DE102012223195A1 - Preparing semi-metal nitride/carbide powders by reacting gaseous semi-metal hydrogens and halides containing gaseous carbon and hydrogen-containing compounds and hydrogen and nitrogen-containing compounds in non-thermal plasma - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochreiner Pulver von Halbmetallcarbiden oder -nitriden, die damit erzeugten Produkte sowie einen dafür geeigneten Plasmareaktor.The present invention relates to a process for producing high-purity powders of semimetal carbides or nitrides, the products produced therewith and a plasma reactor suitable therefor.
Halbmetallcarbide und -nitride, insbesondere Siliciumcarbid (nachstehend auch “SiC” genannt) und Siliciumnitrid (nachstehend auch “Si3N4” genannt), sind wichtige Substanzen in der keramischen Industrie. Eine ganz besondere Bedeutung haben SiC und Si3N4 als hochreine Spezies in der Photovoltaik- oder Halbleiterindustrie, insbesondere in hochreiner Ausprägung.Semi-metal carbides and nitrides, particularly silicon carbide (hereinafter also called "SiC") and silicon nitride (hereinafter also called "Si 3 N 4 "), are important substances in the ceramic industry. Of particular importance are SiC and Si 3 N 4 as high-purity species in the photovoltaic or semiconductor industry, in particular in a highly pure form.
Ferner zeichnet sich SiC-Material mit hoher Reinheit durch eine hohe Resistenz gegenüber anderen chemischen Reagenzien auch bei höchsten Temperaturen aus. Die hohe Stabilität bei höchsten Temperaturen haben SiC sehr populär in den Anwendungen Unterstützung von Wafer-Trägern (“wafer tray supports”) und Paddel (“paddles”) in Halbleiter(diffusions)öfen gemacht. Die halbleitenden elektronischen Eigenschaften von SiC, die durch Dotierung entsprechend der Anwendungen erfolgt, werden bei Heizelementen für Industrieöfen genutzt. Hochreines pulverförmiges SiC ist weiterhin ein Schlüsselmaterial für die Herstellung von Thermistoren (temperature variable resistors) and Varistoren (voltage variable resistors).Furthermore, SiC material with high purity is characterized by a high resistance to other chemical reagents even at high temperatures. The high stability at high temperatures has made SiC very popular in the applications of support for wafer tray supports and paddles in semiconductor (diffusion) furnaces. The semiconductive electronic properties of SiC, which is achieved by doping according to the applications, are used in heating elements for industrial furnaces. High purity powdery SiC is also a key material for the production of temperature variable resistors and varistors.
Si3N4 ist ein elektrischer Isolator und zeichnet sich durch eine hohe Stabilität gegenüber Metallschmelzen aus. Siliziumnitrid ist ein ziemlich teures Material, wobei sein Kosten-Nutzenverhältnis sehr gut ist. Anwendungen liegen im Bereich der Keramiken, der Beschichtung von Tiegeln in der Siliziumverarbeitung sowie anderen Metallschmelzverarbeitungsprozessen. Ferner ist es ein hervorragendes elektrotechnisches Funktionsmaterial mit besten Hochtemperatur-Isolations-eigenschaften (Quelle:
Die Herstellung von Halbmetallcarbiden und -nitriden ist bekannt. The production of semimetal carbides and nitrides is known.
So kann beispielsweise Siliciumnitrid
- – durch direkte Nitridierung von Silicium in Stickstoffatmospäre,
- – durch carbothermische Nitridierung von Siliciumdioxid und Kohlenstoff in Stickstoffatmosphäre,
- – durch Diimid-Synthese von Siliciumchlorid in Ammoniakatmosphäre und anschließender Zersetzung des gebildeten Siliciumdiimids, oder
- – oder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Silan-/Ammoniak-Gemischen an heißen Oberflächen hergestellt werden.
- By direct nitridation of silicon into a nitrogen atmosphere,
- By carbothermal nitridation of silica and carbon in a nitrogen atmosphere,
- By diimide synthesis of silicon chloride in an ammonia atmosphere and subsequent decomposition of the silicon diimide formed, or
- Or by chemical vapor deposition (CVD) of silane / ammonia mixtures on hot surfaces.
