DE2355531A1 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LAYERS OF PURE METALS, METALLOIDS OR ALLOYS FROM A VAPORED FLUORIDE OF THE SAME - Google Patents
PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LAYERS OF PURE METALS, METALLOIDS OR ALLOYS FROM A VAPORED FLUORIDE OF THE SAMEInfo
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Description
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HÄiSJS ULHiGH MäVHÄiSJS ULHiGH MäV
D S ΜΒΝΟΗέΜ 2, ÖtTÖSTRÄSSE laD S ΜΒΝΟΗέΜ 2, ÖtTÖSTRÄSSE la
tELESRAMME: UiAYPATENT MÜNCHEN! 235553 ITELESRAMME: UiAYPATENT MUNICH! 235553 I.
. TELEFON CÖS1O 593682 .. TELEPHONE CÖS1O 593682.
P 470/1^35 München* am --7« HoV, 1973 P 470/1 ^ 35 Munich * am --7 «HoV, 1973
B "6t DM/iB "6t DM / i
Ciommissäriät ä 1* Energie Ätömigüe in Paris / FrankreichCiommissäriät ä 1 * Energie Ätömigüe in Paris / France
Verfahren zur Herstellung von Schichten reiner Metaller Metalloide öder Legierungen aus einem dampfförmigen Plüörid derselben.Process for the production of layers of pure metallic metalloids or alloys made of a vaporous pluoride of the same.
Ede Erfindung betrifft ein Verfahren-zur Herstellung von SchichtenThe invention relates to a method for producing layers
Metalle, Metalloide öder liegierüngen aus einem dampfförmi*- FitiöridMetals, metalloids or alloys from a vaporous Fitiörid
Eö ist bökäimti fietaliäehichten aus iietallfluöriden herzustellen, indeift ffiän diesS Fluoride im Öampf zustand beiciDe&timmtem I5rück ünd bestimmter femperatüi* auf einer mit MetalibescMöhtung au versehenden unterlage zersetzt* wobei die ißiterläge selbst aus Metall öder äUä ein<sm ^iä§ fiuorid zersetSenden Stoff bestehen fcann«Eö bökäimti fietaläheicht is to be made from metal fluorides, indeift ffiän this fluoride in the oil state with both & right back and certain temperature * decomposed on a metal-coated base * whereby the layer of material itself consists of metal or is made of a fused substance.
diisem Vorfahren §cheidet sich an der Otserfläöhe ein^s ftetalls Mi. Welshes in ierühruttg'.ait dem Dämpf seines ilüörids ^1 Ά diö Wertig^it diessüs Metalls bedeutet) steht t hei einei* femperätiig das M§täll dieses Pltiaä?ids gemäß der folgenden ab ίdiisem ancestors §cheidet at Otserfläöhe a ^ s ftetalls Wed Welshes in ierühruttg'.ait the damping of its ilüörids ^ 1 ^ Ά Diö Wertig it diessüs metal means) is t hei Einei * femperätiig the M§täll this Pltiaä? ids according of the following from ί
— .Sf η ' φ ' - .Sf η 'φ '
Cöarapf) Cädiöribii^tl CHetäll) (adsöi«biert)Cöarapf) Cädiöribii ^ tl CHetäll) (adsöi «biert)
Bei jedem Auf treffen eines Moleküls des gasförmigen HFn auf die Metalloberfläche bewirkt der Stoß, daß das Metallatora abgeschieden wird und zwei Fluoratome chemisch adsorbiert werden. Der Einbau des Metallatoms in das Oberflächengitter des aufnehmenden Metalls erfolgt sehr rasch. Die zwei adsorbierten Flüoratome sind unter den Versuchsbedingungen beveglich und desorbieren von der Ober-, fläche des Metalls» die somit dauernd wieder frei wird, wobei die Desorption als einer der Hauptfaktoren erkannt wurde, welche die Kinetik der Abscheidung bestimmen.Each time a molecule of the gaseous HF n hits the metal surface, the impact causes the metallatora to be deposited and two fluorine atoms to be chemically adsorbed. The incorporation of the metal atom into the surface lattice of the absorbing metal takes place very quickly. The two adsorbed fluorine atoms are mobile under the experimental conditions and desorb from the surface of the metal, which is thus permanently free again, with desorption being recognized as one of the main factors which determine the kinetics of the deposition.
