DE3543258A1

DE3543258A1 - Keramikkoerper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3543258A1
Application number: DE19853543258
Authority: DE
Inventors: Carl Francis Burnt Hills N.Y. Bobik; Irvin Charles Schenectady N.Y. Huseby
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1985-12-06
Publication date: 1986-06-12
Anticipated expiration: 2005-12-07
Also published as: CA1235147A; GB2168722A; JPS61146769A; JPH075375B2; US4578364A; DE3543258C2; GB8526832D0; GB2168722B

Description

Keramikkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Flüssigphase-gesinterten polykristallinen Aluminiumnitridkörpers mit einer Wärmeleitfähigkeit von höher als 1,00 W/cm.K bei 25°C und vorzugsweise von zumindest etwa 1,42 W/cm.K bei 25⁰C. In einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird Aluminiumnitrid durch Kohlenstoff bis zu einem gewissen Ausmaß desoxidiert und anschließend weiter desoxidiert und/oder unter Verwendung von Yttriumoxid zur Herstellung des erfindungsgemäßen Keramikkörpers gesintert.

Ein geeigneter reiner Aluminiumnitrid-Einkristall mit einem Gehalt von 300 ppm an gelöstem Sauerstoff hatte nach Messung eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von 2,8 W/cm.K, die beinahe so hoch wie diejenige von einem BeO-Einkristall, welche 3,7 W/cm.K beträgt, ist und einen viel höheren Wert als den für einen a-Al-O.-Einkristall darstellt, der 0,44 W/cm.K beträgt. Die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminiumnitrid-Einkristalls ist eine eindeutige Funktion von gelöstem Sauerstoff und nimmt mit einem Anstieg im Gehalt an gelöstem Sauerstoff ab. Beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit

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eines Aluminiumnitrid-Einkristalls mit 0,8 Gewichtsprozent gelöstem Sauerstoff etwa 0,8 W/cm.K.

Aluminiumnitridpulver hat eine Affinität für Sauerstoff, insbesondere dann, wenn seine Oberfläche nicht durch ein Oxid bedeckt ist. Die Einführung von Sauerstoff in das Aluminiumnitrid-Gitter in Aluminiumnitridpulver führt zu der Bildung von Al-Leerstellen über die nachfolgende Gleichung I:

3N~³ -»· 3O"² +V (N"³) (N"³) (Al⁺³)

Demzufolge wird der Einbau von 3 Sauerstoffatomen auf 3 Stickstoffplätzen eine Leerstelle an einem Aluminiumplatz ausbilden. Die Anwesenheit von Sauerstoffatomen an Stickstoffplätzen wird wahrscheinlich einen geringen Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit von AlN haben. Jedoch hat die Anwesenheit von Leerstellen an Aluminiumplätzen infolge des großen Masseunterschiedes zwischen einem Aluminiumatom und einer Leerstelle einen starken Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit von AlN und ist wahrscheinlich, für alle praktischen Zwecke, für den gesamten Abfall der Wärmeleitfähigkeit von AlN verantwortlich.

Es sind gewöhnlich drei verschiedene Sauerstoffquellen im nominell reinen AlN-Pulver vorhanden. Quelle #1 sind diskrete Teilchen von Al₃O₃. Quelle §2 ist eine Oxidschicht, vielleicht Al₂O₃, welche die AlN-PuIverteilchen bedeckt. Quelle #3 ist Sauerstoff in Lösung in dem AlN-Gitter. Die Menge an vorhandenem Sauerstoff in dem AlN-Gitter in AlN-Pulver wird von dem Herstellungsverfahren des AlN-Pulvers abhängen. Zusätzlicher Sauerstoff kann in das AlN-Gitter durch Erhitzen des AlN-PuIvers bei erhöhten Temperaturen eingeführt werden. Messungen zeigen, daß bei M900⁰C das AlN-Gitter

M, 2 Gewichtsprozent Sauerstoff auflösen kann. In der vorliegenden Erfindung wird unter einem Sauerstoffgehalt von AlN-Pulver verstanden/ daß dieses den vorhandenen Sauerstoff in Form der Quellen #1, §2 und #3 enthält. Ebenfalls kann in der vorliegenden Erfindung der in dem AlN-Pulver in Form der Quellen #1, §2 und #3 vorhandene Sauerstoff durch Verwendung von freiem Kohlenstoff entfernt werden, und der Grad der Entfernung des Sauerstoffes durch Kohlenstoff hängt zum großen Teil von der gewünschten Zusammensetzung des resultierenden Sinterkörpers ab.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Aluminiumnitridpulver an der Luft verarbeitet worden sein und dennoch einen Keramikkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C, und vorzugsweise von zumindest 1,42 W/cm.K bei 25°C, liefern.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Aluminiumnitrid in einem Preßling, bestehend aus teilchenförmigem Aluminiumnitrid mit bekanntem Sauerstoffgehalt, freiem Kohlenstoff und Yttriumoxid, durch Kohlenstoff desoxidiert unter Bildung einer gewünschten Äquivalent-Zusammensetzung von Al, N, Y und O, und der desoxidierte Preßling wird mittels einer Flüssigphase, enthaltend hauptsächlich Y und 0 und eine kleinere Menge Al und N, gesintert.

Der auf diesem Gebiete tätige Fachmann wird die vorliegend® Erfindung nach Kenntnisnahme der detaillierten nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, welche einen Teil der Beschreibung bilden, verstehen.

Figur 1 ist ein Mischungsdiagramm (das ebenfalls als Figur 1 in der EP 84 113 551.0 gezeigt wird), welches die Subsolidus-Phasengleichgewichte in dem reziproken ternären

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System, bestehend aus AlN, YN, Y₀O, und Al₀O-, wiedergibt. Die Werte in Figur 1 sind in Äquivalentprozenten aufgetragen und entlang jeder Ordinatenachse sind die Äquivalentprozente Sauerstoff gezeigt (der Äquivalentprozent-Wert von Stickstoff ist 100 % minus dem Äquivalentprozent-Wert von Sauerstoff). Entlang der Abszissenachse wird der Äquivalentprozent-Wert von Yttrium gezeigt (der Äquivalentprozent-Wert von Aluminium ist 100 % minus dem Äquivalentprozent-Wert von Yttrium). In Figur 1 definiert und umfaßt die Linie ABCDEF, jedoch nicht die Linien CD und EF, die Zusammensetzung des Sinterkörpers der EP 84 113 551.0. Figur 1 zeigt ferner auch ein Beispiel einer, die Ordinaten verbindenden geraden Linie ZZ¹, welche die Sauerstoffgehalte eines YN-Additivs und eines Aluminiumnitridpulvers verbindet. Aus dem gegebenen Äquivalentprozent-Wert von Yttrium und Al an irgendeinem Punkt an einer die Ordinaten verbindenden Linie, die durch das Polygon ABCDEF führt, können die erforderlichen Mengen an Yttrium-Additiv und AlN zur Herstellung der Zusammensetzung dieses Punktes an der die Ordinaten verbindenden Linie berechnet werden;

Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts der Figur 1 und zeigt die Zusammensetzung des polykristallinen Körpers der EP 84 113 551.0;

Figur 3 ist ein Mischungsdiagramm, welches die Subsolidus-Phasengleichgewichte in dem reziproken ternären System aus AlN, YN, Y₃O₃ und Al₃O₃ zeigt. Figur 3 ist in Äquivalentprozenten angegeben und entlang jeder Ordinatenachse ist der Äquivalentprozent-Wert von Sauerstoff angegeben (der Äquivalentprozent-Wert von Stickstoff ist 100 % minus dem Äquivalentprozent-Wert von Sauerstoff). Entlang der Abszissenachse ist der Äquivalentprozent-Wert von Yttrium angegeben (der Äquivalentprozent-Wert von Aluminium ist 100 % minus dem Äquivalentprozent-Wert von Yttrium). In

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Figur 3 umfaßt und definiert die Linie, d.h. das Polygon P1JFA4, jedoch nicht die Linien JF und A4F, die Zusammensetzung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterkörpers; und

Figur 4 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts von Figur 3 und zeigt das Polygon P1JFA4.

Die Figuren 1 und 3 zeigen das gleiche Mischdiagramm, welches die Subsolidus-Phasengleichgewichte in dem reziproken ternären System aus AlN, YN, Y₂O₃ ^un<^ ^A^2^O3 ^w:*-^edergibt ^unä unterscheiden sich lediglich insofern, als Figur 1 das Polygon ABCDEF der EP 84 113 551.0 und die Linie ZZ¹ zeigt, wohingegen Figur 3 das Polygon P1JFA4 angibt. Die durch das Polygon ABCDEF definierte und umfaßte Zusammensetzung schließt die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung nicht ein.

Die Figuren 1 und 2 wurden algebraisch auf der Basis von Versuchsergebnissen entwickelt, erhalten durch Herstellung einer teilchenförmigen Mischung von YN mit vorherbestimmtem Sauerstoffgehalt und von AIN-Pulver mit vorherbestimmtem Sauerstoffgehalt, und in einigen wenigen Fällen einer Mischung von AlN-, YN- und Y₂O₃-Pulvern, unter gasförmigem Stickstoff, Formen der Mischung zu einem Preßling unter gasförmigem Stickstoff und Sintern des Preßlings während Zeiten im Bereich von 1 bis 1,5 Stunden bei Sintertemperaturen im Bereich von etwa 1860⁰C bis etwa 2050⁰C in gasförmigem Stickstoff bei Normaldruck. Genauer gesagt wurde das gesamte Verfahren vom Mischen der Pulver bis zum Sintern des daraus hergestellten Preßlings in einer nichtoxidierenden Stickstoffatmosphäre durchgeführt.

Das Polygon P1JFA4 der Figuren 3 und 4 wurde ebenfalls algebraisch auf der Basis von Versuchsergebnissen entwickelt, die

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durch die weiter unten angegebenen Beispiele als auch durch andere Versuche erhalten wurden, die Versuchsreihen umfassen, welche in einer ähnlichen Weise wie in den vorliegenden Beispielen durchgeführt wurden.

