專利名稱：高電阻率碳化硅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本披露總體上是針對(duì)碳化硅本體，并且具體是針對(duì)具有高電阻率的再結(jié)晶的碳化 娃本體。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件工業(yè)在生產(chǎn)更小的器件的需求的驅(qū)使下，特別是在每個(gè)晶片上生產(chǎn)更 多器件的需求的驅(qū)使下，在以加快的步伐繼續(xù)向前發(fā)展。這已經(jīng)導(dǎo)致了在更大晶片上生產(chǎn) 的更小器件的繼續(xù)發(fā)展，這自然允許每個(gè)晶片上的更大數(shù)目的器件以及因此增加的產(chǎn)量。 除了向在更大晶片上加工器件前進(jìn)之外，一些企業(yè)正在離開成批加工而朝向單晶片加工 (SffP)技術(shù)。許多制造商已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從成批加工到單晶片加工的改變使得能夠改進(jìn)在每片晶 片上制造的器件的控制。此外，從成批加工到SWP的改變值得注意地減少了晶片至晶片的 變化。因此，因?yàn)樵谛纬涩F(xiàn)有技術(shù)的器件所要求的納米尺寸的層時(shí)加工控制是必不可少的， 所以SWP使得制造商們能夠改進(jìn)他們的生產(chǎn)。因此，因?yàn)橐淮沃患庸ひ粋€(gè)晶片，該方法的可 拓展性在成批加工平臺(tái)上得到改進(jìn)并且因此在加工增大尺寸的晶片中允許制造商們有更 大的靈活性。這些平臺(tái)的供應(yīng)商們正在不斷地尋找將改進(jìn)SWP平臺(tái)的能力的部件。因此，此類 部件將會(huì)改進(jìn)物理和化學(xué)特性，連同耐久性以及與其他部件和被加工的晶片的相容性。這 樣，工業(yè)界，并且特別是SWP工業(yè)，繼續(xù)要求用于結(jié)合進(jìn)入SWP平臺(tái)中的改進(jìn)的部件和材料。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明通過參見附圖可以更好地理解本披露，并且使其許多特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)
人員變得清楚。

圖1是一個(gè)流程圖，它展示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案用于形成一種再結(jié)晶的碳化硅本 體的方法。圖2是一個(gè)流程圖，它展示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案用于形成一種再結(jié)晶的碳化硅本 體的方法。在不同的圖中使用相同的參考符號(hào)表示相似的或相同的事項(xiàng)。優(yōu)選實(shí)施方案的說(shuō)明參見圖1，它展示的流程圖提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案用于形成一種再結(jié)晶的碳化 硅本體的方法。該方法開始于步驟101，這是通過使粗碳化硅顆粒與細(xì)碳化硅顆粒相結(jié)合 以形成一種混合物。典型地，這些粗和細(xì)碳化硅顆粒是以一種干燥的形式(如一種粉末) 相結(jié)合以形成一種干混合物。然而，如將在此說(shuō)明的，這種干混合物可以被制成一種濕混合 物，如一種漿料。形成具有一種雙峰粒度分布或甚至三峰粒度分布的一種混合物有助于通 過一種再結(jié)晶方法形成一種碳化硅本體。關(guān)于這些碳化硅顆粒的平均粒度，總體上這些粗碳化硅顆粒具有不小于約30微 米的平均粒度。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些粗碳化硅顆粒的平均粒度是更大的，如不小于約40 微米，或不小于約60微米，或甚至不小于約70微米。進(jìn)而，這些粗碳化硅顆粒具有總體上不超過約300微米的平均粒度。關(guān)于這些細(xì)碳化硅顆粒的平均粒度，總體上講，這些細(xì)碳化硅顆粒具有的平均粒 度小于這些粗碳化硅顆粒的平均粒度。具體地說(shuō)，這些細(xì)碳化硅顆?？梢跃哂械钠骄６?不大于這些粗碳化硅顆粒的平均粒度的大約一半。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，這些細(xì)碳化硅顆粒 具有不大于約15微米的平均粒度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，這些細(xì)碳化硅顆粒具有不大于約 5微米的平均粒度，如不大于約2微米、或甚至不大于約1微米。進(jìn)而，這些細(xì)碳化硅顆粒的 平均粒度是受限的，如這些顆?？傮w上具有在約0. 1微米與約10微米之間的范圍內(nèi)的平均 粒度。在一些實(shí)施方案中，粗碳化硅顆粒和細(xì)碳化硅顆粒可以與中間尺寸的碳化硅顆粒 相結(jié)合以形成一種三峰混合物。總體上講，中間尺寸的碳化硅顆粒的平均粒度是小于約200 微米，并且更典型地小于約100微米。在三峰混合物的情況下，這些中間尺寸的碳化硅顆粒 可以具有更小的平均粒度，如不大于約75微米，或不大于約50微米，或甚至不大于約25微 米。進(jìn)而，在此類三峰混合物中，中間尺寸的碳化硅顆粒的平均粒度總體上是不小于約1微 米。總體上講，使這些粗碳化硅顆粒與細(xì)碳化硅顆粒相結(jié)合包括使用特定量值的這些 細(xì)和粗粒度的組分的每一種來(lái)講行這些顆粒的結(jié)合。這樣，總體上講，該混合物包括不小 于約10wt%的粗碳化硅顆粒。其他實(shí)施方案利用了更大含量的粗顆粒，這樣該混合物包括 不小于約30wt%、或不小于約50wt%、或甚至不小于約75wt%的粗碳化硅顆粒。