DE69008706T2 - Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zubereitung von Silizium-Nitrid mit einem hohen α-Anteil, d. h. über 85%, durch die direkte Nitrierung von Silizium-Metall.
  • Silizium-Nitrid ist seit vielen Jahren bekannt. Aufgrund seiner hervorragenden Festigkeitseigenschaften sowohl bei Raum- als auch erhöhten Temperaturen sowie seiner elektrischen Isolierfähigkeiten ist jedoch das Interesse an diesem Material in den letzten Jahren erheblich größer geworden. Demnach ist beträchtliches Interesse aufgekommen, verbesserte Verfahren für seine Zubereitung zu entwickeln, mit denen α-Silizium-Nitrid auf effizientere und wirtschaftlichere Weise hergestellt werden kann, das zur Zubereitung von Silizium-Nitrid-Endprodukten verwendet werden kann, die alle die jeweils gewünschten Formen und Querschnittsflächen aufweisen.
  • Es gibt mehrere Techniken, die für die großtechnische Herstellung/Synthese von Silizium-Nitrid verwendet werden. Die gebräuchlichsten darunter beinhalten die Nitrierung von Silizium-Metall- Pulver. Die meisten Hersteller, die diese Technik einsetzen, verwenden entweder eine fließende Atmosphäre oder eine quasi-statische Atmosphäre bei leichtem Überdruck. Temperatur und Gasdurchfluß werden geregelt, indem der Kammerdruck zwischen zwei festen Grenzwerten auf einem leichten Überdruck gehalten wird. Infolge der erheblichen Exotherme, welche mit der Nitrierung von Silizium-Pulver einhergeht, wurden mit diesen Verfahren im allgemeinen nur rund 1,5 Kilogramm Silizium-Nitrid-Pulver je 0,0283 m³ (Kubikfuß) Ofenvolumen erzeugt. Es stellte sich heraus, daß das exotherme Gleichgewicht vielen Faktoren gegenüber sehr empfindlich ist, weshalb die langsamen Reaktions raten und Aufwärmphasen erforderlich wurden, die eine extrem niedrige Nutzungsrate des Ofens und somit extrem lange Verfahrenszeiträume für die Herstellung wesentlicher Mengen an Silizium- Nitrid zur Folge hatten.
  • US-Patent 3 937 792 offenbart ein Verfahren, das für die Synthese von Silizium-Nitrid-Pulver eine exotherme Steuerung einsetzt. In dem Verfahren wird α-Silizium-Nitrid-Impfpulver in das Silizium-Pulver gemischt, und die geimpfte Mischung wird bei Atmosphärendruck der Nitrierung unterzogen. Die exotherme Steuerung wird mittels einer Argon- Abschreckung geschaffen, die einsetzt, sobald die Temperatur im Silizium- Pulverbett einen zuvor festgelegten Grenzwert überschreitet. Eine genaue Steuerung des Verfahrens, um auf reproduzierbare Weise Silizium-Nitrid- Pulver mit hohem α-Anteil zuzubereiten, erwies sich als schwierig.
  • US-Patent 4 869 943 offenbart faserverstärkte Silizium-Nitrid- Keramika, deren Zubereitung durch Verstärkung der Silizium-Pulver mit geeigneten Fasern, Entfernung der Bindemittel und daran anschließende Nitrierung in einem sogenannten "geschwindigkeitsbegrenzten" Nitrierverfahren erfolgt, das zur Maximierung der Menge an α-Si&sub3;N&sub4; entwickelt wurde. Vor der Nitrierung werden die Zusammensetzungsproben ohne Bindemittel zunächst im Vakuum auf eine Temperatur von etwa 1100ºC erwärmt. Danach umfaßt das Verfahren eine Auffüllung des Ofens mit Stickstoff bis zu einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks und dann eine Temperaturanhebung von etwa 100ºC pro Stunde. Im Zuge des Temperaturanstiegs schreitet die Nitrierung mit erhöhter Geschwindigkeit voran und beginnt zu bewirken, daß der Druck im Ofen fällt, während der Stickstoff zu nichtflüchtigem Silizium-Nitrid umgewandelt wird. Wenn der Stickstoffverbrauch rasch ist, wird die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur ansteigt, stark reduziert, so daß eine im wesentlichen vollständige Reaktion im Normalfall 30-48 Stunden erfordert. Das Verfahren erzeugt keine Silizium-Nitride mit hohem α-Anteil.
  • Das Niederdruck-Nitrierverfahren wurde auch vom Anmelder für die Zubereitung reaktionsgebundener Silizium-Nitrid-(RBSN)-Monolithen und - Zusammensetzungen eingesetzt. Das Verfahren ermöglichte relativ rasche Reaktions raten, die für die Herstellung des RBSN eine Gesamtzyklusdauer von nur 24 bis 48 Stunden erforderten. Die Körper, die nitriert wurden, wiesen Dichten von rund 1 bis 1,7 g/cm³ auf und enthielten nur Silizium- Pulver und wahlweise eingesetzte Verstärkungsfasern. Vor dem Beginn der Nitrierreaktion wurden die Silizium-Pulvermaterialien im Vakuum 20 Stunden lang auf 600-800ºC erwärmt, um eine vollständige Gasabscheidung zu gewährleisten. Die erzeugten RBSN-Monolithen und -Zusammensetzungen hatten einen α-Anteil von nur 40-50%, was für die meisten Silizium-Nitrid- Anwendungsbereiche viel zu niedrig ist.
  • US-Patent 4 127 630 beschreibt die Fertigung eines reaktionsgebundenen Silizium-Nitrid-(RBSN)-Produktes, wobei zuerst ein Siliziumblock gebildet wird, der Block daran anschließend in einer trägen Atmosphäre wie beispielsweise Argon gesintert wird, dann die Formgebung des gesinterten Blocks in die gewünschte Form erfolgt und schließlich die Nitrierung des geformten Siliziumstücks in einem herkömmlichen Nitrierofen über einen erweiterten Wärmezyklus von 63 Stunden durchgeführt wird.
  • In dem Artikel "Effect of Rate-Controlled Nitriding and Nitriding Atmospheres on the Formation of Reaction-Bonded Si&sub3;N&sub4;" von J.A. Mangels, erschienen im Ceramic Bulletin, Band 60, Nr. 6 (1981), S. 613, wird ein Verfahren zur Nitrierung vorgeformter Silizium-Metallpulverformen mit gesteuerter Reaktionsrate, d.h. die Bildung von RBSN, offenbart.