Die beste Methode zur Darstellung von Phasengleichgewichten, welche Oxynitride und zwei verschiedene Metallatome einbeziehen, wobei die Metallatome ihre Valenz nicht ändern, besteht darin, die Zusammensetzungen als reziprokes ternäres System aufzutragen, wie dies in den Figuren 1 und 3 durchgeführt wurde. In dem besonderen System der Figuren 1 und 3 sind zwei Typen von Nichtmetall-Atomen (Sauerstoff und Stickstoff) und zwei Typen von Metall-Atomen (Yttrium und Aluminium) enthalten. Von Al, Y, Sauerstoff und Stickstoff wird angenommen, daß sie die Valenz +3, +3, -2 bzw. -3 besitzen. Von allen Atomen Al, Y, Sauerstoff und Stickstoff wird angenommen, daß sie in Form von Oxiden, Nitriden oder Oxynitriden vorhanden sind und sich so verhalten, als wenn sie die vorerwähnten Valenzen besitzen.

Die Phasendiagramme der Figuren 1 bis 4 sind in Äquivalentprozent aufgetragen. Die Anzahl der Äquivalente von jedem dieser Elemente ist gleich der Anzahl der Mole des besonderen Elements, multipliziert mit seiner Valenz. Entlang der Ordinate ist die Anzahl der Sauerstoffäquivalente, multipliziert mit 100 % und dividiert durch die Summe der Sauerstoff äquivalente und der Stickstoffäquivalente aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Anzahl der Yttriumäquivalente, multipliziert mit 100 % und dividiert durch die Summe der Yttriumäquivalente und der Aluminiumäquivalente, aufgetragen. Alle Zusammensetzungen der Figuren 1 bis 4 sind in dieser Weise aufgetragen.

Die Zusammensetzungen auf den Phasendiagrammen der Figuren 1 bis 4 können auch zur Bestimmung des Gewichtsprozent-Wertes und des Volumprozent-Wertes der verschiedenen Phasen verwendet werden. Beispielsweise kann ein besonderer Punkt in dem Polygon P1JFA4 in Figur 3 oder Figur 4 zur Bestimmung der Phasen-Zusammensetzung des polykristallinen Körpers an diesem Punkt verwendet werden.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen die Zusammensetzung und die Phasengleichgewichte des polykristallinen Körpers im festen Zustand.

In EP 84 113 551.0 wird das Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers/ mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch die Linie ABCDEF, jedoch nicht einschließend die Linien CD und EF, der dort beschriebenen Figur 1 (die auch in der vorliegenden Anmeldung als Figur 1 bezeichnet wird und Stand der Technik ist), einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,0 W/cm.K bei 22⁰C, beschrieben, welches die Herstellung einer Mischung, bestehend aus Aluminiumnitridpulver und einem Yttrium-Additiv, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Yttriumhydrid, Yttriumnitrid und Mischungen daraus, wobei das Aluminiumnitrid und das Yttrium-Additiv einen vorherbestimmten Sauerstoffgehalt aufweisen, die Mischung eine Zusammensetzung aufweist, worin der Äquivalentprozent-Wert von Yttrium, Aluminium, Stickstoff und Sauerstoff von der Linie ABCDEF, jedoch nicht einschließend die Linien CD und EF, in Figur 1 definiert und umfaßt wird, Formen der Mischung zu einem Preßling und Sintern des Preßlings bei einer Temperatur im Bereich von etwa 185O⁰C bis etwa 2170⁰C in einer Atmosphäre, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Argon, Wasserstoff und Mischungen daraus, zur Herstellung

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des polykristallinen Körpers, umfaßt.

Das EP 84 113 551.0 offenbart auch einen polykristallinen Körper mit einer Zusammensetzung von mehr als etwa 1,6 Äquivalentprozent Yttrium bis etwa 19,75 Äquivalentprozent Yttrium, von etwa 80,25 Äquivalentprozent Aluminium bis zu etwa 98,4 Äquivalentprozent Aluminium, von mehr als etwa 4,0 Äquivalentprozent Sauerstoff bis etwa 15,25 Äquivalentprozent Sauerstoff und von etwa 84,75 Äquivalentprozent Stickstoff bis zu etwa 96 Äquivalentprozent Stickstoff.

Das EP 84 113 551.0 offenbart auch einen polykristallinen Körper mit einer Phasen-Zusammensetzung, bestehend aus AlN und einer zweiten, Y und 0 enthaltenden Phase, worin die Gesamtmenge der zweiten Phase im Bereich von mehr als etwa 4,2 Volumprozent bis etwa 27,3 Volumprozent des Gesamtvolumens des Körpers liegt, wobei der Körper eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,0 W/cm.K bei 22°C aufweist.

Kurz gesagt umfaßt das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch die Linie, d.h. das Polygon P1JPA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, von Figur oder Figur 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und vorzugsweise von weniger als etwa 4 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C, und vorzugsweise von mindestens 1,42 W/cm.K bei 25°C die nachfolgenden Stufen, wobei man (a) eine Mischung, bestehend aus sauerstoffenthaltendem Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid oder einer Vorstufe

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davon, und einem kohlenstoffhaltigen Additiv/ ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und Mischungen daraus, herstellt, das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzungsprodukt, welches verdampft, thermisch zersetzt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A4 der Figuren 3 oder 4 liegen, d.h. von mehr als etwa 0,3 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium und von mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,7 Äquivalentprozent Aluminium, wobei der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4 der Figuren 3 oder 4 definiert und umfaßt wird,

(b) den Preßling in einer nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur bis zu etwa 1200⁰C erhitzt, wodurch Yttriumoxid und freier Kohlenstoff bereitgestellt werden,

(c) den Preßling in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschiießtemperatür liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, von Figur 3 oder Figur 4, definiert und umfaßt werden, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten

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Preßling liefert, und

(d) den desoxidierten Preßling in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von zumindest etwa 1850⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Zusammensetzung des desoxidierten Preßlings in Aguivalentprozenten die gleiche wie diejenige des resultierenden Sinterkörpers in Äguivalentprozent, oder nicht signifikant davon verschieden.

In der vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoffgehalt durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt werden.

Wenn in dieser Beschreibung eine Komponente in "Gewichtsprozent" angegeben wird, ist dies so zu verstehen, daß die Gewichtsprozente von allen Komponenten zusammengezählt gleich 100 Gewichtsprozent sind.

Unter der Angabe "Normaldruck" wird atmosphärischer oder ungefähr atmosphärischer Druck verstanden.

Unter spezifischer oder innerer Oberfläche eines Pulvers wird in dieser Beschreibung eine spezifische Oberfläche verstanden, wie sie nach der BET-Methode gemessen wird.

Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch die Linie, d.h. das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, der Figuren 3 oder 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und vorzugsweise von weniger als etwa 2

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Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C, und vorzugsweise von größer als 1,42 W/cm.K bei 25°C, das die nachfolgenden Stufen umfaßt, wobei man

(a) eine Mischung, bestehend aus einem sauerstoffenthaltenden Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid oder einer Vorstufe dafür und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und Mischungen daraus, herstellt, das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzungsprodukt, welches verdampft, thermisch zersetzt, wobei der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 100 m²/g und das Aluminiumnitridpulver in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,4 m²/g bis etwa 6 m²/g aufweist, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A2 der Figuren 3 oder 4 liegen, d.h. von mehr als etwa 0,65 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium und von mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,35 Äquivalentprozent Aluminium, wobei der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4 der Figuren 3 oder 4 definiert und umfaßt wird, das Aluminiumnitrid in dem Preßling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von mehr als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids enthält,

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Cc) den Preßling bei Normaldruck in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschließtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon A3JPA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 3 oder 4, definiert und umfaßt werden, wobei das Aluminiumnitrid in dem Preßling vor der Desoxidation durch den Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids aufweist, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten Preßling liefert, und

Cd) den desoxidierten Preßling bei Normaldruck in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1885°C bis etwa 1970⁰C, in einer Ausfuhrungsform von etwa 1885°C bis etwa 195O⁰C, in einer anderen Ausführungsform von etwa 1890⁰C bis etwa 1950⁰C, in noch einer anderen Ausführungsform von etwa 1895°C bis etwa 1950⁰C und wiederum in einer anderen Ausführungsform von etwa 1940⁰C bis etwa 1970⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

Kurz gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung in einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt

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durch die Linie, d.h. das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, der Figuren 3 oder 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und vorzugsweise weniger als etwa 4 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C, und vorzugsweise von größer als 1,42 W/cm.K bei 25°C, das die nachfolgenden Stufen umfaßt, wobei man

(a) ein Aluminiumnitridpulver zu einem Preßling für die Desoxidation durch freien Kohlenstoff verarbeitet, indem man ein sauerstoffenthaltendes Aluminiumnitridpulver mit einem Sauerstoffgehalt von bis zu etwa 4,4 Gewichtsprozent des Aluminiumnitridpulvers vorsieht, eine Mischung, bestehend aus Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid oder einer Vorstufe davon, und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und Mischungen daraus, herstellt, das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzungsprodukt, welches verdampft, thermisch zersetzt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A4 der Figuren 3 oder 4 liegen, d.h. von größer als etwa 0,3 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium und von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,7 Äquivalentprozent Aluminium, wobei der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4 von den Figuren 3 oder 4 definiert und umfaßt wird, wobei während des Verarbeitens das Aluminiumnitrid Sauerstoff aufnimmt und der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids in dem Preßling vor der Desoxidation durch Kohlenstoff

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im Bereich von mehr als etwa 1,0 Gewichtsprozent/ und gewöhnlich von mehr als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis zu etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids liegt,

(c) den Preßling in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschiießtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon P1JPA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, von Figur 3 oder 4, definiert und umfaßt werden, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten Preßling liefert, und

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 3 oder 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und vorzugsweise von weniger als etwa 2 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C, und vorzugsweise von größer als etwa 1,42 W/cm.K bei 25°C, umfaßt die

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nachfolgenden Stufen, wobei man