進(jìn)而，該 混合物中的粗碳化硅顆粒的量總體上是不大于約80wt%，并且特別地是在約20wt%與約 70襯％之間的范圍內(nèi)。因此，該混合物中的細(xì)碳化硅顆粒的量總體上是不小于約10wt%，并且更特別地 是不小于約30wt%。其他實(shí)施方案在該混合物中使用了更大含量的細(xì)碳化硅顆粒，如不小 于約50wt %、或不小于約75wt%。典型地，該混合物包括的細(xì)碳化硅顆粒不大于約80wt%， 并且特別地在約20wt%與約70襯％之間的范圍內(nèi)。在三峰混合物的情況下，該混合物中可以加入一定百分比的中間尺寸的碳化硅 顆粒。在此類混合物中的中間尺寸的碳化硅顆粒的含量總體上是不小于約10wt%。其他 實(shí)施方案使用了更大含量的此類中間尺寸的碳化硅顆粒，如不小于約20wt%，或不小于約 40wt%。典型地，一種三峰混合物將不包括大于約75wt%的中間尺寸的碳化硅顆粒。進(jìn)一步關(guān)于這些粗和細(xì)碳化硅顆粒，典型地所獲得的此類顆粒使得該碳化硅材料 具有低含量的雜質(zhì)，特別是沒有金屬元素。這樣，該碳化硅材料的純度總體上是不小于約 97%的純碳化硅、或甚至不小于約99. 9%的純碳化硅。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，這些碳化硅 顆粒的純度是不小于約99. 99%的純碳化硅。這些細(xì)和粗碳化硅顆粒的結(jié)合可以包括將此類顆粒在一種干混合物或者一種濕 混合物中進(jìn)行結(jié)合。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，結(jié)合這些粗和細(xì)碳化硅顆粒包括形成一種濕混合 物、或一種漿料。形成一種漿料可以幫助某些形成方法，例如，一種滑移澆鑄方法。這樣，該 漿料在一種液體載體中包括這些細(xì)和粗的顆粒、以及有可能的中間顆粒，該液體載體可以 是一種有機(jī)的或無(wú)機(jī)的材料。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該液體載體是水性的，即該漿料包括與水 結(jié)合的碳化硅顆粒的干混合物。值得注意的是，該漿料除了該液體載體之外可包括其他添 加劑，這包括有助于適當(dāng)?shù)臐{料流變學(xué)和化學(xué)性的有機(jī)或無(wú)機(jī)的化合物，例如像表面活性劑類和粘合劑類。進(jìn)一步關(guān)于形成一種濕混合物，漿料(它可以包括粗和細(xì)碳化硅顆粒)中的干組 分的百分比總體上是不大于該漿料的總重量的50wt%。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，漿料中 的干組分的百分比是不大于40wt%，如不大于約30wt%，或不大于約20wt%。因此，漿料 中的干組分的百分比典型地是不小于約5wt%。這樣，漿料中的液體載體的量總體上是不 小于約10wt%。在一個(gè)實(shí)施方案中，漿料中的液體載體的量是不小于約30wt%，如不小于 約50wt %，或甚至不小于約75wt %?？傮w上講，漿料中的液體載體的量是在約20wt %與約
間的范圍內(nèi)。該方法在步驟103繼續(xù)，這是通過使混合物成型以形成一個(gè)生坯物品。總體上講， 成型方法可以包括的方法是諸如澆鑄、模制、擠出、壓制、或它們的組合。成型方法部分地是 由形成的混合物的類型(這就是說(shuō)，濕的或干混合物)來(lái)決定的。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案， 成型方法包括一種澆鑄方法，并且更具體地是一種滑移澆鑄方法，其中包含這些粗和細(xì)碳 化硅顆粒(若不是還有中間尺寸的顆粒的話)的漿料被倒進(jìn)一個(gè)模具中并澆鑄以形成具有 特定外形的一個(gè)生坯物品。在使混合物成型以形成一個(gè)生坯物品之后，該方法典型地包括一種干燥處理以給 予該生坯物品適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。該干燥處理可以包括使該生坯物品在減小了濕度的氣氛中暴露 于升高的溫度。干燥該生坯物品典型地包括在可以大于室溫(22°C)、但是典型地小于約 200°C的溫度下，或在某些情況下在小于約100°C的溫度下對(duì)生坯物品進(jìn)行干燥。典型地，干 燥的持續(xù)時(shí)間是小于約2天，如小于1天，或甚至小于約12小時(shí)。在干燥處理的過程中，該生坯碳化硅物品可經(jīng)受某些線性收縮，然而這種收縮與 其他成型方法相比可能是最小的?？傮w上講，線性收縮的量是不大于約5%。其他實(shí)施方案 可以具有更小的收縮，如不大于約3%，或甚至不大于約1 %。再次參見圖1，在步驟103中形成該生坯物品之后，該方法在步驟105繼續(xù)，這是通 過將生坯物品加熱至一個(gè)升華溫度以形成一個(gè)再結(jié)晶的碳化硅(ReSiC)本體。如在此使用 的，術(shù)語(yǔ)“加熱”(特別是在升華溫度的情況下)是指一個(gè)加熱溫度，在該溫度下這些細(xì)碳化 硅顆粒升華至氣態(tài)并且在此之后，在這些粗碳化硅顆粒上再結(jié)晶以形成一個(gè)ReSiC本體。 總體上講，該升華溫度典型地是大于約170(TC。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該升華溫度是大于約 18000C，如大于約1900°C，或甚至大于約2000°C。典型地，該升華溫度是不大于約2500°C。在加熱該生坯物品的過程中，該方法可以在有助于升華的一個(gè)減壓氣氛中進(jìn)行。 這樣，該氣氛總體上具有不大于約25托的壓力。