致密復(fù)合材料、其制造方法、接合體及半導(dǎo)體制造裝置用部件的制作方法
【專利摘要】提供一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料與氮化鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差很小，并且具有足夠高的導(dǎo)熱系數(shù)、致密性和強(qiáng)度。本發(fā)明的致密復(fù)合材料包含含量最多的前三位的碳化硅、鈦碳化硅和碳化鈦，這三種物質(zhì)按照含量從多到少的順序排列，該復(fù)合材料是包含51-68質(zhì)量%的碳化硅、不含有硅化鈦以及具有1%以下的開口孔隙率的復(fù)合材料。例如，該致密復(fù)合材料的特性包括：40-570℃的平均線性熱膨脹系數(shù)為5.4-6.0ppm/K，導(dǎo)熱系數(shù)為100W/m·K以上，以及四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為300MPa以上。
【專利說明】致密復(fù)合材料、其制造方法、接合體及半導(dǎo)體制造裝置用部件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及致密復(fù)合材料、其制造方法、接合體以及半導(dǎo)體制造裝置用部件。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體工藝中，高溫的靜電卡盤(Electrostatic Chuck)為了放熱而與冷卻板接合。在該情況中，有時(shí)使用氮化鋁作為靜電卡盤的材料，使用鋁作為冷卻板的材料，以及使用樹脂作為接合材料。氮化鋁與鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差很大，例如，氮化鋁的線性熱膨脹系數(shù)為5.0ppm/K (RT-800°C:內(nèi)田老鶴圃(陶瓷物理))，鋁的線性熱膨脹系數(shù)為31.lppm/K (RT-800°C:日本熱物性學(xué)會(huì)編制，(新編熱物性手冊(cè)))。在這樣的靜電卡盤中，通過使用柔軟的樹脂作為接合材料，可緩和由于該線性熱膨脹系數(shù)差所產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0003][現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)]
[0004][專利文獻(xiàn)]
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2006-143580號(hào)公報(bào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的問題
[0007]在使用樹脂作為接合材料的上述靜電卡盤中，由于樹脂為有機(jī)材料，故其放熱性較低以及在高溫下易于分解。因此，通常難以使用高溫工藝。因此，作為替代樹脂的高放熱性接合材料，已經(jīng)確認(rèn)金屬是有效的。于是，將通過金屬接合的方法稱為金屬接合。例如，作為金屬接合的接合材料，已知可使用鋁等。
[0008]然而，由于金屬接合的接合材料即金屬?zèng)]有如樹脂那樣的柔軟性，故不能緩和靜電卡盤與冷卻板之間較大的線性熱膨脹系數(shù)差所產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，希望開發(fā)新材料作為適于與靜電卡盤進(jìn)行金屬接合的冷卻板材料，即其與氮化鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差較小，同時(shí)其具有作為冷卻板所需的性能。作為冷卻板所需的性能，可包括例如較高的導(dǎo)熱系數(shù)用以維持放熱性，較高的致密性用以通過冷卻液，較高的強(qiáng)度用以承受加工等。
[0009]本發(fā)明的主要目的在于解決上述問題并提供具有極小的與氮化鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差、且具有足夠高的導(dǎo)熱系數(shù)、致密性和強(qiáng)度的材料。
