DE69504075T2

DE69504075T2 - Hochwirksames metallverbundstoffmembrangetterelement und verfahren zur herstellung davon

Info

Publication number: DE69504075T2
Application number: DE69504075T
Authority: DE
Inventors: Walter Auburn Ma 01501 Plante; James T. Nashua Nh 03063 Snow; Robert S. Boston Ma 02118 Zeller
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1994-06-22
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: WO1995035146A1; US5456740A; JP3336344B2; JPH09508580A; EP0766589A1; ATE169513T1; CN1067600C; TW326001B; CN1151125A; KR970703797A; KR100355968B1; DE69504075D1; EP0766589B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasfutration und -reinigung. Insbesondere ist die Erfindung eine neue einstückige Ganzmetallkombination von Gasfilter und Reinigungsvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, geringer Gasabgabe und überlegenen Reinigungseigenschaften, die sie als Getterfilterkombination am Verwendungsort für Halbleiterprozeßgase nützlich machen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Halbleiterherstellung ist durch die Reinheitsbegrenzungen eingeschränkt. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung der Dotierungsatome für Silicium betrifft ein kritischer Aspekt des Verfahrens die Abwesenheit jeglicher homogener oder heterogener Verunreinigungen. Beispielsweise kann die Anwesenheit von Kleinstteilchen- oder Spurensauerstoff oder Feuchtigkeitsverunreinigungen ein ganzes Siliciumwafer, das viele Dollar eines potentiellen Endproduktes darstellt, wesentlich beschädigen. Zu diesem Zweck hat sich eine ganze Industrie entwickelt, die sich mit dem Filtern und Reinigen der Gase beschäftigt, die mit dem Halbleiterprodukt während seiner Herstellung in Berührung kommen können.
Mit HEPA(hochwirksamer Teilchenabschwächer)-Filtern ausgestattete Reinräume sind die erste Verteidigungslinie. Prozeßgerät wird in "Reinräumen" angeordnet, die mit sorgfältig gefilterter Luft gefüllt sind. Die Konstruktion des Gerätes selbst strebt danach, eine Teilchenablösung, eine Gasabgabe und eine Kontamination von den Materialien zu minimieren, die verwendet werden, um hochreine Gase, wie z.B. Argon, Stickstoff, Silan, Arsin, Salzsäure und Phosphin, zu transportieren und zuzuführen. Ein wichtiges Teil in der Gaszuführung ist das Filter, das sicherstellt, daß keine teilchenförmige Kontamination den Ort erreicht, wo das Gas auf das Werkstück abgegeben wird (Verwendungsort). Diese Filter müssen nicht nur etwaige Stoffteilchen entfernen, sondern dürfen auch keinerlei gasförmige Kontamination zu den hochreinen Gasen hinzufügen. Außerdem muß das Gaszuführungssystem auch so kompakt wie möglich sein, um sowohl eine teilchenförmige als auch eine gasförmige Kontamination zu vermeiden, die sich entweder vom Einbau derartiger Systeme oder von dem mit dem Gebrauch verbundenen normalen Abrieb ergeben könnte. Deshalb müssen die Filter nicht nur Stoffteilchen entfernen und dürfen keine gasförmigen Verunreinigungen beisteuern, sondern sie müssen auch so kompakt wie möglich sein und kleine Innen- und Filtervolumina aufweisen.
Verschiedene Filter werden für eine Filtration derartiger gasförmiger Fluide verwendet, um ultrahohe Reinheitsgrade hinsichtlich teilchenförmiger Kontamination sicherzustellen. Diese schließen ein: organische Membranfilter, Keramikfilter, aus porösen Metallstrukturen gebildete Filter und aus Metallfasern gebildete Filter. Obwohl einige dieser verschiedenartigen Filtermedien imstande sind, eine Teilchenkontaminationssteuerung bis auf Werte kleiner als ein Teil pro Million oder besser bereitzustellen, sind sie durch große Filterflächen gekennzeichnet. Aufgrund des großen Durchflußquerschnitts, der benötigt wird, um einen Durchfluß bei vernünftigen Drucken aufrechtzuerhalten und um zur Sicherstellung einer Teilchenretention kleine Flächengeschwindigkeiten beizubehalten, sind gas förmige Verunreinigungen, wie z.B. Feuchtigkeit, Sauerstoff und insbesondere Kohlenwasserstoffe, häufig mit nachweisbaren Werten anwesend (Teile pro Million). Diese Kontamination kann während der Herstellung des Filters, dem Einbau des Filters, wenn es einer anderen Atmosphäre als einem hochreinen Gas ausgesetzt wird, oder sogar als Folge einer Gasabgabe aus dem Material, in welchem das Filter untergebracht ist, auftreten. Außerdem erfordern große Filtervolumina zu ihrer Aufnahme relativ größere Gehäuse. Dies wiederum führt zu einer größeren Wahrscheinlichkeit einer Kontamination aufgrund sowohl eines Einbaus als auch einer Verwendung und zu dem Bedarf an größeren Gaszuführungssystemen, um sich an die Filter anzupassen.
Gegenwärtige Metallfilter sind aus Metallen hergestellt, welche Edelstahl-, Nickel- oder Nickellegierungs-Sintertypen einschließen, wie z.B. die Wafergard II SF(Millipore Corporation, Bedford, MA)-, die Ultramet-L(Pall Corp, Glen Cove, NY)- und die Mott GasShield -Filterbaureihe (Mott Metallurgical Corporation, Farmington, CT) (siehe US-Patent Nr. 5,114,447 (Davis)). Derartige Filter, die vollständig aus Metall bestehen, zeigen eine geringe Gasabgabe, einen großen Wirkungsgrad, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit und eine große Baufestigkeit bei geringer Porosität und einen niedrigen Gasdurchsatz. Die geringe Porosität ist für typische Sintermetallpulver-Filterelemente ständig ein Nachteil gewesen. Die Porositäten für die obigen Filter reichen höchstens von 40 bis 44%, wodurch die Durchflußeigenschaften dieser Filter begrenzt sind. Die geringen Porositäten haften den zur Herstellung von Sintermetallpulver-Filtern verwendeten Verfahren von Natur aus an. Bei einem derartigen Verfahren werden die Pulver typischerweise in einer Form verdichtet, so daß sie einen "ungesinterten Formling" bilden, dann gesintert, so daß die Metallteilchen miteinander vereinigt werden, um die notwendige Festigkeit zu verleihen. Die endgültigen Filterelemente (oder "Membranen") können von einer ebenen Sinterschicht eines Metallpulvers abgeschnitten werden oder im Formgebungsschritt in die endgültige Form geformt werden. Die Temperaturen, bei denen die Sinterung durchgeführt wird, sind kritische Einflußgrößen bei der Festlegung der endgültigen Porosität. Höhere Temperaturen führen zu einer erhöhten Festigkeit, verringern jedoch die Porosität; tiefere Temperaturen führen zu einer verringerten Festigkeit und höheren Porosität. Bis jetzt war die endgültige Porosität in der Sintermetallpulvertechnik auf etwa 45% begrenzt.
