Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Werkstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mechanisch, thermisch und/oder chemisch widerstandsfähigen Formkörpern mit definiertem Querschnitt aus keramischen Werkstoffen.
Formkörper, insbesondere Hohlkörper, aus keramischen Werkstoffen, z. B. Metallkarbiden oder -oxyden, lassen sich im allgemeinen mit mechanischen Mitteln nur mit sehr grossem Aufwand massgenau bearbeiten, da ihre, durch die grosse Dichte bedingte, hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchungen naturgemäss auch die Bearbeitbarkeit beeinträchtigen.
Darüberhinaus sind diese Körper häufig spröde, so dass sie bei mechanischer Bearbeitung leicht splittern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mechanische Herstellung und Bearbeitung von derartigen Formkörpern aus keramischen Werkstoffen zumindest weitgehend zu vermeiden, und die unter Umständen notwendige mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche auf ein Minimum zu reduzieren. Derartige Formkörper finden beispielsweise Anwendung als Lagersteine für Uhren und Messinstrumente, als Abriebteile für Textilmaschine, z. B. als Fadenführer und Schützenhalter von Webmaschinen, oder als Düsen, die chemisch und thermisch hoch belastet werden, z. B.
Brennstoff- oder Spritzdüsen.
Die Erfindung basiert auf dem, für die Beschichtung von Metalloberflächen bekannten, sogenannten CVD(Chemical Vapor Deposition)-Verfahren.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein die Form und die Abmessungen des gewünschten Formkörpers mindestens annähernd aufweisender Trägerkörper aus chemsich inaktivem, temperaturbeständigem Material in einem Reaktionsgefäss unter Schutzgas oder Vakuum auf eine Reaktionstemperatur aufgeheizt wird, die durch die verwendeten Ausgangsverbindungen bestimmt ist, dass ferner die Elemente des Werkstoffes mindestens enthaltende, dampf- oder gasförmige Ausgangsverbindungen an den heissen Trägerkörper herangeführt und an diesem chemisch und/oder thermisch zersetzt werden, wobei der keramische Werkstoff auf dem Trägerkörper abgeschieden wird, und dass schliesslich der Trägerkörper nach der Beschichtung durch mechanische und/oder chemische Mittel aus der den Formkörper bildenden keramischen Schicht entfernt wird.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für derartige Formkörper sind elektrische Heizelemente sehr hoher Leistungsdichte und Belastbarkeit, die unter Umständen als Glühkörper Temperaturen über 1200 C erreichen.
Bei derartigen Heizelementen ist es oft wünschenswert, wenn sie bestimmte elektrische Leitfähigkeiten besitzen, die in einem weiten Temperaturbereich möglichst temperaturunabhängig sind. Die elektrischen Eigenschaften der Hohlkörper lassen sich mit dem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren auf einfache Weise beeinflussen, wenn das sich abscheidende Material mit geeigneten Elementen dotiert wird.
Eine geeignete Dotierung kann beispielsweise erreicht werden, wenn während der oder anschliessend an die Abscheidung des keramischen Werkstoffes mindestens ein bei der Reaktionstemperatur festes Metall, beispielsweise Eisen, Aluminium, Bor oder Titan, oder Stickstoff aus mindestens einer bei der Reaktionstemperatur spaltbaren, dampf- oder gasförmigen Verbindung abgeschieden wird, wobei die Konzentration des oder der zusätzlich abgeschiedenen Elemente in dem Werkstoff durch das Verhältnis der Mengenströme pro Zeiteinheit für die die Elemente des keramischen Werkstoffes und die das oder die Zusatzelemente enthaltenden Verbindungen und/oder durch die Temperatur in je einem zur Verdampfung der Verbindungen dienendem Gefäss gesteuert wird.
Für die Abscheidung von Stickstoff werden vorteilhaft Ausgangssubstanzen, wie Ammoniak oder Amine, verwendet, bei deren Zersetzung zumindest überwiegend atomarer Stickstoff entsteht.
Vorteilhafterweise kann weiterhin die Massnahme vorgesehen sein, dass ein elektrisch leitender Trägerkörper durch elektrischen Strom, galvanisch oder in duktiv, direkt beheizt wird, während das Reaktionsgefäss gekühlt wird. Diese Massnahmen ergeben den Vorteil, dass die thermischen und/oder chemischen Reaktionen im wesentlichen in der unmittelbaren Umgebung des Trägerkörpers lokalisiert werden und dadurch Ablagerungen an den Wänden des Reaktionsgefässes zumindest vermindert werden.
