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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft neuartige Aluminiumnitridsinterkörper mit
hoher Reinheit und geringem spezifischem Volumenwiderstand sowie
Gegenstände
mit darin eingebettetem Metall, elektronisch funktionelle Materialien
und elektrostatische Haltevorrichtungen, die diesen Aluminiumnitridsinterkörper verwenden.
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Stand der Technik
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Gegenwärtig werden
elektrostatische Haltevorrichtungen in Filmbildungsverfahren, die
die Schritte des Überführens, Belichtens,
chemischen Aufdampfens, Sputterns und dergleichen und die darauffolgenden Schritte
der Mikrobearbeitung, des Waschens, Ätzens, Dicens und dergleichen
eines Halbleiterwafers umfassen, zum Anziehen und Halten des Halbleiterwafers
verwendet. Als Substrat solcher elektrostatischer Haltevorrichtungen
haben dichte Keramiken die Aufmerksamkeit auf sich gelenkt. Insbesondere
in Maschinen zur Herstellung von Halbleitern werden häufig halogenhältige Korrosionsgase,
wie z.B. CIF3 und dergleichen als Ätz- oder
Reinigungsgas verwendet. Ferner weist das Substrat der elektrostatischen
Haltevorrichtung vorzugsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf, damit der Halbleiterwafer
während
des Haltens rasch erhitzt oder abgekühlt werden kann. Darüber hinaus
ist es erwünscht,
eine derart hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufzuweisen, dass
der Halbleiterwafer aufgrund einer raschen Temperaturveränderung
nicht auseinander bricht. Ein dichtes Aluminiumnitrid weist, wie
oben erwähnt,
hohe Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
halogenhältigen Korrosionsgasen
auf. Zudem ist bekannt, dass ein solches Aluminiumnitrid ein Material
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
ist und dessen Volumenwiderstand bei Raumtemperatur nicht weniger
als 1014 Ω·cm beträgt. Ferner ist auch bekannt,
dass Aluminiumnitrid hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Daher wird
es als bevorzugt angesehen, um ein Substrat für eine elektrostatische Haltevorrichtung
für Halbleiterherstellungsmaschinen
aus einem Aluminiumnitridsinterkörper
auszubilden.
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Zur
Verwendung einer elektrostatischen Haltevorrichtung als Suszeptor
zum Halten eines Halbleiterwafers ist es andererseits erforderlich,
die Anziehungskraft der elektrostatischen Haltevorrichtung zu erhöhen und
in der Folge den spezifischen Widerstand des Substrats zu verringern.
In der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 7-19831 wird
beispielsweise zur Erhöhung
der Anziehungskraft der elektrostatischen Haltevorrichtung durch
Verringern des Widerstands der dielektrischen Isolierschicht der
elektrostatischen Haltevorrichtung ein Isoliermaterial mit hohem
spezifischem Volumenwiderstand mit einem leitfähigen oder Halbleitermaterial aufgenommen,
um den spezifischen Widerstand der dielektrischen Isolierschicht
auf nicht mehr als 1013 Ω·cm einzustellen. Ferner werden
in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2-22166 Keramikausgangsmaterialien, die
als Hauptkomponente Aluminiumoxid enthalten, in reduzierter Atmosphäre gebrannt,
um dielektrische Keramiken für
elektrostatische Haltevorrichtungen herzustellen. Dabei wird das
Keramikausgangsmaterial so erstellt, dass es ein Erdalkalimetall
und ein Übergangsmetall
in als Oxid davon ermittelten Mengen von 1 bis 6 Gew.-% bzw. 0,5
bis 6 Gew.-% enthält.
In diesem Verfahren wird beispielsweise beabsichtigt, die dielektrische Konstante
zu erhöhen,
wodurch gleichzeitig der spezifische Volumenwiderstand auf 1012 bis 1018 Ω·cm verringert
wird, indem TiO2 zusammen mit den Aluminiumoxidkeramiken
aufgenommen wird, um eine hohe Anziehungskraft zu erzielen.
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Gemäß einem
solchen Verfahren ergeben sich jedoch Probleme, wie z.B. dass es
bei Produkten, die durch Korrosion von Erdalkalimetallen und Übergangsmetallen
hergestellt werden, zu Teilchenbildung kommt.
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Hochreine
Aluminiumnitridsinterkörper
eignen sich jedoch aufgrund ihres hohen spezifischen Volumenwiderstands
von zumindest 1014 Ω·cm nicht zur Ausbildung eines
Substrats aus elektrostatischen Haltevorrichtungen für Halbleiterherstellungsgeräte. Damit
diese eine ausreichende Anziehungskraft erhalten, ist es erforderlich,
eine äußerst dünne dielektrische
Isolierschicht, die 300 μm
oder weniger beträgt,
auszubilden. Es wurde jedoch herausgefunden, dass wenn eine derartig
dünne dielektrische
Isolierschicht während
ihrer langen Gebrauchsdauer halogenhältiges Korrosionsgas oder Plasma
kontaktiert, ist es möglich,
dass es zu einem Isolationsdurchschlag oder dergleichen kommt, der
von einem Ausgangspunkt jeder beliebigen der Reaktantenschichten
auf der Oberfläche
der dielektrischen Isolierschicht ausgeht. In diesem Zusammenhang
wurde herausgefunden, dass die dielektrische Isolierschicht vorzugsweise
500 μm oder
mehr beträgt.
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In
der US-A-5376601 ist ein gesinterter Aluminiumnitridgegenstand offenbart.
Dieser Gegenstand verfügt über hohe
Reinheit und eine mittlere Korngröße von mehr als 9 μm. Es wird
kein Sintermittel verwendet.
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In
der FR-A-2637887 ist ein feines Pulver aus Aluminiumnitrid offenbart.
Der mittlere Teilchendurchmesser beträgt nicht mehr als 2 μm und zumindest
70 % der Teilchen weisen einen Durchmesser von nicht mehr als 3 μm auf. Das
Pulver umfasst 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, 0,02 bis 5 Gew.-% Oxide
(z.B. Erdalkalimetalle oder Lanthan oder Metalle der Yttriumfamilie)
sowie andere Komponenten.
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Bei
herkömmlichen
elektrostatischen Haltevorrichtungen, die aus einem Aluminiumnitridsinterkörper bestehen
führt eine
dielektrische Isolierschicht mit einer solchen Dicke jedoch zu einer
Verringerung der Anziehungskraft der elektrostatischen Haltevorrichtungen.
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Insbesondere
in einem Niedertemperaturbereich, in dem der spezifische Volumenwiderstand
hoch ist, war es schwierig, eine ausreichende Anziehungskraft bereitzustellen.
Trockenätzverfahren
werden insbesondere bei geringen Temperaturen von –50 °C bis –60 °C durchgeführt und
hoch verdichtete Plasma-CVD-Verfahren werden bei einer relativ geringen
Temperatur von etwa 100 °C
durchgeführt.
Daher war es bei solchen Niedertemperaturverfahren schwierig, eine
vorbestimmte Anziehungskraft konstant bereitzustellen.
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Aus
diesem Grund haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Aluminiumnitridsinterkörper an
sich neu erforscht.
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Bei
einer elektrostatischen Haltevorrichtung, die ein Aluminiumnitridsubstrat
umfasst, wurde beispielsweise die Wirkung der Zugabe eines Materials
mit niedrigem spezifischem Widerstand zum Aluminiumnitridsubstrat
gemäß der Beschreibung
in der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-19831 beobachtet. Anhand
dieses Verfahrens konnte der spezifische Volumenwiderstand des Aluminiumnitridsinterkörpers auf
nicht mehr als 1013 Ω·cm reduziert werden. Bei
dieser elektrostatischen Haltevorrichtung ist es jedoch möglich, dass
der Halbleiter durch Entfernen des zugesetzten Metalls mit geringer
Beständigkeit
oder dergleichen von der Oberfläche des
Substrats verunreinigt wird.
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Alternativ
dazu wurde vorgeschlagen, die Wärmeleitfähigkeit
sowie die Dichte des Aluminiumnitrids zu verbessern, indem ein Oxid
oder Carbonat eines Seltenerdmetalls, wie z.B. Yttrium oder dergleichen,
als Sintermittel zu einem Aluminiumnitridausgangsmaterial (japanische
Patentveröffentlichung
Nr. 63-46032) zugesetzt wird. Anhand eines solchen Sintermittels
können
dichte Aluminiumnitridsinterkörper
sogar mittels eines normalen Drucksinterverfahrens hergestellt werden.
Solche Aluminiumnitridsinterkörper
weisen einen hohen spezifischen Volumenwiderstand auf, wobei sogar
jene mit einer etwa 99%igen relativen Dichte einen spezifischen
Volumenwiderstand in einem Ausmaß von 1013 bis
1015 Ω·cm aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen
Aluminiumnitridsinterkörper
mit hoher Reinheit und geringem spezifischem Volumenwiderstand bereitzustellen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines neuartigen elektronisch funktionellen Materials, das einen
solchen Aluminiumnitridsinterkörper
umfasst und einen spezifischen Volumenwiderstand wie die Halbleiter
aufweist, sowie eines Gegenstands, das einen solchen Aluminiumnitridsinterkörper mit
einem darin eingebetteten Metallelement verwendet.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein wie in Anspruch 1 dargelegter
Aluminiumnitridsinterkörper
bereitgestellt.
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Ferner
wird gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein wie in Anspruch 5
dargelegter Gegenstand bereitgestellt.
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Zudem
wird gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein wie in Anspruch 6
dargelegtes elektronisch funktionelles Material bereitgestellt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben es überraschenderweise geschafft,
bei der Herstellung des Aluminiumnitridsinterkörpers, der nicht mehr als 900
ppm zumindest einer Metallverunreinigung, die kein Seltenerdmetall
ist, enthält,
einen Aluminiumnitridsinterkörper
mit einem spezifischen Volumenwiderstand von nicht mehr als 1 × 1012 Ω·cm bereitzustellen,
indem sie den (als Oxid davon ermittelten) Gehalt der Seltenerdmetalle
im Sinterkörper
auf nicht mehr als 0,5 Gew.-% einstellten und das Sinterverfahren
so durchführten, dass
die Teil bildenden Aluminiumnitridkristallkörner einen mittleren Korndurchmesser
von zumindest 3,0 μm aufwiesen.
Wie es zu einem solchen Ergebnis kommt, ist nicht gänzlich geklärt, wobei
folgende Vermutungen angestellt werden:
Als Grundgedanke kann
der Widerstand der Aluminiumnitridsinterkörper als ein Widerstand einer
Schaltung ermittelt werden, die durch Serien- und Parallelschalten
von Aluminiumnitridkristallkornwiderständen mit Korngrenzenwiderständen gebildet
wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Verdichtung
von Sinterkörpern
beschleunigt, indem sie Aluminiumnitridteilchen mit hoher Reinheit
verwendet, eine geringe Menge eines Seltenerdmetalle damit vermischt
und mittels Heißpressen
oder dergleichen einen hohen Druck angelegt haben.
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Wenn
dabei die Seltenerdmetallverbindung in einer Menge von mehr als
0,5 Gew.-% beigemischt wird, diffundiert der in den Ausgangsteilchen
vorliegende Sauerstoff während
des Brennens an die Außenfläche der Teilchen.
Im Gegensatz dazu bleibt der Sauerstoff gemäß der vorliegenden Erfindung
durch Einstellen der Menge der Seltenerdmetallverbindung auf eine
geringe Menge und Anlegen eines hohen Drucks beim Sintern in den
Aluminiumnitridkristallkörperkörnern im
Zustand einer festen Lösung.
Dieser Sauerstoff in den Kristallkörnern ersetzt Stickstoffatome
im AIN, um ein Donatorniveau in der Bandlücke zu bilden, was zur Folge
hat, dass die Elektronenleitfähigkeit
in den Körnern
verbessert wird. Wie oben erwähnt,
ist die feste Sauerstofflösung
in den Aluminiumnitridkristallkörnern
essentiell, um den Widerstand jedes der Kristallkörner zu
verringern.
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Herkömmlich wurden
Seltenerdmetalle, wie z.B. Yttrium oder dergleichen, als Sintermittel
aufgenommen, wobei Aluminiumnitridsinterkörper in einer als Oxid davon
ermittelten Menge mit mehreren Gew.-% (japanische Patentveröffentlichung
Nr. 63-46032) vorlagen.