Die Entfernung von Spurenkontaminationsgasen ist bei der Halbleiterherstellung auch ein Problem. Gegenwärtige in der Mikroelektronikindustrie verwendete Gasreinigungsvorrichtungen bestehen aus zwei zu einer Einheit vereinigten gesonderten Modulen, d.h. einer stromaufwärts gelegenen Reinigungsvorrichtung (die Getterlegierungen, organometal lische oder anorganische auf Harz basierende oder reaktive Mikromatrix-Materialien enthält) zur Entfernung von molekularen Kontaminanten, gefolgt von einem stromabwärts gelegenen Teilchenfilter zur Entfernung von Teilchen. Diese Teilchen können bereits im Gasstrom vorhanden gewesen sein, und/oder sie wurden von der Reinigungsvorrichtung erzeugt. Typische Beispiele für diese Produkte schließen Reinigungsvorrichtungen ein, die von SAES Pure Gas, Ultraprure, Semi-gas und Millipore vertrieben werden. Beispielsweise vertreibt Millipore eine Waferpure Mini XL genannte Reinigungsvorrichtung zum Einsatz am Verwendungsort, die aus zwei gesonderten Teilen, einer geringen Menge an Reinigungsmaterial und einem Edelstahlfilter besteht, das in einem einzigen Edelstahlgehäuse enthalten ist, das 12,7 cm (fünf Inch) in der Länge und 2,54 cm (ein Inch) im Durchmesser mißt. Andere größere Reinigungsvorrichtungen umfassen zwei gesonderte Gehäuse, die in Serie geschaltet sind, d.h. ein stromaufwärts gelegenes Gehäuse, das das Reinigungsmaterial enthält, stromabwärts gefolgt von einem geeigneten Gasfilter. Reinigungsvorrichtungen, die aus gesonderten Reinigungs- und Filtrationsmodulen bestehen, können ohne Rücksicht darauf, wie sie zusammengestellt sind, lediglich in einer Durchflußrichtung richtig arbeiten. Ein Durchfluß in umgekehrter Richtung oder eine Rückdiffusion können zur Freisetzung von feinen Teilchen aus dem Reinigungsvorrichtungsbett durch die Rückhaltefritte und in die Gasleitung führen.
Man hat Gettermittel dazu verwendet, um Spurenmengen von Gasen, wie z.B. Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Feuchtigkeit, zu absorbieren oder chemisch zu binden, wodurch man in abgedichteten Vorrichtungen ein Vakuum aufrechterhält, und um Inertgase zu reinigen. In der Vergangenheit sind Zirconium- und Titanschwamm verwendet worden, aber sie müssen bei erhöhten Temperaturen (700-900ºC) arbeiten. Andere nicht verdampfbare Getterlegierungen sind entwickelt worden, die aus Metallegierungspulvern oder ihren Hydriden hergestellt worden sind und eine kleine Größe (weniger als 125 um) und geringere Betriebstemperaturen (350ºC) aufweisen. Die Pulver werden in Säulen gepackt, denen ein Trägerbett zugemischt ist, und werden in-line verwendet, um Spurengase zu absorbieren oder katalytisch zu entfernen. Diese Festbette haben den Hauptnachteil der Erzeugung von Feinstteilchen aufgrund mechanischen Abriebs der Teilchen unter Bedingungen von normalen Druck- und Durchflußschwankungen. Getterlegierungen haben Zusammensetzungen von Zr, Al, Ni, Fe, Ti, Ta, Th, Hf, Nb und Uran eingeschlossen. Das US-Patent Nr. 4,312,669 (Boffito, et al.) offenbart eine ternäre Legierung von Zr-V-Fe, die man in Pellets pressen oder an einen Träger anbringen kann oder die alternativ chemisch gebunden oder gesintert werden kann. Die feinverteilten Legierungspulver werden in Strukturen gegossen oder gepreßt, oder sie werden mit einem Träger kombiniert, wie z.B. im US-Patent Nr. 5,242,559 (Giorgi), das ein Gettermittel, das elektrolytisch an einen Träger gebunden wird, wie zum Beispiel einen Metalldraht oder -streifen oder einen metallummantelten keramischen Werkstoff, in Kombination mit einem Antisintermittel beschreibt. Das gebundene Getterpulv er, das Antisintermittel und der Träger werden dann unter Vakuum wärmebehandelt (gesintert), um eine poröse Oberflächenummantelung herzustellen. Jedoch sind diese Ummantelungen zur Bildung von filterartigen Strukturen nicht nützlich, weil sie darauf beschränkt sind, eine tragende Fläche zu besitzen. Da das Sintern mittels eines Bindemittels unterstützt wird, ist es außerdem möglich, daß sich Teile des Bindemittels während einer Anwendung am Verwendungsort ablösen, wodurch wiederum Feinstteilchens erzeugt werden, die ihren Weg in den Prozeßstrom finden können.
Eine kürzliche Entwicklung in diesem Gebiet ist eine reaktive Kohlenstoff Ikeramik-Membran zur Filtration und Reinigung von Gasen, die ein reaktives Metall aufweist und als Schicht verwendet wird. Das US-Patent Nr. 5,196,380 (Shadman) offenbart eine reaktive Membran zur Entfernung von homogenen und heterogenen Verunreinigungen aus Gasen, wobei die reaktive Membran ein poröses Keramik- oder Kohlenstoffsubstrat, auf dem eine Kohlenstoffschicht abgeschieden ist, und eine Schicht oder Schichten eines reaktiven reduzierten Metalls auf dem Kohlenstoff umfaßt, wobei das Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan und Alkalimetallen besteht. Das Metall wird zuerst in nichtreduzierter Form abgeschieden und nachfolgend reduziert. Chemische Dampfabscheidungs- und Lösungs abscheidungsverfahren werden zur Abscheidung sowohl des Kohlenstoffs als auch des Metalls offenbart. Diese Vorrichtung weist jedoch die folgenden Herstellungs- und Leistungsprobleme auf. Für das als Startmaterial verwendete Filterelement muß die Porengröße geringfügig größer sein als die des Endprodukts, da Materialschichten auf der Membran abgeschieden werden und dadurch die Porengröße verringern. Dies verursacht mögliche Herstellungsschwierigkeiten bezüglich einer Reproduzierbarkeit und Porenverstopfen. Außerdem sollten einige der stromabwärts gelegenen Membranelemente unummantelt gelassen bleiben, da die Reaktion des reaktiven Mantelmetalls mit Oxidansverunreinigungen Mantelmaterial mit Eigenschaften einer schlechteren Adhäsion an dem Membranträger liefern kann. Dies würde zur Ablösung und Teilchenbildung führen. Das stromabwärts gelegene nicht ummantelte Membranmaterial würde zur Filtration dieser Teilchen verfügbar sein, aber die Porengröße würde größer als optimal sein, aus Gründen, die zuvor erörtert wurden. Anstrengungen, um die Gleichförmigkeit der Porengröße zu verbessern, indem man das Beladungsniveau von aktivem Material verringert, würde zu einer Vorrichtung mit ungenügender Kapazität zur Entfernung von Verunreinigungen führen. Der Wirkungsgrad und andere Eigenschaften dieser Membran werden nicht mitgeteilt.
