinterhilfsmittel zugegebene Menge 60 Gew.-% überschreitet, sinkt die Wärmeleitfähigkeit des resultierenden Aluminiumnitrid-Keramikkörpers auf weniger als 60 W/(m · K), was eher ungeeignet ist.
Als Verbindung aus Seltenerdelement oder Erdalkalielement eignet sich im Allgemeinen ein Oxid eines Seltenerdelements am besten. Die Verbindung aus Seltenerdelement oder Erdalkalielement, wie Nitrat, Sulfat, Alkoxid, Fluorid oder Ähnliches, wird in einem Lösungsmittel gelöst, das eine solche Verbindung lösen kann, um eine Lösung zu erhalten, die zum pulverförmigen Aluminiumnitrid-Rohmaterial hinzugegeben werden kann. Dadurch kann das Seltenerdelement leicht in beliebige Abschnitte des Sinterkörpers dispergiert werden.
Bei der Zubereitung wird das pulverförmige Aluminiumnitrid-Rohmaterial im Lösungsmittel dispergiert, zu dem die Verbindung aus Seltenerdelement und/oder Erdalkalielement in Form von Oxidpulver oder -lösung zugeben wird. Das Mischen kann durch einfaches Rühren erfolgen. Ist jedoch ein Pulverisieren von Aggregaten im pulverförmigen Rohmaterial erwünscht, kann eine Misch- und Pulverisiermaschine wie eine Kesselmühle, Siebtrommel, Reibungsmühle oder Ähnliches herangezogen werden. Wenn ein Zusatzstoff verwendet wird, der im für die Pulverisierung verwendeten Lösungsmittel löslich ist, kann die für die Pulverisierung des Pulvers benötigte Zeit beim Misch- und Pulverisierschritt verkürzt werden. Darüber hinaus kann auch ein Bindemittel wie Polyvinylalkohol oder dergleichen beigemengt werden.
Das Lösungsmittel für die Pulverisierung wird vorzugsweise durch ein Sprühtrocknungsverfahren getrocknet. Es ist ebenso bevorzugt, nach der Durchführung eines Vakuumtrocknungsverfahrens die Korngröße eines getrockneten Pulvers mittels eines Siebs anzupassen.
Beim Formen des Pulvers kann ein Formpressverfahren herangezogen werden, um einen scheibenförmigen Körper herzustellen. Der Formdruck liegt in diesem Fall vorzugsweise bei nicht weniger als 10 MPa (100 kg/cm²), ist jedoch nicht begrenzt, solange die Formung aufrechterhalten werden kann. Zudem kann das Formungsmaterial in Form eines Pulvers in eine Heißpressform gefüllt werden. Wenn das Bindemittel zum geformten Körper zugegeben wird, kann das Entfetten vor dem Brennen in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 200 bis 800°C durchgeführt werden.
Der geformte Körper wird dann vorzugsweise durch ein Heißpressverfahren, ein heißisostatisches Pressverfahren, etc. gebrannt. Der Druck beim Heißpressen oder heißisostatischen Pressen liegt vorzugsweise bei nicht weniger als 5 MPa (50 kg/cm²), insbesondere bei nicht weniger als 20 MPa (200 kg/cm²). Das Druckausmaß ist nach oben hin nicht speziell begrenzt, sollte jedoch nicht mehr als 100 MPa (1000 kg/cm²) betragen, um das Ofenwerkzeug, wie eine Form oder Ähnliches, nicht zu beschädigen.
Außerdem wird die Temperatur vorzugsweise mit einer Temperaturanstiegsrate von nicht weniger als 50°C/h und nicht mehr als 1500°C/h auf die maximale Brenntemperatur gebracht. Die maximale Temperatur beträgt vorzugsweise 1700 bis 2300°C. Überschreitet die maximale Temperatur 2300°C, so beginnt sich das Aluminiumnitrid zu zersetzen. Liegt die maximale Temperatur unter 1700°C, so wird das effektive Kornwachstum behindert.
