DE2942760A1

DE2942760A1 - Verfahren zum synthetisieren von intermetallischen verbindungen und vorrichtung zum durchfuehren dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2942760A1
Application number: DE19792942760
Authority: DE
Inventors: Roland Mark Ware
Original assignee: Cambridge Analysing Instruments Ltd
Current assignee: Cambridge Analysing Instruments Ltd
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-20
Publication date: 1980-05-08
Also published as: US4265661A; GB2032895B; GB2032895A; JPS5594454A

Description

Λ-

Köln, den 18. Oktober 1979 vA.

Anmelderin: Cambridge Analysing Instruments Limited

Mein Zeichen: M 70/64

Verfahren zum Synthetisieren von intermetallischen Verbindungen und Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synthetisieren von intermetallischen Verbindungen und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Synthetisierung von intermetallischen Verbindungen, bei denen mindestens eine Komponente bei der für die Reaktion erforderlichen Temperatur einen hohen Dampfdruck aufweist.

Die Erfindung findet eine besondere Anwendung bei der Synthese von Verbindungen aus mindestens zwei Elementen, von denen mindestens eins ein Netall ist, und insbesondere bei Verbindungen aus der Gruppe III-V und der Gruppe II-VI, wobei mindestens eine Komponente einen merkbaren Dampfdruck bei Temperaturen aufweist, bei und in der Nähe von welchen die zu der Bildung dieser Verbindungen führende Reaktion stattfindet. Die oben genannten Gruppen sind die nach dem periodischen System von Mendeleef.

Die Erfindung ist nicht auf die eben beschriebenen Verbindungen beschränkt. Gleichermaßen läßt sie sich auf die Bildung von ternären und quatemären Verbindungen, auf gemischte Verbindungen aus den Gruppen III und V, wie auch auf Verbindungen aus den Gruppen II, IV und V anwenden.

Hit der Entwicklung von lichtabstrahlenden Dioden (LED) und Übertragungseinrichtungen für infrarote Strahlung hat sich ein Interesse an der Bildung von Verbindungen aus den Gruppen III-V

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und II-VI entwickelt, wie zum Beispiel Galliumphosphid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Zinkselenid und Kadmiumtellurid.

Viele Komponenten aus diesen Verbindungen haben bei erhöhten Temperaturen sehr hohe Dampfdrücke. Obwohl die HauptSchwierigkeiten bei der Herstellung von Einkristallen aus polykristallinen Stoffen durch die Anwendung von mit Flüssigkeitseinkapselung arbeitenden Kristallwachstums-Verfahren zum großen Teil überwunden worden sind, bedeutet dies, daß die übermäßigen Kosten der Herstellung von polykristallinen Verbindungen in erster Linie die Herstellung und Anwendung von Einkristallen beträchtlich behindert hat.

Aus der GB-PS 1 330 194 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung aus mindestens zwei Elementen bekannt, von denen mindestens eins ein Mitall ist und beide oder sämtliche bei Umgebungstemperaturen in festem oder flüssigem Zustand vorliegen, während mindestens eins der Elemente bei der Temperatur, an der die zur Bildung der Verbindung führende Reaktion stattfindet, einen beträchtlichen Dampfdruck ausübt. Das Verfahren schließt das Versiegeln der Elemente mit einem Reaktionssystem unter Verwendung einer flüssigen Einkapselung ein, die bei einer unter der Reaktionstemperatur liegenden Temperatur gegenüber dem System und dem Reaktionsprodukt inert ist. Das Verfahren beinhaltet weiter das Aufheizen der sich ergebenden eingekapselten Elemente auf eine Temperatur, an der die Reaktion unter Bildung der Verbindung stattfindet, während den eingekapselten Elementen und der sich daraus ergebenden Verbindung kontinuierlich ein Gas zugeführt wird, das gegenüber der Reaktion und der dabei entstehenden Verbindung inert ist, wobei dieses Gas unter einem Druck zugeführt wird, der dem Partialdruck der in dem System vorhandenen flüchtigsten Komponente mindestens gleich ist.

Beispiele für Kapselmaterial sind Boroxyd, Bariumoxyd und Verbindungen aus diesen mit Bariumchlorid oder Natriumfluorid.

Das Verfahren wird beschrieben im Zusammenhang mit der Herstel-

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lung von Galliumasenid und es wird ausgeführt, wie das Verfahren auf die Herstellung von Galliumphoshphid und anderen stärker komplexen Verbindungen angewendet werden kann.