Siliciumcarbid kann beispielsweise durch das
- – durch das Acheson-Verfahren, bei dem Siliziumdioxid und Kohlenstoff zu α-Siliciumcarbid und Kohlenmonoxid umgesetzt werden, oder
- – durch das CVD-Verfahren, beispielsweise durch thermische Zersetzung von chlorhaltigen Carbosilanen in Wasserstoff enthaltender Atmosphäre an heißen Oberflächen erzeugt werden.
- By the Acheson process, in which silica and carbon are converted to α-silicon carbide and carbon monoxide, or
- Be produced by the CVD process, for example by thermal decomposition of chlorinated carbosilanes in hydrogen-containing atmosphere on hot surfaces.
Aus
Wie beim vorgenannten Dokument wird dabei ein brennbares Gemisch in einem Reaktor verbrannt und in das erzeugte heiße Plasma werden Reaktanden zur Herstellung von Nitridverbindungen eingeführt. Auch bei diesem Verfahren entstehen neben den gewünschten Nitriden auch Carbide.As in the aforementioned document, a combustible mixture is burned in a reactor and introduced into the hot plasma generated reactants for the production of nitride compounds. In this process, carbides are formed in addition to the desired nitrides.
In der
Beispielhaft wird die Ausbildung von Schichten aus Siliciumnitrid beschrieben. The formation of layers of silicon nitride is described by way of example.
In der
Die Herstellung der hochreinen pulverförmigen Halbmetallcarbid- und Halbmetallnitridverbindungen ist mit den bekannten Herstelltechnologien, z. B. dem Acheson-Prozess, auch unter akzeptablen Kosten, nicht möglich.The preparation of the high-purity powdered Halbmetallcarbid- and Halbmetallnitridverbindungen with the known manufacturing technologies, eg. As the Acheson process, even at acceptable cost, not possible.
Es bestand daher die Aufgabe, einen Herstellprozess für pulverförmige Halbmetall-carbide und -nitride, vorzugsweise für SiC bzw. Si3N4 zu entwickeln, der diese Substanzen wirtschaftlich in hochreiner Form zugänglich macht. Außerdem soll ein Herstellprozess für pulverförmige Halbmetallcarbide und -nitride zur Verfügung gestellt werden, das hohe Durchsätze bei der Erzeugung dieser Verbindungen gestattet.It was therefore an object to develop a production process for pulverulent semimetal carbides and nitrides, preferably for SiC or Si 3 N 4 , which makes these substances economically available in highly pure form. In addition, a manufacturing process for powdered semimetal carbides and nitrides is to be provided, which allows high throughputs in the production of these compounds.
Dieses konnte völlig überraschend durch die An- bzw. Verwendung eines nicht-thermischen Plasmas, insbesondere eines nicht-thermischen Plasmas erzeugt durch eine Gasentladung, auf einen die erforderlichen Reaktionskomponenten enthaltenden Massestrom erreicht werden.This could be achieved completely surprisingly by the use or use of a non-thermal plasma, in particular a non-thermal plasma generated by a gas discharge, to a mass flow containing the required reaction components.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen und hochreinen Halbmetallnitriden oder von Halbmetallcarbiden durch Einbringen von gasförmigen Halbmetallwasserstoffen und/oder Halbmetallhalogeniden und von gasförmigen Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Verbindungen oder von gasförmigen Wasserstoff und Stickstoff enthaltenden Verbindungen in ein nicht-thermisches Plasma und durch Umsetzung dieser Verbindungen darin.The invention relates to a process for the production of pulverulent and highly pure semi-metal nitrides or of semimetal carbides by introducing gaseous semimetal hydrogens and / or semimetal halides and compounds containing gaseous carbon and hydrogen or compounds containing gaseous hydrogen and nitrogen into a non-thermal plasma and reacting them Connections in it.
