ES2963161T3 - Procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos, así como sustratos recubiertos y su uso - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un método para producir sustratos recubiertos. En este caso se produce en primer lugar una suspensión acuosa que contiene agua, al menos un formador de aglomerados y partículas de al menos un carburo metálico refractario, formando las partículas de al menos un carburo metálico refractario aglomerados en la suspensión acuosa. Luego se aplica al menos una suspensión acuosa a un sustrato poroso. A continuación, el sustrato se somete a un proceso de sinterización. Según la invención, el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de los poros de cada uno de los poros del sustrato poroso. La presente invención se refiere además a un sustrato revestido que puede producirse o producirse según el método según la invención y al uso de dicho sustrato revestido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos, así como sustratos recubiertos y su uso
La presente invención se refiere a un procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos. En el procedimiento se prepara en primer lugar una suspensión acuosa que contiene agua, al menos un formador de aglomerado y partículas de al menos un carburo de metal refractario, donde las partículas del al menos un carburo de metal refractario forman aglomerados en la suspensión acuosa. Luego se aplica la al menos una suspensión acuosa sobre un sustrato poroso. A continuación, el sustrato se somete a un proceso de sinterización. Según la invención, el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso. La presente invención se refiere además a un sustrato recubierto que se puede preparar o preparable con el procedimiento según la invención, así como al uso de dicho sustrato recubierto.
Los carburos de metales refractarios, tal como, por ejemplo, el carburo de tántalo (TaC), en general se caracterizan por su alta resistencia mecánica, química y térmica. El uso de estos materiales se enfoca ante todo en aplicaciones a alta temperatura, por ejemplo, en el cultivo de cristales semiconductores, en los que existen especies fuertemente corrosivas y agresivas y, por lo tanto, se limita la capacidad de uso del componente existente (por ejemplo, de grafito) o se reduce significativamente su vida útil. Dado que resulta difícil preparar un componente de volumen probado a partir de carburos de metales refractarios de forma económica y en geometría compleja con la ayuda de los procesos descritos en la literatura para el prensado en caliente, se recurre preferiblemente a los recubrimientos. Debido al procedimiento no es posible la preparación de capas cerámicas mediante prensado en caliente. Los recubrimientos se generan, por ejemplo, a través del procedimiento CVD. A este respecto, a través de la fase gaseosa se depositan capas densas de unos pocos micrómetros sobre un sustrato. Un ejemplo de esto serían los recubrimientos de TaC en la estructura del depósito. Sin embargo, el costoso procedimiento impide que los componentes recubiertos se puedan realizar con geometrías y tamaños arbitrarios con cualquier espesor de capa. Para garantizar una mayor flexibilidad en estas zonas, hay la posibilidad de aplicar las capas sobre el sustrato a través de un procedimiento cerámico en húmedo (inmersión, cepillado o pulverización). Esto se puede conseguir, por ejemplo, a través de una suspensión a base de disolventes orgánicos (véase, por ejemplo, el documento US 2013/0061800 A1). Para generar las propiedades de capa protectora deseadas, se conecta un proceso de sinterización posterior al proceso de aplicación a través de una suspensión de partida.
Además de generar un recubrimiento mecánicamente estable mediante el proceso de sinterización final (alta resistencia a la abrasión y a la adhesión), se requiere al mismo tiempo un alto grado de compresión para proteger el sustrato de forma óptima de los medios corrosivos en la aplicación a alta temperatura. Además de la exigencia de un alto grado de compactación, también se exige que la formación de grietas en el recubrimiento después del proceso de sinterización se reduzca al mínimo para garantizar finalmente las propiedades de la capa protectora del recubrimiento de carburo de metal refractario y proteger al máximo el sustrato base de los medios corrosivos en la aplicación a alta temperatura. Las grietas se pueden originar durante el proceso de sinterización, por ejemplo, durante el proceso de compactación o contracción o también durante el enfriamiento. Las grietas de contracción se pueden evitar por el hecho de que las capas verdes aplicadas muestran un desarrollo uniforme u homogéneamente grueso y, por lo tanto, puede tener lugar una compactación uniforme. En caso de no homogeneidades en el desarrollo de capas (tal como, por ejemplo, depresiones), se forman fácilmente grietas de contracción, que se pueden extender vertical o lateralmente en el desarrollo posterior del proceso de sinterización o más tarde también en condiciones de uso. La formación de grietas durante el enfriamiento se debe a la reducción de tensiones de tracción térmicas demasiado altas, que se inducen por la gran diferencia en el coeficiente de dilatación térmica entre el recubrimiento de carburo de metal refractario y el sustrato base.
Sin embargo, la obtención de un desarrollo de capas homogéneo se complica en el caso del recubrimiento a base de suspensión de sustratos porosos, tales como, por ejemplo, sustratos CFC, con recubrimientos de carburo de metal refractario, debido al fuerte comportamiento de infiltración de los sustratos porosos y la infiltración resultante de los poros a través de la suspensión, y conduce así a un desarrollo no homogéneo de los recubrimientos de carburo de metal refractario.
El documento WO 2019/154690 A2 se refiere a suspensiones acuosas que contienen partículas de carburo de metal y agentes dispersantes, así como a un procedimiento para recubrir sustratos utilizando estas suspensiones acuosas y, además, a los sustratos recubiertos preparables a través del procedimiento, así como sus usos.
Partiendo de esto, el objetivo de la presente invención era especificar un procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos, con el que se puedan obtener sustratos con un recubrimiento de carburo de metal refractario que discurre lo más homogéneo posible. Además, el objetivo de la presente invención era proporcionar sustratos recubiertos que presenten un recubrimiento de carburo de metal refractario que discurre lo más homogéneo posible.
Este objetivo se logra con respecto a un procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos con las características de la reivindicación 1 y con respecto a un sustrato recubierto con las características de la reivindicación 12. En la reivindicación 15 se indican las posibilidades de uso del sustrato recubierto según la invención. Las reivindicaciones dependientes representan perfeccionamientos ventajosos.
Por lo tanto, según la invención, se especifica un procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos, en el que
a) se prepara al menos una suspensión acuosa que contiene agua, al menos un formador de aglomerado y partículas de al menos un carburo de metal refractario, donde las partículas del al menos un carburo de metal refractario forman aglomerados en la suspensión acuosa,
b) que se aplica al menos una suspensión acuosa sobre un sustrato poroso, y
c) el sustrato se somete a un proceso de sinterización después de la etapa b),
donde el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso.
En la etapa a) del procedimiento según la invención se prepara en primer lugar al menos una suspensión acuosa. La al menos una suspensión acuosa contiene agua, al menos un formador de aglomerado y partículas de al menos un carburo de metal refractario. Por formador de aglomerado se puede entender en este caso una sustancia que influye en la formación de aglomerados. Preferiblemente, el al menos un formador de aglomerado se selecciona del grupo que se compone de hidróxido de tetrabutilamonio, alcoholes polivinílicos y mezclas de los mismos. La al menos una suspensión acuosa también se puede componer de agua, al menos un formador de aglomerado y partículas de al menos un carburo de metal refractario. El al menos un carburo de metal refractario es preferiblemente carburo de tántalo.