[0010]用于解決技術(shù)問題的方案
[0011]本發(fā)明人通過將SiC基質(zhì)與TiC和TiSi2或者TiC和Si的混合粉末在成形后進(jìn)行熱壓煅燒，獲得了各種復(fù)合材料，通過研究這些復(fù)合材料的基本性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料與氮化鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差很小，并且其具有足夠高的導(dǎo)熱系數(shù)、致密性和強(qiáng)度，由此完成了本發(fā)明。
[0012]也就是說，本發(fā)明的致密復(fù)合材料中，含量最多的前三位是碳化硅、鈦碳化硅和碳化鈦，這三種物質(zhì)按照含量從多到少的順序排列，該復(fù)合材料是含有51-68質(zhì)量％的碳化硅、不含有硅化鈦以及具有1%以下的開口孔隙率的復(fù)合材料。
[0013]本發(fā)明的接合體是通過接合由該致密復(fù)合材料構(gòu)成的第一板材與由氮化鋁構(gòu)成的第二板材所形成的接合體，以及本發(fā)明的半導(dǎo)體制造裝置用部件是使用該接合體形成的部件。
[0014]發(fā)明效果
[0015]本發(fā)明的致密復(fù)合材料具有很小的與氮化鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差，以及足夠高的導(dǎo)熱系數(shù)、致密性和強(qiáng)度。因此，通過接合由該致密復(fù)合材料構(gòu)成的第一板材與由氮化鋁構(gòu)成的第二板材所形成的接合體可用作半導(dǎo)體制造裝置用部件，即使在低溫與高溫之間反復(fù)使用，其第一板材與第二板材之間也不會(huì)剝離，從而具有延長的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1所示為實(shí)驗(yàn)例5中獲得的致密復(fù)合材料的SEM圖像(背散射電子圖像)。
[0017]圖2所示為實(shí)驗(yàn)例5中獲得的致密復(fù)合材料的XRD譜圖。
[0018]圖3所示為實(shí)驗(yàn)例15中獲得的致密復(fù)合材料的SEM圖像(背散射電子圖像)。
[0019]圖4所示為實(shí)驗(yàn)例15中獲得的致密復(fù)合材料的XRD譜圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明的致密復(fù)合材料中，含量最多的前三位是碳化硅、鈦碳化硅和碳化鈦，這三種物質(zhì)按照含量從多到少的順序排列，該復(fù)合材料是含有51-68質(zhì)量％的碳化硅、不含有硅化鈦以及具有1%以下的開口孔隙率的復(fù)合材料。此處，含量是基于X射線衍射的峰值獲得的值。此外，開口孔隙率是使用純水作為介質(zhì)通過阿基米德法測定的值。
[0021]碳化娃的含量為51-68質(zhì)量％。在其含量低于51質(zhì)量％的情況下，由于與氮化招之間的熱膨脹系數(shù)差變大，從而是不優(yōu)選的。此外，如果其含量超過68質(zhì)量％，那么開口孔隙率變大，并且強(qiáng)度變得不夠高，從而是不優(yōu)選的。
[0022]鈦碳化娃的含量低于碳化娃的含量，以及碳化鈦的含量低于鈦碳化娃的含量。作為鈦碳化硅，優(yōu)選Ti3SiC2 (TSC)，作為碳化鈦，優(yōu)選TiC。例如，優(yōu)選含有27-40質(zhì)量％的鈦碳化硅，以及4-12質(zhì)量％的碳化鈦。
[0023]優(yōu)選碳化硅為顆粒狀，在碳化硅的顆粒之間的間隙中，存在鈦碳化硅與碳化鈦中的至少一個(gè)，且其覆蓋碳化硅顆粒表面。在碳化硅顆粒高度分散的情況中，在碳化硅顆粒之間容易殘留氣孔，如上所述通過用其他顆粒覆蓋碳化硅顆粒表面，容易將氣孔填埋，從而容易獲得致密、高強(qiáng)度的材料，因而是優(yōu)選的。