Obgleich sich das bekannte Verfahren offensichtlich für die Herstellung von Galliumarsenid eignet, hat es sich für die Herstellung von Galliumphosphid nicht bewährt. Dies liegt daran, daß die Phosphorkomponente des Ausgangsgemisches bei Temperaturen unterhalb derjenigen Temperatur, an welcher das Kapselmaterial schmilzt, einen beträchtlichen Dampfdruck aufweist. Infolgedessen hat sich die Bildung einer Flüssigkeitseinkapselung, auf der das beschriebene Verfahren beruht, vor dem Entweichen großer Mengen der flüchtigen Komponente als unmöglich herausgestellt.

Bekannt ist ein Tiegel aus Beryllium mit einer Abdeckplatte, der in einem Behälter aus Tantal, Molybdän oder Wolfram angeordnet ist und ein offenes oberes Ende aufweist, in dem ein Stopfen dicht eingepaßt ist (GB-PS 925 762). Es wird ausgeführt, daß der Stopfen und der Behälter vorzugsweise nach der mindestens teilweisen Evakuierung der Gase aus dem Tiegel und dem Behälter miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung durch Schweißen in einer Heliumatmosphäre stattfindet. Nach diesem Abschluß wird die Anordnung auf eine Temperatur von etwa 1.150° C erwärmt. Dabei reagiert das Plutonium mit dem Beryllium unter Bildung von PuBe₁₂* ^Das den Tiegel bildende Beryllium liefert somit das mit dem Plutonium reagierende Material und die äußere Isolierschicht aus Berylliumoxyd und/oder Berylliumnitrid hindert das Beryllium an einer Reaktion mit dem Metallbehälter und dem Stopfen.

Bekannt ist weiter eine mit einem relativ inerten Material ausgekleidete komprimierbare Umhüllung, die in eine Form eingeschlossen ist (GB-PS 925 142). Ein Steigern des Druckes und der Temperatur zum Schmelzen des versiegelten Behälters und das Erreichen der gewünschten chemischen Reaktion durch den kontinuierlichen Anstieg von Temperatur und Druck wird nicht gezeigt.

Hiervon ausgehend liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung

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in der Ausbildung eines verbesserten Verfahrens und einer Vorrichtung zum Synthetisieren von Verbindungen aus den Gruppen III, V und II, VI, wobei das Verfahren nicht auf dem Aufschmelzen eines festen Kapselmaterials vor dem Versiegeln der Ausgangsmischung der Bestandteile beruht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren zum Herstellen einer Verbindung aus zwei Elementen, von denen mindestens eins bei der für die Reaktion erforderlichen Temperatur einen hohen Dampfdruck aufweist, daß ein hohler Behälter aus festem Kapselmaterial gebildet wird, daß die Verbindungen, aus denen die endgültige Vebindung nach der Reaktion entsteht, in den hohlen Behälter eingegeben werden, daß dieser verschlossen wird, daß der verschlossene Behälter in einem Tiegel in eine Reaktionskammer eingesetzt und eine geeignete Reaktionsumgebung gebildet wird, wozu die Kammer mit einem inerten Gas gefüllt und Druck und Temperatur erhöht werden, so daß der gesiegelte Behälter zuerst unter Bildung der Flüssigkeitsversiegelung schmilzt und anschließend die Reaktion zwischen den Verbindungen unter Bildung der gewünschten endgültigen Verbindung bei kontinuierlich ansteigendem Druck und Temperatur erfolgt.

Vorzugsweise werden der Tiegel und dessen Inhalt auf eine Endtemperatur oberhalb der Reaktionstemperatur angehoben, so daß ein vollständiges Schmelzen der entstandenen Verbindung erfolgt. Deren Schmelzpunkt liegt dabei im allgemeinen über der Temperatur, an der die einzelnen Bestandteile unter Bildung der Verbindung reagieren.

Der versiegelte Behälter wird vorzugsweise vor dem Versiegeln evakuiert.

Alternativ kann die Luft gegen ein inertes Gas ausgetauscht werden. Diese alternative Möglichkeit schließt jedoch den Nachteil der Begasung für den Zeitpunkt ein, an dem der Behälter schmilzt. Dies birgt das Risiko eines Bruchs der Flüssigkeitsversiegelung.

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Bei Bedarf an einem gezogenen Kristall läßt sich ein Keimkristall in die Schmelze bis unter die einkapselnde Flüssigkeitsversiegelung einbringen, die beim Schmelzen der Behälterwände entsteht. Ein Kristall wird dann in bekannter Weise gezogen.

Die vorligende Erfindung findet besondere Anwendung auf die Herstellung von Galliumphosphid, obwohl die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Das Material, aus dem der hohle Behälter hergestellt ist, ist vorzugsweise Boroxyd.