Falls ein Fluorid MPn im Dampfzustand bei entsprechender Temperatur mit einem flüchtige Fluoride liefernden Substrat in Berührung kommt» verflüchtigen sich die gebildeten Fluoride und lassen nur das reine Metall zurück«If a fluoride MP n comes into contact in the vapor state at the appropriate temperature with a substrate that provides volatile fluoride »the fluorides formed volatilize and only leave the pure metal«
Wenn ein Fluorid MF„ im Dampf zustand bei entsprechender Temperatur in Berührung mit einem Metall kommt, welches keine flüchtigen Fluoride bildet, und wenn das gebildete reine Metall in dem die Unterlage bildenden Metall löslich ist, bilden sich Legierungen. Das geschieht beispielsweise wenn es sich bei den beiden Metallen um Platin und Kupfer handelt.When a fluoride MF "in vapor state at the appropriate temperature comes into contact with a metal that is not volatile Fluoride forms, and when the pure metal formed is soluble in the underlying metal, alloys are formed. This happens, for example, when there are two metals platinum and copper.
ein dampfförmiges Fluorid MFn bei entsprechender Temperatur in Berührung mit einem substrat kommt, welches keine flüchtigen Fluoride liefert» und das Substrat und das erzeugte Metall nicht mischbar sind» kann man das Fluorid in Berührung mit dem Substrat zersetzen und dieses anschließend entfernen und das reine Metall gewinnen. .If a vaporous fluoride MF n comes into contact with a substrate at the appropriate temperature, which does not supply any volatile fluorides »and the substrate and the metal produced are immiscible», the fluoride in contact with the substrate can be decomposed and this can then be removed and the pure metal to win. .
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Die so erhaltenen Beschichtung^ sind von guter Qualität, erfordernjedoch eine1 außerordentlich sorgfältige und schwierige Herstellung der benutzten- Fluoride, die sich unmittelbar thermisch zersetzen lassen·. Bestimmte Fluoride sind so hygroskopisch, daß ihre vorangehende Herstellung'außerhalb der zur Dampfphasenabscheidung" dienenden ■ Kananer' nicht geeignet wäre, da ihre Handhabung wegen ihrer "großen Instabilität gegenüber den in der Atmosphäre bei der -"Handhabung- stets vorhandenen Wasserdampf spuren praktisch unmöglich ist. ■The coating ^ thus obtained are of good quality, erfordernjedoch a 1 extremely careful and difficult production of benutzten- fluoride, which can be decomposed thermally directly ·. Certain fluorides are so hygroscopic that their previous preparation would not be suitable outside the "Kanan" used for vapor phase deposition, since their handling is practically impossible because of their "great instability with respect to the traces of water vapor that are always present in the atmosphere during handling . ■
Ein anderes bekanntes Verfahren, bei dem ein Fluorid durch Wasserstoff reduziert wird, jLiefert ebenfalls Überzüge von guter Qualität, weist jedoch erhebliche Nachteile auf. In bestimmten Fällen, besonders wenn die geometrische Gestalt des zu beschichtenden Substrats eine leichte Erneuerung der Reagenzien verhindert, kann der WasserstoffübersGhuß das Verhältnis Wasserstoff /gasförmiges Fluorid so stark verändern, daß eine Verschlechterung der Metallabsclieidung oder sogar eine Unterbrechung der Dampfphasenabscheidung eintritt.Another known process in which a fluoride is replaced by hydrogen is reduced, also provides good quality coatings, but has significant disadvantages. In particular Cases, especially when the geometric shape of the substrate to be coated prevents easy renewal of the reagents, The hydrogen overburden can change the hydrogen / gaseous fluoride ratio to such an extent that it deteriorates the metal deposition or even an interruption of the vapor phase deposition entry.
Die Gegenwart von Wasserstoff bewirkt die Bildung von Fluorv/assers toff gas , das sowohl abgeführt als auch gelagert werden muß, was bekanntlich gefährliche Arbeitsgänge sind. Eine zu große Konzentration von Fluorwasserstoff gas in der Nähe des Substrats kann zu einer Umkehrung der gewünschten Reaktion, das heißt dar Rückführung des abgeschiedenen Metalls in das Fluorid führen.The presence of hydrogen causes the formation of fluorine waters toff gas, which has to be discharged as well as stored, what are known to be dangerous operations. Too high a concentration of hydrogen fluoride gas near the substrate can lead to a reversal of the desired reaction, i.e. Return the deposited metal to the fluoride.
Die MetällabsGheidung durch Reduktion des Fluorids scheidet daher in allen. Fällen aus, wo die geometrische Gestalt der zu beschichtenden Gegenstände kompliziert ist oder Abscheidungen im Irnieven. The separation of metals by reducing the fluoride is therefore different in all of them. Cases where the geometrical shape of the objects to be coated is complicated or where there are deposits in the curve.
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stark verzweigter Werkstücke oder beispielsweise im Inneren langer enger Rohre erzeugt werden sollen.heavily branched workpieces or, for example, longer inside narrow pipes are to be created.