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，加熱是在不大于約 20托的壓力下進(jìn)行，如不大于約15托，或甚至不大于約10托。這樣，該壓力典型地是在約 4托與約15托之間的范圍內(nèi)，并且更特別地是在約4托與約12托之間的范圍內(nèi)。進(jìn)一步關(guān)于該氣氛，典型地，在加熱過程中該氣氛包含一種氣體或氣體的混合物， 它與正常的大氣的氣體是不同的。這就是說(shuō)，在加熱過程之前可以將正常的大氣清除并且 用適合的氣體代替。特別適合的氣體包括惰性氣體或多種惰性氣體的組合，或更特別的 是多種稀有氣體。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，在加熱過程中的氣氛包括氬氣，這樣不小于約 90vol%的氣氛是氬氣。此外，除了提供包括適當(dāng)氣體(如惰性氣體)的一種氣氛之外，加熱過程中可以使 這些氣體流動(dòng)經(jīng)過腔室。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，該惰性氣體可以按不小于約2標(biāo)準(zhǔn)立升/每分鐘(SLPM)的速率流動(dòng)經(jīng)過腔室，其中該加熱爐具有不小于約Im3的體積，并且在一個(gè) 更具體的實(shí)施方案中是1. 25m3 (直徑52英寸并且深度36英寸)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，流 速是更大的，如不小于約4SLPM，或不小于約6SLPM，或甚至不小于約8SLPM?？傮w上講，惰 性氣體的更高的流速改進(jìn)了加工條件。然而，根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，對(duì)于具有大致1. 25m3 的體積的一個(gè)加熱爐該流速是不大于約20SLPM。具體地講，在加熱過程中，該氣氛包含減小的氮含量。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在該腔 室之中的氮含量被減小，這樣氮?dú)獾臐舛仁遣淮笥诩s15ppm。其他實(shí)施方案可以使用更小濃 度的氮?dú)?，如不大于約12ppm，或不大于約lOppm，或甚至不大于約8ppm?？傮w上講，該氣氛 中的更低濃度的氮?dú)庠鰪?qiáng)了加工條件以及一種適當(dāng)物品的形成。然而，在一個(gè)具體實(shí)施方 案中，該氮?dú)鉂舛仁遣恍∮诩slppm。典型地，該加熱過程在升華溫度下進(jìn)行了不小于約30分鐘的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)一個(gè) 實(shí)施方案，升華溫度下的加熱進(jìn)行了不小于約1小時(shí)的持續(xù)時(shí)間，如不小于約4小時(shí)，或甚 至不小于約8小時(shí)。在此的多個(gè)實(shí)施方案使用的在升華溫度下加熱的持續(xù)時(shí)間典型地在約 1小時(shí)與8小時(shí)之間的范圍內(nèi)、并且典型地不大于約12小時(shí)。在加熱以形成一個(gè)再結(jié)晶的SiC本體的過程中，該本體經(jīng)受了小量的線性收縮。 該小程度的線性收縮有助于形成近似網(wǎng)狀的物品并且減少了后期加工成型和機(jī)加工操作。 總體上講，該線性收縮是不大于約3%。事實(shí)上，在加熱過程中的該ReSiC本體線性收縮可 以是更小的，如不大于約2%，不大于約或甚至不大于約0.5%。典型地，在加熱過程中 的該ReSiC本體的線性收縮是在約0. 與約3%之間的范圍內(nèi)。通過圖1中描繪的方法形成的再結(jié)晶的碳化硅本體是一種高電阻率的再結(jié)晶的 碳化硅本體。這就是說(shuō)，該ReSiC本體在300K具有不小于約1ε5 Ω cm的電阻率。在一個(gè)具 體實(shí)施方案中，該ReSiC本體的電阻率是不小于約lE6Qcm，如不小于約lE7Qcm，或甚至不 小于約1Ε8Ωαιι (在300K)?？傮w上講，該ReSiC本體的電阻率是在約lE5Qcm與約lE12Qcm 之間的范圍內(nèi)(在300K)。并且更具體地講是在約1Ε7 Ω cm與約1Ε11 Ω cm之間的范圍內(nèi) (在300K)。應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的所有這些電阻率值是基于ASTM4496獲得的。進(jìn)一步關(guān)于根據(jù)圖1中提供的方法所形成的ReSiC本體，典型地，該ReSiC本體在 本體之中具有不大于200ppm的氮含量。如在此使用的，術(shù)語(yǔ)“氮含量”是指結(jié)合(例如，共 價(jià)地結(jié)合)在該ReSiC本體之中的氮原子的含量。如以上提供的，該ReSiC本體的氮含量 總體上是不大于約200ppm，并且甚至不大于約150ppm。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，該ReSiC 本體具有更小的氮含量，如不大于約lOOppm，或不大于約75ppm，或甚至不大于約50ppm。該 氮含量典型地是在約Ippm與約150ppm之間的范圍內(nèi)。該ReSiC本體總體上具有一種多晶結(jié)構(gòu)，包括多種晶粒?？傮w上講，在該ReSiC本 體之中的這些碳化硅晶粒的平均晶粒尺寸是不小于約0. 5微米。進(jìn)而，其他實(shí)施方案使用 具有更大晶粒的一種多晶體，這樣該平均晶粒尺寸是不小于約50微米，或不小于約75微 米，或甚至不小于約100微米。典型地，該平均晶粒尺寸是在約20微米與約200微米之間 的范圍內(nèi)。該ReSiC本體總體上具有包括開放的和閉合的孔隙的孔隙含量。這樣，該ReSiC 本體典型地具有不小于該本體的整個(gè)體積約5vol%的孔隙率。在一個(gè)實(shí)施方案中，該孔隙 率是不小于約8vol%，如不小于約IOvol %或甚至不小于約12vol%。典型地，該ReSiC本
