Verfahren zum Erzeugen einer Siliciumcarbidschicht. Beim Zielen von
Siliciunikristallenaus Tiegeln hat man mit Verschinutzun; durch das Tiegelmaterial
zu rechnen. Die bisher verwendeten O_uarztiegel geben durch einen Reaktionsvorgang
Sauerstoff ab, der zu unerwünschten, nur schwierig zu kontrollierendem n-Doti erungen
führen kann.Method for producing a silicon carbide layer. When aiming from
Silicon crystals from crucibles are polluted with pollution; through the crucible material
to be expected. The O_uarziegel used so far give by a reaction process
Oxygen, which leads to undesired n-doping that is difficult to control
can lead.
Es sind mehrach auch andere Tiegeliaaterialien vorgeschlagen worden
z.B. Sinterkorund, Berylliizmoxyd, 3iliciumnitrid und insbesondere Siliciuincarbid;
letzteres erscheint wegen seiner bekannten leigenschaften, insbesondere
wegen seines hohen Schmelzpunktes, allen @ris"eren genannten Materialien überlegen,
jedoch ist es schwierig,
daraus Schmelztiegel oder andere Gegenstände von
gewünschter form
herzustellen. Siliciumcarbid ist mehrfach in kompakter
Form als Tiegelmaterial vorgeschlagen worden. Man hat versucht, den Siliciumcarbidtiegel
aus dem Vollen di;rch einen Schleifprozess herauszuarbeiten - ein sehr teures Verfahren
- oder aus der Gasphase, aus einer Mischung von Kohlenstoff und Silicii.im enthaltenden,
flüchtil;en Verbindunnen auf einem geeigneten Träger, z.B. Quarz, niederzuschlagen.
Ein anderer Weg geht von einem Tiegel aus Kohlenstoff, z.8. Graphit, aus. Versuche,
in einem solchen Tiegel Silicium zu schmelzen, sind jedoch sehr lange Zeit fehlgeschlagen,
weil die verwendeten Graphitsorten weitgehend porös waren, wodurch das Silicium
durch die Tiegelwandung hindurchdrang und sie infol e der durch Siliciuincarbidbildung
eintretenden starken Volumenänderung zerstörte. Leider sind ger,--ide die hochreinen
(#',r.,ipr:itsorten besonders porös und deshalb am wenigsten zwei Siliz..uinschniel.zen
geeignet. Dies änderte sich erst, als es gelang, auf hochreinen, aber porösen -Grundkörpern
aus Graphit durch Zersetzung; geeigneter Kohlenstoff-Verbindungen aus der Gasphase
höchst reine und dabei sehr dichto . Kohlenstoffschichten niederzuschlagen (sog.
Pyrographit).Several other crucible materials have also been proposed, for example sintered corundum, beryllium oxide, silicon nitride and, in particular, silicon carbide; The latter appears to be superior to all materials mentioned because of its known properties, in particular because of its high melting point, but it is difficult to manufacture crucibles or other objects of the desired shape from them tries to work the silicon carbide crucible from the solid by means of a grinding process - a very expensive process - or from the gas phase, from a mixture of carbon and silicon in the containing, volatile compounds, to deposit on a suitable support, e.g. quartz Another approach is based on a crucible made of carbon, e.g. graphite, but attempts to melt silicon in such a crucible have failed for a very long time because the types of graphite used were largely porous, as a result of which the silicon penetrated through the crucible wall and it occurs as a result of silicon carbide formation n the sharp change in volume. Unfortunately, ger, - ide the high purity (# ', r., Ipr: its varieties are particularly porous and therefore least suitable for two silicon tubes. This only changed when it was possible to use high purity, but porous base bodies from graphite by decomposition; suitable carbon compounds from the gas phase to deposit extremely pure and very dense carbon layers (so-called pyrographite).
Diese Schichten sind in verschieden. orientierten, mehr oder
weniger einkristallinen Arten von der einschlägigen Kohleindustrie bezieh-bar. These layers are in different. oriented, more or less monocrystalline species can be obtained from the relevant coal industry .