(a) ein Aluminiumnitridpulver zu einem Preßling für die Desoxidation durch freien Kohlenstoff verarbeitet, indem man ein Aluminiumnitridpulver mit einem Sauerstoffgehalt von größer als etwa 1,00 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,4 Gewichtsprozent des Aluminiumnitridpulvers vorsieht, eine Mischung, bestehend aus Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid oder einer Vorstufe davon, und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und Mischungen daraus, herstellt, das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 5O⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzungsprodukt, welches verdampft, thermisch zersetzt, wobei der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 100 m²/g aufweist, das Aluminiumnitridpulver in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,4 m²/g bis etwa 6 m²/g besitzt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A2 der Figuren 3 oder 4 liegen, d.h. von größer als etwa 0,65 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium und von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,35 Äquivalentprozent Aluminium, wobei der Preßling eine Äquivalent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4 von den Figuren 3 oder 4 definiert und umfaßt wird, wobei während des Verarbeitens das Aluminiumnitrid Sauerstoff aufnimmt und der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids in dem Preßling vor der Desoxidation durch Kohlenstoff im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis zu etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids liegt und um eine

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Menge im Bereich von mehr als etwa 0,03 Gewichtsprozent bis zu etwa 3/00 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids größer ist als der Sauerstoffgehalt des anfänglich eingesetzten Aluminiumnitridpulvers ,

(c) den Preßling bei Normaldruck in einer stickstoffhaltigen nichtoxidierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 135O⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschiießtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 3 oder 4, definiert und umfaßt werden, das Aluminiumnitrid in dem Preßling vor der Desoxidation durch den Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids besitzt, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten Preßling liefert und

(d) den desoxidierten Preßling bei Normaldruck in einer stickstof f enthaltenden , nichtoxidierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1885⁰C bis etwa 1970⁰C, in einer Ausführungsform von etwa 1885°C bis etwa 195O⁰C, in einer anderen Ausfuhrungsform von etwa 189O⁰C bis etwa 1950⁰C, in einer weiteren Ausführungsform von etwa 1895°C bis etwa 1950⁰C und in noch einer anderen Ausführungsform von etwa 1940⁰C bis etwa 1970⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

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In einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon P1A3A2A4, jedoch ausschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, von Figur 4, haben die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung, in welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis zu Punkt A4, von Figur 4, liegen, d.h. das Yttrium im Bereich von etwa 0,3 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent und das Aluminium im Bereich von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,7 Äquivalentprozent liegt.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert durch die Linie P1A3 von Figur 4, haben die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung, in welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt Pl bis zu Punkt A3 liegen, d.h. das Yttrium im Bereich von etwa 0,35 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent und das Aluminium im Bereich von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,65 Äquivalentprozent liegt.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert durch die Linie A3J, jedoch ausschließend Punkt J, von Figur 4, haben die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung, in welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis zu Punkt J liegen, d.h. das Yttrium im Bereich von etwa 0,85 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent und das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis etwa 99,15 Äquivalentprozent liegt.

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Insbesondere hat in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F_f von Figur 4, und einer Porosität von weniger als 1 Volumprozent des Körpers, der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 100 m²/g, das Aluminiumnitrid in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,5 m^a/g bis etwa 6,0 m²/g, wobei der gesamte Brennvorgang des Preßlings in Stickstoff durchgeführt wird, der erhaltene Sinterkörper bei einer Sintertemperatur im Bereich von etwa 1890⁰C bis etwa 195O⁰C eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,42 W/cm.K bei 25°C aufweist und der erhaltene Sinterkörper, welcher Kohlenstoff in einer Menge von weniger als etwa 0,04 Gewichtsprozent des gesinterten Körpers enthält, eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 1,53 W/cm.K bei 25⁰C besitzt.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch ausschließend die Linien JF und A2F, von Figur 4, welcher Kohlenstoff in einer Menge von weniger als etwa 0,04 Gewichtsprozent des Sinterkörpers enthält und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,57 W/cm.K bei 25°C und eine Porosität von weniger als 1 Volumprozent des Körpers aufweist, hat das Aluminiumnitrid in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,4 m²/g bis etwa 6,0 m²/g, der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als 100 m²/g, wobei der gesamte Brennvorgang des Preßlings in Stickstoff durchgeführt wird und die Sintertemperatur im Bereich von etwa 194O⁰C bis etwa 1970⁰C liegt.

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In noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung, in welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis zu Punkt J, von Figur 4, liegen, das Yttrium in dem Preßling im Bereich von etwa 0/85 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium in dem Preßling im Bereich von größer als etwa 97/5 Äquivalentprozent bis etwa 99,15 Äquivalentprozent liegt und der Sinterkörper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, in welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch die Linie A3J, jedoch ausschließend Punkt J, von Figur 4, definiert sind, der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 100 m²/g/ das Aluminiumnitridpulver in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,5 m²/g bis etwa 6,0 m²/g aufweist, die Atmosphäre beim Brennen Stickstoff ist, die Sintertemperatur zur Herstellung eines gesinterten Körpers mit einer Porosität von weniger als 2 Volumprozent des Sinterkörpers im Bereich von etwa 189O⁰C bis etwa 1950⁰C, oder die Sintertemperatur zur Herstellung eines Sinterkörpers mit einer Porosität von weniger als 1 Volumprozent des Sinterkörpers im Bereich von etwa 1895⁰C bis etwa 1950⁰C liegt und der Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,43 W/cm.K bei 25°C besitzt.

Die berechneten Zusammensetzungen der besonderen Punkte in den Figuren 3 oder 4 in dem Polygon P1JFA4 werden in der nachfolgenden Tabelle I gezeigt:

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Ta b e 1 1 e

Punkt	Zusammensetzung (Äquivalentprozent) Vol.-% und (Gew.-%)	Bauerstoff	AlN	^Y4^A12°9	der	Phasen*	2)
	Y 2	1,15	98,7(98,2)	1/3(1,8)		YAlO₃	6)
P	0,55	1/6	97,9(97,2)	2,1 (2,8)		-	6)
A3	0,85	4,1	94,0(91,9)	6,0(8,1)		-	2)
J	2/5	4,0	95,8(93,8)	-		-
F	1/6	2/1	98,3(97,4)	-	4	/2(6,
A2	0,65	1/6	98,9(98,4)	-	1	/7(2,
Al	0,4	1,4	99,2(98,8)	-	1	/1(1/
A4	0,3	0,85	99,2(98,8)	0,8(1,2)	0	/8(1,
Pl	0,35		—

* Gew.-% ist in Klammern, Vol.-% ohne Klammern angegeben.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte polykristalline Aluminiumnitridkörper hat eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon, d.h. die Linie PlJFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, der Figuren 3 oder 4. Der gesinterte polykristalline Körper des Polygons P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, der Figuren 3 oder 4, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, hat eine Zusammensetzung, bestehend aus einem Wert von größer als etwa 0,3 Äquivalentprozent Yttrium bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium, von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent Aluminium bis weniger als etwa 99,7 Äquivalentprozent Aluminium, von etwa 0,85 Äquivalentprozent Sauerstoff bis weniger als etwa 4,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und von größer als etwa 95,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis etwa 99,15 Äquivalentprozent Stickstoff.

Auch der polykristalline Körper mit einer Zusammensetzung/ de-

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finiert und umfaßt von dem Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, der Figuren 3 oder 4, besteht aus einer AlN-Phase und einer zweiten Phase, die im Bereich einer Menge von größer als etwa 0,8 Volumprozent für eine dem Punkt A4 benachbarte/ sehr nahe oder am nächsten liegende Zusammensetzung, bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent für eine dem Punkt J benachbarte, sehr nahe oder am nächsten liegende Zusammensetzung des Gesamtvolumens des Sinterkörpers, liegt, und eine derartige zweite Phase kann aus Y₄Al₃O₉ oder einer Mischung von Y₄Al₂O₉ und YAlO- bestehen. Wenn die zweite Phase aus Y₄Al₃Og besteht, d.h. bei der Linie PlJ, liegt sie im Bereich einer Menge von etwa 0,85 Volumprozent bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Sinterkörpers. Wenn jedoch die zweite Phase eine Mischung von zweiten Phasen, bestehend aus YAlO₃ und Y₄Al₃Og, ist, d.h. wenn der polykristalline Körper eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon PlJFA4, ausschließend die Linien PlJ, JF und A4F, aufweist, sind alle beide dieser zweiten Phasen stets in zumindest einer Spurenmenge vorhanden, d.h. in einer zumindest durch Röntgenbeugungsanalyse nachweisbaren Menge, und es kann in einer derartigen Mischung die YA1O₃-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis zu weniger als etwa 4,2 Volumprozent des Sinterkörpers und die Y.A1_OO_Q-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis zu weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Gesamtvolumens des Sinterkörpers liegen. Kennzeichnenderweise nimmt, wenn eine Mischung von Y₄Al₃O₉- und YAlO₃~Phasen vorhanden ist, die Menge an YAlO₃-Phase ab und die Menge an Y₄Al₂0_g-Phase zu, wenn sich die Zusammensetzung von der Linie A4F gegen die Linie PlJ in Figur bewegt. Die Linie PlJ in Figur 4 besteht aus AlN-Phase und einer zweiten Phase, bestehend aus Y₄Al₃O₉.

Wie aus der Tabelle I zu ersehen ist, würde der polykristalline Körper der Zusammensetzung beim Punkt J die größte Menge

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an zweiter Phase aufweisen, die am Punkt J Y₄Al₃O₉ sein würde,

In einer anderen Ausfuhrungsform hat der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte polykristalline Aluminiumnitridkörper eine Zusammensetzung/ definiert und umfaßt durch das Polygon, d.h. die Linie A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, der Figuren 3 oder Der gesinterte polykristalline Körper des Polygons A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, der Figuren 3 oder 4, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren, hat eine Zusammensetzung von mehr als etwa 0,65 Äquivalentprozent Yttrium bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium, von mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent Aluminium bis zu etwa 99,35 Äquivalentprozent Aluminium, von etwa 1,6 Äquivalentprozent Sauerstoff bis weniger als etwa 4,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und von mehr als etwa 95,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis etwa 98,4 Äquivalentprozent Stickstoff.