In Anbetracht der eingesetzten Drücke und des erforderlichen Vakuums hat der hohle Behälter vorzugsweise die Form einer Hohlkugel. Druckunterschiede lassen sich durch Einsetzen des hohlen Behälters in eine Kammer mit geregeltem Druck herabsetzen, wobei der Innendruck durch diesen in der Kammer herrschenden geregelten Druck ausgeglichen wird.

Bei einem kugelförmigen hohlen Behälter besteht dieser vorzugsweise aus zwei Halbkugeln. Diese werden nach dem Füllen mit den beiden Bestandteilen, wie Gallium und Phosphor, durch thermische Fusion verschlossen. Falls für den verschlossenen Behälter ein Vakuum benötigt wird, wird die thermische Fusion nach der Evakuierung der Kugel und deren unmittelbarer Umgebung durchgeführt. Die thermische Fusion wird im allgemeinen durch lokales Verschweißen der beiden aneinanderliegenden Kanten der beiden Halbkugeln bewirkt.

Statt der Verwendung von zwei Halbkugeln läßt sich alternativ auch ein hohles Kugelglied ausbilden und mit einer kleinen öffnung versehen. Diese kann nach dem Einfüllen der beiden Hauptsächlichen Ingredienzien und nach dem Evakuieren der Inneren mit einem Stopfen aus Boroxyd verschlossen werden. Falls die aufeinanderliegenden Flächen von Stopfen und Öffnung geeignet geformt sind, so daß ein auf der Außenseite der Kugel lastender überdruck den Stopfen an seinem Ort hält, dichtet dieser von selbst ab und braucht nicht angeschweißt zu werden. Alternativ läßt sich der Stopfen auch durch Schweißen thermisch mit der Kugel

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verbinden.

Bei Verwendung eines selbst abdichtenden Stopfens, wie dieser vorstehend beschrieben wurde, wird der Behälter nach dem Füllen und Evakuieren vorzugsweise in einen Tiegel eingesetzt, wobei der Stopfen nach oben zeigt und ein Fühler über ihm angeordnet wird, damit jede Aufwärtsbewegung des Fühlers sofort angezeigt wird. Ebenso können Regeleinrichtungen vorgesehen werden, die auf eine von dem Fühler erkannte Bewegung ansprechen und den Druck des inerten Gases in der den Behälter umgebenden Reaktionskammer regeln, um damit diesen Druck zu erhöhen und den notwendigen Überdruck aufrecht zu erhalten, um den Stopfen während der Anfangsphasen der Aufheizung in der öffnung zu halten.

Nach dem Wegschmelzen der Einkapselung werden die Temperatur und der Druck der Kammer vorzugsweise programmiert, so daß Temperaturanstiege durch entsprechende Druckanstiege ausgeglichen und die Flüssigkeitsversiegelung in Takt gehalten werden.

Der hohle Behälter kann jede geeignete Form aufweisen. Im vorstehenden wurde auf die Kugelform als bevorzugte Form für extrem hohe Drücke hingewiesen, wie sie zum Beispiel bei der Bearbeitung von Galliumphosphid benötigt werden. Andere Behälterformen, wie zum Beispiel elliptische, zylindrische und geradlinige Formen, lassen sich ebenso verwenden. Dies gilt insbesondere dann, wenn vor dem Herunterschmelzen des Behälters niedrige Drücke vorherrschen.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß anders als bei dem aus der GB-PS 1 330 194 bekannten Verfahren die Materialien, aus denen die intermetallische Verbindung hergestellt wird, vollständig innerhalb des festen abgedichteten Behälters befindlich sind, bevor das Behältermaterial unter Bildung einer Flüssigkeitsabdichtung über dem Tiegel, der den Behälter enthält, abschmilzt. Aus diesem Grund sollte der Tiegel, in den der abgedichtete Behälter eingesetzt wird, ähnlich wie die Außenform des unteren Teils des abgedichteten Behälters gestaltet sein, so daß dieser

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eng in den Tiegel einpaßt, und daß die obere Hälfte des abgedichteten Behälters, die nicht mit der Tiegelwand in Berührung steht, sich beim Abschmelzen nur in einer allgemeinen Richtung nach unten verformt und sich nicht weit auseinanderspreizen muß, um mit der Größe des Tiegels Kontakt zu machen und damit in diesem eine vollständige Abdichtung zu schaffen, unter der die flüchtigen Bestandteile eingeschlossen sind.

