DE10241965A1

DE10241965A1 - Beschichtungsgaserzeuger und Verfahren

Info

Publication number: DE10241965A1
Application number: DE10241965A
Authority: DE
Inventors: Bruce M Warnes; Daniel L Near; Andrew L Purvis
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2003-03-27
Also published as: JP2003193240A; GB0220760D0; FR2829508A1; CA2401936A1; GB2380493A; US20030047141A1

Abstract

Es werden eine Bedampfungsvorrichtung und ein Bedampfungsverfahren beschrieben. Die Bedampfungsvorrichtung ist mit externen Metallhalogenidgaserzeugern versehen, mittels denen das Lecken von Luft in die Erzeuger verringert wird, um auf diese Weise die Ausnutzung der in jedem Erzeuger vorhandenen Metallcharge zu verbessern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum chemischen Bedampfen (CVD) und ein Verfahren zum Aufbringen von Beschichtungen auf Substrate.

Das chemische Bedampfen (CVD) umfaßt die Erzeugung eines Metallhalogenidgases bei niedrigen Temperaturen (d. h. etwa 100-600°C), die Einführung des Metallhalogenidgases in eine Hochtemperaturretorte (d. h. 200-1200°C Retortentemperatur) und die Reaktion des Metallhalogenides mit Substraten, die in der Retorte angeordnet sind, um einen Überzug darauf auszubilden. Generell findet ein großer Überschuß an Metallhalogenidgas Verwendung, um eine Unterdosierung des Reaktionsmittels in der Hochtemperaturbeschichtungsretorte zu verhindern. CVD-Prozesse werden typischerweise bei reduziertem Druck (unter Umgebungsdruck) durchgeführt. CVD-Vorrichtungen und Verfahren sind in den US-PS'en 5 261 963 und 5 263 530 beschrieben. Die US-PS 6 143 361 offenbart eine CVD-Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen die Abscheidung von überschüssigem Metallhalogenidreaktionsmittel im von der Beschichtungsretorte abgeführten Überzugsgas reduziert oder eliminiert wird, um die Stilliegezeit der Retorte zu verringern, die erforderlich ist, um Abscheidungen vom Retortenabgassystem zu entfernen.

Der CVD-Prozeß kann dazu eingesetzt werden, um Al, Si und ein oder mehrere reaktive Elemente, wie Hf, Zr, Y, Ce, La etc., zusammen abzuscheiden und Aluminid-Diffusionsschutzüberzüge auf Substraten, wie Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, die üblicherweise zum Gießen von Gasturbinenflügeln verwendet werden, auszubilden. In den schwebenden amerikanischen Patentanmeldungen 08/197 497 und 08/197 478 sind ein Metallhalogenidgaserzeuger und ein Verfahren beschrieben, mit denen mit einem reaktiven Element modifizierte Aluminid-Diffusionsschutzüberzüge hergestellt werden können. Die US-PS 5 989 733 beschreibt einen nach außen gewachsenen, mit Platin modifzierten Aluminid-Diffusionsschutzüberzug, der Si und Hf und wahlweise Zr, Y, Ce und/oder La enthält und über eine derartige CVD- Vorrichtung sowie ein Verfahren auf einem Superlegierungssubstrat auf Nickel- oder Kobaltbasis ausgebildet ist.

Es besteht ein Bedarf zur Schaffung einer verbesserten CVD-Vorrichtung und eines Verfahrens, mit denen Aluminid-Diffusionsüberzüge, die durch Einschluß von einem oder mehreren anderen Überzugselementen, beispielsweise nur Silicium, und einem oder mehreren sogenannten reaktiven Elementen modifiziert sind, erzeugt werden können, wobei diese Überzüge mit verbesserter Effizienz in bezug auf die Verwendung einer Metallcharge, die in einem oder mehreren Beschichtungsgaserzeugern vorhanden ist, hergestellt werden können. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diesem Bedarf nachzukommen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Metallhalogenidgaserzeuger vorgesehen, um ein Beschichtungsgas zu erzeugen, der Merkmale zur Verringerung einer Luftleckage in den Erzeuger aufweist, um die Effizienz der Nutzung der im Erzeuger vorhandenen Metallcharge zu verbessern. Der Erzeuger umfaßt Abdichtungs- und Kühlmerkmale an der Verbindungsstelle eines Erzeugergehäuses und einer Basis.

Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen. Hiervon zeigen:

Fig. 1 eine etwas schematische Ansicht von CVD- Beschichtungsgaserzeugern und einer Beschichtungsreaktorkammer, die bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt dargestellt ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittansicht der Beschichtungsreaktorkammer und des Beschichtungsgasverteilungssystems, das mit den Beschichtungsgaserzeugern in Verbindung steht, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 eine vergrößerte Längsschnittansicht des externen Beschichtungsgaserzeugers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Zum Zwecke der Darstellung und Nichteinschränkung wird die vorliegende Erfindung nachfolgend in Verbindung mit einer CVD-Vorrichtung und eines Verfahrens zur Erzeugung eines Platin-modifizierten Aluminid-Diffusionsschutzüberzuges, der Di, Hf und wahlweise Zr enthält, auf einem Superlegierungssubstrat auf Nickelbasis eines Typs, der in der US-PS 5 989 733 beschrieben ist, erläutert. Die Lehren dieser Veröffentlichung werden hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingearbeitet. Zr kann in der Beschichtung vorhanden sein, da es eine Verunreinigung in den nachfolgend beschriebenen Hf-Pellets oder einen gezielten Überzugszusatz bildet. Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von derartigen Beschichtungen beschränkt und kann auch zur Ausbildung von anderen Beschichtungen auf anderen Substraten durchgeführt werden.