Selbstverständlich ist jedoch eine Aufheizung des ganzen Reaktionsgefässes auf die Reaktionstemperatur, beispielsweise durch eine Gas- oder Ölheizung, ebenfalls möglich.
Weiterhin können die dampf- oder gasförmigen Verbindungen mit Hilfe eines Transportgases dem Reaktionsgefäss und dem Trägerkörper zugeführt werden, wobei das Transportgas gleichzeitig als Reaktionspartner für mindestens eine der chemischen Reaktionen dienen kann.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung nachstehend näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Fig. 2 und 3 geben einen Hohlkörper wieder, der beispielsweise zu Lagersteinen weiter verarbeitet werden kann.
Fig. 4 und 5 stellen zwei verschiedene Ausführungsformen eines beschichteten Trägerkörpers dar, die zur Herstellung von Fadenführern und Düsen dienen.
Fig. 6-10 zeigen weitere Ausführungsformen der Trägerkörper und die darauf aufgebrachten Schichten der keramischen Werkstoffe.
in dem Reaktionsgefäss 1, dessen Begrenzungswände von einem Kühlmittel, z. B. Wasser, durchflossen sein können, wofür die Kühlmittelleitungen 2 und 3 vorgesehen sind, kann in den Halterungen 4 ein geeigneter Trägerkörper 5 befestigt werden, auf dem sich der keramische Werkstoff während des Verfahrens niederschlägt.
Die Halterungen 4 für den Trägerkörper 5, der vorteilhafterweise elektrisch leitend ausgebildet ist, dienen gleichzeitig zur Zuführung der elektrischen Energie für die Aufheizung des Trägers 5 auf Reaktionstemperatur. Die elektrische Heizung für den Träger 5 ist nur schematisch angedeutet und mit 6 bezeichnet.
In einer Seitenwand des Reaktionsgefässes 1 befindet sich ein Beobachtungsfenster 7, vor dem ein Strah iungspyrometer 8 angeordnet ist, das zur Messung und Überwachung der Reaktionstemperatur dient.
Die als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Hohlkörpern dienenden Verbindungen, sowie die als Grundsubstanzen für die als Dotierung zur Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften verwendeten Elemente können bei Umgebungstemperatur gasförmig, flüssig oder fest sein. Darüberhinaus werden für den Ablauf der Zersetzungsreaktionen und die Bildung der keramischen Stoffe unter Umständen zusätzliche, meist gasförmige Reaktionspartner, wie z. B. Wasserstoff als Reduktionsmittel, benötigt. Sehr häufig ist es darüberhinaus notwendig, das Verfahren unter Schutzgasatmosphäre oder bei reduzierten Drücken durchzuführen.
Für die Zuführung der verschiedenen Verbindungen und Elemente, zu dem Trägerkörper 5 sowie für das Wegführen von gasförmigen Reaktionsprodukten bzw.
für das Arbeiten unter reduziertem Druck oder Vakuum besitzt das Reaktionsgefäss 1 daher mehrere Leitungsanschlüsse.
Von oben mündet in das Gefäss 1 eine Leitung 9, an die ein Messgerät 10 für die Messung des Druckes im Reaktionsraum angeschlossen ist. Durch diese Leitung 9 kennen gasförmige Verbindungen oder lile- mente dem Reaktionsraum direkt zugeführt werden.
Bei Umgebungstemperatur feste Verbindungen werden dem Reaktionsraum dampfförmig mit Hilfe eines Transportgasstromes zugeführt. Die Verdampfung erfolgt in einem Gefäss 12, dass in einem Verdampfungsraum 11 gelagert ist. Durch eine Heizspirale 13, die mit einer elektrischen Energiequelle 14 verbunden ist, wir der Verdampfungsraum 11 auf eine geeignete Temperatur aufgeheizt; diese Temperatur wird durch einen Temperaturfühler 15 überwacht, der gegebenenfalls den Heizstrom für die Spirale 13 automatisch steuert.
Das Transportgas für den Transport der Verdampfungsprodukte aus dem Raum 11 zu dem Trägerkörper 5 wird über eine Leitung 15 in den Raum 11 einge- speist.