6體的孔隙率是在約5vol%與約25vol%之間的范圍內(nèi)，并且典型地，該孔隙率是不大于約 50vol%。此外，該ReSiC本體可以具有特殊的密度，如不大于約2. 9g/cc。在另一個(gè)實(shí)施方 案中，該密度是更小的，如不大于約2. 8g/cc，或甚至不大于約2. 7g/cc。進(jìn)一步關(guān)于所形成的再結(jié)晶物品，該ReSiC本體典型地具有不大于約30瓦特/mK 的熱傳導(dǎo)率。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該ReSiC本體具有不大于約28瓦特/mK的熱傳導(dǎo)率，如 不大于約26瓦特/mK。典型地，該ReSiC本體具有的熱傳導(dǎo)率在約20瓦特/mK與約26瓦 特/mK之間的范圍內(nèi)。關(guān)于該ReSiC本體的機(jī)械特性，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械特性有助于該ReSiC本體在某些應(yīng) 用中的使用?？傮w上講，該ReSiC本體的斷裂模量(MOR)是不大于約300MPa。具體地講， 該ReSiC本體總體上具有不大于約250MPa的M0R，如不大于約225MPa，或甚至不大于約 150MPa。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該ReSiC本體具有的MOR在IOOMPa與約200MPa之間的范圍 內(nèi)，并且更特別地在IOOMPa與150MPa之間的范圍內(nèi)。另外，該ReSiC本體可以具有不大于約350GPa的彈性模量(MOE)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方 案，該ReSiC本體的MOE是不大于約325GPa，如不大于約300GPa，或甚至不大于約250GPa。 在一個(gè)實(shí)施方案中，該ReSiC本體的MOE是在約200GPa與約250GPa之間的范圍內(nèi)。該ReSiC本體的熱膨脹系數(shù)(CTE)典型地是不小于約4. 2X 10_6/°C。根據(jù)其他 實(shí)施方案，該ReSiC本體的CTE可以是更大的，如不小于約4. 5X 10_6/°C或甚至不小于 約4. 7X 10_6/°C?？傮w上講，該ReSiC本體的CTE是小于5 X 10_7°C，并且更具體是在約 4. 5 X ΙΟ—6/°C與約4. 9X 10_7°C之間的范圍內(nèi)。進(jìn)一步關(guān)于根據(jù)圖1中提供的方法形成的ReSiC本體，該本體總體上包括一種低 含量的特定金屬種類。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，結(jié)合在該ReSiC本體之中的鋁原子的鋁 含量是不大于約200ppm。具體地說(shuō)，該鋁含量可以是更小的，如不大于lOOppm，不大于約 50ppm，或甚至不大于約25ppm。典型地，在該ReSiC本體之中的鋁含量是在約5ppm與約 200ppm之間的范圍內(nèi)。根據(jù)圖1的方法，在該ReSiC本體之中的硼含量總體上是低的，如不大于約50ppm。 其他ReSiC本體可以具有更少的硼，如不大于約40ppm，不大于約30ppm，或甚至不小于約 20ppm。根據(jù)圖1的方法形成的ReSiC本體的硼含量典型地是在Ippm與約50ppm之間的范 圍內(nèi)。該ReSiC本體可以具有適合于特定應(yīng)用的尺寸，如用在一個(gè)單晶片加工裝置中的 晶片支撐物品。這樣，該ReSiC本體具有長(zhǎng)度、寬度、以及厚度的尺寸。具體地講，這些尺寸 之間的關(guān)系如下長(zhǎng)度>寬度>厚度，并且更特別地寬度時(shí)常大于厚度。對(duì)于根據(jù)圖1中提 供的方法形成的物品，總體上此類ReSiC本體的厚度是不大于約30mm。更特別地，這種再結(jié) 晶的碳化硅本體的厚度總體上是不大于約20mm。如不大于約15mm，或甚至不大于約10mm。除了圖1中提供的這些方法外，用于形成一個(gè)ReSiC本體的方法可以進(jìn)一步包括 形成覆蓋該ReSiC本體的一部分的一個(gè)頂部部分。該頂部部分可以包括提供覆蓋該ReSiC 本體的一個(gè)薄膜或材料層，并且特別地，與該ReSiC本體直接接觸。該頂部部分可以例如通 過改進(jìn)上表面的致密度并且減少顆粒剝落以及工件的潛在污染而有助于機(jī)械穩(wěn)定性。該頂 部部分還可以提供增強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是通過減少存在的可能污染與該ReSiC本體接觸的工件的某些元素種類。一個(gè)頂部部分的形成可以包括在該ReSiC本體的一個(gè)選定表面 上、或可替代地在該本體的大部分上提供一個(gè)材料層。這樣，該頂部部分總體上覆蓋不小于 約20%的ReSiC本體的總表面面積。根據(jù)其他實(shí)施方案，該頂部部分可以覆蓋該ReSiC本 體的表面面積的更大百分比，如不小于約50%，或不小于約80%，或甚至不小于約95%。根 據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，該頂部部分覆蓋了該ReSiC本體的整個(gè)可供使用的表面層。該頂部部分的形成可以包括一種沉積方法，如一種厚膜沉積方法或一種薄膜沉積 方法。適當(dāng)?shù)谋∧こ练e方法可以包括(例如)一種氣相沉積方法，如化學(xué)氣相沉積(CVD) 或可替代地一種噴涂方法。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，該噴涂方法可以包括一種火焰噴涂方 法，并且具體地是一種等離子噴涂方法?？