Wie in den Fig. 1-2 gezeigt, umfaßt eine CVD-Beschichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen Reaktor oder eine Retorte 12, die in einem feuerfest ausgekleideten Heizofen 14 angeordnet werden kann, welcher schematisch dargestellt ist und dazu eingesetzt werden kann, die Retorte 12 auf eine erhöhte CVD-Beschichtungstemperatur zu erhitzen. Der Heizofen 14 kann ein elektrischer Widerstandsofen oder ein anderer Ofentyp sein. Zu beschichtende metallische Substrate Sb werden in einer Beschichtungsreaktorkammer 20 angeordnet, die sich in der Retorte 12 befindet, und werden durch Strahlung von den Wänden der erhitzten Retorte aufgeheizt.

Die Retorte 12 umfaßt einen Deckel 16 zum Abschließen des oberen Endes der Retorte. Der Retortendeckel 16 ist luftdicht auf einem Flansch 12f der Retorte über eine O-Ring-Dichtung 17 abgedichtet. Der Flansch 12f besitzt einen ringförmigen Wasserkühlungskanal 12p, über den Wasser umgewälzt wird, um den Flansch während des Betriebes der Retorte zu kühlen. Der Deckel 16besitzt eine Ringkammer 16a, die einen thermischen Isolationsblock oder ein entsprechendes Element 16b aufnimmt, um Wärmeverluste von der Retorte zu verringern. Komponenten der Beschichtungsreaktorkammer 20 können auf dem Deckel 16 gelagert und dann mit dem Deckel 16 in die Retorte 12 abgesenkt werden. Die Beschichtungsreaktorkammer 20 umfaßt Leitungen 18, 22, die an der Verbindung 57 miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindung vor dem Schließen des Deckels 16 auf der Retorte 12 hergestellt wird. Die Leitung 22 ist ein Teil der Retortenabdeckung 16 und hiermit verschweißt.

Der Retortendeckel 16 besitzt eine zentrale Beschichtungsgaseinlaßleitung 22, durch die reaktive Beschichtungsgase der axialen Gasvorerhitzungs- und Verteilerleitung 18 des Reaktors 20 zugeführt werden, wie nachfolgend beschrieben. Die Leitung 18 umfaßt darin eine innere axiale Gasvorerhitzungsleitung 52. Die Beschichtungsreaktorkammer 20 besitzt eine Vielzahl von getrennten ringförmigen Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c (Fig. 2) auf unterschiedlichen axialen Höhen in der Retorte, die um das Beschichtungsgasvorerhitzungs- und Verteilerrohr oder die entsprechende Leitung 18 angeordnet sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, werden zu beschichtende Substrate SB auf Schalen 28 in den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c angeordnet. Die Schalen 28 schließen die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c ab. Diese Beschichtungszonen sind zum Zwecke der Darstellung und nicht der Einschränkung eine über der anderen gezeigt, da eine geringere oder größere Zahl von Beschichtungszonen bei der Durchführung der Erfindung verwendet werden kann.

Wie in Fig. 1 gezeigt, steht die Beschichtungsgaseinlaßleitung 22 mit einer Vielzahl von Niedrigtemperatur-Metallhalogeniderzeugern 30 identischer Konstruktion mit Ausnahme der Metallcharge B darin in Verbindung, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Metallcharge B in jedem Erzeuger 30 ist unterschiedlich und so ausgewählt, daß ein spezieller Beschichtungsgasbestandteil erzeugt wird, beispielsweise ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungspelletbett im Erzeuger #1 zur Erzeugung von Aluminiumtrichlorid oder einem anderen flüchtigen Aluminiumhalogenidbeschichtungsgasbestandteil, ein Silicium- oder Siliciumlegierungspelletbett im Erzeuger #2 zur Erzeugung von Siliciumtetrachlorid oder eines anderen flüchtigen Siliciumhalogenidbeschichtungsgasbestandteiles und ein reaktives Element, wie Hf oder eine Legierung hiervon, im Erzeuger #3 zur Erzeugung von Hafniumtetrachlorid oder eines anderen flüchtigen Hafniumhalegonidbeschichtungsgasbestandteiles. Andere reaktive Elemente, die anstelle von Hf oder seinen Legierungen oder zusätzlich dazu verwendet werden können, umfassen Zr und seine Legierungen, Ce und seine Legierungen und Ni-Mg-Legierungen zur Erzeugung eines Mg-Trägerbeschichtungsgases.

Die Erzeuger 30 sind extern von der Retorte 12 angeordnet und über erhitzte Leitungen 32 mit der EinlaEleitung 22 verbunden. Die Leitungen 32 werden über herkömmliche Heizvorrichtungen, wie durch elektrisches Widerstandserhitzen erhitzte flexible Bänder oder Stangen oder Stäbe, erhitzt, um eine Kondensation der Metallhalogenidbeschichtungsgase darin zu verhindern.