En la etapa b) del procedimiento según la invención, la al menos una suspensión acuosa (preparada en la etapa a)) se aplica sobre un sustrato poroso. La al menos una suspensión acuosa se puede aplicar sobre una zona parcial o varias zonas parciales (por ejemplo, sobre una o varias superficies) del sustrato poroso o sobre todo el sustrato poroso (o toda la superficie del sustrato poroso). La al menos una suspensión acuosa se puede aplicar en capas sobre el sustrato poroso. La capa así aplicada (o las capas así aplicadas) de la al menos una suspensión acuosa se puede denominar (o se pueden denominar) como capa verde (o capas verdes).
Preferentemente, la etapa b) se lleva a cabo directamente a continuación de la etapa a).
El sustrato poroso puede ser preferentemente un sustrato de carbono, de forma especialmente preferida un sustrato de grafito, de forma muy especialmente preferida un sustrato de iso-grafito. A este respecto, por iso-grafito se entiende el grafito que se ha preparado según el procedimiento de prensado isostático. Por ejemplo, el sustrato poroso puede ser un crisol, preferentemente un crisol de carbono, de forma especialmente preferida un crisol de grafito, de forma muy especialmente preferida un crisol de iso-grafito.
Preferentemente, los poros del sustrato poroso presentan un diámetro de entrada de poro medio en el rango de 0,1 |jm a 5 jm, preferiblemente de 0,5 jm a 5 jm, (preferiblemente en la superficie). El diámetro de entrada de poro medio (preferentemente en la superficie) se puede determinar, por ejemplo, por medio de intrusión de mercurio (DIN 66133:1993-06) o por medio de porosimetría de mercurio (DIN 15901-1:2019-03).
Preferentemente, el sustrato poroso presenta una porosidad abierta en el rango del 5% al 20%. La porosidad abierta se puede determinar, por ejemplo, por medio de intrusión de mercurio (DIN 66133:1993-06).
En la etapa c) del procedimiento según la invención, el sustrato se somete a un proceso de sinterización después de la etapa b). Mediante el proceso de sinterización se prepara al menos una capa protectora que contiene al menos una capa de carburo de metal refractario a partir de la al menos una suspensión acuosa (aplicada en la etapa b)). En otras palabras, la al menos una suspensión acuosa (aplicada en la etapa b)) se transforma mediante el proceso de sinterización en una capa protectora que contiene el al menos un carburo de metal refractario.
El procedimiento según la invención permite la preparación de capas a base de carburo de metal refractario sobre sustratos que pueden servir como capas de protección contra altas temperaturas y desgaste o sistemas de capas de protección contra desgaste.
En el procedimiento según la invención se trata de un procedimiento cerámico en húmedo para la preparación de recubrimientos a base de carburo de metal refractario sobre sustratos. A diferencia de las capas preparadas a través de procedimientos de CVD o PVD, las capas preparadas mediante procedimientos cerámico en húmedo muestran una textura isotrópica con orientación de tamaño de grano aleatoria, lo que conduce a una susceptibilidad reducida a la formación de grietas y a un aumento de la vía de difusión para especies que dañan el sustrato. Debido a esto, los sustratos recubiertos preparados según la invención presentan una mejor protección frente a las sustancias agresivas utilizadas en aplicaciones a alta temperatura en comparación con los sustratos recubiertos preparados a través de procedimientos CVD o PVD. Además, el procedimiento cerámico en húmedo según la invención es más económico que procedimientos CVD o PVD y también ofrece más flexibilidad en las geometrías y tamaños de los componentes recubiertos preparables, así como en los espesores de capa de los recubrimientos o capas aplicados.
Además, el procedimiento según la invención para la preparación de sustratos recubiertos se basa en el uso de una suspensión acuosa. Frente al uso de suspensiones orgánicas, el uso de suspensiones acuosas tiene diversas ventajas.
Así, a diferencia de las suspensiones orgánicas, las suspensiones acuosas son económicas, inofensivas desde el punto de vista ecológico y de la salud, y tampoco conllevan el problema de seguridad de la niebla de pulverización fácilmente inflamable. Además, cuando se usan suspensiones acuosas, se puede prescindir de una pirólisis para la eliminación de disolventes orgánicos, que puede conducir a una entrada no deseada de sustancias extrañas en el recubrimiento. Además, en el caso del uso de suspensiones acuosas, en contraste con el uso de las suspensiones orgánicas conocidas, es posible una aplicación controlada de la suspensión. Por lo tanto, en particular con la aplicación por pulverización de las suspensiones orgánicas conocidas, no es posible una aplicación controlada, ya que las propiedades de la suspensión pueden fluctuar durante este proceso debido a la evaporación del disolvente, de modo que no se pueden obtener capas homogéneas a lo largo del tiempo.
Debido al proceso de sinterización, la capa protectora obtenida en el procedimiento según la invención es un recubrimiento mecánicamente estable con una alta resistencia a la abrasión y a la adhesión. Además, el proceso de sinterización logra un mayor grado de compactación en comparación con la densidad inicial después de la aplicación (densidad verde).
Mediante la presencia del al menos un formador de aglomerado en la al menos una suspensión acuosa se promueve una formación controlada de aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario en la al menos una suspensión acuosa. En este caso, se logra sobre todo que las partículas no se aglomeren de forma incontrolada, sino que en su lugar se formen aglomerados en un rango de tamaño relativamente estrecho, es decir, aglomerados que presenten todos un tamaño similar. Mediante un rango de tamaño estrecho de los aglomerados formados se puede conseguir que el tamaño de aglomerados individuales formados no se diferencie demasiado del tamaño promedio de los aglomerados formados. De esta manera, se puede evitar que algunos de los aglomerados formados presenten un diámetro demasiado pequeño.
Con la ayuda del formador de aglomerado, también se puede controlar y ajustar específicamente el tamaño de los aglomerados o el rango de tamaño de los aglomerados, ya que el tamaño o el rango de tamaño de los aglomerados depende del porcentaje en peso del formador de aglomerado en la suspensión acuosa. Cuanto mayor sea el porcentaje en peso del formador de aglomerado, tanto menor será el diámetro de los aglomerados. Preferentemente, la al menos una suspensión acuosa contiene 0,1 a 2% en peso, de forma especialmente preferida 0,1 a 1% en peso, al menos un formador de aglomerado, con respecto al peso total de la suspensión acuosa. Con tal proporción de formadores de aglomerado se pueden obtener aglomerados relativamente grandes (es decir, aglomerados con un diámetro relativamente alto) en un rango de tamaño relativamente estrecho.
Dependiendo de la estabilidad de las partículas individuales en suspensión, que se ve afectada por la adición dirigida de un formador de aglomerado, el tamaño del aglomerado, medido además por el tiempo de reposo de la suspensión, se puede ajustar de forma dirigida. Cuanto más larga sea el tiempo de reposo de la suspensión, tanto mejor estabilizadas estarán las partículas individuales y tanto menores serán los aglomerados. Sin la adición dirigida de un agente formador de aglomerado, mediante la formación de aglomerado descontrolada y fuerte hace que la pulverización de la suspensión sea difícil o muy intermitente.
Según la invención, el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso. De esta manera se consigue que ninguno de los aglomerados pueda entrar en uno de los poros del sustrato poroso. Como consecuencia, se puede evitar que el al menos un carburo de metal refractario llegue a los poros del sustrato durante la aplicación de la al menos una suspensión acuosa sobre el sustrato poroso, lo que finalmente conduce a la configuración de una capa protectora homogénea.