Ebenso besteht der polykristalline Körper, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, der Figuren 3 oder 4, aus einer AlN-Phase und einer zweiten Phase, die in einer Menge von mehr als etwa 1,7 Volumprozent bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Gesamtvolumens des Sinterkörpers liegt, und wobei eine derartige zweite Phase aus einer Mischung von Y₄Al₃Og und YAlO- besteht und beide dieser zweiten Phasen stets in zumindest einer Spurenmenge, d.h. zumindest in einer durch Röntgenbeugungsanalyse nachweisbaren Menge, vorhanden sind. Kennzeichnenderweise kann die YA1O₃-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 4,2 Volumprozent des Sinterkörpers und die Y₄Al₂0_g-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Gesamtvolumens des Sinterkörpers liegen.

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- 4ο- - -23 -

In einer anderen Ausführungsform hat der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte polykristalline Aluminiumnitridkörper eine Zusammensetzung/ definiert und umfaßt durch das Polygon, d.h. die Linie P1A3A2A4, jedoch nicht einschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, von Figur 4, bestehend aus mehr als etwa 0/3 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent Yttrium, von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99/7 Äquivalentprozent Aluminium/ von mehr als etwa 0/85 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und von mehr als etwa 97,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis weniger als etwa 99,15 Äquivalentprozent Stickstoff.

Ebenso besteht der polykristalline Körper, definiert und umfaßt durch das Polygon P1A3A2A4, jedoch nicht einschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, von Figur 4, aus einer AlN-Phase und einer zweiten Phase, die in einer Menge im Bereich von mehr als etwa 0,8 Volumprozent bis weniger als etwa 2,1 Volumprozent des Gesamtvolumens des Sinterkörpers liegt, und eine derartige zweite Phase besteht aus einer Mischung von Y₄Al₃O₉ und YAlO₃/ und beide von diesen zweiten Phasen sind stets in zumindest einer Spurenmenge, d.h. in zumindest einer durch Röntgenbeugungsanalyse nachweisbaren Menge, zugegen. Kennzeichnenderweise kann die ΥΑΐΟ-,-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 1,7 Volumprozent des Sinterkörpers und die Y₄Al₃O₉-PlIaSe im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 2,1 Volumprozent des Gesamtvolumens des Sinterkörpers liegen.

In einer anderen Ausführungsform liefert das erfindungsgemäße Verfahren einen Sinterkörper, definiert durch die Linie P1A3, von Figur 4, der eine Phasenzusammensetzung aufweist, bestehend aus AlN und Y₄Al₃O₉, worin die Y₄Al₃O₉-PlIaSe im Bereich von etwa 0,8 Volumprozent bis weniger als etwa 2,1

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Volumprozent des Körpers liegt. Die Linie P1A3 von Figur 4 hat eine Zusammensetzung, bestehend aus etwa 0,35 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent Yttrium, von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,65 Äquivalentprozent Aluminium, von etwa 0,85 Äquivalentprozent bis etwa 1,6 Äquivalentprozent Sauerstoff und von etwa 98,4 Äquivalentprozent bis etwa 99,15 Äquivalentprozent Stickstoff.

In einer anderen Ausführungsform liefert das erfindungsgemäße Verfahren einen Sinterkörper, definiert durch die Linie A3J, jedoch nicht einschließend den Punkt J, von Figur 4, der eine Phasenzusammensetzung aufweist, bestehend aus AlN und Y₄Al₂O₉, worin die Y₄Al₂0_g-Phase im Bereich von etwa 2,1 Volumprozent bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Körpers liegt. Die Linie A3J, jedoch nicht einschließend den Punkt J, von Figur 4, hat eine Zusammensetzung, bestehend aus etwa 0,85 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium, von mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis etwa 99,15 Äquivalentprozent Aluminium, von etwa 1,6 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 4,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und von mehr als etwa 95,9 Äquivalentprozent bis etwa 98,4 Äquivalentprozent Stickstoff.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Aluminiumnitridpulver von handelsgängiger oder technischer Qualität sein. Kennzeichnenderweise sollte es keine Verunreinigungen irgendwelcher Art enthalten, welche eine signifikant schädliche Wirkung auf die gewünschten Eigenschaften des resultierenden Sinterproduktes aufweisen. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren am Anfang eingesetzte Aluminiumnitridpulver enthält gewöhnlich Sauerstoff in einer Menge im Bereich von bis zu etwa 4,4 Gewichtsprozent und üblicherweise im Bereich von mehr als etwa 1,0 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,4 Gewichtsprozent,

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d.h. bis zu etwa 4,4 Gewichtsprozent. Typischerweise enthält ein im Handel verfügbares Aluminiumnitridpulver von etwa 1 ,5 Gewichtsprozent (2,6 Äquivalentprozent) bis etwa 3 Gewichtsprozent (5,2 Äquivalentprozent) Sauerstoff und derartige Pulver werden besonders wegen ihres wesentlich niedrigeren Preises bevorzugt.

Der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids ist durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmbar.

Gewöhnlich hat das in der vorliegenden Erfindung als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumnitridpulver eine spezifische Oberfläche, die in einem weiten Bereich liegen kann und gewöhnlich bis zu etwa 10 m²/g beträgt. Häufig hat es eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 1,0 m²/g, und besonders häufig von zumindest etwa 3,0 m^a/g, üblicherweise größer als etwa 3,2 m²/g, und bevorzugt von zumindest etwa 3,4 m^z/g.

Im allgemeinen hat das vorhandene Aluminiumnitridpulver in der vorliegenden Mischung, d.h. nachdem die Komponenten, gewöhnlich durch Mahlen, gemischt worden sind, eine spezifische Oberfläche, die in weitem Bereich liegen kann und die gewöhnlich bis zu etwa 10 m²/g beträgt. Häufig liegt sie höher als etwa 1,0 m²/g bis etwa 10 m²/g, und besonders häufig im Bereich von etwa 3,2 m²/g bis etwa 10 m²/g, und bevorzugt von etwa 1,5 m²/g bis etwa 5 m²/g, und in einer Ausführungsform von etwa 3,4 m²/g bis etwa 5 m²/g, gemäß der Messung der spezifischen Oberfläche nach der BET-Methode. Kennzeichnenderweise steigt die minimale Sintertemperatur einer gegebenen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung mit ansteigender Teilchengröße des Aluminiumnitrids an.

Im allgemeinen hat das Yttriumoxid-(Y₀O-)-Additiv in der vor-

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-,26 -

liegenden Mischung eine spezifische Oberfläche, die in weitem Bereich liegen kann. Sie ist gewöhnlich größer als etwa 0,4 m²/g und im allgemeinen größer als etwa 0,4 m²/g bis zu etwa 6,0 m²/g, gewöhnlich im Bereich von etwa 0,6 m²/g bis etwa 5,0 m²/g, üblicherweise im Bereich von etwa 1,0 m²/g bis etwa 5,0 m²/g, und in einer Ausführungsform ist sie größer als 2,0 m²/g.

Bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung wird der Kohlenstoff zur Desoxidation von Aluminiumnitridpulver in Form von freiem Kohlenstoff vorgesehen, welcher zu der Mischung als elementarer Kohlenstoff oder in Form eines kohlenstoffhaltigen Additivs, beispielsweise einer organischen Verbindung, die man unter Bildung von freiem Kohlenstoff thermisch zersetzen kann, zugegeben werden kann.

Das vorhandene kohlenstoffhaltige Additiv ist aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material, und Mischungen davon, ausgewählt. Das kohlenstoffhaltige organische Material pyrolysiert, d.h. zersetzt sich thermisch vollständig bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzüngsprodukt, welches verdampft. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das kohlenstoffhaltige Additiv freier Kohlenstoff, und bevorzugt ist es Graphit.

Verbindungen oder Materialien mit hohem Molekulargewicht sind die bevorzugten kohlenstoffhaltigen organischen Materialien zur Durchführung der Zugabe von freiem Kohlenstoff, da sie bei Pyrolyse gewöhnlich die erforderliche Ausbeute an teilchenförmigen! freien Kohlenstoff von Submikron-Größe liefern. Beispiele derartiger aromatischer Materialien sind ein Phenolformaldehyd-Kondensatharz, bekannt als Novolak,

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das in Aceton oder höheren Alkoholen, wie Butylalkohol, löslich ist/ als auch viele der verwandten Kondensationspolymeren oder -harze, wie diejenigen von Resorcin-Formaldehyd, Anilin-Formaldehyd und Kresol-Formaldehyd. Eine andere zufriedenstellende Gruppe von Materialien sind Derivate von mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffen, die im Steinkohlenteer enthalten sind, wie Dibenzanthracen und Chrysen. Eine bevorzugte Gruppe sind Polymere von aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie Polyphenylen oder Polymethylphenylen, die in aromatischen Kohlenwasserstoffen löslich sind.

Der vorhandene freie Kohlenstoff hat eine spezifische Oberfläche, die in einem weiten Bereich liegen kann und lediglich zumindest ausreichend sein muß, um die Desoxidation des vorliegenden Verfahrens zu bewirken. Im allgemeinen hat der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 10 m²/g, vorzugsweise größer als 20 m²/g, bevorzugter größer als etwa 100 m²/g, und besonders bevorzugt größer als 150 m²/g, gemessen nach der BET-Methode zur Bestimmung der Oberfläche, um einen innigen Kontakt mit dem AlN-Pulver für die Durchführung der Desoxidation desselben sicherzustellen. Besonders bevorzugt hat der vorliegende freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche, die so hoch wie möglich ist. Je feiner die Teilchengröße des freien Kohlenstoffs, d.h. je größer die spezifische Oberfläche ist, desto kleiner sind die Löcher oder Poren, die er in dem desoxidierten Preßling zurückläßt. Im allgemeinen ist die Menge der Flüssigphase, welche bei der Sintertemperatur zur Herstellung eines Sinterkörpers mit einer Porosität von weniger als etwa 1 Volumprozent des Körpers erzeugt werden muß, um so niedriger, je kleiner die Poren eines gegebenen desoxidierten Preßlings sind.

