DE60008586T2 - Cluster von kubischem bornitrid - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Wachstum von Kristallen aus kubischem Bornitrid (CBN) als Kristallcluster.
  • Die Verwendung von Keimen zur Steuerung der Kristallisation, indem man die Zahl der Keimbildungsstellen kontrolliert, ist in der Technik des Kristallzüchtens wohlbekannt. Im Fall der Synthese von kubischem Bornitrid können kleine Teilchen aus kubischem Bornitrid als Keime verwendet werden, um die Dominanz des Kristallwachstums auf den Keimen gegenüber dem Kristallwachstum durch spontane Keimbildung zu fördern. Für solche Anwendungen ist es wünschenswert, zu gewährleisten, dass die Keime eine bekannte Größenverteilung haben, so dass die Zahl der Keime kontrolliert werden kann, und dass die Keime gleichmäßig und diskret verteilt sind.
  • Im Allgemeinen können die Keime in der Technik des Züchtens von Kristallen aus kubischem Bornitrid durch Synthese unter hohem Druck und bei hoher Temperatur (HPHT-Synthese) Teilchen aus kubischem Bornitrid sein, die Einkristalle sind, die nur auf der Basis der Größe ausgewählt werden. Solche Keime werden gewöhnlich hergestellt, indem man größere Kristalle aus kubischem Bornitrid zerkleinert, oder es kann sich um Kristalle aus kubischem Bornitrid im gewachsenen Zustand handeln, und die unter Verwendung dieser Keime gezüchteten Kristalle aus kubischem Bornitrid werden völlig von Einkristallen dominiert. Bei einem Verfahren des Züchtens von Kristallen aus kubischem Bornitrid wird die unterschiedliche Löslichkeit zwischen hexagonalem Bornitrid und kubischem Bornitrid unter denselben Druck- und Temperaturbedingungen als treibende Kraft für die Kristallisation verwendet. Dieses Verfahren ist auch als Verfahren des allotropen Wechsels bekannt. Weitere Verfahren zur Erzeugung von Übersättigung sind in der Technik bekannt. Im Allgemeinen besteht das Ziel dieses Züchtens von kubischem Bornitrid darin, den Anteil von einzelnen und diskreten Kristallen zu maximieren und den Anteil von Clustern, die mehrere Kristalle enthalten, zu minimieren. Wenn solche Cluster vorkommen, können sie auf sekundäre Keimbildung auf der Oberfläche von wachsenden Kristallen zurückzuführen sein, oder die können auf die zufällige Nähe von zwei oder mehr Keimen und/oder wachsenden Kristallen zurückzuführen sein.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Züchten von Clustern aus kubischem Bornitrid die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Quelle für Bor und Stickstoff; Bereitstellen einer Vielzahl von Keimteilchen, wobei jedes Keimteilchen eine gebundene Masse von konstituierenden Teilchen umfasst; Herstellen einer Reaktionsmasse, indem man die Quelle für Bor und Stickstoff und die Keimteilchen in Kontakt mit einem Kristallisationsmittel bringt; Behandeln der Reaktionsmasse unter Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks, die für das Kristallwachstum geeignet sind; Gewähren einer ausreichenden Zeitspanne, damit Kristallwachstum stattfinden kann, und Gewinnen der Cluster aus kubischem Bornitridkristall aus der Reaktionsmasse.
