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Die
Erfindung betrifft einen polykristallinen Siliciumbruch hoher Reinheit
und Reinigungsverfahren zu seiner Herstellung
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Polykristallines
Silicium (Polysilicium) dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung
von einkristallinem Silicium für Halbleiter nach dem Czochralski(CZ)-
oder Zonenschmelz(FZ)-Verfahren, sowie zur Herstellung von ein-
oder multikristallinem Silicium nach verschiedenen Zieh- und Gieß-Verfahren
zur Produktion von Solarzellen für die Photovoltaik. Es
wird in der Regel mittels des Siemens-Verfahrens hergestellt. Bei
diesem Verfahren werden in einem glockenförmigen Reaktor
(„Siemens-Reaktor") dünne Filamentstäbe
aus Silicium durch direkten Stromdurchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend
eine siliciumhaltige Komponente und Wasserstoff wird eingeleitet.
An den erhitzten Filamentstäben scheidet sich hochreines
Polysilicium ab, wodurch der Stabdurchmesser mit der Zeit anwächst.
Das Verfahren wird durch die Vorgabe von Stabtemperatur und Reaktionsgasstrom
bzw. -zusammensetzung gesteuert. Während bei herkömmlichem
Polysilicium dass das Wachstum des Stabdurchmessers in Form gleichmäßiger
und lochfreier Schichten erfolgt, d. h. die so erzeugten Siliciumstäbe
weitgehend frei von Rissen, Poren, Fugen, Klüften, usw.
und damit homogen, dicht und fest sind, offenbart
DE102007047210 einen polykristallinen
Siliciumstab aus einer im Siemensprozess gewachsene, gleichartigen
Struktur, wobei diese Struktur Poren, Fugen, Spalten, Risse und
Klüfte enthält.
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Ein
derartiger Polysiliciumstab lässt sich leichter zerkleinern
und zu Brocken und Chips verarbeiten als ein herkömmlicher
Polysiliciumstab. Der erhaltene Polysilicium-Bruch ist durch die
Zerkleinerungswerkzeuge weniger verunreinigt als herkömmlicher
Polysilicium-Bruch. Dieser Polybruch besitzt eine Bruchgrößenverteilung
von 1 bis 250 mm, eine Sphärizität von 0,7 bis
1,0 und ein Breiten zu Längenverhältnis im Bereich
von 0,7 bis 1,0.
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Um
die momentan in der Solarindustrie gültigen Reinheitsanforderungen
zu erfüllen ist eine Nachreinigung dieses Polysilicium-Bruchs
nicht erforderlich. Um das Material aber für elektronische
Anwendungen nutzen zu können und da ferner absehbar ist,
dass auch die Reinheitsanforderungen für Solaranwendungen
steigen werden ist es wünschenswert einen gemäß
DE102007047210 oder
DE102006016323 erhaltenen
Polybruch auch nachreinigen zu können um ihn in höherer
Reinheit zur Verfügung zu haben. Es hat sich allerdings
gezeigt, dass herkömmliche Reinigungsverfahren, wie sie beispielsweise
aus
US 5,851,303 , (Hemlock),
oder
US 4,971,654 , (Wacker
Chemie AG) oder
EP
0905 796 B1 (entspricht
US
6,309,467 ) bekannt sind, zur Reinigung dieses Polybruchs
ungeeignet sind, da in allen Fällen nur ein mittlerer Eisengehalt
von > 1000 pptw erreicht
wurde.
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EP 0905 796 B1 beschreibt
ein Reinigungsverfahren bestehend aus einer Vorreinigung mit einer oxidierenden
Waschlösung und einer Hauptreinigungslösung die
Salpetersäure und Flusssäure enthält.