Sofern der Tiegel eine halbkugelförmige Innenfläche enthält, die von einer allgemein zylindrischen Innenfläche ausgeht, hat der Behälter zweckmäßig die Form eines halbkugelförmigen Gehäuses, das durch eine halbkugelförmige Kappe und eine zylindrische Platte gebildet wird, deren Radius dem Radius der Krümmung der halbkugelförmigen Kappe ähnlich ist und wobei der Radius der letzteren dem Radius der halbkugelförmigen Fläche am unteren Ende des Tiegels gleich ist. Ein solcher Behälter läßt sich dann in den Tiegel einsetzen, wobei der hälbkugelförmige Abschnitt mit dem halbkugelförmigen unteren Ende des Tiegels in inniger Berührung steht und wobei die zylindrische Platte, die das Innere der halbkugelförmigen Kappe abdichtet und die beim Schmelzen die Flüssigkeitsabdichtung bildet, sich im wesentlichen schon in einer Lage über dem Inhalt des Behälters befindet und mit dessen Wänden in wirklichem Kontakt steht.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Querschnitt durch einen in einem erfindungsgemäßen Tiegel angeordneten kugelförmigen Behälter,

Fig. 2 ein Querschnitt durch einen zweiten, ebenfalls in einem erfindungsgemäßen Tiegel angeordneten kugelförmigen Behälter, der einen selbstabdichtenden Stopfen aufweist,

Fig. 3 ein Querschnitt durch einen zylindrischen Behälter in einem ebenfalls erfindungsgemäßen Tiegel und

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Fig. 4 ein Querschnitt durch einen weiteren Behälter in Form einer Halbkugel, der ebenfalls in einem erfindungsgemäßen Tiegel angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines abgedichteten Behälters aus den beiden halbkugelförmigen Schalen 10 und 12 aus Boroxyd. Diese sind entlang der aneinanderllegenden kreisförmigen Kanten gegeneinander abgedichtet. Die Berührungslinie ist mit 14 bezeichnet.

Der abgedichtete kugelförmige Behälter befindet sich in einem zylindrischen Tiegel 16. Dessen Innendurchmesser ist dem Durchmesser der beiden kugelförmigen Schalen 10 und 12 ähnljdi. Sein unteres Ende ist abgeschlossen und weist die Form einer halbkugelförmigen Fläche 18 auf. Diese steht in innigem Kontakt mit der unteren Hälfte der kugelförmigen Schale 10, 12, sofern die letzteren in den Tiegel eingesetzt sind.

Vor dem Einsetzen in den Tiegel 16 ist die kugelförmige, aus den beiden ti halbkugelförmigen Schalen 10 und 12 gebildete Schale teilweise oder vollständig mit denjenigen Stoffen gefüllt, die bei der Reaktion die gewünschte intermetallische Verbindung bilden. Sofern Galliumphosphid gewünscht wird, werden stöchiometrische Mengen von Gallium und Phosphor in die beiden Schalen eingegeben und diese werden evakuiert und falls erforderlich durch thermische Fusion nach außen abgedichtet. Hierzu kann zum Beispiel entlang der Berührungslinie 14 geschweißt werden.

Der Füllvorgang erfolgt zweckmäßig dadurch, daß die obere Schale 10 abgenommen und die untere Schale 12 mit stöchiometrisehen Mengen der beiden Bestandteile gefüllt wird, daß die Umgebung, in die die beiden Schalen eingesetzt werden, evakuiert wird und daß die obere Schale 12 in der evakuierten Umgebung auf die untere Schale 12 aufgesetzt wird und daß die beiden Schalen durch Fernsteuerung oder dergleichen thermisch miteinander versch-Jmolzen werden, wozu in einem typischen Anwendungsfall eine elektrische Heizeinrichtung an die BerUhrungslinie angesetzt wird.

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Von dem in Fig. 1 gezeigten kugelförmigen und in den Tiegel 16 eingesetzten Behälter wird angenommen, daß er gefüllt und auf diese oder eine ähnliche Weise abgedichtet wurde.

Der Tiegel und der abgedichtete und evakuierte kugelförmige Behälter 10, 12 befinden sich in einer allgemein mit 20 bezeichneten Wachstumskammer. Diese läßt sich bis auf Drücke unter Druck setzen, die über dem Dampfdruck des am stärksten flüchtigen und in dem Behälter 10, 12 enthaltenen Bestandteiles liegen. Zu diesem Zweck wird die Kammer 20 mit einer Druckquelle verbunden. Diese läßt sich bei Weiterschreiten der Reaktion einstellen, um damit den Dampfdruck des am stärksten flüchtigen Bestandteiles zu kompensieren.

Zusätzlich ist noch eine Heizspirale 22 in der Wachstumskammer 20 um den Tiegel 16 herum angeordnet. Die Heizspirale kann entweder eine HF-Induktionsspule sein. In diesem Fall besteht der Tiegel 16 vorzugsweise aus einem Material, das gegenüber dem HF-Feld empfänglich ist. Alternativ kann die Heizspirale auch eine sogenannte Widerstandwicklung zur unmittelbaren Aufheizung des Tiegels und des Behälters sein.