Wenn diese Menge positiv verringert wird, wird bei normalen Drucksinterverfahren
kaum ein dichter Körper
erhalten. Ferner wurde eine Studie durchgeführt, um die Wärmeleitfähigkeit
der Aluminiumnitridsinterkörper
zu verbessern, indem die Menge dieser zuzusetzenden Sintermittel
erhöht
wird, was bedeutet, dass herkömmlich
in etwa mehrere Gew.-% eines Sintermittels zugesetzt wurden, um
die Porosität
zu verringern und die Wärmeleitfähigkeit
von Aluminiumnitridsinterkörpern
zu erhöhen.
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Zudem
weist das Ausgangspulver von Aluminiumnitriden in seinen Teilchen
Sauerstoff auf. Der in den einzelnen Teilchen vorliegende Sauerstoff
diffundiert durch Einwirkung des Sintermittels beim Sintern an die Außenfläche der
Teilchen. Es wurde angenommen, dass die Wärmeleitfähigkeit mit voranschreitendem
Entfernen des Sauerstoffs aus den Aluminiumnitridteilchen stärker verbessert
wird.
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Es
wurde nämlich
angenommen, dass die Sauerstoffatome eine Art Verunreinigung darstellten,
die in den Aluminiumnitridkristallkörnern sogar nach dem Sintern
zurückblieben.
Folglich wurde eine Studie zur Verringerung der in den Körnern zurückbleibenden
Sauerstoffmenge durchgeführt,
um die Wärmeleitfähigkeit
von Sinterkörpern
zu verbessern. Bisher ist keine Studie zur Verwendung von Aluminiumnitridsinterkör pern aus
einem anderen Blickwinkel als Material mit spezifischen Volumenwiderstand
im Bereich von Halbleitern durchgeführt worden.
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Im
Gegensatz dazu wird die Menge des in den Körnern nach dem Drucksintern
zurückbleibenden
Sauerstoffs gemäß- der vorliegenden
Erfindung gesteuert, indem die Menge der eingemischten Seltenerdmetallverbindung
eingestellt und der Druck beim Sintern erhöht wird, woraus sich ergibt,
dass der Sauerstoff als Donator zur Verringerung des Widerstands
jedes der Kristallkörner
zurückbleibt.
Dabei stellt die Verwendung des in den Kristallkörnern nach dem Sintern zurückbleibenden
Sauerstoffs als Donator zur Verringerung des spezifischen Volumenwiderstands
von Aluminiumnitridsinterkörpern
auf den Halbleiterwert ein völlig
neuartiges Konzept dar.
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Der
Gehalt des/der Seltenerdmetalls/Seltenerdmetalle in Aluminiumnitridsinterkörpern darf
als Oxid davon nicht mehr als 0,5 Gew.-% betragen. Bei über 0,5
Gew.-% diffundiert der in den Kristallkörnern vorliegende Sauerstoff
beim Sintern an die Außenfläche der
Körner.
Wenn der Sauerstoff so herausgespült und das Innere der Körner gereinigt
wird, kommt es aufgrund der nachlassenden Phononenstreuung mit abnehmendem
Sauerstoffgehalt zu einem Anstieg der Wärmeleitfähigkeit, wobei der Widerstand
des jeweiligen Korns ebenfalls erhöht wird. Ferner bilden an den
Grenzen und Tripelpunkten jedes der Aluminiumnitridkristallkörper zurückbleibende
Seltenerdmetalle eine intergranulare Phase. Diese intergranulare
Phase ordnet das Kristallgitter in der Nähe der Korngrenze jedes der
an andere angrenzenden Aluminiumnitridkristallkörner um und lockert die Haftung
zwischen Kristallkörnern.
Es wird davon ausgegangen, dass die Verringerung des spezifischen
Volumenwiderstands des Sinterkörpers
bisher aufgrund solcher Fehlordnungen an jeder der Korngrenzen von
Kristallkörnern
verhindert wurde. In den Aluminiumnitridsinterkörpern der vorliegenden Erfindung
ist sogar die Fehlordnung der Atomanordnung an der Aluminiumnitridkristallkorngrenze
kaum erkennbar.
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In
diesem Zusammenhang kann der spezifische Volumenwiderstand der Sinterkörper stärker verringert
werden, indem der Gehalt der Seltenerdmetalle auf nicht mehr als
0,1 Gew.-% verringert wird.
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Es
ist erforderlich, dass der Gehalt an Seltenerdmetallen im Sinterkörper nicht
weniger als 150 ppm beträgt.
Es wurde herausgefunden, dass wenn der Gehalt so eingestellt ist,
dass er nicht weniger als 300 ppm beträgt, die Verringerung des spezifischen
Volumenwiderstands besonders bemerkbar wird. In diesem Zusammenhang
beträgt
der Gehalt an Seltenerdmetallen im Sinterkörper vorzugsweise nicht weniger
als 300 ppm.
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Insbesondere
bei der Verwendung in Halbleiterverfahren werden in diesen Verfahren
als Unreinheiten angesehene Alkalimetalle und Übergangsmetalle nicht bevorzugt.
Zudem wird angenommen, dass Metallverunreinigungen mit der Ausnahme
von Seltenerdemetallen in den Körnern
oder an den Korngrenzen vorliegen und zur Erhöhung des Widerstands in den
Körnern
oder an den Korngrenzen dienen.
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Ferner
ist es in vorliegender Erfindung erforderlich, Ausgangsmaterialien
mit hoher Reinheit zu verwenden, konkreter ausgedrückt, muss
der Gehalt an Metallverunreinigungen mit der Ausnahme von Seltenerdemetallen
auf nicht mehr als 900 ppm eingeschränkt werden. Bei über 900
ppm macht sich, wie erwartet, die Tendenz bemerkbar, dass der spezifische
Volumenwiderstand des Sinterkörpers
ansteigt. Da diese Metalle als Unreinheiten vorliegen, wird bevorzugt,
dass deren Menge so gering wie möglich
ausfällt.
Folglich beträgt
die Menge der Metallverunreinigungen mit der Ausnahme von Seltenerdmetallen
vorzugsweise nicht mehr als 500 ppm, noch bevorzugter nicht mehr
als 100 ppm, einschließlich
0 ppm bis unter die Nachweisgrenze.
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Zudem
sollte der mittlere Korndurchmesser der Aluminiumnitridkristallkörner in
den Sinterkörpern nicht
weniger als 3,0 μm,
noch bevorzugter nicht weniger als 4,0 μm, insbesondere nicht weniger
als 5,0 μm betragen.
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Wenn
der mittlere Korndurchmesser der Kristallkörner größer wird, nimmt die Anzahl
an Kristallkorngrenzen pro Einheitslänge des Leitungswegs im Sinterkörper ab.
Im Allgemeinen ist der Widerstand der Kristallkorngrenze größer als
jener in den Kris tallkörnern;
wenn beispielsweise die Sintertemperatur zum Züchten von Kristallen erhöht wird,
nimmt der spezifische Widerstand davon tendenziell ab. Es ist wichtig,
die Anzahl an Korngrenzen pro Anzahl der Körner zu verringern, um den
spezifischen Volumenwiderstand des Sinterkörpers zu verkleinern. Daher
wird auch der Widerstand des Sinterkörpers größer, wenn die Kristallkörner auf
einen mittleren Korndurchmesser von lediglich weniger als 3,0 μm gezüchtet worden
sind, da die Häufigkeit
von Korngrenzen pro Leitungsweg steigt.
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Der
mittlere Durchmesser der Aluminiumnitridkristallkörner unterliegt
keiner besonderen Obergrenze, wobei er im Allgemeinen vorzugsweise
nicht mehr als 20 μm
beträgt.
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Ferner
weisen die Aluminiumsinterkörper
eine relative Dichte von nicht weniger als 98,5 % auf, wodurch der
spezifische Volumenwiderstand der Sinterkörper zusätzlich verringert wird. In
diesem Zusammenhang beträgt
die relative Dichte des Sinterkörpers
vorzugsweise weniger als 99,0 %, noch bevorzugter weniger als 99,6
%.
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Wie
oben angeführt,
müssen
die Aluminiumnitridsinterkörper
in vorliegender Erfindung extrem verdichtet sein und gleichzeitig
wird die Menge an zugesetzten Seltenerdmetallen auf eine solche
Menge verringert, dass die Seltenerdmetalle im Wesentlichen nicht
als Sintermittel dienen können.
Gleichzeitig muss die Menge an anderen zuzusetzenden Metallelementen,
die ausreichend funktionell ist, um das Sintern zu beschleunigen,
wie oben erwähnt,
aufs äußerste verringert
werden. Unter solchen Bedingungen kann im Allgemeinen mittels normaler
Drucksinterverfahren lediglich eine relative Dichte von nicht mehr
als 90 % erhalten werden.
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Daher
ist es zum Erhalten von erfindungsgemäßen Aluminiumsinterkörpern erforderlich,
ein Presssinterverfahren, wie z.B. ein Heißpressverfahren und ein isostatisches
Heißpressverfahren,
anzuwenden, wodurch die Aluminiumnitridsinterkörper verdichtet werden können ohne
jegliche Sintermittel zu erfordern.
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Folglich
besteht einer der Hauptpunkte der vorliegenden Erfindung darin,
dass während
des Brennens auch ein mechanischer Druck angelegt wird. Gemäß herkömmlicher
Herangehensweisen wurde beispielsweise das Heißpressverfahren als Verfahren
zum Anlegen eines mechanischen Drucks zur Beschleunigung der Verdichtung
von Sinterkörpern
verstanden.
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In
der vorliegenden Erfindung dient dies jedoch nicht nur zur Verdichtungsbeschleunigung
von Sinterkörpern.
Unter Hochtemperaturbedingungen während des Brennens ist es nämlich möglich, dass
der Elektronenzustand der Aluminiumnitridkristallkörner oder
Korngrenzen synergistisch mit geringen Mengen an Seltenerdmetallen
unterbrochen wird, die sich vor dem Brennen an der Oberfläche der
Aluminiumnitridkörner
befanden, wozu es beim normalen Drucksintern nicht kommen würde. Es
wird angenommen, dass eine solche Unterbrechung die Anordnung der
Aluminiumatome und Stickstoffatome an den Grenzen von benachbarten
Kristallkörnern
steuert und folglich den Widerstand an den Korngrenzen verkleinert.
Es ist durchaus möglich,
dass das oben Beschriebene die Abnahme des Widerstands an den Korngrenzen
verursacht und sich auch auf die Abnahme des Widerstands im Korninneren
auswirkt.
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Die
so erhaltenen erfindungsgemäßen Aluminiumnitridsinterkörper weisen überraschenderweise
einen spezifischen Widerstand im Bereich von 1 × 1012 bis
1 × 1016 Ω·cm, noch
bevorzugter im Bereich von nicht mehr 1 × 1011 Ω·cm und
insbesondere im Bereich von nicht mehr als 1 × 1010 Ω·cm, auf.
Ein solcher Bereich des spezifischen Volumenwiderstands liegt genau
im Bereich für
Halbleiter. Die vorliegende Erfindung stellt in erster Linie in
hochreinen Aluminiumnitridsinterkörpern, einschließlich sehr
geringen Mengen an Metallverunreinigungen und Seltenerdmetallen,
einen Sinterkörper
mit einem spezifischen Volumenwiderstand im Halbleiterbereich bereit.
Insofern ist die vorliegende Erfindung als bahnbrechend anzusehen.
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Zudem
sind die Aluminiumnitridsinterkörper
bislang als elektrisch isolierendes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
untersucht worden. Ferner wurde der Versuch un ternommen, den Widerstand
durch Dotieren von Aluminiumnitridsinterkörpern mit einem elektrischen
Leiter oder Halbleiter zu verringern. Es gibt jedoch keine Studie,
zur Verringerung des Widerstands von Aluminiumnitridkristallkörnern an
sich, wie es in vorliegender Erfindung der Fall ist.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zudem die Grenzen jeder
der Kristallkörner
untersucht und die drastische Abnahme des spezifischen Volumenwiderstands
des Sinterkörpers
ergründet.
Wenn, wie oben beschrieben, kein Seltenerdmetall zugesetzt wurde,
nahm der spezifische Volumenwiderstand des Sinterkörpers zuerst
nicht so stark ab, wie dies in der vorliegenden Erfindung der Fall
ist, und Seltenerdmetalle bildeten keine feste Lösung in den Kristallkörnern, sodass
angenommen wird, dass wenn eine sehr geringe Menge an Seltenerdmetallen
in den Grenzen von benachbarten Kristallkörnern vorlagen, der Widerstand
an den Kristallkorngrenzen verkleinert werden könnte.
