DE1719493A1 - Verfahren zur Herstellung von drahtfoermigen Koerpern (Haarkristallen) kreisfoermigen Querschnitts,die aus Siliciumcarbid-Einkristallen bestehen,und Gegenstaende aus Siliciumcarbid-Haarkristallen kreisfoermigen Querschnitts - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von drahtfoermigen Koerpern (Haarkristallen) kreisfoermigen Querschnitts,die aus Siliciumcarbid-Einkristallen bestehen,und Gegenstaende aus Siliciumcarbid-Haarkristallen kreisfoermigen QuerschnittsInfo
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Description
M.V. Philips 1GIoeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland
Verfahren zur Herstellung von drahtförmigen Körpern
(Haarkristallen) kreisförmigen Querschnitts, die aus Siliciumcarbid-Einkristallen bestehen, und Gegenstände
aus Siliciumcarbid-Haarkristallen kreisförmigen Querschnitts
Die Erfindung betrifft die Herstellung von drahtförmigen Körpern, sogenannten Haarkristallen, kreisförmigen
Querschnitts, die aus Siliciumcarbid-Einkristallen bestehen.
In der Literatur sind bereits mehrere Verfahren zur Hersteilung drahtförmiger Kristalle (Haarkristalle)
aus Siliciumcarbid beschrieben (britische Patentschrift 1 015 844; Proc. Conf. on Silicon Carbide, Boston 1959,
Seiten 73 bis 84, Pergamon Press 1960; Phys. Rev. 143 . (1966), 526 bis 536; Transactions Metallurgical Society
AIME 233 (1965), 1053 bis 1064V
PHN 2321
Pi/Lr
Pi/Lr
10 9 8 36/ UB 1
_ 9 —
Dabei sind die Ausbeuten an Haarkristallen und deren Abmessungen sehr verschieden. Auch der Querschnitt der
einzelnen Kristalle einer Charge ist verschieden. Sofern Haarkristalle mit einer Länge von wenigen Zentimetern
erhalten werden, sind sie polygonal im Querschnitt oder bandförmig. Kristalle mit kreisförmigem
Querschnitt werden kaum und dann nur in geringen Abmessungen, wie einer Länge von wenigen Millimetern
und einem Durchmesser von wenigen Mikron, erhalten.
Bei den üblichen Anwendungen dieser Kristalle, wie zum Verstärken von-Kunststoffen, Glas und Metallen, für
Isolierzwecke und für Filter sind die Differenzen in den Abmessungen und der Querschnittsform der erhaltenen
Kristalle von geringer Bedeutung. Es kommt nur darauf an, daß man die drahtförmigen Kristalle, in der Technik
manchmal als Haarkristalle oder "whisker" bezeichnet,
in einfacher Weise in ausreichenden Mengen herstellen kann.
Für andere Anwendungen, bei denen die bekannten günstigen mechanischen Eigenschaften von Siliciumcarbid-Einkristallen
gleichfalls verwertet werden könnten, wie für Spindeln, z. B. von Mikromotoren und Uhren, für
Lehrdorne und dergleichen, ist es aber notwendig, über Haarkristalle mit kreisförmigem Querschnitt und engen
Toleranzen dieses Querschnitts mit brauchbarer Länge und Stärke zu verfügen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Herstellung solcher
Siliciumcarbid-Einkristalle.
Bei den Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, hat sich ergeben, daß obenerwähnte Anforderungen erfüllende
BAD ORIGINAL
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Kristalle durch VLS-l/achsen (VLS = vapour-liquid-solid)
in einem sehr beschränkten Temperaturbereich hergestellt
werden Können,
Wie aus Trans. Metallurgical Society AHiE 233 (1965),
105? bis 1064, bekannt, ist unter VLS-Wachsen ein Kris1aj-lisatieiisverfahren
zu verstehen, bei dem ein zu kristallisierender Stoff in einen geschmolzenen Tropfen
aus einem Metall,das als· Transportphase für diesen Stoff
dient, aus einer Gasphase aufgenommen und über den Tropfen auf einem Substrat abgesetzt wird...
"sen der zuletzt genannten Veröffentlichung wären auf
niese 'V/eise mit Hilfe von Silicium als Transportphase
drahtfÖrmige Einkristalle aus Siliciumcarbid herstellbar .