Im Reaktionsgefäss 1 sind weiterhin eine Reihe von Verteilerdüsen 17 vorhanden, durch die die für den Aufbau des keramischen Werkstoffes notwendigen Verbindungen und/oder Elemente gas- oder dampfförmig in den Rea3rtionsraum, unter Umständen ebenfalls wieder mit Hilfe eines Transportgases, eingeblasen und dem Träger 5 zugeführt werden. Zu diesem Zweck sind die Düsen 17 mit einer Leitung 18 verbunden, die zu Dreiweg-Umschalt-Ventil 19 führt, dessen zweiter Ausgang über eine Leitung 20 mit der Atmosphäre verbunden irt. Dieser zweite Ausgang hat die Aufgabe vor der Durchführung des eigentlichen Herstellungsverfahrens, ein Durchspülen der Anlage zu ermöglichten.
Am Eingang des Ventils 19 endet eine Leitung 21, die das Ventil 19 über eine Leitung 22 entweder mit einer Quelle für einen gasförmigen Stoff verbindet oder zu zwei Verdampfungseinrichtungen 23 und 24 für flüssige Substanzen führt.
Jede der beiden Verdampfungseinrichtungen 23 und 24, die beide gleich ausgebildet sind, -von denen die eine für die Erzeugung des Dampfes einer Verbindung zur Herstellung des keramischen Werkstoffes und die andere beispielsweise zur Verdampfung eines flüssig vorliegenden Stoffes dient, aus dem ein Dotierungsmittel gewonnen wird -besitzt eine in eine elektrische Heizhaube 25 eingebettete Verdampferblase 28, an die sich ein von einem Thermostaten 26 umgebenes Steigrohr 27 anschliesst. Temperaturfühler 29 überwachen die Verdampfungstemperatur 71 und steuern gegebenenfalls den Stromdurchgang durch die Heizhaube 25.
Weitere Temperaturfühler 30 messen und steuern die Temperatur T2 im Thermostaten 26 und damit im Innern des Steigrohres 27. Die Temperatur T2 wird beispielsweise durch Verändern des Stromes eines Mediums, z. B. Wasser, durch den Thermostaten 26 auf einem konstanten Wert gehalten.
Die doppelte Temperaturmessung und -steuerung durch die Fühler 29 und 30 hat den Zweck, den Mengenanteil an verdampfter Flüssigkeit in dem dem Gefäss 1 zufliessenden Dampf oder Dampfgas-Gemisch definiert festzulegen und zu verändern, wie später noch beschrieben wird.
In jede Verdampferblase 28 mündet eine Leitung 31, durch die ein Transportgas für den in der Blase 28 erzeugten Flüssigkeitsdampf eingespeist werden kann.
Die Leitungen 9, 16, 22 und 31 sind je mit einem beispielsweise als Nadelventil ausgebildeten, einstellbaren Drosselorgan 33 und einem Strömungsmesser 34 versehen; sie besitzen -ausserdem je einen Druckmesser 3, mit dem der Eingangsdruck in die Anlage für die jeweils in diesen Leitungen geführten Gase gemessen wird. Alle diese Leitungen sind an nicht dargestellten Quellen, z. B. Gasflaschen, für die entsprechenden Gase angeschlossen, wobei unter Umständen darüberhinaus ebenfalls nicht gezeigte Gasreinigungsvorrichtun gen vorhanden sein können.
Schliesslich gehen von dem Reaktionsgefäss 1, zwei weitere Leitungen 36 und 37 aus, die über je -eine einstellbares Drosselorgan 38 und 39 in die Atmosphäre führen, wobei inner Leitung 37 darüberhinaus eine mehrstufige Vakuumpumpe 41 vorgesehen ist, mit der Vakua bis zu I-0-6mm Hg erzeugt und aufrecht erhalten werden können.
Die Dosierung gasförmiger Stoffe erfolgt direkt durch die Drosselorgane 33 mit Hilfe der Strömungsmesser 34, wobei die abgelesenen Durchsatzmengen mit Korrekturen versehen werden, die jeweils vom Eingangsdruck der Gase (Messgerät 35), dem Gesamtdruck der Anlage (Messgerät 10) und der Reaktionstemperatur (Temperaturfühler 8), sowie der Dichte der Gase abhängig sind. Die Korrekturen sind notwendig, weil die käuflichen Strömungsmesser im allgemeinen auf Luft bei bestimmter Temperatur und bestimmten Druck geeicht sind. Änderungen der Durchflussmengen werden durch nun Verstellen der Drosselorgane 33 von Hand oder automatisch vorgenommen.