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In
der Tat haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung durch jede
der nachstehend angeführten Messverfahren
herausgefunden, dass Seltenerdemetalle im Wesentlichen nicht im
Innern von Aluminiumnitridkristallkörnern vorliegen, sondern in
der Grenze von zwei benachbarten Aluminiumnitridkristallkörnern zugegen
sind. In vorliegender Beschreibung sowie in den Ansprüchen sollte
die Aussage "Seltenerdelemente
liegen im Wesentlichen nicht in Kristallkörnen vor" so verstanden werden, dass mittels
EDS (energiedispersiver Röntgenstrahlspektroskopie)
kein Peak angezeigt wird, der den Seltenerdmetallen entspricht.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Seltenerdmetalle in der Korngrenze
von zwei benachbarten Aluminiumnitridkristallkörnern vorliegen, jedoch keine
Kristallphase ausbilden und in der Korngrenze zwischen Kristallkörnern auf
Atomniveau vorliegen. Darüber
hinaus wurde herausgefunden, dass in der Korngrenze von zwei benachbarten
Aluminiumnitridkristallkörnern
der fehlgeordnete Abschnitt der Kristallgitter, aus denen jedes
der Aluminiumnitridkristallkörner
besteht, kaum erkennbar ist und dass die Breite dieses Abschnitts
nicht mehr als 5 nm, insbesondere nicht mehr als 1 nm, beträgt. In einigen
gemessenen Proben konnte eine solche Fehlordnung der Kristall gitter
an den Grenzflächen
der Körner
im Wesentlichen nicht festgestellt werden. Es wird davon ausgegangen,
dass der Widerstand zwischen Kristallkörnern aufgrund einer solchen
spezifischen Mikrostruktur an der Korngrenze der Kristallkörner extrem
verringert ist.
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Zudem
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung den Tripelpunkt (von
drei Aluminiumnitridkristallkörnern
gebildeter Tripelpunkt) in den Aluminiumnitridsinterkörpern untersucht
und herausgefunden, das die Kristallphase am Tripelpunkt im Wesentlichen
keine Seltenerdmetalle enthält.
Daraus wird abgeleitet, dass die Seltenerdmetalle als extrem dünne amorphe
Phase nahe der Oberfläche
oder auf der Oberfläche
jedes der Aluminiumnitridkristallkörner vorliegen. Sogar am Tripelpunkt
wurde herausgefunden, dass die Seltenerdmetalle ausschließlich nahe
der Oberfläche
oder auf der Oberfläche
der Kristallkörner
zugegen sind.
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Aus
diesen Ergebnissen ging hervor, wieso der spezifische Volumenwiderstand
bei starken Metallverunreinigungen mit der Ausnahme von Seltenerdmetallen
extrem erhöht
ist. Der Grund dafür
liegt darin, dass eine solche Metallatomunreinheit eine feste Lösung in
den Aluminiumnitridkristallkörnern
ausbildet oder in den Korngrenzen vorliegt; von solchen Kristallkörnern oder
Korngrenzen wird angenommen, dass sie einen hohen Widerstand aufweisen.
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Darüber hinaus
beträgt
die Differenz zwischen dem Gesamtsauerstoffgehalt im Aluminiumnitridsinterkörper und
dem als Sauerstoff von Oxiden des Seltenerdmetalls angenommenen
Sauerstoffgehalt nicht weniger als 0,5 Gew.-%. Diese Differenz stellt
den in den Aluminiumnitridkristallkörnern zurückbleibenden Sauerstoffgehalt
dar. Durch Erhöhen
davon auf bis zu nicht weniger als 0,5 Gew.-% kann der Widerstand
der Kristallkörner
an sich verringert werden, wodurch der spezifische Volumenwiderstand
des gesamten Sinterkörpers auch
stark verringert werden kann. Die Obergrenze beträgt jedoch
2,0 Gew.-%.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben durch ein Elektronenspinresonanzverfahren
(ESR-Verfahren) in Bezug auf jede der Proben der Aluminiumnitridsinterkör per mit
geringem spezifischem Volumenwiderstand gemäß der vorliegenden Erfindung
Spektren entnommen, um die Beschaffenheit der defekten Struktur
im Innern der kristallinen Phase und an der Korngrenze zu untersuchen.
Dieses Prinzip soll nachstehend kurz erläutert werden. Unter einem Magnetfeld
kommt es aufgrund des Zeeman-Effekts zu einer Aufspaltang des Energieniveaus
ungepaarter Elektronen. Auf diese Energieniveaus reagieren Orbitbewegungen
von Elektronen und wechselseitige Wirkungen benachbarter Elektronen
mit Kernmagnetwirksamkeit empfindlich. Im ESR-Verfahren ist es möglich, Information über Atome,
chemisches Koppeln oder dergleichen in der Nähe eines Atoms mit den ungepaarten
Elektronen durch Aufspaltung der Energieniveaus zu erhalten.
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Im
Aluminiumnitrid ändert
sich der g-Faktor der ungepaarten Elektronen aus Aluminium je nach
Kristallfeld, in dem die ungepaarten Elektronen vorliegen. Dieser
g-Faktor beträgt theoretisch
in einem freien Elektron 2,0000 und 2,002316 nach einer relativistischen
Korrektur. Das Al-Atom und N-Atom in der Aluminiumnitridkristallphase
weisen eine Wurtzit-Struktur mit vier Koordinationen auf. Daher
besteht ein sp3-hybridisiertes Orbit aus einem Aluminiumatom
und drei Stickstoffatomen. Aus dem g-Faktor jeder der Proben lässt sich
erkennen, in welcher Kristallkoordination die ungepaarten Elektronen
in den Gitterdefekten vorliegen oder welche Art von Elementen um
die ungepaarten Elektronen vorliegen.
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Mit
diesem Ergebnis konnte bewiesen werden, dass in Aluminiumnitridsinterkörpern gemäß vorliegender
Erfindung der g-Faktor der ungepaarten Elektronen des Aluminiums
in einem Spektrum mittels ESR-Verfahren nicht mehr als 2,000 beträgt.
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Wenn
die Art von Atomen, die mit einem Al-Atom gekoppelt sind, die ungepaarte
Elektronen aufweisen, verändert
wird, kommt es dadurch auch zu einer starken Veränderung des g-Faktors. Der
Grund, dass es zu einem derartig geringen g-Faktor wie oben kommt,
wird einer Veränderung
der Art der Atome, die mit dem Aluminium gekoppelt sind, zugeschrieben.
In einem Si-Atom mit einer Vierkoordinatenstruktur wurde berichtet, dass
die gleiche g-Faktorveränderung
wie oben auftritt (siehe "ESR
assessment method of materials",
IPC Publishing, S. 57). Es wird angenommen, dass dies auf den Einfluss
von Sauerstoffatomen, die in den Aluminiumnitridkristallkörnern zurückbleiben,
zurückzuführen ist.
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Es
wurde auch herausgefunden, dass die aus einem Spektrum mittels ESR-Verfahren erhaltene
Anzahl der Spins pro mg-Einheit von Aluminium nicht weniger als
1 × 1013 Spins beträgt. Des Messverfahren entsprach
dem von Hiroaki Ohya und Jun Yamauchi in "Electron Spin Resonance" beschriebenen Verfahren,
veröffentlicht
von Kodansha Co., Ltd. Die Absorptionsintensität in den ESR-Spektren ist demzufolge
proportional zur Prozentzahl der ungepaarten Elektronen im Aluminiumnitridkristallkorn.
Die quantitative Bestimmung des g-Faktors muss im Vergleich mit
einer Standardprobe mit einem bekannten g-Faktor durchgeführt werden. Dies
bedeutet, dass es erforderlich ist, dass die Probe mit dem bekannten
g-Faktor und die Probe des Aluminiumnitridsinterkörpers gemäß der vorliegenden
Erfindung unter den gleichen Bedingungen gemessen werden, wobei
erhaltene Absorptionskurven in integrale Kurven umgewandelt werden,
und anschließend
werden die durch die integralen Kurven definierten Flächen miteinander
verglichen.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung bestimmten eine einzelne sehr
feine Linie von Mn2+/MgO durch Verwendung
einer Lösung
von TEMPOL (4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpyperidin-1-oxyl)
mit einer bekannten Spinanzahl, verglichen die Spinanzahl mit der
Linie, und ermittelten die Anzahl der Spins pro mg-Einheit des Aluminiumnitridsinterkörpers aus
einem Flächenverhältnis von
Peaks.
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Zur
Schätzung
des Zustands der Elektronen in der Bandlücke, was Einfluss auf die elektrische
Eigenschaft des Aluminiumnitridsinterkörpers nimmt, und zur weiteren
Veranschaulichung des Merkmals der vorliegenden Erfindung nahmen
die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Messung eines Kathodenlumineszenzspektrums
vor.
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Eine
Kathodenlumineszenz ist im Allgemeinen eine Art von Reflektionswelle
aus einer Probe, wenn diese mit Elektronenstrahlen bestrahlt wird.
Wie in 1 als schematische Ansicht gezeigt, wird ein positives Loch
im Valenzband ausgebildet, wenn angeregtes Elektron aus einem Valenzband
zu einem Leitungsband übertritt.
Dann wird eine einer Bandlücke
entsprechende Lumineszenz zwischen dem Valenzband und dem positiven
Loch im Valenzband ausgestrahlt. Zudem wird die Lumineszenz durch
Wiedereinkoppeln der angeregten Elektronen im lokalen Elektronenniveau
mit den positiven Löchern
im Valenzband ausgestrahlt, wenn ein lokales Elektronenniveau, das
kein Leitungsband ist, durch Defekte oder Unreinheiten im Kristall
erzeugt wird. Daher ist es möglich,
aus dem Kathodenlumineszenzspektrum Informationen über die
Energiebandstruktur, Kristalleigenschaft sowie im Kristall enthaltene
Defekte und Unreinheiten zu erhalten.
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Es
wurde ein Kathodenlumineszenzspektrum des Sinterkörpers gemäß der vorliegenden
Erfindung gemessen. Wie in den 23 und 25 gezeigt,
ging daraus hervor, dass im Wellenlängenbereich von 350 bis 370
nm ein starker Haupt-Peak vorlag. Ferner wurde eine schwacher Peak
in einem Wellenlängenbereich von
650 bis 750 nm nachgewiesen, der als doppelte Mehrfachwelle des
Haupt-Peaks angesehen wurde.
-
Weiters
wurde als Vergleichsobjekt ein hochverdichteter Sinterkörper durch
Vermischen eines Aluminiumnitridpulvers mit 5 Gew.-% Yttriumoxidpulver
und Brennen hergestellt. Bei diesem Sinterkörper wurde ein Kathodenlumineszenzspektrum
gemessen. Daraus ging hervor, dass, wie beispielsweise in den 24 und 25 ge
zeigt, bei Wellenlängen
von etwa 340 nm, 500 nm oder 600 nm schwache Peaks zu beobachten waren.
-
Eine
solche Differenz hinsichtlich der Wellenlänge der Lumineszenz stellt
eine Differenz in Bezug auf Lumineszenzarten dar, und zwar des Elektronenniveaus
in der Bandlücke.
Alternativ dazu ergibt eine Differenz bezüglich der Lumineszenzintensität eine Differenz
hinsichtlich der Elektronendichte aufgrund von Unreinheiten. Dies
bedeutet, dass im Sinterkörper
gemäß vorliegender
Erfindung ein sehr starker und spitzer Peak im Wellenlängenbereich
von 350 bis 370 nm beobachtet wurde. Dies zeigt das Vorliegen eines
sehr starken neuen Elektronenniveaus und einer hohen Elektronendichte
aufgrund einer bestimmten Unreinheit auf.
-
Anschließend führten die
Erfinder der vorliegenden Erfindung eine zweidimensionale Abbildung
der Kathodenlumineszenz bezüglich
der Lumineszenz bei einer Wellenlänge von 360 nm durch, um zu
spezifizieren, ob in den Aluminiumnitridkristallkörnern im
Sinterkörper
oder in der intergranularen Phase der Kristallkörner ein starker Haupt-Peak
vorliegt, der im Wellenlängenbereich
von 350 bis 370 nm ein Elektronenniveau erzeugt.
-
Dann
wurde das Ergebnis dieser Abbildung mit einer Rasterelektronenmikroaufnahme
hinsichtlich des gleichen Sichtfelds in der gleichen Probe verglichen.
Dabei wurde bewiesen, dass eine sehr starke Lumineszenz bei einer
Wellenlänge
von 360 nm durch Kathodenlumineszenz in den Aluminiumnitridkristallkörnern vorlag.