Unter Halbmetall sind im Rahmen dieser Beschreibung die Elemente Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Selen, Antimon und Tellur. Bevorzugt werden Germanium und ganz besonders Silicium. Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt zur Herstellung von Siliciumcarbid und von Siliziumnitrid Si3N4 eingesetzt.In the context of this description, semimetal are the elements boron, silicon, germanium, arsenic, selenium, antimony and tellurium. Preference is given to germanium and especially silicon. The process according to the invention is particularly preferably used for the production of silicon carbide and silicon nitride Si 3 N 4 .
Als Halbmetallwasserstoff für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich im Allgemeinen Verbindungen der Formel MeHn oder Me2H2n-2, wobei Me für das Halbmetall und n für eine ganze Zahl steht, welche der Wertigkeit des Halbmetalls entspricht. Bevorzugt werden Halbmetallwasserstoffe der der Formel MeHn eingesetzt. Im Falle von Silicium ist das bevorzugt SiH4.As a semi-metal hydrogen for use in the method of this invention of formula MeH n or Me 2 H 2n-2 are generally suitable compounds, wherein Me stands for the semi-metal and n is an integer corresponding to the valence of the semi-metal. Preference is given to using semimetal hydrogens of the formula MeH n . In the case of silicon, this is preferably SiH 4 .
Als Halbmetallhalogenid für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich im Allgemeinen Verbindungen der Formel MeHaln oder Me2Hal2n-2, worin Me für das Halbmetall und Hal für Halogen steht und n für eine ganze Zahl, welche der Wertigkeit des Halbmetalls entspricht. Hal kann Fluor, Chlor, Brom oder Iod bedeuten, vorzugsweise Chlor. Bevorzugt werden Halbmetallchloride der der Formel MeCln eingesetzt. Im Falle von Silicium ist das bevorzugt SiCl4.Suitable half-metal halides for use in the process according to the invention are generally compounds of the formula MeHal n or Me 2 Hal 2n-2 , in which Me is the semimetal and Hal is halogen and n is an integer which corresponds to the valency of the semimetal. Hal may be fluorine, chlorine, bromine or iodine, preferably chlorine. Semi-metal chlorides of the formula MeCl n are preferably used. In the case of silicon, this is preferably SiCl 4 .
Als Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltende Verbindung für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, die gegebenenfalls Stickstoff- und/oder Schwefel als Heteroatome enthalten, oder auch Blausäure, Isocyansäurer, Knallsäure oder Isothiocyansäure. Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren aliphatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt, insbesondere solche mit einem bis zehn Kohlenstoffen. Besonders bevorzugt werden Methan oder Ethan eingesetzt.Suitable compounds containing carbon and hydrogen for use in the process according to the invention are aliphatic, cycloaliphatic, araliphatic or aromatic hydrocarbons which optionally contain nitrogen and / or sulfur as heteroatoms, or else hydrocyanic acid, isocyanic acid, nascent acid or isothiocyanic acid. Aliphatic hydrocarbons are preferably used in the process according to the invention, in particular those having one to ten carbons. Methane or ethane are particularly preferably used.
Als Stickstoff und Wasserstoff enthaltende Verbindungen für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich Ammoniak, Hydrazin oder Stickstoffwasserstoffsäure ist. Bevorzugt wird Ammoniak eingesetzt.Suitable nitrogen and hydrogen-containing compounds for use in the process according to the invention are ammonia, hydrazine or hydrazoic acid. Preferably, ammonia is used.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt man Ausgangsprodukte hoher Reinheit ein. Darunter wird verstanden, dass die Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Verbindungen, die Wasserstoff und Stickstoff enthaltenden Verbindungen, die Halbmetallwasserstoffe und die Halbmetallhalogenide jeweils Verunreinigungen von weniger als 1 Masse ppm, vorzugsweise von weniger als 0,1 Masse ppm, enthalten.In a preferred variant of the method according to the invention is set High purity starting materials. By this it is meant that the compounds containing carbon and hydrogen, the compounds containing hydrogen and nitrogen, the semi-metallic hydrogens and the semi-metal halides each contain impurities of less than 1 mass ppm, preferably less than 0.1 mass ppm.