Mittels des beschriebenen Verfahrens lässt sich ein Polybruch
mit stark zerklüfteter rauer Oberfläche mit Rissen > 0,1 μm welcher
mit dem in
DE102006016323 beschriebenen
Zerkleinerungsverfahren erzeugt wurde bezüglich des mittleren
Eisengehalts nicht auf ein Niveau kleiner 1 ppbw reinigen. Ein derartiges
Material kann in der Halbleiterindustrie nicht eingesetzt werden,
da dort üblicherweise ein Material mit einem mittleren
Eisengehalt kleiner 0,1 ppbw eingesetzt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es einen Polysiliciumbruch einer Struktur wie
in
DE102007047210 beschrieben
in einer erhöhten Reinheit zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Polysiliciumbruch bestehend
aus einer im Siemensprozess gewachsene, gleichartigen Struktur,
wobei diese Struktur Poren, Fugen, Spalten, Risse und Klüfte enthält,
mit einer Bruchgrößenverteilung von 1 bis 250
mm und einer Sphärizität von 0,7 bis 1,0 und einem
Breiten zu Längenverhältnis im Bereich von 0,7 bis
1,0, dadurch ge kennzeichnet, dass er eine Oberfläche mit
einer Summe an metallischen Verunreinigungen von 1 bis 1000 pptw
hat.
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Vorzugsweise
besitzt der Polysiliciumbruch eine Oberfläche mit einer
Summe an metallischen Verunreinigungen von 1 bis 100 pptw, besonders
bevorzugt 1 bis 10 pptw.
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Vorzugsweise
besitzt der Polysiliciumbruch eine Bruchgrößenverteilung
von 45 bis 150 mm. Besonders bevorzugt hat der Polysiliciumbruch
eine Dichte von 2,0 bis 2,3 g/cm3 und eine
Gesamtporosität von 0,01 bis 0,2.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, welches es ermöglicht, den erfindungsgemäßen
Polybruch herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren
sollte zudem die Nachteile des Stands der Technik zur Aufreinigung
von Polybruch einer Struktur wie in
DE102007047210 beschrieben vermeiden.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren das dadurch gekennzeichnet
ist, dass ein Siliciumbruch einer Reinigung in mehreren Teilschritten
unterzogen wird, wobei in einem Teilschritt a) eine Reinigung des
Siliciumbruchs in einer oxidierenden Waschlösung erfolgt
welche zu 0,1 bis 39,5 Gew.% aus Salpetersäure oder zu
0,1 bis 37 Gew.% aus Chlorwasserstoffsäure und zu 0,1 bis
20 Gew.% aus Fluorwasserstoffsäure und zu 0,1 bis 20 Gew.%
aus Wasserstoffperoxid sowie aus Reinstwasser besteht
und in
einem Teilschritt b) eine Reinigung des Siliciumbruchs in einer
Waschlösung erfolgt, welche zu 40 bis 99,9 Gew.% aus Salpetersäure
und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Flusssäure sowie aus Wasser
mit einem elektrischen Widerstand von 0,1 bis 18 Mohm besteht, wobei
diese Teilschritte in der Reihenfolge a), b), a), b) oder b), a),
b), a) ausgeführt werden.
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Die
Lösungen im Teilschritt a.) und b.) können auch
zwischen 0,01 und 20 Gew.% H2SiF6 und oder die HNO3-haltigen
Mischun gen zwischen 0,01 und 3 Gew.% HNO2 (Salpeterige
Säure) enthalten.
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Die
Prozessfolge im erfindungsgemäßen Verfahren erspart
zeitlich langes Beizen und Ätzen oder die Verwendung hoher Ätzkonzentrationen, bzw.
hohen Si-Abträgen, durch zeitlich kurze Prozess-Schritte
die im Wechsel durchgeführt werden.
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Die
Verfahrensschritte a) bzw. b) werden vorzugsweise jeweils für
1 Sekunde bis zu 3 Stunden durchgeführt. Vorzugsweise werden
sie bei einer Temperatur von 0°C bis 100°C besonders
bevorzugt von 10 bis 30°C durchgeführt. Besonders
bevorzugt ist eine Durchführung der Teilschritte für
jeweils 1,5 bis 3 Minuten bei einer Temperatur von 10 bis 30°C, insbesondere
bevorzugt für jeweils 2 Minuten bei 15°C.