Andererseits verdunkelten sich die Korngrenzenabschnitte und die
oben erwähnte
Lumineszenz war nicht sichtbar. Dies zeigt, dass die Bereiche mit
hoher Elektronendichte, nämlich
die Bereiche mit hohem lokalem Elektronenniveau, in den Körnern verteilt
sind und nicht in den intergranularen Abschnitten. Daraus ging hervor,
dass die elektrische Eigenschaft der Kristallkörner an sich einen starken
Einfluss auf den spezifischen Volumenwiderstand des Sinterkörpers ausübt.
-
Ferner
wurde die Sauerstoffdichteverteilung mittels Elektronenstrahlmikroanalyse
(EPMA) in Bezug auf die Sinterkörper
der vorliegenden Erfindung gemessen. Daraus ging hervor, dass in
den Sinterkörpern
der vorliegenden Erfindung eine relativ große Menge an Sauerstoff zur
Bildung fester Lösungen
in den Körnern führte.
-
Bei
den Sinterkörpern
der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass eine relativ große Menge an
Sauerstoff feste Lösungen
in den Aluminiumnitridkristallkörnern
ausbildet, wodurch das lokale Elektronenniveau bereitgestellt wird
und was zur Verringerung von Widerständen in den Körnern beiträgt. Dies
entspricht der hohen Intensität
des Absorptions-Peaks auf dem ESR-Spektrum.
-
Konkret
ausgedrückt,
wurde, resultierend aus der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
in den Aluminiumnitridkristallkörnern,
aus denen die Sinterkörper
gemäß der vorliegenden
Erfindung bestehen, herausgefunden, dass eine Konzentration von nicht
weniger als 0,5 Gew.-%, vorzugsweise nicht weniger als 0,6 Gew.-%,
erforderlich ist. Die Konzentration unterliegt keiner besonderen
Obergrenze, wobei die Menge vorzugsweise nicht mehr als 2,0 Gew.-%,
noch bevorzugter nicht mehr als 1,0 Gew.-%, beträgt.
-
Die
oben angeführten
Versuchsergebnisse zusammenfassend, wird davon ausgegangen, dass
der elektrische Widerstand der Kristallkörner gemäß nachstehendem Verfahren verringert
werden kann. Wenn Sauerstoff feste Lösungen in den Aluminiumnitridkristallkörnern ausbildet,
ersetzt der Sauerstoff dabei nämlich den
Stickstoff an einer Stickstoffgitterstelle. Aufgrund eines Ausgleichs
der elektrischen Ladung zwischen Stickstoff N3– und
Sauerstoff O2– wird
dabei ein leitfähiges
Elektron (Donator) oder eine Gitterlücke im Aluminiumgitter ausgebildet,
was einen starken Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit
ausübt.
Es wird angenommen, dass die Bildung eines solchen leitfähigen Elektrons
oder einer Gitterlücke
im Gitter den inneren elektrischen Widerstand der Aluminiumnitridkristallkörner verringert
und stark dazu beiträgt,
dass es zu einer Verkleinerung des elektrischen Widerstands des
Sinterkörpers
kommt.
-
Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch die Sauerstoffkonzentrationsverteilung
mittels Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) in Bezug auf einen mit
5 Gew.-% Yttriumoxid
versetzten Vergleichsobjekt-Sinterkörper gemessen. Im mit 5 Gew.-%
Yttriumoxid versetzten Sinterkörper
war die innere Sauerstoffkonzentration der Kristallkörner daraus
resultierend relativ verringert. Zudem wurde herausgefunden, dass
ein Abschnitt, einschließlich
mit relativ großer
Sauerstoffmenge, einen Yttriumoxidhältigen Abschnitt fast überlappt.
Es war bekannt, dass Yttriumoxid keine feste Lösung in den Aluminiumnitridkörnern ausbildet
und in intergranulare Abschnitten abgegeben wird. Folglich liegen
die meisten Sauerstoffatome nicht in den Körnern vor, sondern an den Korngrenzen.
-
Daher
wird das Yttrium im Laufe des Sintervorgangs aus den Körnern entfernt,
wenn das Yttrium tendenziell Sauerstoffatome in Richtung Korngrenzen
mitführt.
Daher wird angenommen, dass es zu einer Verringerung von Sauerstoffatomen
in den Körnern
gekommen ist.
-
Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung der Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt. Als
Aluminiumnitridausgangspulver kann ein Pulver verwendet werden,
dass durch ein direktes Nitrierungsverfahren oder auch ein Reduktionsnitrierungsverfahren
erhalten wurde. Gegenwärtig
wird das durch ein Reduktionsnitrierungsverfahren erhaltene Pulver
stärker
bevorzugt, da dieses Verfahren ohne weiteres ein Pulver mit geringem
Gehalt an Metallverunreinigungen ergibt. Aber es kann sogar das
durch ein direktes Nitrierungsverfahren erhaltene Pulver problemlos
verwendet werden, wenn die Reinheit von Aluminiumrohmaterialien
verbessert und der Einschluss von Unreinheiten in sämtlichen
Schritten des Herstellungsverfahrens verhindert wird.
-
In
den schließlich
daraus resultierenden Sinterkörpern
ist der Sauerstoffgehalt im Ausgangspulver ziemlich wichtig, da
die Differenz zwischen dem Gesamtsauerstoffgehalt im Aluminiumnitridsinterkörper und dem
Sauerstoffgehalt in den Oxiden der Seltenerdmetalle vorzugsweise
nicht weniger als 0,5 Gew.-% beträgt. Wenn der Sauerstoffgehalt
im Ausgangspulver gering ist, wird eine Nachbehandlung zur Einführung von
Sauerstoff in das Ausgangspulver erforderlich. Der Sauerstoffgehalt
im Ausgangspulver kann beispielsweise mittels Oxidationsbehandlung
erhöht
werden, bei der das Ausgangspulver auf eine Temperatur von 400 bis
800 °C in
oxidativer Atmosphäre,
wie z.B. Luft, erhitzt wird. Alternativ dazu kann das Ausgangspulver
mit verschiedenen Arten von Aluminiumoxidpulver oder einem Aluminiumoxidvorläufer vermischt
werden.
-
Schließlich beträgt die Differenz
zwischen dem Gesamtsauerstoffgehalt im Aluminiumnitridausgangspulver
und dem Sauerstoffgehalt in den Oxiden von Seltenerdmetallen vor
den Karamelisierungs- und Brennschritten vorzugsweise nicht weniger
als 0,5 Gew.-%.
-
Zur
einheitlichen Dispergierung von Sauerstoffatomen in jedem der Aluminiumnitridkristallkörner, aus denen
ein Sinterkörper
besteht, wird jedoch bevorzugt, dass der Sauerstoffgehalt im Ausgangspulver
in der Ausgangspulverherstellungsphase in ausreichend hoher Menge
vorliegt, wie oben erläutert,
ohne eine wie oben angeführte
Nachbehandlung durchzuführen.
-
Zudem
kann das obige Ausgangspulver mit Seltenerdmetallen in verschiedenen
Formen vermischt werden. Das Aluminiumnitridausgangspulver kann
beispielsweise mit einem aus einer einfachen Substanz bestehenden
Pulver oder einer Verbindung aus Seltenerdmetallen vermischt werden.
-
Im
Allgemeinen sind Oxide von Seltenerdmetallen am einfachsten erhältlich.
Wenn jedoch Oxide von Seltenerdmetallen eingesetzt werden, ist die
Menge der zugesetzten Seltenerdmetalle in vorliegender Erfindung
sehr gering, wodurch es bei einer unzureichenden Dispergierbarkeit
der Oxide von Seltenerdemetallen schwierig wird, die Seltenerdmetalle über den
gesamten Sinterkörper
einheitlich zu dispergieren, was dazu führt, dass verschiedene Eigenschaften,
wie z.B. spezifischer Volumenwiderstand oder dergleichen, in jedem der
Abschnitte des Sinterkörpers
verändert
werden.
-
Daher
werden in vorliegender Erfindung Verbindungen, wie z.B. Nitrate,
Sulfate, Alkoxide oder dergleichen, von Seltenerdmetallen in einem
geeigneten Lösungsmittel
gelöst,
in dem diese Verbindungen löslich sind,
um dadurch eine Lösung
zu erhalten, wobei diese Lösung
mit dem Aluminiumnitridausgangspulver vermischt werden kann. Dadurch
werden die Seltenerdmetalle sogar bei Zugabe der Seltenerdmetalle
in Spurenmengen einheitlich an allen Abschnitten im Sinterkörper dispergiert.
Zudem wird es schwierig, dass die hochbeständigen Seltenerdmetallverbindungen
teilweise ausfallen, da es sehr wahrscheinlich ist, dass die Seltenerdmetalle
auf der Oberfläche
jedes der Körner
als sehr dünne
Schicht dispergiert ist. Wenn die Dispersion unzureichend ist, kann
es manchmal vorkommen, dass die Seltenerdmetalle umfassenden Kristalle
lokal ausfallen. Ein geringes Verhältnis an Niederschlägen wirkt
sich jedoch nicht auf die obigen Erfordernisse aus.
-
Wenn
ein Trockenpressformverfahren angewandt wird, kann ein Trockenspritzverfahren
als Verfahren zum Trocknen des zuvor erwähnten Ausgangspulvers vorgeschlagen
werden. Dieses Verfahren wird insbesondere als Instanttrocknungsverfahren
für Verbindungen
von Seltenerdmetallen als Spurenadditiv bevorzugt.
-
Alternativ
dazu kann ein Bandformverfahren angewandt werden. Dabei können Lösungen,
die durch Lösen
von Verbindungen, wie z.B. Nitraten, Sulfaten und Alkoxiden oder
dergleichen, von Seltenerdmetallen erhalten werden, als Additiv
in einem herkömmlichen
Bandformungsschritt zugesetzt werden. Aufgrund von sehr geringen
Ladungen werden Formbarkeit und Entparaffinierbarkeit nicht beeinflusst.
-
Bei
der Beimischung wird ein Aluminiumnitridausgangspulver in einem
Lösungsmittel
dispergiert, womit Seltenerdmetallverbindungen in Form von Oxidpulver
oder als Lösung,
wie oben erwähnt,
vermischt werden können.
Das Vermischen kann durch einfaches Rühren erfolgen. Wenn jedoch
die Pulverisierung von Aggregaten in Ausgangspulver erforderlich
ist, können
Pulverisierungsmischmaschinen, wie z.B. Mühlen, Trommeln, Reibungsmühlen oder
dergleichen, eingesetzt werden. Wenn ein in einem Lösungsmittel
lösliches
Additiv zur Pulverisierung verwendet wird, ist die Zeit zur Durchführung der
Misch- und Pulverisierungsschritte mitunter der kürzeste erforderliche
Zeitraum zur Pulverisierung des Pulvers. Außerdem können Bindemittel, wie z.B.
Polyvinylalkohol oder dergleichen zugesetzt werden.
-
Ein
Trockenspritzverfahren wird zum Trocknen des Lösungsmittels für die Pulverisierung
bevorzugt. Alternativ dazu wird die Korngröße nach Durchführung eines
Vakuumtrocknungsverfahrens vorzugsweise eingestellt, indem das Trockenpulver
durch ein Sieb passieren gelassen wird.
-
Beim
Pulverbildungsschritt kann bei Herstellung eines scheibenförmigen Körpers ein
Formpressverfahren angewandt werden. Dabei beträgt der Formdruck vorzugsweise
nicht weniger als 100 kp/cm2, wobei dieser,
sofern die Form beibehalten werden kann, keinen besonderen Einschränkungen
unterliegt. Die Heißpressform
kann auch mit einem Formungsmaterial in Pulverform befüllt werden.
-
Wenn
ein Bindemittel mit einem Formkörper
vermischt wird, kann die Entparaffinierung bei einer Temperatur
von 200 bis 800 °C
in einer oxidativen Atmosphäre
vor dem Brennen erfolgen.
-
Wenn
ein Additiv, das Seltenerdmetalle in Form von Nitraten, Sulfaten
und Carbonaten enthält,
zugesetzt wird, können
vor dem Brennen Denitrifizierungs-, Entschwefelungs- und Decarboxylierungsverfahren
am Ausgangspulver oder pulverförmigen
Formkörper
durchgeführt
werden. Ein solcher Entgasungsschritt kann durch Erhitzen des oben
erwähnten
Ausgangspulvers oder pulverförmigen
Formkörpers
unter oxidativer Atmosphäre
wie der Entparaffinierungsschritt durchgeführt werden. Dabei muss jedoch
darauf geachtet werden, die Öfen
durch NOx-Gase, SOx-Gase und dergleichen nicht zu beschädigen.