Der Volumen- oder Molanteil des aus flüssigen Verbindungen gewonnenen Dampfes wird über die Temperatur in der Verdampferblase 28 und über diejenige im Steigrohr 27 auf folgende Weise festgelegt und verändert. Ein durch -die Elemente 33 und 34 bekannter Mengenstrom pro Zeiteinheit an Transportgas strömt durch die Leitung 31 in die Verdampferblase 28 und wird dort entsprechend der in ihr herrschenden Temperatur T1 partiell mit Dampf gesättigt. Beim Durchströmen des Steigrohrs 27 und damit des Thermostaten 26, der auf eine gegenüber der Temperatur T1 um etwa 10-20 C niedrigere Temperatur eingestellt ist, wird ein Teil des mit dem Gas transportierten Dampfes wieder kondensiert. Daher ist das Dampf Gasgemisch bei Eintritt in die Leitung 21 entsprechend der Temperatur T2 mit Dampf gesättigt.
Aus dem bekannten Dampfdruck der Flüssigkeit bei T2 kann dann der Molanteil des Dampfes bei bekanntem Gesamtdruck der Anlage (Messfühler 10 in Leitung 9) berechnet werden. Da der Volumenstrom des Transportgases bekannt ist, ist damit auch der Volumenoder Molstrom des Dampfes, d. h. die dem Reaktionsgefäss 1 pro Zeiteinheit zugeführte Dampfmenge an in der Einrichtung 23 oder 24 verdampfter Flüssigkeit bekannt. Eine Änderung des Dampfstromes erfolgt über Anderungen der Temperaturen T1 und T2 mit Hilfe des Heizstromes für die Hauben 25 und/oder des Stromes durch den Thermostaten 26 sowie durch Änderung des
Transportgasstromes mit Hilfe der Elemente 33 und 34 und/oder des Druckes im System mit Hilfe der Ele mente 38 oder 39.
Die festen, verdampfbaren Substanzen werden ebnfalls über ihre Verdampfungstemperatur (Temperaturfühler 15), und damit über ihren Dampfdruck, im Zusammenwirken mit dem Volumenstrom des Transportgases dosiert. Die Menge der verdampften Substanz muss dabei jeweils bei bestimmten Temperaturen und bei bestimmten Transportgasströmen durch Eichmessungen ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird der die Substanz enthaltende Tiegel 12 in gewissen Zeitabständen gewogen; die Gewichtsdifferenz entspricht der pro Zeiteinheit verdampften Menge an fester Substanz. Eine Änderung dieser Menge erfolgt am einfachsten bei konstantem Transportgasstrom mit Hilfe von Temperaturänderungen im Verdampfungsraum 11 durch Regulieren des Heizstromes für die Spirale 13 oder umgekehrt durch eine Änderung des Transportgasstromes bei konstanter Temperatur.
Die weiteren Reaktionsparameter - Reaktionstemperatur (Strahlungspyrometer 8) und -Druck (Messfüh ler 10) - müssen ebenfalls dauernd überwacht werden, da sich vor allem die Temperatur des Trägerkörpers 5 durch Anderungen seiner elektrichen Leitfähigkeit infolge der abgeschiedenen Materialmengen dauernd ver ändert. Die mit dem Pyrometer 8 gemessene Gesamtstrahlungstemperatur dient dabei zur Steuerung des Heizstromes in der Heizeinrichtung 6. Mit dem Druckfühler 10 gemessene Druckänderungen werden durch Verstellen der Drosselorgane 38 bzw. 39 in den Leitungen 36 bzw. 37 ausgegelichen.
Als Substrat oder Trägerkörper 5 können Stäbe oder Drähte sowie Rohre oder Formkörper aus Graphit oder aus geeigneten hochschmelzenden Metallen wie z. B. Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder Tantal (Ta) - oder geeigneten Metallegierungen dienen. Selbstverständlich können auch Trägerkörper 5 aus keramischem Material mit geeigneter elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden.
Die Auswahl des Materials für den Körper 5 richtet sich nach den bei dem Verfahren erreichten Temperaturen und den für die Bildung verwendeten bzw.
bei der Bildung der keramsichen Körper entstehenden Substanzen.