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Unter
Reinstwasser ist vorzugsweise Wasser mit einem elektrischen Widerstand
von 0,1 bis 18 Megaohm zu verstehen. Eine bevorzugte Waschlösung
für Teilschritt a) besteht vorzugsweise aus 1 Gew.% HF,
5 Gew.% HCl und 0,5 Gew.% H2O2.
sowie aus Reinstwasser.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Reinheit
des Endproduktes ohne den Siliciumabtrag zu erhöhen. Damit
ermöglicht diese Verfahren eine weitere Kostenreduzierung
bei der Siliciumherstellung, denn es ermöglicht den Einsatz
des wirtschaftlichen Abscheideprozesses aus
DE102007047210 auch zur Herstellung
von hochreinem Polybruch. Ferner spielen die Verunreinigungen beim
Brechen des Polystabes keine große Rolle mehr, was ein
kostengünstigeres Brechen ermöglicht. Das Verfahren
ermöglicht ferner die Aufreinigung von Nebenanfällen
im gesamten Polysilicium Herstellungsprozess, d. h. auch Polysilicium
mit einer rauhen Oberfläche oder mit Löchern kann
aufgereinigt werden. Aufgrund der effektiveren Reinigungswirkung
kommt es zu einem geringen Säureverbrauch.
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Wenn
im Verfahren ein Polsiliciumbruch mit einer im Siemensprozess gewachsene,
gleichartigen Struktur, wobei diese Struk tur Poren, Fugen, Spalten, Risse
und Klüfte enthält, mit einer Bruchgrößenverteilung
von 1 bis 250 mm und einer Sphärizität von 0,7
bis 1,0 und einem Breiten zu Längenverhältnis
im Bereich von 0,7 bis 1,0 eingesetzt wird, so ermöglicht dieses
Verfahren die Herstellung des erfindungsgemäßen
hochreinen porösen Polysiliciumbruchs. Das erfindungsgemäße
Verfahren ermöglicht jedoch auch die Reinigung von herkömmlichem
glatten Polybruch oder von Polybruch mit Haarrissen mit einem Durchmesser < 0,1 μm
auf Metalloberflächenwerte < 100 pptw.
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Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass eine zweimalige Wiederholung des in
EP 0905 796 B1 beschriebenen
zweistufigen Reinigungsprozesses bei einem Gesamtabtrag von > 50 μm signifikant
reineren Polybruch liefert, als er durch einmalige Durchführung
des Verfahrens gemäß
EP 0905 796 B1 erhalten
wird.
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Offensichtlich
sind die Metallpartikel bei einer stark zerklüfteten Si-Oberfläche
mit Fugen, Spalten Rissen > 0,1 μm
und auch einer glatten Oberfläche mit Haarrissen < 0,1 μm
so stark in die Risse eingelagert, dass bei der ersten Durchfahrt
der Vorreinigungslösung (Teilschritt a)), die für
den hohen Metallangriff verantwortlich ist, diese Partikel nicht
erreicht werden. Durch den nach dem Teilschritt a) durchgeführten
Teilschritt b) mit dem hohen Si-Abtrag werden die Partikel freigelegt.
Damit können beim zweiten Durchfahren die Metallpartikel
von der Waschlösung mit dem hohen Metallangriff im Teilschritt
a) aufgelöst werden. Nach dem zweiten Durchgang vom Teilschritt
a) erfolgt der zweite Durchgang von Teilschritt b). Diese Verfahrensschritte
können mehrfach, auch in umgekehrter Reihenfolge, wiederholt
werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren werden
auch bessere Ergebnisse bezüglich der Metalloberflächenwerte
bei Polysiliciumbruch mit glatter Oberfläche oder einer
Oberfläche die kleinere Haarrisse mit einem Durchmesser
kleiner 0,1 μ enthält erzielt, denn durch die
zweimalige Wiederholung der Prozessschritte a) und b) konnten die
Metalloberflächenwerte im Mit tel nochmals um ca. 5 bis
10 pptw pro Element abgesenkt werden.
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Bei
Polybruch mit stark zerklüfteter Oberfläche mit
Rissen > 0,1 μm
wurde durch eine zweimalige Wiederholung der Prozessschritte a)
und b) die Metalloberflächenwerte bezüglich Eisen
auf Werte < 1000
pptw (bevorzugt < 100
und besonders bevorzugt < 10
pptw) abgesenkt werden.
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Vorzugsweise
erfolgt im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren
eine Hydrophilierung, wie sie beispielsweise aus
EP 0905796 B bekannt ist. Die
Hydrophilierung erfolgt dabei vorzugsweise in einer weiteren Stufe
mit einer oxidierenden Waschlösung. Die oxidierende Reinigungslösung
besteht dabei beispielsweise aus einem ozonhaltigen Wasser mit einem
Ozongehalt zwischen 0,1 bis 100 ppm oder aus Chlorwasserstoffsäure
(0,1 bis 37 Gew.%) und Wasserstoffperoxid (0,01 bis 10 Gew.%) in
Reinstwasser.