Es wurde jedoch gefunden, daß die Verwendung von Eisen
beim VLS-Wachsen von Siliciumcarbid-Haarkristallen hinsichtlich der Ausbeute, der Abmessungen der Kristalle
und der Uniformitat ihrer Abmessungen besonders günstig
ist.
Es ist dabei nicht notwendig, daß das Eisen in reinem
Zustand verwendet wird. Selbstverständlich kann das Eisen bereits Kohlenstoff und Silicium enthalten. Auch
andere Elemente können im Eisen vorhanden sein. Eine
Verbesserung irgendwelcher Art infolge der Anwesenheit
von Legierungselementen wurde aber beim Wachsen der Kristalle nicht festgestellt.
Im Zusammenhang damit sind unter dem Ausdruck "Eisen"
in dieser Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen auch KohlenstoffStahlsorten und legierte Stahlsorten zu
verstehen.
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■ "■ :: . " ' . BAD ORfGINAL
Es wurde weiterhin gefunden, daß der gewünschte kreisförmige Querschnitt der Kristalle dadurch erzielt wird,
daß die Kristallisation in einem sehr beschränkten Temperaturbereich, und zwar zwischen 1150° und 12300C, vorzugsweise
zwischen 1180° und 12100C, durchgeführt wird. Bei niedrigeren Temperaturen wird keine oder nur eine
geringfügige Haarkristallbildung erreicht, während bei höheren Temperaturen störende Abweichungen vom kreisförmigen
Querschnitt auftreten.
Die u. a. auf diesen Erkenntnissen beruhende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von drahtförmigen
Körpern, sogenannten Haarkristallen, kreisförmigen Querschnitts, die aus Siliciumcarbid-Einkristallen bestehen,
bei dem das Siliciumcarbid aus einer Gasphase durch VLS-Wachsen auf dem Substrat ausgeschieden wird. Dieses
Verfahren weist das Kennzeichen auf, daß der Transport von Siliciumcarbid aus der Gasphase zum Substrat mit
Hilfe von Eisen durchgeführt wird, wozu Eisen örtlich auf dem Substrat angebracht und bei Temperaturen zwischen
1150° und 12300C, vorzugsweise zwischen 1180° und
12100C, einer Gasphase ausgesetzt wird, die Silicium und Kohlenstoff enthält, wobei Siliciumcarbid über das
Eisen als Transportphase auf dem Substrat in Form von drahtförmigen Kristallen (Haarkristallen) kreisförmigen
Querschnitts ausgeschieden wird.
Als Substrate kommen beim Verfahren nach der Erfindung im allgemeinen alle diejenigen Materialien in Frage,
die gegen die erwähnten Temperaturen widerstandsfähig sind und dabei nicht oder wenig mit dem Eisen reagieren,
z. B. Siliciumcarbid, Aluminiumoxyd und Graphit. Bei Verwendung von Graphit, das in geringem Maße mit dem
Eisen reagieren kann, empfiehlt es sich, bei Verwendung
- 5 109836/U51
von aufgedampften Schichten aus Eisen die Schichtdicke
nicht zu gering zu wählen, ζ. B. nicht kleiner als 1/um.
Das Eisen kann auf das Substrat auf verschiedene Weisen
aufgebracht werden. Besonders gute Ergebnisse werden durch Bestreuen mit Eisenpulver oder, wie oben erwähnt,
durch Aufdampfen im Vakuum erzielt. Um Haarkristalle mit möglichst gleichem Durchmesser zu erhalten, ist es vorteilhaft
, dafür Sorge zu tragen, daß ein Eisenpulver
gleicher Korngröße verwendet wird oder daß beim Aufdampfen
Eisentüpfel von gleicher Größe aufgedampft werden, so daß bei der Erhitzung Tropfen von gleicher Größe auf ™
dem Substrat entstehen.
Der Durchmesser der erhaltenen Kristalle ist von der
Größe der Eiaentropfen abhängig, aus denen sie auf dem
Substrat ausgeschieden werden. So werden aus Eisentropfen
mit einem Durchmesser von 2 bis 200/u Siliciumcarbid-Haarkristalle
runder Querschnitte mit Durchmessern von · 1 bis 100 /U erhalten. Von diesem Umstand kann man bei
der Herstellung von Kristallen mit vorgegebenem Durchmesser Gebrauch machen.