Es gibt einen Bedarf an einer Reinigungsvorrichtungs-Wirkungsweise, die in einem Ganzmetallfilter mit guter Porosität und gutem Gasdurchsatz integriert ist. Die einstückige Kombination einer Getterreinigungsvorrichtung und eines Filters würde sämtliche positiven Aspekte von hochporösen Metailfiltern und die Vermögen von Gettermitteln zur Entfernung von Gasverunreinigungen mit weniger Gasabgabe- und Teilchenablösungsproblemen in einer Vorrichtung am Verwendungsort bieten.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, sowohl eine Reinigungsvorrichtung als auch ein hocheffizientes hochporöses Metallmembranfilterelement bereitzustellen, die als Getterfilter am Verwendungsort in der Halbleiterindustrie nützlich sind. Die Kompaktheit der Erfindung ermöglicht wesentliche Einsparungen beim Raum, der bei der Prozeßgeräteausstattung verwendet wird, eine verringerte Gasabgabe aufgrund eines verringerten inneren Oberflächeninhalts und einen verringerten Druckabfall über die Länge des Filters.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Getterfiltermembranelement bereitzustellen, das in irgendeiner von zahlreichen Formen zur Unterbringung in ein Filtergehäuse gebildet sein kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat man gefunden, daß hochporöse Getterfiltervorrichtungen mit hohem Durchsatz, die aus einer Kombination von faserartigen Metallpulvern und einem Gettermaterial gefertigt sind, hergestellt werden können, die einen Bruchteil des Filtervolumens benötigen, das man in vorhandenen Filtern findet, und die außerdem Spuren von Verunreinigungen in ausgewählten Gasen entfernen. Die Filter/Reinigungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung behalten den hohen Wert der Teilchenausbeute bei (weniger als ein Hindurchtritt durch das Filter pro Million), den man in vorhandenen Filtern findet, während auch Spurenkontaminationsgase eingefangen werden. Das Getterfilter der vorliegenden Erfindung weist ein minimales Innenvolumen auf und ist äußerst kompakt, was zu einer sehr geringen Erzeugung von Kontaminanten führt, die auf ein Einwirken anderer Atmosphären als hochreiner Gase und auf den mit einem Gebrauch verbundenen Abrieb zurückzuführen sind. Außerdem teilt die vorliegende Erfindung andere vorteilhafte Eigenschaften von porösen Metallfiltern, nämlich die guten mechanischen und thermischen Eigenschaften, die einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen und hohen Differenzdrucken ermöglichen, und das Fehlen einer Teilchenablösung, die mit anhaltender Verwendung verbunden ist.
Demgemäß ist die Erfindung auf ein Getterfilter- Verbundstoffmembranelement gerichtet, das eine gesinterte Mischung von Gettermaterial und Metallpulverfiltermaterial umfaßt, wobei das Verbundstoffelement eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt und eine Porosität von mindestens 55% aufweist. Bevorzugte Membranelemente können aus mindestens drei alternierenden Schichten einer ersten Getterschicht und einer zweiten Sintermetallfiltermaterialschicht zusammengesetzt sein, wobei die erste Getterschicht zwischen zwei zweiten Filterschichten angeordnet ist, wobei die zweiten Schichten wirken, um die Getterschicht zu halten und die Getterteilchen zurückzuhalten.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgetterfilter-Verbundstoffmembranelementes bereit, das eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt, umfassend die Schritte:
a. Mischen eines Gettermaterials mit einem Metallmaterial und Sintern derselben, um ein gesintertes Getterelement mit zwei entgegengesetzten Seiten zu erzeugen;
b. Absetzen des gesinterten Getterelementes in eine Form;
c. Absetzen einer sinterbaren Metallschicht in die Form und Aufsintern derselben auf eine erste Seite des Getterelementes;
d. Umdrehen des Getterfilterelementes, um die zweite Seite freizulegen; und
e. Absetzen einer sinterbaren Metallschicht auf die zweite Seite des Getterelementes und Aufsintern derselben auf eine zweite Seite des Getterfilters,
wobei das Verfahren zu einem Verbundstoffmembranelement führt, das eine Porosität von mindestens 55% aufweist.
Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Getterfilter-Verbundstoffmembranelements bereit, das eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt, umfassend:
Absetzen eines Bettes eines sinterbaren Metallmaterials in eine Form;
Verdichten des Bettes aus Metallmaterial, um einen ersten ungesinterten Metallformling zu bilden;
Absetzen einer Mischung von Gettermaterial und Metailmaterial in die Form auf das verdichtete Metalimaterial;
Verdichten der Materialien in der Form, um einen ungesinterten Zweischichtenformling zu bilden;
Absetzen eines Bettes eines sinterbaren Metallmaterials in die Form und auf das Gettermaterial;
Verdichten der Materialien in der Form, um einen dreilagigen ungesinterten Verbundstofformling zu bilden; und
Sintern des ungesinterten Verbundstofformlings, wobei das Verfahren zu einem Verbundstoffmembranelement führt, das eine Porosität von mindestens 55% aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine Rasterelektronenmikroskopansicht der Getterfilter-Verbundstoffmembran der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 2 (a-f) sind eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des Getterfilterelementes von Figur 1.
Figur 3 ist eine Mikroskop-Photographie eines Querschnitts der Getterfilter-Verbundstoffmembran der vorliegenden Erfindung, die die Schichtstruktur einer Ausführungsform der Vorrichtung zeigt.
Figur 4 ist eine graphische Darstellung des Durchflusses gegen den Einlaßdruck für ein Getterfilterelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, die sein lineares Ansprechverhalten zeigt.
Figur 5 ist eine graphische Darstellung der gemessenen Sauerstoffkonzentration, wobei ein in übereinstimmung mit dieser Erfindung hergestelltes Getterfilter vorhanden ist, wobei das Getterfilter mit einer konstanten Konzentration von Sauerstoff (105 ppb) belastet wird, und der über die Zeit gemessenen Aus gangskonzentration.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfindung offenbart ein hocheffizientes, hochporöses Ganzmetallgetterfilter-Verbundstoffmembranelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Getterfiltervorrichtungen, die die Membran enthalten, zeigen einen erhöhten Fluiddurchsatz, einen verringerten Druckverlust, eine wesentlich geringere Gasabgabe, verringerte Abmessungen und eine verringerte Kompliziertheit und die Fähigkeit, gasförmige Spurenverunreinigungen zu absorbieren oder chemisch zu entfernen. Diese Eigenschaften machen dieses Getterfilter in den Halbleiter- und verwandten Industrien ideal als Gas filter/Reinigungsvorrichtung am Verwendungsort.
Die folgenden Begriffe werden in dieser Anmeldung verwendet. Der Begriff "Porosität" wird als der Anteil Porenvolumen pro Gesamtvolumen des Membranelementes definiert. Prozent Porosität ist das Porenvolumen dividiert durch das Gesamtmembranelementvolumen, multipliziert mit 100.
Wie hierin verwendet, soll der Begriff "metallisch" sämtliche Metall enthaltenden Materialien bezeichnen. Dies schließt ein, ist aber nicht beschränkt auf Reinmetalle, Halbmetalle, Metalloxide, Metallegierungen, Metallhydride und ähnliche Zusammensetzungen, die einem normalen Fachmann im chemischen oder metallurgischen Fachgebiet bekannt sind.
Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff "Membranelement" das waferähnliche Produkt dieser Erfindung. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein großes inneres Porenvolumen, ausgezeichnete Bausteifigkeit und -festigkeit und einen geringen Druckabfall aufweist, wenn Fluide, insbesondere Gase, durch es hindurchgeführt werden. Außer Wafern können andere Formen verwendet werden.
Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff "Matrix" eine physikalische Struktur, die ein Netzwerk von untereinander verbundenen Poren oder spaltähnlichen Bereichen umfaßt. Die Matrix ist, obwohl sie im großen und ganzen eine gleichförmige Struktur ist, nicht notwendigerweise zu 100% gleichförmig. Einige Poren können vollständig von anderen Poren getrennt sein und können folglich mit der Matrix nicht verbunden sein. "Im wesentlichen untereinander verbunden" kann folglich so interpretiert werden, daß es bedeutet, daß die Mehrzahl der Poren mindestens eine andere Pore berührt oder Elemente gemeinsam mit ihr besitzt, wodurch ein Austausch zwischen den Poren ermöglicht wird.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "dendritisch" auf die baumähnlichen Fortsätze, welche die Metallteilchen zeigen. Die dendritische Eigenschaft des Metallpulvers macht es wegen der Wechselwirkungen der Zweige untereinander möglich, einen höherporigen Bereich zu erzielen als mit nichtdendritischen Metallpulvern. Andere Metallpulver, die dendritisch sind oder die man dendritisch machen kann, fallen in den Bereich dieser Erfindung.
Wie hierin verwendet, ist der Begriff "ungesinterter Formling bzw. Grünformling" ein Begriff, der in der Sintertechnik gut bekannt ist. Er bezieht sich auf die verdichtete Metallpulverstruktur bevor sie gesintert ist. Der ungesinterte Formling zeigt eine höhere Porosität als die endgültige gesinterte Membran, ist aber sehr zerbrechlich.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "sinterbares dendritisches Material" auf irgendeine Substanz, deren einzelne Teilchen eine äußerst verzweigte Außenoberfläche aufweisen, wobei das Teilchen auch sinterbar sein muß.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff "im wesentlichen gleichförmig", wenn er zur Bezeichnung des Bettes mit geringer Dichte verwendet wird, daß es wenige oder keine signifikanten örtlichen Variationen in der Dichte des luftsedimentierten Bettes gibt.
Die Erfindung ist auf ein Getterfilter-Verbundstoffmembranelement gerichtet, umfassend ein sinterbares Gettermaterial und ein sinterbares Metallfiltermaterial, wobei das Verbundstoffelement eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren definiert. Wie in Figur 1 gezeigt, ist das Getterfilter eine waferähnliche Membran, die im wesentlichen homogen aussieht. Wie in Figur 3 gezeigt, ist die Membran jedoch aus mindestens drei einzelnen Schichten zusammengesetzt, die gesondert niedergelegt werden. Wie in Figur 2 gezeigt, wird das Verfahren zum Luftsedimentieren der einzelnen Schichten offenbart. Dieses Verfahren ist mit dem Luftsedimentations- Verfahren verwandt, das ausführlicher in der US Ser. Nr. 08/071,554, eingereicht am 4. Juni 1993, für "High Efficiency Metal Membrane Element, Filter, and Process for Making" und der entsprechenden EP-A-0,627,256 beschrieben ist.
Die Reinigungsvorrichtung/Filter-Anordnung dieser Erfindung integriert die beiden Entfernungsvermögen, d.h. für molekulare und teilchenförmige Verunreinigungen, in ein einziges Verbundstoffelement. Dieses liefert eine bessere Verwendung für den Zweck und einen besseren Oberflächeninhalt. Aufgrund einer verkürzten Diffusionsstrecke der Verunreinigungen zu einer reaktiven Wand liefert es auch einen verbesserten Massentransportwirkungsgrad. In auf Harz basierenden Reinigungsvorrichtungen ist die Gesamtverunreinigungsentfernungsrate durch den Massentransportwiderstand begrenzt -von dem man viel auf eine Diffusion von Verunreinigungen in den Poren der Trägerkügelchen zu den aktiven Stellen zurückführen kann. Im Getterfilter der vorliegenden Erfindung fließt samtliches Gas durch die Poren, so daß Verunreinigungen durch konvektiven Massentransport, dicht an die reaktive Oberfläche gebracht werden. Die Verunreinigungsmoleküle müssen folglich eine maximale Strecke eines Porenradius diffundieren. Dies sorgt in der Theorie für einen besseren Gesamtentfernungswirkungsgrad und für geringere Verunreinigungs- Auslaßkonzentrationen.
Diese Erfindung besteht aus einem aus einem Metall, Metallhydrid, einer Metallegierung oder einer Mischung dieser Bestandteile hergestellten Getterfilterelement, das gegenüber Gasverunreinigungen an sich reaktiv ist, als daß man ein reaktives Metall auf einem inerten Membranträger abscheidet. Das Getterfilterelement wird aus einer Getterlegierung oder einem Reinmetall hergestellt, die bzw. das bei Umgebungsbedingungen aufgrund einer Schutzoxidummantelung nicht reaktiv ist, sich aber entweder bei erhöhten Temperaturen oder bei Raumtemperatur nach einem vorhergehenden Aktivierungsschritt bei erhöhter Temperatur wie ein Gettermittel für molekulare Verunreinigungen verhält. Das durch die Oxidummantelung gewährte Maß an Schutz bei Umgebungsbedingungen hängt von dem verwendeten speziellen Metall oder der verwendeten speziellen Legierung ab. Obwohl die Oxidummantelung eine regelmäßig wiederkehrende Einwirkung von Umgebungsluft ermöglichen kann, sollte das Metall oder die Legierung soviel wie möglich bei inerten Bedingungen gehandhabt werden. Geeignete Legierungen schließen selbstformulierte Getterlegierungen oder im Handel erhältliche Legierungen ein, z.B. eine binäre Legierung von 84% Zr-16% Al (SAES St 101) oder eine ternäre Legierung von Zr-Ti-Ni. Geeignete Reinmetalle, die eine Schutzoxidummantelung des reaktiven Volumenmetalls aufweisen, schließen Aluminium, Calcium, Hafnium, Magnesium, Mangan, Strontium, Titan, Vanadium und Zirkonium ein. Die bevorzugten Gettermaterialien sind Zr und Ti und deren Legierungen.
