专利名称：耐热冲击性表面改性方法及其构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及对在室温～1500℃的较宽温度范围内，并且在快速加热-冷却循环中使用时要求耐热冲击性的陶瓷构件的耐热冲击性进行改善的方法以及通过上述方法得到的耐热冲击性构件。
本说明书等中，要求耐热冲击性的陶瓷构件，指的是构成半导体制造装置的蚀刻器罩、静电卡盘、真空卡盘、基座(サセプタ一)、操作臂、假片(ダミ一ウエハ一)、晶片加热器、高温反应炉的窗、扩散炉的反应管和晶舟、热电偶保护管、铝合金熔融用辐射管、低压铸造用司炉(スト一ク)、铝合金熔融用搅拌翼、压铸机用轴套(スリ一ブ)、配管部件、高温轴承、轴、功率模块(パワ一モジユ一ル)用散热基板、放热绝缘基板和涡轮叶片的要求耐热循环特性、耐热冲击性的高温结构材料。
背景技术：
制造半导体时，在半导体晶片的搬运、图案形成、CVD和溅射等的薄膜形成、等离子体清洗、蚀刻、切割等各步骤中，作为固定保持半导体晶片的方法，使用静电卡盘。静电卡盘是通过在静电卡盘上施加电压，得到静电吸附力从而在静电卡盘的吸附面上固定保持半导体晶片的。在薄膜形成或等离子体清洗步骤中，该静电卡盘由于在吸附保持半导体晶片的同时受到快速的加热冷却，要求较高的热传导性和较高的耐热冲击性。
此外，作为固定保持半导体晶片的构件，虽然除了静电卡盘之外，也使用利用真空吸附力的真空卡盘，但是与静电卡盘同样地，由于在吸附保持半导体晶片的同时受到快速的加热冷却，要求较高的热传导性和较高的耐热冲击性。
此外，在半导体晶片的表面上通过CVD法形成外延生长膜时，制造载置半导体晶片时所使用的基座或半导体时，对于用于溅射处理、CVD处理、离子注入处理和热扩散处理等的各种处理条件的研究、评价、检查和防止污染物质的附着等的假片，同样地要求对于多次热循环的严格的耐久性或耐热冲击性等。
特开平4-61331号公报(文献1)中，记载了在上述举出的结构构件的种类中，对于涉及假片的构件，通过增大硅基板的厚度，可以提高对于由于形成膜的厚度所导致的变形的强度。此外，特开平11-278966号公报(文献2)中，记载了通过在由SiC、Si3N4、AlN烧结体中的至少一种形成的基材的表面上，形成极其致密且无空隙的SiC被膜，可以形成耐热循环特性、耐热冲击性(热冲击)非常优异的构件。
但是，以提高产率为目的，为了进一步缩短清洗时间而缩短升温时间时，上述现有技术存在下述问题。
首先，文献1记载的基材由硅形成的假片，由于由急剧升温所导致的热冲击，具有易产生裂纹的问题。而文献2记载的化学蒸镀SiC而得到的构件虽然是大幅提高了耐热循环特性、耐热冲击性的构件，但是随着在最近的半导体制造步骤中要求进一步高效化，对于更苛刻的升温速度的要求，不能保证充分的可靠性。此外，制造步骤复杂，成本提高。在W.Pfeiffer and T.Frey.“Shot Peening of CeramicsDamageor Benefit”，Ceramic forum international Cfi/Ber.DkG 79 No.4，E25(2002)(文献3)中，涉及喷丸(シヨトブラスト)的条件，对喷丸材料、喷丸压力等与强韧化特性的相关性进行了考察。但是，未涉及喷丸与通过透射型电子显微镜测定的均匀分布的直线状的位错的位错密度以及耐热冲击性的相关性。
本发明鉴于上述现有技术的问题，目的在于提供，即使由于由急剧的升温和冷却所导致的热冲击也不易产生裂纹，此外大幅缩短清洗时间，从而可以提高硅晶片等的产率的耐热冲击特性得到改善的陶瓷材料和改善陶瓷材料的耐热冲击特性的方法。本发明人为了发现改善陶瓷材料的耐热冲击特性的方法，对于要求耐热冲击特性的陶瓷产品，尝试常温的精密喷射加工处理，结果发现通过调节该喷射加工条件，形成耐热冲击特性得到改善的位错(転位)，可以解决上述问题。通过发现上述技术，可以设计即使对于由于急剧升温所导致的热冲击也具有较大的机械强度的构件，通过将该技术适用于电子学领域，即半导体、显示器、光电传送仪器等的制造仪器中，发现大幅缩短了上述清洗时间，从而可以有助于提高硅晶片等的产率。