-
Alternativ
dazu kann das Entgasen durch Brennen erfolgen, ohne einen separaten
Entgasungsschritt, wie z.B. Denitrifizierung, Entschwefelung, Decarboxylierung
oder dergleichen durchzuführen.
-
Anschließend wird
der Formkörper
mittels Heißpressverfahren
gebrannt. Der Druck beim Heißpressen darf
nicht weniger als 50 kp/cm2, vorzugsweise
nicht weniger als 200 kp/cm2, betragen.
Dies unterliegt jedoch keiner besonderen Obergrenze. Um Beschädigungen
des Ofens vorzubeugen, beträgt
der Druck aus praktischer Hinsicht vorzugsweise nicht mehr als 1.000
kp/cm2, noch bevorzugter nicht mehr als
400 kp/cm2.
-
Wenn
der Druck erhöht
wird, ist es möglich,
dass er sich auf einmal bis zu einem Maximaldruck erhöht. Es wird
jedoch insbesondere bevorzugt, den Druck schrittweise mit steigender
Temperatur zu erhöhen,
um die Genauigkeit des Sinterkörpers
zu verbessern.
-
Wenn
ein scheibenförmiger
Körper
mittels Heißpressverfahren
gebrannt wird, wird der Körper
vorzugsweise in einer Hülle
mit einem Innendurchmesser aufgenommen, der etwas größer als
der Außendurchmesser
des Formkörpers
ist.
-
Wenn
im Temperaturerhöhungsschritt
ein Entgasungsverfahren erforderlich ist, wird das Ausströmen von
Gasen vorzugsweise durch Erhitzen unter Vakuum im Temperaturbereich
von Raumtemperatur auf 1.600 °C
beschleunigt.
-
Darüber hinaus
wird die Temperatur vorzugsweise bei einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von
50 °C/h
und 1.500 °C/h
bis zu einer Maximaltemperatur beim Brennen erhöht. Die Maximaltemperatur beträgt vorzugsweise
1.750 bis 2.300 °C.
Wenn die Maximaltemperatur über
2.300 °C
liegt, beginnt sich das Aluminiumnitrid zu zersetzen. Wenn die Maximaltemperatur
weniger als 1.750 °C
beträgt,
wird das wirksame Kornwachstum eingeschränkt und der mittlere Korndurchmesser
erreicht keine 3 μm.
-
Was
die zum Sintern der Formkörper
erforderliche Zeit anbelangt, musste das Sintern bei einer Maximaltemperatur
im Bereich von 1.850 bis weniger als 1.900 °C zumindest 3 Stunden lang durchgeführt werden. Sogar
bei einer Maximaltemperatur von 1.900 °C bis weniger als 2.000 °C musste
die Maximaltemperatur zumindest 2 Stunden lang aufrechterhalten
werden. Wenn die Rückhaltezeit
so eingestellt wurde, dass sie nicht weniger als 3 Stunden oder
nicht weniger als 5 Stunden betrug, wurde eine weitere Verringerung
des spezifischen Volumenwiderstands beobachtet. Wenn eine Maximaltemperatur
von nicht weniger als 2.000 °C über einen
Zeitraum von zumindest 1 Stunde aufrechterhalten wurde, kam es zu
einer Verkleinerung des spezifischen Volumenwiderstands. Die Rückhaltezeit
beträgt
hinsichtlich praktikabler Produktivität in Sinteröfen vorzugsweise nicht mehr
als 30 Stunden. Das Abkühlen
erfolgte bei einer Kühlgeschwindigkeit
von 300 °C/h,
ausgehend von einer Maximaltemperatur von 1.400 °C. Anschließend wurde die Stromquelle
bei 1.400 °C
abgedreht, um spontanes Abkühlen
zu ermöglichen.
-
Der
Einfluss der Kühlgeschwindigkeit
auf den Widerstand ist nicht geklärt.
-
Im
Heißpressverfahren
ist nun ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem Bornitrid als
Trennmittel zwischen einem Formkörper
oder einem Ausgangspulver und einer Kohlenstoffspannvorrichtung
aufgebracht wurde. In vorliegender Erfindung wird die Verwendung
von Trennmitteln jedoch aufgrund der Befürchtung, dass dabei Bor in
die Sinterkörper
gelangt, nicht bevorzugt.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Obige
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich beim Lesen der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen, wobei:
-
1 eine
schematische Ansicht ist, die das Prinzip einer Kathodenlumineszenz
darstellt;
-
2 ein
Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einer Menge an Metallverunreinigungen
mit der Ausnahme von Yttrium und spezifischem Volumenwiderstand
zeigt;
-
3 ein
Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einer Menge an zugesetztem
Y2O3 und dem spezifischen
Volumenwiderstand eines Sinterkörpers
zeigt;
-
4 ein
Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einer Menge an überschüssigem Sauerstoff
und einem spezifischen Volumenwiderstand zeigt;
-
5 ein
Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einem aus einem ESR-Spektrum erhaltenen g-Faktor
und einem spezifischen Volumenwiderstand zeigt;
-
6 ein
Diagramm ist, das eine Spinanzahl, bezogen auf ein ESR-Spektrum,
und einen spezifischen Volumenwiderstand zeigt;
-
7 eine
Rasterelektronenmikroaufnahme ist, die ein keramisches Gewebe des
Sinterkörpers
aus Beispiel 11 zeigt;
-
8 eine Übergangselektronenmikroaufnahme
ist, die eine Vergrößerung eines
keramischen Gewebes um einen Tripelpunkt des in 7 angeführten Sinterkörpers zeigt;
-
9 eine Übergangselektronenmikroaufnahme
ist, die eine Vergrößerung einer
Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf den Sinterkörper einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
10 ein
Diagramm ist, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse einer Korngrenze
von benachbarten Kristallkörnern
mit Bezug auf den Sinterkörper
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
11 ein
Diagramm ist, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse des Inneren eines
Kristallkorns mit Bezug auf den in 10 angeführten Sinterkörper zeigt;
-
12 ein
Diagramm ist, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse im Inneren eines
Kristallkörpers
mit Bezug auf einen Sinterkörper
eines Vergleichsbeispiels zeigt;
-
13 ein
Diagramm ist, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse des Inneren eines
Kristallkorns mit Bezug auf einen Sinterkörper eines Vergleichsbeispiels
zeigt;
-
14 ein
Diagramm ist, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse einer Korngrenze
von benachbarten Kristallkörnern
mit Bezug auf den in 12 angeführten Sinterkörper zeigt;
-
15 ein
Diagramm ist, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse eines Tripelpunkts
mit Bezug auf einen Sinterkörper
eines Vergleichsbeispiels zeigt;
-
16 ein
Diagramm ist, das einen Röntgenbeugungs-Peak
mit Bezug auf den Sinterkörper
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
17 eine
TEM-Aufnahme eines keramischen Gewebes in starker Vergrößerung ist,
die ein Kristallgewebe in der Nähe
einer Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf den Sinterkörper einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
18 eine
TEM-Aufnahme eines keramischen Gewebes in starker Vergrößerung ist,
die ein Kristallgewebe in der Nähe
einer Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf einen Sinterkörper eines
Vergleichsbeispiels zeigt;
-
19 eine Übergangselektronenmikroaufnahme
ist, die ein keramisches Gewebe eines Sinterkörpers eines Vergleichsbeispiels
zeigt;
-
20 eine Übergangselektronenmikroaufnahme
ist, die ein keramisches Gewebe eines Sinterkörpers eines weiteren Vergleichsbeispiels
zeigt;
-
21 eine
schematische Ansicht ist, die ein Merkmal der Mikrostruktur des
Sinterkörpers
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
22a eine schematische Ansicht ist, die den Zustand
der Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf einen Sinterkörper eines
Vergleichsbeispiels zeigt;
-
22b eine schematische Ansicht ist, die den Zustand
der Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf den Sinterkörper einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
23 ein
Spektrum ist, das durch Kathodenlumineszenz mit Bezug auf den Sinterkörper einer
Ausführungsform
(Beispiel 54) der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;
-
24 ein
Spektrum ist, das durch Kathodenlumineszenz mit Bezug auf den Sinterkörper von
Vergleichsbeispiel 52 erhalten wurde;
-
25 Spektren
zeigt, die durch Kathodenlumineszenz der jeweiligen Sinterkörper von
Beispiel 54 und Vergleichsbeispiel 52 erhalten wurden;
-
26 eine
Aufnahme ist, die eine zweidimensionale Abbildung der Kathodenlumineszenz
des Sinterkörpers
von Beispiel 54 zeigt;
-
27 eine
Aufnahme ist, die die Beziehung zwischen Schattierungen in einer
zweidimensionalen Abbildung der Kathodenlumineszenz und der Lumineszenzintensität zeigt;
-
28 eine
Rasterelektronenmikroaufnahme eines keramischen Gewebes im gleichen
Sichtfeld wie 26 mit Bezug auf die Sinterkörper von
Beispiel 54 ist;
-
29 eine
Querschnittsansicht ist, die ein Beispiel für eine elektrostatische Haltevorrichtung
schematisch darstellt; und
-
30a eine Schrägansicht
ist, die einen teilweise von der in 29 angeführten elektrostatischen Haltevorrichtung
abgeschnittenen Hauptabschnitt zeigt; und
-
30b eine Schrägansicht
ist, die ein Beispiel für
ein Metallnetz zeigt, das als Elektrode für eine elektrostatische Haltevorrichtung
verwendet werden kann.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und
bezugnehmend auf Versuchsergebnisse detailliert erläutert. Die
Beispiele dienen dabei nicht als Einschränkung der Erfindung.
-
Es
wurde jeder der in den Tabellen 1 bis 6 angeführten Aluminiumnitridsinterkörper hergestellt.
Als Ausgangspulver wurde Aluminiumnitridpulver verwendet, das durch
ein Reduktionsnitrierungsverfahren erhalten wurde. Die Mengen an
Sauerstoff- und Metallverunreinigungen im Ausgangspulver sind in
den Tabelle 1, 3 und 5 angeführt.
-
Es
wurde eine Additivlösung
hergestellt, indem Yttriumnitrat in Isopropylalkohol gelöst wurde,
und die Additivlösung
wurde mit dem Aluminiumnitridausgangspulver mit einer Mühle vermischt.
Die Mischverhältnisse zwischen
Yttrium als Y2O3 und
den Mengen des zugesetzten Aluminiumoxids sind in den Tabellen 1,
3 und 5 angeführt.
-
Mit
diesem Ausgangsmaterial wurden scheibenförmige Körper mit einem Durchmesser
von 200 mm mittels Axialdruckformen bei einem Druck von 100 kp/cm2 hergestellt. Der scheibenförmige Körper wurde
in einer Heißpressform
aufgenommen und hermetisch abgedichtet. Die Temperatur wurde bei
einer Temperaturanstiegsrate von 300 °C/h erhöht. Dabei wurde der Druck im
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1.000 °C reduziert. Gleichzeitig mit
dem Anstieg dieser Temperatur bis über diesen Bereich wurde der
Druck erhöht.
Die Maximaltemperatur wurde wie in den Tabellen 2, 4 und 6 gezeigt
verändert,
wobei die Maximaltemperaturen jeweils für die in den Tabellen 2, 4
und 6 angeführten
Rückhaltezeiten
beibehalten wurden.
-
Die
Gesamtmenge der Metallverunreinigungen mit Ausnahme von Yttrium
wurde hinsichtlich jedes der so erhaltenen Sinterkörper bestimmt;
die Ergebnisse sind in den Tabellen 1, 3 und 5 angeführt. Weiters
sind Yttriumgehalt (Y), Sauerstoffgesamtgehalt (O), Kohlenstoffgesamtgehalt
(C) und Sauerstoffüberschuss
(Differenz zwischen Gesamtsauerstoffgehalt und Sauerstoffgehalt
in Yttriumoxid) in den Tabellen 1, 3 und 5 angeführt. Außerdem wurde jeder der nachstehenden
Werte mit Bezug auf jeden der Sinterkörper bestimmt; die Ergebnisse
sind in den Tabellen 2, 4 und 6 angegeben.
-
g-Faktor
-
Jeder
g-Faktor ergab sich aus einer Resonanzbedingungsformel im ESR. Dabei
handelt es sich um die Formel hν =
g/μBH, worin
h die Plancksche Konstante ist, ν eine
Mikrowellenfrequenz ist, μB
das Bohrsche Magneton ist und H ein Magnetfeld ist.