Zur Erzeugung eines Platin-modifizierten Aluminid- Diffusionsschutzüberzuges, der Si, Hf und Zr enthält, auf einem Superlegierungssubstrat auf Nickelbasis eines in der US-PS 5 989 733 beschriebenen Typs findet der erste Halogeniderzeuger #1 Verwendung, um Aluminiumtrichlorid oder einen anderen Aluminiumhalogenidbeschichtungsgasbestandteil zu erzeugen. Der Erzeuger wird mit einem Gasstrom F1 versorgt, der ein Gemisch aus einem Säurehalogenidgas, beispielsweise HCl, oder einem anderen Wasserstoffhalogenidgas und einem reduzierenden oder inerten Trägergas, wie Wasserstoff, Argon, Helium oder Gemischen hiervon, umfaßt, und zwar über Leitungen 33 von geeigneten Quellen 41, 42, wie beispielsweise entsprechenden Hochdruckzylindern oder Tieftemperaturquellen. Das Säurehalogenidgas und Trägergas werden in geeigneten Anteilen miteinander vermischt, um den Gasstrom F1 zum ersten Erzeuger zu bilden.

Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzt der erste Erzeuger #1 ein Bett B aus Aluminiummetallpellets und eine Heizvorrichtung 46, wie eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung, zur Erhitzung der Al-Pellets auf eine Reaktionstemperatur in Abhängigkeit von dem Säurehalogenidgas, das dem Erzeuger zugeführt wird. Rein beispielhaft kann eine Aluminiumpellettemperatur von etwa 200°C oder mehr für HCl-Gas Verwendung finden. Die Pellettemperatur für andere Wasserstoffhalogeriidgase hängt vom Siedepunkt des im Erzeuger gebildeten Alumuniumhalogenides ab. Der Säurehalogenidgas/Trägergasstrom F1 wird dem Erzeuger #1 zugeführt, um über die A1-Pellets unter Temperatur-, Druck- und Durchsatzbedingungen zu strömen, gemäß denen Aluminiumtrichlorid oder ein anderes Aluminiumhalogenidgas in Abhängigkeit vom verwendeten Wasserstoffhalogenidgas im Trägergas erzeugt wird. Typische Temperatur-, Druck- und Durchsatzbedingungen zur Ausbildung von Aluminiumtrichlorid am Erzeuger #1 sind in der US-PS 5 658 614 offenbart und wie folgt:

Wasserstoffhalogenid/Trägergas - 13 Vol.-% HCl; Rest H₂
Pellettemperatur - 290°C
Durchsatz - 46 scfh (Standardkubikfuß pro Stunde)

Der zweite Metallhalogeniderzeuger #2 dient dazu, Siliciumtetrachlorid oder einen anderen flüchtigen Siliciumhalogenidbeschichtungsgasbestandteil zu erzeugen. Der Erzeuger wird mit einem Gasstrom F2 versorgt, der ein Gemisch aus einem Wasserstoffhalogenidgas, typischerweise HCl-Gas, und einem reduzierenden oder inerten Trägergas, wie Wasserstoff, Helium und Argon oder Gemischen hiervon, umfaßt, und zwar von geeigneten Quellen 41, 42, wie entsprechenden Hochdruckzylindern oder Tieftemperaturquellen. Das Wasserstoffhalogenidgas und Trägergas werden in geeigneten Anteilen vermischt, um den Gasstrom F2 zum zweiten Erzeuger zu bilden. Der zweite Erzeuger #2 umfaßt ein Bett B aus Siliciumpellets und eine Heizvorrichtung 46, wie beispielsweise eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung, zur Erhitzung der Si-Pellets auf eine Reaktionstemperatur in Abhängigkeit vom Säurehalogenidgas, das dem Erzeuger zugeführt wird. Rein beispielhaft kann eine Siliciumpellettemperatur von etwa 100°C oder mehr für HCl-Gas Verwendung finden. Pellettemperaturen für andere Wasserstoffhalogenidgase hängen von den Siedepunkten des im Erzeuger gebildeten Siliciumhalogenides ab. Typische Temperatur-, Druck und Durchsatzbedingungen zur Ausbildung von Siliciumtetrachlorid am Erzeuger #2 sind wie folgt:

Wasserstoffhalogenid/Trägergas - 2 Vol.-% HCl; Rest H₂
Pellettemperatur - 290°C
Durchsatz - 26 scfh

Der dritte Metallhalogeniderzeuger #3 dient zur Erzeugung eines reaktiven Chlorides oder anderen reaktiven Halogenidgases, wie beispielsweise eines Hafniumtetrachloridbeschichtungsgasbestandteiles. Der Erzeuger wird mit einem Gasstrom F3 versorgt, der ein Gemisch aus einem Säurehalogenidgas, beispielsweise HCl- Gas, und einem inerten Trägergas, wie Argon, Helium oder Gemischen hiervon, umfaßt, und zwar von geeigneten Quellen 43, 44, wie entsprechenden Hochdruckzylindern oder Tieftemperaturquellen. Das Wasserstoffhalogenidgas und Trägergas werden in geeigneten Anteilen vermischt, um den Gasstrom F3 zum ersten Erzeuger zu bilden. Der dritte Erzeuger #3 umfaßt ein Bett B aus Hafniumpellets, die natürliche Zr-Verunreinigungen enthalten, sowie eine Heizvorrichtung 46, wie eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung, zur Erhitzung der Hf-Pellets auf eine Reaktionstemperatur in Abhängigkeit vom dem Erzeuger zugeführten Säurehalogenidgas. Rein beispielhaft kann eine Hafniumpellettemperatur von etwa 430°C für HCl-Gas Verwendung finden. Die Pellettemperaturen für andere Wasserstoffhalogenidgase hängen von den Siede- oder Sublimationspunkten des im Erzeuger gebildeten Metallhalogenides ab. Die Pellets des Bettes im Erzeuger #3 können eine Legierung aus HF und Zr umfassen, falls Zr als Legierungsmittel auf gezielte Weise im Überzug vorhanden sein soll. Typische Temperatur-, Druck- und Durchsatzbedinungen zur Erzeugung von Hafniumtetrachlorid am Erzeuger #3 sind wie folgt:

