DE102022102091A1

DE102022102091A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks

Info

Publication number: DE102022102091A1
Application number: DE102022102091.6A
Authority: DE
Inventors: Siegmund Greulich-Weber
Original assignee: Yellow Sic Holding GmbH
Current assignee: Yellow Sic Holding GmbH
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2023144312A1

Abstract

Vorgesehen sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks, bei denen:ein kohlenstoffhaltiges Formstück (2) in einem ersten Reaktor (1) bei einer ersten Temperatur gehalten wird, die die Transformation des Formstücks (2) in das siliziumkarbidhaltige Werkstück erlaubt,ein kohlenstoff- und siliziumhaltiger Präkursor in einen zweiten Reaktor (3) gefördert wird, der auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher als die erste Temperatur ist und die Umsetzung des Präkursors zu einem Si-C-haltigen Gas bewirkt, unddas Si-C-haltige Gas aus dem zweiten Reaktor (3) in den ersten Reaktor (1) zu dem im ersten Reaktor (1) bei der ersten Temperatur gehaltenen Formstück (2) geleitet und das Formstück (2) dabei in das siliziumkarbidhaltige Werkstück transformiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks.
Aus EP 2094622 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks bekannt, in dem ein Formstück (Rohling) aus kohlenstoffhaltigem Material mit im Wesentlichen der Gestalt und den Abmessungen des herzustellenden siliziumkarbidhaltigen Werkstücks in einem Ofen von einem Präkursor umgeben wird, der kohlenstoffhaltiges SiO₂ enthält. Das kohlenstoffhaltige Material des Formstücks kann beispielsweise Graphit sein, das sich leicht bearbeiten und in der Form des herzustellenden Werkstücks bereitstellen lässt. Der Präkursor kann ein Granulat aus kohlenstoffreichem SiO₂ sein.
Alternativ kann das Formstück auch mit einem kohlenstoffhaltigen SiO₂-Gel als Präkursor umhüllt werden.
Bei der aus EP 2094622 B1 bekannten Technik ist das Formstück im kohlenstoffreichen SiO₂-Präkursor eingebettet oder zumindest teilweise von ihm umgeben. Im Ofen werden Präkursor und Formstück dann unter einer SchutzgasAtmosphäre einer Temperatur um 1800°C ausgesetzt. Dabei werden die Ausgangsmaterialien u.a. zu Siliziumkarbid umgesetzt und aus dem Formstück entsteht das siliziumkarbidhaltige Werkstück.
Diese Transformation erfolgt nach folgenden carbothermalen Reaktionen: C + SiO₂ → SiO + CO SiO₂ + CO → SiO + CO₂ C + CO₂ → 2CO SiO + 2C → SiC + CO
Im Verlauf dieser Reaktionen soll Si-C-haltiges Gas aus dem Präkursor in das Formstück diffundieren. Da sich jedoch SiO₂-Präkursor und Formstück auf gleichem Temperaturniveau im Ofen befinden, diffundiert das Si-C-haltige Gas aus dem Präkursor in alle Raumrichtungen, was zu einer eher zufälligen chemischen Reaktion des SiO₂ mit den Kohlenstoffatomen des Formstücks führt. Vor allem auch ist der SiO₂-Präkursor in diesem Prozess ständig einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch die Zeit für eine carbothermale Reaktion im Formstück stark limitiert ist. Denn der Präkursor ist schnell, in der Praxis innerhalb weniger Sekunden, aufgebraucht und etwa 90% des angebotenen Präkursors geraten dabei in stets vorhandene Bereiche des Ofens mit etwas niedrigeren Temperaturen und reagieren dort zu SiC, ohne noch für die Werkstückherstellung zur Verfügung zu stehen. Nur ein geringer Teil reagiert im Formstück zu SiC. Der Prozess muss deshalb vielfach wiederholt werden, um eine zumindest oberflächennahe SiC-Transformation des Formstücks zu erreichen, was mit der notwendigen Abkühl- und Aufheizzeit des Ofens sowie dem Nachfüllen des Präkursors sehr zeit- und energieaufwändig ist. Insgesamt ist der vorgeschlagene Prozess in jeder Beziehung sehr ineffektiv.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine effektivere Technik zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach den beiliegenden Patentansprüchen.
