DK147529B - Baad til fordampning af metal - Google Patents

Description

i 147529

Den foreliggende opfindelse angår både til fordampning af metal bestående af en grafitstav med en fordybning i i det mindste den ene side af staven og et overtræk af bornitrid.

Belægningen af forskellige underlag, såsom metal, glas, 5 plast og lignende, sker industrielt ved en vakuumudfældnings proces. Et metal, såsom aluminium, chrom, kobber eller lignende, fordampes under lavtryk og udfældes derpå på det ønskede underlag eller emne. Metallet fordampes ved opvarmning i en "båd" eller beholder, som består af et aflangt stykke elektrisk 10 ledende materiale med en fordybning til at rumme metallet. Båden er forbundet i et elektrisk kredsløb og opvarmes, når elektrisk strøm ledes igennem den. Denne varme fordamper derpå metallet.

De i dag anvendte modstandsopvarmede fordampningsbåde er sædvanligvis fremstillet af intermetalliske sammensætningsma-15 terialer, såsom titaniumdiborid med bornitrid eller titanium- diborid med bornitrid og aluminiumnitrid. Disse sammensatte materialer varer længere end det metal eller kulstof, der tidligere blev anvendt, men har visse ulemper. Metallerne i de konventionelle både bliver en del af det elektriske kredsløb 20 og er tilbøjelige til at reagere med båden, hvorved modstanden i kredsløbet ændres. Dette kræver en kontinuerlig indstilling -af den energi, som tilføres kredsløbet, der indeholder båden. En anden ulempe er, at de intermetalliske sammensætninger egner sig dårligt til fordampning af aluminium/silicium/kobberlegerin-25 ger i halvlederindustrien på grund af de høje renhedskrav til filmen, der skal udfældes på en siliciumplade til sådanne anvendelser.

Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 25 03 374 kendes der grafitbåde med en belægning af pyrolytisk bornitrid til for-30 dampning af metaller. I dette trykskrift er der imidlertid ikke angivet noget nærmere om arbejdsbetingelserne for udfældningen af sådanne bornitrid-belægninger.

Mere nøjagtige arbejdsbetingelser, hvad angår udfældningen af bornitrid på grafitbåde,fremgår af tysk fremlæggelsesskrift 35 nr. 11 93 765. Bofnitridlaget udfældes imidlertid ikke pyroly tisk og skal være i det mindste nogle millimeter tykt for at opnå en tilstrækkelig beskyttelsesvirkning. For ved disse tykkelser at opnå en nogenlunde god vedhæftning skal overtrækket 147529 2 på meget omstændelig måde opbygges af flere lag.

Anvendelsen af pyrolytisk bomitrid til fordampningsbeholdere er beskrevet i beskrivelsen til USA patent nr. 3.986.822.

Ved pyrolytisk udfældning af bornitrid i fordampningsbåde med 5 sædvanlig form med skrå ender fremkommer der som følge af for skellen mellem varmeudvidelseskoefficienterne det fænomen, at bornitriden kryber op ved bådens skråflader,og i samme grad som kulstofbåden krymper, og belægningen ikke krymper med på tilsvarende måde.

10 Det er formålet med den foreliggende opfindelse at overvin de disse ulemper og at anvise fordampningsbåde med ikke krybende bornitridbelægninger, og dette formål opnås ifølge opfindelsen ved, at overtrækket består af pyrolytisk bornitrid og uden mellemrum omslutter grafitstaven med undtagelse af frie kontakt-15 steder ved dennes ender, og at fordybningen ved begge sine ender er begrænset af halvkugleformet krummede flader. Det pyrolytiske bornitrid omhyller båden fuldstændigt med undtagelse af enderne, hvor grafitunderlaget er blottet for at være parat til at tilvejebringe elektrisk kontakt og at slutte 20 strømkredsen.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret i forbindelse med et udførelseseksempel og under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 isometrisk viser en fordampningsbåd ifølge opfin-25 delsen,umiddelbart efter at denne er blevet belagt med pyrolytisk bornitrid, fig. 2 en fordampningsbåd ifølge opfindelsen, som er blevet belagt med pyrolytisk bornitrid og derpå bearbejdet til fjernelse af endebelægningerne og til dannelse 30 af elektrisk kontakt, og fig. 3 den i fig. 2 viste fordampningsbåd i længdesnit.

Fig. 1 viser en fordampningsbåd, og en pyrolytisk bornitrid-belægning 10 dækker fuldstændigt alle fordampningsbådens overflader. En fordybning 12 er udformet med halvkugleformede 35 ender 14. I fig. 1 ses et hul 16, hvor båden blev understøttet under bornitridbelægningsoperationen.

