[发明专利]堇青石玻璃‑陶瓷、其生产方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及具有特定性质的堇青石玻璃-陶瓷、包含这种玻璃-陶瓷的组件以及该玻璃-陶瓷的用途和生产方法。

背景技术

随着半导体制造日益小型化，在为此使用的微光刻工艺中，令人满意的定位精度需要具有极低热膨胀的材料。因此，在晶片的定位中需要0.1nm左右的精度，使得要求热膨胀系数<0.5ppm/K(即<0.5×10^-6/K)，优选<0.05ppm/K，优选<0.005ppm/K，以避免由于小的温度波动而导致不正确的定位。在微光刻工艺中使用的材料应同时具有高杨氏模量以保证组件的机械稳定性。

对于在此使用的组件，例如衬底保持器(称为晶片台)，目前使用基于Li₂O-Al₂O₃-SiO₂(LAS)玻璃-陶瓷的低膨胀玻璃-陶瓷(例如)或经常基于堇青石的烧结陶瓷。可从LAS体系生产玻璃-陶瓷，其中锂-高石英固溶体形成主晶相，其(在0-50℃温度范围内)具有小于0.02ppm/K的特别低的热膨胀系数。另一个优点是，由于该生产方法，它们没有可测量到的孔隙。然而，其杨氏模量一般只在90至95GPa的范围内，这对许多应用来说过低。

例如在美国专利申请US 2013225392 A中描述的含堇青石的陶瓷，同样在20-25℃的窄温度范围内具有<0.1ppm/K范围内的热膨胀系数，其特征在于杨氏模量为140-145GPa。然而，由于该生产方法，这类陶瓷具有不可避免的残余孔隙率，而且也具有约8GPa的高硬度。这些性质使得加工(磨削、研磨、抛光)变得困难，从而使组件的高精度生产变得困难。此外，烧结陶瓷组件可能易于形成粉尘。例如，由于光刻工艺是在非常干净的环境中进行的，因此任何粉尘的形成都是不利的。

陶瓷被认为是由粉状材料经热处理(烧结)而转化成主体的材料。玻璃-陶瓷被认为是通过以下步骤生产的材料：a)由玻璃原料熔融玻璃态或非晶态、即基本无结晶体的前体物质，被称为毛坯玻璃，b)冷却该毛坯玻璃，一般直至完全凝固形成玻璃体，c)任选地加工以这种方式获得的毛坯玻璃体，和d)随后通过热处理将该毛坯玻璃体再加热到低于熔融温度的温度，因此通过该毛坯玻璃的受控结晶来生产玻璃-陶瓷。在本发明的含义内，玻璃-陶瓷因此是已通过熔融而产生并随后通过受控热处理(陶瓷化)而转化为玻璃-陶瓷的材料。

堇青石玻璃-陶瓷在文献中是已知的；第一种含堇青石的玻璃-陶瓷在1958年的专利DE 1045056 B中描述。除了主要成分MgO-Al₂O₃-SiO₂以外，还使用TiO₂作为结晶成核体。在这里未提供碱金属化合物。

EP 2065346 A1描述了一种堇青石玻璃-陶瓷，其尤其可用于光刻应用。该玻璃-陶瓷不仅包含主要成分MgO、Al₂O₃、SiO₂以及作为结晶成核体的TiO₂，而且包含相当数量的其他元素，如CeO₂、BaO、SrO、SnO₂、MnO、CuO、FeO和ZnO。另一方面，不存在碱金属氧化物。

DE 102014219442 A1请求保护一种用于光刻应用的堇青石玻璃-陶瓷组件，其含有TiO₂和ZrO₂作为结晶成核体，并且其中至少60％的印度石作为晶相存在。

然而，这些材料均没有足够低的热膨胀与足够高的杨氏模量和低孔隙率的组合。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的玻璃-陶瓷，其具有低膨胀系数和高杨氏模量，且没有不利的孔隙率。

本发明的目的已通过独立权利要求的主题而实现。有利的实施方式和进一步的发展是各个从属权利要求的主题。

本发明提供一种含有SiO₂、Al₂O₃、MgO和Li₂O的玻璃-陶瓷，其含有堇青石作为主晶相，并且其次晶相包含高石英固溶体和/或热液石英固溶体。

根据本发明的玻璃-陶瓷具有堇青石作为主晶相，并且根据本发明，包含有意产生的包含热液石英固溶体和/或高石英固溶体的次晶相。次晶相优选是热液石英固溶体。热液石英固溶体和高石英固溶体将在下文统称为固溶体。