-
Spinanzahl (Spins/mg)
-
Wie
oben angeführt
ermittelt.
-
Mittlerer Korndurchmesser
-
Es
wurde eine Elektronenmikroaufnahme herangezogen und der Mittelwert
der Längen
der Längsachsen
mit Bezug auf die untersuchten Körner
ermittelt.
-
Wärmeleitfähigkeit
-
Mittels
Laserblitzverfahren bestimmt.
-
Festigkeit
-
Mittels
Vierpunkte-Biegeprobe bei Raumtemperatur gemäß JIS-1601 bestimmt.
-
Relative Dichte
-
Gemäß dem Archimedischen
Prinzip bestimmt.
-
Farbe
-
Das
Erscheinungsbild wurde sichtgeprüft.
-
Spezifischer Volumenwiderstand
-
Durch
ein Messverfahren zur Bestimmung des spezifischen Volumenwiderstands
von Isolatoren gemäß JIS-2141
ermittelt.
-
In
jeder der Tabellen und Zeichnungen werden Abkürzungen verwendet. "1E + 06" steht beispielsweise
für "1 × 106".
-
-
-
-
-
-
-
In
den Tabellen 1 und 2 wurde die Menge an Metallverunreinigungen mit
der Ausnahme von Yttrium im Sinterkörper verschieden verändert. Die
Beziehung zwischen einer Menge an Metallverunreinigungen mit der
Ausnahme von Yttrium und dem spezifischen Volumenwiderstand ist
in 2 angeführt.
Wie daraus hervorgeht, wird der spezifische Volumenwiderstand stark
verringert, wenn die Menge an Metallverunreinigungen nicht mehr
als 500 ppm beträgt.
-
In
den Tabellen 3 und 4 wurde die Menge des zugesetzten Y2O3 verschieden verändert. Die Beziehung zwischen
einer Menge an zugesetztem Y2O3 und
dem spezifischen Volumenwiderstand des Sinterkörpers ist in 3 angeführt. Wenn
die Menge des zugesetzten Y2O3 nicht
mehr als 0,5 Gew.-% beträgt,
wird der spezifische Volumenwiderstand stark verringert, und darüber hinaus
wird dieser merklich verringert, wenn der Yttriumoxidgehalt nicht
mehr als 0,1 Gew.-% beträgt.
In einem Bereich unter diesem Wert wurde keine bestimmte merkliche
Veränderung
verzeichnet.
-
4 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen überschüssigem Sauerstoff und spezifischem Volumenwiderstand
veranschaulicht. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, kommt es zu
einer starken Erhöhung
des spezifischen Volumenwiderstands, wenn der überschüssige Sauerstoff, und zwar
eine in den Aluminiumnitridkristallkörnern vorliegende Sauerstoffmenge,
weniger als 0,5 Gew.-% beträgt.
Wenn der überschüssige Sauerstoff
im Bereich von 0,5 bis 2,0 Gew.-% liegt, können ein Sinterkörper mit
einem hohen spezifischen Volumenwiderstand (nicht weniger als 1 × 1012 Ω·cm) und
einer mit einem spezifischen Volumenwiderstand von nicht mehr als
1 × 1010 Ω·cm zusammen
vorliegen. Es wird angenommen, dass der Grund dafür darin
liegt, dass, sogar wenn der Sauerstoff feste Lösungen in den Aluminiumnitridkörnern ausbildet,
der Widerstand nicht verringert wird, wenn der Korndurchmesser gering
ist.
-
5 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem aus einem ESR-Spektrum erhaltenen g-Faktor
und einem spezifischen Volumenwiderstand veranschaulicht. Wie aus
diesem Diagramm hervorgeht, wird der spezifische Volumenwi derstand
stark erhöht,
wenn der g-Faktor 2,000 übersteigt.
Wenn der g-Faktor andererseits nicht mehr als 2,000 ist, können ein
Sinterkörper
mit einem hohen spezifischen Volumenwiderstand (nicht weniger als
1 × 102 Ω·cm) und
einer mit einem spezifischen Volumenwiderstand von nicht mehr als
1 × 1010 Ω·cm zusammen
vorliegen.
-
6 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Spinanzahl pro mg-Einheit des aus einem ESR-Spektrum
enthaltenen Aluminiums zeigt und einem spezifischen Volumenwiderstand
zeigt. Wie aus dem Ergebnis hervorgeht, wurde der spezifische Volumenwiderstand
stark verringert, wenn die Spinanzahl nicht weniger als 1 × 1013 Spins/mg betrug.
-
In
den Tabellen 3 und 4 wurden die Mengen an Sauerstoff und Metallverunreinigungen
im Ausgangsmaterial optimiert und die Yttriummenge verändert. Wie
aus dem Ergebnis hervorgeht, beträgt der Yttriumgehalt in einem
Sinterkörper
vorzugsweise nicht mehr als 1.000 ppm, noch bevorzugter nicht weniger
als 300 ppm, damit der spezifische Volumenwiderstand zusätzlich verringert
wird.
-
In
den Tabellen 5 und 6 wurden die Mengen an Sauerstoff und Metallverunreinigungen
im Ausgangsmaterial optimiert und die Maximaltemperatur verändert. Wenn
die Maximaltemperatur gering war, kam es zu keinem ausreichenden
Kornwachstum, wodurch der spezifische Volumenwiderstand den Wert
von 1 × 1010 Ω·cm nicht
erreichte.
-
7 ist
eine Rasterelektronenmikroaufnahme, die eine Kristallstruktur des
Sinterkörpers
Nr. 11 zeigt. 8 ist eine Übergangselektronenmikroaufnahme,
die eine Vergrößerung der
Nähe eines
Tripelpunkts dieses Sinterkörpers
darstellt. 9 ist eine Übergangselektronenmikroaufnahme,
die eine Vergrößerung einer Korngrenze
von benachbarten Kristallkörnern
zeigt. Obwohl in den Grenzen von benachbarten Kristallkörnern keine
intergranulare Phase beobachtet wurde, bildete sich am Tripelpunkt
eine Aluminiumoxidphase.
-
10 ist
ein Diagramm, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse (energiedispersive
Röntgenstrahlspektroskopie)
einer Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf den Sinterkörper Nr.
11 einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei auch gezeigt wird, dass
das Yttrium in Spurenmengen enthalten ist. Dennoch wird der Peak
von "C" der Verunreinigung
der Probe zugeschrieben. 11 ist
ein Diagramm, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse des Inneren eines
Kristallkorns mit Bezug auf die gleiche Probe darstellt. Dabei ist
kein Yttrium-Peak ersichtlich, wobei das Vorliegen eines Sauerstoff-Peaks
aufgezeigt wird.
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Die 12 und 13 sind
Diagramme, die jeweils die Ergebnisse von EDS-Analysen vom Inneren eines Kristallkorns
mit Bezug auf den Sinterkörper
Nr. 16 in einem Vergleichsbeispiel zeigen. Dabei werden keine Sauerstoff-
und Yttrium-Peaks beobachtet. 14 ist
ein Diagramm, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse einer Korngrenze
in der Grenzfläche
von Kristallkörnern
mit Bezug auf den gleichen Sinterkörper wie oben darstellt. Dabei
wird ein deutlicher Peak beobachtet. Diese große Mengen an Yttrium enthaltende
intergranulare Phase trägt
zur Erhöhung
des Widerstands zwischen benachbarten Kristallkörnern bei.
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15 ist
ein Diagramm, das ein Ergebnis einer EDS-Analyse eines Tripelpunkts
mit Bezug auf den Sinterkörper
Nr. 16 in einem Vergleichsbeispiel zeigt. Dabei wird ein weiterer
deutlicher Yttrium-Peak beobachtet.
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16 ist
ein Diagramm, das einen Röntgenbeugungs-Peak
mit Bezug auf den Sinterkörper
Nr. 11 in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht,
kommt es zu keinem Peak, der den Kristallen einer Yttriumverbindung
entspricht. Daher bildet das Yttrium keine Kristallphase an der
Grenze der Kristallkörner.
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17 ist
eine stark vergrößerte TEM-Aufnahme,
die ein Kristallgewebe in der Nähe
der Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf den Sinterkörper Nr.
11 einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Kristallkörner liegen
in dieser Aufnahme an der rechten bzw. linken Seite vor, wobei zwischen
Kris tallkörnern
in rechter und linker Richtung eine Grenzfläche besteht. Im Inneren jedes
der Kristallkörner
bilden Teil bildende Atome eines Kristallgitters ein perfekt geordnetes
Kristallgitter. Es wurde herausgefunden, dass obwohl das Kristallgitter
in der Nähe
der Korngrenze der Kristallkörner
leicht fehlgeordnet ist, die Breite des Abschnitts, an dem das Kristallgitter
fehlgeordnet ist, äußerst schmal
ist, und zwar so schmal wie etwa jene mehrerer Atome, nämlich nicht
mehr als 1 nm.
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18 ist
eine stark vergrößerte TEM-Aufnahme,
die ein Kristallgewebe in der Nähe
der Korngrenze von benachbarten Kristallkörnern mit Bezug auf den Sinterkörper Nr.
16 eines Vergleichsbeispiels. Eine Fehlordnung des Kristallgitters
ist in der Nähe
der Korngrenze zwischen den rechten und linken Körnern zu bemerken. Dessen Breite
beträgt
etwa 1 bis 3 nm. Resultierend aus einer eingeschränkten Sichtfeld-Elektronenbeugung
wurden Kristallausscheidungen an den Korngrenzen nachgewiesen. Diese
Fehlordnung des Kristallgitters wird auf feine Ausscheidungen zurückgeführt, die
in den Korngrenzen abgelagert sind.
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Die 19 und 20 sind Übergangselektronenmikroaufnahmen
mit Bezug auf den Sinterkörper
Nr. 16 in einem Vergleichsbeispiel. An den Tripelpunkten und Korngrenzen
wurden schwarze Ausscheidungen (0,2 μm) beobachtet. Aus der Beobachtung
der Ausscheidungen mittels EDS wurde Y2Al4O9 nachgewiesen. Ferner
wiesen diese Niederschläge
eine kristalline Struktur auf.
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Im
Folgenden werden die Merkmale der Mikrostruktur der erfindungsgemäßen Sinterkörper anhand der
schematischen Ansicht von 21 zusätzlich erläutert. Im
erfindungsgemäßen Sinterkörper liegt
an jeder der Korngrenzen 2 zwischen Kristallkörnern A1 und 1B, 1B und 1C sowie 1C und 1A,
die miteinander benachbart sind, keine intergranulare Phase vor,
die üblicherweise
zwischen Kristallkörnern
vorliegen sollte, wobei das Kristallgitter an der Korngrenze 2 zwischen
benachbarten Kristallkörnern
im Wesentlichen nicht fehlgeordnet ist. Zudem wird angenommen, dass
Yttriumatome in einem fehlgeordneten Abschnitt des Kristallgitters
aufgenommen sind. Diese Annahme entspricht der Tatsache, dass eine
Kristallphase einer Yttriumverbindung mittels Röntgenbeugung überhaupt
nicht nachgewiesen wird.
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Im
Inneren jedes der Kristallkörner 1A, 1B oder 1C bildet
Sauerstoff, wie zuvor erwähnt,
feste Lösungen
aus. Zudem wurde herausgefunden, dass Yttrium an den Tripelpunkten
nicht nachgewiesen wird. Sogar bei Tripelpunkten liegt Yttrium jedoch
an der Oberfläche
der Kristallkörner
vor.
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Im
Sinterkörper
der Vergleichsbeispiele wies die Grenzfläche 6 zwischen benachbarten
Kristallkörnern 5A und 5B,
wie in 22a gezeigt, eine unregelmäßig verwirbelte
Form auf und war kompliziert gebogen. Die Breite t dieser intergranularen
Phase betrug etwa 1 bis 3 nm. Im Gegensatz dazu erstreckte sich
die Grenzfläche 2 zwischen
Kristallkörnern 1A und 1B im
wie in 22b gezeigten erfindungsgemäßen Sinterkörper im Wesentlichen
gerade, wobei die Breite nicht mehr als 1 nm betrug. Zudem entsprach
der Positionsabweichungswert der Korngrenze jenem mehrerer Aluminiumatome.
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Anschließend wurden
Aluminiumnitridsinterkörper
der in den Tabellen 7 und 8 angeführten Versuchsdurchgänge Nr.