Form und Abmessungen der Trägerkörper 5 können je nach Art und Grösse der geforderten Hohlkörper in weiten Grenzen variieren. So ist es möglich, durch Verwendung von dünnen W- oder Mo-Drähten als Trägerkörper 5 mit Durchmessern bis herunter zu 0,02 mm Hohlkörper 40 mit sehr feinen Bohrungen herzustellen.
Ein derartiger Hohlkörper 40 ist schematisch und im vergrösserten Masstab in Fig. 2 und 3 gezeigt.
Durch Zerschneiden oder Zersägen längs der Linien a-a (fig. 2) können aus diesem Hohlkörper 40 beispielsweise Lagersteine hergestellt werden.
Für die erwähnten Heizelemente werden als Trägerkörper 5 zweckmässig Graphitstäbe oder -Rohre mit Durchmessern von einigen Millimetern benutzt. In ihrer Form entsprechen derartige Elemente beispielsweise dem Holilkörper 40 nach Fig. 2.
Aus dem in Fig. 4 gezeigten Hohlkörper 40 erhält man durch Zerteilen längs der Linien a-a ringförmige Fadenführer für Webmaschinen, während durch einen zusätzlichen Schnitt längs b-b offene, halbschalenförmige Fadenführer entstehen; aus einem Körper 40 nach Fig. 5 können Spritzdüsen gefertigt werden, in dem man diesen Hohlkörper 40, wiederum an den Stellen a-a, zerschneidet.
Die Trägerkörper 5 nach den Fig. 4 und 5 werden dabei am einfachsten mechanisch aus Graphit oder einem Rohling aus hochschmelzendem Metall herausgearbeitet. Die Oberflächenbeschaffung des Hohlrau- mes in den Körpern 40 hängt dabei von der Genauigkeit der äusseren Oberfläche der Körper 5 ab. Es ist eine wirtschaftliche, von Fall zu Fall zu entscheidende Frage, ob die Oberfläche der Korper 5 so genau gearbeitet wird, dass in den Hohlräumen der Körper 40 keine mechanische Nachbearbeitung notwendig ist, oder ob es vorteilhafter ist, die Oberfläche der Trägerkörper 5 weniger genau zu bearbeiten und die Körper 40 nachzubearbeiten, zum Beispiel in einer mit Quarzstaub gefüllten Trommel nachzupolieren.
Die in den Fig. 6-10 gezeigten Hohlkörper geben einige Beispiele für nach dem beschriebenen Verfahren herzustellende Formkörper; die gezeigten Hohlkörper werden dabei - unter Umständen durch Zerschneiden in verschiedenen Richtungen - in die gewünschte Form und Abmessung weiter verarbeitet. Von den in den Fig. 610 stark vergrössert dargestellten Formkörpern können dabei zum Beispiel die Körper 40 nach Fig. 6 bzw. 7 als Lagerschneiden bzw. Schneidenlager für Waagen, diejenigen nach Fig. 8 und 9 als Einsätze für Kunstfaserspinndüsen und diejenigen nach Fig. 10 als Einsätze für Sprühdüsen mit breitgefächertem, flachem Strahl dienen.
Das Herstellungsverfahren für die keramischen Formkörper läuft im allgemeinen auf folgende Weise ab:
Nach dem Einsetzen des Trägers 5 in die Halterungen oder Stromzuführungen 4 wird das Reaktionsgefäss verschlossen und das gesamte System mehrfach evakuiert und mit einem Inertgas, z. B. mit Stickstoff oder Argon gespült, um den Sauerstoffgehalt auf ein Minimum zu reduzieren. Dann wird mit Hilfe von Schutzgas der Reaktionsdruck eingestellt und der Träger bis auf eine Temperatur erhitzt, die etwa 50 C über der Reaktionstemperatur TR liegt. Diese t)berhit- zung ist notwendig, damit beim Einströmen der Gase und Dämpfe die Temperatur den gewünschten Wert TR erreicht. Bei der Temperatur TR+50 wird der Träger etwa 10 min. ausgeheizt.
Nunmehr werden die gewünschten Gasströme eingestellt und das Verfahren durch Zuführen der Gas- bzw. Dampfgasgemische zu dem Trägerkörper 5 durchgeführt. Während der gazen Reaktionszeit werden alle Reaktionsparameter kontrolliert und unter Umständen korrigiert.