Wenn der Keramikkörper auf Aluminiumnitrid-Basis als gesinterter Körper oder Ähnliches in einem Plasma eines Fluor-hältigen Gases bei 500 bis 1000°C gehalten wird, ist es eher vorzuziehen, raue Bedingungen anzunehmen. Zum Beispiel liegt die Temperatur vorzugsweise bei 600 bis 800°C und die Plasmaleistung vorzugsweise bei nicht weniger als 500 W. Die Phase, in der sich in diesem Verfahren die korrosionsbeständige Schicht ausbildet, wird unten näher erläutert.
Das Verfahren zur Herstellung des Fluorid-Films auf dem Hauptkörper ist nicht speziell eingeschränkt, so lange sich keine Fehler und keine feinen Löcher bilden. Wenn die Gestalt des Hauptkörpers jedoch kompliziert oder groß ist, ist ein Ionenplattierverfahren vorzuziehen. Bei einer einfachen Gestalt, wie z. B. einer Deckplatte oder einer Kleinplatte, ist ein Sputter-Prozess vorzuziehen. Zudem ist es vorteilhaft, dass, wenn die Beschichtung durch diese Verfahren ausgebildet wird, der Hauptkörper vorher mittels einem Verfahren wie Reverse-Sputtern, etc. gereinigt wird. Ebenso kann ein Dampfzuchtverfahren, ein Sprühverfahren sowie eine Pulverbeschichtung mit Wärmebehandlung herangezogen werden.
Die Dicke der korrosionsbeständigen Schicht ist nicht speziell begrenzt, so lange keine Defekte wie Reißen, Abblättern oder Ähnliches auftreten. Wenn die korrosionsbeständige Schicht zu dick ist, ist es wahrscheinlich, dass es in der korrosionsbeständigen Schicht durch die Wärmebelastung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Substrat und korrosionsbeständiger Schicht zu Brüchen, Rissen und dergleichen kommt. Die Dicke beträgt somit vorzugsweise nicht mehr als 10 μm, insbesondere nicht mehr als 4 μm.
Um das Entstehen von kleinen Löchern in der korrosionsbeständigen Schicht zu verhindern, liegt die Dicke bei nicht mehr als 0,2 μm, insbesondere bei nicht mehr als 1 μm.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die Erfindung wird mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen beschrieben werden, worin:
1 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die eine korrosionsbeständige Schicht auf einer Oberfläche eines korrosionsbeständigen Elementes aus Beispiel 1 veranschaulicht;
2 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die eine Oberfläche eines korrosionsbeständigen Elementes aus Beispiel 1 und darunterliegende Aluminiumnitrid-Körner zeigt;
3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die Aluminiumnitrid-Körner auf einer Oberfläche eines korrosionsbeständigen Elementes aus Vergleichsbeispiel 1 darstellt;
4 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die eine Oberfläche eines korrosionsbeständigen Elementes aus Vergleichsbeispiel 1 und darunterliegende Aluminiumnitrid-Körner veranschaulicht;
5 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die einen Abschnitt einer korrosionsbeständigen Schicht zeigt, bevor diese in einem korrosionsbeständigen Element aus Beispiel 9 einem Plasma ausgesetzt wird; und
6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die einen Abschnitt einer korrosionsbeständigen Schicht zeigt, nachdem diese in einem korrosionsbeständigen Element aus Beispiel 9 einem Plasma ausgesetzt worden ist;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgenden Beispiele sind zur Veranschaulichung der Erfindung angeführt, und nicht eingrenzend zu verstehen. 1 Atmosphärendruck = 100 kPa.
Beispiel 1
Herstellung eines Keramikkörpers auf Aluminiumnitrid-Basis
Zuerst wird ein Keramikkörper auf Aluminiumnitrid-Basis wie folgt hergestellt. Als pulverförmiges Rohmaterial wird Aluminiumnitrid-Pulver verwendet, das durch ein Reduktionsnitrierungsverfahren erzeugt worden ist. Eine Additionslösung wird zubereitet, indem Yttriumnitrat in Isopropylalkohol gelöst wird und mit dem pulverförmigen Aluminiumnitrid-Rohmaterial in einer Kesselmühle vermischt wird. Yttrium wird in einer Menge von 4 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile Aluminiumnitrid zugegeben. Yttrium besitzt einen Ionenradius von 0,089 nm.