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Die
folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der
Erfindung.
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Beispiel 1: Generelle Verfahrensbeschreibung
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Nach
DE102007047210 abgeschiedene
poröse Poly-Si-Stäbe (Vergleichsbeispiele 1 und
2) bzw. glatte Stäbe (Vergleichsbeispiele 3 und 4) aus einem
Standardabscheideverfahren (worunter Stäbe mit glatter
Oberfläche, bzw. mit Rissen mit einem Durchmesser < 0,1 μm
zu verstehen sind), wurden wie in
DE102006016323 und
DE102006016324 (Vergleichsbeispiele
1 bis 4) beschrieben gebrochen, sortiert, der erhaltene poröse
bzw. glatte Bruch wie im den folgenden Beispielen beschrieben gereinigt und
anschließend in FE-Beutel verpackt.
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Von
diesem Material wurden ca. 100 g schwere Proben für die
Oberflächen-Analytik genommen. Die Polysiliciumprobe wurde
in einem Teflontrichter mit einer Lösung aus HF und HNO3 in Reinstwasser abgespritzt. Die Lösung
wurde in einem Teflonbecher aufgefangen, die Säure wurde
abgedampft und der Rückstand in Wasser aufgenommen. Der
Metallgehalt der wässrigen Lösung wurde mittels ICP-AES
(Induktiv- gekoppeltes Innenplasma-Atomemissionsspektroskop) bestimmt.
Aus den gemessenen Werten wurde der Metallgehalt der Polyoberfläche
berechnet.
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Vergleichsbeispiel 1: Reinigung von porösem
Polybruch aus Bsp. 1 mit dem in
EP 0905 796 B1 beschriebenen Verfahren (poröses
Si und Standard Reinigung)
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5
kg poröser Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge
von 70 mm (bzw. einer maximalen Kantenlänge der Bruchstücke
von ca. 50 mm bis 120 mm) wurden wie in
EP 0905 796 B1 beschriebenen in
einer Prozessschale aus Kunststoff wie folgt behandelt:
- 1. Vorreinigung: 20 Min Beizen mit 20 000 ml einer Lösung
aus 1 Gew.% HF, 4 Gew.% HCl und 3 Gew% H2O2 in Reinstwasser bei 15 +/– 5°C; Ätzabtrag:
ca. 0,01 μm
- 2. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 3 m3/Std bei 22oC
- 3. Hauptreinigung: Ätzen 15 Min bei 18°C in
20 000 ml einer HF/HNO3-Lösung
(1 Gew% HF und 65 Gew% HNO3 in Reinstwasser; Ätzabtrag:
ca. 60 μm
- 4. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 2 m3/Std 22°C
- 5. 5 Min Hydrophilierung in HCl/H2O2 in Reinstwasser (4 Gew.% HCl/4 Gew.% H2O2) bei 28°C
- 6. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 22 Grad 1 m3/Std.
- 7. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 80 Grad 4 m3/Std.
- 8. 120 Min Trocknen mit 50 Grad mit Reinstluft Klasse 100
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Es
wurde ein Polybruch mit im Mittel folgenden Metalloberflächenwerten
enthalten: Angabe in pptw
Element | Wert
in pptw |
Fe | 1203 |
Cr | 6 |
Ni | 0,5 |
Na | 65 |
Zn | 15 |
Al | 95 |
Cu | 5 |
Mo | 1 |
Ti | 45 |
W | 12 |
K | 42 |
Co | 0,2 |
Mn | 0,7 |
Ca | 82 |
Mg | 15 |
V | 0,1 |
Ag | 0,3 |
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Beispiel 2: Reinigung von porösem
Polybruch aus Bsp. 1 mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren
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5
kg poröser Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge
von 70 mm (wie in Vergleichsbeispiel 1) wurden in einer Prozessschale
aus Kunststoff wie folgt behandelt:
- 1. Teilschritt
a): 20 Min Beizen mit 20 000 ml einer Lösung aus 1 Gew%
HF, 4 Gew% HCl und 0,5 Gew% H2O2 in
Reinstwasser bei 15 +/– 5°C; Ätzabtrag:
ca. 0,005 μm
- 2. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 3 m3/Std bei 22°C
- 3. Teilschritt b): Ätzen 8 Min bei 18°C in
20 000 ml einer HF/HNO3-Lösung
(1 Gew% HF und 65 Gew% HNO3 in Reinstwasser); Ätzabtrag:
ca. 30 μm
- 4. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 2 m3/Std 22°C
- 5. Teilschritt a): 20 Min Beizen mit 20000 ml einer Lösung
aus 1 Gew% HF, 4 Gew% HCl und 0,5 Gew% H2O2 in Reinstwasser bei 15 +/– 5°C; Ätzabtrag:
ca. 0,005 μm
- 6. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 3 m3/Std bei 22°C
- 7. Teilschritt b): Ätzen 8 Min bei 18°C in
20000 ml einer HF/HNO3-Lösung (1
Gew% HF und 65 Gew% HNO3 in Reinstwasser); Ätzabtrag:
ca. 30 μm
- 8. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 2 m3/Std 22 Grad
- 9. 10 Min Hydrophilierung in HCl/H2O2 (4 Gew% HCl/0,5 Gew% H2O2 in Reinstwasser) bei 22°C.