  • Das Keimteilchen liefert aufgrund seiner Struktur mehrere Keimbildungsstellen, die statistisch orientiert sein können, und die anfänglichen Kristalle, die wachsen, weisen je nach der Struktur des Wachstumszentrums eine Vielzahl von kristallographischen Richtungen auf. Einige dieser Kristalle werden so orientiert sein, dass sie in der Richtung des schnellsten Wachstums wachsen, während andere Kristalle langsamer wachsen werden. Je nach der Zahl der Keimbildungsstellen im Wachstumszentrum, dem Grad der Interferenz zwischen nebeneinander wachsenden Kristallen und ihren Wachstumsrichtungen wird das Wachstum einiger Kristalle früh beendet sein, während andere weiter wachsen. Dies führt zu einem Kristallcluster, dessen Struktur mit der Struktur des ursprünglichen Keimteilchens zusammenhängt. Wenn die konstituierenden Teilchen, die das Keimteilchen bilden, weiterhin Zwillingsebenen haben, wird der resultierende, gewachsene Kristallcluster kristallographisch verzwillingte Kristalle umfassen. Außerdem kann die Zwillingsstruktur des Keimteilchens zu einem schnelleren Wachstum in besonderen, kristallographischen Richtungen beitragen und so eine Rolle bei der Auswahl fertiggewachsener Kristalle und solcher, die weiter wachsen, spielen.
  • Es hat sich also gezeigt, dass das Verfahren der Erfindung Cluster von kubischen Bornitridkristallen ergibt, wobei die Zahl der Kristalle, die den Cluster bilden, im Bereich von wenigen Kristallen bis zu mehreren hundert Kristallen liegt. Der Cluster aus kubischem Bornitrid umfasst einen Kern und einen überwachsenen Bereich, der eine Vielzahl von Kristalliten aus kubischem Bornitrid enthält, die sich vom Kern aus nach außen erstrecken, wobei der Hauptteil der Kristallite eine Querschnittsfläche hat, die mit zunehmendem Abstand des Kristallits vom Kern zunimmt. Solche Cluster sind vermutlich neu und bilden einen weiteren Aspekt der Erfindung. Die Kristalle der Cluster sind im Allgemeinen im Wesentlichen facettiert und frei von Kristallisationsmittel. Solche Cluster können vorwiegend aus Einkristallen oder vorwiegend aus Zwillingskristallen bestehen. Im Allgemeinen haben wenigstens 80% der Kristallite eine Querschnittsfläche, die mit zunehmendem Abstand des Kristallits vom Kern zunimmt.
  • Durch geeignete Wahl der Keimteilchen ist es möglich, Cluster von ausgewählter und gesteuerter oder maßgeschneiderter Struktur herzustellen, einschließlich Clustern mit erheblichen Aspektverhältnissen.
  • Diese Cluster können in Schleifteilchenanwendungen, wie Schleifen, Sägen, Schneiden, Drehen, Fräsen, Bohren oder Polieren, verwendet werden. Cluster haben eine bessere Retention in der Bindung und/oder Freischneideeigenschaften als andere herkömmliche Schleifmittel aus kubischem Bornitrid.
  • Auskleidungen oder Beschichtungen können auf Cluster aufgetragen werden, um ihre Nützlichkeit bei bestimmten Anwendungen weiter zu erhöhen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1a ist eine Sekundärelektronen-Mikrophotographie eines frakturierten Clusters aus kubischem Bornitrid mit einer etwa 135fachen Vergrößerung;
  • 1b ist eine Ansicht desselben frakturierten Clusters aus kubischem Bornitrid wie in 1a, gesehen als Bild von gemischter, sekundärer Elektronenemission und Kathodolumineszenz mit einer etwa 135fachen Vergrößerung; das Bild zeigt das Wachstumszentrum in der Mitte links des Clusters, und
  • 2 ist eine Sekundärelektronen-Mikrophotographie (Vergrößerung etwa 135fach) desselben Clusters, wie er in 1 gezeigt ist, gesehen von der Rückseite.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Bei der Quelle für Bor und Stickstoff kann es sich um eine einzige Quelle oder um ein Gemisch von Quellen handeln. Im Fall einer einzigen Quelle für Bor und Stickstoff kann es sich bei der Quelle um irgendeine nicht-kubische Form von Bornitrid, wie hexagonales Bornitrid, oder irgendein anderes, in der Technik der Synthese von kubischem Bornitrid bekanntes Bornitrid handeln. Im Fall eines Gemischs von Quellen für Bor und Stickstoff kann es sich bei der Quelle um ein Gemisch der oben genannten Quellen, ein Gemisch von Magnesiumborid und Magnesiumnitrid, ein Gemisch von anderen geeigneten Nitriden und Boriden oder eine Kombination von diesen und irgendeiner anderen, geeigneten Quelle für Bor oder Stickstoff handeln.