[0024] 本發(fā)明的致密復(fù)合材料與氮化鋁具有相同程度的線性熱膨脹系數(shù)。因此，在使用本發(fā)明的致密復(fù)合材料制造的部件與使用氮化鋁制造的部件進(jìn)行接合(例如金屬接合)的情況下，即使在低溫與高溫之間反復(fù)使用，也不會(huì)發(fā)生剝離。具體地說，本發(fā)明的致密復(fù)合材料與氮化鋁之間的40-570°C的平均線性熱膨脹系數(shù)差優(yōu)選為0.5ppm/K以下。此外，本發(fā)明的致密復(fù)合材料的40-570°C的平均線性熱膨脹系數(shù)更優(yōu)選為5.4-6.0ppm/K。另外，在與本發(fā)明的致密復(fù)合材料相同的條件下，測定氮化鋁中添加了 5重量％作為燒結(jié)助劑的Y2O3的氮化鋁燒結(jié)體的40-570°C的平均線性熱膨脹系數(shù)，其值為5.7ppm/K,以及測定沒有燒結(jié)助劑的氮化鋁燒結(jié)體的平均線性熱膨脹系數(shù)，其值為5.2ppm/K。本發(fā)明的目的在于，提供以這兩者之間的值，即線性熱膨脹系數(shù)5.5ppm/K (40-570°C)作為中心值，平均線性熱膨脹系數(shù)差為0.5ppm/K以下的氮化招燒結(jié)體。
[0025]本發(fā)明的致密復(fù)合材料具有出色的導(dǎo)熱性，特別優(yōu)選具有l(wèi)OOW/m.K以上的導(dǎo)熱系數(shù)。于是，在使用本發(fā)明的致密復(fù)合材料制造的部件與使用氮化鋁制造的部件之間進(jìn)行金屬接合的情況中，可有效地釋放氮化鋁攜帶的熱量。
[0026]本發(fā)明的致密復(fù)合材料具有出色的強(qiáng)度，特別優(yōu)選具有300MPa以上的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。于是，使用本發(fā)明的致密復(fù)合材料制造的部件容易適用于冷卻板等。
[0027]本發(fā)明的接合體是通過接合(例如金屬接合)使用上述致密復(fù)合材料制造的第一板材與使用氮化鋁制造的第二板材所形成的接合體。該接合體可適用于例如半導(dǎo)體制造裝置用部件中。作為半導(dǎo)體制造裝置用部件，例如，可例舉使用鋁或其合金作為其主要成分的接合材料接合使用上述致密復(fù)合材料制造的冷卻板(第一部件)與使用氮化鋁制造的靜電卡盤(第二部件)所形成的半導(dǎo)體裝置用部件等。由于第一部件與氮化鋁之間的線性熱膨脹系數(shù)差很小，故即使在低溫與高溫之間反復(fù)使用，也很難從第二部件中剝離。此外，由于第一部件具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，故其可有效地冷卻使用氮化鋁制造的第二部件。更進(jìn)一步地，由于第一部件具有很高的致密性，故其可使冷卻液在內(nèi)部通過，從而進(jìn)一步提高冷卻效率。此外，由于第一部件具有很高的強(qiáng)度，故可充分耐受制造前述半導(dǎo)體制造裝置用部件時(shí)的加工、接合、作為部件使用時(shí)引起的溫度差所產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0028]例如，本發(fā)明的致密復(fù)合材料的制造方法可以包括如下步驟:Ca)制備粉末混合物的步驟，該粉末混合物含有43-52質(zhì)量％的碳化硅，33-45質(zhì)量％的碳化鈦，剩余部分為18質(zhì)量％以下的硅化鈦和/或13質(zhì)量％以下的硅；以及(b)通過在惰性氣氛下熱壓燒結(jié)前述粉末混合物獲得上述致密復(fù)合材料的步驟。
[0029]步驟(a)中的碳化硅的原料粉末的粒徑?jīng)]有特別限制，優(yōu)選具有2-35 μ m的平均粒徑。此外，可以僅使用粗粒(例如15-35 μ m的平均粒徑),可以僅使用細(xì)粒(例如2_10 μ m的平均粒徑)，以及可以混合使用粗粒與細(xì)粒。如果SiC的平均粒徑小于2 μ m，那么在原料中的SiC比率多的組成中，SiC顆粒的表面積增加，因此燒結(jié)性降低，從而難以獲得致密的燒結(jié)體。另一方面，如果SiC的平均粒徑超過35 μ m，那么不存在燒結(jié)性的問題，但存在強(qiáng)度降低的問題。此外，在步驟(a)中，如上所述，雖然可使用碳化硅、碳化鈦、硅化鈦?zhàn)鳛樵戏勰部梢院线m地從碳化硅、碳化鈦、硅化鈦、鈦和硅中選擇使用。