Die Reaktionsdauer hängt in jedem Fall von den speziellen Bedingungen - wie zum Beispiel Reaktionstemperatur und -Druck, Verdampfungstemperatur für feste und flüssige Substanzen, Volumeströme der Gase, Art und Grösse der gewünschten Formkörper sowie ihr Material und die verwendeten Ausgangssubstanzen ab; die Reaktionsdauer lässt sich daher nur experimentell bestimmen. Sie kann zwischen 30 min. und 12 Stunden variieren. Sobald die gewünschte Schichtdicke für den Hohlkörper 40 erreicht ist, wird durch Abstellen der Heizung für den Träger 5 das Verfahren abgebrochen, das Reaktionsgefäss 1 wiederum mehrmals evakuiert, gespült und dann belüftet.
Aus dem entstandenen Rohkörper wird der Träger 5 mechanisch oder chemisch - z. B. durch Bohren, Erosion, Verbrennen, Elektrolyse oder Ätzen mit Säuren oder Laugen herausgelöst und der entstandene Hohlkörper zu den gewünschten Formkörpern weiter verarbeitet, beispielsweise zersägt und poliert. Die Herstellung der endgültigen Formkörper kann dabei vor oder nach dem Herauslösen der Träger 5 erfolgen.
Beispiel 1
Hohlkörper aus Aluminiumoxid (A1203)
Die Ausgangssubstanzen für einen Al2O3-Körper sind Aluminiumtrichlorid (AlCl3), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2). Als Gase werden dabei dem zuvor in der vorstehend beschriebenen Weise vorbereitetem Reaktionsgefäss 1 H2, das gleichzeitig als Transportgas für AlCl3-Dampf dient, durch die Leitung 16 und CO2 durch die Leitungen 22 und 21 zugeführt; über die Leitung 9 strömt darüberhinaus Kohlenmonoxid (CO) in das Gefäss 1 ein, um während der Herstellung des A1203 eine Nebelbildung aus Al2O3.xH2O zu verhindern. AlCl3 wird im Verdampfungsraum 11 aus dem Gefäss 12 heraus verdampft und mit Hilfe des H2 in den Reaktionsraum eingebracht.
Als Trägerkörper dient ein Graphitstab von etwa 50 cm Länge und etwa 2 mm Durchmesser.
Für die Herstellung eines Al2O3-Hohlkörpers ergeben sich folgende Werte für die einzelnen Reaktionsparameter:
Reaktions- 800-12550 C, temperatur: insbesondere 1230-1255 C
Reaktionsdruck: etwa Atmosphärendruck
H2-Strom: 50-300 cm3/min., insbesondere 160 cm2/min.
CO2-Strom: 20-200 cms/min., insbesondere 40 cm3/min.
CO-Strom: 0-1000 cm3/min., insbesondere 840 cm3/min.
AlCl3-Strom 10-600 mg/min., abhängig (gasförmig): von der gewählten
Verdampfungstemperatur
Verdampfungs- 100-180 C, temperatur: insbesondere 130-160"C
Die Dosierung der einzelnen Substanzen erfolgt in der für gasförmige und feste Stoffe beschriebenen Weise.
Über verschiedene Zwischenreaktionen wird bei dem Verfahren nach der Gleichung
EMI4.1
Al203 auf dem Trägerkörper 5 abgeschieden, während Chlorwasserstoff (HC1) und Kohlenmonoxid (CO) gasförmig durch die Leitung 36 entweichen.
Beispiel 2
Heizelement aus Siliziumkarbid (SiC), das mit Eisen (Fe) zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist.
Die Ausgangssubstanz für die Herstellung von Siliziumkarbid bildet Trichlormethylsilan (CH3SiCl3), das sowohl den Kohlenstoff, als auch das Silizium enthält, wobei zusätzlich beide Elemente in dem für die SiC Bildung richtigen stöchiometrischen Verhältnis vorliegen.
Zur Durchführung des Verfahrens wird CHSSiCl3 in der Verdampfungseinrichtung 23 verdampft und mit H2, das der Einrichtung 23 durch die Leitung 31 zuströmt, als Transportgas dem Gefäss 1 über die Leitungen 21 und 18 zugeführt. Der als Transportgas verwendete Wasserstoff dient gleichzeitig dazu, um das während Zwischenreaktionen entstehende, stabile Zwischenprodukt Siliziumdichiorid (SiCl2) zu reduzieren.
Das als Dotierung gewählte Eisen wird aus Eisen (III)-Chlorid (Fall5) gewonnen, das im Verdampfungsraum 11 verdampft und mit einem in der Leitung 16 fliessenden Argon-Strom als Transportgas dem Reaktionsraum und damit dem Trägerkörper 5 zugeführt wird.