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• fcs.

Die Verarbeitung des Aluminiumnitridpulvers zu einem Preßling für die Desoxidation durch freien Kohlenstoff schließt das gesamte Mischen des Aluminiumnitridpulvers zur Herstellung der vorliegenden Mischung/ die gesamte Formgebung der erhaltenen Mischung zur Herstellung des Preßlings, als auch die Handhabung und Lagerung des Preßlings vor seiner Desoxidation durch Kohlenstoff, ein. Die Verarbeitung des Aluminiumnitridpulvers zu einem Preßling für die Desoxidation durch freien Kohlenstoff wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest teilweise an der Luft durchgeführt, und das Aluminiumnitridpulver nimmt während eines derartigen Verarbeitens gewöhnlich Sauerstoff aus der Luft in einer Menge größer als etwa 0,03 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids auf, und irgendeine derartige Sauerstoffaufnähme ist steuerbar und reproduzierbar oder weicht nicht in signifikanter Weise ab, wenn sie unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wird. Falls gewünscht, kann die Verarbeitung des Aluminiumnitridpulvers zu einem Preßling für die Desoxidation durch freien Kohlenstoff an der Luft durchgeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verarbeiten von Aluminiumnitrid kann der Sauerstoff, den es aufnimmt, in irgendeiner beliebigen Form sein, d.h. er kann anfänglich Sauerstoff oder anfänglich in irgendeiner anderen Form sein, wie beispielsweise Wasser. Die Gesamtmenge an von dem Aluminiumnitrid aus der Luft oder aus anderen Medien aufgenommenem Sauerstoff beträgt gewöhnlich weniger als etwa 3,00 Gewichtsprozent und ist gewöhnlich größer als etwa 0,03 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 3,00 Gewichtsprozent, und liegt üblicherweise im Bereich von etwa 0,10 Gewichtsprozent bis etwa 1,00 Gewichtsprozent und vorzugsweise im Bereich von etwa 0,15 Gewichtsprozent bis etwa 0,70 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumnitrids. Im allgemeinen hat das Aluminiumnitrid in der vorlie-

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genden Mischung und der Preßling vor der Desoxidation des Preßlings einen Sauerstoffgehalt von weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent und im allgemeinen ist der Gehalt größer als etwa 1/00 Gewichtsprozent, gewöhnlich größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent, und üblicherweise liegt er im Bereich von etwa 2,00 Gewichtsprozent bis etwa 4,00 Gewichtsprozent und häufig liegt er im Bereich von etwa 2,20 Gewichtsprozent bis etwa 3,50 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumnitrids.

Der Sauerstoffgehalt des als Ausgangsmaterial verwendeten Aluminiumnitridpulvers und der des Aluminiumnitrids in dem Preßling vor der Desoxidation ist durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmbar.

Ein Aluminiumnitrid in einem Preßling, das Sauerstoff in einer Menge von etwa 4,7 Gewichtsprozent oder mehr enthält, ist nicht erwünscht.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine gleichmäßige oder zumindest im wesentlichen gleichmäßige Mischung oder Dispersion des Aluminiumnitridpulvers, des Yttriumoxidpulvers und des kohlenstoffhaltigen Additivs, gewöhnlich in der Form eines freien Kohlenstoffpulvers, hergestellt und es kann eine derartige Mischung durch eine Anzahl von Arbeitsweisen erhalten werden. Vorzugsweise werden die Pulver in einer Kugelmühle, vorzugsweise in einem flüssigen Medium, bei Normaldruck und Umgebungstemperatur zur Herstellung einer gleichmäßigen oder im wesentlichen gleichmäßigen Dispersion gemahlen. Die Mahlkörper, welche gewöhnlich die Form von Zylindern oder Kugeln aufweisen, sollten keine signifikanten schädlichen Wirkungen auf die Pulver ausüben und sie bestehen daher vorzugsweise aus Stahl oder polykristallinem Aluminiumnitrid,

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hergestellt vorzugsweise durch Sintern eines Preßlings aus Aluminiumnitridpulver von Mahlmedium-Größe und Y₂O.,-Sinteradditiv. Im allgemeinen haben die Mahlkörper einen Durchmesser von zumindest etwa 6,35 mm (1/4 inch) und gewöhnlich liegt der Durchmesser im Bereich von etwa 6,35 mm (1/4 inch) bis etwa 12/7 mm (1/2 inch). Das flüssige Medium sollte keine signifikant schädliche Wirkung auf die Pulver ausüben und ist vorzugsweise nicht-wässerig. Bevorzugterweise kann das flüssige Mischoder Mahlmedium vollständig bei einer Temperatur im Bereich von oberhalb Raum- oder Umgebungstemperatur bis unterhalb 300⁰C unter Zurücklassung der vorliegenden Mischung abgedampft werden. Es wird bevorzugt, daß das flüssige Mischmedium eine organische Flüssigkeit, wie Heptan oder Hexan, ist. Ebenso wird bevorzugt, daß das flüssige Mahlmedium ein Dispergiermittel für das Aluminiumnitridpulver enthält, wodurch eine gleichmäßige oder im wesentlichen gleichmäßige Mischung in einer wesentlich kürzeren Mahlzeit erhalten wird. Ein derartiges Dispergiermittel sollte in einer für das Dispergieren erforderlichen Menge angewandt werden und es sollte sich vollständig verdampfen oder zersetzen oder abdampfen lassen, ohne daß ein signifikanter Rückstand zurückbleibt, d.h. kein Rückstand, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer erhöhten Temperatur von unterhalb 1000⁰C einen signifikanten Einfluß hat. Im allgemeinen liegt die Menge eines derartigen Dispergiermittels zwischen etwa 0,1 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 3 Gewichtsprozent des Aluminiumnitridpulvers, und im allgemeinen ist es eine organische Flüssigkeit, vorzugsweise ölsäure.

Bei der Verwendung von Mahlkörpern aus Stahl bleibt in der getrockneten Dispersion oder Mischung ein Rückstand von Stahl oder Eisen zurück, der im Bereich einer nachweisbaren Menge bis zu etwa 3,0 Gewichtsprozent der Mischung liegen kann. Dieser Rückstand von Stahl oder Eisen in der Mischung hat

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keine signifikante Wirkung auf das erfindungsgemäße Verfahren oder auf die Wärmeleitfähigkeit des erhaltenen Sinterkörpers.

Die flüssige Dispersion kann mittels einer Anzahl von herkömmlichen Arbeitsweisen zum Entfernen oder Abdampfen der Flüssigkeit und zur Herstellung der vorliegenden teilchenförmigen Mischung getrocknet werden. Falls gewünscht, kann das Trocknen an der Luft durchgeführt werden. Das Trocknen einer gemahlenen flüssigen Dispersion an der Luft bewirkt, daß das Aluminiumnitrid Sauerstoff aufnimmt und eine derartige Sauerstoffaufnahme ist, falls sie unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wird, reproduzierbar, oder unterscheidet sich nicht in signifikanter Weise. Die Dispersion kann auch, falls dies gewünscht wird, sprühgetrocknet werden.

Ein festes kohlenstoffhaltiges organisches Material wird vorzugsweise in Form einer Lösung zur Beschichtung der Aluminiumnitridteilchen zugemischt. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise nicht-wässerig. Die feuchte Mischung kann dann zur Entfernung des Lösungsmittels unter Bildung der vorliegenden Mischung behandelt werden. Das Lösungsmittel kann mittels einer Anzahl von Arbeitsweisen, wie beispielsweise durch Verdampfen oder durch Gefriertrocknung, d.h. durch Absublimieren des Lösungsmittels im Vakuum von der gefrorenen Dispersion, entfernt werden. Auf diese Weise wird ein im wesentlichen gleichmäßiger überzug des organischen Materials auf dem Aluminiumnitridpulver erzielt, der bei der Pyrolyse eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung von freiem Kohlenstoff liefert.

Die vorliegende Mischung wird an der Luft zu einem Preßling geformt, oder es schließt das Aussetzen des Aluminiumnitrids

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in der Mischung gegenüber der Luft ein. Das Formen der vorliegenden Mischung zu einem Preßling kann mittels einer Anzahl von Arbeitsweisen, wie Extrusion, Spritzen, Formstanzen, isostatisches Pressen, Schlickerguß, Walζverdichtung oder -formen oder Bandgießen, zur Herstellung des Preßlings mit der gewünschten Form durchgeführt werden. Irgendwelche Schmiermittel, Bindemittel oder ähnliche Hilfsmaterialien für die Formgebung, die zur Unterstützung des Formens der Mischung verwendet werden, sollten im wesentlichen keinen verschlechternden Effekt auf den Preßling oder den gemäß der Erfindung erhaltenen Sinterkörper haben. Derartige Hilfsmaterialien für die Formgebung sind bevorzugterweise solche des Typs, der beim Erhitzen auf relativ niedrige Temperaturen, vorzugsweise auf Temperaturen von unterhalb 400⁰C, abdampft und keinen signifikanten Rest zurückläßt. Vorzugsweise hat der Preßling nach dem Entfernen der Hilfsmaterialen für die Formgebung eine Porosität von weniger als 60 %, und besonders bevorzugt von weniger als 50 %, um die Verdichtung während des Sinterns zu fördern.

Wenn der Preßling kohlenstoffhaltiges organisches Material als Quelle für freien Kohlenstoff enthält, wird er auf eine Temperatur im Bereich von etwa 5O⁰C bis etwa 1000⁰C zur Pyrolyse, d.h. zur thermischen Zersetzung, erhitzt, wobei das organische Material den freien Kohlenstoff und gasförmiges Zersetzungsprodukt, welches verdampft, vollständig erzeugt. Die thermische Zersetzung des kohlenstoffhaltigen organischen Materials wird vorzugsweise in einem Vakuum oder bei Normaldruck in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt. Vorzugsweise ist die nichtoxidierende Atmosphäre, in welcher die thermische Zersetzung durchgeführt wird, aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und Mischungen daraus, ausgewählt, und besonders

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• Sq- * ■ -*'

bevorzugt ist sie Stickstoff, oder eine Mischung von zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff und einem Gas, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und Mischungen daraus. In einer Ausführungsform ist die nichtoxidierende Atmosphäre eine Mischung von Stickstoff und etwa 1 Volumprozent bis etwa 5 Volumprozent Wasserstoff.