Die Temperaturen und Drücke und Reagenzien in der Wachstumskammer 20 sind so gewählt, daß in dieser keine Luft vorhanden sein sollte. Zu diesem Zweck hat die mit 24 bezeichnete Einrichtung zum Unterdrucksetzen k» der Kammer 20 die Form einer Quelle für inertes Gas. Dieses wird zuerst zum Ausspülen der Kammer 20 verwendet und dann in einer unter Druck gesetzt.

Nicht gezeigte Regeleinrichtungen sind noch vorgesehen, um die Temperatur des Tiegels und des Behälters anzuheben. Hierzu werden der Spule 22 geeignete elektrische Ströme zugeführt und gleichzeitig der Gasdruck in der Kammer 20 erhöht. Der Gasdruck wird dabei so eingeregelt, daß er immer über dem erwarteten Druck des am stärksten flüchtigen Bestandteiles in dem Behälter 10, liegt. Damit herrscht ein ständiger Überdruck und der kugelförmige Behälter wird immer geschlossen gehalten.

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Bei ansteigender Temperatur beginnt das Material, aus dem der Behälter gebildet ist, zu schmelzen und zu fließen und die stöchiometrischen Mengen der Hauptreagenzien werden eingekapselt und eine Flüssigkeitsabdichtung über diesen gebildet.

Nach dem Aufbau dieser Flüssigkeitsabdichtung werden die Temperatur und der Druck bis zum Erreichen der Reaktionstemperatur weiter erhöht. Bei dieser Temperatur reagieren die in dem Einkapselmaterial enthaltenen Stoffe unter Bildung des Endproduktes.

Die Temperatur und falls erforderlich der Druck werden weiter erhöht, um sicherzustellen, daß das Endprodukt nach dem Erreichen dieser Stufe selbst schmilzt. Die Temperatur und der Druck können allmählich herabgesetzt und/oder ein einzelnes Kristall aus der Schmelze gezogen werden. Hierzu wird ein Keimkristall durch die einkapselnde Lage in die Schmelze eingetaucht und das Kristall in bekannter Weise gezogen.

Fig. 2 zeigt eine alternative und bevorzugte Ausführungsform des in Fig. 1 mit 10 bezeichneten kugelförmigen Behälters. Der in Fig. 2 gezeigte Behälter trägt das Bezugszeichen 26. Im typischen Fall besteht er aus zwei halbkugelförmigen Schalen aus einem Material wie zum Beispiel Boroxyd. Diese beiden Schalen sind entlang ihrer Berührungslinie abgedichtet. Zugang zu dem Inneren des kugelförmigen Behälters erhält man durch eine kleine kreisförmige Öffnung am oberen Ende der Schale. Diese Öffnung trägt das Bezugszeichen 28. Die Öffnung wird durch einen Stopfen verschlossen, der aus dem gleichen Material wie der übrige Teil des Behälters besteht. Der Stopfen ist so geformt, daß die Kugelform nach seinem Einsetzen sowohl innen als auch außen gehalten bleibt. Der Stopfen trägt seinerseits das Bezugszeichen 30. Sofern die Öffnung 28 durch Einsägen der Wand der kugelförmigen Schale hergestellt wurde, kann der Stopfen 30 aus dem beim Sägen anfallenden Materialausschnitt hergestellt werden.

Im Betrieb wird der in Fig. 2 gezeigte Behälter 26 in ähnlicher Weise benutzt, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde.

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Die Stufe des Abdichtens der beiden halbkugelförmigen Schalen zum Herstellen des kugelförmigen Gliedes muß jedoch nicht notwendig mit den im Behälter enthaltenen flüchtigen Bestandteilen durchgeführt werden. Sie kann Teil des Herstellungsverfahrens des Behälters ± an der ersten Stelle sein, während der Behälter noch leer ist.

Das Anwendungsverfahren schließt das Befüllen des kugelförmigen Behälters durch die Öffnung 28 mit den stöchiometrischen Mengen der Bestandteile ein, die in die intermetallische Verbindung umgeformt werden. Der gefüllte Behälter wird in eine Vakuumkammer eingesetzt. Für eine Fernsteuerung und ein Einsetzen des Stopfens 30 in die Kammer ist dabei Sorge getragen. Nach dem Evakuieren der Kammer wird der Stopfen 30 in die Öffnung 28 eingesetzt. Anschließend wird die Vakuumkammer unter Druck gesetzt und der äußere Überdruck hält den Stopfen 30 fest an seiner Stelle.