Das Filterelement wird wie hierin und in der US Ser. Nr. 08/071,554 (EP-A-0,627,256) offenbart hergestellt, das die Herstellung von ges interten Ganznickelfilterelementen mit der für optimale Teilchenentfernung gewählten Porengröße beschreibt. Das Getterfilterelement wird aus feinen Pulvern unter Verwendung von vorhandenen oder abgewandelten vorhandenen Sinterverfahren hergestellt. Man hat gezeigt, daß durch diese Verfahren hergestellte Filter Teilchen aus Gasen mit einem größeren Wirkungsgrad als 99,9999999% (9LRV) bei einer am häufigsten hindurchtretenden Teilchengröße von 0,1 um und bei der für die Anwendung maximalen Flächengeschwindigkeit entfernen. Das Getterfilterelement wird dann in ein Metallgehäuse eingeschweißt, so daß Polymerdichtungen aus der Vorrichtung ausgeschlossen sind. Die, Gehäusematerialien könnten 316L Edelstahl, Nickel oder Hastelloy sein, wie man sie schon in Filter- und Reinigungsvorrichtungen findet, die in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden. Die Vorrichtung kann jede der Einlaß- und Auslaßverbindungen aufweisen, die man üblicherweise in Gasversorgungssystemen in der Mikroelektronikindustrie findet. Das Getterfilter vermeidet die Herstellungsprobleme von reaktiven Filtern (US-Patent 5,196,380) und kann vor einer Aktivierung regelmäßig wiederkehrend an Luft gehandhabt werden. Bei Raumtemperatur ermöglicht eine Oberflächenoxidummantelung auf dem Metall die Herstellung des Filters und den Einbau in der Fabrik (Waferfabrikationsstätte). Nach Einbau an der Gasleitung und Spülen wird das Filter zur Aktivierung auf die gewünschte Temperatur erwärmt, um eine Entfernung von molekularen Verunreinigungen unter Beibehaltung der Teilchenentfernung zu ermöglichen. Obwohl bei dem Getterfilter eine Änderung im Druckabfall eintreten kann, wird keine Teilchenablösung eintreten, da sich die molekularen Kontaminanten in das Volumenmetall des Filters ausbreiten. Die Kapazität ist größer als bei den reaktiven Filtern, da das Volumenmetall zur Entfernung von Verunreinigungen verwendet wird, anstatt bloß für eine durch den Oberflächeninhalt begrenzte Reaktion. Außerdem kann das Getterfilter in beiden Durchflußrichtungen arbeiten und folglich einen Schutz gegen Rückdiffusion von molekularen oder teilchenförmigen Verunreinigungen bereitstellen. Dies löst eine technische Begrenzung, die vorhandene Reinigungsvorrichtungen aufweisen, wie zuvor erörtert. In Fällen, in denen eine anhaltende Erwärmung des Filters nicht möglich ist, könnte das Filter bei Raumtemperatur mit einer gelegentlichen Hochtemperatur-Aktivierung betrieben werden, um die adsorbierten Oberflächenverunreinigungen in das Volumen diffundieren zu lassen.
Metallteilchen, insbesondere reaktive Getterteilchen, sind schwierig zu handhaben, d.h. unterhalb einer Teilchengröße von etwa 44 um (325 mesch) pyrophor. Man benötigt kleine Teilchen (< 15 um), um ein gut gesintertes Filter zu bilden. Der Gedanke, in der Lage zu sein, pyrophore Metallgetterteilchen draußen in der Raumluft zu handhaben, während man versucht, ein Filter herzustellen, wird als schwierig, wenn nicht unmöglich angesehen. Sicherlich ist eine kommerzielle Herstellung von Filtern, die pyrophore Teilchen einschließen, problematisch.
Die Erfinder haben entdeckt, daß eine Oberflächenoxidummantelung auf den Teilchen diese gegen eine weitere Reaktion schützt und ihre Handhabung an Raumluft ermöglicht. Fachleute für Arbeiten mit Gettermaterialien sind jedoch der Meinung, daß Teilchen von dieser geringen Größe, sobald sie passiviert sind, vollständig aufgebraucht sind und kein restliches Reinigungspotential mehr besitzen. Überraschenderweise ist dies nicht der Fall. Das Gettermaterial weist noch eine wesentliche verbleibende Kapazität auf, sogar nachdem sämtliche Verfahrensschritte eines Bildens der Filtermedien vervollständigt worden sind.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung, die allgemein das Verfahren zur Herstellung eines Getterfiltermetallmembranelements beschreibt. Gemäß dem Verfahren der bevorzugten Ausführungsform wird eine hochporöse Getterfiltermetallmembran durch Verwenden einer Mehrzahl von neuen Arbeitsvorgängen hergestellt. Im allgemeinen beginnen die Schritte des Verfahrens zunächst mit dem Abscheiden eines gleichförmigen Bettes von Metallpulver, das mit Getterpulver gemischt ist, indem ein Bett von mit Gettermetall gemischtem Pulver luftsedimentiert wird, um ein äußerst gleichförmiges Pulverbett mit außerordentlich geringer Dichte zu bilden, dessen Fülldichte gleich derjenigen oder geringer als diejenige des Pulvers ist, wie man es aus seinem Behälter erhält (Fig. 2(a)). Die nächsten Schritte sind die Niederdruckpressung eines derartigen Bettes, um einen hochporösen semi-selbsttragenden ungesinterte Formling zu bilden (Fig. 2(b)), und dann das Sintern des ungesinterten Formlings, um eine selbsttragende hochporöse Metallgettermembran mit einer 55% übersteigenden Porosität zu erzeugen (Fig. 2(c)). Schritt (d) ist eine zweite Verarbeitung, um das Sinterelement weiter zu kompaktieren. Schritt (e) ist eine weitere Schichtung von lediglich Metall. Danach wird das Element aus der Form entfernt, umgewendet, und es wird eine dritte und letzte Metallschicht abgesetzt, um eine Verbundstoffmembran zu bilden.
Fig. 2(a) zeigt den ersten Schritt eines Luftsedimentierens. Wie oben erwähnt, wird die Bildung eines Bettes außerordentlich geringer Dichte mit hoher Gleichförmigkeit durch die Verwendung von Luftsedimentationsverfahren erreicht. Der Begriff "Luftsedimentieren", wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Verfahrensweise, durch die eine zuvor bestimmte Masse von Pulver 10 durch ein Maschensieb 20 gesiebt wird und unter dem Einfluß der Schwerkraft in eine darunter angeordnete Form 30 von festem Volumen fallen gelassen wird. Da das Pulver auf diese Weise als eine Wolke von suspendierten Teilchen "aufgeplustert" ist, wird seine Dichte geringer als diejenige des verpackten Pulvers. Die Strecke, die das Pulver fällt, bevor es in Kontakt mit der Form kommt, wird notwendigerweise abhängig von der Fläche und der Gestalt der Form variieren. Eine Mannigfaltigkeit von einzelnen Formen kann abhängig von der endgültigen Form und Größe des gewünschten Produkts verwendet werden. Beispielsweise erfordert eine runde Form mit einem Durchmesser von 13 cm eine Fallhöhe von mindestens 25 cm, wenn faserartige Nickelpulver verwendet werden, um ein Pulverbett 40 von im wesentlichen gleichförmiger Dicke und Dichte sicherzustellen. Eine Form mit größerem Durchmesser würde eine größere Fallstrecke erfordern. Ein normaler Fachmann ist in der Lage, diese Höhe durch den Einsatz von Routineuntersuchungen zu bestimmen, wobei die hierin angegebenen Beispiele vorausgesetzt sind. Das auf die beschriebene Weise gebildete Bett 40 weist eine gleiche oder geringere Dichte als diejenige der Fülldichte des Pulvers 10 auf und vorzugsweise eine geringere. Die Fülldichte wird bestimmt, indem man der Verfahrensweise folgt, die in ASTM B 329 dargestellt ist. Für faserartige Nickelpulver mit einer Fülldichte von etwa 1,0 g/cm³ kann die luftsedimentierte Bettdichte so gering wie 0,7 g/cm³ sein.
Das mit Gettermetall gemischte Pulver kann jeden beliebigen Zusammensetzungsbereich in Prozent von Getter- zu Metallpulver aufweisen, der ein ausreichendes Kontaminations Entfernungsvermögen sowie auch eine strukturelle Stütze bietet. Die Porosität variiert mit dem Metallgehalt. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 25 Gewichts-% Gettermittel und etwa 50 Gewichts-%, wobei ein am meisten bevorzugter Wert 25% ist.