Si el carburo de metal refractario o los aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario llegarán a los poros del sustrato poroso, esto conduciría a no homogeneidades dentro de la capa. En caso de tales no homogeneidades en el desarrollo de capas (tal como, por ejemplo, depresiones), se forman fácilmente grietas de contracción, que se pueden extender vertical o lateralmente en el desarrollo posterior del proceso de sinterización o más tarde también en condiciones de uso. La formación de grietas durante el enfriamiento se debe a la reducción de tensiones de tracción térmicas demasiado altas, que se inducen por la gran diferencia en el coeficiente de dilatación térmica entre el recubrimiento de carburo de metal refractario y el sustrato base (por ejemplo, a base de carbono).
Mediante la formación de aglomerados controlada prevista en el procedimiento según la invención, en la que el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso, ahora se puede obtener un recubrimiento muy homogéneo (o uniforme), ya que se puede evitar una penetración del carburo de metal refractario en los poros del sustrato poroso. Debido al desarrollo muy homogéneo (o uniforme) de la capa, se pueden evitar las grietas por contracción dentro de la capa protectora. Este es también el caso porque mediante el desarrollo uniforme u homogéneo de la capa puede tener lugar una compactación uniforme. Cuantas menos grietas de contracción estén presentes en la capa protectora obtenida, tanto mejor protegido estará el sustrato por la capa protectora (por ejemplo, de medios corrosivos en aplicaciones a alta temperatura). Por lo tanto, mediante el procedimiento según la invención se puede obtener una capa protectora de carburo de metal refractario muy homogénea y solo ligeramente agrietada (o incluso sin grietas), que puede proteger eficazmente el sustrato contra influencias externas (tal como, por ejemplo, contra medios corrosivos en aplicaciones a alta temperatura).
Por medio de imágenes MEB en el sustrato recubierto preparado se puede demostrar que los poros del sustrato recubierto están vacíos y que ninguno de los aglomerados de las partículas del al menos un carburo de metal refractario ha llegado a los poros del sustrato. De esto se puede concluir que el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso. Por lo tanto, por medio de imágenes MEB se puede demostrar la presencia de la característica de que el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso.
El sustrato recubierto preparable con el procedimiento según la invención se puede utilizar, por ejemplo, como evaporador de galio o bien parte de un evaporador de galio en un reactor VPE-GaN que puede usarse para el cultivo de cristales de semiconductor de nitruro de galio, donde el sistema de capas obtenido en el procedimiento según la invención actúa entonces como recubrimiento del evaporador de galio.
Una variante preferida del procedimiento según la invención se caracteriza por el hecho de que
- el sustrato poroso contiene o se compone de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, carbono reforzado con fibras de carbono (CFC), materiales compuestos de fibras C/SiC, materiales compuestos de fibras SiC/SiC, cerámicas carbídicas, cerámicas nitrídicas, cerámicas oxídicas, y mezclas de los mismos, y/o
- el al menos un carburo de metal refractario se selecciona del grupo que se compone de carburos de titanio, carburos de circonio, carburos de hafnio, carburos de vanadio, carburos de niobio, carburos de tántalo, carburos de cromo, carburos de molibdeno, carburos de wolframio y mezclas de los mismos, y/o
- el al menos un formador de aglomerado se selecciona del grupo que se compone de hidróxido de tetrabutilamonio, alcoholes polivinílicos y mezclas de los mismos.
De manera muy especialmente preferida, el al menos un carburo de metal refractario es carburo de tántalo. El carburo de tántalo permite un efecto protector especialmente bueno para el sustrato poroso.
El sustrato poroso puede contener o componerse preferentemente de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, cerámica carbídica, cerámica nitrídica, cerámica oxídica, y mezclas de los mismos.
El sustrato poroso puede contener o componerse preferentemente de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, carbono reforzado con fibras de carbono (CFC), materiales compuestos de fibras C/SiC, materiales compuestos de fibras SiC/SiC, y mezclas de los mismos.
Los sustratos a base de carbono y los sustratos a base de SiC muestran un elevado comportamiento de infiltración cuando se aplica una suspensión acuosa. A continuación, el procedimiento según la invención es especialmente adecuado para tales sustratos.
De manera muy especialmente preferida, el sustrato poroso contiene o se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito. Con un formador de aglomerado seleccionado del grupo que se compone de hidróxido de tetrabutilamonio, alcoholes polivinílicos y mezclas de los mismos, se puede lograr una formación de aglomerado muy controlada, en la que los aglomerados formados pueden presentar un tamaño en un rango de tamaño especialmente estrecho.
Preferentemente, los poros del sustrato poroso presentan un diámetro de entrada de poro medio de como máximo 1,5 |jm, preferiblemente en el rango de 0,1 |jm a 1,5 |jm, de forma especialmente preferida en el rango de 0,5 |jm a 1,5 |jm. El diámetro de entrada de poro medio se puede determinar, por ejemplo, por medio de porosimetría de mercurio (DIN 15901-1:2019-03) o por medio de intrusión de mercurio (DIN 66133:1993-06). Mediante un diámetro de entrada de poro medio tan bajo se puede evitar mejor que los aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario lleguen a los poros del sustrato poroso.
Preferentemente, el sustrato poroso contiene o se compone de un material que presenta un tamaño de grano medio como máximo de 5 jim. El tamaño de grano medio se puede determinar, por ejemplo, por medio de difracción láser (DIN 13320:2020-01). El tamaño de grano medio influye en el comportamiento de infiltración del sustrato poroso. Debido a un tamaño de grano medio de como máximo 5 jim, se puede evitar mejor que los aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario entren en los poros del sustrato poroso.
Otra variante preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque
- el diámetro (de cada uno) de los aglomerados es de al menos 20 jim, preferiblemente de al menos 10 jim, de forma especialmente preferida de al menos 5 jim, y/o
- el diámetro de entrada de poros (de cada uno) de los poros del sustrato poroso no es como máximo de 19 jim, preferentemente como máximo de 9 jim, de forma especialmente preferida como máximo de 4 jim.
Preferentemente, el diámetro de los aglomerados puede ser de al menos 20 jim y el diámetro de entrada de poro del sustrato poroso puede ser como máximo de 19 jim. De forma especialmente preferida, el diámetro de los aglomerados puede ser de al menos 10 jim y el diámetro de entrada de poro del sustrato poroso puede ser como máximo de 9 jim. De forma muy especialmente preferida, el diámetro de los aglomerados puede ser de al menos 5 |jm y el diámetro de entrada de poro del sustrato poroso puede ser como máximo de 4 jm.
Los diámetros de los aglomerados y los diámetros de entrada de poro de los poros del sustrato poroso se pueden determinar, por ejemplo, mediante imágenes MEB.
La determinación del tamaño mínimo de los aglomerados también se puede realizar indirectamente a través de la determinación del diámetro de entrada de poro de los poros del sustrato, ya que a partir del hecho de que ninguno de los poros está lleno, se puede concluir que el diámetro de los aglomerados debe ser mayor que el diámetro de entrada de poro de los poros del sustrato. Además, el tamaño de los aglomerados también se puede estimar mediante ensayos de tiempo de reposo de las suspensiones preparadas específicamente.