Es wurde nun gefunden, daß die erwähnten, Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden können durch ein Verfahren, das auf der thermischen Zersetzung eines niedrigeren Fluorids (Sub—fluorids) eines Metalls oder Metalloids beruht, das an Ort und Stelle durch Umsetztaag des entsprechenden Pluorids des Metalls von höherer Wertigkeit auf dem entsprechenden Metall oder Metalloid erhalten wird. Hierbei bedeutet "niedrigeres Fluorid " ein Fluorid, in dem .das Metall oder Metalloid eine niedrigere Wertigkeitsstufe hat.It has now been found that the mentioned disadvantages of the known method can be avoided by a process (Sub-fluoride) based on thermal decomposition of a lower fluoride of a metal or metalloid that in place by Umsetztaag the corresponding Pluorids of Metal of higher valence is obtained on the corresponding metal or metalloid. Here, "lower fluoride" means a fluoride in which the metal or metalloid has a lower valence level.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens ein Pluorid eines Metalls oder Metalloids von höherer V7ertigkeitsstu£e in Dampfform in eine Kammer gebracht wird, die mindestens eine zu metallisierende Unterlage und eine Quelle für das abzuscheidende Metall oder Metalloid enthält, die Quelle erhitzt wird, sodaß sich das Pluorid mit höherer Wertigkeit in Berührung mit der Quelle in mindestens ein niedrigeres Pluorid umwandelt, das verdampft, sich auf der Unterlage kondensiert und dort in Fluor und das Metall oder Metalloid, welches die gewünschte Abscheidung darstellt, umwandelt.The invention therefore relates to a method of the type mentioned at the beginning Type, which is characterized in that at least one fluoride of a metal or metalloid of a higher level of proficiency in Vapor form is brought into a chamber that has at least one to metallizing base and a source for the metal or metalloid to be deposited contains, the source is heated so that the higher valence fluoride in contact with the source in converts at least one lower fluoride, which evaporates, condenses on the substrate and there into fluorine and the metal or Metalloid, which is the desired deposit, converts.
Es ist bekannt, daß die Fluoride höherer V7ertigkeit Fluorierungsmittel sind und thermisch nicht bis zur Abscheidung des Metalls zersetzt werden können. Nur eine Reduktion dieser Fluoride durch Wasserstoff ermöglicht eine vollständige chemische Zersetzung. Dagegen sind die niedrigeren Fluoride im allgemeinen keine Pluorierungsmittel und können thermisch an einer heißen UnterlageIt is known that the fluorides of higher proficiency are fluorinating agents and cannot be thermally decomposed until the metal is deposited. Just a reduction of these fluorides by Hydrogen enables complete chemical decomposition. On the other hand, the lower fluorides are generally not fluorinating agents and can be thermally on a hot surface
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zersetzt werden, im dioekt clas Metall au liefern, - -are decomposed, deliver in the dioect clas metal au, - -
Erfindungsgemäß erfolgt gleichzeitig die Bildung der niedrigeren Fluoride (sub~Fluoride) und deren thermische Zersetzung. Ein · niedrigeres Fluorid der allgemeinen Formel MFm bildet sich aus einem höheren Fluorid der allgemeinen Formel MFn und dem Metall (oder Metalloid) M entsprechend dem folgenden Eeaktionsschema :According to the invention, the formation of the lower fluorides (sub-fluorides) and their thermal decomposition take place at the same time. A lower fluoride of the general formula MF m is formed from a higher fluoride of the general formula MF n and the metal (or metalloid) M according to the following reaction scheme:
m. MFn * (n~m) M »»«———f η Gas Metall Gasm. MF n * (n ~ m) M »» «——— f η gas metal gas
worin η und m die Wertigkeit des Elements M bedeuten und n größer als m ist«where η and m mean the valence of the element M and n is greater than m "
Als Beispiele für höhere Fluoride, die ein thermisches zersetzbares niedrigeres Fluorid liefern kQmien, seien dit. folgenden Verbindungen genannt ( ohne Beschränkung darauf ) : W6, MOFg9 ReF6, PtF6, TaF5, NbF^5 BF5 TiF4, CF4, SiF4 Examples of higher fluorides kQmien provide a thermal decomposable lower fluoride were dit. the following compounds named (without limitation): W 6 , MOFg 9 ReF 6 , PtF 6 , TaF 5 , NbF ^ 5 BF 5 TiF 4 , CF 4 , SiF 4
Um das nützliche niedrigere Fluorid zu erhalten, läßt man das höhere Fluorid mit dem entsprechenden,auf eine geeignete Temperatur erhitzten Metall oder Metalloid reagieren. Es sei bemerkt, daß das als Quelle dienende Metall oder Metalloid leicht in die Hähe des zu beschichtenden Werkstücks gebracht werden kann, wodurch sich das niedrigere Fluorid ineöer Nähe der zu beschichtenden Oberfläche bildet.To obtain the useful lower fluoride, the higher fluoride is allowed to react with the appropriate metal or metalloid heated to a suitable temperature. It should be noted that the source serving as a metal or metalloid in the Hähe of can be brought to be coated workpiece easily, thereby forming the lower fluoride in e Oer vicinity of the surface to be coated.