商娲兀摮练e方法可以包括一種濺射方法?？傮w上講，該頂部部分具有不小于10微米的平均厚度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該頂 部部分的平均厚度是不小于約15微米，如不小于約20微米，不小于約100微米，或甚至不 小于約500微米?？傮w上講，該頂部部分具有的平均厚度在約10微米與約Imm之間的范圍 內(nèi)。另外，該頂部部分可以是一個(gè)致密層，總體上具有的孔隙率小于該ReSiC本體。這 樣，該頂部部分的孔隙率總體上是不大于約5vol %，如不大于約3vol %或甚至不大于約 lvol%。值得注意的是，形成一個(gè)致密的頂部部分可以有助于減少顆粒的生成。參見圖2，它提供了一個(gè)流程圖，該流程圖展示了用于形成根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的 再結(jié)晶的碳化硅本體的一種方法。該方法開始于步驟201，這是通過將粗碳化硅顆粒、細(xì)碳 化硅顆粒以及一種含硼化合物相結(jié)合以形成一種混合物。關(guān)于這些粗碳化硅顆粒和細(xì)碳化 硅顆粒，這些顆粒的結(jié)合可以包括如以上按照?qǐng)D1中提供的實(shí)施方案概述的相同的工藝參 數(shù)。此外，在這個(gè)實(shí)施方案中的這些粗和細(xì)碳化硅顆?？梢跃哂信c以上說(shuō)明的相同的特性。 還應(yīng)當(dāng)理解，這樣一種混合物可以包括中間尺寸的碳化硅顆粒組分，這樣如先前說(shuō)明的可 以形成一種三峰混合物。該含硼化合物總體上是一種無(wú)機(jī)材料。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該含硼化合物是一種 陶瓷材料，并且具體地適當(dāng)?shù)奶沾刹牧峡梢园ǖ牟牧现T如碳化硼、氮化硼、氧化硼、硼化 物類、或者它們的多種組合。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，該含硼化合物是碳化硼。根據(jù)另一個(gè) 具體實(shí)施方案，該含硼化合物是氮化硼。總體上講，基于在該混合物之中的組分的干的基重，該含硼化合物以不大于約 的量存在于該混合物之中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該含硼混合物的量是不大于約
0. 5wt%，如不大于約0. Iwt %，或甚至不大于約0. 05wt%。應(yīng)該理解，該混合物可以包含如 以上說(shuō)明的量值的細(xì)和粗碳化硅顆粒。值得注意的是，該混合物可以是一種濕混合物，這樣包括這些粗和細(xì)碳化硅顆粒 以及該含硼化合物的這些干組分可以與一種液體載體相結(jié)合以形成一種漿料?？梢愿鶕?jù)在 此說(shuō)明的參數(shù)來(lái)形成該漿料。再次參見圖2，在步驟201中結(jié)合這些顆粒之后，該方法在步驟203繼續(xù)，該步驟包 括使該混合物成型以形成一個(gè)生坯物品。使該生坯物品成型可以包括以下方法，如澆鑄、模 制、擠出和壓制、以及它們的組合。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，該生坯物品是通過澆鑄、并且更 具體地是通過滑移澆鑄方法成型的。值得注意的是，該生坯物品的形成還可以包括如先前 說(shuō)明的一種干燥處理。
在步驟203使該生坯物品成型之后，該方法在步驟205繼續(xù)，是通過將該生坯物品 加熱至一個(gè)升華溫度以形成一個(gè)再結(jié)晶的碳化硅本體。值得注意的是，根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案， 該再結(jié)晶的碳化硅(ReSiC)本體的形成是在典型地不小于約1800°C的升華溫度下完成。根 據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，該升華溫度是不小于約1900°C或不小于約2000°C。因此，根據(jù)這個(gè)實(shí) 施方案形成的ReSiC本體的升華溫度總體上是在約1900°C與約2500°C之間的范圍內(nèi)。加熱總體上是在減壓的氣氛中進(jìn)行的，這樣在加熱過程中該腔室中的壓力是不大 于約25托。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，在加熱過程中該腔室中的壓力是不大于約20托，如不 大于約15托，不大于約10托，或甚至不大于約8托?？傮w上講，在加熱過程中該腔室中的 壓力是在約4托與約15托之間的范圍內(nèi)?？傮w上講，加熱進(jìn)行了不小于約30分鐘的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)在此提供的其他實(shí)施方 案，加熱總體上進(jìn)行了不小于1小時(shí)的持續(xù)時(shí)間，如不小于約2小時(shí)，不小于約4小時(shí)，或甚 至不小于約8小時(shí)?？傮w上講，加熱進(jìn)行了約2小時(shí)與約8小時(shí)之間的持續(xù)時(shí)間，典型地不 大于約12小時(shí)。這樣，在形成過程中，特別是在該ReSiC本體的加熱過程中，該本體經(jīng)受輕微的線 性收縮，如不大于約5 %，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在加熱過程中該ReSiC本體的線性收縮是不 大于約3%，如不大于約2%，或甚至不大于約1 %?？傮w上講，在加熱過程中該ReSiC本體 的線性收縮是小的，如在約0. 與約3%之間的范圍內(nèi)。