51 bis 63 hergestellt. Als Ausgangspulver wurde ein durch ein Reduktionsnitrierungsverfahren erhaltenes
Aluminiumnitridpulver verwendet. Die Mengen an Sauerstoff und Metallverunreinigungen
in diesem Ausgangspulver sind in Tabelle 7 angeführt. Yttriumnitrat wurde in
Isopropylalkohol gelöst,
um eine Additivlösung
bereitzustellen. Diese Additivlösung
wurde mit dem Aluminiumnitridausgangspulver mithilfe einer Mühle vermischt.
Die Mengen des als Y2O3 zugesetzten
Yttriums sind in Tabelle 7 angeführt.
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Durch
Axialdruckformen dieses Ausgangspulvers bei einem Druck von 100
kp/cm2 wurde ein scheibenförmiger Körper mit
einem Durchmesser von 200 mm hergestellt. Dieser scheibenförmige Körper wurde
in einer Heißpressform
aufgenommen und hermetisch abgedichtet. Die Temperatur wurde bei
einer Temperaturanstiegsrate von 300 °C/h erhöht. Dabei wurde der Druck im
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1.000 °C reduziert. Gleichzeitig mit
dem Temperaturanstieg wurde der Druck erhöht. Die Maximaltemperatur wurde
wie in Tabelle 8 gezeigt verändert,
wobei die Maximaltemperatur jeweils für die in Tabelle 8 angeführte Rückhaltezeit
beibehalten wurde.
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Hinsichtlich
sämtlicher
der so erhaltenen Sinterkörper
wurde die Gesamtmenge der Metallverunreinigungen mit Ausnahme von
Yttrium bestimmt und in Tabelle 7 angeführt. Weiters sind Yttriumgehalt
(Y), Sauerstoffgesamtgehalt (O), Kohlenstoffgesamtgehalt (C) und
Sauerstoffüberschuss
(Differenz zwischen Gesamtsauerstoffgehalt und Sauerstoffgehalt
in Yttriumoxid) in den Sinterkörpern
in Tabelle 7 angeführt.
Außerdem wurden
der g-Faktor, die Spinanzahl, der mittlere Teilchendurchmesser,
die Wärmeleitfähigkeit,
Festigkeit, relative Dichte und Farbe mit Bezug auf jeden der Sinterkörper wie
zuvor erwähnt
bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 angegeben.
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Ferner
wurde der spezifische Volumenwiderstand jeder der Sinterkörper wie
oben erläutert
bestimmt. Auch die Sauerstoffkonzentration in jedem der Aluminiumnitridkristallkörner, aus
denen jeder der Sinterkörper besteht,
wurde gemessen. Diese Messergebnisse sind in Tabelle 7 angeführt.
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In
jedem der Sinterkörper
der Vergleichsbeispiele 51 und 52 betrug die Menge an zum Ausgangspulver
zugesetztem Yttriumoxid 5 Gew.-%, und im Sinterkörper lag diese in einer Menge
von etwa 3,7 oder 0,1 Gew.-% vor. Der Sauerstoffgehalt im Kristallteilchen
wurde mittels Elektronenstrahlmikroanalyse bestimmt und ergab 0,35
oder 0,21 Gew.-%. Da nämlich
im Versuchsdurchgang Nr. 52 die Heißpresstemperatur in Relation höher war,
wurde die Abgabe von Yttriumoxid im Sinterschritt fortgesetzt sowie
auch die Sauerstoffabgabe im Innern der Kristallteilchen.
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Zudem
liegt der spezifische Volumenwiderstand des Sinterkörpers im
Vergleichsbeispiel 51 bei 1014 Ω·cm und
im Vergleichsbeispiel 52 bei 1012 Ω·cm. Folglich
ist der spezifische Volumenwiderstand im Vergleichsbeispiel 52 kleiner.
Dies wird darauf zurückgeführt, dass
es im Vergleichsbeispiel 52 zu einem stärkeren Kornwachstum bei der
Abgabe von Yttriumoxid gekommen war.
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Im
Vergleich dazu beträgt
die mittels Elektronenstrahlmikroanalyse bestimmte Sauerstoffmenge
in den Kristallkörnern
in den Beispielen 53 bis 63 nicht weniger als 0,5 Gew.-%, und die
Menge an "überschüssigem Sauerstoff' beträgt auch
nicht weniger als 0,5 Gew.-%. Zudem wurde herausgefunden, dass der
Hauptanteil des "überschüssigen Sauerstoffs", mit Ausnahme der
Beispiele 62 und 63, in den Kristallkörnern verteilt ist.
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Ferner
beträgt
in den Beispielen 53 bis 63 der Yttriumoxidgehalt im Sinterkörper nicht
mehr als 0,2 Gew.-%, der g-Faktor nicht mehr als 2,000, die Spinanzahl
nicht weniger als 1,0 × 1013 Spins/mg, der mittlere Korndurchmesser
nicht weniger als 4 μm
und die relative Dichte nicht weniger als 99 %. In diesen Sinterkörpern wurde
ein spezifischer Volumenwiderstand von nicht mehr als 1012 Ω·cm erhalten.
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Anschließend maßen die
Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Spektrum mittels Kathodenlumineszenz
mit Bezug auf jeden der Sinterkörper,
deren Versuchsdurchgangsnummern in den zuvor angeführten Tabellen
1 bis 8 aufgezeigt sind. Daraus ging hervor, dass es zu einer wie
oben erläuterten
starken Verringerung des spezifi schen Volumenwiderstands in den
Sinterkörpern
kam, die bei 350 bis 370 nm einen starken Haupt-Peak aufwiesen.
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Ein
solcher Peak wurde in den Beispielen 5 bis 14, 23 bis 29, 36 bis
44 und 53 bis 63 im Wellenlängenbereich
von 350 bis 370 nm bestätigt.
Im Folgenden werden, der Kürze
wegen, insbesondere in Bezug auf die Sinterkörper aus Beispiel 54 und Vergleichsbeispiel
52 als typische Beispiele, ein konkretes Verfahren zur Messung von
Spektren oder dergleichen sowie detaillierte Informationen dargelegt.
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Die
Oberfläche
des Sinterkörpers
aus Beispiel 54 wurde mittels Diamantschleifpaste auf Hochglanz poliert,
wonach das Spektrum gemäß Kathodenlumineszenzverfahren überprüft wurde.
Das Ergebnis ist in 23 dargestellt. In 23 zeigt
die Ordinatenachse eine Lumineszenzintensität und die Abszissenachse eine
Lumineszenzwellenlänge.
Im Wellenlängenbereich
von 350 bis 370 nm wurde ein starker Peak verzeichnet, und im Wellenlängenbereich
von 650 bis 750 nm kam es zu einem schwachen Peak.
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Die
Oberfläche
des Sinterkörpers
aus Vergleichsbeispiel 52 wurde mittels Diamantschleifpaste auf Hochglanz
poliert und anschließend
das Spektrum gemäß Kathodenlumineszenzverfahren überprüft. Das
Ergebnis ist in 24 dargestellt. Daraus ergaben
sich schwache Peaks bei etwa jeweils 340 nm, 500 nm und 600 nm.
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In 25 ist
ein Vergleich zwischen Beispiel 54 mit Vergleichsbeispiel 52 hinsichtlich
gemäß Kathodenlumineszenzverfahren
erhaltener Spektren dargestellt. Wie aus obigem hervorgeht, ist
die Lumineszenzintensität
des Haupt-Peaks im Bereich von 350 bis 370, die üblicherweise im erfindungsgemäßen Sinterkörper vorliegt,
verglichen mit den jeweiligen Peaks des Sinterkörpers des Vergleichsbeispiels,
sehr hoch.
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Vergleichsbeispiel
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sBezogen
auf den Sinterkörper
des Vergleichsbeispiels 52 wurden die Sauerstoffkonzentrationsverteilungen
und Yttriumatome ferner mittels Elektronenstrahlmikroanaly se (EPMA)
gemessen. Daraus ging hervor, dass im Sinterkörper des Vergleichsbeispiels
52 die Sauerstoffkonzentration relativ gering war. Zudem überlappte
jener Abschnitt, in dem relativ viel Sauerstoff im Sinterkörper vorlag,
fast jenen Abschnitt, in dem sich Yttriumoxid befand. Dieser Überlappungsabschnitt
entsprach im Wesentlichen der mittels Röntgenelektronenmikroaufnahme
dargestellten Position der Korngrenze.
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Hinsichtlich
des Sinterkörpers
aus Beispiel 54 wurde zudem eine zweidimensionale Kathodenlumineszenzabbildung
bei einer Wellenlänge
von 360 nm durchgeführt.
Das Ergebnis ist in 26 dargestellt. Darüber hinaus
ist in 27 die Beziehung zwischen Schattierungen
in der in 26 angeführten zweidimensionalen Abbildung
und der Lumineszenzintensität
dargestellt. Ferner ist 28 eine
Rasterelektronenmikroaufnahme eines keramischen Gewebes mit dem
gleichen Sichtfeld wie 26.
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Aus
der in 26 angeführten zweidimensionalen Abbildung
ließ sich
ein Schattierungskontrast feststellen. Der Vergleich zwischen der
zweidimensionalen Abbildung und der Aufnahme von 28 ergab,
dass die Form der in 28 gezeigten jeweiligen Teilchen
die Form des in 26 gezeigten dunklen Abschnitts oder
hellen Abschnitts vollständig überlappte.
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Daher
wird davon ausgegangen, dass die Schattierungen in der zweidimensionalen
Abbildung von der kristallinen Orientierung jedes der Kristallkörner abhängt. Wenn
nämlich
ein Kristallkorn eine zur Elektronenstrahlung senkrechte kristalline
Orientierung aufweist, steigt die Lumineszenzintensität gemäß dem Kathodenlumineszenzverfahren.
Folglich ist die Differenz hinsichtlich kristalliner Orientierung
jedes der in 28 angeführten Kristallkörnern mitunter
ein direkter Grund für
die in 26 dargestellten Schattierungsveränderungen. Davon
abgesehen ist in 26 ein der Korngrenze entsprechender
Abschnitt immer dunkel und nicht leuchtend. Aus der obigen Messung
ergab sich, dass bei einer Wellenlänge von 360 nm eine sehr starke
Lumineszenz aus dem Inneren der Kristallkörner ausgestrahlt wird.
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Im
erfindungsgemäßen Aluminiumnitridsinterkörper können Metalle
eingebettet sein.
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Gegenstände, die
mit einer Elektrode eingebettet sind, können insbesondere bevorzugt
in einer Umgebung eingesetzt werden, bei der Verunreinigungen besonders
gefürchtet
sind. Beispiele für
solche Anwendungen umfassen: keramische elektrostatische Haltevorrichtungen;
keramische Heizelemente; und Hochfrequenz-Elektrodengeräte. Die
Verwendung von elektrostatischen Haltevorrichtungen ist insbesondere
geeignet.
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Wenn
die erfindungsgemäßen mit
Metall eingebetteten Gegenstände
als elektrostatische Haltevorrichtung verwendet werden, um beispielsweise
Halbleiterwafer anzuziehen, ist es mitunter möglich, die Anziehungseigenschaften
der elektrostatischen Haltevorrichtung im Temperaturbereich von
etwa Raumtemperatur oder unter –60 °C stark zu
verbessern, da der spezifische Volumenwiderstand einer dielektrischen
Schicht so eingestellt werden kann, dass er bei Raumtemperatur nicht
mehr als 1 × 1012 Ω·cm beträgt. Wenn
die Dicke der dielektrischen Schicht auf nicht mehr als 500 μm eingestellt
wird, wird dabei die elektrische Ladung bei Spannungsanlegung von
der Elektrode auf die Oberfläche
der dielektrischen Isolierschicht übertragen, sodass eine ausreichende
Anziehungskraft erzielt werden kann. Unmittelbar nach Abdrehen der
Spannung geht die elektrische Ladung rasch verloren. Daher ist die
Antwort beim Halten oder Freisetzen von Wafern ebenfalls gut. Somit
wurde ermöglicht,
einen großen
Halbleiterwafer mit nicht weniger als 8 Zoll in einem äußerst breiten Temperaturbereich
von einem Niedertemperaturbereich von insbesondere etwa –60 °C bis zu
einem Hochtemperaturbereich von nicht weniger als 300 °C anzuziehen
und zu halten.
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Ein
solches im Aluminiumnitridsinterkörper eingebettetes Metallelement
ist vorzugsweise ein Metallgrundmaterial vom Platten-Typ. Wenn der
Gegenstand, der ein darin eingebettetes Metall aufweist eine elektrostatische
Haltevorrichtung ist, ist das Metallelement eine aus dem Metallgrundmaterial
bestehende Elektrode vom Platten-Typ.