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Siliziumwasserstoff SiH4 und Ammoniak oder Siliziumwasserstoff SiH4 und aliphatische C1-C4-Kohlenwasserstoffe in das nicht-thermische Plasma eingebracht und darin umgesetzt. Für die Erzeugung des nicht-thermischen Plasmas stehen dem Fachmann eine Reihe von gängigen Verfahren zur Verfügung. In a particularly preferred variant of the process according to the invention, silicon hydride SiH 4 and ammonia or silicon hydride SiH 4 and aliphatic C 1 -C 4 -hydrocarbons are introduced into the non-thermal plasma and reacted therein. For the production of the non-thermal plasma, a number of conventional methods are available to the person skilled in the art.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte nicht-thermische Plasma ist dadurch gekennzeichnet, dass es Elektronen und Schwerteilchen enthält, wobei die Elektronen eine höhere Energie aufweisen als die Schwerteilchen, beispielsweise N, N2, N2+, N+, Si, SiH, SiH2+, C, H, H2, oder NH) haben. Das nicht-thermische Plasma weist im Allgemeinen Elektronen mit einer Energie im Bereich von 0,1 bis 100 eV, insbesondere von 1 bis 50 eV, auf und Schwerteilchen mit einer Energie im Bereich von 1 bis 10 eV, insbesondere 0,5 bis 1 eV. The non-thermal plasma used in the method according to the invention is characterized in that it contains electrons and heavy particles, wherein the electrons have a higher energy than the heavy particles, for example N, N 2 , N 2+ , N +, Si, SiH, SiH 2 + , C, H, H 2 , or NH). The non-thermal plasma generally has electrons having an energy in the range of 0.1 to 100 eV, especially 1 to 50 eV, and heavy particles having an energy in the range of 1 to 10 eV, especially 0.5 to 1 eV ,
Erfindungsgemäß eingesetzte nicht-thermische Plasmen werden beispielsweise durch eine Gasentladung oder durch Einstrahlung von elektromagnetischer Energie, wie durch Einstrahlung von Radio- oder Mikrowellen, in eine Unterdruckkammer erzeugt. Die Erzeugung des Plasmas erfolgt also nicht wie bei thermischen Plasmen durch hohe Temperaturen, sondern durch nicht-thermische Ionisationsprozesse. Dem Fachmann sind solche Plasmen bekannt.Non-thermal plasmas used according to the invention are generated, for example, by a gas discharge or by irradiation of electromagnetic energy, such as by irradiation of radio or microwaves, into a vacuum chamber. The generation of the plasma does not take place as in thermal plasmas by high temperatures, but by non-thermal ionization processes. The person skilled in such plasmas are known.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Allgemeinen in nicht-thermischen Plasmen durchgeführt, welche Temperaturen von 500 bis 1500 °C, vorzugsweise von 800 bis 1000 °C aufweisen.The process according to the invention is generally carried out in non-thermal plasmas which have temperatures of from 500 to 1500.degree. C., preferably from 800 to 1000.degree.
Durch die Erfindung können auf einfache und kostengünstige Weise hochreine Halbmetallnitridoder Halbmetallcarbidpulver hergestellt werden.By means of the invention, high-purity semi-metal nitride or semimetal carbide powders can be produced in a simple and cost-effective manner.
Die Erfindung betrifft auch pulverförmige und hochreine Halbmetallnitride oder Halbmetallcarbide deren Anteil an Verunreinigungen weniger als 1 Gewichts ppm, insbesondere weniger als 0,1 Gewichts ppm beträgt. The invention also relates to pulverulent and high-purity semimetal nitrides or semimetal carbides whose proportion of impurities is less than 1 ppm by weight, in particular less than 0.1 ppm by weight.
Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Pulvern um Siliciumcarbid oder um Siliciumnitrid Si3N4. Teilchen, welche diese Pulver bilden, können sphärisch oder nicht-sphärisch sein, z.B. in Gestalt von Whiskern vorliegen. Bei den nachfolgenden Durchmesserangaben wird bei nicht-sphärischen Teilchen auf denjenigen Durchmesser mit dem größten Wert Bezug genommen. Bevorzugt werden Pulver aus Halbmetallcarbiden oder Halbmetallnitriden, deren Teilchen Durchmesser im Bereich von 2 bis 2500 nm, insbesondere von 2 bis 500 nm, und ganz besonders bevorzugt von 10 bis 200 nm, aufweisen. Preferably, these powders are silicon carbide or silicon nitride Si 3 N 4 . Particles which form these powders may be spherical or non-spherical, eg in the form of whiskers. In the case of the following diameter data, for non-spherical particles, reference is made to the diameter with the greatest value. Preference is given to powders of semimetal carbides or semimetal nitrides whose particles have diameters in the range from 2 to 2500 nm, in particular from 2 to 500 nm, and very particularly preferably from 10 to 200 nm.
Bevorzugt sind weiterhin Pulver aus Halbmetallcarbiden oder Halbmetallnitriden, deren Teilchen einen mittleren Durchmesser d50 (gemessen durch TEM-Auswertung; TEM = Transmissions-Elektronenmikroskop) im Bereich von 5 bis 550 nm, vorzugs-weise von 50 bis 150 nm, aufweisen.Preference is furthermore given to powders of semimetal carbides or semimetal nitrides whose particles have an average diameter d 50 (measured by TEM evaluation, TEM = transmission electron microscope) in the range from 5 to 550 nm, preferably from 50 to 150 nm.
Bevorzugt sind weiterhin Pulver aus Halbmetallcarbiden oder Halbmetallnitriden, deren Teilchen sphärisch sind oder die Form von Whiskern aufweisen.Preference is furthermore given to powders of semimetal carbides or semimetal nitrides whose particles are spherical or in the form of whiskers.
Ob die Teilchen sich sphärisch oder in der Form von Whiskers ausbilden hängt unter anderem von der H2-Konzentration bei der Darstellung ab. In den
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet das Einleiten von Wasserstoff in das nicht-thermische Plasma. A preferred embodiment of the method according to the invention involves the introduction of hydrogen into the non-thermal plasma.
Völlig überraschend wurde festgestellt, dass die Teilchengröße nicht nur durch den Wasserstoffgehalt sondern auch durch gezielte Zugabe und Vermischen mit Stickstoff eingestellt werden kann. Im Fall der Nitride erscheint der Stickstoff den Zerfall von Halbmetallnitrid-Vorläufern, wie SiN, bei hohen Temperaturen, im Falle von Silicium bei Temperaturen über 1700 °C, vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb von 2050 °C kinetisch zu hemmen. Demgegenüber kann bei der Herstellung von Carbiden durch eine Fahrweise bei hohen Temperaturen, im Falle von Silicium bei Temperaturen über 1750 °C, verhindert werden, dass Stickstoff im Festkörper eingebaut wird. Quite surprisingly, it was found that the particle size can be adjusted not only by the hydrogen content but also by selective addition and mixing with nitrogen. In the case of nitrides, nitrogen appears to inhibit the decomposition of half metal nitride precursors, such as SiN, at high temperatures, in the case of silicon, at temperatures above 1700 ° C, preferably at temperatures above 2050 ° C. In contrast, in the production of carbides by driving at high temperatures, in the case of silicon at temperatures above 1750 ° C, it can be prevented that nitrogen is incorporated in the solid state.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet das Einleiten von Stickstoff in das nicht-thermische Plasma, das insbesondere Temperaturen von über 1700°C, vorzugsweise von über 2050°C aufweist. A further preferred embodiment of the method according to the invention comprises introducing nitrogen into the non-thermal plasma, which in particular has temperatures of more than 1700 ° C., preferably of more than 2050 ° C.