關(guān)于該碳化硅物品的特性，根據(jù)在圖2中提供的方法形成的ReSiC本體總體上是 一種具有特定硼含量的高電阻率碳化硅本體。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該ReSiC本體的電阻率 是不小于約1E5 Qcm (在300K)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，該ReSiC本體的電阻率是不小于約 1ε6 Ω cm,如不小于約1ε7 Ω cm,或甚至不小于約1Ε8 Ω cm (在300K)?？傮w上講，該ReSiC本體 的電阻率是在約lE5Qcm與約lE12Qcm之間的范圍內(nèi)(在300K)，并且更特別地在1Ε7 Ω cm 與約1Ε11 Ω cm之間的范圍內(nèi)(在300K)。此外，根據(jù)在圖2中提供的方法形成的ReSiC本體具有一個(gè)特定的硼含量。如在 此使用的，術(shù)語(yǔ)“硼含量”說(shuō)明了結(jié)合在該本體之中的在再結(jié)晶的碳化硅本體之中的硼原子 的含量。值得注意的是，該ReSiC本體的硼含量是不大于約500ppm。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案， 該硼含量是更少的，如不大于約400ppm，如不大于300ppm，或不小于約200ppm。根據(jù)在此 的實(shí)施方案，該硼含量是在約50ppm與約200ppm之間的范圍內(nèi)，更特別地在約50ppm與約 150ppm之間的范圍內(nèi)。根據(jù)在圖2中提供的方法形成的ReSiC本體可以具有與以上根據(jù)與圖1相關(guān)的實(shí) 施方案所說(shuō)明的相同的機(jī)械特性，如M0R、M0E、和CTE。另外，根據(jù)圖2的方法形成的ReSiC 本體具有如以上說(shuō)明的特性，值得注意的是與先前按照ReSiC本體(是根據(jù)圖1中提供的 方法形成)所披露的那些相同的孔隙率、收縮率、密度、熱傳導(dǎo)率、以及晶粒尺寸。該ReSiC本體可以包括長(zhǎng)度、寬度、以及厚度尺寸，它們總體上的關(guān)系如下長(zhǎng)度 >寬度>厚度。更具體地講，長(zhǎng)度典型地是所形成的物品的最長(zhǎng)的尺寸，而寬度總體上是第 二最長(zhǎng)的尺寸，并且總體上大于厚度。厚度總體上是最短的尺寸，并且更典型地小于寬度。 在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)在圖2中提供的方法形成的ReSiC本體的厚度是不小于約5mm。事 實(shí)上，根據(jù)這種方法形成的ReSiC本體可以包括具有更大厚度的堅(jiān)固的物品，如不小于約 10mm，如不小于約20mm，或甚至不小于30mm?？傮w上講，根據(jù)以上提供的方法形成的物品具
9有在約IOmm與約IOOmm之間的范圍內(nèi)的厚度。此外，除了形成該再結(jié)晶的碳化硅本體以外，該方法可以包括一個(gè)頂部部分。一個(gè) 頂部部分的形成可以包括如先前的實(shí)施方案中所提供的方法和特性。該頂部部分可以通過 一種沉積或滲透方法來(lái)形成，并且具體地可以包括一種無(wú)機(jī)材料，如一種碳化物并且特別 是碳化硅。實(shí)例 1以下提供的表1包括樣品1至11的電阻率，這些樣品包括一種再結(jié)晶的碳化硅本 體的樣品。對(duì)于這些樣品中的每個(gè)，表1提供了加熱溫度、起始材料、以及值得注意地加熱 環(huán)境，即在升華/再結(jié)晶反應(yīng)過程中的“動(dòng)態(tài)”或“靜態(tài)”環(huán)境。表 1 總體上講，每個(gè)樣品的形成都是從特定的起始材料形成一種混合物開始。如表1 中所提供的，這些特定的起始材料包括細(xì)晶粒的碳化硅顆粒和粗晶粒的碳化硅顆粒的一種 組合以實(shí)現(xiàn)顆粒的至少一種雙峰分布。在一些實(shí)例中，包括一種第三類型的碳化硅顆粒以 實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的晶粒大小分布。因此，E280、E285以及GMF5C起始材料是具有大致3微米 的平均粒度的細(xì)碳化硅顆粒。E300起始材料是具有大致100微米平均粒度的粗碳化硅顆 粒。細(xì)的SiC顆粒(E280和E285)和粗的SiC(E300)顆粒的混合物被結(jié)合為使得這些細(xì)的顆粒構(gòu)成該混合物的52襯％而粗的顆粒構(gòu)成剩余的48wt%。當(dāng)使用兩種類型的細(xì)碳化硅 顆粒(如E280和E285)時(shí)，這種結(jié)合包括兩種組分的相等百分比，即每種為這些細(xì)組分的 總重量的50wt%，或該干混合物的總重量的26wt%。一種水性漿料是由這些混合物的每種形成的，并且試驗(yàn)樣品是通過澆鑄形成生坯 物品由這些漿料的每一種形成的。將這些生坯物品加熱至一個(gè)升華/再結(jié)晶溫度以形成具 有5mm平均厚度的再結(jié)晶的碳化硅樣品。用于樣品1至11中的每個(gè)升華/再結(jié)晶溫度是 在1800°C與約2050°C之間，并且這些樣品在這個(gè)溫度下被保持180分鐘。值得注意的是， 樣品1至11中的每一個(gè)都是在一種“動(dòng)態(tài)”或“靜態(tài)”環(huán)境中進(jìn)行加熱。對(duì)于具有1. 25m3 體積的一個(gè)腔室，該“動(dòng)態(tài)”環(huán)境包括在6托量級(jí)上的減壓氣氛，以及典型地在6ppm量級(jí)上 的減小的氮?dú)夥謮?，連同以大致每分鐘8標(biāo)準(zhǔn)立升(SLPM)的速率經(jīng)過該加熱室的一種惰性 氣體(例如，Ar)流。該靜態(tài)環(huán)境包括一種正常環(huán)境，包括正常大氣壓和正常濃度的大氣氣 體。