发明内容
本发明的方案1如下(1)要求耐热冲击性的陶瓷构件的表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，使用包含微粒的喷射材料在所述要求耐热冲击性的陶瓷构件表面形成均匀分布的直线状的位错组织，其中所述微粒的维氏硬度(HV)大于或等于800，与上述要求耐热冲击性的陶瓷构件的硬度同等或比其小，所述微粒的平均粒子大小为5μm～200μm，并且表面为凸曲面。优选为(2)如上述(1)所述的要求耐热冲击性的陶瓷构件的表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，塑性加工在喷射压力为0.1～0.5MPa、喷射速度为20m/秒～250m/秒、喷射量为50g/分～800g/分、喷射时间为1秒/cm2～60秒/cm2的条件下进行；更优选为(3)如上述(1)或(2)所述的要求耐热冲击性的陶瓷构件的表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，形成均匀分布在要求耐热冲击性的陶瓷构件的表面上的直线状位错的位错密度为1×104～9×1013cm-2的位错组织。
此外，本发明的方案2如下(4)耐热冲击性构件，其特征在于，构成要求耐热冲击性的陶瓷构件的材质具有通过透射型电子显微镜测定的均匀分布于由氧化铝、氮化硅、硅铝氧氮陶瓷(サイアロン)、氮化铝、碳化硅中至少一种形成的基材表面上的直线状位错的位错密度为1×104～9×1013cm-2的组织。优选为(5)如上述(4)所述的耐热冲击性构件，其中，所述要求耐热冲击性的陶瓷构件为蚀刻器罩、静电卡盘、真空卡盘、基座、操作臂、假片、晶片加热器、高温反应炉的窗、扩散炉的反应管和晶舟、热电偶保护管、铝合金熔融用辐射管、低压铸造用司炉、铝合金熔融用搅拌翼、压铸机用轴套、配管部件、高温轴承、轴、功率模块用散热基板、放热绝缘基板和涡轮叶片等。
进行形成具有上述特征的位错组织的处理得到的结构构件，具有数十微米或以下的在通过透射式电子显微镜的测定中以1×104cm-2～9×1013cm-2的位错密度存在的组织。通过该组织提高耐热冲击性、耐热循环的特性。而且，作为形成有上述组织、能够提高耐热冲击性的基材，优选基本上由耐热冲击性大的陶瓷形成的基材，其中，特别优选为单晶氧化铝(蓝宝石)、高纯度氧化铝、氮化硅、硅铝氧氮陶瓷、氮化铝和碳化硅。
图1是用于进行实现本发明的常温塑性加工的喷射处理的装置示意图。1表示上述装置的机壳，2表示机壳的门，3表示喷射喷嘴，4表示被加工物(被处理陶瓷)，5表示X-Y工作台，6表示上述X-Y工作台驱动部，7表示喷射材料(形成表面强韧化组织的喷射材料)回收装置。
图2是通过本发明的表面强韧化方法得到的形成了均匀分布的直线状位错的组织的透射电子显微镜照片，箭头为处理面，观察到表面一侧的位错密度高。
图3是以温度差与裂纹的延伸(长度)的相关性对实施例3的氧化铝试验片的热冲击温度差特性进行说明的图。由图可知实施强韧化的产品的耐热冲击特性得到了改善。
具体实施例方式
第1图为用于进行实现本发明的常温塑性加工的精密喷射加工处理的装置(新东ブレ一タ一(株)制，产品名マイクロブラスタ一MBI型装置)。对于根据被处理陶瓷产品不同而不同的塑性加工喷射材料，由于图1中记载的产品为板状陶瓷产品4，向着被由能够在X-Y方向上移动的工作台5形成的产品保持构件保持的被处理陶瓷产品，由喷射喷嘴3，在控制喷射压力、塑性加工喷射材料的喷射量B等的条件下进行喷射。使喷射喷嘴能够在X-Y方向上移动也得到相同的效果。所使用的塑性加工喷射材料通过回收装置7来回收、与变差的喷射材料分离、再使用。喷射材料可以与气体或如液体研磨那样与液体一起喷射。20m/sec～250m/sec的喷射速度是将喷射材料垂直喷射到样品表面时的条件。此外，喷射速度的下限是考虑到塑性加工(精密喷射加工)处理的操作性来限定的，上限限定于不引起碎片的产生等不良的范围内。