An dem Trägerkörper 5 schlägt sich das Eisen zusammen mit SiC nieder, da das gasförmige FeCl3 durch H2 am heissen Trägerkörper reduziert wird.
Als Trägerkörper 5 dient ein Graphitrohr von 50 cm Länge mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einem Aussendurchmesser von 6 mm. Für die Reaktionsparameter sind folgende Werte gewählt worden:
Reaktionsdruck: etwa Atmosphärendruck
Reaktions- 1300-1650 C, temperatur: insbesondere 14500 C
H2-Strom: 300-3000 cm3/min., insbesondere 1500 cm3/min.
CH3SiCl3-Strom: 10-600 cm2/min., abhängig von der dafür gewählten
Verdampfungstemperatur
Verdampfungs temperatur (Temperatur T2 im 10-50 C,
Thermostat 26): insbesondere 15-180 C
Ar-Strom: 100-1000 cma/min., insbesondere 500 cma/min.
FeCl3-Strom 0,5-300 cm5/min., abhängig (gasförmig): von der dafür gewählten
Verdampfungstemperatur
Verdampfungs- 190-300 C, temperatur: insbesondere 220-250 C
Die Bilrung des Fe-dotierten SiC erfolgt wiederum über mehrere Zwischenreaktionen nach den Gleichungen CH3SiCl3 e SiC + 3 HCl
2FeCl3 + 32Fe+ 6HCl wobei Chlorwasserstoff als gasförmiges Reaktionsprodukt entweicht. Die Eisenkonzentration in dem fertigen Heizelement beträgt etwa 0,5-5 Gew.-O/o.
Beispiel 3
Isolationskörper aus Bornitrid (BN)
Die Herstellung dieses Körpers erfolgt durch Thermolyse von Borazolen, insbesondere Trichlorborazol (B3N3H3Cl3) an dem heissen Trägerkörper 5. Trichlorborazol wird dabei ohne weitere zusätzliche Stoffe in der Einrichtung 23 verdampft und durch das zuvor evakuierte System dem Trägerkörper 5 zugeführt, an dem es sich nach der Gleichung B3N3H5Cl3 o 3 BN + 3 HCl zersetzt. Als Trägerkörper dienen Platin-Rhodium (PtRh)-Drähte oder Stäbe aus Mo-, W-, Ta-, Fe-Legierungen.
Die Re aktionsparameter in diesem Fall sind:
Reaktionsdruck: 0,01-100 Torr
Reaktions- 80017000 C temperatur:
Verdampfungs- 101000 C temperatur (Temperatur T2 im
Thermostat 26):
Borazol-Strom: Je nach Druck und Temperatur
Max. Abscheidungs- 4 mm/h.
geschwindigkeit:
Bevorzugte Werte für die Reaktionstemperatur liegen zwischen 1300 und 1500 C bei einem Zusammenhang zwischen der Verdampfungstemperatur und dem Reaktionsdruck von 25 C und 0,1 Torr 450rund1 Torr 60"rund5 Torr
Bei diesem Beispiel ist der Borazol-Strom abhängig vom Reaktionsdruck, der mit Hilfe der Vakuupumpe 41 und dem Drosselorgan 39 reguliert wird, und von der Verdampfungstemperatur.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt; so können beispielsweise bei Beispiel 2 statt CH3SiCls als Ausgangssubstanzen Chlorsilan (SiCl4) und Methan (CH4) dienen, während Bornitrid auch aus Borhalogeniden (z. B. BCl3) und Stickstoff oder Ammoniak aufgebaut werden kann.
Im Beispiel 1 lässt sich das Aluminiumtrichlorid durch andere Halogenide (Als5) oder auch Aluminium-organische Verbindungen (z.B. Alkoholate, Carboxylate u.s.w.) ersetzen.
Neben den beschriebenen Materialien (Al2O3,SiC und BN) sind auch andere keramische Materialien denkbar: Weitere Oxide (z.B. Silo2), weitere Karbide (z. B. Borkarbid), weitere Nitride (z. B. Siliziumnitrid) oder auch andere Materialien, z. B. Graphit.
Selbstverständlich ändern sich bei diesen Ausgangssubstanzen unter Umständen die angegebenen Reaktionsparameter sowie die erwähnten Reaktionsgleichungen.