樣品1至11的每一個(gè)具有15vol%至20vol%的孔隙率。如表1所提供的，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中加熱這些樣品提供的再結(jié)晶的碳化硅本體具有比 在靜態(tài)環(huán)境中的樣品大至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻率。在動(dòng)態(tài)環(huán)境中形成的樣品(樣品1-7) 具有典型的在300K為大約lE7Qcm的電阻率以及在300K高達(dá)lE8Qcm的電阻率。而在靜 態(tài)環(huán)境中形成的樣品8-11具有在300K為大約3ε3 Ω cm的電阻率。在大多數(shù)情況下，在動(dòng)態(tài) 環(huán)境中形成的樣品對(duì)比在靜態(tài)環(huán)境中形成的樣品之間在電阻率上的差異是4個(gè)數(shù)量級(jí)。總 體上講，表1表明使用這里的實(shí)施方案中提供的特征和方法的特定組合有可能形成高電阻 率的再結(jié)晶的碳化硅本體。實(shí)例2以下提供的表2包括樣品1至12的電阻率，這些樣品是使用在以上實(shí)施方案中說(shuō) 明的一種硼摻雜技術(shù)形成。對(duì)于這些樣品中的每一個(gè)，表2提供了加熱溫度、起始材料、以 及值得注意的在每個(gè)樣品之中的硼的摻雜劑的水平(硼含量)。表2 樣品1至12是根據(jù)在此提供的實(shí)施方案形成的。這就是說(shuō)，使用水與細(xì)晶粒的和 粗晶粒的的碳化硅顆粒的一種混合物形成一種漿料。碳化硅顆粒的干混合物還包括不同百 分比的B4C粉末，加入該粉末以提供適當(dāng)?shù)呐饟诫s劑水平。具有500ppm的硼摻雜劑水平的 樣品在初始的干混合物之中包括大致0. 06襯％的B4C。具有200ppm的硼摻雜劑水平的樣 品在初始的干混合物之中包括大致0. 03wt%的B4C。具有75ppm的硼摻雜劑水平的樣品在 初始的干混合物之中包括大致0. 01襯％的B4C。樣品1至12中的每個(gè)都經(jīng)過滑移澆鑄以形成具有50mm平均厚度的生坯樣品。值 得注意的是，樣品1至12具有的厚度大于實(shí)例1中形成的樣品。將這些生坯物品加熱至一 個(gè)升華/再結(jié)晶溫度以形成再結(jié)晶的碳化硅樣品。對(duì)于樣品1至12中的每個(gè)升華/再結(jié) 晶溫度是在1700°C與約2150°C之間，并且這些樣品在這個(gè)溫度下被保持180分鐘。值得注 意的是，樣品1至12中的每個(gè)都是在具有6托壓力的減壓氣氛中進(jìn)行加熱。沒有惰性氣體 流經(jīng)該腔室。樣品1至12總體上具有15vol%至20vol%的孔隙率。表2展示了該摻雜劑水平與加熱溫度之間的關(guān)系。在1700°C的溫度下，包含 500ppm的硼含量的樣品1具有高電阻率(> lE5Qcm，在300K)。然而，分別具有200ppm和 75ppm的硼含量的樣品2和3不具有高電阻率。進(jìn)而，如在表2中進(jìn)一步證明的，諸位發(fā)明 人發(fā)現(xiàn)，與特定的材料和工藝參數(shù)相結(jié)合，使用更低碳含量時(shí)溫度的增加可以提供高電阻 率再結(jié)晶的碳化硅本體。例如，在1850°C的溫度和75ppm的硼含量下，形成了具有3Ε7 Ω cm 的電阻率的一種再結(jié)晶的碳化硅本體。此外，在大于1850°C的溫度下，用低水平的硼含量 (例如，75ppm)獲得了類似的高電阻率的再結(jié)晶的碳化硅本體。因此，表2展示，使用較小 水平的硼可以形成具有厚截面的高電阻率再結(jié)晶的碳化硅本體。在此說(shuō)明的這些再結(jié)晶的碳化硅物品適合用在電子工業(yè)中，特別是用在制造電子 元件。在此說(shuō)明的這些再結(jié)晶的碳化硅本體包括特定的特征，如電阻率、機(jī)械特性、以及有 助于它們用在單晶片加工應(yīng)用中的純度(這就是說(shuō)，低水平的潛在污染元素)。盡管已經(jīng)形成了能夠具有高電阻率的碳化硅物品，但是典型地此類本體是燒結(jié) 體、具有要求高燒結(jié)溫度的高密度、并且在制造過程中對(duì)高的收縮率是敏感的。在此披露的 特定物品和方法使得再結(jié)晶的碳化硅本體能夠具有高電阻率。本發(fā)明的物品和方法使之能 夠形成特殊的再結(jié)晶的碳化硅本體，這些碳化硅本體在再結(jié)晶的碳化硅物品的背景下顯示 出與現(xiàn)有技術(shù)的偏差。此外，在此披露的ReSiC本體結(jié)合了以下特征的組合，這些特征包括 特定的硼含量或氮含量、體積電阻率、線性收縮、平均晶粒大小、孔隙率、M0R、M0E、CTE、多個(gè) 覆蓋層以及尺寸。值得注意的是，在此披露的這些方法結(jié)合了以下特征的組合，這些特征包 括特定比率的細(xì)和粗的SiC顆粒、這些細(xì)和粗的SiC顆粒的特定顆粒大小、以及可以包括一種特定環(huán)境(即，減壓、氮?dú)夥謮骸⒑投栊詺怏w流)、升華溫度和持續(xù)時(shí)間的一種加熱處理。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，多種特征的特定組合有助于形成具有降低水平的硼的ReSiC 本體，這些減少的硼水平在現(xiàn)在之前一直不足以形成高電阻率的ReSiC本體。減小硼含量 同時(shí)實(shí)現(xiàn)增大的電阻率是具有顯著的意義的，因?yàn)榕鹪诰庸ぶ锌赡鼙灰暈橐环N雜質(zhì)。 此類高電阻率的ReSiC本體可以被結(jié)合進(jìn)入SWP平臺(tái)中以提供多種部件，如基片、晶片保持 件、以及其他器具，它與目前使用的那些材料相比更適合于高溫、腐蝕性環(huán)境的加工。