  • In dem Verfahren wird eine grüne Siliziumform Wärme und einer quasistatischen Atmosphäre ausgesetzt, welche bei einem Druck von etwa 121,85 kPa (etwa 914 mm Hg) Stickstoff enthält. Die Exotherme der Silizium- Stickstoff-Reaktion wird gesteuert, indem das Verfahren bei einem Nitriergasdruck von 121,85 kPa (914 mm Hg) begonnen und, sobald der Druck fällt, mehr Nitriergas in den Ofen eingebracht wird, um den Druck auf 121,85 kPa (914 mm Hg) zurückzuführen. Das Nitriergas ist ein Gemisch aus Stickstoff/Wasserstoff, Stickstoff/Helium, Stickstoff/Wasserstoff/Helium oder Stickstoff/Wasserstoff/Argon. Der Artikel gelangt zu dem Schluß, daß die Nitrieratmosphäre in bezug auf den Stickstoff-Partialdruck dynamisch sein sollte. Das bedeutet, der Stickstoffdruck sollte zu Beginn der Nitrierreaktion hoch sein und im Zuge des Fortschreitens der Reaktion sinken. Das Verfahren erzeugt kein Silizium-Nitrid-Pulver mit hohem α- Anteil.
  • Der Artikel "Slip Casting of Silicon Shapes and Their Nitriding" von R.M. Williams et al., erschienen im Ceramic Bulletin, Band 62, Nr. 5 (1983), S. 607, ist eine Fortsetzung der Mangels-Arbeit und offenbart die Bildung von RBSN durch Auffüllung eines Reaktors mit einem Gasgemisch, das 4% Wasserstoff, 25% Helium und 71% Stickstoff enthält, und daran anschließendem Zusatz von reinem Stickstoff, wodurch ein konstanter Partialdruck des Stickstoffs beibehalten wird. Das Verfahren erzeugt keine Silizium-Nitrid-Pulver mit hohem α-Anteil. In dem Artikel "Removal of Surface Silica and its Effect upon Silicon Nitridation Kinetics", von A.J. Molson et al., erschienen in J. Mat. Sci., Band 16 (1981), S. 2319, wird beschrieben, daß die Entfernung einer dünnen Schicht (von rund 3 Nanometer) natürlichen Oxids, welche die Siliziumoberfläche bedeckt, eine beschleunigte Nitrierkinetik zur Folge haben kann. Keine der angeführten Behandlungen beinhaltet die Verwendung eines Vakuums. Stattdessen wurden Wasserstoff- oder Argonbehandlungen eingesetzt, um die Oxidschicht zu entfernen.
  • Die europäische Patentanmeldung 0 186 497 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Si&sub3;N&sub4; mit hohem α-Anteil, welches durch die Verwendung von Stickstoffdruck eine Reaktionssteuerung beinhaltet, die unter verringertem Druck durchgeführt wird, indem ununterbrochen eine annähernd konstante Menge an Stickstoffgas aufgegeben wird, so daß der Stickstoff- Partialdruck auf einem zuvor festgelegten, verringerten Druck gehalten wird, der nicht höher als 50.662,5 Pa (0,5 Atmosphären) sein darf, bis die Hälfte des Silizium-Metalls nitriert ist. Somit wird die Reaktion bei konstantem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks herbeigeführt. Das Verfahren eignet sich nur für die Verwendung mit dünnen (0,5 - 1 cm) Betten aus Silizium-Pulver, um Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit hohem α-Anteil zu bilden.
  • Da es mit allen der oben angeführten, herkömmlichen Verfahren nicht gelungen ist, auf kontinuierliche und reproduzierbare Weise Silizium-Nitrid zu erzeugen, und zwar vorzugsweise in der Pulverform mit hohem α- Anteil von mindestens 85%, vorzugsweise von mindestens 90%, mit einem Anteil an freiem Silizium von weniger als 0,2% und mit einer Zyklusrate von insgesamt mindestens 5 Kilogramm erzeugten Silizium-Nitrids pro Kubikfuß Ofen pro Stunde, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren zu schaffen.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, Silizium-Nitrid zu erzeugen, das einen α-Anteil von mindestens 85% mit einem Sauerstoffgehalt von unter etwa 1% aufweist.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, Silizium-Nitrid aus Betten aus Silizium-Pulver mit einer Dicke von mehr als 2,54 cm (1 Zoll) herzustellen.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, Silizium-Nitrid mit einem Eisengehalt von weniger als 100 ppm Eisen herzustellen, indem mit Silizium-Metall-Pulver begonnen wird, das weniger als 100 ppm Eisen enthält.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Silizium- Metall-Nitrierverfahren zu entwickeln, welches kontinuierlich Silizium- Nitrid mit einem α-Anteil von über 85%, vorzugsweise von über 90%, hervorbringt.
  • Diese Aufgaben werden mittels der Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Nitrids gemäß der unabhängigen Patentansprüche 1 und 12 erfüllt. Zusätzliche vorteilhafte Merkmale des Verfahrens gemäß Anspruch 1 gehen aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 16 hervor.
  • Zusätzliche Vorteile und bevorzugt Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Beispielen und der Zeichnung hervor. Im weiteren Sinne umfaßt das vorliegende Nitrierverfahren (i) das Ausbilden eines Betts aus Silizium- Metall-Pulver, das mindestens etwa 5 Gewichtsprozent an α-Silizium-Nitrid- Keimen enthält, (ii) Piazieren des Betts in einen Vakuumofen, (iii) Desoxidieren des Betts bei einer Temperatur von mindestens 1150ºC, (iv) Absenken der Temperatur auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur, bei welcher eine Nitrierung auftritt und Auffüllen des Ofens bis zu einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks mit einem Gasgemisch, das rund 30 bis 85% Stickstoff und rund 70 bis 15% einer Zusammensetzung aus Wasserstoff und Helium umfaßt, (v) Erhöhen der Temperatur, um die Nitrierung zu beginnen, (vi) Ermöglichen, daß der Druck im Ofen um rund 666,61 bis 6666,1 Pa (etwa 5 bis 50 mm Hg) fällt, bevor die Temperatur im wesentlichen konstant gehalten wird, (vii) Zuführen von Stickstoff in den Ofen mit einer im wesentlichen festen, stündlichen Durchsatzmenge von etwa 3 bis 25% der theoretischen Gesamtmenge, die für eine vollständige Umsetzung von Silizium zu Silizium-Nitrid erforderlich ist, bis die Reaktionsrate nicht mehr ausreicht, um den gesamten kontinuierlich zugeführten Stickstoff zu nutzen und der Druck innerhalb des Vakuumofens etwa den Druck aus Schritt (iv) erreicht, (viii) Beenden der Stickstoffzufuhr und Erhöhen der Temperatur um 50 bis 150ºC, (ix) Wiederholen der Schritte (vi) bis (viii), bis eine maximale Temperatur von etwa 1440ºC erreicht wird, (x) Beenden der Stickstoffzufuhr und Ermöglichen, daß das Bett für wenigstens 2 Stunden in dem Stickstoff getränkt wird, und (xi) Abkühlen des Reaktors auf Raumtemperatur.