Die durch die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen organischen Materials eingeführte tatsächliche Menge an freiem Kohlenstoff kann durch Pyrolysieren des organischen Materials allein und Feststellung des Gewichtsverlustes bestimmt werden. Vorzugsweise wird die thermische Zersetzung des organischen Materials in dem vorliegenden Preßling in dem Sinterofen durchgeführt, wenn die Temperatur auf die Desoxidationstemperatur ansteigt, d.h. auf die Temperatur, bei welcher der erhaltene freie Kohlenstoff mit dem Sauerstoffgehalt des AlN reagiert.

Wechselweise kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren Yttriumoxid über eine Yttriumoxid-Vorstufe vorgesehen werden. Der Ausdruck Yttriumoxid-Vorstufe bedeutet irgendeine organische oder anorganische Verbindung, welche sich bei einer Temperatur von unterhalb etwa 1200⁰C unter Bildung von Yttriumoxid und Gas als Nebenprodukt vollständig zersetzt, wobei das Gas, ohne Verunreinigungen in dem Sinterkörper zurückzulassen, was für die Wärmeleitfähigkeit schädlich wäre, verdampft. In dem erfindungsgemäßen Verfahren brauchbare repräsentative Vertreter der Vorstufen von Yttriumoxid sind Yttriumacetat, Yttriumcarbonat, Yttriumoxalat, Yttriumnitrat, Yttriumsulfat und Yttriumhydroxid.

Wenn der Preßling eine Vorstufe für Yttriumoxid enthält, wird

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er bis auf eine Temperatur von etwa 1200⁰C erhitzt, um die Vorstufe thermisch zu zersetzen und hierdurch Yttriumoxid zu erhalten. Eine derartige thermische Zersetzung wird in einer nichtoxidxerenden Atmosphäre, vorzugsweise in einem Vakuum oder bei Normaldruck, durchgeführt, und vorzugsweise ist die Atmosphäre ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und Mischungen daraus. Vorzugsweise ist sie Stickstoff, oder eine Mischung von zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff und einem Gas, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und Mischungen daraus. In einer Ausführungsform der Erfindung ist es eine Mischung von Stickstoff und von etwa 1 Volumprozent bis etwa 5 Volumprozent Wasserstoff.

Die gemäß Erfindung durchgeführte Desoxidation von Aluminiumnitrid mit Kohlenstoff, d.h. die Kohlenstoff-Desoxidation, umfaßt das Erhitzen des Preßlings, bestehend aus Aluminiumnitrid, freiem Kohlenstoff und Yttriumoxid auf Desoxidationstemperatur, um den freien Kohlenstoff mit zumindest einer ausreichenden Menge des in dem Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoffs zur Bildung eines desoxidierten Preßlings umzusetzen, der eine Zusammensetzung aufweist, definiert und umfaßt durch das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, der Figuren 3 oder 4. Diese Desoxidation mit Kohlenstoff wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350°C bis zu einer Temperatur durchgeführt, bei welcher die Poren des Preßlings offenbleiben, d.h. bis zu einer Temperatur, welche zur Desoxidation des Preßlings ausreichend ist, jedoch unterhalb der Porenschließtemperatur liegt, gewöhnlich bis zu etwa 1800⁰C, und vorzugsweise wird sie bei einer Temperatur von etwa 1600⁰C bis 1650⁰C durchgeführt.

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Die Kohlenstoff-Desoxidation wird, vorzugsweise bei Normaldruck, in einer gasförmigen, Stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt, welche ausreichend Stickstoff enthält, um die Desoxidation des Aluminiumnitrids zu erleichtern. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist Stickstoff eine erforderliche Komponente für die Durchführung der Desoxidation des Preßlings. Vorzugsweise ist die Stickstoffenthaltende Atmosphäre Stickstoff, oder sie ist eine Mischung von zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff und einem Gas, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und Mischungen daraus. Ebenso wird es bevorzugt, daß die Stickstoffenthaltende Atmosphäre aus einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff besteht, insbesondere aus einer Mischung, die bis zu etwa 5 Volumprozent Wasserstoff enthält.

Die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Desoxidation des Preßlings erforderliche Zeit kann empirisch bestimmt werden und hängt in hohem Maße von der Dicke des Preßlings, als auch von der Menge des freien Kohlenstoffs, den dieser enthält, ab, d.h. die Kohlenstoff-Desoxidationszeit erhöht sich mit steigender Dicke des Preßlings und mit steigenden Mengen an in dem Preßling enthaltenen freien Kohlenstoff. Die Kohlenstoff-Desoxidation kann durchgeführt werden, wenn der Preßling auf Sintertemperatur erhitzt wird, vorausgesetzt, daß es die Heizgeschwindigkeit erlaubt, die Desoxidation zu beenden, während die Poren des Preßlings offen sind und eine derartige Heizgeschwindigkeit kann empirisch bestimmt werden. Ebenso hängt bis zu einem gewissen Ausmaß die Kohlenstoff-Desoxidationszeit von der Desoxidationstemperatur, der Teilchengröße und der Gleichmäßigkeit der teilchenförmigen Mischung des Preßlings ab, d.h., die Desoxidationszeit ist um so kürzer, je höher die Desoxida-

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tionstemperatur, je kleiner die Teilchengröße und je einheitlicher die Mischung ist. Typischerweise liegt die Kohlenstoff-Desoxidationszeit im Bereich von etwa 1/4 bis etwa 1,5 Stunden.

Vorzugsweise wird der Preßling in dem Sinterofen desoxidiert, indem man ihn für die erforderliche Zeit auf Desoxidationstemperatur hält und anschließend die Temperatur auf Sintertemperatur steigert. Die Desoxidation des Preßlings muß beendet sein, bevor das Sintern die Poren in dem Preßling verschließt und verhindert, daß gasförmiges Produkt daraus verdampft und hierdurch die Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers verhindert.

Bei der erfindungsgemäßen Desoxidation mit Kohlenstoff reagiert der freie Kohlenstoff mit dem Sauerstoff des Aluminiumnitrids unter Bildung von gasförmigem Kohlenmonoxid, welches verdampft. Es wird angenommen, daß die nachfolgende Desoxidationsreaktion abläuft, in welcher der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids als Al₃O₃ angegeben ist: Al₂O₃ + 3 C + N₂ + 3 CO, > +2 AlN (II)

In der durch den Kohlenstoff bewirkten Desoxidation wird gasförmiges, kohlenstoffenthaltendes Produkt gebildet, welches verdampft und hierdurch den freien Kohlenstoff entfernt.

Wenn der Preßling vor der Desoxidation mit einer zu großen Heizgeschwindigkeit durch den Bereich der Kohlenstoff-Desoxidationstemperatur bis zur Sintertemperatur geführt wird, wobei eine derartige zu große Geschwindigkeit in hohem Maße von der Zusammensetzung des Preßlings und der Menge an Kohlenstoff, den dieser enthält, abhängen würde, tritt die erfindungsgemäße Kohlenstoff-Desoxidation nicht ein, d.h. es erfolgt eine Desoxidation in unzureichendem Ausmaß, und

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• st-

es geht durch die nachfolgenden Reaktionen III und/oder IIIA

C + AlN -»■ AlCN ₍ j (III)

C + 1/2 N₂ -> ^CN(g\ (IIIA)

eine signifikante Menge an Kohlenstoff verloren.

Die zur Herstellung des erfindungsgemäß desoxidierten Preßlings erforderliche spezifische Menge an freiem Kohlenstoff kann durch eine Anzahl von Arbeitsweisen ermittelt werden. Sie kann empirisch bestimmt werden. Vorzugsweise wird eine angenäherte Ausgangsmenge an Kohlenstoff aus Gleichung II berechnet, das heißt, die in Gleichung II gezeigte stöchiometrische Menge für Kohlenstoff, und bei der Verwendung einer derartigen angenäherten Menge wird es nur eine oder einige wenige Versuchsreihen erfordern, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers benötigte Kohlenstoffmenge zu bestimmen, wenn zuviel oder zuwenig Kohlenstoff zugesetzt worden war. Kennzeichnenderweise kann dies durch Bestimmen der Porosität des Sinterkörpers und durch Analysieren desselben auf Kohlenstoff und durch Röntgenbeugungsanalyse, erfolgen. Wenn der Preßling zuviel Kohlenstoff enthält, wird der resultierende desoxidierte Preßling schwieriger zu sintern sein und wird keinen erfindungsgemäßen Sinterkörper liefern. Wenn der Preßling zuwenig Kohlenstoff enthält, wird die Röntgenbeugungsanalyse des resultierenden Sinterkörpers keine Y₄Al₃Og-PlIaSe zeigen und seine Zusammensetzung ist durch das Polygon P1JFA4, nicht einschließend die Linien JF und A4F, von Figur 4, nicht definiert oder umfaßt.

Die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Desoxidation verwendete Menge an freiem Kohlenstoff sollte den erfindungsgemäßen desoxidierten Preßling bilden, wobei keine signifikante Menge Kohlenstoff in irgendeiner Form zurückbleibt, d.h.

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. 53 -JQ -

keine Menge an Kohlenstoff in irgendeiner Form/ die einen signifikant schädlichen Einfluß auf den Sinterkörper haben würde. Genauer gesagt sollte keine Kohlenstoffmenge in irgendeiner Form in dem desoxidierten Preßling zurückbleiben, welche die Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers verhindern würde, d.h. irgendein Kohlenstoffgehalt in dem Sinterkörper sollte niedrig genug sein, so daß der Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C aufweist. Im allgemeinen kann der erfindungsgemäße Sinterkörper Kohlenstoff in irgendwelcher Form in einer Spurenmenge enthalten, d.h. gewöhnlich weniger als etwa 0,08 Gewichtsprozent, vorzugsweise in einer Menge von weniger als etwa 0,065 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt weniger als etwa 0,04 Gewichtsprozent, und ganz besonders bevorzugt weniger als 0,03 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Sinterkörpers .