Der Erfolg der Erfindung zur Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe beruht auf dem Vorhandensein von zwei Reaktoren, von denen der erste Reaktor das Formstück aufnimmt und der zweite Reaktor dem Umsetzen des Präkursors zu einem Gas dient, das von dort unmittelbar in den ersten Reaktor geleitet wird. So ist eine fortlaufende, kontinuierliche Nachlieferung des Präkursors und ein kontrolliertes Leiten zum Formstück und damit ein effizienter Produktionsprozess möglich, in dem das Formstück in das siliziumkarbidhaltige Werkstück transformiert wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks nach Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks weist einen Ofen als beheizbaren ersten Reaktor 1 auf, der ein Formstück 2 aus kohlenstoffhaltigem Material aufnimmt. Das Formstück 2 ist ein Rohling mit im Wesentlichen der Gestalt und den Abmessungen des herzustellenden siliziumkarbidhaltigen Werkstücks. Ein geeignetes kohlenstoffhaltiges Material ist Graphit, das sich leicht bearbeiten und in der Form des herzustellenden Werkstücks bereitstellen lässt.
Mit dem ersten Reaktor 1 ist ein ebenfalls beheizbarer zweiter Reaktor 3 verbunden, der die Form eines Tubus aufweist. Der tubusförmige zweite Reaktor 3 weist an einem Ende einen Auslass 4 auf, der im ersten Reaktor 1 nahe dem Formstück 2 angeordnet ist. An seinem anderen Ende außerhalb des ersten Reaktors 3 weist er einen Einlass 5 auf, der mit einem Förderer 6 verbunden ist. Der Förderer 6 wird aus Richtung des Pfeils 7 mit einem Präkursor befüllt und aus Richtung des Pfeils 8 mit einem kontrollierten Strom eines Inertgases versorgt.
Der Präkursor enthält Silizium und Kohlenstoff. Er liegt vorzugsweise als Feststoff insbesondere als Pulver oder Granulat aus kohlenstoffhaltigem, d.h. mit Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung versetztem SiO₂ vor, wobei als Förderer 6 wie in der Figur dargestellt ein Pulverförderer 6 verwendet wird. Alternativ kann der Si und C enthaltende Präkursor auch flüssig oder gasförmig zugeführt werden, wobei als Förderer 6 dann eine Pumpe zum Einsatz kommt. Etwaige Dotierungen und Legierungen für das herzustellende Werkstück sind in Form von Zusätzen zum Präkursor in den Prozess einbringbar.
Das Inertgas ist beispielsweise Argon. Der Förderer 6 dient dem Fördern des Präkursors ggf. zusammen mit dem Inertgas durch den Einlass 5 in den zweiten Reaktor 3. Das Inertgas kann dem zweiten Reaktor 3 auch separat zugeführt werden.
Der zweite Reaktor 3 dient dem Erhitzen des zugeförderten Präkursors und dessen Überführen in die Gasphase, wobei ein Si und C enthaltendes Gas entsteht. Der so in die Gasphase überführte Präkursor wird unterstützt durch den Strom Inertgas unmittelbar dem Formstück 2 im ersten Reaktor 1 zugeleitet, das dadurch in das siliziumkarbidhaltige Werkstück überführt wird. Diese Vorgänge laufen nach den eingangs genannten carbothermalen Reaktionen ab.
Da der zweite Reaktor 3 tubusförmig ist und unmittelbar in den ersten Reaktor 1 führt, erfüllt er nicht nur die Funktion eines beheizten Reaktors zum Auslösen der carbothermalen Reaktionen sondern auch die Funktion der Leitung zum Einleiten des in die Gasphase überführten Präkursors in den ersten Reaktor 1.
Der zweite Reaktor 3 ist vorzugsweise aus einem Tubus bzw. Rohr aus Siliziumkarbid gefertigt, so dass die vom Förderer 6 geförderten und im zweiten Reaktor 3 in die Gasphase überführten Stoffe nicht mit anderen Materialien in Kontakt kommen und verunreinigt werden. Das Beheizen des zweiten Reaktors 3 geschieht zweckmäßigerweise durch Leiten elektrischen Stroms durch dieses Siliziumkarbidrohr.
Der zweite Reaktor 3 kann auch als dahingehend modifizierte Effusionszelle verstanden werden, dass sie die erwähnten Merkmale aufweist.
Um das Si-C-haltige Gas effizient zum Formstück 2 zu leiten, ist der Auslass 4 des zweiten Reaktors 3 bzw. der Effusionszelle auf das Formstück 2 gerichtet. Es können auch mehrere zweite Reaktoren 3 bzw. Effusionszellen vorgesehen sein, deren Auslässe 4 aus verschiedenen Richtungen auf unterschiedliche Seiten des Formstücks 2 gerichtet sind, um dieses möglichst vollständig dem Si-C-haltigen Gas auszusetzen.
Im Betrieb der Vorrichtung wird folgendes Verfahren ausgeführt, um das kohlenstoffhaltige Formstück 2 in das siliziumkarbidhaltige Werkstück zu transformieren:

Das kohlenstoffhaltige Formstück 2 wird im ersten Reaktor 1 bei einer Temperatur gehalten, die die Transformation des Formstücks 2 in das siliziumkarbidhaltige Werkstück erlaubt, vorzugsweise einer Temperatur im Bereich von 1500 bis 1700°C. Der zweite Reaktor 3 wird auf eine Temperatur beheizt, die höher als die Temperatur des Formstücks 2 ist und vorzugsweise im Bereich von 1600 bis 1800°C liegt. Vom Förderer 6 wird der Präkursor fortlaufend dosiert durch den Einlass 5 in den zweiten Reaktor 3 gefördert und gleichzeitig das Inertgas ebenfalls durch den Einlass 5 in den zweiten Reaktor 3 eingeleitet. Bei den angegebenen Temperaturen wird im zweiten Reaktor 3 der Präkursor in die Gasphase zu Si-C-haltigem Gas überführt, das mit dem Inertgas durch den Auslass 4 zum Formstück 2 gespült wird, dessen Kohlenstoff mit dem Si-C-haltigen Gas zu Siliziumkarbid umgebaut wird. Die Überführung des Präkursors in die Gasphase und der Umbau des Kohlenstoffs zu Siliziumkarbid erfolgen bei den angegebenen Temperaturen nach den eingangs aufgeführten carbothermalen Reaktionen.

Die Ausführungsbeispiele weisen dabei folgende vorteilhafte Eigenschaften auf:

Der zweite Reaktor 3 bzw. die Effusionszelle ist so ausgeführt, dass eine fortlaufende oder kontinuierliche externe Nachlieferung des Präkursors möglich ist, und nur der jeweils nachgelieferte Anteil des Präkursors im zweiten Reaktor 3 thermisch in die Gasphase übergehen kann. Diese Nachlieferung des Präkursors erfolgt über den Förderer 6. Die geometrische Anordnung von Formstück 2 und zweitem Reaktor 3 ist so gewählt, dass der Temperaturgradient zwischen beiden zu einem hoch effizienten Transport des Si-C-haltigen Gases zum Formstück 2 und zu einer hoch effizienten SiC-Transformation im Formstück 2 führt. Ein direkter Kontakt zwischen Formstück 2 und Präkursor vor dem Übergang des Präkursors in die Gasphase ist nicht notwendig.