A.如上所述，作为基材，优选耐热冲击性大的陶瓷。耐热冲击性大的陶瓷材料中，使用单晶氧化铝(蓝宝石)、高纯度氧化铝、氮化硅、硅铝氧氮陶瓷、氮化铝和碳化硅材料来制造试验片，对其实施精密喷射加工处理，转变成在通过透射式电子显微镜的测定中，以1×104cm-2～9×1013cm-2的位错密度存在的组织为数十微米以下的组织。
B.对于表示本发明的技术效果的多晶体的热冲击试验的实施方法进行说明。
制造各种陶瓷的JIS试验片大小的方形试验片后，通过上述A的结构来实施表面处理。基于JIS法的热冲击试验(R1615)对该方形试验片进行耐热冲击性试验。
即，将加热到规定温度的试验片投入水中，检查有无裂纹产生。缓慢地提高加热温度来重复进行该操作直至该热冲击导致在试验片上产生裂纹。在试验片上，由于接近表面的部分和内部的冷却速度不同而产生热应力，该应力若形成比试验片的拉伸强度更大的拉伸应力则产生裂纹。
上述热冲击试验条件为(1)试验片尺寸3×4×40mm，(2)试验片温度150℃～1000℃，(3)水中温度20℃。
喷射材料的材质、喷射压力、喷射量、处理时间等可以在权利要求1和2所述的条件中，由实验来决定。喷射压力特别优选的条件为0.1MPa～0.5MPa。
下文通过实施例来对本发明进行更详细的说明。实施例的目的在于进一步明确本发明的有用性，并非对本发明加以限定。
测定仪器；(1)位错密度及其组织TEM观察用的薄膜样品用集束离子束装置(Hitachi F-2000)制造，通过透射型电子显微镜(TEM)、日本电子(株)制JEOL-200CX(加速电压为200kV)来进行组织观察。位错密度通过求得单位体积的位错的长度来得到，具体地说，经过下述过程来测定位错密度，所述过程为(1)测定薄膜样品的厚度、(2)得到测定位错密度的部位的TEM观察图像、(3)由TEM观察图像测定单位面积所含有的位错的长度。
(2)热冲击试验根据JIS R1615。
热冲击试验的实施例1-10、比较例1-6表1-1和1-2表示改变样品、喷射材料和喷射条件而得到的结构构件(实施例1-10)的表面粗糙度、位错密度、耐热冲击温度和耐热冲击温度的改善率的特性与不进行处理的比较例(比较例1-6)的样品的对比。
作为样品，使用硬度为1600HV的高纯度氧化铝(氧化铝99.5％)、硬度为1700HV的高纯度氧化铝(氧化铝99.99％)、氮化硅、硅铝氧氮陶瓷、氮化铝和碳化硅材料。热冲击试验按照JIS R1615来进行。
表1和表2的位错密度是通过从厚度方向垂直地对样品表面进行精密喷射加工而得到的样品的TEM观察的位错密度的测定结果。
表1-1热冲击试验结果(1)
表1-2热冲击试验结果(2)
由表1-1和1-2的结果可知，本发明处理品的耐热冲击性与未处理品(比较例栏)相比，与常温的塑性加工(精密喷射加工)后形成于样品表面的直线状位错的位错密度增大一起得到改善，被改善成即使氧化铝在400℃、氮化硅在950℃、硅铝氧氮陶瓷在950℃、氮化铝在500℃、碳化硅在600℃的温度差下，也可具有耐久性。
热循环试验的实施例1-10、比较例1-6通过直接使用由上述热冲击试验的实施例1-10、比较例1-6制造的试验片的热循环试验测定的耐热冲击特性；分别将10个上述试验片在红外线加热炉中在10分钟内从常温升温至1200℃，保持15分钟后，恢复至常温，将此作为一个循环，重复该循环50次，观察各烧结体表面的裂纹的产生状况。结果如表2-1和2-2所示。热循环特性栏中所示的数值表示在烧结体上观察到裂纹的试验片的个数。
表2-1热循环试验结果(1)
表2-2热循环试验结果(2)
由表2-1和2-2可知，对于本发明的处理品，常温塑性加工(精密喷射加工)后，形成于样品表面的直线状位错的位错密度增大，并且在进行热循环试验的样品上观察不到裂纹，而未处理品都观察到裂纹。由上可知，通过本发明显著地改善了热循环特性，从而确认本发明的有效性。
