[发明专利]具有高纯工作表面的SiC陶瓷器件及其制备方法和应用

说明书

本发明公开具有高纯工作表面的SiC陶瓷器件及其制备方法和应用。所述SiC陶瓷器件包括低B、C残余的SiC陶瓷基体和位于SiC陶瓷基体表面的高纯CVD‑SiC薄膜；所述SiC陶瓷基体的致密度高于98%；所述SiC陶瓷基体的纯度高于99.5wt%；所述CVD‑SiC膜的纯度高于99.9wt%。本发明通过在低B、C残余SiC陶瓷表面镀制一层高纯CVD SiC薄膜，将有效减少B元素扩散进晶圆中，减少对晶圆的不利影响。

技术领域

本发明涉及一种具有高纯工作表面的SiC陶瓷器件及其制备方法，属于材料领域。

背景技术

芯片制造主要分为芯片设计、晶圆制造和封装测试。在中国半导体产业中，晶圆制造是最薄弱的环节。随着国家对半导体行业的更加重视，近年来一大批晶圆厂在我国建立生产线，而与其息息相关的便是半导体加工中所需要用到的各种器件。其中，高纯碳化硅(SiC)陶瓷材料由于具有许多优异的性能，例如高强度、硬度、刚度、化学稳定性、优异的抗氧化性和耐磨性等，在所制备的器件中占据较大的比重。

目前广泛应用于半导体加工中的SiC陶瓷器件，主要通过重结晶烧结的方法制备。重结晶SiC虽然具有极高的纯度，不含任何金属相和玻璃相，但是致密度和强度较低，原因是重结晶烧结是气相传质，烧结过程中几乎无体积收缩，制备的SiC陶瓷密度与素坯密度相当。虽然可以通过先驱体浸渍裂解法提高重结晶SiC陶瓷的致密度和抗弯强度，但是抗弯强度仍低于200MPa，难以满足半导体行业的需求。随着半导体行业的进一步发展，重结晶SiC陶瓷器件的性能已无法满足更大尺寸晶圆对于加工器件的要求。通过热压烧结或者放电等离子烧结，虽然可以在不添加烧结助剂的条件下制备高致密度的SiC陶瓷，但是烧结条件较为苛刻。例如在不使用烧结助剂时，若要制备致密度＞98％的SiC陶瓷，热压烧结的温度和压力需要达到2500℃和5GPa，放电等离子烧结的温度和压力需要达到2100℃和70MPa。且这两种方法一般是将SiC粉放置于石墨模具中烧结，因此制备的SiC陶瓷形状简单，尺寸较小，均不适用于制备大尺寸、形状复杂的陶瓷部件。

此外，目前较多的解决方法则是在其他器件如石墨、重结晶SiC、反应烧结SiC和常压固相烧结SiC等表面镀制高纯CVD-SiC薄膜以获得高纯工作表面。使用石墨作为基体，存在热膨胀系数不匹配的问题，导致在重复升降温后SiC薄膜剥落，使用寿命极短。重结晶SiC作为基体的缺点在于强度低，成本高，且SiC薄膜剥落后会引起细颗粒。反应烧结SiC中存在较多的游离Si，会降低其高温力学性能，且无法在强氧化和强腐蚀条件下使用，另外游离硅的存在可能导致基体与膜层结合较差。常压固相烧结SiC中存在残余的B和C，长时间使用过程中这些杂质元素可能扩散进入CVD-SiC，最终污染晶圆。

发明内容

低B、C残余SiC陶瓷虽然相对于普通的常压固相烧结法，很大程度上降低了B元素含量，但是B元素仍然有1136ppm，在半导体加工过程中，特别是在较高温度下，这些B原子极有可能会扩散进入晶圆中，导致良品率下降。因此现有高致密度的低B、C残余SiC陶瓷仍然难以满足半导体行业的需求。

为解决此问题，本发明采用膜材料与体材料相结合的方法制备具有高纯工作表面的SiC陶瓷器件，即以常压固相烧结的低B、C残余SiC陶瓷为基体，在其表面镀制高纯的CVD-SiC涂层。通过在低B、C残余SiC陶瓷表面镀制一层高纯CVD SiC薄膜，将有效减少B元素扩散进晶圆中，减少对晶圆的不利影响。该方法可以在很大程度上降低制造成本，为我国的半导体行业的“弯道超车”提供有力的技术支持。

第一方面，本发明提供一种具有高纯工作表面的SiC陶瓷器件。所述SiC陶瓷器件包括低B、C残余的SiC陶瓷基体和位于SiC陶瓷基体表面的高纯CVD-SiC薄膜；所述SiC陶瓷基体的致密度高于98％；所述SiC陶瓷基体的纯度高于99.5wt％；所述CVD-SiC膜的纯度高于99.9wt％。