  • Figur 1 ist eine graphische Darstellung der Temperatur- und Druckprofile für das Verfahren aus Beispiel I.
  • Die Nitrierung von Silizium stellt eine in hohem Maße exotherme Reaktion dar. Ein Problem bei vielen, im Stand der Technik bekannten Nitrierverfahren besteht darin, daß die Reaktion nicht entsprechend gesteuert wird, wodurch der Exothermen ermöglicht wird, eine Temperatur zu schaffen, die über dem Schmelzpunkt des Silizium-Metalls liegt, wodurch einige der zwischen die Siliziumteilchen unterlegten Poren verschlossen werden, was wiederum entweder die vollständige Nitrierung oder den hohen α-Anteil oder beides verhindert. Um dieses Problem zu vermeiden, erfolgt im vorliegenden Verfahren eine genaue Steuerung der Nitrierung, so daß die Temperatur des Siliziums zu keinem Zeitpunkt den Schmelzpunkt erreicht. Das wird durch Überwachung der Ofentemperatur und des Stickstoffdrucks erreicht. Der Stickstoffdurchsatz wird mittels eines feinen Meßventils gesteuert und mittels eines Massendurchsatzmessers mit einer Genauigkeitsrate von innerhalb von 5 scc/min überwacht. Ein Druckmeßwertgeber mit einer Genauigkeitsrate von innerhalb von 1,4 MPa wird eingesetzt, um eine Temperatursteuerung und ein Magnetventil zu aktivieren, welches die Stickstoffzufuhr in den Vakuum-Kaltwandofen in Konjugation mit einem mechanischen Druck/Vakuum-Manometer der Standardausführung steuert.
  • Das für das vorliegende Verfahren geeignete Silizium-Metall-Pulver ist im Stand der Technik bekannt. Solche Pulver sind in unterschiedlichen, vorrangig auf dem Eisengehalt basierenden Reinheitsgraden erhältlich. Demnach enthalten die Standardgrade im allgemeinen etwa 0,4-0,8% Eisen, während die reinen Grade im allgemeinen unter 0,1% enthalten und die superreinen Grade Eisen nur in Millionstelteilen enthalten. Alle diese Reinheitsgrade sind für das vorliegende Verfahren geeignet. Das im allgemeinen zum Einsatz gelangende Silizium-Pulver weist eine durchschnittliche Teilchengröße auf, die weniger als etwa 20 um, vorzugsweise weniger als etwa 10 um und besonders bevorzugt etwa 3 um oder weniger beträgt, da sich gezeigt hat, daß die feineren Silizium-Teilchen Silizium-Nitrid-Pulver mit größeren Endoberflächen zur Folge haben. In typischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beträgt der Eisengehalt des Silizium-Metall-Pulvers etwa 0,5%, vorzugsweise 0,05%, und besonders bevorzugt weniger als 100 ppm Eisen.
  • Die Nitrierung von Silizium zur Bildung von Si&sub3;N&sub4; mit einem α-Anteil von über 85%, vorzugsweise von über 90%, wird mithilfe des vorliegenden Verfahrens erreicht, wenn dem Silizium-Metall, welches für das Ausbilden des zu nitrierenden Betts verwendet wird, eine Menge an α-Silizium-Nitrid- Keimen zugegeben wird, die vorzugsweise etwa 5 bis 40, besonders bevorzugt etwa 10 bis 30 Gewichtsprozent beträgt. Geeignetes Keimmaterial hat im allgemeinen eine Teilchengröße von etwa 1 bis 44 um, vorzugsweise von etwa 1 bis 10 um. Besonders bevorzugt ist, wenn die Keime in einer Menge von rund 15 bis 25% des zu nitrierenden Betts vorhanden sind, um den α-Anteil des resultierenden Si&sub3;N&sub4; zu maximieren und gleichzeitig die Menge an Silizium-Nitrid, die zum Ausgangspunkt des Verfahrens zurückgeführt werden muß, zu minimieren.
  • Zusätzlich zum Silizium-Metall und zu den Silizium-Nitrid-Keimen kann das ausgebildete Bett wahlweise auch herkömmliche Silizium-Nitrid- Sinterhilfsmittel, wie beispielsweise Yttriumoxid enthalten, die dem Si&sub3;N&sub4; schließlich zugegeben werden, um daraus gesinterte Körper zu formen. Ferner können auch thermische Verdünner wie etwa Siliziumkarbid enthalten sein, wenn im Endprodukt solche Materialien enthalten sein können.
  • Das Silizium-Metall, das Keimmaterial und sonstige, wahlweise verwendete Bestandteile werden auf herkömmliche Weise zu einem Bett ausgebildet, mit der Ausnahme, daß das Bett im allgemeinen wesentlich dicker ist als solche Betten, die zur Erzeugung von RBSN verwendet werden, wenn Pulver das gewünschte Endprodukt ist. Das Bett kann entweder unverdichtet sein, d.h. eine Dichte von etwa 0,5 g/cm³ aufweisen, oder beispielsweise mit einer Platte und manuellem Druck verdichtet werden, oder durch kaltes, isostatisches Pressen zu einer Dichte von etwa 0,6 bis 1,7, vorzugsweise von etwa 0,7 bis 1,5, und im bevorzugtesten Fall von etwa 0,7 bis 1,2 g/cm³ verdichtet werden. Dicke und Dichte des Betts sind untereinander zusammenhängend. Betten mit einer Dichte von 1,5 g/cm³ sollten im allgemeinen eine Dicke von bis zu etwa 1 cm aufweisen, während Betten mit einer Dichte von 1,2 g/cm³ eine Dicke von bis zu 3 cm und Betten mit einer Dichte von 1,0 g/cm³ eine Dicke von 4 cm oder mehr aufweisen können. Je mehr die Dichte des Betts ansteigt, desto geringer sollte seine Dicke sein. Die Verwendung verdichteter Betten erlaubt eine Steigerung der Belastungskapazität eines gegebenen Ofens, während sie sich im vorliegenden Verfahren nicht nachteilig auf die wirkungsvolle Zubereitung von Silizium-Nitrid mit hohem α-Anteil auswirkten.