热冲击温度差和裂纹长度相关性的测定实施例1和比较例使用单晶氧化铝耐热冲击试验片的实验；在表3所示的条件下对单晶氧化铝试验片(形状10×10×1tmm)实施精密喷射加工处理，制造耐热冲击试验用样品。图2是通过精密喷射加工得到的单晶氧化铝试验片表面形成的直线状位错的TEM照片。在所制造的耐热冲击试验用样品上导入维氏硬度计的压痕，在300℃、500℃、700℃下加热保持10分钟后，投入水中(20℃)，放置5分钟。然后，测量上述试验片的压痕的裂纹长度，观察导入和不导入位错的试验片的裂纹的发生情况。结果如图3所示。与未处理的试验片相比，即使在700℃下也无裂纹的延伸，确认有优异的效果。
表3耐热冲击试验片(单晶氧化铝)的制造条件
产业实用性本发明可以用于在具有急速加热-急速冷却循环的步骤中使用的诸如蚀刻器罩、静电卡盘、真空卡盘、基座、操作臂、假片、晶片加热器、高温反应炉的窗、扩散炉的反应管和晶舟、热电偶保护管、铝合金熔融用辐射管、低压铸造用司炉、铝合金熔融用搅拌翼、压铸机用轴套、配管部件、高温轴承、轴、功率模块用散热基板、放热绝缘基板和涡轮叶片等的耐热冲击性的改善等。
权利要求
1.要求耐热冲击性的陶瓷构件表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，使用包含微粒的喷射材料在所述要求耐热冲击性的陶瓷构件表面形成均匀分布的直线状的位错组织，其中所述微粒的维氏硬度(HV)大于或等于800，与所述要求耐热冲击性的陶瓷构件的硬度同等或比其小，所述微粒的平均粒子大小为5μm～200μm，并且表面为凸曲面。
2.如权利要求1所述的要求耐热冲击性的陶瓷构件表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，形成通过透射型电子显微镜测定的均匀分布在要求耐热冲击性的陶瓷构件表面上的直线状位错的位错密度为1×104～9×1013cm-2的位错组织。
3.如权利要求1所述的要求耐热冲击性的陶瓷构件表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，塑性加工是在喷射压力为0.1～0.5MPa、喷射速度为20m/秒～250m/秒、喷射量为50g/分～800g/分、喷射时间为1秒/cm2～60秒/cm2的条件下进行的。
4.如权利要求3所述的要求耐热冲击性的陶瓷构件表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，在要求耐热冲击性的陶瓷构件的表面形成通过透射型电子显微镜测定的均匀分布的直线状位错的位错密度为1×104～9×1013cm-2的位错组织。
5.耐热冲击性构件，其特征在于，构成要求耐热冲击性的陶瓷构件的材质具有均匀分布在基材表面上的直线状位错的位错密度为1×104～9×1013cm-2的组织，所述基材由氧化铝、氮化硅、硅铝氧氮陶瓷、氮化铝、碳化硅中的至少一种形成。
6.如权利要求5所述的耐热冲击性构件，其中，所述要求耐热冲击性的陶瓷构件为蚀刻器罩、静电卡盘、真空卡盘、基座、操作臂、假片、晶片加热器、高温反应炉的窗、扩散炉的反应管和晶舟、热电偶保护管、铝合金熔融用辐射管、低压铸造用司炉、铝合金熔融用搅拌翼、压铸机用轴套、配管部件、高温轴承、轴、功率模块用散热基板、放热绝缘基板和涡轮叶片等。
全文摘要
要求耐热冲击性的陶瓷构件表面耐热冲击性的改性方法，其特征在于，使用包含微粒的喷射材料在所述要求耐热冲击性的陶瓷构件表面形成均匀分布的直线状的位错组织，其中所述微粒的维氏硬度(HV)大于或等于800，与所述要求耐热冲击性的陶瓷构件的硬度同等或比其小，所述微粒的平均粒子大小为5μm～200μm，并且表面为凸曲面。
文档编号C04B41/91GK1942416SQ200580011068
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月6日 优先权日2004年4月12日
发明者坂公恭, 文元振, 内村胜次, 伊藤俊朗 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构, 国立大学法人名古屋大学, 新东工业株式会社