Wenn man nun einen nach diesem Verfahren hergestellten Graphit-tiegel.mit
Pyrographitschicht zum Siliciumschmezen verwendet, eo geschieht folgendes:
Sobald das Silicium als Schmelze den Hohlraum den Tiegels mehr oder weniger
erfüllt, beginnt, soweit Berührun,a der beiden Reaktionspartner erfolgt,
die Bildung von Siliciumcarbid als dünne Schicht. Hei steifendem Siliciumbadspiegel
werden also an den Stellen früherer Berührung weitere, 'tiefer liegende Tiegel.-wandteile,
und
zwar u. U. sogar solche, die unter der ursprünglichen .Pyrographitschicht
liegen, an der Siliciumearbidbildung teilnehmen. Es zeigt sich jedoch, dass die
so gebildeten Carbidschichten nicht besondere dicht sind, was auf Grund der soeben
geschilderten Entstehunf;eweise verständlich ist. Ein Nachteil dieser Methode besteht
J
auch in aer.Notwendigkeit der Verwendung einer Tiegelfüllung, um die erstmalige
Siliciumcarbidectiicht zu erzielen. Die Erfindung ermöglicht es, die Nachteile der
bekannten VerfahZen zu vermeiden. Sie beruht auf dem Grundgedanken, die Siliciumcarbidschicht
nicht 'nach und nach auf. verschiedenen Plächenteilen der Tiegelwandung, sondern
auf der ganzen Innenfläche auf einmal auf bzw. in der Pyrographitschicht entstehen
zu lassen.If one uses a graphite crucible with a pyrographite layer to melt silicon, the following happens: As soon as the silicon more or less fills the cavity of the crucible , as soon as the two reactants come into contact, the formation of Silicon carbide as a thin layer. Hei steifendem Siliciumbadspiegel be more, 'deeper Tiegel.-wall parts so at the points of previous contact, namely u. U. even those that are below the original .Pyrographitschicht attend the Siliciumearbidbildung. It turns out, however, that the carbide layers formed in this way are not particularly dense, which is understandable on the basis of the formation just described. A disadvantage of this method J in aer.Notwendigkeit of using a pot filling, in order to achieve the first-time Siliciumcarbidectiicht. The invention makes it possible to avoid the disadvantages of the known processes. It is based on the basic idea that the silicon carbide layer is not gradually increased. different parts of the surface of the crucible wall, but on the entire inner surface at once on or in the pyrographite layer.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen
einer Siliciumcarbidschicht und besteht darin, dass auf einer Pyrographitunterlage
Silicium aus der Gasphase, inebesonAere durch Pyrolyse einer gasförmigen Siliciumverbindung,
niedergedchlagen und mit mindesterie einem Teil der Pyrographitunterlage durch Gluen
zur Reaktion gebracht wird. .Accordingly, the invention relates to a method for producing a silicon carbide layer and consists in that silicon is deposited on a pyrographite substrate from the gas phase, in particular by pyrolysis of a gaseous silicon compound, and is made to react with at least part of the pyrographite substrate by means of gluene. .
Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht darin, düs
man die für
den erstmaligen Bildungsvorgang von Siliciumcarbi'd
bendtigte Siliciumschichtstärke genauestens zu dosieren vermag
und damit die Eindringtiefe der Biliciumcarbidbildung in.die Pyrographitschicht
in der Hand hat. Dadurch kann man in der nachfolgenden Glühreaktion, bei einer begrenzt
gewünschten Silioiumcarbidschicht und Schiehtetärke,. eine völlige Beendigung des
Reaktionsvorganges durch Wahl geeigneter . Reaktionstemperatur und genügend langer
Reaktionszeit erreichen.
Die Reaktionstemperatur wird vorteilhaft
im Bereich zwischen 1250°C und dem Schmelzpunkt des Siliciums (ca. 1420°C) gewählt. Another advantage of this method is that the silicon layer thickness required for the initial formation process of silicon carbide can be precisely metered and the depth of penetration of the bilicium carbide formation into the pyrographite layer is therefore in the hand. As a result, in the subsequent annealing reaction, with a desired silicon carbide layer and layer thickness,. complete termination of the reaction process by choosing suitable ones. Reach the reaction temperature and a sufficiently long reaction time. The reaction temperature is advantageously chosen in the range between 1250 ° C. and the melting point of silicon (approx. 1420 ° C.).
empfiehlt sich, die Schichtdicke des pyrolytisch niedergeschlagenen
Siliciums in einem bestimmten Verhältnis zur Dicke der als Unterlage verwendeten
Pyrographitschicht zu bemessen. Mit Dickenverhältnissen zwischen 1 : 10 bis 1 :
1 lassen sich gute Ergebnisse mit tragbarem Aufwand.erzielen. Besonders vorteilhaft
dürfte ein Verhältnis von cal 1 : 2 sein, bei dem also die Siliciumschicht
vor der Glühreaktion halb so dick ist wie die Pyrographitschicht. Die Dauer
der Glühreaktion soll wahlweise je nach der Dicke der niedergeschlagenen Siliciumschicht
möglichst ca. 1Q Sekunden bis . 30 Minuten betragen. Es versteht sich von selbst,
dass taan vor der pyrolitischen Siliciumabscheidung eine Reinigung der Pyrographitunterlage,
z.B.durch Ausglühen des Tiegels im Vakuwlz,.durchführen sollte. @Siliciumearbidsohichten,
die nach dem neuen Verfahren erzeugt sind, können außer für den genannten Zweck
als Schmelztiegelfutter auch für andere Zwecke, die mit einer hohen Temperaturbeanspruchungverbunden
sind, mit Vorteil verwendet werden, beispielsweise für Turbinenschaufeln und Leitbleche,
besonders auf dem'Gßbiet des Gasturbinenbaues, ferner für Bauelemente in der
Raketentechnik und auf dhlßebiet der Direktumwandlung von chemischer
bzw. thermischer Ener-gie to elektrische Energie sowieIn
der Atomkerntechnik.It is advisable to measure the layer thickness of the pyrolytically deposited silicon in a certain ratio to the thickness of the pyrographite layer used as a base. With thickness ratios between 1:10 and 1: 1, good results can be achieved with reasonable effort. A ratio of cal 1: 2 should be particularly advantageous, in which the silicon layer before the glow reaction is half as thick as the pyrographite layer. The duration of the glow reaction should optionally, depending on the thickness of the deposited silicon layer, be approximately 10 seconds, if possible. 30 minutes. It goes without saying that before the pyrolytic silicon deposition, the pyrographite substrate should be cleaned, for example by annealing the crucible in a vacuum. Silicon carbide layers that are produced according to the new process can, in addition to the stated purpose as crucible lining, also be used with advantage for other purposes that are associated with high temperature loads, for example for turbine blades and baffles, especially in the area of gas turbine construction, also for components in rocket technology and in the field of direct conversion of chemical or thermal energy to electrical energy and in atomic nuclear technology.