Durch uniaxiales Pressen des vermischten Pulvers unter einem Druck von 20 MPa (200 kg/cm²) wird ein scheibenförmiger Körper mit einem Durchmesser von 200 mm hergestellt. Der scheibenförmige Körper wird in eine Heißpressform gegeben und hermetisch abgedichtet. Die Temperatur in der Form wird mit einer Temperaturanstiegsrate von 300°C/h erhöht, und der Druck währenddessen über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1000°C reduziert. Wenn die Temperatur 1000°C erreicht hat, wird der Druck schrittweise auf 20 MPa (200 kg/cm²) angehoben und Stickstoffgas unter 200 kPa (2 atm) zugeführt. Die Maximaltemperatur wird auf 1900°C festgelegt und für 4 h gehalten. Anschließend wird der Aluminiumnitrid-Sinterkörper durch ein Abkühlen auf 1000°C bei einer Abkühlrate von 300°C/h und nachfolgender Luftkühlung erhalten. Der so erzeugte Keramikkörper auf Aluminiumnitrid-Basis weist eine Wärmeleitfähigkeit von 80 W/(m·K) auf.
Bildung der korrosionsbeständigen Schicht
Der Sinterkörper wird bei 700°C für 2 h in einem NF₃-Abwärts-Strömungsplasma gehalten. In diesem Fall wird NF₃-Gas durch ICP (Strömungsgeschwindigkeit von 100 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, 13,56 MHz und 1 kW) angeregt, und der Gasdruck auf 0,67 kPa (5 Torr) festgelegt. Das somit erhaltene korrosionsbeständige Element wird mittels Rasterelektronenmikroskop observiert, um die in den 1 und 2 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. 1 ist eine Aufnahme, die die korrosionsbeständige Schicht von ihrer Oberseite zeigt, und 2 ist eine Aufnahme, die von schräg oberhalb gemacht wurde, nachdem die korrosionsbeständige Schicht und der darunterliegende Aluminiumnitrid-Sinterkörper geschnitten und die Schnittfläche poliert worden ist.
Im fotografierten Oberflächenbereich werden vorhandene leichte Atome eher schwarz, und vorhandene schwere Atome eher weiß dargestellt. Das Verhältnis der Atome wird in der Aufnahme durch Licht und Schatten wiedergegeben. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, bleiben Aluminiumnitrid-Körner und die dazwischen liegenden Korngrenzen-Phase klar im korrosionsbeständigen Element, aber nicht in dessen Oberflächenbereich. Aluminiumnitrid-Körner und die dazwischen liegenden Korngrenzen-Phase bleiben andererseits nicht im Oberflächenbereich, während eine große Anzahl an sehr feinen Körnern, die im Wesentlichen eine Kugelform in submikroner Größenordnung aufweisen, einheitlich und dicht die Oberflächenschicht auf der Oberfläche ausbilden. Auf der Oberflächenschicht wurde keine Korrosion beobachtet.
Die Aluminiumnitrid-Körner erscheinen als Matrix schwärzlich und zeigen das Vorhandensein von Aluminium, das ein relativ leichtes Element ist. Die auf der Oberfläche angeordneten feinen Körner sind leicht gräulich und zeigen den Einschluss von Elementen, die schwerer als die Aluminiumnitrid-Körner sind. In der 1 wurde insbesondere ein weißer Bereich beobachtet, der einen Abschnitt darstellt, in welchem eine große Menge an Yttrium vorhanden ist. Darüber hinaus wurden die Aluminiumnitrid-Körner als Matrix von den Grenzen zwischen den feinen Körnern, die die Oberflächenschicht ausbilden, beobachtet. Die Dicke der korrosionsbeständigen Schicht beträgt etwa 0,5 μm.
Die elementare Verteilung der korrosionsbeständigen Schicht wird mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) bestimmt. Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass v. a. Aluminium, Yttrium, Stickstoff, Fluor und Sauerstoff vorhanden sind, und das Gewichtsverhältnis zwischen Yttrium und der Summe von Aluminium und Yttrium 30% beträgt. Yttrium liegt auch als Fluorid vor, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass ein Teil des Yttriums als Granat bestehen bleibt. Der Aluminiumfluorid-Film auf der Oberfläche ist nicht mehr vorhanden.