Vorzugsweise wird der Stopfen 30 vor dem Einsetzen der Vorrichtung in die Vakuumkammer etwas in die Öffnung 28 eingeschliffen. Damit erhält man nach dem Einsetzen des Stopfers 30 in die Öffnung 28 in der Vakuumkammer eine zuverlässige Vakuum-dichte Abdichtung zwischen dem Stopfen und der Wand der Öffnung 28. Alternativ kann der Stopfen auch eingeschweißt werden.

Der evakuierte Behälter 26 wird nun in einen Tiegel in einer Wachstumskammer eingesetzt, die selbstverständlich die Vakuumkammer sein kann. Die Yachstumskammer wird dann mit einem geeigneten Überdruck beaufschlagt, und der Tiegel und der Behälter wie zuvor beschrieben aufgeheizt. Das Aufheizen umfaßt zwei Stufen. Während der ersten Stufe wird die Wand des Behälters 26 abgeschlossen, so daß sich auf den stöchiometrischen Mengen der Bestandteile die Flüssigkeitsabdichtung ausbildet. Anschließend wird aufgeheizt und der Überdruck erhöht, so daß der Dampfdruck des stärker flüchtigen Bestandteiles unter der Flüssigkeitsabdichtung gehalten wird, bis die geeignete Reaktion stattgefunden und die gewünschte intermetallische Verbindung geformt worden ist.

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Der Vorteil der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform gegenüber der nach Fig. 1 liegt darin, daß sich der Stopfen 30 selbst abdichtet und kein Schweißen oder eine andere Art der Verbindung zwischen den beiden Schalen notwendig ist, mindestens nachdem der Behälter mit den Bestandteilen gefüllt wurde. Dies ist dann von besonderem Wert, falls einer der Bestandteile schon bei niedrigen Temperaturen stark flüchtig ist.

Ein weiterer Vorteil der in Fig. 2 gezeigten Anordnung gegenüber der nach Fig. 1 liegt darin, daß praktisch der gesamte Innenraum der kugelförmigen Schale 26 mit den stöchiometrischen Mengen der Bestandteile zum Bilden der intermetallischen Verbindung gefüllt werden kann, während es bei der Ausführungsform nach Fig. 1 schwierig ist, mehr als die Hälfte des kugelförmigen Innenraumes der Hülse zu füllen.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnungen sind in erster Linie als Behälter für Stoffe bestimmt, von denen der eine wie zum Beispiel Phosphor stark flüchtig ist. Sie müssen daher sehr beträchtlichen Überdrücken standhalten, es sei denn, daß der Innendruck durch einen gleichen Druck ohne Behälter ausgeglichen wird.

Die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen lassen sich einfacher herstellen. Aufgrund ihrer Konstruktion können sie jedoch nicht den gleichen Überdrücken wie die Kugelformen gemäß den Figuren 1 und 2 standhalten, es sei denn, daß Einrichtungen zum Druckausgleich verwendet werden.

Fig. 3 zeigt einen zylindrischen Behälter, in dem die stöchiometrischen Mengen der beiden oder mehr Bestandteile in der zylindrischen Hülse 32 mit Hilfe einer ebenen kreisförmigen Endkappe 34 verschlossen gehalten werden. Diese liegt auf dem offenen Ende des zylindrischen Behälters 32 auf und wird vorzugsweise durch thermische Fusion in ihrer Lage gehalten.

Sofern der Innenraum wie es in bezug auf die Figuren 1 und 2 be-

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schrieben wurde, evakuiert werden muß, kann die Unterseite der Platte 34 etwas auf die obere ringförmige Kante des Behälters 32 eingeschliffen werden, so daß der gefüllte Behälter 32 in eine Vakuumkammer eingestellt und der Deckel 34 nach der Evakuierung der Kammer durch Fernsteuerung an seine Stelle gebracht werden kann. Das Vakuum, das in dem nun verschlossenen und durch die beiden Teile 32 und 34 gebildeten Behälter herrscht, hält nun den Deckel 34 nach der Druckbeaufschlagung der Vakuumkammer an seinem Ort.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform wird in der Praxis in der gleichen Weise wie die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung verwendet. Sie gestattet die Verwendung eines zylindrischen Tiegels, wo dies angebracht ist, der sich einfacher als der teilweise halbkugelförmige und in bezug auf Fig. 1 beschriebene Tiegel herstellen läßt.