Eine signifikante Menge an Kohlenstoff in irgendeiner Form, welche in dem Sinterkörper zurückbleibt, setzt seine Wärmeleitfähigkeit in signifikanter Weise herab. Eine Kohlenstoffmenge in irgendeiner Form von mehr als etwa 0,065 Gewichtsprozent des Sinterkörpers führt wahrscheinlich zu einer signifikanten Verringerung seiner Wärmeleitfähigkeit.

Der erfindungsgemäße desoxidierte Preßling wird verdichtet, d.h. flüssigphasen-gesintert, bei einer Temperatur, welche eine Sintertemperatur für die Zusammensetzung des desoxidierten Preßlings zur Herstellung des erfindungsgemäßen polykristallinen Körpers mit einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und vorzugsweise von weniger als etwa 4 Volumprozent des Sinterkörpers, ist. Für die erfindungsgemäße Zusammensetzung/ definiert und umfaßt durch das Polygon P1JFA4, jedoch ausschließend die Linien JF und A4F, beträgt diese Sin-

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.56·

tertemperatur im allgemeinen zumindest etwa 1850⁰C und liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 1850⁰C bis etwa 2050°C_f wobei die minimale Sintertemperatur im allgemeinen von etwa 1850⁰C für eine Zubereitung, repräsentiert durch einen Punkt nahe dem Punkt F/ bis höher als etwa 192O⁰C jedoch niedriger als etwa 1990⁰C für die Zubereitung am Punkt Pl, ansteigt. Die minimale Sintertemperatur hängt sehr stark von der Zusammensetzung und weniger stark von der Teilchengröße ab.

Genauer gesagt, liegt die minimale Sintertemperatur für den erfindungsgemäßen desoxidierten Preßling mit einer konstanten Teilchengröße gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Zusammensetzung, die durch einen Punkt nahe dem Punkt F innerhalb des Polygons P1JFA4 repräsentiert wird und eine derartige Temperatur steigt an, wenn sich die Zusammensetzung vom Punkt F weg nach Punkt Pl bewegt.

Kennzeichnenderweise ist für einen derartigen desoxidierten Preßling mit einer durch das Polygon A3JFA2, der Figur 4, ausschließend die Linien A3J, JF und A2F, definierten und umfaßten Zusammensetzung, die minimale Sintertemperatur gewöhnlich etwa 1850⁰C. Für einen desoxidierten Preßling mit einer, durch das Polygon P1A3A2A4, ausschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, definierten und umfaßten Zusammensetzung, erhöht sich die minimale Sintertemperatur gewöhnlich von etwa 1850⁰C bei einem Punkt, benachbart, nahe oder sehr nahe dem Punkt A2, bis im allgemeinen auf etwa 1890⁰C bei einem Punkt, benachbart, nahe oder sehr nahe dem Punkt P, bis auf weniger als etwa 199O⁰C am Punkt Pl. Die minimale Sintertemperatur für eine Zusammensetzung auf der Linie A3J der Figur 4 ist gewöhnlich etwa 186O⁰C. Die minimale Sintertemperatur für eine Zusammensetzung auf Linie A3P1 liegt gewöhnlich in einem Bereich von etwa 186O⁰C am Punkt A3 bis

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• 5?·

im allgemeinen etwa 1900⁰C am Punkt P bis weniger als etwa 199O⁰C am Punkt Pl.

Kennzeichnenderweise ist die minimale Sintertemperatür in hohem Maße von der Zusammensetzung (d.h. der Lage in dem Phasendiagramm von Figur 4), der Gründichte des Preßlings, d.h. der Porosität des Preßlings nach Entfernung der Hilfsmaterialien für die Formgebung, jedoch vor der Desoxidation, der Teilchengröße des Aluminiumnitrids, und in einem viel geringeren Ausmaß von der Teilchengröße des Yttriumoxids und des Kohlenstoffs, abhängig. Die minimale Sintertemperatür steigt an, wenn sich die Zusammensetzung von nahe oder nahebei dem Punkt F bis zu Punkt Pl bewegt, wenn die Gründichte des Preßlings abnimmt und wenn die Teilchengröße von Aluminiumnitrid, und in einem viel geringeren Ausmaß, von Yttriumoxid und Kohlenstoff ansteigt. Beispielsweise beträgt für eine Zusammensetzung, repräsentiert durch einen Punkt innerhalb des Polygons P1JFA4 von Figur 4 und dem Punkt F am nächsten liegend, die minimale Sintertemperatur für die Teilchengrößenkombination von Aluminiumnitrid, Yttriumoxid und Kohlenstoff von etwa 5,0 m²/g, 2,8 m²/g bzw. 200 raVg etwa 185O⁰C.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Flüssigphasen-Sinterung enthält der vorliegende desoxidierte Preßling ausreichend Äguivalentprozente von Y und O zur Bildung einer ausreichenden Menge von Flüssigphase bei Sintertemperatur zur Verdichtung des Kohlenstoff-desoxidierten Preßlings zur Bildung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers. Die vorliegende minimale Verdichtung, d.h. Sinterungstemperatur, hängt von der Zusammensetzung des desoxidierten Preßlings, d.h. der Menge an Flüssigphase, die erzeugt wird, ab. Für eine in der vorliegenden Erfindung verwendbare Sintertemperatur muß kennzeichnenderweise in der besonderen Zusammensetzung des

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desoxidierten Preßlings zumindest ausreichend Flüssigphase erzeugt sein, um die erfindungsgemäße Flüssigphasen-Sinterung unter Bildung des erfindungsgemäßen Produkts durchzuführen. Für eine gegebene Zusammensetzung ist die Sintertemperatur um so niedriger, je kleiner die gebildete Menge an Flüssigphase ist, d.h. die Verdichtung wird mit abnehmender Sintertemperatur schwieriger. Jedoch liefert eine Sintertemperatur von höher als etwa 2050⁰C keinen signifikanten Vorteil.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Sintertemperatur für die Bildung des erfindungsgemäßen polykristallinen Körpers im Bereich von etwa 1890⁰C bis etwa 2050⁰C, und in einer anderen Ausführungsform von etwa 188O⁰C bis etwa 1950⁰C, und in einer anderen Ausführungsform von etwa 189O⁰C bis etwa 1950⁰C, und in noch einer anderen Ausführungsform von etwa 1885⁰C bis etwa 1950⁰C, und in noch einer weiteren Ausführungsform von etwa 1895°C bis etwa 1950⁰C, und in noch einer weiteren Ausführungsform von etwa 194O⁰C bis etwa 197O⁰C.

Der desoxidierte Preßling wird gesintert, vorzugsweise bei Normaldruck, in einer gasförmigen, stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre, welche zumindest ausreichend Stickstoff enthält, um einen signifikanten Gewichtsverlust an Aluminiumnitrid zu verhindern. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist Stickstoff eine notwendige Komponente der Sinterungsatmosphäre, um irgendeinen signifikanten Gewichtsverlust von AlN während des Sinterns zu verhindern, und ebenso auch um die Desoxidationsbehandlung zu optimieren und den Kohlenstoff zu entfernen. Der signifikante Gewichtsverlust des Aluminiumnitrids kann in Abhängigkeit seines Verhältnisses von spezifischer Oberfläche zu Volumen variieren, d.h. in Abhängigkeit von der Form des Körpers, beispielsweise, ob

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3543253

er in Form eines dünnen oder eines dicken Bandes vorliegt. Als Ergebnis liegt der signifikante Gewichtsverlust von Aluminiumnitrid im allgemeinen im Bereich von über etwa 5 Gewichtsprozent bis über etwa 10 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids. Vorzugsweise ist die stickstoffenthaltende Atmosphäre Stickstoff, oder sie ist eine Mischung von zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff und einem Gas, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und Mischungen daraus. Ebenso wird es bevorzugt, daß die stickstoffenthaltende Atmosphäre aus einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff, insbesondere aus einer Mischung, die von etwa 1 Volumprozent bis etwa 5 Volumprozent Wasserstoff enthält, besteht.

Die Sinterungszeit kann empirisch bestimmt werden. Sinterungszeiten liegen typischerweise im Bereich von etwa 40 Minuten bis etwa 90 Minuten.

In einer Ausführungsform, d.h. der Zusammensetzung, definiert durch das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien PlJ₇ JF und A4F, von Figur 4, worin das Aluminiumnitrid in dem Kohlenstoff-desoxidierten Preßling Sauerstoff enthält, das Yttriumoxid ferner das Aluminiumnitrid durch Umsetzen mit dem Sauerstoff unter Bildung von Y.Al-O« und YAlO., desoxidiert, wobei auf diese Weise die Menge des Sauerstoffs in dem AlN-Gitter zur Bildung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers mit einer Phasen-Zusammensetzung, bestehend aus AlN und einer zweiten Phasen-Mischung, bestehend aus YAlO- und Y₄Al₃Og gesenkt wird.

In einer anderen Ausführungsform, d.h. der Linie PlJ, jedoch ausschließend Punkt J, von Figur 4, bei welcher das Aluminiumnitrid in dem Kohlenstoff-desoxidierten Preßling Sauerstoff in einer Menge enthält, die signifikant kleiner ist als diejenige

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. 60 ·

des Polygons P1JFA4/ jedoch nicht einschließend die Linien PlJ, JF und A4F, von Figur 4, hat der erhaltene Sinterkörper eine Phasen-Zusammensetzung/ bestehend aus AlN und Y₄Al₉Og.

Der erfindungsgemäß gesinterte polykristalline Körper ist ein drucklos gesinterter Keramikkörper. Unter drucklosem Sintern ist hier das Verdichten oder Verfestigen des desoxidierten Preßlings ohne die Anwendung von mechanischem Druck zu einem Keramikkörper mit einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und vorzugsweise von weniger als etwa 4 Volumprozent, zu verstehen.