Natürlich kann mit niedereren Temperaturen bei den Synthesen gearbeitet werden. Dabei wird zweckmäßig ein Inertgas, beispielsweise ein Edelgas oder eine Mischung von Edelgasen, z.B. Argon mit geringen Anteilen an Helium, verwendet. Andere Gasmischungen sind dem Fachmann bekannt oder können einschlägigen Lehrbüchern entnommen werden. Of course you can work with lower temperatures in the syntheses. It is expedient to use an inert gas, for example a noble gas or a mixture of noble gases, for example argon with small amounts of helium. Other gas mixtures are known in the art or can be found in relevant textbooks.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet das Einleiten von Edelgas oder von Edelgasgemischen in das nicht-thermische Plasma, das insbesondere Temperaturen von weniger als 1700 °C aufweist. A further preferred embodiment of the method according to the invention comprises introducing noble gas or noble gas mixtures into the non-thermal plasma, which in particular has temperatures of less than 1700.degree.
Die Erfindung betrifft auch einen Reaktor zur Durchführung von chemischen Reaktionen in einem nicht-thermischen Plasma umfassend die Elemente:
- A) Reaktorhülle (
1 ), welche im Innern einen evakuierbaren Reaktionsraum (2 ) definiert, - B) mindestens eine Leitung (
3 ,4 ) zum Einbringen von Reaktions-komponenten in einen Plasma-Reaktionsraum (5 ), der sich im Innern des Reaktionsraums (2 ) befindet, wobei Leitung (3 ,4 ) durch die Reaktorhülle (1 ) geführt wird, - C) mindestens eine Leitung (
8 ,9 ) zum Abführen von Gasen aus dem Reaktionsraum (2 ), welche durch die Reaktorhülle (1 ) geführt wird, - D) zwei im Innern des Reaktionsraumes (
2 ) angeordnete auf einer Seite jeweils bogenförmig ausgestaltete Elektroden (6 ,7 ) zum Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas, deren bogenförmige Oberflächen einander gegenüber stehen, so dass sich zwischen diesen Oberflächen der Plasma-Reaktionsraum ausbildet, in dem das nicht-thermische Plasma gebildet wird, - E) einen Raumabschnitt (
14 ), der sich im unteren Teil des Reaktors befindet, einen Teil des Reaktionsraumes (2 ) bildet und der in Längs-richtung des Reaktors auf die untere Begrenzung zu betrachtet eine kontinuierliche Verringerung seines Querschnitts erfährt, und - F) am unteren Ende des Reaktors eine Schleuse (
15 ), über die Reaktionsprodukt aus dem Reaktor ausgeschleust werden kann.
- A) Reactor shell (
1 ), which inside an evacuable reaction space (2 ) Are defined, - B) at least one line (
3 .4 ) for introducing reaction components into a plasma reaction space (5 ) located in the interior of the reaction space (2 ), where line (3 .4 ) through the reactor shell (1 ) to be led, - C) at least one line (
8th .9 ) for removing gases from the reaction space (2 ), which through the reactor shell (1 ) to be led, - D) two in the interior of the reaction space (
2 ) arranged on one side in each case arch-shaped electrodes (6 .7 ) for producing a non-thermal plasma whose arcuate surfaces face each other so that the plasma reaction space is formed between these surfaces, in which the non-thermal plasma is formed, - E) a room section (
14 ), which is located in the lower part of the reactor, a part of the reaction space (2 ) and viewed in the longitudinal direction of the reactor to the lower boundary considered to undergo a continuous reduction in its cross-section, and - F) at the lower end of the reactor a lock (
15 ), can be discharged via the reaction product from the reactor.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft einen Reaktor mit den oben definierten Elementen A) bis F), der als Element G) zusätzlich eine Leitung (
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft einen Reaktor mit den oben definierten Elementen A) bis F) und vorzugsweise G), bei dem im oberen Teil im Innern eine Düse (
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors ist Längsausdehnung des Reaktionsraumes (
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors weist dieser zwei Leitungen (
Das Plasma in der Entladungszone, dem Plasma-Reaktionsraum (
Bevorzugt ist ein Reaktor bei dem die Mündung der mindestens einer Leitung (
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne diese zu begrenzen. Beispiel 1: Verfahren zur integrierten Herstellung von SiC In einen Plasmareaktor wurden Methan als Kohlenstoffquelle (die im Plasma zu Acetylen umgesetzt wird) und Monosilan SiH4 als Siliciumquelle in einer Gasentladung im thermischen Nichtgleichgewicht umgesetzt. Dabei wurde das Zielprodukt SiC erzeugt.The following examples illustrate the invention without limiting it. Example 1: Process for integrated production of SiC In a plasma reactor, methane as a carbon source (which is converted to acetylene in the plasma) and monosilane SiH 4 as a silicon source are reacted in a thermal non-equilibrium gas discharge. The target product SiC was produced.