Fig. 4 zeigt einen kugelförmigen Behälter aus einer halbkugelförmigen Schale 36 und einem ebenen kreisförmigen Deckel 38. Der Vorteil des halbkugelförmigen Behälters gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten kugelförmigen Behälter liegt darin, daß sich der gesamte Innenraum leichter mit den stöchiometrisehen Mengen der beiden oder mehr Bestandteile füllen läßt,als dies bei dem kugelförmigen Behälter aus den Schalen 10 und 12 gemäß Fig. 1 möglich ist. Die ebene Platte 38 verringert jedoch den Überdruck, dem der gefüllte und abgedichtete Behälter standhalten kann. Ebenso wie die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform eignet sich der halbkugelförmige Behälter im wesentlichen für verhältnismäßig niedrige Drücke.

Der Behälter wird in der gleichen Weise gefüllt,wie dies für Fig. 3 beschrieben wurde, und die halbkugelförmige Schale 36 wird zuerst mit den stöchiometrischen Mengen der beiden oder mehr Bestandteile gefüllt, und falls der Deckel 38 einen Paßsitz aufweist (was durch geringes Einschleifen auf die obere ringförmige Kante der halbkugelförmigen Schale 36 erreicht wird), kann der Deckel auf die gefüllte halbkugelförmige Schale in einer evakuierten Umgebung aufgesetzt werden, wie dies zuvor beschrieben

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wurde. In der evakuierten Umgebung wird dabei eine Fernsteuerung verwendet, worauf dann die Abdichtung zwischen dem Deckel 38 und der halbkugelförmigen Schale 36 durch den Überdruck bewirkt wird, der nach Entfernen des äußeren Vakuums den nun geschlossenen Behlälter umgibt.

Zum Verbessern der Abdichtung zwischen den beiden Abschnitten des Behälters, wie er in den Figuren 1, 3 und 4 gezeigt wird, können die aufeinanderliegenden Flächen bearbeitet oder auf andere Weise so gestaltet werden, wie es in Fig. 4a gezeigt wird. Hier ist ein ringförmiger Schlitz 40 zum Beispiel in die obere Umfangskante des einen Gliedes und eine damit zusammenwirkende ringförmige Rippe 42 in die zusammenwirkende Kante oder Unterseite der Platte des zweiten Teiles der Umschließung eingearbeitet. Fig. 4a soll sich speziell auf Fig. 4 beziehen,und zu diesem Zweck ist das den Schlitz 40 enthaltende Element mit dem Bezugszeichen 36 versehen,und das den Ringförmigen Anschlag 42 aufweisende Element trägt das Bezugszeichen 38. Es leuchtet jedoch ein, daß die gleiche Abänderung auch bei den beiden in den Figuren 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen in einer ähnlichen Weise getroffen werden kann.

Fig. 4a ist nur als ein Beispiel einer möglichen Abänderung zum Verbessern der Abdichteigenschaften der Verbindung zwischen den beiden aufeinanderliegenden Flächen bestimmt. Mit zwei oder mehr solcher Schlitze und ineinandergreifender Lippen oder Anschläge läßt sich die Abdichtung noch weiter verbessern.

Die Bedingungen, unter denen die Behälter betrieben werden, werden weiter unten in den folgenden Beispielen erläutert. Sie legen die Bedingungen fest, die für die Bildung von vier typischen intermetallischen Verbindungen erforderlich sind.

1. Bildung von Galliumarsenid

Die Temperatur, bei der Gallium und Arsen unter Bildung von Galliumarsenid reagieren, liegt bei etwa 800° C. Das resul-

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tierende Produkt liegt in fester Form vor und nach völliger Umwandlung von Gallium und Arsen wird die Temperatur auf etwa 1.280° C angehoben. Dies ist der Schmelzpunkt von Galliumarsenid, und der vollständige Ablauf der Reaktion wird damit sichergestellt.

2. Bildung von Galliumphosphid

Es wird angenommen, daß die Temperatur, bei welcher Gallium und Phosphor unter Bildung von Galliumphosphid reagieren, 595° C beträgt. Wie bei Galliumarsenid wird das entstandene Material dann weiter auf etwa 1.465° C aufgeheizt. Dies ist der annähernde Schmelzpunkt von Galliumphosphid,und damit wird der vollständige Ablauf der Reaktion sichergestellt.

3. Indiumphosphld

Es wird angenommen, daß die Temperatur, bei der die Reaktion zwischen Indium und Phosphor unter Bildung von Indiumphosphid stattfindet, ähnlich wie bei Galliumphosphid ist, daß der Schmelzpunkt von Indiumphoshphid aber bei nur etwa 1.060° C liegt.

4. Bildung von Bleitellurid

Die Temperatur, bei der die Reaktion zwischen Blei und Tellur unter Bildung von Tellurid stattfindet, beträgt etwa 350° C. Der Schmelzpunkt von PgTe ist 917° C.