Da der Transport des Präkursors mit dem Förderer 6 zusammen mit Inertgas durch den zweiten Reaktor 3 erfolgt, kann dieser Gasstrom vorteilhaft gerichtet genutzt werden, so dass nicht nur Thermik bzw. Konvektion für die Begasung des kohlenstoffhaltigen Formstücks 2 genutzt wird sondern das Formstück 2 gezielt mit dem Si-C-haltigen Gas bespült wird.
Die Vergasung des als Feststoff zugeförderten Si-C-Präkursors erfolgt in dem vom ersten Reaktor 1 separaten zweiten Reaktor 3 und die Zuführung des entstandenen Gases über eine beheizte Zuleitung zum Graphit-Formstück 2. Zweiter Reaktor 3 und beheizte Zuleitung zum ersten Reaktor können voneinander verschieden sein. Vorteilhafterweise jedoch dient die beheizte Zuleitung selbst als zweiter Reaktor 3 bzw. Effusionszelle.
Das Verfahren ermöglicht eine genaue Druckkontrolle und Massenflussreglung des dem Formstück 2 zugeführten Gases durch Regelung der Zufuhr des Inertgases und des Präkursors zum zweiten Reaktor 3 und durch Regelung der Temperatur des zweiten Reaktors 3. Die Temperatur des Formstücks 2 bzw. des entstehenden Werkstücks und die Temperaturverteilung im ersten Reaktor 1 bzw. Ofen können unabhängig von der Präkursor-Vergasungstemperatur im zweiten Reaktor 3 gewählt werden. Somit können optimale Bedingungen eingestellt werden, insbesondere Bedingungen, bei denen der Präkursor nicht am Ort der Vergasung in SiC transformiert wird, sondern das entstehende Gasgemisch aus Kohlenstoffverbindungen und Siliziumverbindungen, ohne vorzeitig zu SiC zu reagieren, bis zum Werkstück 2 geführt wird. Ggf. ist eine geringe Sauerstoffzumischung zu dem Gasgemisch möglich.
Die beheizte Gaszuleitung zwischen erstem und zweitem Reaktor 1, 3 bzw. der selbst als Gaszuleitung dienende zweite Reaktor 3 ist aus einem SiC-Rohr gefertigt, das selbst als elektrisches Heizelement aktiv ist. Über den elektrischen Strom durch dieses SiC-Rohr kann die Temperatur des Rohrs eingestellt und über die so eingestellte Temperatur auch der Gasdruck im ersten Reaktor 1 gesteuert werden.
Im Vergleich zu Gasabscheidungsmethoden wie CVD oder PVD ist der vom Förderer 6 fortlaufend gelieferte Partikelstrom und somit der Gasstrom in den ersten Reaktor 1 wesentlich höher. Die Erfindung eignet sich nicht nur zum Abscheiden einer dünnen Oberflächenschicht aus SiC auf dem Formstück 2 sondern auch zum effizienten Transformieren des Formstücks in das siliziumkarbidhaltige Werkstück.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2094622 B1 [0002, 0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines siliziumkarbidhaltigen Werkstücks, umfassend: Halten eines kohlenstoffhaltigen Formstücks (2) in einem ersten Reaktor (1) bei einer ersten Temperatur, die die Transformation des Formstücks (2) in das siliziumkarbidhaltige Werkstück erlaubt, Fördern eines kohlenstoff- und siliziumhaltigen Präkursors in einen zweiten Reaktor (3), der auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher als die erste Temperatur ist und die Umsetzung des Präkursors zu einem Si- und C-haltigen Gas bewirkt, und Leiten des Si- und C-haltigen Gases aus dem zweiten Reaktor (3) in den ersten Reaktor (1) zu dem im ersten Reaktor (1) bei der ersten Temperatur gehaltenen Formstück (2) und dabei Transformieren des Formstücks (2) in das siliziumkarbidhaltige Werkstück.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur im Bereich von 1500 bis 1700°C und die zweite Temperatur im Bereich von 1600 bis 1800°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Si- und C-haltige Gas kontinuierlich aus dem zweiten (3) in den ersten Reaktor (1) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Präkursor fortlaufend in den zweiten Reaktor (3) gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Präkursor pulverförmig ist und mittels eines Pulverförderers (6) in den zweiten Reaktor (3) gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Inertgas durch den zweiten Reaktor (3) in den ersten Reaktor (1) geleitet wird, mit dem das Si- und C-haltige Gas kontinuierlich aus dem zweiten (3) in den ersten Reaktor (1) gespült wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Reaktor (3) einen Tubus aus SiC-haltigem Material aufweist, der auf die zweite Temperatur geheizt wird und in den der Präkursor und gegebenenfalls das Inertgas eingeführt werden.
Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumkarbid nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: einen ersten Reaktor (1), der eingerichtet ist, ein kohlenstoffhaltiges Formstück (2) bei einer ersten Temperatur zu halten, die die Transformation des Formstücks (2) in das siliziumkarbidhaltige Werkstück erlaubt, und einen zweiten Reaktor (3), der eingerichtet ist, einen in ihn geförderten kohlenstoff- und siliziumhaltigen Präkursor auf eine zweite Temperatur zu erhitzen, die höher als die erste Temperatur ist und die Umsetzung des Präkursors zu einem Si- und C-haltigen Gas bewirkt, wobei der erste und der zweite Reaktor (1, 3) so miteinander verbunden sind, dass das Si- und C-haltige Gas aus dem zweiten Reaktor (3) in den ersten Reaktor (1) zu dem im ersten Reaktor (1) bei der ersten Temperatur gehaltenen Formstück (2) geleitet und das Formstück (2) dabei in das siliziumkarbidhaltige Werkstück transformiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 8, mit einem Förderer (6) zum fortlaufenden Fördern des Präkursors in den zweiten Reaktor (3).
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, mit einer Einrichtung zum kontinuierlichen Leiten von Inertgas durch den zweiten Reaktor (3) in den ersten Reaktor (1).