I fig. 2 ses en båd, efter at denne er blevet bearbejdet til fjernelse af bornitrid fra sine ender. Det fremgår også heraf, at den yderste ende med hullet 16 er blevet afskåret 147529 3 og fjernet. På den i fig. 2 viste båds to ender er bomitridet blevet fjernet fra grafitstykkets endekanter 18 og fra grafitstykkets endesider 20. Som det også fremgår af fig. 3, er bor-nitridet blevet fjernet fra grafitstykkets underside eller bund-5 side 22 ved enderne. I fig. 3 er vist mere om bådens struktur, og det fremgår heraf, hvor bomitridbelægningen er blevet fjernet.

Fordampningsbåde af modstandstypen, såsom båden ifølge den foreliggende opfindelse, kræver en nøjagtig udformning 10 for at passe til modstandskredsløbet. De fremstilles langstrak te og smalle, eftersom deres længde og tværsnit bestemmer det elektriske kredsløb for båden og følgelig den mængde varme, der dannes. Formindskelse af bådens tykkelse formindsker tværsnitsarealet og forøger derfor den dannede varme på grund af 15 den forøgede modstand. Båden ifølge opfindelsen er fremstillet af en bearbejdet barre af finkornet grafit med høj tæthed og styrke. Barren svarer i bredde og længde til konventionelle både af intermetalliske sammensætninger. Den er imidlertid,sammenlignet med de konventionelle både, tyndere på grund af grafittens 20 større ledningsevne. Bådens tværsnitsarealformindskelse kan være 30-40%.

Hulheden eller fordybningen 12, der danner båden, er også forskellig i form fra fordybningerne i konventionelle både.

I både ifølge opfindelsen er det vigtigt, at fordybningen har 25 glatte konturer uden skarpe hjørner. Endeudformningen for den langstrakte fordybning er særlig kritisk, eftersom fordybningens ender må medvirke til fastholdelse af belægningen i fordybningsområdet. Forskellen i varmeudvidelseskoefficienterne for pyro-lytisk bornitrid og for grafit kan være så stor som 2:1 i korn-30 retningen, hvor den pyrolytiske bornitrids koefficient er mindst. Derimod er pyrolytisk bornitrids koefficient meget højere på tværs af kornretningen, og forhold på 7,5:1 er typiske. Denne forskel betyder, at den belagte dels geometri er væsentlig for bibeholdelse af den krævede belægningsberøring til sikring 35 af god varmeoverførsel. Belægningsberøring og følgelig varrae- overførsien kan yderligere forbedres, hvis grafitoverfladen før afsætningen af pyrolytisk bornitrid bliver gjort en smule ru.

147529 4

Især de halvkugleformede ender i fordybningen medvirker til at holde belægningen i fordybningsområdet og svækker desuden ikke bådens fordampningsfunktion. Hvis fordybningen har kvadratisk tværsnit, og enderne skråner svagt op til overfladen, 5 vil belægningen søge at forskydes op ad skråplanet under ned kølingen fra afsætningstemperaturen, hvorved berøringen går tabt til grafitsubstratet og derved forringer varmeoverførsien under bådens funktion. Det er kun fordybningens geometri og den praktisk taget fuldstændige indkapsling af båden, der hol-10 der belægningen på plads.

Ifølge opfindelsen fremstilles fordampningsbåde ved først at bearbejde en grafitbarre til den ønskede bådbredde og -tykkelse og en længde, som er lidt længere end den endelige båd.

Den ekstra længde anvendes til at understøtte barren i en pas-15 sende ovn. En fordybning udformes dernæst på i det mindste barrens ene overflade. Om ønsket kan der udformes fordybninger på begge barrens modstående sider. En foretrukken fremgangsmåde til udformning af fordybningen består i at bore den med en fræser. Arealet og dybden for fordybningen vil variere 20 med den tilsigtede anvendelse, men vil være af konventionelle dimensioner for sådanne både. Selv om grafitbarren kan holdes i belægningsovnen ved hjælp af vilkårlige passende organer, der udnytter den ekstra længde, er den foretrukne fremgangsmåde at bore et hul ved barrens ende. En understøtningsstang kan derpå 25 indføres i dette hul til fastholdelse af barren under belægnin gen med pyrolytisk bornitrid.

Den anvendte ovn kan være af den modstandsopvarmede type.

Der er blevet konstrueret en egnet reaktionsovn ved anvendelse af grafitplader som forklaret i det i det følgende omtalte ek-30 sempel. Et antal barrer til både ophænges i reaktionsovnen.

Aramoniakdampe og et luftformigt borhalogenid, fortrinsvis bortriklorid, ledes ind i den opvarmede reaktionsovn. Forholdet mellem ammoniak og bortriklorid kan variere fra 2:1 til ca. 4:1. Om ønsket kan en inert luftart, såsom nitrogen, anven-35 des til forøgelse af strømningshastighederne for de luftformige reaktanter. Reaktionsovnen holdes ved en temperatur på 1750°C til 2300°C, fortrinsvis 1800°C til 2200°C med 1875°C som den mest foretrukne temperatur. Et tryk på mindre end 0,067 bar opretholdes. Luftarternes eller gassens strømning ind i reak- 147529 5 toren fortsættes i reaktionstiden, d.v.s. indtil den ønskede belægning er opnået. Den anvendte kontinuerlige proces er nærmere forklaret i beskrivelsen til USA patent nr. 3.152.006.