Die Metallabscheidung erfolgt nach folgendem allgemeinen Schema sThe metal deposition takes place according to the following general scheme s
MFm -LL^, MFm ,^„^ M +"-■ mF _«^,. M 4·■" JÜ P2^ Gas aäsorbiert adsorbiert adsor- Metall desorbiertMF m -LL ^, MF m , ^ "^ M +" - ■ mF _ «^ ,. M 4 · ■" JÜ P 2 ^ gas adsorbed adsorbed adsorbed metal desorbed
biert (fest)beer (solid)
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Venn ein Gasmolekül des niedrigeren Fluorids MFJa auf das zu beschichtende, auf eine entsprechende Temperatur erhitzte Substrat trifft, wird das Molekül MF durch den stoß genügend aktiviert, daß es vom Substrat chemisch adsorbiert wird. Bei der chemischen Adsorption findet eine Dissoziation statt, und das adsorbierte niedrigere Fluorid zersetzt sich in Metall M und Fluoratome. Das erzeugte Metall wird in das Kristallgitter der Oberfläche eingebaut und das Fluor desorbiert und gestattet so den Zutritt anderer Moleküle des niedrigeren Fluorids und die Fortsetzung der Abscheidung aus der Darapfphase. Als Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei die Abscheidung von Wolfram aus der Dampfphase erwähnt. Das Hexafluorid WFg reagiert mit dem Metall Wolfram W entsprechend der Gleichung s When a gas molecule of the lower fluoride MF Ja hits the substrate to be coated, heated to a suitable temperature, the MF molecule is sufficiently activated by the impact that it is chemically adsorbed by the substrate. In chemical adsorption, dissociation takes place, and the adsorbed lower fluoride decomposes into metal M and fluorine atoms. The metal produced is incorporated into the crystal lattice of the surface and the fluorine is desorbed, allowing other molecules of the lower fluoride to enter and the deposition to continue from the steaming phase. The deposition of tungsten from the vapor phase may be mentioned as an example of the implementation of the method according to the invention. The hexafluoride WFg reacts with the metal tungsten W according to the equation s
5 WF6 + V? > 6 5 5 WF 6 + V? > 6 5
Gas Metall '. GasGas metal '. gas
und das gebildete Wolframpentafluorid zersetzt sich thermisch entsprechend folgendem Schema :and the tungsten tafluoride formed thermally decomposes according to the following scheme:
V7 + 5F-S,. W + IV7 + 5F-S ,. W + I
Gas adsorbiert adsorbiert adsorbiert Metall desorbiertGas adsorbed adsorbed adsorbed Metal desorbed
Die Bildung des niedrigeren Fluorids und dessen Zersetzung erfolge» gleichzeitig, wenn das zu beschichtende Substrat und das als Quelle für das niedrigere Fluorid dienende Metall auf verschiedene» sorgfältig gewählte Temperaturen erhitzt -werden-. Durch die Wahl dieser Temperaturen kann man nicht nur überhaupt das Verfahren vorteilhaft ausführen, sondern auch auf die Kinetik der Abscheidung aus der Dampfphase und auf die Eigenschaften der erhaltenen Metallschichten einwirken*The formation of the lower fluoride and its decomposition take place » at the same time, when the substrate to be coated and the metal serving as the source of the lower fluoride on different » carefully selected temperatures -be- heated. By choosing these temperatures you can't just get the process at all run advantageously, but also on the kinetics of the deposition from the vapor phase and on the properties of the obtained Act on metal layers *
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Es sei bemerkt, daß im besonderen Fall von Wolfram ausgezeichnete Beschichtungen erhalten werden 9 wenn man die Quelle auf eine Temperatur von etwa 4000C und das Substrat auf eine etwas niedrigere Temperatur erhitzt. Man erhält ähnliche Beschichtungen bei Anwendung des - bekannten Redulctionsverf ahrens, jedoch muß man dazu mindestens auf eine Temperatvj? von etwa 700°C erwärmen, und außerdem hat dieses bekannte Verfahren die eingangs erwähnten Nachteile.It should be noted that, in the special case of tungsten, excellent coatings are obtained 9 if the source is heated to a temperature of about 400 ° C. and the substrate is heated to a somewhat lower temperature. Similar coatings are obtained when the known reduction process is used, but at least one has to be heated to a temperature. of about 700 ° C, and in addition, this known method has the disadvantages mentioned at the beginning.
Das Metall der Quelle und das Metall des in den Reaktionsbereich eindringenden gasförmigen pluorids können gleich oder verschieden sein· Wenn-die beiden Metalle gleich sind t laufen Reaktionen entsprechend den folgenden ab ;The metal of the source and the metal of the intruding into the reaction zone gaseous pluorids may be the same or different-· If the two metals are the same t run according to the following reactions from;
tf P 6 + v? —"f TS P 5 '—7- W * 5 P -.■'■' Ta F K + Ta'—*—? TaF „ -—£ Ta ψ 3 P Ti F, '+. Ti —> Ti P-■„ > Ti t 3Ptf P 6 + v? - "f TS P 5 '-7- W * 5 P -. ■' ■ 'Ta F K + Ta' - * -? TaF" -— £ Ta ψ 3 P Ti F, '+. Ti -> Ti P - ■ "> Ti t 3P
Wenn, die Metalle verschieden sinds laufen Reaktionen etwa entsprechend der folgenden ab : -If different metals are s running reactions as shown in the following from: -
¥ F ,- * Cu -—=—~f WPe + GuP -«=»—4 Cu + UP,¥ F, - * Cu -— = - ~ f WP e + GuP - «=» - 4 Cu + UP,
Es sei bemerkt* daß das zu Beginn der Reaktion eingesetzte Wolfram»HexafIxiorid am Ende dieser Reaktion regeneriert wird und sich also wie ein Katalysator verhält· Man kann daher die-Einleitung des Gases in den Reaktionsbereich und die Durchführung der Reaktion bai konstantem Druck vornehmen.It should be noted * that this set in at the beginning of the reaction Tungsten »HexafIxiorid is regenerated at the end of this reaction and So behaves like a catalyst · One can therefore initiate the of the gas in the reaction area and carry out the reaction at constant pressure.