[0030]在步驟(b)中，作為惰性氣氛，例如可例舉真空氣氛、氮?dú)鈿夥铡鍤鈿夥盏?。此外，熱壓條件設(shè)定為可獲得上述致密復(fù)合材料即可。例如，熱壓時(shí)的壓力優(yōu)選為100-400kgf/cm2，更優(yōu)選200-300kgf/cm2。熱壓時(shí)的溫度優(yōu)選為1550_1800°C，更優(yōu)選1600_1750°C。壓力與溫度之間的關(guān)系根據(jù)粉末混合物的組成以及原料粉末的粒徑等在該范圍內(nèi)被合適地設(shè)定。例如，在粉末混合物中的碳化硅的含量較低的情況中，由于粉末混合物易于燒結(jié)，故在相對(duì)溫和的熱壓條件下致密化。另一方面，在粉末混合物中的碳化硅的含量較高的情況中，由于粉末混合物難以燒結(jié)，故在相對(duì)嚴(yán)格的熱壓條件下致密化。此外，在碳化硅僅使用粗粒的情況中，在相對(duì)嚴(yán)格的熱壓條件下致密化，在混合使用粗粒與細(xì)粒的情況中，在相對(duì)溫和的熱壓條件下致密化。此外，煅燒時(shí)間可根據(jù)熱壓條件適當(dāng)?shù)卦O(shè)定，例如適當(dāng)?shù)卦O(shè)定為1-10小時(shí)。然而，與僅使用粗粒的情況相比，混合使用粗粒與細(xì)粒的情況由于趨向于在溫和熱壓條件下致密化，故是優(yōu)選的。
[0031] 例如，在粉末混合物中的碳化硅為43質(zhì)量％以上至低于47質(zhì)量％的情況中，與碳化硅為粗?；蚣?xì)粒無關(guān)地，步驟(b)的熱壓條件優(yōu)選為1600-1800°C、200-400kgf/cm2的條件。此外，在粉末混合物中的碳化硅為47質(zhì)量％以上、52質(zhì)量％以下的情況中，與碳化硅為粗?；蚣?xì)粒無關(guān)地，優(yōu)選1650-1800°C、300-400kgf/cm2的條件，或者1750-1800°C、250-400kgf/cm2的條件，如果碳化硅為粗粒與細(xì)粒的混合顆粒，那么優(yōu)選1650-1800°C、300-400kgf/cm2 的條件，或者 1700_1800°C、250_400kgf/cm2 的條件。
[0032]實(shí)施例
[0033]下面對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明。SiC原料使用純度為96.0%以上、平均粒徑為32.3 μ m或16.4 μ m或2.9 μ m的市售產(chǎn)品。TiC原料使用純度為94.5%以上、平均粒徑為4.3 μ m的市售產(chǎn)品。TiSi2原料使用純度為96.0%以上、平均粒徑為6.9 μ m的市售產(chǎn)品。Si原料使用純度為97.0%以上、平均粒徑為2.1 μ m的市售產(chǎn)品。
[0034]1.制造過程
[0035].配制
[0036]按表1、表2所示的質(zhì)量百分比稱量SiC原料、TiC原料和TiSi2原料，或者SiC原料、TiC原料和Si原料，以異丙醇為溶劑，使用尼龍制造的鍋，以及其內(nèi)插入直徑為1mm的鐵芯的尼龍球?qū)ι鲜鲈线M(jìn)行4小時(shí)的濕混合?；旌虾?，取出漿料，在氮?dú)鈿饬髦小?10°C下干燥。然后，過30目的篩子，成為配制用的粉末。此外，可以確認(rèn)，將稱量的約300g的原料送入到高速流體混合機(jī)(送粉部的容量為1.8L)中、并在1500rpm轉(zhuǎn)速的攪拌葉片下混合的情況也可獲得與濕混合相同的材料性能。
[0037].成形
[0038]在200kgf/cm2的壓力下對(duì)配制粉末進(jìn)行單軸加壓成形,制得直徑為50mm、厚度為15mm的圓盤狀成形體，并將其放入用于煅燒的石墨模具中。
[0039].煅燒
[0040]通過熱壓煅燒圓盤狀成形體，獲得致密的燒結(jié)材料。在該熱壓煅燒中，使用表1和表2所示的煅燒溫度(最高溫度)和壓力進(jìn)行煅燒，使用真空氣氛直至煅燒結(jié)束。在煅燒溫度下保持4小時(shí)。此外，在下文中，將熱壓簡稱為HP。
[0041]2.各個(gè)實(shí)驗(yàn)例