Der Grund dafür könnte in der unten angeführten Erklärung liegen. Wenn ein Sinterkörper NF₃-Gasplasma ausgesetzt wird, verdampft ein größerer Teil von AlF₃, um die Aluminiumnitrid-Körner zu korrodieren. Gleichzeitig wird angenommen, dass auch die Korngrenzenschicht der Aluminiumnitrid-Körner der Korrosion ausgesetzt ist, und das in der Korngrenzenschicht vorhandene Yttriumoxid fluoriert wird. In diesem Fall wird angenommen, dass die Yttrium-Menge im Vergleich zu der der Aluminiumnitrid-Körner klein ist, und eine große Menge an Yttriumfluorid kaum aggregiert, wodurch auf der Oberfläche des Aluminiumnitrids feine Körner mit sub-mikroner Größenordnung entstehen, um die korrosionsbeständige Schicht auszubilden.
Korrosionstest
Das korrosionsbeständige Element wird in NF₃-Gas mit einer Temperatur von 600°C gehalten und durch ICP bei 0,13 kPa (1 Torr) für 10 h angeregt. Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt 100 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, und die Anregung erfolgt bei 13,56 MHz und 1 kW. Die Messung des Gewichts des korrosionsbeständigen Elements vor und nach dem Korrosionstest ergibt eine Abnahme von 2 mg/cm² nach dem Korrosionstest.
Beispiel 2
Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird auf dieselbe Art und Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. In diesem Fall wird Calciumoxid in einer Menge von 0,03 Gewichtsteilen zugegeben, das zu Calcium als Sinterhilfsmittel umgewandelt ist. Der Ionenradius von Calcium beträgt 0,100 nm. Der erhaltene Aluminiumnitrid-Sinterkörper besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 80 W/(m·K).
Der Sinterkörper wird bei 650°C für 3 h in einem CF₄-Abwärts-Strömungsplasma gehalten. In diesem Fall wird CF₄-Gas durch ICP (Strömungsgeschwindigkeit von 100 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, 13,56 MHz und 1 kW) angeregt, und der Gasdruck auf 0,67 kPa (5 Torr) festgelegt. Das somit erhaltene korrosionsbeständige Element wird mittels Rasterelektronenmikroskop observiert, um im Wesentlichen dieselben Ergebnisse wie in Beispiel 1 zu erhalten. Die Dicke der korrosionsbeständigen Schicht beträgt 3 μm, und es sind v. a. Aluminium, Calcium, Stickstoff, Fluor und Sauerstoff vorhanden. Das Gewichtsverhältnis zwischen Calcium und der Summe von Aluminium und Calcium beträgt 20%. Calcium liegt auch als Fluorid vor, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass ein Teil des Calciums als Granat bestehen bleibt. Der Aluminiumfluoridfilm auf der Oberfläche ist nicht mehr vorhanden.
Mit obigem korrosionsbeständigen Element wird derselbe Korrosionstest wie in Beispiel 1 durchgeführt, und es kann eine Abnahme von 5 mg/cm² nach dem Korrosionstest beobachtet werden.
Beispiel 3
Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird auf dieselbe Art und Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. In diesem Fall wird Dilanthantrioxid in einer Menge von 8,5 Gewichtsteilen zugegeben, das zu Lanthan als Sinterhilfsmittel umgewandelt ist. Der Ionenradius von Calcium beträgt 0,106 nm. Der erhaltenen Aluminiumnitrid-Sinterkörper besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 140 W/(m·K).
Der Sinterkörper wird bei 650°C für 3 h in einem NF₃-Strömungsplasma gehalten. In diesem Fall wird NF₃-Gas durch ICP (Strömungsgeschwindigkeit von 100 cm³/min bei 0 °C unter einem Atmosphärendruck von 1, 13,56 MHz und 1 kW) angeregt, und der Gasdruck auf 0,67 kPa (5 Torr) festgelegt. Das somit erhaltene korrosionsbeständige Element wird mittels Rasterelektronenmikroskop observiert, um im Wesentlichen dieselben Ergebnisse wie in Beispiel 1 zu erhalten. Die Dicke der korrosionsbeständigen Schicht beträgt 2 μm, und es sind v. a. Aluminium, Lanthan, Stickstoff, Fluor und Sauerstoff vorhanden. Das Gewichtsverhältnis zwischen Lanthan und der Summe von Aluminium und Lanthan beträgt 60%. Lanthan liegt auch als Fluorid vor, es besteht jedoch die Möglichkeit, dass ein Teil des Lanthans als Granat bestehen bleibt. Der Aluminiumfluoridfilm auf der Oberfläche ist nicht mehr vorhanden.