Allgemeiner kann man die obenstehende Reaktion wie folgt schreiben:More generally, the above reaction can be written as follows:
WF6 +M > W P5 : + ' MFWF 6 + M> WP 5 : + 'MF
oder ' .or ' .
2 W P6 * M- 2 WP 6 * M-
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Das gebildete Metalifluorid fliF oder MP2 zersetzt sich anschließend, an dem auf die entsprechende Temperatur erhitzten Werkstück und setzt das Metall frei, welches sich abscheidet ιThe formed metal fluoride fliF or MP 2 then decomposes on the workpiece heated to the appropriate temperature and releases the metal which is deposited
M + 2F ~~*> MM + 2F ~~ *> M.
Gas , adsor- adsor- adsor~ abgeschiedenes desorbiert biert biert biert MetallGas, adsor-adsor-adsor ~ separated desorbed beer beer beer beer metal
Das durch die thermische Zersetzung des Fluorids MF oder freigev/ordene Fluor verbindet sich wieder mit WF*, um das Fluorid WFg, das heißt den gasförmigen Kathalysator, zurückzulief em.That by the thermal decomposition of the fluoride MF or Any released fluorine combines again with WF * in order to Fluoride WFg, i.e. the gaseous catalytic converter, to be returned em.
Man kann auf diese Weise zahlreiche Metallabscheidungen erhalten. Als Beispiel seien erwähnt Kupferbeschichtungen ausgehend von CuF2 und CuF und Nickelbeschichtungen ausgehend von NiF2 und NiF. Auch die folgenden Metalle werden nach diesem Verfahren transportiert und aus der Dampfphase abgeschieden : Bisen, Cobalt, Zink, Silber, Gold, Cadmium und Aluminium, um nur die am häufigsten benutzten zu erwähnen. -Numerous metal deposits can be obtained in this way. As an example, copper coatings based on CuF 2 and CuF and nickel coatings based on NiF 2 and NiF may be mentioned. The following metals are also transported and deposited from the vapor phase using this process: bis-iron, cobalt, zinc, silver, gold, cadmium and aluminum, just to mention the most commonly used. -
Die Reaktion hat den Vorteil, daß man dadurch auch Metalle aus der Dampfphase abscheiden kann, wie Nickel, Kupfer, Aluminium j Zink, Cadmium, Zirconium, deren Fluoride nicht genügend flüchtig sind und in anderen technischen Verfahren der Abscheidung aus der Dampfphase nicht benutzt werden kötmen.The reaction has the advantage that it also removes metals the vapor phase, such as nickel, copper, aluminum j zinc, cadmium, zirconium, whose fluorides are not sufficiently volatile and cannot be used in other technical vapor deposition processes.
Die Verfahrensbedingungen und Ergebnisse mehrerer Beispiele sindThe process conditions and results of several examples are
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-9- . ■-_ . in der folgenden Tabelle I angegeben t-9-. ■ -_. given in Table I below t
Art des zu~ Art der Temper- Eingangs«Type of to ~ type of tempering input "
geführten Quelle atur der gasdruckguided source nature of gas pressure
Gases Quelle (Torr)Gas source (Torr)
Or«Or «
fwsgi ϊΜΛ ^3ί ι ustfwsgi ϊΜΛ ^ 3ί ι ust
Ta Gu Ta Gu
11001100
10001000
12001200
900900
2J102J10
Temperatur Abscheidungsdes zu be- geschvindigschichtenden keit in Substrats Mikron/std· (O G) Temperature deposition of the speed to be layered in the substrate Micron / hour (OG)
Das erfindungsgemäße Verfaliren bietet zahlreiche weitere Vorteile. Man kann Schichten von Metallen erhalten, deren Fluoride sehr wenig flüchtig und daher nur mit Schwierigkeiten oder gar nicht bei den üblichen Verfahren der Metallabscheidung aus der Dampfphase , insbesondere den reduzierenden Verfahren, verwendbar sind*The method according to the invention offers numerous other advantages. Layers of metals can be obtained whose fluorides are very little volatile and therefore only with difficulty or not at all in the usual methods of metal deposition from the vapor phase , especially the reducing processes, can be used *
Da in der Gasphase kein Wasserstoff vorhanden istf bildet sich keine Fluorwasserstoffsäure, welche die Bildung von Abscheidungen guter Qualität beeinträchtigen könnte.In the gas phase since no hydrogen is present f no hydrofluoric acid, which might adversely affect the formation of good quality deposits forming.