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)降低水平的氮在ReSiC本體的背景下在電阻率上 顯示了一個(gè)出人意料的尖峰(增加)。盡管氮被認(rèn)為是與電阻率功能上相聯(lián)系的，但是已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)通過ReSiC本體中減少氮可以實(shí)現(xiàn)出乎意料地高的電阻率。盡管不希望被限制于一種 特定理論，據(jù)信不同晶粒尺寸的組合造成了這些SiC晶粒中的不同氮水平。其結(jié)果是，在特 定的加工條件下可能發(fā)生從這些粗SiC晶粒之間的細(xì)SiC晶粒中的優(yōu)先的氮提取，從而導(dǎo) 致這些再結(jié)晶的SiC晶粒之中電阻率的局部增加，特別是在晶粒邊界處，由此形成了具有 總體上高電阻率的一種ReSiC物品。因此，具有低氮含量的高電阻率ReSiC本體與目前使 用的那些材料相比是適合于高溫、腐蝕性環(huán)境的加工，并且可以被結(jié)合進(jìn)入SWP平臺(tái)中以 提供多種部件，如基片、晶片保持件、以及其他器具。雖然已經(jīng)在具體實(shí)施方案的背景中展示并說(shuō)明了本發(fā)明，它并非旨在被限制于所 示出的細(xì)節(jié)，因?yàn)闊o(wú)需以任何方式背離本發(fā)明的范圍即可以進(jìn)行不同的變更和代換。例如， 可以提供附加的或等效的替代物并且可以使用附加的或等效的生產(chǎn)步驟。這樣，本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員利用不超出常規(guī)的實(shí)驗(yàn)就可以想出對(duì)于在此披露的本發(fā)明的進(jìn)一步的變更 以及等效物，并且應(yīng)當(dāng)認(rèn)為所有此類的變更和等效物都是在由以下權(quán)利要求所定義的本發(fā) 明的范圍之內(nèi)。
1權(quán)利要求
一種再結(jié)晶的碳化硅本體，包括不小于約1E5Ωcm的電阻率；以及結(jié)合在該本體之中的氮原子的一個(gè)氮含量，其中該氮含量是不大于約200ppm。
2.如權(quán)利要求1所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該電阻率是不小于約lE6Qcm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該本體是包括具有不小于約 0. 5微米的平均晶粒尺寸的晶粒的多晶體。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該本體包括不小約5vol%的 孔隙率。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該氮含量是不大于約 150ppmo
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該本體包括不大于約 2. 9g/cc的密度。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，進(jìn)一步包括覆蓋在該本體 的至少一部分上的一個(gè)表面部分。
8.如權(quán)利要求7所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該表面部分具有一個(gè)密度并且該本 體具有一個(gè)密度，并且該表面部分具有的密度大于該本體的密度。
9.一種再結(jié)晶的碳化硅本體，包括不小于約1E5 Ω cm的電阻率；以及結(jié)合在該本體之中的硼原子的一個(gè)硼含量，其中該硼含量是不大于約500ppm。
10.如權(quán)利要求9所述的再結(jié)晶的碳化硅本體，其中該硼含量是不大于約250ppm。
11.一種形成多晶式再結(jié)晶的碳化硅物品的方法，該方法包括將粗碳化硅顆粒與細(xì)碳化硅顆粒結(jié)合以形成一種混合物，這些細(xì)碳化硅顆粒具有的平 均粒度小于這些粗碳化硅顆粒的平均粒度；將該混合物成型以形成一個(gè)生坯物品；并且在包括一種惰性氣體并且具有不大于約25托的減小的壓力的一種氣氛中將該生坯物 品加熱至一個(gè)升華溫度，以形成具有不小于約lE5Qcm的電阻率的一種再結(jié)晶的碳化硅本 體。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中加熱過程中該氣氛包括不大于約15ppm的氮?dú)鉂舛取?br> 13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其中在加熱過程中，對(duì)于具有1.25m3的體積的一 個(gè)腔室，使該惰性氣體以不小于約每分鐘2標(biāo)準(zhǔn)立升(SLPM)的速率流動(dòng)經(jīng)過包含該生坯物 品的一個(gè)腔室。
14.如權(quán)利要求11、12或13所述的方法，其中這些粗碳化硅顆粒的平均粒度是不小于 約30微米。
15.如權(quán)利要求11、12、13或14所述的方法，其中這些細(xì)碳化硅顆粒的平均粒度是不大 于約15微米。
全文摘要
在此提供了一種再結(jié)晶的碳化硅本體，該再結(jié)晶的碳化硅本體具有不小于約1E5Ωcm的電阻率以及包括結(jié)合在該本體之中的氮原子的氮含量，其中該氮含量是不大于約200ppm。
文檔編號(hào)C04B35/573GK101896442SQ200880119846
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者A·G·黑爾, E·A·佩里 申請(qǐng)人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司