  • Die Keimteilchen können von kubischem CVD-Bornitrid, durch Schockwellen erzeugtem, kubischem Bornitrid, kubischem HPHT-Bornitrid oder polykristallinem, kubischem Bornitrid (PCBN) abgeleitet sein. Keimteilchen, die eine gebundene Masse von konstituierenden Teilchen aus kubischem Bornitrid sind, liefern eine Vielzahl von Keimbildungsstellen, deren Zahl durch die Auswahl einer geeigneten Kombination des Größenbereichs der konstituierenden Teilchen und des Größenbereichs des Wachstumszentrums gesteuert wird. Die konstituierenden Teilchen des Wachstumszentrums können kristallographisch statistisch orientiert sein. Die konstituierenden Teilchen können jede geeignete Größe haben, haben aber typischerweise eine Größe von weniger als 200 μm. Die Keimteilchen können jede beliebige Größe haben, haben aber typischerweise eine Größe von weniger als 1 mm.
  • Die Bindung in den Keimteilchen ist derart, dass eine Beziehung, im Allgemeinen eine vorbestimmte Beziehung, zwischen einzelnen, konstituierenden Teilchen entsteht. Die Bindung kann eine Selbstbindung zwischen konstituierenden Teilchen sein oder mittels eines Bindemittels erfolgen, das organisch oder anorganisch sein kann.
  • Keimteilchen aus kubischem CVD-Bornitrid können bereitgestellt werden, indem man CVD-Film zerkleinert und auf einen geeigneten Größenbereich siebt. Die zerkleinerten CVD-Teilchen können mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels agglomeriert werden, um das Wachstumszentrum zu bilden. Die Größe des Wachstumszentrums kann durch eine geeignete Klassierungstechnik, wie Sieben, gesteuert werden. Die konstituierenden CVD-Teilchen enthalten mehrere Zwillingsebenen, deren mittlere, räumliche Dichte von der Natur des CVD-Films abhängt, von dem sie abgeleitet sind. Daher enthält das Keimteilchen mehrere konstituierende Teilchen mit mehreren Zwillingsebenen.
  • Keimteilchen aus kubischem HPHT-Bornitrid können bereitgestellt werden, indem man eine geeignete Größenfraktion von Teilchen aus kubischem Bornitrid auswählt, das kubische Bornitrid unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels granuliert und mit einer geeigneten Klassierungstechnik, wie Sieben, einen geeigneten Größenbereich von Keimteilchen erzeugt.
  • Keimteilchen aus polykristallinem, kubischem Bornitrid (PCBN) können bereitgestellt werden, indem man ein PCBN mit geeigneter Korbgröße auswählt und auf einen geeigneten Größenbereich zerkleinert. Keimteilchen dieses Typs enthalten mehrere konstituierende Teilchen (Körner), von denen ein Teil mikroverzwillingt sein kann.
  • Keimteilchen können ein beliebiges Aspektverhältnis, d.h. Verhältnis von Länge zu Breite, haben.
  • Kristallisationsmittel für die Synthese von kubischem Bornitrid sind in der Technik wohlbekannt. Beispiele für solche Kristallisationsmittel sind Alkalimetallelemente, wie Lithium, und Legierungen, die diese Elemente enthalten, sowie die Nitride und Bornitride dieser Elemente. Weitere, geeignete Kristallisationsmittel für die Synthese von kubischem Bornitrid sind Erdalkalielemente, wie Calcium und Magnesium, Legierungen von Erdalkalielementen sowie die Nitride und Bornitride dieser Elemente. Weitere Beispiele für geeignete Kristallisationsmittel sind Alkali- und Erdalkalifluoronitride, Wasser, Chlorwasserstoff, Borazin, Hydrazin, Borane und eine Auswahl von organischen Verbindungen.
