DE1233369B

DE1233369B - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid

Info

Publication number: DE1233369B
Application number: DEN26357A
Authority: DE
Inventors: Werner Kischio
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-03-10
Filing date: 1965-03-10
Publication date: 1967-02-02
Also published as: SE301464B; NL6602899A; GB1103609A; US3395981A; FR1470972A; CH467723A; AT258249B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WAW· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL: COIb

Deutsche Kl.: 12 i-21/06

Oll

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 233 369
N26357IV a/12i
10. März 1965
2. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Aluminiumnitrid aus Aluminium und Ammoniakgas.

Es sind viele Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid bekannt. Wenn es sich jedoch darum handelt, ein hochreines Produkt herzustellen, sind Verfahren, die auf der Reaktion

Al₂O₃ + 3C + N₂^ 2AlN + 3CO

beruhen, wenig interessant. Die nach diesen Verfahren hergestellten Produkte enthalten neben anderen Verunreinigungen Sauerstoff und Kohlenstoff. Der Kohlenstoff ist auch nach Rösten an der Luft bei 700 bis 800° C nicht völlig zu entfernen.

Aber auch die bekannten Verfahren, die auf der Reaktion

2 Al + N, -> 2 AlN

Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. H. Schüler, Patentanwalt,

München 12, Ridlerstr. 37

Als Erfinder benannt:
Werner Kischio, Aachen

beruhen, zeigen Nachteile. Bei diesen Verfahren wird pulveriges Aluminium mit Stickstoff oder Ammoniakgas bei erhöhter Temperatur umgesetzt. Die Durchführung dieser bekannten Verfahren ergibt jedoch im allgemeinen Produkte von unbefriedigender Reinheit. Das Aluminiumpulver ist nicht in der gewünschten Reinheit erhältlich, neben erheblichen Mengen Sauerstoff enthält es meistens noch Silizium und Eisen. Da Aluminium stets mit einer Oxydhaut überzogen ist, enthält das Aluminiumnitrid aus Aluminiumpulver relativ viel Aluminiumoxyd (bis etwa 5 bis 6%), was für viele Zwecke nicht erwünscht ist.

Wenn das Aluminiumnitrid ζ. Β. zur Herstellung von Tiegeln verwendet werden soll, die zum Schmelzen und Herstellen von Halbleitern gebraucht werden sollen, muß für manche Zwecke besonderer Wert auf eine möglichst große Sauerstofffreiheit des Tiegelmaterials gelegt werden, darüber hinaus können auch andere Verunreinigungen sehr störend sein.

Es ist schon bekanntgeworden, das feinverteilte Aluminium in Mischung mit einem Trägermaterial aus Aluminiumnitrid oder/und Aluminiumfluorid mit Stickstoff umzusetzen. Eine für den genannten Zweck genügende Reinheit des Aluminiumnitrids ist in dieser Weise jedoch nur schwierig oder gar nicht zu erreichen. Auch die Verwendung von Katalysatoren, wie z. B. Kaliumhydrogenfluorid, mit dem das Aluminiumpulver zu vermischen ist, damit das AlN bei der Herstellung nicht zusammenbackt, führt nicht zu der gewünschten Reinheit des anfallenden Produktes.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird im Gegensatz zu den erwähnten Verfahren nicht pulveriges Aluminium umgesetzt, sondern kompakte ao Barren. Solche Barren sind in einer größeren Reinheit als Aluminiumpulver erhältlich und enthalten im Vergleich zu einer gleichen Menge Pulver nur sehr wenig Sauerstoff. Versuche zeigten jedoch, daß aus kompakten Aluminiumbarren bei Umsetzung bei ^ 1200⁰C mit Ammoniakgas ein Produkt erhalten wird, das sehr hart ist und noch sehr viel metallisches Aluminium enthält. Aluminiumnitrid großer Reinheit wird dagegen erhalten, wenn nach der Erfindung kompakte Barren aus einer Aluminium-Zink-Legierung bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200⁰C der Einwirkung von Ammoniakgas ausgesetzt werden.

