LSI Advanced Das klassische Verfahren weitergedacht

Dauerhaltbare Hilfsmittel für eine effiziente Silizierung im weitergedachten LSI-Prozess

Das klassische LSI-Verfahren kann durch die Verwendung von Hilfsmitteln aus pyrolytischem Bornitrid (pBN) deutlich Kosten- und Aufwandsreduziert gestaltet werden. Damit entfällt unter anderem die aufwändige Reinigung und häufige Erneuerung von klassischen Tiegeln aus Kohlenstoff.

Der klassische LSI-Prozess wird üblicherweise mit Tiegeln und Hilfsmitteln aus Graphit durchgeführt, welche mit Bornitrid-Farbe aus hexagonalem Bornitrid (hBN) sowie Wasser/Alkohol bestrichen sind. Der nur mittelmäßige Schutz der BN-Farbe gegenüber Silizium führt jedoch teilweise zu einer Reaktion zwischen Graphit und Silizium, wodurch der Graphit einem hohen händischen Aufwand für Reinigung sowie Bestreichen nach jeder LSI-Fahrt unterliegt. In regelmäßigen Abständen müssen Graphittiegel außerdem getauscht und damit entsorgt werden. 

Herausragende Eigenschaften von pBN

CVT hat sich in eigenen Versuchsreihen die besonderen Eigenschaften des selbst im Ostallgäu produzierten pyrolytischen Bornitrids (pBN) zunutze gemacht, um den LSI-Prozess künftig deutlich einfacher und günstiger durchführen zu können. Im Vergleich zum damit verwandten hexagonalen Bornitrid (hBN) wird pBN über die Gasphase als Schicht z.B. in Tiegelform auf einer Mandrelle abgeschieden und anschließend entformt. Dadurch erhält man ein makroskopisch anisotropes Material mit extrem hoher Reinheit (> 99,999 %), hoher Dichte und Biegefestigkeit sowie Wärmeleitfähigkeit (in Gitterebene). All diese Eigenschaften verleihen pBN ein deutlich vermindertes Reaktionsvermögen gegenüber Si-Legierungen im Vergleich zu hexagonalem Bornitrid. 

Schutzschicht wird mit Nutzung resistenter

Die geringe Benetzbarkeit des pBN ermöglicht ein einfaches Entfernen von Bauteil und Restsilizium nach einem LSI-Prozess unter Standardbedingungen (Abb. 1). Kommt pBN zum ersten Mal in Kontakt mit Silizium, wird die Oberfläche des pBN-Hilfsmittels durch das Silizium angelöst und beim Erstarren wieder ausgeschieden. Dafür ist eine Mindestschichtdicke erforderlich.  Beim Abkühlen bildet sich eine weißliche Schicht aus partikulärem, rekristallisiertem BN (Abb. 2). Durch die große Oberfläche der Partikelschicht in Verbindung mit deren geringer Benetzbarkeit, kommt es zum Lotoseffekt bei weiterem Kontakt mit Silizium (Abb. 3). Dadurch wird das Hilfsmittel gegenüber jedem weiteren Kontakt mit Si noch stabiler und ist, außer bei sehr hohen Temperaturen, dauerhaft verwendbar. 

Aufbau des LSI Advanced

In dem zum Patent angemeldeten Verfahren werden maßgeschneiderte Tiegel aus pBN als direkte Kontaktfläche für Silizium und Werkstück bzw. Silizierdocht verwendet. 

Beim Aufbau werden z.B. Innentiegel aus pBN innerhalb eines stapelbaren Graphittiegels platziert und das C/C-Werkstück direkt oder auf Dochten hineingestellt. Silizium wird im Tiegel verteilt und kann durch den vergleichsweise geringen Tiegeldurchmesser exakt auf das Werkstück eingestellt werden. Nach der Silizierung kann das Werkstück ohne Festkleben entnommen werden (Abb. 1). Die Oberfläche des Werkstücks zum pBN ist entsprechend hochwertig und kann für viele Anwendungen ohne Nachbearbeitung übernommen werden. Am pBN anhaftendes Restsilizium lässt sich aus dem Tiegel durch einmaliges Durchfahren mit einem Tuch oder Schleifvlies restlos entfernen. Damit ist der Tiegel bereit für die nächste LSI-Fahrt. Bei eigenen Versuchen sind auch nach über 20 LSI-Fahrten die Tiegel noch voll einsetzbar. Damit können im Vergleich zum klassischen Vorgehen Reinigungsarbeit und Graphit-Rohmaterial eingespart werden.

Ausblick

Durch diese Technik sind neben tiegelförmigen Hilfsmitteln auch weitere Formen welche z.B. das flüssige Silizium zu bestimmten Zeiten oder an bestimmte Positionen führen umsetzbar. Sogar Lücken von 0,6 mm zwischen pBN-Hilfsmitteln werden vom flüssigen Si nicht durchdrungen, so dass z.B. zusammengesetzte, komplexere Einbauten aus pBN möglich sind (Abb. 2).