Según otra variante preferida del procedimiento según la invención, la preparación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa a) se realiza porque en primer lugar se prepara una mezcla que contiene los componentes de la suspensión acuosa a preparar, y la mezcla se deja entonces reposar sin agitación durante un tiempo de reposo de 3 minutos a 30 minutos, preferiblemente de 5 minutos a 15 minutos, de forma especialmente preferida de 5 minutos a 10 minutos. Dado que la mezcla sin agitar se deja reposar durante 3 minutos a 30 minutos, preferiblemente de 5 minutos a 15 minutos, de forma especialmente preferida de 5 minutos a 10 minutos, se puede obtener una suspensión especialmente estable con aglomerados en un rango de tamaño estrecho deseado, en el que los aglomerados están casi completamente estabilizados. De esta manera se puede evitar aún mejor que se formen aglomerados individuales que presentan un diámetro que es menor que el diámetro de entrada de poro de los poros del sustrato poroso.
Otra variante preferida del procedimiento según la invención se caracteriza por el hecho de que la al menos una suspensión acuosa contiene del 0,05 al 1% en peso de al menos un aglutinante, referido al peso total de la suspensión acuosa, donde el al menos un aglutinante se selecciona preferentemente del grupo que se compone de alcoholes polivinílicos, bifenil-2-ilóxidos de sodio y mezclas de los mismos.
Mediante el aglutinante se aumenta el límite de flujo de las partículas, de modo que se mantienen en suspensión durante la aplicación. Como resultado, la suspensión acuosa aplicada sobre el sustrato se puede secar sin que el sustrato se infiltre. De esta manera también se puede evitar mejor que los aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario entren en los poros del sustrato poroso.
La al menos una suspensión acuosa puede contener al menos un aglutinante seleccionado del grupo que se compone de alcoholes polivinílicos, bifenil-2-ilóxidos de sodio, óxido de polifenilo y mezclas de los mismos, donde el al menos un aglutinante puede contener preferentemente una proporción de 0,05 a 1% en peso o de 0,01 a 5% en peso, con respecto al peso total de la suspensión acuosa, en la que puede estar contenida al menos una suspensión acuosa.
Según otra variante preferida del procedimiento según la invención, la superficie del sustrato poroso sobre la que se deposita la al menos una suspensión acuosa presenta:
- un valor de rugosidad medio que es máximo de 3 jm, preferiblemente de 0,5 jm a 3 jm, de forma especialmente preferida de 1 jm a 3 jm, y/o
- una profundidad de rugosidad media que no exceda de 12 jm, preferiblemente de 1 jm a 12 jm, de forma especialmente preferida de 3 jm a 12 jm.
Mediante el uso de un sustrato poroso con un valor de rugosidad medio de este tipo y/o de una profundidad de rugosidad media se puede obtener un recubrimiento aún más homogéneo.
El valor de rugosidad medio se puede determinar, por ejemplo, por medio de interferometría óptica y evaluación según DIN EN ISO 25178: 2016-12.
La profundidad de rugosidad media se puede determinar, por ejemplo, por medio de interferometría óptica y evaluación según DIN EN ISO 25178: 2016-12.
Según otra variante preferida del procedimiento según la invención, el tamaño medio de partícula de las partículas del al menos un carburo de metal refractario es mayor que el diámetro de entrada de poro medio de los poros del sustrato poroso. De esta manera se consigue que las partículas del al menos un carburo de metal refractario sean ya por sí mismas tan grandes que todas o al menos una gran parte de ellas no puede llegar a los poros. De esta manera también se puede evitar aún mejor que los aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario entren en los poros del sustrato poroso.
Preferentemente, los poros del sustrato poroso presentan un diámetro de entrada de poro medio de como máximo 1,2 jm, preferiblemente en el rango de 0,1 jm a 1,2 jm, de forma especialmente preferida en el rango de 0,5 jm a 1,2 jm. Preferentemente, el tamaño medio de partícula (valor d50) de las partículas del al menos un carburo de metal refractario se encuentra en el rango de 2 |jm a 50 |jm, preferiblemente en un rango de 3 |jm a 30 |jm.
El tamaño medio de partícula (valor d50) de las partículas del al menos un carburo de metal refractario se puede determinar, por ejemplo, por medio de difracción láser (DIN 13320:2020-01).
Además, es preferible que
- el tamaño medio de partícula (valor d50) de las partículas del al menos un carburo de metal refractario se encuentra en un rango de 0,2 jim a 5 ji m, preferiblemente de 0,5 jim a 4 jim, de forma especialmente preferida de 0,8 el diámetro de entrada de poro medio de los poros del sustrato poroso es como máximo de 1,2 jim, preferiblemente en el rango de 0,1 jim a 1,2 jim, de forma especialmente preferida en el rango de 0,5 jim a 1,2 jim, donde preferentemente el sustrato contiene o se compone de un material que presenta un tamaño medio de grano de como máximo 5 jim, o
- el tamaño medio de partícula (valor d50) de las partículas del al menos un carburo de metal refractario se encuentra en un rango de 2 jim a 50 jim, preferiblemente en un rango de 3 jim a 30 jim, de forma especialmente preferida de 5 jim a 20 jim y el diámetro de entrada de poro medio del sustrato poroso es superior a 1,2 jim, donde preferiblemente el sustrato contiene o se compone de un material que presenta un tamaño medio de grano de más de 5 jim.
Otra variante preferida del procedimiento según la invención se caracteriza porque, adicionalmente a la al menos una suspensión acuosa preparada en la etapa a), se prepara al menos otra suspensión acuosa que contiene el al menos un carburo de metal refractario y agua presentes en partículas, y después de la etapa b) la al menos otra suspensión acuosa se aplica sobre la al menos una suspensión acuosa aplicada en la etapa b) (por ejemplo en forma de una capa), donde las partículas del al menos un carburo de metal refractario contenido en la suspensión acuosa preparada en la etapa a) presentan un diámetro de partícula medio en un rango de 5 jim a 50 jim y las partículas del al menos un carburo de metal refractario contenido en la otra suspensión acuosa presentan un diámetro de partícula medio en un rango de 0,2 jim a 2 jim. Con una estructura multicapa de este tipo se puede promover tanto la homogeneidad del espesor de capa de la(s) capa(s) de carburo de metal refractario como también se pueden evitar posibles desventajas en el proceso de sinterización. Así, mediante las partículas de carburo de metal refractario con un diámetro relativamente grande en el rango de 5 a 50 jim en la capa aplicada directamente sobre el sustrato se puede evitar aún mejor que los aglomerados de las partículas de carburo de metal refractario entren en los poros del sustrato poroso. Al mismo tiempo, mediante las partículas de carburo de metal refractario con un diámetro relativamente pequeño en el rango de 0,2 a 2 jim en la capa adicional se puede lograr que estas partículas de carburo de metal refractario se pueden sinterizar mejor, ya que las partículas de carburo de metal refractario con un gran tamaño de partícula se sinterizan peor.
Otra variante preferida del procedimiento según la invención está caracterizada porque la preparación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa a) comprende una mezcla de los componentes de la al menos una suspensión acuosa a preparar con la ayuda de un aparato de dispersión, donde la mezcla se realiza con la ayuda del aparato de dispersión preferentemente usando cuerpos de molienda y/o durante un periodo de tiempo de al menos 12 horas.
Mediante la mezcla de los componentes con ayuda de un aparato de dispersión con uso preferido de cuerpos de molienda y/o durante un periodo de tiempo de al menos 12 horas se puede conseguir una mezcla óptima de la suspensión acuosa, de modo que se pueden evitar aún mejor las inhomogeneidades en la distribución y, con ello, en la compactación. Por ejemplo, al mezclar con el aparato de dispersión, se pueden utilizar velocidades de rotación de hasta 1 m/s.