[0042]表1和表2顯示各個(gè)實(shí)驗(yàn)例中的初始原料組成(質(zhì)量％)、SiC原料的粒徑及其比例、HP煅燒條件、根據(jù)XRD測定結(jié)果獲得的燒結(jié)體的構(gòu)成相及其比率(簡單的定量結(jié)果)、燒結(jié)體的基本特性(開口孔隙率、體積密度、四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度、線性熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù))。此外，在實(shí)驗(yàn)例1-36中，實(shí)驗(yàn)例3-7、10、12、13、15、16、18-21、23、24、26、33-36相當(dāng)于本發(fā)明的實(shí)施例，其余的實(shí)驗(yàn)例相當(dāng)于對(duì)照例。

【權(quán)利要求】
1.一種致密復(fù)合材料，其組成中含量最多的前三位是碳化硅、鈦碳化硅和碳化鈦，所述碳化硅、鈦碳化硅和碳化鈦按照含量從多到少的順序排列，所述復(fù)合材料包含51-68質(zhì)量％的所述碳化硅，不含有硅化鈦，且具有1%以下的開口孔隙率。
2.如權(quán)利要求1所述的致密復(fù)合材料,其中,所述復(fù)合材料包含27-40質(zhì)量％的所述鈦碳化硅，以及4-12質(zhì)量％的所述碳化鈦。
3.如權(quán)利要求1或2所述的致密復(fù)合材料，其中，所述碳化硅為顆粒狀，所述鈦碳化硅與所述碳化鈦中的至少一個(gè)以覆蓋所述碳化硅的顆粒表面的方式存在于所述碳化硅的顆粒之間的間隙中。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的致密復(fù)合材料，其中，所述復(fù)合材料與氮化鋁之間的40°C _570°C的平均線性熱膨脹系數(shù)差為0.5ppm/K以下。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng) 所述的致密復(fù)合材料，其中，所述復(fù)合材料的40-570°C的平均線性熱膨脹系數(shù)為5.4-6.0ppm/K。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的致密復(fù)合材料，其中，所述復(fù)合材料具有100W/m*K以上的導(dǎo)熱系數(shù)，以及300MPa以上的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。
7.一種接合體，是通過接合第一板材與第二板材所形成的接合體，所述第一板材由權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的致密復(fù)合材料構(gòu)成，所述第二板材由氮化鋁構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求7所述的接合體，其中，所述第一板材與所述第二板材之間為金屬接合。
9.一種半導(dǎo)體制造裝置用部件，其使用權(quán)利要求7或8所述的接合體制成。
10.一種致密復(fù)合材料的制造方法，其包括如下步驟: (a)制備粉末混合物的步驟，所述粉末混合物含有43-52質(zhì)量％的碳化硅，33-45質(zhì)量％的碳化鈦，剩余部分含有18質(zhì)量％以下的硅化鈦和/或13質(zhì)量％以下的硅；以及 (b)獲得權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的致密復(fù)合材料的步驟，所述復(fù)合材料通過在惰性氣氛下熱壓燒結(jié)所述粉末混合物獲得。
11.如權(quán)利要求10所述的致密復(fù)合材料的制造方法，其中，所述熱壓時(shí)的壓力為100-400kgf/cm2。
12.如權(quán)利要求1O所述的致密復(fù)合材料的制造方法，其中，所述熱壓時(shí)的溫度為1550-1800°C。
【文檔編號(hào)】C04B35/565GK104072140SQ201410108395
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月25日
【發(fā)明者】神藤明日美, 井上勝弘, 勝田祐司 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社