DE2131407C3 - Verfahren zur Gasabscheidung einer dichten Siliciumcarbidschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gasabscheidung einer dichten Siliciumcarbidschicht auf einem Graphiisubstrat, das vorzugsweise zum Oxidationsschutz von Graphitkörpern und Graphitfaseni dient.

Bekannt ist die Abscheidung von Siliciumcarbidschichten aus einer Gasphase auf Oraphitkörpern oder sogenannten Refractorymetalien durch Reduktion von silicium- und graphithaltigen Verbindungen, wie beispielsweise CH₃SiCI₃ zum Schutz des Trägers gegen Oxidation. Hierbei wächst auf dem erhitzten Trägermaterial (Substrat) eine mehr oder weniger dichte Siliciumcarbidschicht auf, die je nach dem Ausdehnungskoeffizienten des Trägers mehr oder weniger stark haftet. Um nun den unter der Schicht liegenden Träger wirklich gut vor Oxidation zu schützen, müssen relativ dicke Schichten von 10 bis 100 μηι Stärke abgeschieden werden. Gemäß der US-PS 33 72 671 werden ebenfalls auf derartigen Körpern, die vorzugsweise aus Graphit bestehen, durch Reduktion von Silanen relativ dicke SiC-Schichten von 25,4 bis 254 μπι erzeugt. Diese dicken Schichten sind jedoch gegenüber Rißbildungen, vor allem bei Abweichung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Träger und Schicht, besonders empfindlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gasphasenabscheidung ein-ir dünnen, jedoch sehr dichten Siliciumcarbidschicht aufzuzeigen, bei dem eine äußerst dünne Schicht auf ein Trägermaterial aufgebracht werden kann, die wegen ihrer geringen Dicke weniger rißempfindlich ist und die auch bei hohen Temperaturen das darunterliegende Material vor Oxidation schützt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst auf dem bis ca. 1000°C erhitzten Graphitsubstrat in an sich bekannter Weise eine I bis IO μηι dicke, sehr dichte Pyrographitschicht abgeschieden wird und das mit einer Pyrographitschicht versehene Graphitsubstrat anschließend so lange bei Temperaturen von etwas über 1420⁰C mit einem Gasgemisch, bestehend aus einer siliciumhaltigen Verbindung und Wasserstoff - beispielsweise mit Wasserstoff verdünntem SiHCI₃, SiCU oder SiH,, - bis zur Umwandlung der gesamten Pyrcgraphitschicht in eine Siliciumcarbidschicht, behandelt wird.

Aufgrund der hohen Dichte der Pyrographitschicht reagiert das aus dem Gasgemisch erzeugte Silicium nur mit dieser und nicht mit dem darunter liegenden Graphitsubstrat und zwar unter Bildung einer ebenfalls

ίο sehr feinkörnigen und dichten Schicht aus SiC von sehr geringer Dicke (1 — ΙΟμπι), was mit den bisher bekannten Verfahren nicht möglich war. Wegen der geringen Dicke dieser SiC-Schicht werden mögliche Rißbildungen infolge der verschiedenen Ausdehnungs-

'.5 koeffizienten der SiC-Schicht und des Graphitsubstrats vermieden. Darüber hinaus verhindert die Pyrographitschicht das Einfließen von flüssigem Silicium in das Graphitsubstrat, wodurch Risse im Grundkörper, die beim Erstarren des flüssigen Siliciums, bzw. bei der SiC-Bildung auftreten können, vermieden werden. Derartige Risse können aber zu Undichtigkeiten, verbunden mit Gasausbrüchen aus dem Graphit durch die SiC-Schicht führen. Diese Nachteile mußten bei den bisher bekannten Verfahren in Kauf genommen werden.

Der Gedanke, auf einem Graphitsubstrat noch einmal eine Kohlenstoff enthaltende Schicht, nämlich eine Pyrographitschicht, abzuscheiden, kann keineswegs als naheliegend bezeichnet werden, denn es war nicht vorhersehbar, daß durch diese Maßnahme die Bildung einer sehr dünnen SiC-Schicht möglich war, die trotzdem vollkommen gasdicht ist, was bisher nur mit relativ dicken SiC-Schichten erreicht werden konnte, die aber die oben geschilderten Nachteile aufweisen.