Mit obigem korrosionsbeständigen Element wird derselbe Korrosionstest wie in Beispiel 1 durchgeführt, und es kann eine Abnahme von 0,1 mg/cm² nach dem Korrosionstest beobachtet werden.
Beispiel 4
Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird auf dieselbe Art und Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. In diesem Fall wird Strontiumcarbid in einer Menge von 0,89 Gewichtsteilen zugegeben, das zu Strontium als Sinterhilfsmittel umgewandelt ist. Der Ionenradius von Strontium beträgt 0,116 nm. Der erhaltenen Aluminiumnitrid-Sinterkörper besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/(m·K).
Der Sinterkörper wird bei 700°C für 2 h in einem NF₃-Abwärts-Strömungsplasma gehalten. In diesem Fall wird NF₃-Gas durch ICP (Strömungsgeschwindigkeit von 100 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, 13,56 MHz und 1 kW) angeregt, und der Gasdruck auf 0,67 kPa (5 Torr) festgelegt. Das somit erhaltene korrosionsbeständige Element wird mittels Rasterelektronenmikroskop observiert, um im Wesentlichen dieselben Ergebnisse wie in Beispiel 1 zu erhalten. Die Dicke der korrosionsbeständigen Schicht beträgt 6 μm, und es sind v. a. Aluminium, Strontium, Stickstoff, Fluor und Sauerstoff vorhanden. Das Gewichtsverhältnis zwischen Strontium und der Summe von Aluminium und Strontium beträgt 60%. Der Aluminiumfluoridfilm auf der Oberfläche ist nicht mehr vorhanden.
Mit obigem korrosionsbeständigen Element wird derselbe Korrosionstest wie in Beispiel 1 durchgeführt, und es kann eine Abnahme von 0,1 mg/cm² nach dem Korrosionstest beobachtet werden.
Beispiel 5
Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird auf dieselbe Art und Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. In diesem Fall wird Calciumoxid in einer Menge von 0,03 Gewichtsteilen zugegeben, das zu Calcium als Sinterhilfsmittel umgewandelt ist, und Yttriumoxid in einer Menge von 2,4 Gewichtsteilen zugegeben, das zu Yttrium als Sinterhilfsmittel umgewandelt ist. Der erhaltene Aluminiumnitrid-Sinterkörper besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 170 W/(m·K).
Der Sinterkörper wird bei 700°C für 2 h in einem NF₃-Abwärts-Strömungsplasma gehalten. In diesem Fall wird NF₃-Gas durch ICP (Strömungsgeschwindigkeit von 100 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, 13,56 MHz und 1 kW) angeregt, und der Gasdruck auf 0,67 kPa (5 Torr) festgelegt. Das somit erhaltene korrosionsbeständige Element wird mittels Rasterelektronenmikroskop observiert, um im Wesentlichen dieselben Ergebnisse wie in Beispiel 1 zu erhalten. Die Dicke der korrosionsbeständigen Schicht beträgt 5 μm, und es sind v. a. Aluminium, Calcium, Yttrium, Stickstoff, Fluor und Sauerstoff vorhanden. Das Gewichtsverhältnis zwischen Calcium und Yttrium und der Summe von Aluminium, Calcium und Yttrium beträgt 35 %. Der Aluminiumfluoridfilm auf der Oberfläche ist nicht mehr vorhanden.
Mit obigem korrosionsbeständigen Element wird derselbe Korrosionstest wie in Beispiel 1 durchgeführt, und es kann eine Abnahme von 6 mg/cm² nach dem Korrosionstest beobachtet werden.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird auf dieselbe Art und Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. Der Sinterkörper wird bei 600°C für 3 h in einem ClF₃-Gas gehalten, und der Gasdruck von ClF₃ auf 0,67 kPa (5 Torr) festgelegt. Das somit erhaltene korrosionsbeständige Element wird mittels Rasterelektronenmikroskop observiert, um die in den 3 und 4 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. 3 ist eine Aufnahme, die die korrosionsbeständige Schicht von ihrer Oberseite zeigt, und 4 ist ein Aufnahme, die von schräg oberhalb gemacht wurde, nachdem die korrosionsbeständige Schicht und der Aluminiumnitrid-Sinterkörper als Matrix geschnitten, und die Schnittfläche poliert worden ist.