Según otra variante preferida del procedimiento según la invención, la aplicación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa b) se realiza mediante inmersión, cepillado o aplicación por pulverización. De forma especialmente preferida se realiza la aplicación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa b) por medio de aplicación por pulverización.
Para la preparación de una o más capas delgadas de carburo de metal refractario de secado rápido, preferentemente con espesores de capa en el rango de 20 jim a 80 jim, la aplicación por pulverización es la opción preferida. A este respecto, mediante una rotación rápida del componente a través del chorro de pulverización se puede aplicar una capa de suspensión muy fina sobre la superficie, que puede secarse rápida a muy rápidamente en función del contenido de sólidos de la suspensión. A este respecto, se prefieren contenidos de sólidos del polvo de carburo de metal refractario mayores o iguales al 70% en peso de la suspensión total. Cada capa individual a aplicar debe mostrar preferentemente un comportamiento de secado comparable. Básicamente, se prefiere un comportamiento de secado rápido de las capas de suspensión aplicadas, ya que las diferencias de densidad entre el carburo de metal refractario y el aditivo de sinterización pueden conducir a una falta de homogeneidad en la distribución de las partículas si las capas se secan demasiado tiempo.
Según una variante preferida a modo de ejemplo, en la etapa b) se puede aplicar al menos una capa de la suspensión acuosa con un espesor de capa medio de menos de 150 jim, preferiblemente de 20 jim a 100 jim, de forma especialmente preferida de 30 jim a 80 jim, sobre el sustrato poroso.
Según una variante preferida alternativa a modo de ejemplo, en la etapa b) se puede aplicar al menos una capa de la suspensión acuosa con un espesor de capa medio de menos de 50 jim, preferiblemente de menos de 30 jim, sobre el sustrato poroso.
Otra variante preferida del procedimiento según la invención se caracteriza por el hecho de que la al menos una suspensión acuosa contiene
- 60 al 90% en peso, preferiblemente 70 al 85% en peso, de las partículas del al menos un carburo de metal refractario, con respecto al peso total de la suspensión acuosa, y/o
- 0,1 a 2% en peso, preferiblemente 0,1 a 1% en peso, del al menos un formador de aglomerado, con respecto al peso total de la suspensión acuosa.
Según otra variante de realización preferida, la al menos una suspensión acuosa puede contener un aditivo de sinterización que se selecciona preferentemente del grupo que se compone silicio, boruro de zirconio, siliciuros de metal refractario, así como mezclas de los mismos. Se ha mostrado que, debido a sus propiedades (por ejemplo, puntos de fusión, puntos de ebullición, etc.), estos aditivos de sinterización tienen al menos el mismo o incluso mejor efecto sobre el grado de compactación que los metales de transición utilizados como aditivos de sinterización en el estado de la técnica (por ejemplo, cobalto, níquel, hierro, etc.). Por lo tanto, se puede lograr un alto grado de compactación de la capa sinterizada mediante su uso, por lo que el sustrato se protege muy bien contra medios corrosivos en aplicaciones a alta temperatura. Frente a los aditivos de sinterización utilizados en el estado de la técnica, tal como, por ejemplo, cobalto, los aditivos de sinterización mencionados se caracterizan en primer lugar por el hecho de que son inocuos desde el punto de vista de la seguridad y de la salud. Además, mediante su uso y con ello la evitación de metales de transición como aditivos de sinterización se impide que estos metales de transición se conserven como impureza en la capa, lo que en el caso de un uso del sustrato recubierto en aplicaciones a alta temperatura en el cultivo de cristales semiconductores sería perjudicial para la atmósfera de cultivo local.
Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el proceso de sinterización en la etapa c) se realiza
- a una temperatura de 2100 °C a 2500 °C, preferiblemente de 2200 °C a 2400 °C, y/o
- con un tiempo de mantenimiento de 1 h a 15 h, preferiblemente de 2 h a 10 h, y/o
- a una presión de 0,1 bar a 10 bar, preferiblemente de 0,7 bar a 5 bar, y/o
- en atmósfera de argón.
Mediante estas configuraciones del proceso de sinterización se puede lograr, por un lado, que la capa protectora obtenida presente una estabilidad mecánica especialmente alta con una resistencia a la abrasión y a la adhesión especialmente alta. Además, mediante estas configuraciones del proceso de sinterización se aumenta la estabilidad de la fase de fusión durante todo el proceso de sinterización.
La presente invención se refiere además a un sustrato recubierto, que comprende un sustrato poroso y al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso, que contiene o se compone de al menos un carburo de metal refractario, donde la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso presenta una estructura de grano de granos isométricos, y donde el sustrato poroso presenta poros no rellenos, que están cerrados por la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso.
Por granos isométricos se entienden los granos con una relación de aspecto de grano de al menos 0,95. Por ejemplo, los granos isométricos pueden presentar una relación de aspecto de grano de al menos 0,99, en particular de 1.
Una estructura de grano de granos isométricos solo se produce en capas obtenidas por deposición en suspensión, pero no en capas obtenidas por procedimiento CVD. A continuación, el sustrato recubierto según la invención se diferencia de los sustratos recubiertos por medio del procedimiento CVD debido a la estructura de grano de granos isometricos, que presenta la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso.
Por medio de imágenes MEB del sustrato recubierto (o de un corte transversal del mismo) se puede demostrar que el sustrato poroso presenta poros no rellenos, que están cerrados por la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso.
Debido a la característica de que el sustrato poroso presenta poros no rellenos que están cerrados por la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso, la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso se puede obtener de forma muy homogénea y solo ligeramente agrietada (o incluso sin grietas), de modo que la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso puede proteger mejor el sustrato poroso de influencias externas (tal como, por ejemplo, de medios corrosivos en aplicaciones de alta temperatura).
Una forma de realización preferida del sustrato recubierto según la invención se caracteriza porque la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso presenta un espesor de capa medio de al menos 20 |jm, preferiblemente de 20 |jm a 150 jm, de forma especialmente preferida de 30 jm a 100 jm.
Una forma de realización preferida del sustrato recubierto según la invención se caracteriza porque la desviación estándar del espesor de capa medio de al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso es como máximo del 6%, preferiblemente en el rango de 0,5% a 6%, de forma especialmente preferida en el rango de 1% a 6%.
Se prefiere muy especialmente que la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso presente un espesor de capa medio de al menos 20 |jm, preferiblemente de 20 |jm a 150 |jm, de forma especialmente preferida de 30 |jm a 100 |jm y la desviación estándar del espesor de capa medio de la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso es de como máximo el 6%, se encuentra preferiblemente en el rango del 0,5% al 6%, se encuentra de forma especialmente preferida en el rango del 1% al 6%.
La desviación estándar del espesor de capa medio es una medida de la homogeneidad (o uniformidad) del espesor de capa de la capa. Cuanto menor sea la desviación estándar del espesor de capa medio de la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso, tanto más homogéneo (o bien uniforme) es también el espesor de capa de la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso.
Mediante corte transversal se puede representar y evaluar de manera clásica el desarrollo óptico de la capa dispuesta sobre el sustrato poroso, que contiene o se compone de al menos un carburo de metal refractario. En este caso, se puede efectuar una observación óptica del corte transversal y la clasificación cualitativa en un sistema de capas homogéneo o no homogéneo.