Der Vorteil der Maßnahmen des erfindungsgemäßen

Verfahrens besteht darin, daß die gewonnene Schutzschicht eine große Haftfähigkeit und eine absolute Gasdichtigkeit aufweist. Beim Aufbringen einer derartigen Siliciumcarbidschicht auf Graphitfäden wird deren Biegsamkeit nicht wesentlich beeinträchtigt und bei Einbettung dieser Fäden ip andec/n Materialien wird die Legierungsbildung verhindert

Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
In einem Ofen 20 wird ein Substrat 10, gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Graphitkörper aus Elektrographit oder eine Graphitfaser — einer Temperatur von ca. 1000⁰C ausgesetzt und so in bekannter Weise mit einer 1 bis 10 μπι starken Pyrographitschicht 11 allseitig versehen. Diese Schicht ist vollkommen gasdicht. In dem nächsten Verfahrensschritt wird das Substrat auf eine Temperatur gebracht, die kurz über dem Schmelzpunkt von Silicium liegt, also etwas über 1420⁰C. Ist diese Temperatur erreicht, so wird das Gemisch 12 einer siliciumhaltigen Verbindung und Wasserstoff - beispielsweise SiHCI₃, SiCI₄ oder SiH₄ mit Wasserstoff verdünnt - in den Reaktionsraum geleitet. Auf der heißen Substratoberfläche findet die Reduktion der siliciumhaltigen Verbindung durch den Wasserstoff statt. Das hierbei entstehende Silicium ist bei der herrschenden Substrattemperatur schmelzflüssig und reagiert mit der Pyrographitschicht zu Siliciumcarbid

SiCI₄ + 2 H₂ - Si + 4 HCI
Si + PyC - SiC

Die dabei auf dem Substrat entstehende Siliciumcarbidschicht It ist durch die Menge der vorgegebenen Pyrographitschicht bestimmt. Nach Verbrauch dieser

letztgenannten Schicht entsprechend oben genannter Reaktionsgleichung wird etwaiges spater abgeschiedenes Silicium als polykristalline Siliciumschicht aufwachsen. Diese Schicht kann später sehr leicht durch Ätzbehandlung in einem Salpeter-Flußsäuregemiscb abgetragen werden.

Die entstehende SiC-Schicht 11 ist außerordentlich feinkörnig und dicht und daher besonders oxydationsschützend. Ein spezielles Merkmal dieses Verfahrens ist, daß das Silicium nur mit der Pyrographitschicht reagiert und wegen deren großer Dichte nicht in den darunterliegenden Substratkörper eindringen kann. Dies hat den Vorteil, daß im Inneren des Substratkörpers selbst keine Siliciumcarbid-Bildung erfolgen kann und damit auch eine mögliche Sprengung des Substratkörpers vermieden wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß als Gasgemisch nur eine siliciumhaltige Verbindung erforderlich ist, da der Kohlenstoff zur Bildung des SiC aus der Pyrographitschicht entnommen wird,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche;

   }, Verfahren zur Gasabscheidung einer dichten Silicmmcarbidschicht auf einem Graphitsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem bis ca, 100O⁰C erhitzten Graphitsubstrat (10) in an sich bekannter Weise zunächst eine I bis 10 μιη starke Pyrographitschicht (11) abgeschieden wird und anschließend das mit einer Pyrographitschicht versehene Graphitsubstrat so lange bei Temperaturen von etwas über 1420⁰C mit einem Gasgemisch, bestehend aus einer siliciumhaltigen Verbindung und Wasserstoff, bis zur Umwandlung der gesamten Pyrographitschicht (11) in eine Siliciumcarbidschicht behandelt wird
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Gasgemisch aus SiHCb und Wasserstoff durchgeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,«iiß es mit einem Gasgemisch aus SiH₄ und Wasserstoff durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Gasgemisch aus SiCU und Wasserstoff durchgeführt wird.