Der Vorgang der Adsorption der Moleküle niedriger Fluoride und Desorption TOn gebildeten Pluoratpmen regelt automatisch die Abscheidungsgeschwindigkeit sos daß Schichten guter Qualität er~ halten werden, selbst wemx man bei Temperaturen arbeitet>. die beispielsweise l>ei einem Reduktionsverfahren als zu niedrig gelten wurden„ Man kami datier Metallsehiehten auf Substraten abscheiden, welche höhere Temperaturen■nicht vertragen würden» Die nach dem erfindirngsgemäßen· Verfahren- erhaltenen Abscheidungen sind kompakt, gleichmäßig,-haftend und epi-taktisch-, wenn die Eigenschaften desThe process of adsorption of molecules lower fluorides and desorption TOn Pluoratpmen formed automatically adjusts so s are ~ keep it that layers of good quality, the deposition rate, even one wemx operates at temperatures>. which, for example, were considered to be too low in a reduction process "Man-dated metal layers deposit on substrates which would not be able to withstand higher temperatures" The deposits obtained according to the process according to the invention are compact, uniform, adhesive and epi-tactical. if the properties of the
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Substrats und der abgeschiedenen Scliiclit das gestatten.Substrate and the deposited scliiclit allow this.
Man kann eine sehr interessante Technologie der Abscheidung aus der Dampfphase entwickeln, da das dafür benutzte Fluorid MF oder MP2 in der Nähe der zu beschichtenden Oberfläche unabhängig von deren georaetrischer Form erzeugt werden kann. Es genügt, das Quellenmetall in der Nähe des Substrats anzuordnen. Daraus folgt besonders ein erheblicher Vorteil für die Herstellung von Be-Schichtungen im Inneren verschiedener Werkstücke, wie Rohre, Ventile, Anschlüsse und Gefäße. Die Form des zu beschichtenden Werkstücks ist ohne Einfluß auf die ausgezeichnete Durchdringungswirkung, die beim erfindungsgernäßen Verfahren erhalten wird.A very interesting technology of vapor deposition can be developed, since the fluoride used for this purpose, MF or MP 2, can be produced in the vicinity of the surface to be coated, regardless of its geometric shape. It suffices to arrange the source metal in the vicinity of the substrate. This results in a particularly significant advantage for the production of coatings in the interior of various workpieces, such as pipes, valves, connections and vessels. The shape of the workpiece to be coated has no effect on the excellent penetration effect which is obtained in the process according to the invention.
Pur eine einwandfreie Durchführung des Verfahrens muß das Quellenßietall genügend erhitzt werden, daß das nützliche Fluorid MF oder MF2 verdampft und zum zu beschichtenden Substrat transportiert wird. Die Metallquelle kann ein durch Joule-sche VJärme erhitzter Draht oder Stab sein. Als Quelle kann auch ein Stab dienen, der indirekt durch ein nicht verbrauchbares Heizelement geheizt wird. Die Form des Stabes kann so für jeden Fall entsprechend gewühlt werden. Dieser Stab kann, entweder mit Sintermetall beschichtet sein oder einen Behälter bilden, der Stücke des aus der Dampfphase abzuscheidenden Metalls enthält.For the process to be carried out properly, the source metal must be heated sufficiently that the useful fluoride MF or MF 2 evaporates and is transported to the substrate to be coated. The metal source can be a wire or rod heated by Joule heat. A rod that is indirectly heated by a non-consumable heating element can also serve as a source. The shape of the rod can be chosen accordingly for each case. This rod can either be coated with sintered metal or form a container which contains pieces of the metal to be deposited from the vapor phase.
In bestimmten, für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen kann das zu beschichtende Werkstück direkt durch die Metallquelle des Metalls M erhitzt v/erden, wobei in diesem Fall eine das werkstück umgebende Wärmeisolation benutzt wird. .In certain, for the application of the method according to the invention Suitable devices can heat the workpiece to be coated directly by the metal source of the metal M, whereby In this case, a thermal insulation surrounding the workpiece is used will. .
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Das erfindungsgemäß« Verfahren läßt sich' in Apparaturen durchführen, deren Form der Form, Art und Zahl der mit Metallbeschichtung zu versehenden Gegenstände angepaßt ist. Im folgenden werden zwei Beispiele der Metallbeschichtung von Rohren mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben: Es zeigen :The process according to the invention can be carried out in apparatus, the shape of which is the form, type and number of those with a metal coating objects to be provided is adapted. The following are two examples of metal coating of pipes with reference to the attached drawings: They show:
Fig. IiFig. II
Einen Schnitt einer Vorrichtung zur Metallbeschichtung der Innenwand
eines, Rohrs j ' .
Fig. 2:A section of a device for metal coating the inner wall of a 'pipe j'.
Fig. 2:
Einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Innen- und Außenbeschichtung eines Rohrs mit Metall.A section through a device for simultaneous indoor and outdoor External coating of a pipe with metal.