  • Das Ausbilden des Betts erfolgt durch Aufpressen auf herkömmliche, dicke keramische Einsatzbehälterplatten. Beispiele für Materialien, die sich für die Einsatzbehälterplatten eignen, sind Aluminiumoxid, reaktionsgebundenes Silizium-Nitrid und Siliziumkarbid.
  • Das ausgebildete Bett wird in einen Vakuum-Kaltwandofen, wie er beispielsweise von R.A. Brew & Co. in Concord, NH, erhältlich ist, eingebracht, der eine Undichtheitsrate von weniger als etwa 1,333 Pa (10 um Hg) pro Stunde, vorzugsweise von weniger als etwa 0,6665 Pa (5 um Hg) pro Stunde aufweist. Der Reaktor ist mit einem herkömmlichen Gaseinlaß, einem Druckmesser, Thermopaaren sowie mit Heiz- und Kühlmitteln ausgestattet. Vorzugsweise sind der Gaseinlaß und der Druckmesser an gegenüberliegenden Ofenwänden angeordnet, um die Genauigkeit der Druckmesserangaben und die Gleichförmigkeit des erzeugten Si&sub3;N&sub4;-Pulvers anzuheben.
  • Daraufhin wird das Bett bei hoher Temperatur desoxidiert, um eine Entfernung der dünnen Siliziumoxidschicht zu bewirken, welche bei Silizium-Metall, das in Kontakt mit Sauerstoff ist, inhärent vorhanden ist. Das Desoxidieren erfolgt bei einer Temperatur von mindestens 1150ºC über einen längeren Zeitraum von im allgemeinen mindestens 2 Stunden. Vorzugsweise erfolgt das Desoxidieren in einem Vakuum von weniger als etwa 6,665 Pa (etwa 50 um Hg), bevorzugter von etwa 1,333 Pa (etwa 10 um Hg) bis 3,999 Pa (30 um Hg). Alternativ kann das Desoxidieren in einem Gemisch aus Wasserstoff und Helium bei 1300ºC erfolgen. Es hat sich gezeigt, daß Silizium-Metalle mit einem höheren Reinheitsgrad längere Desoxidationszeiten erfordern, d.h. von bis zu 4 Stunden oder mehr, um Silizium-Nitride mit ähnlich hohem α-Anteil zu erzeugen. Es hat sich herausgestellt, daß die im wesentlichen vollständige Entfernung des Siliziumoxids eine Nitrierung bei gleichmäßig niedrigen Temperaturen erlaubt, wobei sich gezeigt hat, daß sie eine Si&sub3;N&sub4;-Bildung mit höherem α- Phasenanteil begünstigt. Vorzugsweise liegt die Desoxidationstemperatur bei etwa 1200ºC oder mehr, da bei niedrigeren Temperaturen keine entsprechend vollständige Entfernung des Oxids möglich ist, und zwar auch dann nicht, wenn der Zeitraum auf wesentlich länger als 4 Stunden ausgeweitet wird, um der Nitrierreaktion zu ermöglichen, bei Temperaturen einzusetzen, die gerade 1150ºC betragen.
  • Die Temperatur des Vakuum-Ofens wird auf eine Temperatur, unterhalb derer keine Nitrierung auftritt, d.h. auf etwa 1100ºC gesenkt, und der Ofen wird mit einem Gasgemisch, das etwa 30 bis 85% Stickstoff und rund 70 bis 15% einer Gaszusammensetzung aus Wasserstoff und Helium von hoher Wärmekapazität enthält, bis auf einen Druck unterhalb eines zuvor ausgewählten subatmosphärischen Drucks, vorzugsweise auf einen Druck von etwa 66.661 bis 93.325,4 Pa (500 bis 700 mm Hg) und im bevorzugtesten Fall von etwa 73.327,1 Pa (etwa 550 mm Hg) aufgefüllt. Vorzugsweise umfaßt das Auffüllungsgasgemisch 7l% Stickstoff, 4% Wasserstoff und 25% Helium. Durch Inkorporierung von Gasen mit hoher Wärmekapazität in das Auffüllungsgas bleiben sie während der gesamten Nitrierreaktion vorhanden, wobei der Wärmetransport verbessert und der α-Anteil des Si&sub3;N&sub4;-Reaktionsproduktes angehoben wird. Mit der bevorzugten Zusammensetzung des Auffüllungsgases bei bevorzugtem Druck von etwa 21.331,52 Pa (etwa 160 mm Hg) ist träges Gas von hoher Wärmekapazität vorhanden.
  • Daran anschließend wird die Ofentemperatur auf die anfängliche Reaktionstemperatur angehoben, welche vorzugsweise unter etwa 1250ºC, bevorzugter bei etwa 1150 bis 1180ºC liegt. Ein Maß der Effektivität des Desoxidierungsschrittes ist die Temperatur, bei welcher die Nitrierreaktion ungehindert einsetzt, da sich gezeigt hat, daß die Reaktion, wenn das Oxid nicht im wesentlichen zur Gänze entfernt wurde, erst einsetzt, nachdem eine höhere Temperatur erreicht wurde. Auf Wunsch kann die Reaktion bei Temperaturen begonnen werden, die über 1250ºC liegen und sogar bis zu etwa 1430ºC betragen können. Allerdings sollten anfängliche Temperaturen von über 1250ºC nur für einen begrenzten Zeitraum vorherrschen, da andernfalls kein Silizium-Nitrid mit hohem α-Anteil erzeugt wird.