Mit Bezug nun auf Fig. 2(b) wird das wie beschrieben gebildete luftsedimentierte Bett 40 hierauf unter Verwendung einer Verdichtungs-Einrichtung 50 unter Verwendung eines verhältnismäßig geringen Drucks auf die gewünschte Dicke gepreßt, so daß ein ungesinterter Formling 60 gebildet wird. Die resultierende Porosität liegt im Bereich zwischen 80 und 90%. Das Ausmaß an benötigtem Druck hängt notwendigerweise von drei Variablen ab, nämlich der Dichte des luftsedimentierten Bettes 40, der Dicke des Bettes und der gewünschten Dicke des gepreßten ungesinterten Formlings 60. Beispielsweise benötigt man für ein Bett mit einer Dichte von 0,8 g/cm³ und einer Dicke von 0,6 cm einen Druck von 30 kg/cm² (430 psi), um einen ungesinterten Formling mit einer Dicke von 0,4 cm zu erhalten. Die Dichte eines derartigen ungesinterten Formlings würde 1,3 g/cm³ betragen, und er würde eine Porosität von 85% aufweisen. Der ungesinterte Formling 60 ist nur insoweit selbsttragend, als er unter Beibehaltung seiner Struktur mit Sorgfalt aus der Form entfernt werden kann. Jedoch kann die Einführung einer relativ geringen Spannung bei dem ungesinterten Formling 60 bewirken, daß er seine Unversehrtheit verliert.
Mit Bezug nun auf Fig. 2(c) wird dem selbsttragenden ungesinterten Formling 60 mittels des darin dargestellten Sinterschritts eine zusätzliche Festigkeit verliehen. Im allgemeinen erreicht man ein Sintern durch Erwärmen eines Metallpulvers in einem Sinterofen 70 auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes in Anwesenheit einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre oder in Vakuum. Ein normaler Sinterfachmann ist in der Lage, die speziellen Atmosphärenbedingungen zu bestimmen, bei denen gesintert werden soll. Die Temperatur und in einem geringeren Maße die Dauer des Sinterverfahrens sind zwei kritische Einflußgrößen, welche die endgültigen Abmessungen und folglich die Porosität der Metallmembran bestimmen. Die Porosität des gesinterten Grünproduktes 80 nimmt gewöhnlich auf 70-80% ab. Dies tritt als Folge sowohl eines Sinter-Zusammenwachsens der Pulverteilchen als auch einer Schrumpfung der Membran ein. Eine tiefere Temperatur und kürzere Sinterdauer führen zu einer Membran mit geringeren Graden sowohl eines Sinter-Zusammenwachsens als auch einer Schrumpfung. Beispielsweise führt ein ungesinterter Formling mit einer Porosität von 80%, der 5 Minuten bei 950ºC gesintert wurde, zu einer Membran mit einer Porosität von 58%. Derselbe ungesinterte Formung, der 5 Minuten bei 800ºC gesintert wurde, führt zu einer Membran mit 72% Porosität. Es ist offensichtlich, daß eine Verringerung in der Temperatur zu einem Anstieg in der resultierenden Porosität führt. Die Anmelder haben entdeckt, daß ein Sintern sogar bei tieferen Temperaturen möglich ist. Jedoch ist eine untere Grenze bezüglich der Temperatur insofern vorhanden, als ein gegebenes Metall nicht sintern wird, sofern ihm nicht genügend Wärme zugeführt wird. Man hat im allgemeinen gefunden, daß die untere Grenze zum Sintern von faserartigem Nickelpulver mit einer Fisher-Größe von 2-3 um zwischen etwa 500 und 600ºC liegt. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet Temperaturen zwischen etwa 675 und 725ºC, da dies zu der geeigneten Membranporosität und den geeigneten Membranabmessungen führt, wenn man sie mit der richtigen Bildung des luftsedimentierten Bettes und des ungesinterten Formlings kombiniert. Eine am meisten bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Sintertemperatur von 675ºC.
Wie in Fig. 2(d) gezeigt, besteht der nächste Schritt darin, den gesinterten Grünformling 80 in der Verdichtungs-Einrichtung 50 zu pressen, um die endgültigen gewünschten Abmessungen zu erreichen. Das Pressen wird im allgemeinen bei einem höheren Druck ausgeführt als bei dem anfänglichen Verdichtungsschritt, wobei die Tatsache vorausgesetzt wird, daß der gesinterte Formling 80 nun viel steifer ist. Die im allgemeinen verwendeten Drucke bei diesem Schritt betragen normalerweise zwischen etwa 41,3 und 75,8 bar (zwischen 600 und 1100 psi). In einer bevorzugten Ausführungsform wird der gesinterte Grünformling bei einem höheren Druck als 68,9 bar (1000 psi) gepreßt. Dieser Schritt verringert die Porosität des Produkts auf seinen endgültigen Porositätwert, um eine Getterschicht 90 zu erzeugen. Die endgültige Porosität ist typischerweise größer als 55% und in einer bevorzugten Ausführungsform größer als 65%.
Schritt (e) ist in 2(e) dargestellt, das eine zweite Schicht zeigt, die oben auf der ersten Getterschicht 90 gebildet wird. Die zweite Schicht besteht aus einem dendritischen sinterbaren Metall, vorzugsweise Nickel (INCO 255). Dieser Schritt wird durchgeführt, während sich das zuvor hergestellte Getterelement 90 in der Form 30 befindet, so daß die zweite Schicht direkt in eine Fläche an der Getterschicht inkorporiert wird, was zu der Verbundstoffschicht 100 führt. Die Schritte (a)-(d) werden wiederholt, das Zweischichtenelement wird entfernt und in der Form umgewendet, und die dritte Schicht (Nickel) wird auf dieselbe Weise auf der entgegengesetzten Seite der Getterschicht gebildet. Diese Vorgehensweise schließt das Gettermittel in einem sandwichartigen Element ein (siehe Figur 3). Die Sintertemperatur in Schritt (e) für das Gettermaterial hängt von dem gewählten speziellen Gettermittel ab. Beispielsweise wird in Beispiel 1 das aus Zr(82): Ti(10): Ni(5): O(3) zusammengesetzte Gettermittel (die Bezugszeichen in den Klammern stellen das Gewichtsprozent jedes Elementes dar) 20 Minuten zwischen 775 und 825ºC, vorzugsweise bei 805ºC, gesintert. Um nur das Trägermaterial zu sintern, liegt der Bereich zwischen 650 und 750ºC, über etwa 20 Minuten.
Wie in Figur 2(f) gezeigt, kann der metallische Membranelementbogen 110 in Formen geschnitten werden, die eine Konstruktion von nützlichen Filtervorrichtungen erlauben. In einer bevorzugten Ausführungsform wird für diesen Zweck eine maschinelle Bearbeitung mittels elektrischer Drahtentladung (EDM) verwendet. Draht-EDM-Schneiden ist definiert als das Schneiden von Metallen mit einem dünnen Draht 120, durch den ein großer elektrischer Strom hindurchgeschickt wird. Dieses Verfahren eines Schneidens des Membranelementbogens 110 in Membranelemente hat zu den besten Ergebnissen geführt. Jedoch kann ein Fachmann in der Lage sein, andere Trennverfahren zu adaptieren, die ebenso gut arbeiten können. Beispielsweise kann Schneiden mit einer Trennscheibe oder einem Laser eine hinreichende Trennung bewirken. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Größe des Nickelmembranelementes 130 etwa 1,2 cm im Durchmesser und 0,25 cm in der Dicke.
Mit Bezug nun auf Fig. 2(f) sind die Membranelemente 130 bei tiefer Temperatur im Vakuum ausgeheizt worden, um jegliche während des Verfahrens eingeführten flüchtigen Stoffe zu beseitigen. Die Temperatur beträgt gewöhnlich weniger als 200ºC.