  • Die Quelle für Bor und Stickstoff und die Keimteilchen werden mit dem Kristallisationsmittel in Kontakt gebracht, so dass eine Reaktionsmasse entsteht. Im Allgemeinen werden die Quelle für Bor und Stickstoff und die Keimteilchen mit dem Kristallisationsmittel in Teilchenform gemischt. Es muss ausreichend Bor- und Stickstoffquelle vorhanden sein, um eine Übersättigung in dem Kristallisationsmittel zu erzeugen oder unter Bildung irgendeiner Zwischenverbindung zu reagieren und für ein Wachstum der Kristallcluster aus kubischem Bornitrid auf die gewünschte Größe zu sorgen.
  • Kristallisations- und Kristallstrukturmodifikatoren können in die Reaktionsmasse eingeführt werden, um spezielle Ziele zu erreichen, wie Modifikation der elektrischen, Halbleiter- und mechanischen Eigenschaften und der Stöchiometrie der gewachsenen Kristalle.
  • Die Reaktionsmasse kann in eine Reaktionskapsel gefüllt werden, die in die Reaktionszone einer Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur eingebracht wird, und der Inhalt kann dann den gewünschten Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks ausgesetzt werden. Die Quelle für Bor und Stickstoff reagiert, löst sich auf oder zersetzt sich, und die Spezies wandern zur Oberfläche des Keimteilchens und schlagen sich darauf nieder oder wachsen daran an. Die konstituierenden Kristalle der resultierenden Cluster aus kubischem Bornitrid haben je nach dem verwendeten Sättigungs-Zeit-Profil sowie den Temperatur- und Druckbedingungen, der chemischen Zusammensetzung des Kristallisationsmittels und der kristallographischen Struktur der konstituierenden Teilchen der Keimteilchen eine Morphologie und Vorherrschaft von Einkristallen oder kristallographischen Zwillingen.
  • Die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks, die bei dem Verfahren verwendet werden, können solche sein, unter denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil ist. Diese Bedingungen sind in der Technik wohlbekannt. Im Allgemeinen liegt die erhöhte Temperatur im Bereich von 1200 bis 2200°C, und der erhöhte Druck liegt im Bereich von 4 bis 8 GPa. Diese Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks werden ausreichend lange aufrechterhalten, damit der Cluster aus kubischem Bornitrid auf die gewünschte Größe wachsen kann. Die Zeit wird im Allgemeinen mehr als 10 Minuten betragen und kann auch mehrere Stunden betragen.
  • Es ist auch möglich, das Wachstum des kubischen Bornitrids unter Bedingungen zu erreichen, die außerhalb des Bereichs der thermodynamischen Stabilität von kubischem Bornitrid liegen. Temperatur- und Druckbedingungen außerhalb des Bereichs der thermodynamischen Stabilität von kubischem Bornitrid können verwendet werden, wenn die Ostwald-Regel und nicht die Ostwald-Volmer-Regel den Wachstumsvorgang dominiert (siehe 5. Bohr, R. Haubner und B. Lux, "Diamond and Related Materials", Band 4, Seite 714–719, 1995) – "Gemäß der Ostwald-Regel gilt: Wenn Energie aus einem System mit mehreren Energiezuständen abgezogen wird, wird das System den stabilen Grundzustand nicht direkt erreichen, sondern nach und nach alle Zwischenstadien durchlaufen. Außerdem wird nach der Ostwald-Volmer-Regel die weniger dichte Phase zuerst gebildet (ausgekeimt). Wenn die beiden Regeln einander widersprechen würden, hat die Ostwald-Volmer-Regel Priorität gegenüber der Ostwald-Regel." Im Fall des Kristallwachstums von kubischem Bornitrid außerhalb des Bereichs der thermodynamischen Stabilität kann die Ostwald-Volmer-Regel zum Beispiel durch Anwendung von Druck unterdrückt werden, so dass das Wachstum von kubischem Bornitrid auf bereits vorhandenen Teilchen aus kubischem Bornitrid ermöglicht wird, vorausgesetzt, es sind im Wesentlichen keine hexagonalen Bornitridkristalle vorhanden.