El espesor de capa medio de al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso también se puede determinar mediante corte transversal del sustrato recubierto. Así se determina el espesor de capa medio, en el que se llevan a cabo una pluralidad de mediciones puntuales en el corte transversal de capa, a partir de las cuales se puede calcular una desviación estándar, que adicionalmente proporciona una estimación cuantitativa sobre la homogeneidad del desarrollo de capas.
Por ejemplo, la cuantificación de la homogeneidad a través de la desviación estándar del espesor de capa es posible de la siguiente manera:
- preparación de un corte transversal de sustrato recubierto (es decir, capa sustrato)
- medición de la distancia entre la interfaz y la superficie de capa (espesor de la capa) mediante imágenes de corte transversal tomadas
- análisis del espesor de capa en una zona con una extensión máxima de, por ejemplo, 4 cm
- número de mediciones individuales de espesor de capa es de al menos 25 por 1 cm de zona de medición
- distancia de las mediciones individuales del espesor de capa es regular
- determinación de la desviación estándar en todas las mediciones individuales de espesor de recubrimiento
- por ejemplo, con una desviación estándar de < 6%, se puede suponer que está presente una capa homogénea.
Sin llevar a cabo una costosa preparación de corte transversal, ya se puede hacer una declaración rápida y cualitativa sobre la homogeneidad de la capa sobre la base de la vista en planta.
Otra forma de realización preferida del sustrato recubierto según la invención se caracteriza por el hecho de que - el sustrato poroso contiene o se compone de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, carbono reforzado con fibras de carbono (CFC), materiales compuestos de fibras C/SiC, materiales compuestos de fibras SiC/SiC, cerámicas carbídicas, cerámicas nitrídicas, cerámicas oxídicas, y mezclas de los mismos, y/o
- el al menos un carburo de metal refractario se selecciona del grupo que se compone de carburos de titanio, carburos de circonio, carburos de hafnio, carburos de vanadio, carburos de niobio, carburos de tántalo, carburos de cromo, carburos de molibdeno, carburos de wolframio y mezclas de los mismos.
De manera muy especialmente preferida, el al menos un carburo de metal refractario es carburo de tántalo.
El sustrato poroso puede contener o componerse preferentemente de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, cerámica carbídica, cerámica nitrídica, cerámica oxídica, y mezclas de los mismos.
El sustrato poroso puede contener o componerse preferentemente de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, carbono reforzado con fibras de carbono (CFC), materiales compuestos de fibras C/SiC, materiales compuestos de fibras SiC/SiC, y mezclas de los mismos.
De manera muy especialmente preferida, el sustrato poroso contiene o se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito. El sustrato poroso puede ser preferentemente un sustrato de carbono, de forma especialmente preferida un sustrato de grafito, de forma muy especialmente preferida un sustrato de iso-grafito. A este respecto, por iso-grafito se entiende el grafito que se ha preparado según el procedimiento de prensado isostático. Por ejemplo, el sustrato poroso puede ser un crisol, preferentemente un crisol de carbono, de forma especialmente preferida un crisol de grafito, de forma muy especialmente preferida un crisol de iso-grafito.
Según otra forma de realización preferida del sustrato recubierto según la invención, el sustrato recubierto comprende al menos otra capa, donde la al menos otra capa está dispuesta directamente sobre la capa dispuesta sobre el sustrato poroso y contiene o se compone de al menos un carburo de metal refractario.
Otra forma de realización preferida del sustrato recubierto según la invención se caracteriza por el hecho de que el sustrato recubierto se puede preparar o está preparado con el procedimiento según la invención.
Además, la presente invención también se refiere al uso del sustrato recubierto según la invención en el cultivo de cristales semiconductores, donde el sustrato recubierto es preferentemente un crisol recubierto.
La presente invención se explica más en detalle mediante las figuras y ejemplos siguientes, sin limitar la invención a los parámetros especialmente representados.
En la fig. 1 se explica esquemáticamente la formación de aglomerado. Se muestran allí cinco suspensiones que contienen agua y partículas de al menos un carburo de metal refractario, que presentan un sobrenadante 1 y una proporción que contiene aglomerado 2 y que se han preparado en diferentes condiciones. Las tres suspensiones derechas en la zona B y C contienen adicionalmente al menos un formador de aglomerado (o estabilizador de aglomerado), donde varía la proporción del formador de aglomerado. Las dos suspensiones izquierdas no contienen formador de aglomerado. El tiempo de reposo utilizado en la preparación de la suspensión respectiva aumenta de izquierda a derecha.
En la zona A están representadas dos suspensiones, en cuya preparación no se utilizó ningún formador de aglomerado. Ya con un tiempo de reposo de 1 a máx. 2 minutos, tiene lugar aquí una formación de aglomerado incontrolada, aleatoria y fuerte con una amplia distribución de tamaños. En ningún momento las partículas individuales están estabilizadas. En la zona B se muestran dos suspensiones, en cuya preparación se utilizó un formador de aglomerado en distintas concentraciones. Hasta un tiempo de reposo de 5 minutos, las partículas individuales están estabilizadas. A partir de un tiempo de reposo de un mínimo de 5 minutos hasta un máximo de 15 minutos, la formación de aglomerados tiene lugar específicamente en un rango de tamaño deliberadamente estrecho.
En la zona C está representada una suspensión, en cuya preparación se utilizó un formador de aglomerado en una concentración más alta que en las dos suspensiones en la zona B. Hasta un tiempo de reposo de al menos 15 minutos, las partículas individuales están casi completamente estabilizadas. A partir de un tiempo de reposo de un mínimo de 15 minutos tiene lugar una pequeña formación de aglomerado en un rango de tamaño deliberadamente muy estrecho. En la fig. 2 se muestran fotos de suspensiones preparadas de distintas maneras. Las suspensiones de las tres fotos superiores contienen agua y partículas de carburo de tántalo. Las suspensiones de las tres fotos de la fila central contienen agua y partículas de carburo de tántalo, así como hidróxido de tetrabutilamonio como formador de aglomerado. Las suspensiones de las cuatro fotos inferiores contienen agua y partículas de carburo de tántalo, así como adicionalmente una mezcla de hidróxido de tetrabutilamonio y alcohol polivinílico como formadores de aglomerado. En cada una de las fotos, la suspensión izquierda contiene respectivamente un 70% en peso de partículas de carburo de tántalo y la suspensión derecha contiene respectivamente un 50% en peso de partículas de carburo de tántalo. El tiempo de reposo utilizado para la preparación de la suspensión aumenta de izquierda a derecha y se indica en las fotos. Dependiendo de la estabilidad de las partículas individuales en suspensión, que se ve afectada por la adición dirigida de un formador de aglomerado, el tamaño del aglomerado, medido por el tiempo de reposo de la suspensión, se puede ajustar de forma dirigida. Cuanto más larga sea el tiempo de reposo de la suspensión, tanto mejor estabilizadas estarán las partículas individuales y tanto menores serán los aglomerados. Sin la adición dirigida de un agente formador de aglomerado, mediante la formación de aglomerado descontrolada y fuerte hace que la pulverización de la suspensión sea difícil o muy intermitente.