Die Bezeichnung "Metallgrundmaterial
vom Platten-Typ" sollte
für ein,
wie beispielsweise in 30 dargestelltes,
aus Metall bestehendes monolithisches Material vom Platten-Typ stehen,
das kein/e spiral- oder zickzackförmige/r Draht oder Platte ist.
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Da
es zusammen mit Aluminiumnitridpulver gebrannt wird, besteht das
Metallelement vorzugsweise aus einem hochschmelzbaren Metall. Beispiele
für ein
solches hochschmelzbares Metall umfassen: Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin,
Rhenium, Hafnium und Legierungen davon. Zur Verhinderung von Verunreinigungen
von Halbleitern werden Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin und Legierungen davon
stärker
bevorzugt. Beispiele für
Gegenstände,
die mit elektrostatischen Haltevorrichtungen zu behandeln sind,
umfassen Aluminiumwafer und dergleichen sowie Halbleiterwafer.
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Beispiele
für ein
solches Grundmaterial vom Platten-Typ umfassen Folgende:
- (1) Grundmaterialien vom Platten-Typ, die zu
dünnen
Platten ausgebildet sind.
- (2) Grundmaterialien, die zu einer Elektrode vom Platten-Typ
mit einer darin enthaltenen Anzahl an kleinen Räumen ausgebildet sind, umfassend
Grundmaterialien und vermaschte Grundmaterialien, die aus einem Körper vom
Platten-Typ mit einer Anzahl an kleinen Löchern darin bestehen. Als Körper vom
Platten-Typ mit einer Anzahl an kleinen Löchern darin kann ein Stanzmetall
als Beispiel dienen. Wenn das Grundmaterial ein Stanzmetall ist,
das ein hochschmelzbares Metall umfasst, ist es jedoch schwierig,
eine Platte, die aus dem hochschmelzbaren Metall besteht durch Stanzen
einer Anzahl an kleinen Löchern
zu perforieren, da das hochschmelzbare Metall eine hohe Härte aufweist,
was zu einem starken Anstieg der Bearbeitungskosten führt. Diesbezüglich ist,
wenn das Grundmaterial ein Metallnetz ist, ein aus einem hochschmelzbaren
Metall bestehendes Drahtmaterial ohne weiteres verfügbar, sodass
das Metallnetz durch Verzwirbeln dieses Drahtmaterials hergestellt
werden kann.
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Die
Form der Vermaschung und des Drahtdurchmessers eines solchen Metallnetzes
unterliegen keinen besonderen Einschränkungen, wobei 150 Maschen
mit einem Draht mit 0,03 mm Durchmesser bis 6 Maschen mit einem
Draht mit 0,5 mm Durchmesser problemlos angewandt werden könnten. Die
Querschnittsform des Drahtma terials, aus dem das Metallnetz besteht,
kann verschiedene gerollte Formen, wie z.B. kreisförmige, ellipsenartige,
rechteckige und dergleichen aufweisen. Unter einer Masche wird hierin
ein Draht pro Zoll verstanden.
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Wenn
die vorliegende Erfindung auf einer elektrostatischen Haltevorrichtung
angewandt wird, können die
Elektroden der elektrostatischen Haltevorrichtung mit einer Hochfrequenzspannungsquelle
verbunden werden, um die Elektroden zusammen mit Gleichspannung
mit einer Hochfrequenzspannung zu versorgen, wodurch diese Elektrode
auch als Elektrode zur Plasmaerzeugung verwendet werden kann. Dabei
beträgt
die Dicke der Elektrode, wenn die Elektroden beispielsweise aus
Wolfram bestehen und die Frequenz 13,56 MHz beträgt, vorzugsweise nicht weniger
als 430 μm.
Da es jedoch schwierig ist, eine Elektrode mit einer solchen Dicke
mittels Siebdruckverfahren herzustellen, wird die Elektrode aus
einem Metallgrundmaterial gebildet. Ferner kann eine dielektrische
Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 5,0 mm problemlos
als Hochfrequenzelektrode verwendet werden, da die eigene exotherme
Reaktion aufgrund des dielektrischen Verlusts nicht hoch ist.
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29 ist
eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform der elektrostatischen
Haltevorrichtung schematisch darstellt. 30a ist
eine perspektivische Ansicht der in 29 dargestellten
Haltevorrichtung, wobei ein Abschnitt abgeschnitten ist. 30b ist eine perspektivische Ansicht, die eine
aus einem Metallnetz bestehende Elektrode 13 zeigt.
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Ein
ringförmiger
Flansch 11c ist auf der Umfangsseitenoberfläche 11d eines
im Wesentlichen scheibenförmigen
Substrats 11 bereitgestellt. Eine aus dem Metallnetz 13 ausgebildete
Elektrode 19 ist im Substrat 11 eingebettet. Eine
dielektrische Schicht 14 mit einer vorbestimmten Dicke
ist auf der Oberfläche 11a zum Bestücken eines
Halbleiterwafers 16 ausgebildet. Ein Anschluss 20 ist
in einem Trägerabschnitt 18 des
Substrats eingebettet. Eine Endoberfläche des Anschlusses 20 ist
an der Hinteroberfläche 11b des
Substrats 11 freigelegt. Durchgangslöcher 12 zum Einführen eines
Stifts zum Anheben und Senken des Halbleiterwafers 16 sind
an den vorbestimmten Positionen des Substrats 11 ausgebildet.
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Eine
Gleichspannungsspannungsquelle 17 ist über einen elektrischen Draht 5A an
den Anschluss 20 angeschlossen, und eine negative Elektrode
der Gleichspannungsspannungsquelle 17 ist über einen
elektrischen Draht 5B an den Halbleiterwafer 16 angeschlossen.
In diesen Ausführungsformen
besteht die Elektrode 19 aus einem wie in den 30a und 30b dargelegten
Metallnetz 13. Das Metallnetz 13 umfasst einen kreisförmigen Randdraht 13a und
Drähte 13b,
die kreuzförmig
im Randdraht 13a angeordnet sind, woraus sich die Maschen 24 im
Netz ergeben.
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Im
Substrat 11 ist ein Widerstandsheizelement 21 zwischen
der Elektrode 19 und der Rückoberfläche 11b eingebettet.
Beide Endabschnitte des Widerstandsheizelements 21 sind
jeweils an die Anschlüsse 22 angeschlossen,
und die Anschlüsse 22 sind
jeweils an die Außenanschlüsse 23 angeschlossen.
Dieses Widerstandsheizelement dient zum Erhitzen des Halbleiterwafers
während
des Haltens des Wafers und ist nicht immer erforderlich.
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Ferner
kann der erfindungsgemäße Aluminiumnitridsinterkörper als
Substrat für
Halbleiterherstellungsgeräte,
wie z.B. Suszeptoren zum Halten von Halbleiterwafern, Dummywafer,
Schattenringe, Rohre zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas, Glocken
zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas, Hochfrequenzwellen durchdringbare
Fenster, Infrarotstrahlung durchdringbare Fenster, Hebestifte zum
Abstützen
eines Halbleiterwafers, Sprühböden und
dergleichen, verwendet werden.
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Als
elektrisch funktionelle Materialien, auf die der erfindungsgemäße Aluminiumnitridsinterkörper angewandt
werden kann, kann eine Heizquelle zum induzierten Heizen (ein Heizmaterial)
als Beispiel angeführt werden.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper kann
nämlich
als Heizquelle zum induzierten Heizen für den Einsatz in einer Plasmaatmosphäre verwendet
werden, da er über
hohe Reinheit sowie hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Plasma
verfügt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine wie in 29 dargestellte
elektrostatische Haltevorrichtung hergestellt. Als Ausgangspulver
wurde ein durch ein Reduktionsnitrierverfahren erhaltenes Aluminiumnitridpulver
verwendet. Die Sauer stoffmenge betrug 1,2 Gew.-% und die Menge an
Metallverunreinigungen betrug 90 ppm im Ausgangspulver. Eine Additivlösung wurde
durch Lösen
von Yttriumnitrat in Isopropylalkohol hergestellt, und diese Additivlösung wurde
mit dem Aluminiumnitridausgangspulver durch Einsatz einer Mühle vermischt.
Der Anteil des als Y2O3 beigemischten
Yttriumoxids betrug 0,05 Gew.-%.
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Als
Elektrode 19 wurde ein aus Molybdän bestehendes Metallnetz 13 verwendet.
Das Metallnetz 13 wurde mit einem Molybdändraht mit
einem Durchmesser von 0,5 mm bei einer Dichte von 15 Enden pro Zoll verzwirnt.
Das Metallnetz 13 wurde im zuvor erwähnten Ausgangspulver eingebettet,
ein Druck von 100 kp/cm2 wurde in senkrechter
Richtung zum Metallnetz 13 angelegt, und ein Axialdruckverfahren
durchgeführt,
um einen scheibenförmigen
Körper
mit einem Durchmesser von 200 mm bereitzustellen. Dieser scheibenförmige Körper wurde
in einer Heißpressform
aufgenommen und hermetisch abgedichtet. Die Temperatur wurde bei einer
Temperaturanstiegsrate von 300 °C/h
erhöht.
Dabei wurde der Druck im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis
1.000 °C
reduziert. Gleichzeitig mit dem Anstieg dieser Temperatur bis über diesen
Bereich wurde der Druck erhöht.
Die Maximaltemperatur wurde auf 2.000 °C eingestellt und 5 Stunden
lang auf diesem Wert gehalten.
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Hinsichtlich
des so erhaltenen Sinterkörpers
wurden Messungen gemäß oben dargelegter
Verfahren durchgeführt.
Die Gesamtmenge der Metallverunreinigungen mit Ausnahme von Yttrium
betrug 90 ppm, der Yttriumgehalt (Y) betrug 320 ppm, der Sauerstoffgesamtgehalt
(O) betrug 0,90 Gew.-%, der Kohlenstoffgesamtgehalt (C) betrug 0,03
Gew.-% und der Sauerstoffüberschuss
(O) betrug 0,89 Gew.-%. Darüber
hinaus wies dieser Sinterkörper
einen g-Faktor im ESR-Spektrum von 1,9977, ein Peak-Verhältnis (Al/Mn)
von 3,50, eine Spinanzahl von 2,9 × 1013 Spins/mg,
einen mittleren Korndurchmesser von 11 μm, eine Wärmeleitfähigkeit von 60, eine Festigkeit
von 320 MPa und eine relative Dichte von 99,9 % auf.
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Ferner
wurde das Spektrum mittels Kathodenlumineszenzverfahren gemessen
und im Wellenlängenbereich
von 350 bis 370 nm der gleiche Haupt-Peak wie jener aus
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23 beobachtet.
Die Sauerstoffmenge in den Kristallkörnern betrug, wie mittels Elektronenstrahlmikroanalyse
ermittelt, 0,79 Gew.-%.
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Die
Oberfläche
der dielektrischen Schicht des erhaltenen Sinterkörpers wurde
mechanisch bearbeitet, um die Dicke der dielektrischen Schicht 14 auf
1 mm zu bringen. Mit einer Bearbeitungsvorrichtung wurden Durchgangslöcher 12 von
der Rückoberflächenseite 11b des
Sinterkörpers
aus perforiert. Zudem wurde ein Anschluss 20 an die Elektroden 19 angeschlossen.
Das Widerstandsheizelement wurde jedoch nicht eingebettet. Die elektrostatische
Haltevorrichtung wies eine Größe von 200
mm Durchmesser und 12 mm Dicke auf. Es wurde die Anziehungskraft
dieser elektrostatischen Haltevorrichtung bestimmt. Die in Intervallen
von 100 °C
zwischen Raumtemperatur und 300 °C
gemessene Anziehungskraft betrug bei sämtlichen Temperaturen 60 bis
100 g/cm2. Darüber hinaus betrug der spezifische
Volumenwiderstand der dielektrischen Schicht bei Raumtemperatur
1 × 107 Ω·cm.
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Wie
zuvor ausgeführt,
kann gemäß vorliegender
Erfindung ein neuartiger Aluminiumnitridsinterkörper mit hoher Reinheit und
geringem spezifischem Volumenwiderstand bereitgestellt werden. Ferner
werden ein neuartiges elektrisch funktionelles Material, das einen
solchen Aluminiumnitridsinterkörper
umfasst, der einen einem Halbleiterwert entsprechenden spezifischen
Volumenwiderstand aufweist, und eine elektrostatische Haltevorrichtung
bereitgestellt, die einen solchen Aluminiumnitridsinterkörper verwenden.