  • Sobald der Stickstoff, der in der für die Auffüllung vorgesehenen Gaszusammensetzung vorhanden ist, mit dem Silizium reagiert, fällt der Druck im Reaktor. Wenn der Ofendruck um einen zuvor festgelegten Wert fällt, d.h. um rund 666,61 bis 6.666,1 Pa (etwa 5 bis 50 mm Hg), wird dem Ofen Stickstoffgas in einer im wesentlichen konstanten Menge zugeführt, während die Temperatur im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Menge wird so ausgewählt, daß die Nitrierungsraten im allgemeinen von 3 bis 25% pro Stunde reichen, wenngleich mit bestimmten Bettkonfigurationen höhere Raten verwendet werden können. Die Wirkung ist eine geschwindigkeitsbegrenzte Nitrierung, welche eine äußerst genaue Kontrolle des Verfahrens bereitstellt, wodurch der α-Anteil des Reaktionsproduktes Si&sub3;N&sub4; erhöht wird. Daraufhin wird dem Gasdruck ermöglicht, zu sinken, bis der durch die Nitrierreaktion verursachte Druckabfall mit der zusätzlichen, fixierten Gasdurchsatzgeschwindigkeit im Gleichgewicht ist. Somit kontrolliert die Stickstoffzufuhr das Ausmaß der Reaktion, wodurch wiederum eine Überhitzung der Siliziumbetten durch die Reaktionswärme verhindert wird. Der Ofendruck fällt auf den Druck der im wesentlichen hoch-wärmefähigen, nichtreagierenden vorhandenen Gase, d.h. auf etwa 19.998,3 bis 33.330,5 Pa (etwa 150 bis 250 mm Hg). Dadurch wird eine absolute Kontrolle des Reaktionsmechanismus möglich und somit eine hohe Reaktionsrate und eine kurze Zyklusdauer.
  • Sobald eine Verlangsamung der Reaktion einsetzt, steigt aufgrund des fortgesetzten Stickstoffdurchsatzes der Gasdruck im Ofen. Wenn der Druck einen zuvor festgelegten Wert unterhalb des Atmosphärendrucks überschreitet, welcher im allgemeinen mit dem ursprünglichen Auffülldruck identisch ist, d.h. vorzugsweise etwa 66.661 bis 93.325,4 Pa (etwa 500 bis 700 mm Hg) und im bevorzugtesten Fall etwa 73.327,1 Pa (etwa 550 mm Hg) beträgt, wird das Stickstoff-Durchsatzventil geschlossen, der Temperatur ermöglicht, linear anzusteigen, und zwar im allgemeinen um etwa 20 bis 100ºC/h, setzt die Reaktion wieder ein, und sobald der Druck im Reaktor neuerlich um rund 666,61 bis 6.666,1 Pa (etwa 5 bis 50 mm Hg) fällt, wird erneut mit dem Stickstoffdurchsatz begonnen. Das Verfahren setzt sich so lange auf diese zyklische Weise fort, bis die Reaktionstemperatur den gewünschten Endwert von rund 1400ºC erreicht hat. Die spezifische endgültige Temperatur ist eine Frage der Gestaltung und des zulässigen, nicht in Reaktion getretenen Siliziums im Endprodukt. An diesem Punkt wird der Stickstoffdurchsatz beendet, und die nunmehr vorrangig vorhandenen Betten aus Silizium-Nitrid werden bei der endgültigen Temperatur für einen längeren Zeitraum von im allgemeinen mindestens 2 Stunden in Stickstoff getränkt, um die Nitrierung abzuschließen. Es hat sich gezeigt, daß der bevorzugte Zeitraum, während dem die Betten getränkt werden, umgekehrt proportional zur verwendeten Stickstoff-Durchsatzrate ist, d.h., wenn die Stickstoff-Durchsatzrate derart ist, daß eine Reaktionsrate von 5% erzeugt wird, wird eine Tränkdauer von rund 6 Stunden bevorzugt, beträgt die Reaktionsrate hingegen 10%, wird eine Tränkdauer von rund 4 Stunden bevorzugt. Da kürzer andauernde Tränkzeiten kürzere Gesamtzykluszeiträume zur Folge haben, sollte die kürzestmögliche Tränkdauer verwendet werden, die sich durch Routineversuche feststellen läßt. Somit wird die Reaktion vorzugsweise mit den höheren Reaktions raten durchgeführt, um Si&sub3;N&sub4; mit hohem α-Anteil auf effizienteste Weise zu erzeugen.
  • Nach Abschluß der Stickstofftränke wird der Vakuum-Ofen auf Raumtemperatur gekühlt. Die Kühlung wird vorzugsweise in kontrollierter Weise unter Vorhandensein von Stickstoff durchgeführt.
  • Das Reaktionsprodukt Si&sub3;N&sub4; besitzt eine Phasenzusammensetzung aus mindestens 85% α-Silizium-Nitrid, weniger als 5% Silizium-Oxynitrid, weniger als 0,5% Silizium-Metall und dem Rest β-Silizium-Nitrid. Das Silizium-Nitrid hat einen Sauerstoffgehalt von unter 1%, vorzugsweise von unter 0,9% Sauerstoff, und besonders bevorzugt von etwa 0,5 bis 0,9% Sauerstoff.
  • Daraufhin läßt sich das Bett aus Silizium-Nitrid zum Beispiel mittels herkömmlicher Zerkleinerungs und Mahlvorgänge ohne weiteres in ein Pulver mit hohem α-Anteil umwandeln. Im allgemeinen weist das Pulver eine BET-Oberfläche von etwa 4 bis 9 m²/g auf. Im Anschluß an das Mahlen, um die Teilchengröße noch zusätzlich zu verringern, wird ein Si&sub3;N&sub4;-Pulver erzeugt, welches eine BET-Oberfläche von etwa 10 bis 12 m²/g und die genannte Phasenzusammensetzung aufweist. Es hat sich gezeigt, daß das Verfahren aufgrund der Anordnung des Betts im Ofen mit sehr geringer oder keiner Variation reproduzierbar ist.
  • Zusätzliche bevorzugte Einzelheiten des Verfahrens sind in den folgenden, nichteinschränkenden Beispielen enthalten, in denen, falls nicht anders angegeben, alle Angaben in Gewichtsteilen und Gew.% gemacht sind.
