EP-4737413-A1 - OPAQUE QUARTZ GLASS WITH HIGH ABSORPTION IN THE INFRARED

Abstract

Beschrieben wird ein opakes Quarzglas hoher Absorption im nahen Infrarotbereich, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen opakem Quarzglases bzw. des aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden opakem Quarzglases in Prozesskammern, in denen Halbleiterwafer verarbeitet werden.

Inventors

• Dr. Götzendorfer, Andreas
• TSCHOLITSCH, Nadine
• HAMMERSCHMIDT, Jörg
• JENEK, TORSTEN
• Dr. Wessely, Frank

Assignees

• Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20250829

Claims (15)

1. Kompositwerkstoff mit einer Matrix aus Quarzglas, in die Bereiche aus Siliziumcarbidenthaltender Phase eingebettet sind.
2. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff eine Absorption einer 3 mm dicken Scheibe bei 1500 nm von größer 40%, weiter bevorzugt größer 50 % aufweist.
3. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff eine hemisphärische Reflexion einer 3 mm dicken Scheibe bei 1500 nm von kleiner 60%, weiter bevorzugt kleiner 50 %, aufweist.
4. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff eine Transmission einer 3 mm dicken Scheibe von kleiner 10 %, weiter bevorzugt kleiner als 1 %, noch weiter bevorzugt kleiner als 0,6 %, im Wellenlängenbereich von 0,4 bis 2,5 µm aufweist.
5. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff eine Änderung des Absorptionsvermögens / Emissivität einer 3 mm Scheibe bei 1,5 µm Wellenlänge zwischen Raumtemperatur (20 °C) und 1000 °C kleiner als 0,3, weiter bevorzugt kleiner 0,2, besonders bevorzugt kleiner 0,1, aufweist.
6. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil an Siliziumcarbid-enthaltender Phase, jeweils bezogen auf die Matrix aus Quarzglas, 0,25 bis 10 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,5 bis 9 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 1 bis 8 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 1,5 bis 7 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 2 bis 6 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 2,5 bis 5 Gew.-%, beträgt.
7. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der d 50 -Wert der Partikelgrößenverteilung der Siliziumcarbid-Partikel 0,1 bis 100 µm, weiter bevorzugt 0,5 bis 75 µm, noch weiter bevorzugt 1 bis 50 µm, noch weiter bevorzugt 2 bis 25 µm, beträgt.
8. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompositwerkstoff metallische Verunreinigungen von weniger als 100 ppm, weiter bevorzugt weniger als 50 ppm, noch weiter bevorzugt weniger als 25 ppm, aufweist, wobei die metallischen Verunreinigungen durch optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma bestimmt werden.
9. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff eine Porosität von weniger als 8 %, weiter bevorzugt weniger als 6 %, noch weiter bevorzugt weniger als 5 %, aufweist, wobei sich die Porosität als das Porenvolumen bezogen auf das Gesamtvolumen des Kompositwerkstoffs definiert ist.
10. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,1 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 0,075 Gew.-%, noch weiter bevorzugt weniger als 0,05 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositwerkstoffs, aufweist
11. Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff frei von Kohlenstoff ist.
12. Verfahren zur Herstellung des Kompositwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: a. Bereitstellen einer Mischung, umfassend amorphe Quarzglaspartikel und ein siliziumcarbidhaltiges Pulver, als Suspension; b. Ausbilden eines Formkörpers mittels eines Schlickergussverfahrens ausgehend von der in Verfahrensschritt a. hergestellten Suspension unter Erhalt eines Grünkörpers; c. Trocknung des Grünkörpers; und d. Sintern des aus Verfahrensschritt c. resultierenden getrockneten Grünkörpers.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößenverteilung der Quarzglaspartikel in der Suspension einen d90-Wert von kleiner als 100 µm, weiter bevorzugt kleiner als 75 µm, noch weiter bevorzugt kleiner als 50 µm, aufweist, jeweils bestimmt durch Laserbeugung gemäß ISO 2019:13320.
14. Verfahren nach 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt in der wässrigen Suspension aus Quarzglaspartikeln mehr als 50 Gew.-%, weiter bevorzugt mehr als 65 Gew.-%, noch weiter bevorzugt mehr als 75 Gew.-%, beträgt.
15. Verwendung eines Kompositwerkstoffs gemäß einem Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Bauteils für Komponenten von Prozesskammern, in denen Halbleiterwafer zu Chips verarbeitet werden, für Anlagen, in denen Hochtemperaturprozesse durchgeführt werden, für Komponenten, die mittels Strahlung beheizt werden sowie für Komponenten, die Wärmestrahlung abblocken.