Säurehalogenid/Trägergas - 3 Vol.-% HCl; Rest Ar
Pellettemperatur - 430°C
Durchsatz - 33 scfh

Anstelle von drei separaten Erzeugern kann ein Coerzeuger verwendet werden, um zusammen zwei Metallhalogenidgase zu erzeugen. Beispielsweise können Aluminiumtrichlorid und Siliciumtetrachlorid zusammen erzeugt werden, indem man ein Wasserstoffhalogenid/Trägergasgemisch zuerst über ein Bett aus Al-Pellets und dann über ein Bett aus Si-Pellets, die abstromseitig vom Bett aus Aluminiumpellets angeordnet sind, strömen läßt, wie in der schwebenden amerikanischen Patentanmeldung 08/197 478 beschrieben, deren Offenbarung hiermit bezugnehmend eingearbeitet wird. Auf diese Weise wird ein Beschichtungsgasbestandteil erzeugt, der sowohl AlCl₃ als auch SiCl₄ in Anteilen enthält, die durch den Durchsatz des Säurehalogenid/Trägergases über die Betten gesteuert werden. Der dritte Erzeuger #3 wird dann noch dazu verwendet, um den HFCl₄ -Beschichtungsgasbestandteil zu erzeugen. Alternativ dazu können Hafniumtetrachlorid und Siliciumtetrachlorid zusammen erzeugt werden, indem man ein Wasserstoffhalogenid/Trägergasgemisch zuerst über ein Bett aus Hf-Pellets und dann über ein Bett aus Si-Pellets, die abstromseitig des Bettes der Hafniumpellets angeordnet sind, strömen läßt. Jede beliebige Kombination aus Pelletbetten, bei der das Metallhalogenidgas vom ersten aufstromseitigen Bett beständiger ist als ein im zweiten abstromseitigen Bett gebildetes zweites Metallhalogenid, kann bei der Durchführung der Erfindung als Coerzeuger Verwendung finden.

Die Beschichtungsgasbestandteile von den Erzeugern 30 werden der Einlaßleitung 22 zugeführt, die an die Gasvorerhitzungs- und Verteilerleitung 18 an der Verbindung 57 angeschlossen ist. Eine geeignete Pumpe P, beispielsweise eine Vakuumpumpe, ist an den Auslaß 80 der Reaktorbeschichtungskammer in einer Weise angeschlossen, daß ein gewünschter Druck und Durchsatz der Gase durch die Erzeuger 30 und die Beschichtungskammer 20 sowie des verbrauchten Beschichtungsgases von der Beschichtungskammer zum Auslaß aufrechterhalten werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Metallhalogeniderzeuger 30 so konstruiert, daß das Lecken von Luft in die Erzeuger am Einlaßfitting 30a, Auslaßfitting 30b und der Flanschverbindung 30c verringert wird. Jeder Erzeuger 30 ist, abgesehen vom darin befindlichen Pelletbett B, mit dem anderen Erzeuger identisch.

Wie man Fig. 3 entnehmen kann, besitzt der Erzeuger 30 ein Metallgehäuse 30h (aus rostfreiem Stahl) mit einer elektrischen Widerstandsheizvorrichtung 46, die darüber angeordnet ist, um das Bett B im Erzeuger auf eine gewünschte Reaktionstemperatur zu erhitzen, beispielsweise die vorstehend erwähnte Temperatur. Das Gehäuse 30h weist einen ringförmigen, sich seitlich erstreckenden Flanschbereich 30f an einem unteren Ende zur Lagerung auf einer Erzeugerbasis 35 mit einer O- Ring-Dichtung 33 dazwischen auf. Der Flanschbereich 30f, der auf der Basis 35 ruht, bildet eine Verbindung 30c. Der Flansch 30f umfaßt einen Ringkanal 30p, durch den Kühlmittel (d. h. Wasser) während des Betriebes des Erzeugers fließt, um den Flansch zu kühlen und dessen Temperatur in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 100°C (rein beispielhaft) zu halten. Durch das Kühlen des Flanschbereiches 30f während des Betriebes des Erzeugers 30 wird eine Verformung des Flanschbereiches aufgrund der erhöhten Temperatur des Gehäuses 30h während des Betriebes des Erzeugers verringert. Ferner wird eine Oxidation des O-Ringes minimiert.