Den ifølge opfindelsen opnåede pyrolytiske bornitridbelægning 5 bør være mindst 0,025 mm tyk og fortrinsvis mindst 0,50 mm.

Et foretrukket tykkelsesområde går fra 0,37 mm til 0,75.mm.

Det er vigtigt, at bornitridet totalt dækker eller indeslutter r barren, undtagen ved understøtningsområdet, der afskæres efter belægning. Den belagte båd tillades at afkøles, og efter at un-10 derstøtningsenden er afskåret, fjernes bornitridet ved bearbejd ning fra enderne samt fra siderne og bunden ved hver ende af barren. Dette tilvejebringer et blottet grafitområde til elektrisk kontakt. Enderne kan blive bearbejdet på en vilkårlig ønsket måde,til de passer i fastspændingsorganerne. Det er vigtigt, 15 at det pyrolytiske bornitrid fuldstændigt dækker bådens over flader, bortset fra de dele der skal i indgreb med og følgelig bliver dækket af elektriske forbindelsesklemmer.

Den pyrolytiske bornitridbelægning leder varme fra grafitbarren til metallet i fordybningen effektivt, men som følge aff 20 at pyrolytisk bornitrid har en lav specifik emissionsevne sammenlignet med de intermetalliske sammensætninger, der i dag anvendes til både, udsender det mindre energi. Metallet, der fordampes i bådene, er elektrisk isoleret fra kredsløbet og kemisk isoleret fra grafitmodstanden. Modstanden for systemet, 25 der består af båden og metallet, svarer således til grafit tens modstand alene, og eftersom grafitten er kemisk isoleret fra metallet, ændres dennes modstand ikke, således at der kræves mindst mulig energitilførselsjustering under bådens anvendelse. Den termiske ledningsevne for pyrolytisk bornitrid 30 er meget høj i hele grafitbarrens længde, hvilket sikrer en ensartet temperatur og en mere ensartet fordampning. Pyrolytisk bornitrids høje renhed med færre urenheder end 10 ppm bidrager til høj renhed i de pådampede materialer. Pyrolytisk bornitrids høje modstandsevne mod angreb fra aluminium og andre metaller 35 er også væsentlig til forlængelse af bådenes levetid.

Nedenstående eksempel belyser opfindelsen.

Eksempel.

En vis mængde finkornet grafit af høj tæthed og høj styrke 147529 6 blev ved bearbejdning udformet til stykker, hvis længde var 27,9 cm, bredde 25,4 mm og tykkelse 9,1 mm. I hvert stykke blev udformet en fordybning under anvendelse af en 22,2 mm kugleende-fræser. Denne fordybning var 6,53 mm dyb og 20,3 cm lang. Ved 5 den ene ende af hver således udformede"båd" blev der boret et hul med en diameter på 6,35 mm.

Fem grafitplader, som hver var 19,1 cm brede, 55,9 cm høje og 12,7 mm tykke, blev sammenstillet til en femkantform oven på en grafitplade med et hul i midten til tilførsel af gas. En 10 anden grafitpl'ade blev anbragt oven over den femkantede opstil ling af grafitplader, og denne overplade blev hævet over femkanten i tilstrækkelig højde til at danne et gasudstrømningsareal 2 på 423 cm for gasser, der strømmer op gennem hullet i bundpladen. Der blev boret huller i inderfladerne på grafitpladerne, 15 og der blev indsat stænger af en diameter på 6,35 mm i hullerne, og disse stænger blev anvendt til understøttende ophængning af 15 både.

Hele grafitpladeenheden med bådene ophængt indvendigt blev anbragt i en højtemperatursmodstandsopvarmet vakuumovn, som 20 var indrettet til at opretholde temperaturer på mere end 2000°C og et vakuum eller undertryk på omtrent 0,27 mbar.

Ovnen blev evakueret til et undertryk på 0,47 mbar og derpå opvarmet til en temperatur på 1875°C. En gasblanding blev indført i mængder på 1,48 1 pr. minut bortriklorid, 3,6 1 pr. minut 25 ammoniak og 1,24 1 pr. minut nitrogen. Gastilførslen og den deraf følgende belægning blev fortsat i 15 timer. Ovnen blev derpå slukket og tilladt at afkøle, og efter afkøling blev bådene udtaget.

Ved undersøgelse efter afkøling viste bådene sig at have 30 en pyrolytisk bornitridbelægning, der varierede i tykkelse fra 0,37 mm til 0,75 mm. Den ende i hver båd, der indeholdt hullet, blev derpå afskåret, og bådene blev bearbejdet på enderne til fjernelse af bornitridbelægningen fra de sidste 19,1 mm af alle overfladerne ved hver barres ender, bortset fra den med 35 fordybning forsynede øverste overflade, hvor belægningen ikke blev fjernet.