  • Isotherme und isobare Bedingungen werden bei dem Verfahren dieser Erfindung bevorzugt. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Herstellung von Bedingungen für das Kristallwachstum von kubischem Bornitrid, wie das Temperaturgradientenverfahren und die größenabhängige Übersättigung, verwendet werden.
  • Die Gewinnung der Cluster aus kubischem Bornitrid aus der Reaktionsmasse kann nach Verfahren durchgeführt werden, die in der Technik wohlbekannt sind, z.B. durch Hydrolysieren des Kristallisationsmittels unter Verwendung von Wasser oder je nach dem verwendeten Kristallisationsmittel nach jedem anderen geeigneten Verfahren.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert.
  • Beispiel 1
  • Ein Gemisch aus Lithiumbornitrid und hexagonalem Bornitrid und einer kleinen Menge von selbstgebundenen Teilchen aus kubischem Bornitrid von 44 bis 74 μm wurde hergestellt. Das Gemisch wurde durch isostatische Kompaktierung zu einem Zylinder kompaktiert und durch spanabhebende Verarbeitung auf eine solche Größe gebracht, dass es in die Reaktionskapsel einer Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur passte. Die Reaktionskapsel wurde auf Bedingungen von etwa 1500°C und 5,1 GPa gebracht. Diese Bedingungen wurden 35 Minuten lang aufrechterhalten. Die Reaktionskapsel wurde auf Normaldruck und -temperatur zurückgebracht, und der Inhalt der Reaktionsmasse wurde aus der Reaktionskapsel entnommen. Die Reaktionsmasse wurde mit heißem Wasser hydrolysiert und dann mit Natriumhydroxid verschmolzen. Die nach dieser Behandlung gewonnenen Kristalle lagen in Form von Clustern vor, wie sie in den 1 und 2 gezeigt sind. Die Cluster waren bernsteinfarben, hatten einen Gesamtdurchmesser von durchschnittlich etwa 350 μm und umfassten 20 bis 40 konstituierende Kristalle mit jeweils bis zu etwa 200 μm Breite. Die Cluster umfassten einen Kern 10 und einen überwachsenen Bereich 12, siehe 1b. Der überwachsene Bereich 12 besteht aus mehreren Kristalliten, die eine Querschnittsfläche haben, die mit zunehmendem Abstand des Kristallits vom Kern zunimmt.
  • Beispiel 2
  • Keimteilchen wurden hergestellt, indem man eine Masse von Pulver aus kubischem Bornitrid mit einer mittleren Teilchengröße von 3 μm kompaktierte und den Pressling zerkleinerte und klassierte, so dass man Teilchen mit einem Größenbereich von 45 bis 75 μm erhielt. Eine Menge dieser Keimteilchen wurde mit hexagonalem Bornitrid und einem Lithiumnitrid als Kristallisationsmittel gemischt. Dann wurde das Gemisch in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise wärmebehandelt. Die gewonnenen Cluster aus kubischem Bornitrid hatten im Allgemeinen die in den 1 und 2 gezeigte Form.
  • Beispiel 3
  • Eine Menge der Keimteilchen von Beispiel 2 wurde mit einem 9 : 1-Gemisch von hexagonalem Bornitrid und Magnesium gemischt. Das Gemisch wurde kompaktiert und geformt, um eine Reaktionsmasse zu bilden, in eine Reaktionskapsel gefüllt und auf Bedingungen von etwa 1350°C und etwa 4,4 GPa gebracht. Diese Bedingungen wurden etwa 30 Minuten lang aufrechterhalten. Nach der Gewinnung zeigte sich, dass die Cluster aus kubischem Bornitrid dieselbe allgemeine Form hatten, wie sie in den 1 und 2 gezeigt ist. Die Cluster hatten eine mittlere Größe von etwa 100 μm und umfassten auf der Clusteroberfläche 15 bis 30 Kristalle.