Fig.1 zeigt ein Rohr 1 aus einer beliebigen Metall-Legierung, das innen mit Metall beschichtet werden soll. Dieses Rohr wird in eine wärmeisolierende Muffe 2 gebracht, um Wärmeverluste durch Strahlung möglichst zu verhindern« Ein stab 3 aus Metall oder Metalloid ist im Rohr durch Stopfen 4 und 5 an seinen Enden gehalten. Durch den Stopfen 4 führt eine Zuleitung 6 für Fluorid mit höherer Wertigkeitsstufe. Für den Betrieb dieser Vorrichtung wird der Stab 3 auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, bevor durch die Zuleitung 6 das Fluorid eingeleitet wird, das in Berührung mit dem Stab 3 ein niedrigeres Fluorid liefert, das sich an der Innenwand des Rohrs 1 abscheidet.Fig.1 shows a tube 1 made of any metal alloy that is to be coated with metal on the inside. This tube will go into a heat insulating sleeve 2 brought to heat loss due to radiation to prevent as much as possible «A rod 3 made of metal or metalloid is held in the tube by plugs 4 and 5 at its ends. A feed line 6 for fluoride with a higher level leads through the plug 4 Valence level. For the operation of this device, the rod 3 heated to a certain temperature before passing through the supply line 6 the fluoride is introduced, which is in contact with the rod 3 a lower fluoride, which is deposited on the inner wall of the Pipe 1 separates.
In Fig. 2 sind entsprechende Teile mit dem gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Das Röhr 1 ist im Inneren einer Kammer 7 durch nicht gezeigte Stützen gehalten. Die Metallbeschichtung des Rohrs 1 erfolgt innen wie oben beschrieben, jedoch ermöglicht die gezeigte Vorrichtung durch die zusätzlichen Stäbe 3*und 3", welche wie der Stab 3 Quellen für Metall oder Metalloid sind, und dieIn Fig. 2, corresponding parts are given the same reference numerals as provided in FIG. The tube 1 is inside a chamber 7 held by supports not shown. The metal coating of the Tube 1 takes place inside as described above, but allows the device shown by the additional rods 3 * and 3 ", which how the rod 3 are sources of metal or metalloid, and the
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Fluoridzuleitungen ?· und 5" auch die Metallbeschichtung der Rohraußenwand. Es sei bemerkt, daß die Innenwand der Kammer 7 aus einem Material besteht, das eine Metallbeschichtung nicht annimmt.Fluoride supply lines? · And 5 "also the metal coating of the pipe outer wall. It should be noted that the inner wall of the chamber 7 from a material that will not accept a metal coating.
Außer dem Vorteil, daß das erfindungsgemäße Verfahren ohne Anwesenheit von Wasserstoff und Fluorwasserstoffes abläuft, kann auch das durch Dissoziation des niedrigeren Fluorids gebildete Fluor durch Rekombination ndt dem Metall der Quelle beseitigt werden. Me Reaktionsgrenzfläche und genauer die Zusammensetzung der Gasphase bleiben daher v/ährend der gesamten Dauer der Abscheidung aus der Gasphase konstant,, und zwar unabhängig von der Gestalt des zu beschichtenden Werkstücks.In addition to the advantage that the inventive method without the presence run off of hydrogen and hydrogen fluoride, can also the fluorine formed by dissociation of the lower fluoride can be removed by recombination and the metal of the source. Me reaction interface and more precisely the composition of the gas phase therefore remain constant over the entire duration of the deposition from the gas phase, regardless of the shape of the workpiece to be coated.
Infolge der Art des Kristallwachstums, die von der Adsorption der Moleküle des niedrigeren Pluorids und der Desorption des gebildeten Fluoratome abhängt, welche die Abscheidungsgeschwindigkeit automatisch regeln, ist die aus der Dampfphase abgeschiedene Schicht stets von guter Qualität, die auch erhalten bleibt, wenn die Abscheidung bei Temperaturen erfolgt, welche für Reduktionsverfahren viel zu niedrig wären. Daraus folgt, daß man nach dem erfinöungs— gemäßen Verfahren Materialien beschichten kann, die bei höheren Temperaturen verändert oder auch irreversibel umgewandelt würden. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang die Abscheidung auf Metallen, die bei hoher Temperatur allotrope Umwandlungen zeigen und bei denen die Qualität der Grenzfläche Beschichtung-Substrat bei Durchlaufen des allotropen Transformationspunktes während der Abkühlung verschlechtert würde.As a result of the nature of the crystal growth, which is caused by the adsorption of the molecules of the lower fluoride and the desorption of the formed Fluorine atoms, which automatically regulate the deposition rate, is the layer deposited from the vapor phase always of good quality, which is retained even after the separation takes place at temperatures which would be far too low for reduction processes. From this it follows that after the invention according to the method can coat materials that would be changed or irreversibly converted at higher temperatures. In this context, the deposition on metals should be mentioned, which show allotropic transformations at high temperature and in which the quality of the coating-substrate interface is passed through of the allotropic transformation point would worsen during cooling.