Die O-Ring-Dichtung 33 wird zwischen dem gekühlten Flanschbereich 30f und dem Flansch 35f der Erzeugerbasis 35 zusammengepreßt, so daß eine luftdichte Dichtung gebildet wird. Die O-Ring-Dichtung umfaßt ein säureresistentes polymeres Fluorelastomermaterial, das keinen Kohlenstoff, Schwefel oder ein anderes unerwünschtes Element in den Erzeuger 30 freisetzt, das die auf den Substraten SB erzeugte Beschichtung nachteilig beeinflussen könnte. Ein geeigneter O-Ring 33 ist als Viton O-Ring von der Firma Dupont Dow Elastomers, Wilmington, Delaware, USA im Handel erhältlich. Zwischen dem Flanschbereich 30f und der Basis 35 kann auch mehr als eine O-Ring-Dichtung 33 vorgesehen sein.

Das Einlaßfitting 30a auf der Basis 35 und das Auslaßfitting 30b auf dem Gehäuse 30h des Erzeugers 30 umfassen handelsübliche spielfreie Fittings, die Messerkantendichtungsflächen (nicht gezeigt) vorsehen, welche in eine ringförmige Nickeldichtung (nicht gezeigt) eindringen, um eine luftdichte Dichtung vorzusehen. Geeignete spielfreie Fittings 30a, 30b zur Durchführung der Erfindung sind als VCR-Metalldichtung und Stirndichtungsfittings von der Firma Swagelok Corporation, Solon, Ohio, USA erhältlich.

Das Bett B aus Pellets ist auf einer perforierten Gasverteilungsplatte 37 angeordnet, die weiter abstromseitig des Flanschbereiches 30f, d. h. abstromseitigen Strömungsrichtung der Gase im Erzeuger, vorgesehen ist, um die Wärmebeaufschlagung des Flanschbereiches 30f und der O-Ring-Dichtung 33 zu verringern. Wie in den US-PS'en 5 407 704 und 5 264 245 offenbart, wurde in der Vergangenheit die Platte 37 am Flanschbereich 30f mit einer Grafoil-Dichtung angeordnet, die Kohlenstoff und Schwefel in den Erzeuger emittierte. Die Platte 37 wird durch Kontakt mit dem Bett B der Pellets im Erzeuger und durch die benachbarte Anordnung zur Heizeinrichtung 46 erhitzt, so daß durch die weiter entfernte Anordnung der Platte 37 vom Flanschbereich 30f die Wärmebeaufschlagung auf den Flanschbereich 30f und die O-Ring-Dichtung 33 verringert wird. Ein typischer Abstand der Gasverteilungsplatte 37 vom Flanschbereich 30f beträgt 1 Zoll oder mehr (rein beispielhaft).

Durch die Verringerung der Luftlecks in die Erzeuger 30 an der Flanschverbindung 30f und am Fitting 30a wird eine Oxidation des Pelletbettes B verringert. Somit wird die Ausnutzung der Pelletchargen verbessert. Beispielsweise wurde die Ausnutzung der Hafniumpelletcharge im Erzeuger #3 von weniger als 5 s auf mehr als 98% durch Verhinderung der Luftlecks in den dritten Erzeuger 30 verbessert. Die Verringerung der Luftlecks in die Beschichtungsgasleitung am Fitting 30b verhindert eine Oxidation der den Erzeuger verlassenden reaktiven Halogenide und verbessert auf diese Weise die Steuerung der Beschichtungszusammensetzung.

Ein verbessertes Beschichtungsgasverteilungssystem ist vorgesehen, um eine gleichmäßigere Beschichtungsgastemperatur über die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c in der Beschichtungskammer 20 zu erhalten. Insbesondere werden die Beschichtungsgasbestandteile (d. h. AlCl₃, SiCl₄, HfCl₄ und Trägergase) zur Einlaßleitung 22 gefördert, die einen Gasverteiler 50 bildet, der über und aufstromseitig der Beschichtungskammer 20 in der Retorte 12 angeordnet ist und mit einer aufrecht stehenden inneren Beschichtungsgasvorheizleitung 52 innerhalb der Beschichtungsgasvorheiz- und Verteilerleitung 18 in Verbindung steht, so daß der Beschichtungsgasstrom ST (der die Beschichtungsgasbestandteile umfaßt), der in die Einlaßleitung 22 eindringt, durch den Verteiler 50 und nach unten durch die Vorheizleitung 52 zur untersten Beschichtungszone 24c der Beschichtungskammer 20 und im Ringraum zwischen den Leitungen 18 und 52 wieder nach oben in einer Weise zurückströmt, daß der Beschichtungsgasstrom ST vorerhitzt wird, bevor er in die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c über die Leitung 18 eindringt. Der Verteiler 50 umfaßt eine Heizvorrichtung 54, beispielsweise eine längliche elektrische Widerstandsheizung, die darin so aufgehängt ist, daß der Gasstrom ST um die Heizvorrichtung 54 zur Erhitzung des Gasstromes ST strömt. Eine geeignete elektrische Widerstandsheizung, die im Verteiler 50 angeordnet werden kann, ist als Firerod Cartridge von der Firma Watlow Corporation, St. Louis, Missouri, USA erhältlich, obwohl auch andere Heizvorrichtungen verwendet werden können. Die Heizvorrichtung 54 kann über eine herkömmliche Swaglock-Kompressionsverbindung 55 über die Länge des Verteilers 50 aufgehängt sein.