Ejemplo de realización 1
En primer lugar, se prepara una suspensión acuosa, en la que se prepara una mezcla que se compone de un 80% en peso de polvo de TaC, un 0,1% en peso de hidróxido de tetrabutilamonio, un 1% en peso de alcohol polivinílico y un 18,9% en peso de agua, y la mezcla se deja reposar sin agitación durante un tiempo de reposo de 12 minutos. En este caso, las partículas de TaC del polvo de TaC en la suspensión acuosa forman aglomerados. La suspensión acuosa así preparada se forma en capas sobre un sustrato de grafito poroso (diámetro de entrada de poro medio: 0,6 |jm, tamaño de grano: 2 jm, Ra: 1,5 jm). A continuación, el sustrato provisto de la suspensión acuosa se somete a un proceso de sinterización que se realiza a una temperatura de 2300 °C, con un tiempo de mantenimiento de 10 h y a una presión de 1 bar.
De esta manera se obtiene un sustrato de grafito recubierto, que comprende un sustrato de grafito poroso y una capa protectora de TaC dispuesta sobre él. La capa de TaC presenta una estructura de grano de granos isométricos.
Para examinar el sustrato recubierto se prepara un corte transversal del sustrato recubierto. Una imagen de este corte transversal está representada en la fig. 3.
Por medio de un registro MEB del corte transversal se puede determinar que los poros del sustrato poroso están sin rellenar y están cerrados por la capa de TaC. De esto se puede deducir que ninguno de los aglomerados de la suspensión acuosa ha llegado a los poros del sustrato poroso y, por lo tanto, cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso.
Además, mediante el corte transversal se determina el espesor de capa medio de la capa TaC, así como la desviación estándar del espesor de capa medio. Para ello, se realizan mediciones individuales del espesor de capa en al menos 25 puntos de medición por cada 1 cm de zona de medición de la capa, midiendo la distancia entre la interfaz y la superficie de la capa (espesor de la capa) mediante imágenes de corte transversal tomadas, donde las distancias entre los puntos de medición individuales son regulares. De esta manera se determina un valor de 55,9 |jm para el espesor de capa medio de la capa de TaC. Además, se determina una desviación estándar en todas las mediciones individuales de espesor de capa de 2,5 jm (4,5%).
Como la desviación estándar no es superior al 6%, la capa de TaC es, por lo tanto, una capa homogénea.
Ejemplo de realización 2
En primer lugar, se prepara una suspensión acuosa, en la que se prepara una mezcla que se compone de un 80% en peso de polvo de TaC, un 0,1% en peso de hidróxido de tetrabutilamonio, un 1% en peso de alcohol polivinílico y un 18,9% en peso de agua, y la mezcla se deja reposar sin agitación durante un tiempo de reposo de 12 minutos. En este caso, las partículas de TaC del polvo de TaC en la suspensión acuosa forman aglomerados. La suspensión acuosa así preparada se forma en capas sobre un sustrato de grafito poroso (diámetro de entrada de poro medio: 0,6 jm, tamaño de grano: 3 jm, Ra: 1,5 jm). A continuación, el sustrato provisto de la suspensión acuosa se somete a un proceso de sinterización que se realiza a una temperatura de 2300 °C, con un tiempo de mantenimiento de 10 h y a una presión de 1 bar.
De esta manera se obtiene un sustrato de grafito recubierto, que comprende un sustrato de grafito poroso y una capa protectora de TaC dispuesta sobre él. La capa de TaC presenta una estructura de grano de granos isométricos.
Para examinar el sustrato recubierto se prepara un corte transversal del sustrato recubierto. Una imagen de este corte transversal está representada en la fig. 4.
Por medio de un registro MEB del corte transversal se puede determinar que los poros del sustrato poroso están sin rellenar y están cerrados por la capa de TaC. De esto se puede deducir que ninguno de los aglomerados de la suspensión acuosa ha llegado a los poros del sustrato poroso y, por lo tanto, cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso.
Además, mediante el corte transversal se determina el espesor de capa medio de la capa TaC, así como la desviación estándar del espesor de capa medio. Para ello, se realizan mediciones individuales del espesor de capa en al menos 25 puntos de medición por cada 1 cm de zona de medición de la capa, midiendo la distancia entre la interfaz y la superficie de la capa (espesor de la capa) mediante imágenes de corte transversal tomadas, donde las distancias entre los puntos de medición individuales son regulares. De esta manera se determina un valor de 50,9 jm para el espesor de capa medio de la capa TaC. Además, se determina una desviación estándar en todas las mediciones individuales de espesor de capa de 2,7 jm (5,3%).
Como la desviación estándar no es superior al 6%, la capa de TaC es, por lo tanto, una capa homogénea.
Ejemplo comparativo 1
En primer lugar, se prepara una suspensión acuosa, en la que se prepara una mezcla que se compone de un 80% en peso de polvo de TaC, un 1% en peso de alcohol polivinílico y un 19% en peso de agua, y la mezcla se deja reposar sin agitación durante un tiempo de reposo de 8 minutos. En este caso, las partículas de TaC del polvo de TaC en la suspensión acuosa forman aglomerados. La suspensión acuosa así preparada se forma en capas sobre un sustrato de grafito poroso (diámetro de entrada de poro medio: 1,8 jm, tamaño de grano: 10 jm, Ra: 1,5 jm). A continuación, el sustrato provisto de la suspensión acuosa se somete a un proceso de sinterización que se realiza a una temperatura de 2300 °C, con un tiempo de mantenimiento de 10 h y a una presión de 1 bar.
De esta manera se obtiene un sustrato de grafito recubierto, que comprende un sustrato de grafito poroso y una capa protectora de TaC dispuesta sobre él. La capa de TaC presenta una estructura de grano de granos isométricos.
Para examinar el sustrato recubierto se prepara un corte transversal del sustrato recubierto. Una imagen de este corte transversal está representada en la fig. 5.
Por medio de una imagen MEB del corte transversal se puede determinar que los poros del sustrato poroso están parcialmente llenos con el material de la capa de TaC. De esto se puede deducir que los aglomerados de la suspensión acuosa han entrado en los poros del sustrato poroso y, por lo tanto, no cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso. En comparación con los ejemplos de realización 1 y 2, esto se debe atribuir en particular al hecho de que el sustrato de grafito utilizado en el ejemplo comparativo 1 presenta poros más grandes y, por lo tanto, también diámetros de entrada de poro más grandes.
Además, mediante el corte transversal se determina el espesor de capa medio de la capa TaC, así como la desviación estándar del espesor de capa medio. Para ello, se realizan mediciones individuales del espesor de capa en al menos 25 puntos de medición por cada 1 cm de zona de medición de la capa, midiendo la distancia entre la interfaz y la superficie de la capa (espesor de la capa) mediante imágenes de corte transversal tomadas, donde las distancias entre los puntos de medición individuales son regulares. De esta manera se determina un valor de 44,7 |jm para el espesor de capa medio de la capa de TaC. Además, se determina una desviación estándar en todas las mediciones individuales de espesor de capa de 5,3 jm (11,8%).
Como la desviación estándar es superior al 6%, la capa de TaC es, por lo tanto, una capa no homogénea.
Ejemplo comparativo 2
En primer lugar, se prepara una suspensión acuosa, en la que se prepara una mezcla que se compone de un 80% en peso de polvo de TaC, un 1% en peso de alcohol polivinílico y un 19% en peso de agua, y la mezcla se deja reposar sin agitación durante un tiempo de reposo de 8 minutos. En este caso, las partículas de TaC del polvo de TaC en la suspensión acuosa forman aglomerados. La suspensión acuosa así preparada se forma en capas sobre un sustrato de grafito poroso (diámetro de entrada de poro medio: 3,3 jm, tamaño de grano: 20 jm, Ra: 1,5 jm). A continuación, el sustrato provisto de la suspensión acuosa se somete a un proceso de sinterización que se realiza a una temperatura de 2300 °C, con un tiempo de mantenimiento de 10 h y a una presión de 1 bar.