Es sei erwähnt, das die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Abscheidungen gleichzeitig haftend, kompakt, It should be mentioned that the deposits obtained when using the method according to the invention are simultaneously adhesive, compact,
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'' -'■' ■ -'■' .23.55531 dicht, rein und .gleichmäßig· sind.und epitaktisch wachsen, das heißt daß ihr Kristallgitter Atom auf Atom entsprechend dem Kristallgitter der Oberfläche wächst, wodurch man falls gewünscht Einkristalle mit bestimmter Ausrichtung erhalten kann.'' - '■' ■ - '■' .23.55531 dense, pure and .gleichmäßig grow epitaxially · sind.und, that is that their growing crystal lattice atom to atom in accordance with the crystal lattice of the surface yielding if desired single crystals obtained with certain alignment can.
Diese Abscheidungen können auf einer Vielzahl-von Substraten erfolgen, zumal das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von ausgezeichneten Schichten bei viel tieferen Temperaturen als die bei bekannten Verfahren erforderlichen gestattet. · .These depositions can take place on a large number of substrates, especially since the process according to the invention permits the production of excellent layers at much lower temperatures than those required in known processes. ·.
Man kann ausgezeichnete VJoIframschichten aus Wolfram-Hexafluorid VJPg auf beispielsweise folgenden Unterlagen erhalten : Wolfram, Molybdän -,- Kupfer,. Nickel -, Monel-Metall (einer Ni-Cu-.Legierung), ; ^ . ■ . 'einer Ni-Cr-Pe- bzw. Ni-Co-Gr- .; Legierung; C?Vlnconel'r - e.WzV), Eisen, Qraphit,. Silicium, Aluminium.Excellent VJoIframschichten made of tungsten hexafluoride VJPg can be obtained on the following documents, for example: tungsten, molybdenum -, - copper ,. Nickel , Monel metal (a Ni-Cu alloy),; ^. ■. 'a Ni-Cr-Pe- or Ni-Co-Gr-. ; Alloy; C Vlnconel 'r -? E.WzV), iron, Qraphit ,. Silicon, aluminum.
Auch Legierungen können aus der dampfphase abgeschieden werden. Man kann zwei^Metalle gemeinsam abscheiden, indem man die chemischen Bigenschaf ten der Metall quelle und., des gasförmigen Pluprids höherer Wertigkeit ausnutzt. Beispielsweise wurden < ··.;-.-ausgezeichnete Ergebnisse erhalten bei der gemeinsamen Abscheidung von Molybdän .?> Wolfram ausgehend aron einer Metall quelle. aus Wolfram und Molybdän>-Hexafluorid als Verfahrensgas. . -.: . ...-.■'Alloys can also be deposited from the vapor phase. Two metals can be deposited together by utilizing the chemical properties of the metal source and the gaseous plupride of higher valency. For example, <··.; -.- excellent results were obtained with the joint deposition of molybdenum.?> Tungsten starting from a metal source. made of tungsten and molybdenum> -hexafluoride as process gas. . -. : . ...-. ■ '
Das ei^ifindungsgemäße Verfahren ist ganz allgemein anwendbar, besonders auch zur Herstellung von elektronischen,Bauteilen, \ besonders bei der Herstellung von Emittoren von elektronischen Itowrandlern: aus Wolf jpam ;und Antikathoden .von Röntgenröhren ^ sowie besQnders für raumfahrttechnische Anwendungen, bei der HerstellungThe process according to the invention can be used quite generally, especially for the production of electronic components, especially for the production of emitters for electronic Itowrandlers: from Wolf jpam ; and anticathodes of X-ray tubes, and especially for aerospace applications, during manufacture
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von Wärmeschleifen aus Titan. Ferner seien noch die folgenden Anwendungsgebiete erwähnt :of titanium heat loops. The following areas of application should also be mentioned:
Die Innenbeschichtung von Rohren mit kleinem Durchmesser ; Die Herstellung von Metallrohren durch Abscheidung des Metalls im Inneren oder an der Außenwand von Trägerrohren, welche mechanisch öder chemisch entfernt werden können ; Die Herstellung reflektierender oder halbreflektierender Metall-· schichten aus einem hochschmelzenden Metall, besonders Wolfram, Tantal, Molybdän auf hoch feuerfesten Substraten, wie Rubin, Korund, welche für Verwendung bei hohen Temperaturen bestimmt sind,;The internal coating of small diameter pipes; The manufacture of metal pipes by depositing the metal inside or on the outer wall of support tubes, which are mechanically or can be removed chemically; The manufacture of reflective or semi-reflective metal layers of a refractory metal, especially tungsten, tantalum, molybdenum on highly refractory substrates such as ruby, Corundum intended for use at high temperatures;
Die Abscheidung von Schichten hochtemperaturfester Metalle auf verschiedenartigen Gläsern, was erfindungsgemäß bei tiefer Temperatur erfolgen kann jThe deposition of layers of high temperature resistant metals different types of glasses, which according to the invention can be done at low temperature j
Die Abscheidung verschiedener Metalle auf gegenüber Wasserstoff empfindlichen Substraten jThe deposition of different metals on opposite to hydrogen sensitive substrates j
Die Herstellung von Kat-^alysatoren durch Abscheidung von Metallen mit großer spezifischer Oberfläche.The manufacture of catalysts by the deposition of metals with a large specific surface.
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