Die Einlaßleitung 22 steht mit der Vorheizleitung 52, die sich innerhalb der Beschichtungsgasvorheiz- und Verteilungsleitung oder des Rohres 18 befindet, in Verbindung. Die Leitung 22 und die Leitungen 18, 52 sind über eine Vereinigungsrohrfittingverbindung 57 miteinander verbunden.

Die Leitung 52 erstreckt sich axial durch die Retorte 12 und über deren Länge durch die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c, die über die Länge der Beschichtungskammer 20 angeordnet sind, bis zur untersten Beschichtungszone 24c, wo die Leitung 52 eine untere Gasabgabeöffnung 52a zur Abgabe des Beschichtungsgasstromes ST in den Ringraum zwischen der Gasvorheiz- und Verteilungsleitung oder dem Rohr 18 und der Vorheizleitung 52 für einen aufwärts gerichteten Strom im Ringraum zu den Beschichtungszonen, wie durch die Pfeile angedeutet ist, aufweist.

Rein beispielhaft kann der vorstehend beschriebene beispielhafte Beschichtungsgasstrom ST (d. h. AlCl₃, SiCl₄, HfCl₄ und Trägergase) auf eine Gastemperatur von mehr als 100°C von der Heizvorrichtung 54 im Verteiler 50 und die durch Strömen des Gasstromes durch die Leitungen 18, 52 in der vorstehend beschriebenen Weise, wenn sich die Beschichtungskammer 20 auf einer Temperatur von 1.080°C befindet, erfolgende Erhitzung vorerhitzt werden.

Ferner sind Strahlungswärmeabschirmungen 70 über den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c vorgesehen, um Wärmeverluste von der Oberseite der Beschichtungskammer 20 zu reduzieren. Diese Strahlungswärmeabschirmungen 70 umfassen Platten aus rostfreiem Stahl, die in der vorstehend beschriebenen parallelen Anordnung an der Beschichtungskammer 20 angeordnet sind, um Strahlungswärmeenergie zur Beschichtungskammer 20 zurück zu reflektieren. Die Wärmeabschirmungen 70 besitzen Schenkel 70a, die in Umfangsrichtung um ihre Umfänge herum mit Abstand angeordnet sind, so daß die Platten 70 auf der oberen Schale 28 übereinander gestapelt werden können. Derartige Wärmeabschirmungen 70 können anstelle der in der US-PS 5 407 704 verwendeten Gettersiebe eingesetzt werden.

Durch das Vorerhitzen des Beschichtungsstromes ST unter Verwendung der Heizvorrichtung 54 im Verteiler 50 und unter Ausnutzung der durch das Strömen des Stromes durch die Leitungen 18, 52 in der vorstehend beschriebenen Weise erreichten Erhitzung sowie durch die Verringerung der Strahlungswärmeverluste von der Beschichtungskammer 20 über die Abschirmungen 70 wird die Gleichmäßigkeit der Beschichtungsgastemperatur in den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c verbessert, so daß hierdurch Beschichtungsdickenschwankungen auf den Substraten SB von einer Beschichtungszone zur nächsten dramatisch verringert werden können. Mit anderen Worten, der Beschichtungsgasstrom ST wird in der Retorte 12 auf die gewünschte Abscheidungstemperatur gleichmäßiger erhitzt, bevor er in die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c geleitet wird. Rein beispielhaft kann ein Beschichtungsgasstromtemperaturgradient von nur 50°F über die Länge der Beschichtungskammer 20 im Vergleich zu einem Temperaturgradienten von 400°F (203°C), der in der CVD-Vorrichtung eines in den US-PS'en 5 407 704 und 5 264 245 beschriebenen Typs auftritt, erreicht werden.

Wenn einmal der Beschichtungsgasstrom ST eine gewünschte Reaktions- oder Beschichtungstemperatur erreicht hat, sorgt ein verbessertes Beschichtungsverteilungssystem für eine gleichmäßigere Verteilung des vorerhitzten Beschichtungsgasstromes über die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c in der Beschichtungskammer 20.

Insbesondere erstreckt sich die Vorheiz- und Verteilungsleitung 18 axial durch die ringförmigen Substratlagerschalen 28, die zwischen sich die getrennten ringförmigen Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c um das Rohr oder die Leitung 18 bilden. Das Rohr oder die Leitung 18 umfaßt am Mittelpunkt der Höhe einer jeden Beschichtungszone 24a, 24b, 24c eine Vielzahl von mit Umfangsabstand angeordneten Gasabgabelöchern oder Öffnungen 62 zur Abgabe des vorerhitzten Beschichtungsgasstromes ST zu jeder Beschichtungszone. Die Zahl der Öffnungen 62 an jeder Beschichtungszone kann in gewünschter Weise verändert werden. Für einen Durchmesser der Leitung 18 von 1,5 Zoll und einen axialen Abstand von 6 Zoll zwischen den Schalen 28 können drei oder mehr Öffnungen 62 in der Leitung 18 vorgesehen sein. Die Fläche der Öffnungen 62 (d. h. Zahl der Löcher) an den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c ist systematisch verändert, um für einen gleichmäßigen Beschichtungsgasstrom von der Leitung 18 zu jeder Beschichtungszone zu sorgen. Typischerweise ist die Zahl der Öffnungen 62 an der Beschichtungszone 24a größer als die an der Beschichtungszone 24b, und die Zahl der Löcher 62 an der Beschichtungszone 24b ist größer als die an der Beschichtungszone 24c. Rein beispielhaft kann die Zahl der Löcher an der Beschichtungszone 24a 10, die Zahl der Löcher an der Beschichtungszone 24b 8 und die Zahl der Löcher an der Beschichtungszone 24c 6 betragen.