Im Oberflächenbereich des korrosionsbeständigen Elements erscheinen die soeben korrodierten Aluminiumnitrid-Körner und die dazwischenliegende Korngrenzen-Phase. Die Korrosion schreitet in Richtung des Inneren jedes Korns fort. Zudem wird keine Aluminiumfluoridschicht beobachtet.
Mit obigem korrosionsbeständigen Element wird derselbe Korrosionstest wie in Beispiel 1 durchgeführt, und es kann eine Abnahme von 40 mg/cm² nach dem Korrosionstest beobachtet werden.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird auf dieselbe Art und Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. Nachdem der resultierende Sinterkörper demselben Korrosionstest wie in Beispiel 1 unterzogen wird, kann eine Abnahme von 100 mg/cm² beobachtet werden.
Beispiel 6
Für mehrere Materialien wird ein Hauptkörper mit einer planaren Gestalt (Länge 20 mm, Breite 20 mm, Dicke 1 mm) bereitgestellt. Die Materialien sind Aluminiumoxid (95% dichtes Aluminiumoxid), Aluminiumnitrid (95% oder 99,9%), Quarzglas und Siliziumcarbid (dichtes, durch druckloses Sintern erhaltenes Siliziumcarbid). Nun wird durch Magnetron-Sputtern eine korrosionsbeständige Schicht aus Magnesiumfluorid mit einer Dicke von 1 μm auf dem Hauptkörper ausgebildet. In diesem Fall sind die Bedingungen folgendermaßen: Sputter-Druck 0,7 bis 5 Pa, 200 W, 1 bis 10 h und eine Argon-Strömungsgeschwindigkeit von 18 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1.
Jedes der erhaltenen korrosionsbeständigen Elemente wird in ClF₃-Plasma mit einer Temperatur von 600°C gehalten, und durch ICP bei 13 Pa (0,1 Torr) für 5 h angeregt. Die Strömungsgeschwindigkeit von ClF₃ beträgt 75 cm³/min bei 0°C unter 1 Atmosphärendruck, und die von Argon 5 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1. Die Messung des Gewichts des korrosionsbeständigen Elements vor und nach dem Korrosionstest ergibt bei jedem Element einen Korrosionsgewichtsverlust von weniger als 0,1 mg/cm² nach dem Korrosionstest. Es kann kein Abblättern oder Reißen der korrosionsbeständigen Schicht beobachtet werden.
Beispiel 7
Ein Hauptkörper mit einer planaren Gestalt (Länge 20 mm, Breite 20 mm, Dicke 1 mm) wird bereitgestellt, der aus dichtem Aluminiumnitrid (96%) besteht. Nun wird durch Magnetron-Sputtern eine korrosionsbeständige Schicht aus Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Yttriumfluorid oder Mg F₂/F₃/AlN mit einer Dicke von 1 μm auf dem Hauptkörper ausgebildet. In diesem Fall sind die Bedingungen folgendermaßen: Bedampfungsdruck 0,7 bis 5 Pa, 200 W, 1 bis 10 h und eine Argon-Strömungsgeschwindigkeit von 18 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1.
Jedes der erhaltenen korrosionsbeständigen Elemente wird in ClF₃-Plasma mit einer Temperatur von 600°C gehalten, und durch ICP bei 13 Pa (0,1 Torr) für 5 h angeregt. Die Strömungsgeschwindigkeit von ClF₃ beträgt 75 cm³/min bei 0°C unter 1 Atmosphärendruck, und die von Argon 5 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1. Die Messung des Gewichts des korrosionsbeständigen Elements vor und nach dem Korrosionstest ergibt bei jedem Element einen Korrosionsgewichtsverlust von weniger als 0,1 mg/cm² nach dem Korrosionstest. Es kann kein Abblättern oder Reißen der korrosionsbeständigen Schicht beobachtet werden.