Andere Aluminiumlegierungen, etwa solche mit Magnesium oder Lithium, lassen sich auch bei relativ niedriger Temperatur mit Ammoniak umsetzen. Das entstehende Produkt ist jedoch nicht so rein, wie das, welches bei der Umsetzung einer Aluminium-Zink-Legierung entsteht. Außerdem reagiert das abdampfende Metall, Lithium oder Magnesium, außerordentlich stark mit den meisten Ofen- und Schiffchenmaterialien.

Gegenüber reinem kompaktem Aluminium liegt die Temperatur, bei der die Reaktion der Aluminium-Zink-Legierung einsetzt, um etwa 100 bis 200⁰C niedriger, und zwar je nach der Menge Zink, die in der Legierung anwesend ist. So setzt bei einem Gewichtsverhältnis Al zu Zn von etwa 1 : 1 die Reaktion bei etwa 1000° C ein.

Bei der Reaktion wird nur vorübergehend Zinknitrid gebildet. Bei etwa 800° C wird das Zinknitrid wieder zu Zink und Stickstoff zersetzt. Der Siedepunkt des Zinks beträgt 907° C. In dem bei der Reaktion an-

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fallenden Aluminiumnitrid konnte in den meisten Fällen Zink spektralanalytisch nicht mehr nachgewiesen werden, die Konzentration lag daher unter 0,005 Gewichtsprozent. Das bei der Reaktion entstehende Produkt enthält 98 bis 99 Gewichtsprozent Aluminiumnitrid. Rest Aluminium. Das Produkt ist ein wenig zusammengesintert und kann leicht zerkleinert werden.

Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn der Zinkgehalt der Legierung zwischen etwa 5 und 20 Gewichtsprozent liegt, am vorteilhaftesten arbeitet man jedoch mit Legierungen, die etwa 10 bis 15 Gewichtsprozent Zink enthalten, die Umsetzungstemperatur beträgt dann etwa 1100 bis 1115⁰C.

Das nach der Erfindung hergestellte Aluminiumnitrid kann als Tiegelmaterial verwendet werden, und zwar für Tiegel, die bei der Herstellung von Halbleitern aus AlAs und AIP Verwendung finden können. Da in diese Verbindung häufig sowieso Zink als Dotierung eingebaut werden soll, wird ein etwaiger geringer Zinkgehalt im Tiegelmetall nicht als störend empfunden. Das AlN enthält nur sehr wenig oder gar keinen Sauerstoff, so daß eine unerwünschte Sauerstoffdotierung des Halbleiters vermieden wird.

Das Verfahren nach der Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels näher erläutert.

In einem Korundtiegel wird Aluminium (99,998%) unter Schutzgas geschmolzen und dann Zink zugegeben (99,999%) bis die Schmelze die gewünschte Konzentration an Zink hat. Aus der Schmelze werden Barren gegossen. Die Form für die Barren besteht dabei aus Aluminium.

Ein Barren einer Legierung mit 10% Zink wurde in ein Korundschiffchen gegeben. Der Barren wog etwa 15 g. In einem Ofen wurde nun die Legierung im Ammoniakstrom aufgeheizt. Bei etwa 113O⁰C setzte die stark exotherme Reaktion ein. Dabei ίο destilliert Zink ab. Während der Hauptreaktion ist ein starker Ammoniakstrom liber die Probe zu leiten. Nach etwa 15 Minuten ist die Umsetzung beendet. Man läßt das Reaktionsprodukt im Ammoniakstrom abkühlen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid aus Aluminium und Ammoniakgas, dadurchgekennzeichnet, daß kompakte Barren aus einer Aluminium-Zink-Legierung bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200⁰C der Einwirkung von Ammoniakgas ausgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Barren aus einer Aluminium-Zink-Legierung mit einem Zinkgehalt zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 10 und 15 Gewichtsprozent, verwendet werden.