Die Leitung 52 umfaßt ferner ein oder mehrere Entlüftungsöffnungen 52b über der unteren primären Beschichtungsgasabgabeöffnung 52a zur Abgabe des Beschichtungsgases über die Länge der Leitung 52. Beispielsweise ist eine Entlüftungsöffnung 52b an der Beschichtungszone 24b und eine Entlüftungsöffnung 52b an der Beschichtungszone 24c vorgesehen, um die Schaffung eines allgemein gleichmäßigen Stromes des Beschichtungsgases über die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c zu unterstützen. Obwohl eine Entlüftungsöffnung 52b an jeder Beschichtungszone 24b und 24c im oberen Bereich einer jeden Beschichtungszone 24b, 24c gezeigt ist, können auch mehr als eine Beschichtungsöffnung an der gleichen oder unterschiedlichen Stellen an den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c vorgesehen sein, falls erforderlich, um den Strom des Beschichtungsgases über die Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c zu vergleichmäßigen. Das von den Entlüftungsöffnungen 52b abgegebene Beschichtungsgas strömt in der Leitung 18 nach oben. Die Entlüftungsöffnungen 52b, die jeweils einen Durchmesser von 0,125 Zoll besitzen, können in Verbindung mit Leitungen 18, 52 mit den hier beschriebenen Abmessungen eingesetzt werden.

Die ringförmigen Schalen 28 sind benachbart zu ihren Innenumfängen durch aufrecht stehende ringförmige Abstandsinnenwände 64 und benachbart zu ihrem Außenumfang durch aufrecht stehende äußere perforierte Trennwände 66 axial auf Abstand gehalten. Die Abstandswände 64 sind symmetrisch um das Rohr oder die Leitung 18 über Halteringe 67 angeordnet, die mit den Schalen 28 verschweißt oder auf irgendeine andere Weise auf diesen vorgesehen sind. Die Schalen 28 besitzen ein zentrales Loch 28a mit einem Innendurchmesser, der etwa dem Außendurchmesser des Rohres oder der Leitung 18 entspricht, um dieses so aufzunehmen, daß die Schalen 28 symmetrisch um das Rohr oder die Leitung 26 angeordnet sind. Die Schalen 28, Abstandswände 64 und Trennwände 66 sind übereinander angeordnet und auf einem untersten seitlichen Flansch 18a des Rohres oder der Leitung 18 gelagert. Das Gasverteilungsrohr oder die Leitung 18, die Schalen 28, die Abstandswände 64 und die Trennwände 66 sind daher in festen Positionen symmetrisch um die zentrale Längsachse der Beschichtungskammer 20 angeordnet.

Die Abstandswände 64 bilden einen ringförmigen Gasverteiler 68 an jeder Beschichtungszone 24a, 24b, 24C zwischen dem Rohr oder der Leitung 18 und den Wänden 64. Jede Abstandswand 64 liegt der Gasabgabeöffnung 62 des Rohres oder der Leitung 18 an dieser Beschichtungszone gegenüber oder weist auf diese. Jede Abstandswand 64 umfaßt einen ersten und zweiten Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten Gasströmungsöffnungen 65, die mit gleichen Abständen über und unter der Höhe der Öffnungen 62 im Rohr oder in der Leitung 18 angeordnet sind. Jede Abstandswand 64 ist daher mit einer Vielzahl von Gasströmungsöffnungen 65 versehen, die zu den Gasabgabeöffnungen 62 an jeder Beschichtungszone nicht ausgerichtet sind, so daß an jeder Beschichtungszone kein Sichtlinien-Strömungsweg von der Gasabgabeöffnung 62 zu den Gasströmungsöffnungen 65 existiert.

Rein beispielhaft können 48 Gasströmungsöffnungen 65 mit einem Durchmesser von 0,25 Zoll in jeder Wand 64 an jeder Beschichtungszone 24a, 24b, 24c vorgesehen sein, wenn die Leitung 18 Öffnungen 62 aufweist, deren Zahl und Durchmesser vorstehend erwähnt wurden. Durch die Anordnung der Öffnungen 62 des Gasverteilungsrohres oder der Leitung 18 in der Mitte zwischen den Sätzen der Öffnungen 65 wird verhindert, daß Gasströme direkt über jede Beschichtungszone strömen. Durch die Ablenkung des Beschichtungsgases von der Innenseite der Wand 64 an jeder Beschichtungszone wird darüber hinaus ein gleichmäßiger Gasstrom um den Umfang einer jeden Beschichtungszone 24a, 24b, 24c erzeugt.

Das vorstehend beschriebene Gasverteilungssystem sorgt für einen gleichmäßigen und wiederholbaren Gasstrom zu den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c zur Verbesserung der Beschichtungszusammensetzung und Gleichmäßigkeit der Mikrostruktur unter den Substraten SB auf der gleichen Schale 28 und unter den Substraten in unterschiedlichen Beschichtungszonen.