- 10. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 22°C
1 m3/Std
- 11. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 80 Grad 4 m3/Std
- 12. 120 Min Trocknen mit 50 Grad Reinstluft Klasse 100
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Es
wurde ein Polybruch mit folgenden Metalloberflächenwerten
erhalten: Angabe in pptw
Element | Wert
in pptw |
Fe | 42 |
Cr | 2 |
Ni | 0,2 |
Na | 24 |
Zn | 5 |
Al | 34 |
Cu | 1 |
Mo | 1 |
Ti | 5 |
W | 2 |
K | 22 |
Co | 0,1 |
Mn | 0,3 |
Ca | 44 |
Mg | 11 |
V | 0,1 |
Ag | 0,1 |
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Vergleichsbeispiel 2: Reinigung von glattem
Polybruch mit dem in
EP
0905 796 B beschriebenen Verfahren (Standard Poly Si und
Standard Reinigungsverfahren)
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5
kg glatter Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge von
70 mm (wie in Beispiel 1) wurden wie in
EP 0905 796 B1 , bzw. wie
in Vergl.-Bsp. 1 beschrieben behandelt, der Ätzabtrag entsprach
dabei den Angaben wie in Vergl.-Bsp 1.
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Hierbei
wurde ein Polybruch mit folgenden Metalloberflächenwerten
enthalten: Angabe in pptw
Element | Wert
in pptw |
Fe | 18 |
Cr | 2 |
Ni | 0,5 |
Na | 55 |
Zn | 14 |
Al | 85 |
Cu | 4 |
Mo | 1 |
Ti | 42 |
W | 11 |
K | 40 |
Co | 0,1 |
Mn | 0,6 |
Ca | 75 |
Mg | 12 |
V | 0,1 |
Ag | 0,2 |
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Beispiel 3: Reinigung von glattem Polybruch
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Standard
Poly Si und neues Reinigungsverfahren)
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5
kg glatter Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge von
70 mm (wie in Beispiel 1) wurden in einer Prozessschale aus Kunststoff
zweimal hintereinander wie in Bsp. 2 beschrieben behandelt, der Ätzabtrag
entsprach dabei den Angaben in Bsp. 2 Hierbei wurde ein Polybruch
mit folgenden Metalloberflächenwerten erhalten: Angabe in pptw
Element | Wert
in pptw |
Fe | 8 |
Cr | 0,5 |
Ni | 0,1 |
Na | 12 |
Zn | 2 |
Al | 8 |
Cu | 0,1 |
Mo | 0,1 |
Ti | 2 |
W | 1 |
K | 12 |
Co | 0,1 |
Mn | 0,1 |
Ca | 12 |
Mg | 15 |
V | 0,05 |
Ag | 0,05 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007047210 [0002, 0004, 0006, 0010, 0016, 0024]
- - DE 102006016323 [0004, 0005, 0024]
- - US 5851303 [0004]
- - US 4971654 [0004]
- - EP 0905796 B1 [0004, 0005, 0018, 0018, 0025, 0026, 0030]
- - US 6309467 [0004]
- - EP 0905796 B [0022, 0029]
- - DE 102006016324 [0024]