Die Umsetzung erfolgte über alle Stufen gemäß folgender Reaktionsgleichung:
Beispiel 2: Verfahren zur Herstellung von Si3N4 Example 2: Process for the preparation of Si 3 N 4
In einen Plasmareaktor wurden Ammoniak als Stickstoffquelle und Monosilan SiH4 als Siliciumquelle im Plasma umgesetzt und dabei das Zielprodukt Si3N4 erzeugt.Ammonia as a nitrogen source and monosilane SiH 4 as a silicon source in the plasma were converted into a plasma reactor, thereby producing the target product Si 3 N 4 .
Die Umsetzung erfolgte gemäß folgender Reaktionsgleichung:
Die Oberfläche des in einem einfachen Handversuch erzeugten Materialpulvers betrug rund 46 2bis 100 m / g, wobei die Partikelgröße sich auf rund 20 bis 200 nm verteilte. Der Plasmareaktor wurde bei 0,45 kW und ca. 14 kHz mit Hochspannungs-pulsen mit einer Halbwertsbreite von t(50) 567ns und einem Massestrom von 43 NL/min betrieben. The surface area of the material powder produced in a simple hand trial was about 46 2 to 100 m / g, the particle size being distributed around 20 to 200 nm. The plasma reactor was operated at 0.45 kW and approximately 14 kHz with high-voltage pulses having a half-width of t (50) 567ns and a mass flow of 43 NL / min.
Für die vorstehend aufgeführten Verfahren wurden im nichtthermischen Gleich-gewicht betriebene Gasentladungen verwendet. Nichtthermisch bedeutet im erfinderischen Sinne, dass die Elektronen als energievermittelnde Spezies eine höhere Temperatur als die Schwerteilchen (N, N2, N2+, N+ Si, SiH, SiH2+ ... C, H, H2, NH, ...) aufwiesen. Diese wurden durch dem Fachmann bekannte bzw. geläufige Netzteile erzeugt.For the above procedures, non-thermal equilibrium gas discharges were used. Non-thermal means in the inventive sense that the electrons as energy-mediating species have a higher temperature than the heavy particles (N, N 2 , N 2+ , N + Si, SiH, SiH 2 + ... C, H, H 2 , NH, .. .). These were produced by the expert known or familiar power supplies.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass eine solche nicht-thermische Gasentladung vorteilhaft durch Dimmen über die Pulsfrequenz erzeugen lässt, wobei vorteilhafterweise die Elektroden als Hohlelektroden mit vorzugsweise porösen Stirnflächen bspw. aus Sintermetall durch eine zweidimensionale parabolische Form ausgeführt sind. Damit verteilt sich der Gasstrom gleichmäßig über die Elektrodenoberfläche. Die zweidimensionale pilzartige Oberfläche kann gemäß F(r) = r2 (0,1< r < 1,1cm) beschrieben werden.Surprisingly, it has been found that such a non-thermal gas discharge can advantageously be generated by dimming over the pulse frequency, wherein advantageously the electrodes are designed as hollow electrodes with preferably porous end faces, for example made of sintered metal, by a two-dimensional parabolic shape. Thus, the gas flow is distributed uniformly over the electrode surface. The two-dimensional mushroom-like surface can be described according to F (r) = r2 (0.1 <r <1.1 cm).
Die
Dargestellt ist die Reaktorhülle (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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