Claims (14)

  1. Cluster aus kubischem Bornitrid mit einem Kern und einem überwachsenen Bereich, der eine Vielzahl von Kristalliten von kubischem Bornitrid enthält, die sich vom Kern aus nach außen erstrecken, wobei der Hauptteil der Kristallite eine Querschnittsfläche hat, die mit zunehmendem Abstand des Kristallits vom Kern zunimmt.
  2. Cluster aus kubischem Bornitrid gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens 80% der Kristallite eine Querschnittsfläche haben, die mit zunehmendem Abstand des Kristallits vom Kern zunimmt.
  3. Cluster aus kubischem Bornitrid gemäß Anspruch 1 oder 2, der im Wesentlichen frei von einem Kristallisationsmittel für die Synthese von kubischem Bornitrid ist.
  4. Cluster aus kubischem Bornitrid gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kristallite im Wesentlichen facettiert sind.
  5. Cluster aus kubischem Bornitrid gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kern eine gebundene Masse von konstituierenden Teilchen aus kubischem Bornitrid umfasst.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Clustern aus kubischem Bornitrid, wobei jeder Cluster wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 definiert ist, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Quelle für Bor und Stickstoff; Bereitstellen einer Vielzahl von Keimteilchen, wobei jedes Keimteilchen eine gebundene Masse von konstituierenden Teilchen umfasst; Herstellen einer Reaktionsmasse, indem man die Quelle für Bor und Stickstoff und die Keimteilchen in Kontakt mit einem Kristallisationsmittel bringt; Behandeln der Reaktionsmasse unter Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks, die für das Kristallwachstum geeignet sind; Gewähren einer ausreichenden Zeitspanne, damit Kristallwachstum stattfinden kann, und Gewinnen der Cluster aus kubischem Bornitridkristall aus der Reaktionsmasse.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei es sich bei der Quelle für Bor und Stickstoff um hexagonales Bornitrid, eine andere nicht-kubische Form von Bornitrid, ein Gemisch aus zwei oder mehr solcher Bornitride oder ein Gemisch aus einem Nitrid und einem Borid handelt.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei es sich bei den konstituierenden Teilchen der Keimteilchen um kubisches Bornitrid handelt.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das kubische Bornitrid für die Keimteilchen aus kubischem Bornitrid aus CVD, mit Schockwellen erzeugtem, kubischem Bornitrid, kubischem Bornitrid aus HPHT und polykristallinem, kubischem Bornitrid und einer Kombination von zwei oder mehreren davon ausgewählt ist.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die konstituierenden Teilchen eine Größe von weniger als 200 μm haben.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Keimteilchen eine Größe von weniger als 1 mm haben.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Bindung in den Keimteilchen durch Selbstbindung zwischen konstituierenden Teilchen erreicht wird.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Bindung zwischen konstituierenden Teilchen in den Keimteilchen mittels eines Bindemittels erreicht wird.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die erhöhte Temperatur im Bereich von 1200 bis 2200°C liegt und der erhöhte Druck im Bereich von 4 bis 8 GPa liegt.
DE60008586T 1999-11-19 2000-11-17 Cluster von kubischem bornitrid Expired - Lifetime DE60008586T2 (de)

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ZA997209 1999-11-19
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ZA200000198 2000-01-18
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DE60008586D1 DE60008586D1 (de) 2004-04-01
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EP (1) EP1237647B1 (de)
JP (1) JP5046459B2 (de)
AT (1) ATE260140T1 (de)
AU (1) AU1170501A (de)
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