Description

Beschreibung Die Erfindung betrifft ein opakes Quarzglas hoher Absorption im infraroten Wellenlängenbereich von 1 bis 10 µm, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen opakem Quarzglases bzw. des aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden opakem Quarzglas in Prozesskammern, in denen Halbleiterwafer verarbeitet werden. Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und optischen Anzeigen werden eine Vielzahl von Geräten wie Reaktoren, Apparate, Trägerplatten, Glocken, Tiegel, Schutzschilde oder einfachere Bauteile wie Rohre, Stäbe, Platten, Flansche, Ringe oder Blöcke verwendet. Sie müssen hohen Anforderungen genügen in Bezug auf Reinheit, chemische und thermische Stabilität und mechanische Festigkeit. Sie können z.B. aus Edelstahl bestehen, werden aber zunehmend aus Quarzglas hergestellt. Der Grund dafür ist, dass sich das Siliziumdioxidmaterial bei hoher Reinheit gegenüber den üblichen Halbleitermaterialien inert verhält. Quarzglas zeichnet sich darüber hinaus durch eine hohe chemische Stabilität gegenüber zahlreichen Prozessmedien sowie durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aus. Manche Komponenten in Prozesskammern, in denen Halbleiterwafer bei hohen Temperaturen verarbeitet werden, werden mittels Strahlung von Lampen beheizt. Um eine schnelle und effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, muss das hierfür verwendete Material eine hohe Absorption, insbesondere im nahen Infrarot d.h. im Bereich von 1 bis 3 µm, aufweisen. Da die Komponenten zudem eine geringe thermische Masse aufweisen sollen, um schnelle thermische Zyklen des Erwärmens und Abkühlens zu ermöglichen, muss eine hohe Absorption schon bei geringer Dicke bzw. Wandstärke der Bauteile erreicht werden. Da die Prozessteuerung schwierig ist, wenn die Absorption des Materials stark von der Temperatur abhängt, ist es von Vorteil, wenn die Absorption in möglichst geringem Maße von der Temperatur abhängt. Diese (infrarot-)optischen Eigenschaften sollen mit den für Anwendungen in Prozesskammern der Waferprozessierung bewährten Eigenschaften von hochreinem Quarzglas möglichst kombiniert werden. Daneben kommen auch Komponenten aus anderen Materialien aus hochreinem Siliziumcarbid (z.B. CVD-SiC) und hochreinem Si zum Einsatz. Die Herstellung und Verarbeitung dieser Materialien sind allerdings im Vergleich zu Quarzglas deutlich aufwändiger und teurer. Entsprechende Quarzglasmaterialien werden beispielsweise in der EP 3 068 739 A beschrieben. Das beschriebene Material ist ein Kompositwerkstoff mit einer Matrix aus Quarzglas, in die Bereiche aus Silizium-enthaltender Phase eingebettet sind. Der Kompositwerkstoff weist zwar eine hohe Absorption bei sichtbaren Wellenlängen und im nahen Infrarot bis 1 µm auf, darüber hinaus bricht bei Raumtemperatur die Absorption jedoch stark ein. Erst bei höheren Temperaturen steigt die Absorption für einen Wellenlängenbereich größer 1 µm an und erreicht ab etwa 1000 °C einen konstanten Wert. Bei geringeren Temperaturen ist die Infrarotabsorption jedoch stark temperaturabhängig, was die Prozesssteuerung schwer und damit nachteilig macht. Ein weiterer Kompositwerkstoff, welcher für Anwendungen in Prozesskammern der Waferprozessierung vorgeschlagen wird, ist aus der US 2001/025001 A bekannt. Der Kompositwerkstoff besteht aus Quarzglas und einer zweiten Phase aus Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Titannitrid oder Titancarbid. Dabei wird sich die Aufgabe gesetzt, ein Material bereitzustellen, dass bei der mechanischen Bearbeitung weniger empfindlich gegen Sprünge ist als Quarzglas und das weniger Partikel abgibt. Der Kompositwerkstoff weist bedingt durch die Herstellmethode eine offene Porosität kleiner als 15 % bzw. kleiner 5% auf. Offenporige Materialien lassen sich sehr schwer reinigen, insbesondere mit Flüssigkeiten bzw. Säuren. Bei der mechanischen Bearbeitung können Verunreinigungen in offene Porenkanäle eindringen. Es ist praktisch unmöglich diese Verunreinigungen anschließend rückstandsfrei zu entfernen. Darüber hinaus werden optische Eigenschaften des resultierenden Werkstoffs nicht beschrieben und - insofern Siliziumcarbid als zweite Phase in dem Komposit betroffen ist - enthält der resultierende Werkstoff aus der US 2001/025001 A Kohlenstoff. Dieses ergibt sich aus dem angewendeten Herstellverfahren: Siliziumcarbid enthält als Ausgangsmaterial immer Kohlenstoff als Verunreinigung, welches in dem beschriebenen Herstellverfahren der Vakuumsinterns unter Druck nicht entfernt wird. JP 2006/027930 A betrifft ein schwarzes Quarzglas, wobei die Schwarzfärbung durch den Einbau von Grafitpartikeln zustande kommt. Das Quarzglas wird aus einer Mischung von amorphem Quarzglaspulver (Soot) und Grafitpulver mit definierten Korngrößenverteilungen durch Sinterung hergestellt. Die verwendeten Kohlenstoffpartikel machen 0,05 bis 2 Gew.-% des SiO2-Gewichts aus, die Durchmesserangaben liegen bei 0,07 bis 0,5 µm oder 0,05 bi