Ein weiteres Anwachsen der Kristalle zum Vergrößern j
ihres Durchmessers kann in einem getrennten Vorgang durchgeführt werden durch epitaxiales Anwachsen bei
Temperaturen unterhalb 20000C, z. B. aus einer ein
Methylchlorsilan enthaltenden Wasserstoffatmosphäre
bei 15000C.
Die erhaltenen Haarkristalle werden meist kubischer Struktur sein. Das Wachsen in kubischer Form kann noch
durch Zumischung von Silicium zum Eisen gefördert wer- .
den. Hexagonale Haarkristalle, sogar von einem gegebe-
} 1098367
nen Polytyp, sind, herstellbar durch Wachsen auf Prismenoder
Pyramidenflächen von Siliclumcarbidkristallen dieses Polytyps, die z. B. in verhältnismäßig großen Abmessungen
gemäß dem Verfahren nach der USA-Patentschrift 2 854 364 erhalten werden können.
Zum Entwickeln der Silicium und Kohlenstoff enthaltenden Gase zur Bildung von Siliciumcarbid kommen bei der
Erfindung viele verschiedene Stoffe und Kombinationen von Stoffen in Betracht. Es sind z. B. Alkylhalogensi-
^ lane, wie TIethylchiorsilane, oder Gemische von Kohlen-
^ Wasserstoffen mit Siliciumtetrahalogenid oder mit HaIogensilanen
verwendbar. In diesen Fällen ist die Anwesenheit von Wasserstoff in der Gasphase zur Erzielung der
erforderlichen pyrolytischen Zersetzung der Verbindungen notwendig. Bei Verwendung von SiH^, das sich leicht zersetzt
und in Kombination mit einem Kohlenwasserstoff verwendbar ist, kann man auf die Verwendung von Viasserstoff
verzichten. In diesem Fall ist zur Verdünnung und als Trägergas der Silicium und Kohlenstoff enthaltenden
Dämpfe ein Inertgas, z. B. Argon, verwendbar.
Es wird aber bevorzugt, die Silicium und Kohlenstoff k enthaltende Gasphase mit Hilfe der billigen Flohstoffe
Siliciumdioxyd und Kohlenstoff in einer Wasserstoffatmosphäre
herzustellen, da bei den Behandlungstemperaturen
auf diese Weise leicht eine Atmosphäre mit für die Kristallbildung geeigneten Konzentrationen entsteht.
Die Erfindung betrifft neben dem beschriebenen Verfahren auch Gegenstände aus drahtförmigen Siliciumcarbid-Einkristallen
(Siliciumcarbid-Haarkristallen) kreisförmigen Querschnitts, insbesondere Spindeln, z. B. für Mikrotnotoren
oder Uhren, Lehrdorne d, dgl., insbesondere aus
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solchen, die nach diesem Verfahren hergestellt sind.
Das Verfahren nach der Erfindung ist mit Hilfe einer
Vorrichtung durchführbar, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung Iu Schnitt dargestellt ist. V
In dieser Figur ist mit 1 ein Graphitbecher bezeichnet,
der mittels eines Deckels 2 derart geschlossen ist, daß ein "utritt der den Becher umgebenden Gasatmosphäre möglich
ist, Auf eine Graphitstütze 3 ist ein Substrat 4
aufgelegt. Der Becher 1 ist mit einer aus Graphitfilz
bestehenden thermischen Isolierung ? versehen.
Das Ganze ist in eine Umhüllung eingesetzt, die aus eine-ii
Quarzrohr 6 besteht, welches von einem Glasrohr 7
zur Wasserkühlung umgeben ist.
Der Becher 1 kann mittels der Induktionsspule 8 erhitzt werden und enthält ein Gemisch 9 aus Siliciumdioxyd und
Kohlepulver, aus dem bei Erhitzung in einer innerhalb der Umhüllung 6 aufrechterhaltenen Wasserstoffatmosphäre
eine Silicium und Kohlenstoff enthaltende Gasphase entwickelt
werden kann.