Beispiele

Beispiel 1 - Bildung eines gesinterten Getterfilterelementes.
Gettermaterial: Feines (< 20 um Durchmesser) Pulver, das aus einer Getterlegierung hergestellt ist (Beispiel: Zr 82: Ti 10: Ni 5: O 3);
Trägermaterial: Geeignetes dendritisches Material, das bei niedrigen Drucken < 68,9 bar (< 1000 psi) leicht einen ungesinterten Formling bildet. (Beispiel: INCO-Nickelpulver vom Typ 255). Die folgenden Schritte wurden ausgeführt, um ein Getterfilterelement herzustellen:
A) Eine Kombination von Getterpulver/Trägerpulver (25-50 Gewichts-% Gettermittel) wurde gemaß dem in der US-Patentbeschreibung Ser. Nr. 08/071,554 beschriebenen Verfahren in die Form luftsedimentiert, wie hierin für dieses Mehrlagenelement beschrieben;
B) Das Pulver wurde einer Niederdruckpressung unterzogen, um bei einem Druck zwischen etwa 34,5 und 103 bar (zwischen 500 und 1500 psi) einen ungesinterten Formling zu formen;
C) Der ungesinterte Formling wurde dann über 20 Minuten einem Vakuumsintern bei einer Temperatur unterzogen, die ausreicht, um das Trägermaterial und das teilweise gesinterte Gettermaterial gründlich zu sintern, die zwischen etwa 775 und 825ºC, vorzugsweise bei 805ºC, liegen kann;
D) Ein zweites Pressen bei einer Pressung mit höherem Druck wurde zur Erlangung einer gewünschten Dicke auf den gesinterten Formling bei etwa 172-345 bar (2500-5000 psi) ausgeübt;
E) Um eine zweite und nachfolgende Schichtungen zu erzeugen, wurde das Trägerpulver dann auf das gesinterte Gettermittel/Trägermaterial luftsedimentiert (das zuvor in die Form zurückgelegt worden war), und die folgenden Schritte wurden ausgeführt:
- Niederdruckpressen, um einen ungesinterten Formling zu bilden (34,5-172 bar; 500-2500 psi),
- Vakuumsintern für 20 Minuten bei einer Temperatur, um nur Trägermaterial zu sintern (650-750ºC),
- Hochdruckpressen auf die gewünschte Dicke (172-345 bar; 2500-5000 psi); und
- Draht-EDM auf die gewünschten Abmessungen.
Beispiel 2 - Aufbau eines Getterfilters
Das Filterelement in Beispiel 1 wurde in ein Edelstahlgehäuse geschweißt, und VCR -Steckverbindungen wurden auf die Enden aufgeschweißt, um eine Verbindung mit einem Hochreinheitsgasstand zu ermöglichen. Das Gehäuse wurde auf einem Prüfstand angebracht, und ein Argonstrom mit 1,2 slpm wurde durch das Filter eingestellt. Das Argongas wurde unter Verwendung einer Waferpure (Millipore)-Gasreinigungsvorrichtung vorgereinigt. Die stromabwärts vorhandenen H&sub2;O- und O&sub2;-Konzentrationen wurden unter Verwendung eines Meeco Aquamatic Plus Moisture Analysators bzw. eines Hersch/Osaka Oxygen Model MK3/Y Trace Oxygen Analysators gemessen. Ein Kin-Tek Span Pac 271 ATM Oxygen Generator wurde verwendet, um eine O&sub2;-Belastung von 100-105 ppb zu erzeugen. Nach Einbau des Filters und nachdem man über Nacht unter Argon spülen ließ, wurde das Gehäuse mittels eines Heizbandes auf 400ºC erwärmt. Die Sauerstoff- Belastung von 105 ppb wurde gestartet und wurde eine Stunde aufrechterhalten. Während dieser Zeitdauer wurde keine Änderung in dem Basislinien-O&sub2;-Pegel von 0 ppb durch den stromabwärts gelegenen Analysator ermittelt. Siehe Figur 5.
Beispiel 3 - Durchfluß/AP des Filterelements
Dieser Versuch zeigt die Ergebnisse eines Durchfluß/Druckabfall-Versuchs, bei dem ein Gas in das Getterfilter bei einem bekannten Einlaßdruck eingeführt wird. Figur 4 zeigt den Druckabfall relativ zum Atmosphärendruck für ein typisches Getterfilter mit einem Durchflußquerschnitt von etwa 2,13 cm².
Dieser Versuch wurde durchgeführt, indem man Luft durch das Filter bei einem bekannten Einlaßdruck P1 hindurchströmen ließ. Der Auslaßdruck ist Atmosphärendruck P2. Der Druckabfall wird als P1-P2 berechnet. Da P2 Atmosphärendruck ist, ist der Druckabfall für einen gegebenen Durchfluß einfach der Einlaßdruck.
Im Experiment wurde der Einlaßdruck P1 geändert und der zugehörige Durchfluß gemessen. Der Druck wurde unter Verwendung eines standardmäßigen Druckmeßgerätes gemessen. Der Durchfluß wurde unter Verwendung eines standardmäßigen Massendurchsatzmeßgerätes, das für Luft kalibriert war, gemessen.
Figur 4 zeigt, daß das Getterfilter ausgezeichnete Durchfluß/Druckabfall-Eigenschaften zeigte, die einer einfachen Filtervorrichtung sehr ähnlich sind, die man bei den gleichen Durchsätzen verwenden würde.