Beispiel 8
Ein Hauptkörper mit einer planaren Gestalt (Länge 20 mm, Breite 20 mm, Dicke 1 mm) wird bereitgestellt, der aus dichtem Siliziumnitrid (99%) besteht. Nun wird durch Magnetron-Bedampfen eine korrosionsbeständige Schicht aus Magnesiumfluorid mit einer Dicke von 0,2 μm, 1 μm oder 4 μm auf dem Hauptkörper ausgebildet. In diesem Fall sind die Bedingungen folgendermaßen: Bedampfungsdruck 0,7 bis 5 Pa, 200 W, 1 bis 10 h und eine Argon-Strömungsgeschwindigkeit von 18 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1.
Jedes der erhaltenen korrosionsbeständigen Elemente wird in ClF₃-Plasma mit einer Temperatur von 600°C gehalten, und durch ICP bei 13 Pa (0,1 Torr) für 5 h angeregt. Die Strömungsgeschwindigkeit von ClF₃ beträgt 75 cm³/min bei 0°C unter 1 Atmosphärendruck, und die von Argon 5 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1. Die Messung des Gewichts des korrosionsbeständigen Elements vor und nach dem Korrosionstest ergibt bei jedem Element einen Korrosionsgewichtsverlust von weniger als 0,1 mg/cm² nach dem Korrosionstest. Es kann kein Abblättern oder Reißen der korrosionsbeständigen Schicht beobachtet werden.
Vergleichsbeispiel 3
Derselbe Korrosionstest wie in Beispiel 8 wird bei einem Hauptkörper durchgeführt, der auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 8 beschrieben erhalten wurde, mit der Ausnahme, dass keine korrosionsbeständige Schicht auf dem Hauptkörper aus dichtem Siliziumnitrid (99%) ausgebildet wird. Als Ergebnis ergibt sich ein Korrosionsgewichtsverlust von 16 mg/cm².
Beispiel 9
Eine korrosionsbeständige Schicht aus Magnesiumfluorid mit einer Dicke von 1 μm wird auf einem Heizelement aus 96% dichtem Aluminiumnitrid durch ein Ionenplattierverfahren ausgebildet.
Das Heizelement wird einem Wärmekreistest in ClF₃-Plasma unterzogen, welches durch ICP bei 13 Pa (0,1 Torr) angeregt wurde. Die Strömungsgeschwindigkeit von ClF₃ beträgt 75 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, und die von Argon 5 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1. Fünfmal wird der Wärmekreislauf von Temperaturanstieg und -abfall zwischen 200°C und 700°C wiederholt. Bei jedem Kreislauf wird die Temperatur für 1 h bei 700°C gehalten. Der Korrosionsgewichtsverlust des Heizelements nach dem Korrosionstest beträgt weniger als 0,1 mg/cm². Es kann kein Abblättern oder Reißen der korrosionsbeständigen Schicht beobachtet werden.
5 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die eine polierte Schnittfläche der korrosionsbeständigen Schicht in ihrem Querschnitt zeigt, bevor sie dem Plasma ausgesetzt wird, und 6 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die eine polierte Schnittfläche der korrosionsbeständigen Schicht in ihrem Querschnitt zeigt, nachdem sie dem Plasma ausgesetzt worden ist. Wie aus diesen Aufnahmen ersichtlich wird, weist die korrosionsbeständige Schicht selbst nach dem Einwirken des Plasmas keine bemerkenswerte Veränderung auf, und es konnten keine Defekte wie Abblättern, Reißen und ähnliches oder andere Qualitätsveränderungen beobachtet werden.
Beispiel 10
Eine korrosionsbeständige Schicht aus Magnesiumfluorid mit einer Dicke von 1 μm wird auf einer Deckplatte (scheibenförmig mit einem Durchmesser von 210 mm und einer Dicke von 10 mm) aus 99,9% dichtem Aluminiumnitrid durch Magnetron-Sputtern unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 6 ausgebildet.