  • BEISPIEL I
  • Silizium-Metall-Pulver mit einer Teilchengröße von durchschnittlich etwa 3 um, welches 0,6% Eisen, 0,5% Aluminium und 0,05% Calcium enthält, wird mit 0,149 mm (100 US-mesh) Silizium-Nitrid-Rohkeimen, die in der Hammermühle entsprechend gemahlen wurden, in eine Trockenmischung verbracht, um ein Gemisch von 80-20% zu bilden. Die Pulvermischung wird zu Betten von einer Dicke von 25,4 cm x 25,4 cm x 3,175 cm (10" x 10" x 1,25") ausgebildet. Sie hat eine Dichte von 0,5 g/cm³. Acht Betten werden in einen Hochtemperatur-Vakuum-Kaltwandofen von 0,0566 m³ (2 Kubikfuß) Volumen der Marke Brew eingebracht, der für die Silizium-Nitrierung gebaut ist. Der Ofen verfügt über Heizelemente aus Molybdän-Stäben. Der Ofen wird mit einer mechanischen Vakuumpumpe entleert, um ein Vakuum von 2,66644 Pa (20 um Hg) zu erhalten. Die Durchlässigkeitsrate des Ofens liegt bei weniger als etwa 0,666 Pa (etwa 5 um Hg) pro Stunde. Der Gasstrom in den Ofen wird mittels eines feinen Meßventils gesteuert und mittels eines Massendurchsatzmessers mit einer Genauigkeit im Bereich von 5 scc/min überwacht. Ein Druckmeßwertgeber mit einer Genauigkeit innerhalb von 1,4 MPa wird zur Aktivierung einer Temperatursteuerung und eines Magnetventils verwendet, welches die Gaszufuhr in den Ofen steuert. Ein mechanischer Druck/Vakuum-Manometer der Standardausführung, welcher an der zum Gaseinlaß gegenüberliegenden Ofenwand angeordnet ist, wird gemeinsam mit dem Druckmeßwertgeber verwendet, um Veränderungen im Systemdruck zu überwachen. DER Ofen verfügt ferner über ein Wasserkühlungs-Rückführungssystem, um nach Abschluß der Nitrierreaktion die Kühlung zu beschleunigen.
  • Daraufhin wird der Ofen mittels einer mechanischen Vakuumpumpe entleert, um ein Vakuum von rund 2,66644 Pa (etwa 20 um Hg) zu erhalten, und die Temperatur des Ofens wird von Raumtemperatur auf 1200ºC angehoben und 2 Stunden lang beibehalten, um das Silizium-Metall-Pulver zu desoxidieren. Dann wird die Temperatur linear auf 1100ºC gesenkt, und der Ofen wird mit einem Gasmenisch aus 71% Stickstoff, 4% Wassestoff und 25% Helium aufgefüllt, bis der Druck 73.327,1 Pa (550 mm Hg) erreicht hat. Der Tank, in dem dieses Gasgemisch enthalten ist, wird entfernt und durch einen Stickstofftank ersetzt. Sobald die Ofentemperatur auf 1150ºC angehoben wird, setzt die Nitrierreaktion ein.
  • Im Zuge der fortschreitenden Reaktion beginnt der Druck innerhalb des Reaktors zu sinken, während der Stickstoff mit dem Silizium-Metall reagiert. Sobald der Druck auf 71.993,88 Pa (540 mm Hg) gefallen und die Innentemperatur des Ofens auf rund 1200ºC angestiegen ist, wird die Temperatur konstant gehalten und Stickstoffgas dem Ofen mit einer Durchsatzrate zugegeben, die einer Nitrierrate von 5%/h entspricht, und die begrenzte Reaktionsrate wird unter geschwindigkeitsbegrenzten Bedingungen fortgesetzt. Wenn die Reaktion bei 1200ºC im Gleichgewicht ist, ist der Gasdruck auf etwa 23.331,35 Pa (rund 175 mm Hg) gefallen. Dann setzt die Reaktion bei konstanter Temperatur und konstanter Stickstoffdurchsatzrate fort, bis sich die Reaktion verlangsamt und der Druck steigt, bis er 73.327,1 Pa (550 mm Hg) erreicht. Dann wird das Stickstoff-Durchsatzventil geschlossen und der Temperatur ermöglicht. linear auf 1350ºC anzusteigen, wobei eine Anstiegsgeschwindigkeit von 100ºC/h verwendet wird. Und wenn der Gasdruck neuerlich auf 71.993,88 Pa (540 mm Hg) fällt, wird der Stickstoffdurchsatz wieder aufgenommen. Wenn die Reaktion neuerlich im Gleichgewicht ist, wird der Stickstoffdurchsatz aufgehalten, die Temperatur linear auf 1400ºC angehoben, und die Reaktion setzt mit dem weiteren Stickstoffzusatz fort, bis der Druck neuerlich 73.327,1 Pa (550 mm Hg) erreicht.
  • Figur 1 ist eine graphische Darstellung der oben beschriebenen Temperatur- und Druckprofile. In der Figur stellt die durchgehende Linie den Druck dar, während die gestrichelte Linie die Temperatur darstellt.
  • An diesem Punkt, der 28 Stunden nach Beginn der Reaktion erreicht wird, wird der Stickstoffdurchsatz abgeschlossen, und die vorrangig α- Si&sub3;N&sub4;-Betten werden bei 1400ºC 6 Stunden lang in Stickstoff getränkt. Daraufhin wird dem Ofen ermöglicht, abzukühlen, indem das Wasserkühlungs- Rückführungssystem aktiviert wird. Die Zyklusgesamtdauer von kalt-bis-kalt beträgt 39 Stunden, um pro 0,0283 m³ (Kubikfuß) Ofen 5 Kilogramm Produkt zu erzeugen.
  • Die resultierenden Betten aus Silizium-Nitrid werden aus dem Ofen genommen, wobei sich herausstellt, daß der Gewichtsgewinn jedes Betts 61- 62% beträgt. Jedes Bett wird in einer herkömmlichen Hammermühle zerkleinert, wobei ein Silizium-Nitrid-Pulver erhalten wird. Die Analyse jedes der acht Pulver ergab α-Anteile, die zwischen 92 und 95% lagen, Sauerstoffanteile zwischen 0,6 und 0,9% sowie freie Siliziumanteile zwischen etwa 0 und 0,3%.