De esta manera se obtiene un sustrato de grafito recubierto, que comprende un sustrato de grafito poroso y una capa protectora de TaC dispuesta sobre él. La capa de TaC presenta una estructura de grano de granos isométricos.
Para examinar el sustrato recubierto se prepara un corte transversal del sustrato recubierto. Una imagen de este corte transversal está representada en la fig. 6.
Por medio de una imagen MEB del corte transversal se puede determinar que los poros del sustrato poroso están parcialmente llenos con el material de la capa de TaC. De esto se puede deducir que los aglomerados de la suspensión acuosa han entrado en los poros del sustrato poroso y, por lo tanto, no cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso. En comparación con los ejemplos de realización 1 y 2, esto se debe atribuir en particular al hecho de que el sustrato de grafito utilizado en el ejemplo comparativo 2 presenta poros más grandes y, por lo tanto, también diámetros de entrada de poro más grandes.
Además, mediante el corte transversal se determina el espesor de capa medio de la capa TaC, así como la desviación estándar del espesor de capa medio. Para ello, se realizan mediciones individuales del espesor de capa en al menos 25 puntos de medición por cada 1 cm de zona de medición de la capa, midiendo la distancia entre la interfaz y la superficie de la capa (espesor de la capa) mediante imágenes de corte transversal tomadas, donde las distancias entre los puntos de medición individuales son regulares. De esta manera se determina un valor de 30,7 jm para el espesor de capa medio de la capa de TaC. Además, se determina una desviación estándar en todas las mediciones individuales de espesor de capa de 5,5 jm (18%).
Como la desviación estándar es superior al 6%, la capa de TaC es, por lo tanto, una capa no homogénea.
Claims (15)
1. Procedimiento para la preparación de sustratos recubiertos, en el que
a) se prepara al menos una suspensión acuosa que contiene agua, al menos un formador de aglomerado y partículas de al menos un carburo de metal refractario, donde las partículas del al menos un carburo de metal refractario forman aglomerados en la al menos una suspensión acuosa,
b) que se aplica al menos una suspensión acuosa sobre un sustrato poroso, y
c) el sustrato se somete a un proceso de sinterización después de la etapa b), donde el diámetro de cada uno de los aglomerados es mayor que el diámetro de entrada de poro de cada uno de los poros del sustrato poroso.
2. Procedimiento según la reivindicación anterior,caracterizado porque
- el sustrato poroso contiene o se compone de un material que se selecciona del grupo que se compone de grafito, preferiblemente iso-grafito, carbono reforzado con fibras de carbono (CFC), materiales compuestos de fibras C/SiC, materiales compuestos de fibras SiC/SiC, cerámicas carbídicas, cerámicas nitrídicas, cerámicas oxídicas, y mezclas de los mismos, y/o
- el al menos un carburo de metal refractario se selecciona del grupo que se compone de carburos de titanio, carburos de circonio, carburos de hafnio, carburos de vanadio, carburos de niobio, carburos de tántalo, carburos de cromo, carburos de molibdeno, carburos de wolframio y mezclas de los mismos, y/o
- el al menos un formador de aglomerado se selecciona del grupo que se compone de hidróxido de tetrabutilamonio, alcoholes polivinílicos y mezclas de los mismos.
3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
- el diámetro de los aglomerados es de al menos 20 |jm, preferiblemente de al menos 10 |jm, de forma especialmente preferida de al menos 5 jm, y/o
- el diámetro de entrada de poro de los poros del sustrato poroso es como máximo de 19 jm, preferentemente como máximo de 9 jm, de forma especialmente preferida como máximo de 4 jm.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porquela preparación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa a) se realiza porque en primer lugar se prepara una mezcla que contiene los componentes de la suspensión acuosa a preparar, y la mezcla se deja entonces reposar sin agitación durante un tiempo de reposo de 3 minutos a 30 minutos, preferiblemente de 5 minutos a 15 minutos.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porquela al menos una suspensión acuosa contiene del 0,05 al 1% en peso de al menos un aglutinante, referido al peso total de la suspensión acuosa, donde el al menos un aglutinante se selecciona preferentemente del grupo que se compone de alcoholes polivinílicos, bifenil-2-ilóxidos de sodio y mezclas de los mismos.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porquela superficie del sustrato poroso sobre la que se deposita la al menos una suspensión acuosa presenta un valor de rugosidad media que es de como máximo 3 jm, preferiblemente de 0,5 jm a 3 jm, de forma especialmente preferida de 1 jm a 3 jm, y/o presenta una profundidad de rugosidad media que es de como máximo a 12 jm, preferiblemente de 1 jm a 12 jm, de forma especialmente preferida de 3 jm a 12 jm.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porqueel tamaño medio de partícula de las partículas del al menos un carburo de metal refractario es mayor que el diámetro de entrada de poro medio de los poros del sustrato poroso.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porquela preparación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa a) comprende una mezcla de los componentes de la al menos una suspensión acuosa a preparar con la ayuda de un aparato de dispersión, donde la mezcla se realiza con la ayuda del aparato de dispersión preferentemente usando cuerpos de molienda y/o durante un periodo de tiempo de al menos 12 horas.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porquela aplicación de la al menos una suspensión acuosa en la etapa b) se realiza por medio de inmersión, cepillado o aplicación por pulverización, preferentemente por medio de aplicación por pulverización.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porquela al menos una suspensión acuosa contiene
- 60 al 90% en peso, preferiblemente 70 al 85% en peso, de las partículas del al menos un carburo de metal refractario, con respecto al peso total de la suspensión acuosa, y/o
- 0,1 a 2% en peso, preferiblemente 0,1 a 1% en peso, del al menos un formador de aglomerado, con respecto al peso total de la suspensión acuosa.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porqueel proceso de sinterización en la etapa c) se realiza
- a una temperatura de 2100 °C a 2500 °C, preferiblemente de 2200 °C a 2400 °C, y/o
- con un tiempo de mantenimiento de 1 h a 15 h, preferiblemente de 2 h a 10 h, y/o
- a una presión de 0,1 bar a 10 bar, preferiblemente 0,7 bar a 5 bar, y/o
- en atmósfera de argón.
12. Sustrato recubierto, que comprende un sustrato poroso y al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso, que contiene o se compone de al menos un carburo de metal refractario, donde la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso presenta una estructura de grano de granos isométricos, que presentan una relación de aspecto de grano de al menos 0,95, y donde el sustrato poroso presenta poros no rellenos, que están cerrados por la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso.
13. Sustrato recubierto según la reivindicación 12,caracterizado porque
- la al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso presenta un espesor de capa medio de al menos 20 |jm, preferiblemente de 20 jm a 150 jm, de forma especialmente preferida de 30 jm a 100 jm, y/o
- la desviación estándar del espesor de capa medio de al menos una capa dispuesta sobre el sustrato poroso es como máximo del 6%, preferiblemente en el rango de 0,5% a 6%, de forma especialmente preferida en el rango de 1% a 6%.
14. Sustrato recubierto según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porqueel sustrato recubierto se puede preparar o está preparado con un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
15. Uso de un sustrato recubierto según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14 en el cultivo de cristales semiconductores, donde el sustrato recubierto es preferentemente un crisol recubierto.
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