Die Deckplatte wird einem Wärmezyklustest in ClF₃-Plasma unterzogen, welches durch ICP bei 13 Pa (0,1 Torr) angeregt wurde. Die Strömungsgeschwindigkeit von ClF₃ beträgt 75 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1, und die von Argon 5 cm³/min bei 0°C unter einem Atmosphärendruck von 1. Fünfmal wird der Wärmekreislauf von Temperaturanstieg und -abfall zwischen 200°C und 715°C wiederholt. Bei jedem Kreislauf wird die Temperatur für insgesamt 78 h bei 715°C gehalten. Der Korrosionsgewichtsverlust des Heizelements nach dem Korrosionstest beträgt weniger als 0,1 mg/cm². Es kann kein Abblättern oder Reißen der korrosionsbeständigen Schicht beobachtet werden.
Wie oben bereits erwähnt wurde, kann die Korrosion der Oberfläche des korrosionsbeständigen Elements und das Auftreten von Teilchen gemäß der Erfindung verhindert werden, selbst wenn das korrosionsbeständige Element einem Plasma eines korrodierenden Gases auf Halogen-Basis über einen großen Temperaturbereich von einer niedrigen Temperatur bis zu einer hohen Temperatur, insbesondere in einem Bereich von nicht weniger als 500°C, ausgesetzt wird.
Die Erfindung umfasst zudem die Verwendung der hierin beschriebenen korrosionsbeständigen Elemente in Halbleiter-Herstellungsverfahren sowie in Halbleiter-Herstellungsvorrichtungen, die das hierin beschriebene korrosionsbeständige Element enthalten.

Claims

Keramikelement, das Beständigkeit gegen Korrosion durch ein Plasma eines Halogen-hältigen Gases aufweist, umfassend einen Körper aus einer Keramik auf Siliziumnitridbasis, einer Keramik auf Siliziumcarbidbasis, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Borcarbid oder Siliziumoxid, und eine Schicht auf dem Körper, die eine Außenflächenschicht des Elements ist, die für Korrosionsbeständigkeit sorgt, wobei die Oberflächenschicht eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 10 μm aufweist und ein Fluorid zumindest eines Elements aufweist, das aus Yttrium, Seltenerdelementen und Erdalkalielementen ausgewählt ist, mit der Maßgabe, dass, wenn der Körper aus Aluminiumnitrid besteht, in der vorgenannten Schicht die Gesamtmenge in Gew.-% aus Y, den Seltenerdelementen und den Erdalkalielementen relativ zur Gesamtmenge aus Y, Seltenerdelementen, Erdalkalielementen und Aluminium im Bereich von 20 bis 100% liegt.
Keramikelement nach Anspruch 1, worin die Oberflächenschicht ein Film aus einem Fluorid des vorgenannten Elements oder der vorgenannten Elemente ist.
Keramikelement nach Anspruch 1 oder 2, worin das aus Seltenerdelementen und Erdalkalielementen ausgewählte Element ein Element mit einem Ionenradius nicht unter 0,09 nm ist.
Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Oberflächenschicht eine Dicke nicht unter 1 μm und nicht über 10 μm aufweist.
Keramikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Körper aus Aluminiumnitrid besteht und die Schicht MgF₂ ist.
Verfahren zur Herstellung eines Element nach Anspruch 1, das folgende Schritte umfasst: das Bereitstellen eines Substrats, das den Körper und eine Oberflächenschicht aus einer Verbindung von zumindest einem Element umfasst, das aus Yttrium, Seltenerdelementen und Erdalkalielementen ausgewählt ist; und das Halten des Substrats in einem Plasma eines Fluor-hältigen Gases bei einer Temperatur von 500 bis 1.000°C, um die korrosionsbeständige Oberflächenschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, worin die Oberflächenschicht aus einem oder mehreren Oxiden besteht, die aus Y₂O₃-Al₂O₃-Zweikomponentensystemoxid und Y₃Al₅O₁₂ ausgewählt sind.
Verwendung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Wafer tragendes Element, das bei der Verwendung einem Plasma eines korrodierenden Gases auf Halogenbasis ausgesetzt ist.
Verwendung nach Anspruch 8, worin der Körper aus einer Keramik auf Aluminiumnitridbasis mit einer Wärmeleitfähigkeit nicht unter 60 W/(m · K) besteht.
Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, worin die Temperatur des Körpers zumindest 500°C beträgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, worin das Halogen des Plasmas Fluor ist.