Zum Wachsen von Haarkristallen wird als Substrat eine
Graphitplatte 4 verwendet, wie in Fig. 1 dargestellt.
Auf die Platte werden Eisenkörner von 20 /um gelegt.
Durch eine Erhitzung von 30 Stunden auf 11900C werden
meist kubische Haarkristalle 10 aus Siliciumcarbid mit kreisförraifrem Querschnitt, einer Länge von etwa 3 cm
und einem Durchmesser von 10 /um erhalten.
■■■..■- 8 -109836/ UST
BAD ORIGINAL
Haarkristalle, die auf die im Beispiel 1 beschriebene
Weise erhalten sind, werden nach Entfernung des an einem Ende nach dem VLS-Wachsen noch befindlichen
Eisens 3 Stunden auf 15000C erhitzt in einer Wasserstoff
atmosphäre, der 0,1 % Methyidichlorsilan zugesetzt
wurde. Dabei vergrößert sich der Durchmesser der Kristalle durch epitaxiales Anwachsen von 10 ,um auf
50 /um.
Als Substrat wird ein hexagonaler Siliciumcarbidkristall 11 des Typs 8H verwendet, wie er in Fig. 2 dargestellt
ist. Auf die Prismenflachen 12, 13 und 14 des Kristalls
wird mit Hilfe von Schablonen Eisen aufgedampft, so daß Eisentüpfel 15 entstehen» die bei Erhitzung Eisentropfen
ähnlich denjenigen, die aus Körnern von 100/Um im
Durchmesser gebildet werden können, ergeben.
Der Kristall wird anschließend auf die Stütze 3 der Vor- * richtung nach Fig. 1 aufgelegt und 24 Stunden auf 12100C
erhitzt» Auf den Kristallflächen wachsen dabei Haarkristalle von 1 cm Länge und 50/um Durchmesser, die aus
hexagonalem Siliciumcarbid des Typs 8H bestehen.
Patentansprüche t
- 9 109836/U51
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von drahtförmigen Körpern, sogenannten Haarkristallen, kreisförmigen Querschnitts,
die aus Siliciumcarbid-Einkristallen bestehen, bei dem das Siliciumcarbid aus einer Gasphase durch
VLS-V/achsen auf einem Substrat ausgeschieden wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Transport des Siliciumcarbids aus der Gasphase zum Substrat mit Hilfe von
Eisen durchgeführt wird, wozu Eisen örtlich auf das Substrat aufgebracht und bei Temperaturen zwischen 1150°
und 1230°C, vorzugsweise zwischen 118O0C und 121O0C,
einer Gasphase ausgesetzt wird, die Silicium und Kohlenstoff enthält, wobei Siliciumcarbid über das Eisen als
Transportphase auf dem Substrat in Form von drahtförmigen Kristallen (Haarkristallen) kreisförmigen Querschnitts
ausgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Eisentropfen gleicher Größe auf dem Substrat
gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallwachsen in kubischer Form
durch Zusatz von Silicium zum Eisen gefördert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Gewinnung von hexagonalen Haarkristallen eines gegebenen Polytyps das Wachsen auf
Prismen- oder Pyramidenflächen eines Siliciumcarbidkristalls dieses Polytyps durchgeführt wird.
- 10 109836/14
Bt ,
ünteriagen (Art. 7 g 1 Abs. 2 Nr. 1 Satz 3 des Xntferunoewe. v, 4. §. 1«
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium und Kohlenstoff
enthaltende Gasphase aus Siliciumdioxyd und Kohlenstoff in Anwesenheit von Wasserstoff hergestellt
wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vielter es Anwachsen
der Kristalle zum Vergrößern ihres Durchmessers in einem getrennten Vorgang durch epitaxiales Anwachsen
bei Temperaturen unterhalb 20000C durchgeführt wird.
7. Gegenstände aus drahtförmigen Siliciumcarbid-Haarkristallen
kreisförmigen Querschnitts, insbesondere Spindeln für Mikromotoren und Uhren, Lehrdorne d. dgl.,
vorzugsweise aus solchen, die nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt
sind.
BAD ORIGINAL
109836/US1
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