  • BEISPIEL II
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß das Silizium-Metall mit einem Silizium-Metall von höherem Reinheitsgrad ersetzt wird, welches 0,02% Aluminium, 0,05% Eisen und 0,02% Calcium enthält. Das Nitrierverfahren wird wie in Beispiel I durchgeführt, allerdings beginnt die Nitrierreaktion bei einer geringfügig höheren Temperatur, d.h. bei 1180ºC, und setzt sich 10 Stunden lang fort, bevor die Stickstofftränke erfolgt. Somit dauert der Zyklus kalt-bis-kalt nur 33 Stunden. Die resultierenden Betten aus Silizium-Nitrid weisen α-Anteile zwischen 85 und 90% und Sauerstoffanteile von zwischen 0,8 und 0,95% auf. Der etwas geringere α-Anteil ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß das Silizium von höherer Reinheit ist, was eine langsamere Desoxidationskinetik des Oberflächenoxids zur Folge hat.
  • BEISPIEL III
  • Das Verfahren aus Beispiel II wird wiederholt, außer daß die Desoxidationsdauer auf 4 Stunden ausgeweitet wird. Die Nitrierung beginnt bei 1150ºC und setzt sich 16 Stunden lang fort, wobei ein Gesamtverfahrenszeitraum von kalt zu kalt von 36 Stunden verzeichnet wurde. Die resultierenden Si&sub3;N&sub4;-Pulver weisen α-Anteile von durchschnittlich 94% auf, während der Sauerstoffgehalt im Durchschnitt 0,8% beträgt.
  • BEISPIEL IV
  • Das Verfahren aus Beispiel III wird wiederholt, außer daß die Betten aus Silizium-Metall zu einer Dichte von 0,75 g/cm³ verdichtet werden. Das resultierende Si&sub3;N&sub4;-Pulver weist einen α-Anteil von 91-93% und einen Sauerstoffgehalt von 0,85% auf.
  • BEISPIEL V
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß das Stickstoffgas mit einer Zuführrate in den Reaktor eingebracht wird, die eine Beibehaltung der Reaktionsrate von 10%/h ermöglicht, und die Stickstofftränke dauert 4 Stunden. Ferner wird der anfängliche reduzierte Druck in 2 anstelle von 4 Stunden geschaffen, und die Aufwärmphase für die Desoxidation wird in nur 5 anstelle von 6 Stunden durchgeführt. Somit dauert das kalt-zu-kalt-Verfahren insgesamt nur 26 Stunden und erzeugt Si&sub3;N&sub4;-Pulver von derselben Qualität wie in Beispiel I.
  • BEISPIEL VI
  • Das Verfahren aus Beispiel II wird wiederholt, außer daß die Menge an α-Silizium-Nitrid-Keimen, die dem Silizium-Metall zugegeben wird, auf 30% angehoben wird. Das resultierende Si&sub3;N&sub4;-Pulver besitzt einen α-Anteil von 97%.
  • BEISPIEL VII
  • Das Verfahren aus Beispiel V wird wiederholt, außer daß das Stickstoffgas in den Reaktor eingebracht wird, um eine Reaktionsrate von 20%/h beizubehalten, und die Stickstofftränke wird auf 2 Stunden verkürzt. Somit dauert das kalt-zu-kalt-Verfahren insgesamt nur 19 Stunden, um das Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einem α-Anteil von 94%, einem Sauerstoffgehalt von 0,65% und einem freien Siliziumanteil von 0,2% zu erzeugen.
  • BEISPIEL VIII
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß ein superreines Silizium-Metall-Pulver verwendet wird. Das Silizium-Pulver enthält nur 70 ppm Eisen. Keine Nitrierhilfsmittel werden verwendet. Die resultierenden Betten aus Si&sub3;N&sub4; weisen α-Anteile von zwischen 90 und 94%, Sauerstoffanteile von zwischen 0,4 und 0,6% und freie Siliziumanteile von weniger als 0,3% auf.
  • BEISPIEL IX
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß das Silizium-Metall durch ein gröberkorniges Silizium-Metall mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 23 um anstelle von 3 um, verwendet wird. Die Nitrierung verläuft wie in Beispiel I, wobei Si&sub3;N&sub4;-Pulver erzeugt werden, deren α-Anteile bei durchschnittlich 88% und deren freie Siliziumanteile bei unter 0,2% liegen.
  • BEISPIEL X
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß die Gaszusammensetzung für die Auffüllung 32% Stickstoff, 4% Wasserstoff und 64% Helium enthält. Die resultierenden Si&sub3;N&sub4;-Pulver weisen α-Anteile von zwischen 89 und 94% und freies Silizium von unter 0,1% auf.
  • VERGLEICHSBEISPIEL A
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß der Ofen mit Stickstoff anstelle des Gasgemisches aufgefüllt wird. Während der Reaktion bildet sich ein erhebliches Vakuum [< 13.332,2 Pa (< 100 mm Hg)]und der &alpha;- Anteil des resultierenden Silizium-Nitrid-Pulvers beträgt lediglich 70%.
  • VERGLEICHSBEISPIEL B
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß die Zugabe des &alpha;-Silizium-Nitrid-Keimmaterials bei der Ausbildung des Betts weggelassen wird. Das resultierende Silizium-Nitrid-Pulver enthält eine &alpha;- Phase von nur 43%.
  • VERGLEICHSBEISPIEL C
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß die Nitrierreaktion wie im oben zitierten Mangels-Artikel bei einem Überdruck bvon 10.664 mbar (800 Torr) durchgeführt wird. Das resultierende Verfahren weist nicht die reproduzierbare Steuerung der vorliegenden Erfindung auf, und der &alpha;-Anteil des Si&sub3;N&sub4;-Pulvers beträgt lediglich 30%.
  • VERGLEICHSBEISPIEL D
  • Das Verfahren aus Vergleichsbeispiel C wird auf einem dünnen Preßkörper aus Silizium-Metall, der eine Dicke von weniger als 1 cm aufweist (die Dichte beträgt 1,5 g/m³), wiederholt, um reaktionsgebundenes Silizium-Nitrid (RBSN) zu erzeugen. Das resultierende RBSN ist voll in Reaktion getreten und weist einen &alpha;-Anteil von 60% auf. Dieses Beispiel zeigt, daß es wesentlich einfacher ist, dünne Preßkörper aus Silizium- Metall zu nitrieren als die dicken Betten der vorliegenden Erfindung.