Die obigen Temperaturen sollten mit der Temperatur vergleichen werden, bei der das den Behälter bildende Material verformbar ist. Man erkennt, daß Boroxyd (B₂O,) ein für die Bildung sämtlicher oben genannter Zwischenmetallischer Verbindungen geeignetes Material ist, da sein Schmelzpunkt im Bereich von 450 bis 500° C liegt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung von Boroxyd beschränkt ist,und jedes geeignete Kapselmaterial läßt sich verwenden, vorausgesetzt, daß es bei

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Raumtemperatur fest ist, so daß die Schalen und/oder Farbplatten oder Stopfen der verschiedenen Ausführungsformen entweder durch Maschinenbearbeitung oder Gießen oder auf andere Weise hergestellt werden und zusammengepaßt werden können, so daß sie die stöchiometrischen Mengen der Stoffe aufnehmen, die zum Bilden der zwischenmetallischen Verbindung miteinander zu reagieren haben.

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L e e r s e i t e

Claims

Köln, den 18. Oktober 1979 vA. Anmelderin: Cambridge Analysing Instruments Limited Mein Zeichen: M 70/64 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung aus zwei Elementen, von denen mindestens eins bei der für das Durchführen der Reaktion notwendigen Temperatur einen hohen Dampfdruck aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(1) Eingeben der Ausgangsstoffe, aus denen die endgültige Verbindung nach der Reaktion entsteht, in einen hohlen Behälter aus festem Kapselmaterial,

(2) Abdichten des Behälters,

(3) Einstellen des abgedichteten Behälters in einen Tiegel,

(4) Einstellen des Behälters in eine Reaktionskammer, Füllen der Reaktionskammer mit einem inerten Gas und

(5) Erhöhen des Druckes und der Temperatur in der Reaktionskammer, so daß der abgedichtete Behälter zuerst unter Bildung einer Flüssigkeitsabdichtung wegschmilzt,und anschließendes weiteres Erhöhen des Druckes und der Temperatur, so daß zwischen den Ausgangsstoffen unter Bildung des getiwünschten Endproduktes eine Reaktion stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel und dessen Inhalt auf eine Endtemperatur angehoben

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werden, die über derjenigen liegt, an der die Reaktion stattfindet, so daß ein vollständiges Schmelzen der Verbindung erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgedichtete Behälter vor dem Abdichten evakuiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede in dem Behälter vorhandene Luft vor dem Abdichten gegen ein inertes Gas ausgetauscht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schmelzen des Behälters und dem Ausbilden der Verbindung durch die Reaktion ein Keimkristall in die Schmelze unterhalb der einkapselnden Flüssigkeitsabdichtung eingeführt wird, die durch die geschmolzene Behälterwand gebildet ist, und daß dann ein Kristall in an sich bekannter Weise aus der Schmelze gezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bildende Material Galliumphosphid ist und das Material, aus dem der hohle Behälter besteht, Boroxyd ist.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

(1) ein hohler Behälter (10, 12) aus festem Kapselmaterial,

(2) Einrichtungen (14) zum Abdichten des Behälters, nachdem Ausgangsstoffe, aus denen die endgültige Verbindung nach einer Reaktion gebildet wird, eingegeben worden sind,

(3) ein Tiegel (16) zur Aufnahme des abgedichteten Behälters,

(4) eine Reaktionskammer (20), in die der Tiegel eingesetzt werden kann,

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(5) Heizeinrichtungen (22) zum Aufheizen von mindestens dem Tiegel und dem hohlen Behälter in der Reaktionskammer und

(6) Einrichtungen (24) zum Erhöhen des Druckes in der Reaktionskammer.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Behälter eine Hohlkugel (10, 12) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Behälter aus zwei Halbkugeln besteht und daß Einrichtungen zu deren Verbindung durch thermische Fusion nach dem Füllen mit den beiden Ausgangsstoffen vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Evakuieren des abgedichteten Behälters.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Behälter ein hohles kugelförmiges Glied (10·, 12¹) mit einer kleinen öffnung (28) ist, und daß ein Stopfen aus einem ähnlichen Material wie das, aus dem der hohle Behälter hergestellt ist, zum Einsetzen in die kleine Öffnung vorgesehen ist, nachdem die Ausgangsstoffe durch die Öffnung eingegeben und der Behälterinnenraum evakuiert worden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderpassenden Flächen des Stopfens (30) und der öffnung (28) so geformt sind, daß ein Überdruck auf der Außenseite der Kugel den Stopfen an seinem Ort hält und diesen dadurch selbstabdichtend macht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Tiegels (16) ähnlich wie die Außenform des unteren Teiles (12) des hohlen Behälters gestaltet ist, so daß der letztere eng in den Tiegel hineinpaßt.

30019/0758

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