Wenn einmal der Beschichtungsgasstrom ST die Substrate SB auf den Schalen 28 an jeder Beschichtungszone 24a, 24b, 24c überströmt hat, sorgt noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein verbessertes Auslaßsystem des verbrauchten Gases, um eine geringere Wechselwirkung zwischen dem eintretenden Beschichtungsgasstrom in jede Beschichtungszone 24a, 24b, 24c und dem austretenden Gasstrom aus jeder Beschichtungszone zu sorgen und auf diese Weise ein gleichmäßigeres Strömungsmuster des Beschichtungsgases in den Beschichtungszonen vorzusehen.

Speziell sind perforierte rohrförmige Trennwände 66 zwischen den Schalen 28 an ihren Außenumfängen vorgesehen, wie in den Fig. 1-2 gezeigt. Diese rohrförmigen Trennwände 66 bestehen aus einer IN-600-Superlegierung auf Nickelbasis und besitzen Muster von Auslaßöffnungen 66a, durch die (Abgas) Gas von den Beschichtungszonen 24a, 24b, 24c abgeführt wird. Das Muster der Öffnungen 66a sowie deren Zahl und Größe (d. h. Durchmesser) kann so ausgewählt werden, um ein mehr oder weniger gleichmäßiges Gasströmungsmuster an jeder Beschichtungszone 24a, 24b, 24c zu erreichen. Rein beispielhaft ist ein geeignetes Muster von Öffnungen 66a in Fig. 1 gezeigt, wobei jede Trennwand 66 90 Öffnungen 66a besitzt und jede Öffnung einen Durchmesser von 0,375 Zoll aufweist. Solche Trennwände 66 können mit den vorstehend beschriebenen Durchmessern und Zahlen der Öffnungen 62 am Rohr oder der Leitung 18 und Öffnungen 65 an den Abstandswänden 64 verwendet werden, um für ein gleichmäßigeres Gasströmungsmuster vom Innenumfang zum Außenumfang einer jeden Beschichtungszone 24a, 24b, 24c zu sorgen und auf diese Weise die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung und Mikrostruktur der Diffusionsaluminidbeschichtung (oder einer anderen Beschichtung), die auf den Substraten SB ausgebildet wird, zu verbessern.

Das durch die Trennwandöffnungen 66a abgegebene verbrauchte Gas strömt zu einem Auslaßrohr oder einer Leitung 80, die mit einer Abgasbehandlungseinrichtung verbunden ist, wie sie in der US-PS 6 143 361 beschrieben ist. Die Offenbarung dieser Veröffentlichung wird hiermit durch Bezugnahme eingearbeitet. Der Gegenstrom des Abgases außerhalb der Einlaßleitung 22 unterstützt das Vorerhitzen des hindurchströmenden Beschichtungsgases über einen Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Beschichtungsgas in der Leitung 22.

Claims

1. Metallhalogenidgaserzeuger, gekennzeichnet durch eine Basis (35), ein Gehäuse (30h) mit einer metallischen Charge zur Reaktion mit einem Halogenidgas zur Erzeugung eines Metallhalogenidgases, wobei das Gehäuse (30h) einen auf der Basis 35) angeordneten Bereich aufweist, eine luftdichte Dichtung (33), die ein polymeres Material umfaßt und zwischen dem Bereich und der Basis (35) angeordnet ist, wobei der Bereich einen Strömungsmittelkanal (30p) zum Kühlen des Bereiches aufweist, und eine Heizeinrichtung (46) zum Erhitzen des metallischen Materiales auf eine Reaktionstemperatur.

2. Erzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich einen sich seitlich erstreckenden Flanschbereich (30f) an einem Ende des Gehäuses (30h) umfaßt.

3. Erzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (33) eine 0-Ring-Dichtung aufweist.

4. Erzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (33) ein säurefestes Polymermaterial aufweist.

5. Erzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Einlaßfitting (30a) an der Basis (35) und ein Auslaßfitting (30b) am Gehäuse (30h) aufweist, wobei das Einlaßfitting und Auslaßfitting von spielfreien Fittings gebildet sind.

6. Erzeuger nach einem der vorangehenden Ansprtche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine perforierte Gasverteilungsplatte (37) umfaßt, auf der das metallische Material angeordnet ist und die in. Gehäuse (30h) abstromseitig des Flansches in Strömungsrichtung des Halogenidgases im Erzeuger vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Verringern von Luftleckagen in einen Metallhalogenidgaserzeuger, gekennzeichnet durch das Anordnen einer Dichtung, die ein polymeres Material umfaßt, zwischen einem Gehäuse und einer Basis des Erzeugers, das Erhitzen einer metallischen Charge im Gehäuse, das Strömenlassen eines Halogenidgases über das erhitzte metallische Material zur Bewirkung einer Reaktion zur Erzeugung eines Metallhalogenidgases und das Abkühlen eines Bereiches des Gehäuses benachbart zur Dichtung.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung eine zwischen dem Gehäuse und der Basis angeordnete O-Ring-Dichtung umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es das Anschließen eines Einlaßfittings an der Basis an eine Quelle eines Halogenidgases unter Verwendung eines spielfreien Fittings umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es das Anschließen eines Auslaßfittings am Gehäuse an eine Auslaßleitung unter Verwendung eines spielfreien Fittings umfaßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Charge auf einer perforierten Gasverteilungsplatte angeordnet wird, die im Gehäuse abstromseitig der Dichtung angeordnet ist.