Beispiel 4

Man ließ das Filter und Gehäuse von Beispiel 2 unter einem inerten Argongasstrom auf Raumtemperatur abkühlen. Nach einer Stunde wurde die O&sub2;-Belastung von 105 ppb wieder angenommen. Zehn Minuten lang wurde kein beobachtbarer Anstieg in der O&sub2;-Konzentration beobachtet. Nach dieser Zeit stieg die O&sub2;-Konzentration über sechs Stunden allmählich auf den Eingangswert von 105 ppb an, wie in Figur 5 gezeigt.

Beispiel 5

Das Filter und Gehäuse von Beispiel 4 wurden mit Argon gereinigt und wieder auf 400ºC erwärmt. Die 0&sub2;-Belastung von 105 ppb wurde wieder angenommen. Während 6 Tagen wurde stromabwärts kein O&sub2; ermittelt. Die H&sub2;O-Konzentration erniedrigte sich während dieser Zeitdauer von einem Anfangswert von 40 ppb auf 9 ppb.

Claims

1. Getterfilter-Verbundstoffmembranelement, bei dem das Element eine gesinterte Mischung von Gettermaterial und Metallpulverfiltermaterial umfaßt&sub1; wobei das Verbundstoffelement eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt und eine Porosität von mindestens 55% aufweist.

2. Getterfilter-Membranelement nach Anspruch 1, bei dem das Metalipulvermaterial Nickel umfaßt.

3. Getterfilter-Membranelement nach Anspruch 1, bei dem das gesinterte Element in seiner ungesinterten Form bindemittel frei ist.

4. Getterfilter-Membranfilter nach Anspruch 1, bei dem das Gettermaterial in Gewichtsprozent 82% Zr; 10% Ti; 5% Ni und 3% O umfaßt.

5. Getterfilter-Verbundstoffmembranelement nach Anspruch 1, weiter umfassend ein zweites Metallfiltermaterial&sub1; das darauf aufgesintert ist, um eine Verbundstoffmembran zu bilden, wobei die Verbundstoffmembran mindestens eine Getterschicht aufweist, die zwischen mindestens zwei Filterschichten sandwichartig eingefügt ist, wobei das Verbundstoffmembran element eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt.

6. Getterfilter-Verbundstoffmembranelement nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Gehäuse, das einen Fluidkanal begrenzt und einen Mantel zum Einbehalten des Getterfilterelementes in dem Fluidkanal umfaßt, wobei der Mantel eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, wobei das Getterfilterelement dazwischen angeordnet ist und dichtend mit einer Mantelwand verbunden ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgetterfilter- Verbundstoffmembranelementes, das eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt, umfassend die Schritte:

a. Mischen eines Gettermaterials mit einem Metailmaterial und Sintern derselben, um ein gesintertes Getterelement mit zwei entgegengesetzten Seiten zu erzeugen;

b. Absetzen des gesinterten Getterelementes in eine Form;

c. Absetzen einer sinterbaren Metallschicht in die Form und Aufsintern derselben auf eine erste Seite des Getterelementes;

d. Umdrehen des Getterf ilterelementes, um die zweite Seite freizulegen; und

e. Absetzen einer sinterbaren Metallschicht auf die zweite Seite des Getterelementes und Aufsintern derselben auf eine zweite Seite des Getterfilters,

wobei das Verfahren zu einem Verbundstoffmembranelement führt, das eine Porosität von mindestens 55% aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, das weiter in Schritt (a) ein Verdichten der Mischung von Getter- und Metallmaterial umfaßt, um vor dem Sintern der Mischung einen ungesinterten Formling zu bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, das weiter in den Schritten (c) und (e) ein Verdichten der Metalischicht umfaßt, um vor dem Sintern einen ungesinterten Formling zu bilden.

10. Verfahren zur Herstellung eines Getterfilter- Verbundstoffmembranelements, das eine Matrix von im wesentlichen untereinander verbundenen Poren begrenzt, umfassend:

Absetzen eines Bettes eines sinterbaren Metallmaterials in eine Form;

Verdichten des Bettes aus Metailmaterial, um einen ersten ungesinterten Metallformling zu bilden;

Absetzen einer Mischung von Gettermaterial und Metalimaterial in die Form auf das verdichtete Metallmaterial;

Verdichten der Materialien in der Form, um einen ungesinterten Zweischichtenformling zu bilden;

Absetzen eines Bettes eines sinterbaren Metallmaterials in die Form und auf das Gettermaterial;

Verdichten der Materialien in der Form, um einen dreilagigen ungesinterten Verbundstofformling zu bilden; und

Sintern des ungesinterten Verbundstofformlings, wobei das Verfahren zu einem Verbundstoffmembranelement führt, das eine Porosität von mindestens 55% aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem der ungesinterte Formling bindemitteifrei ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Betten aus sinterbarem Metallmaterial abgesetzt werden, indem man sie in eine Form luftsedimentiert, um im wesentlichen gleichförmige Schichten geringer Dichte zu bilden, die normale Dichten aufweisen, die geringer oder gleich der Dichte des sinterbaren Metallmaterials sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Mischung von Gettermaterial und Metalimaterial durch Luftsedimentation abgesetzt wird.