  • BEISPIEL XI
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß die Desoxidation bei 1300ºC in einem Gemisch aus 4% h&sub2;/He durchgeführt wird. Der &alpha;-Anteil des resultierenden Pulvers beträgt 95%.
  • BEISPIEL XII
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß die anfängliche Reaktionstemperatur 1370ºC beträgt. Wenn diese Temperatur 60 Minuten lang beibehalten und dann auf 1250ºC reduziert wird, beträgt der &alpha;-Anteil des resultierenden Silizium-Nitrids etwa 88%; wenn hingegen die anfängliche Temperatur für denselben Zeitraum von 60 Minuten auf 1430ºC angehoben wird, bevor sie auf 1250ºC reduziert wird, fällt der &alpha;-Anteil auf 78%.
  • BEISPIEL XIII
  • Das Verfahren aus Beispiel I wird wiederholt, außer daß die Betten zu einer Dichte von 1,5 g/cm³ verdichtet werden und eine Dicke von 1 cm aufweisen. Das resultierende Silizium-Nitrid hat einen &alpha;-Anteil von 90%.
  • BEISPIEL XIV
  • Das Verfahren aus Beispiel XIII wird wiederholt, außer daß die Dichte der Betten 1,2 g/cm³ und die Dicken 3 cm betragen. Das resultierende Silizium-Nitrid hat einen &alpha;-Anteil von 88-94%.

Claims (16)

  1. 5 1. Verfahren zur Herstellung von Silizium-Nitrid mit einem &alpha;-Phasen-Anteil von mindestens 85%, welches folgende Schritte umfaßt:
    (i) Ausbilden eines Betts aus Silizium-Metall-Pulver, das mindestens etwa 5 Gewichtsprozent an &alpha;-Silizium- Nitrid-Keimen enthält,
    (ii) Plazieren des Betts in einen Vakuumofen,
    (iii) Deoxidieren des Betts bei einer Temperatur von mindestens 1150º C, Vorzugsweise mindestens etwa 1200ºC,
    (iv) Absenken der Temperatur auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur, bei welcher eine Nitrierung auftritt und Auffüllen des Ofens bis zu einem Druck unterhalb des Atmospherendrucks mit einem Gasgemisch, das 30 bis 85% Stickstoff und 70 bis 15% einer Zusammentsetzung aus Wasserstoff und Helium, bevorzugt 71% Stickstoff, 4% Wasserstoff und 25% Helium, enthält,
    (v) Erhöhen der Temperatur, um die Nitrierung zu beginnen,
    (vi) Ermöglichen, daß der Druck in dem Ofen um 666,61 bis 6666,1 Pa (5 bis 50 mm Hg) fällt, bevor die Temperatur im wesentlichen konstant gehalten wird,
    (vii) Zuführen von Stickstoff in den Ofen mit einer im wesentlichen festen stündlichen Durchsatzmenge von 3 bis 25% der theoretischen Gesamtmenge, die für eine vollständige Umsetzung von Silizium zu Silizium-Nitrid erforderlich ist, bis die Reaktionsrate nicht mehr ausreicht, um den gesamten kontinuierlich zugeführten Stickstoff zu nutzen und der Druck innerhalb des Vakuumofens etwa den Druck aus Schritt (iv) erreicht,
    (viii) Beendend der Stickstoffzufuhr und Erhöhen der Temperatur um 50 bis 150ºC,
    (ix) Wiederholen der Schritte (vi) bis (viii) bis eine maximale Temperatur von etwa 1400º C erreicht wird,
    (x) Beenden der Stickstoffzufuhr und Ermöglichen, daß das Bett für wenigstens zwei Stunden in dem Stickstoff getränkt wird, und
    (xi) Abkühlen des Reaktors auf Raumtemperatur.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch, bei dem die Deoxidation in einem Vakuum unterhalb eines Drucks von etwa 6,665 Pa (etwa 50 um Hg), bevorzugt in einem Vakuum zwischen 1,333 Pa (10 um Hg) bis 3,999 Pa (30 um Hg), durchgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Silizium-Metall-Pulver etwa 0,5% Eisen, bevorzugt etwa 0,05% Eisen, und besonders bevorzugt weniger als 100 ppm Eisen, enthält und die Deoxidation für mindentens etwa zwei Stunden, bevorzugt mindestens etwa vier Stunden, durchgeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem der Ofen auf einen Druck von 66.661 bis 93.325,4 Pa (500 bis 700 mm Hg) aufgefüllt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem die Nitrierung bei einer Temperatur unterhalb von etwa 1250º C, bevorzugt bei 1150 bis 1180º C, begonnen wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Nitrierung bei einer Temperatur oberhalb von etwa 1250º C begonnen und die Temperatur dann unter 1250º C erniedrigt wird, bevor eine wesentliche Menge an &alpha;-Silizium-Nitrid gebildet worden ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem es dem Druck ermöglicht wird, um etwa 1.333,322 Pa (10 mm Hg) zu sinken bevor zusätzlicher Stickstoff zugeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem der Stickstoff mit einer Rate zugeführt wird, die einer Nitrierungsrate von mindestens etwa 5% in der Stunde entspricht.
  9. 9. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem die Auffüllung bei einer Temperatur von etwa 1100º C oder weniger durchgeführt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem das Keimmaterial in einer Menge von 5 bis 40 Gewichtsprozent, bevorzugt von 10 bis 30 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von 15 bis 25 Gewichtsprozent, des Silizium-Metall-Pulvers verwendet werden.
  11. 11. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem das Silizium-Metall eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als etwa 25 um, bevorzugt eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 3 um oder weniger aufweist.
  12. 12. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem das Bett aus Silizium-Metall-Pulver mindestens etwa 1 cm, bevorzugt etwa 2,54 cm und besonders bevorzugt etwa 3 cm dick ist.
  13. 13. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem das Bett aus Silizium-Metall-Pulver eine Dichte von etwa 0,6 bis 1,7 g/cm³, bevorzugt etwa 1,5 g/cm³ und besonders bevorzugt etwa 1,2 g/cm³ aufweist.
  14. 14. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei dem das Silizium-Nitrid-Bett in ein Silizium-Nitrid- Pulver umgewandelt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Silizium-Nitrid- Bett zerkleinert wird, um das Silizium-Nitrid-Pulver zu bilden.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem nach Durchführung der Deoxidation die Temperatur auf etwa 1100º C oder weniger reduziert wird.
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