Der polykristalline Körper der vorliegenden Erfindung ist in Flüssigphase gesintert. Das heißt, er sintert infolge der Anwesenheit einer Flüssigphase, die bei der Sintertemperatur flüssig und reich an Yttrium und Sauerstoff ist und etwas Aluminium und Stickstoff enthält. In dem erfindungsgemäßen polykristallinen Körper haben die Aluminiumkörner etwa die gleichen Dimensionen in allen Richtungen, und sind nicht länglich oder scheibenförmig geformt. Im allgemeinen hat das AlN in dem erfindungsgemäßen polykristallinen Körper eine durchschnittliche Korngröße im Bereich von etwa 1 μΐΐι (1 Mikron) bis etwa 20 μπι (20 Mikron). Eine intergranulare zweite Phase von Y₄Al₃Og, oder eine Mischung von YAlO- und Y₄Al₃Og, ist entlang irgendwelcher der AlN-Korngrenzen zugegen. Die Morphologie der MikroStruktur des erfindungsgemäßen Sinterkörpers zeigt an, daß diese intergranulare zweite Phase bei der Sintertemperatur eine Flüssigkeit war. Wenn sich die Zusammensetzung der Linie JF in Figur 4 nähert, steigt die Menge der Flüssigphase an und die AIN-Körner in dem erfindungsgemäßen Sinterkörper werden stärker abgerundet und haben eine glattere Oberfläche. Wenn sich die Zusammensetzung von der Linie JF in Figur 4 wegbewegt und die Linie P1A4 erreicht, nimmt die

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el·

Menge der Flüssigphase ab und die AIN-Körner in dem erfindungsgemäßen Sinterkörper werden weniger abgerundet und die Ecken der Körner werden schärfer.

Der erfindungsgemäße Sinterkörper hat eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent, und im allgemeinen von weniger als etwa 4 Volumprozent des Sinterkörpers. Vorzugsweise hat der erfindungsgemäße Sinterkörper eine Porosität von weniger als etwa 2 % und besonders bevorzugt von weniger als etwa 1 Volumprozent des Sinterkörpers. Irgendwelche Poren in dem Sinterkörper sind von feiner Größe, und im allgemeinen sind sie kleiner als etwa 1 um (1 Mikron) im Durchmesser. Die Porosität kann durch genormte metallographische Verfahren und durch genormte Dichtemessungen bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein gesteuertes Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers von Aluminiumnitrid mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C, und vorzugsweise von zumindest 1,42 W/cm.K bei 25°C, oder größer. Im allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen polykristallinen Körpers kleiner als diejenige eines Einkristalls hoher Reinheit von Aluminiumnitrid, die etwa 2,8 W/cm.K bei 25⁰C beträgt. Wenn das gleiche Verfahren und die gleichen Bedingungen über das gesamte erfindungsgemäße Verfahren hinweg angewandt werden, hat der erhaltene Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit und eine Zusammensetzung, die reproduzierbar ist oder nicht signifikant abweicht. Ganz allgemein wird die Wärmeleitfähigkeit mit einer Abnahme in Volumprozenten der zweiten Phase, einer Abnahme der Porosität und, für eine gegebene Zusammensetzung, mit einem Anstieg in der Sintertemperatur erhöht.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren nimmt Aluminiumnitrid Sauer-

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stoff in einer gesteuerten oder in einer im wesentlichen gesteuerten Weise auf. Wenn das gleiche Verfahren und die gleichen Bedingungen in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden, ist die Menge an durch Aluminiumnitrid aufgenommenem Sauerstoff kennzeichnenderweise reproduzierbar oder weicht nicht wesentlich ab. Außerdem nimmt in dem erfindungsgemäßen Verfahren Yttriumoxid oder dessen anwesende Vorstufe im Gegensatz zu Yttrium, Yttriumnitrid und Yttriumhydrid keinen, oder keine wesentliche Menge Sauerstoff aus Luft oder anderen Medien auf. Genauer gesagt nimmt Yttriumoxid in dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Mengen an Sauerstoff in irgendeiner Form aus der Luft oder anderen Medien auf, die irgendeine signifikante Wirkung auf die Steuerbarkeit oder die Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens haben würden. Irgendwelcher Sauerstoff, den Yttriumoxid in dem erfindungsgemäßen Verfahren aufnehmen mag, ist so geringfügig, daß keinerlei Wirkung oder keinerlei signifikante Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit oder die Zusammensetzung des erhaltenen Sinterkörpers ausgeübt wird.

Beispiele für die Berechnungen von Äquivalentprozenten sind nachfolgend angegeben:

Für ein AlN-Ausgangspulver im Gewicht von 89,0 g, für das 2,3 Gewichtsprozent Sauerstoff als Gehalt gemessen worden waren, wird angenommen, daß der gesamte Sauerstoff an AlN als Al₃O₃ gebunden ist und daß die gemessenen 2,3 Gewichtsprozent Sauerstoff als 4,89 Gewichtsprozent Al₃O₃ vorliegen, so daß für das AlN-Pulver angenommen wird, daß es aus 84,65 g AlN und 4,35 g Al₂O- besteht.

Eine Mischung wird gebildet, bestehend aus 89,0 g des AlN-Ausgangspulvers, 3,2 g Y₃O₃ und 1,15 g freiem Kohlenstoff.

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Während der Verarbeitung nimmt dieses AlN-Pulver weiteren Sauerstoff infolge von Reaktionen, ähnlich der nachfolgenden Reaktionsgleichung IV,

2 AlN + 3 H₂O -*■ Al₂O₃ + 2 NH₃ (IV) auf und enthält nun 2,6 Gewichtsprozent Sauerstoff.

Der nun erhaltene Preßling hat die nachfolgende Zusammensetzung:

89,11 g AlN-Pulver, enthaltend 2,6 Gewichtsprozent Sauerstoff (84,19 g AlN + 4,92 g Al₃O₃), 3,2 g Y₃O₃ und 1,15 g Kohlenstoff.

Es wird angenommen, daß der gesamte Kohlenstoff während der Desoxidation des Preßlings mit Al₃O₃ nach der Gleichung V reagiert:

Al₃O₃ + 3 C + N₂ -> 2 AlN + 3 CO _{( }} (V)

In der vorliegenden Erfindung wird der Kohlenstoff Y₃O₃ nicht reduzieren, jedoch anstelle dessen wird Al₃O₃ reduziert.

Nachdem die Reaktion V beendet ist, hat der desoxidierte Preßling nun die nachfolgende Zusammensetzung, die auf Basis der Reaktionsgleichung V berechnet wurde:

88,47 g AlN-Pulver mit einem Gehalt von 0,89 Gewichtsprozent Sauerstoff (86,81 g AlN + 1,67 g Al₀O-) und 3,2 g Y₉O-.

Aus dieser gewichtsmäßigen Zusammensetzung kann die Zusammensetzung in Äquivalentprozent wie folgt berechnet werden:

	Gewicht (g)	• U-	3543258
	86,81	--47 -	äquivalente
	1,67	Mole J	6,354
AlN	3,20	2,118	0,098
Al₂O₃		1,636 χ 1θ"²	0,085
^Y2°3		1,417 χ 10"²	= 6,537
		GESAMTÄQUIVALENTE	V = Wertigkeit μ μ ι Gewicht (g)
			MG = Molekulargewicht
		Äq = Äquivalente
		Aq=MX V
		Wertigkeiten: Al =
		Y -
		N =
	0 =


	= +3
= +3
= -3
= -2

Äq-% Y in desoxidiertem Preßling =

Anzahl der Y-Äq

Anzahl der Y-Äq + Anzahl der Al-Äq

100 % = 1,30 %

Äq-% O in desoxidiertem Preßling =

χ 100 %

Anzahl der Q-Äq

Anzahl der O-Äq + Anzahl der N-Äq

χ 100 %

_ 0,098 + 0,085
6,537

_{= 0}

(VI)

(VII)

(VIII)

Dieser desoxidierte Preßling als auch der Sinterkörper enthalten etwa 1,30 Äquivalentprozent Y und etwa 2,80 Äquivalentprozent Sauerstoff.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers mit einem Gehalt von 1,5 Äquivalentprozent Y und 3,0 Äquivalentprozent

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, bs.

- AQ -

O, d.h. bestehend aus 1,5 Äquivalentprozent Y, 98/5 Äquivalentprozent Al, 3/0 Äquivalentprozent O und 97,0 Äquivalentprozent N, unter Verwendung eines AlN-Pulvers, gemessen mit einem Gehalt von 2,3 Gewichtsprozent Sauerstoff (4,89 Gewichtsprozent Al₂O₃), können die folgenden Berechnungen für Gewichtsprozent aus Äquivalentprozent gemacht werden:

100 g = Gewicht des AlN-Pulvers χ g = Gewicht des Y^O-j-Pulvers ζ g = Gewicht des Kohlenstoff-Pulvers

Es wird angenommen, daß AlN-PuIver während der Verarbeitung durch eine ähnliche Reaktion, wie sie die nachfolgende Reaktionsgleichung IX wiedergibt, zusätzlichen Sauerstoff aufnimmt und der Preßling vor der Desoxidation nun 2,6 Gewichtsprozent Sauerstoff (5,52 Gewichtsprozent Al₃O₃) enthält und ein Gewicht von 100,12 g besitzt.

2 AlN + 3 H₂O ·*■ Al₃O₃ + 2 NH₃ (IX)

Nach der Verarbeitung kann angenommen werden, daß der Preßling die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

Gewicht (g) Mole Äquivalente

AlN 94,59 2,308 6,923

Al₃O₃ 5,53 0,0542 0,325

Y₃O₃ χ 4,429 χ 10"³x 0,02657x

C ζ 0,0833z

Während der Desoxidation reduzieren 3 Mole Kohlenstoff 1 Mol Al₂O- und in Gegenwart von N₂ werden 2 Mole AlN durch die nachfolgende Reaktionsgleichung gebildet:

Al₂O₃ + 3 C + N₂ ■*■ 2 AlN + 3 CO (X) Nach der Desoxidation wird der gesamte Kohlenstoff umgesetzt

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. 66.

sein und man kann annehmen/ daß der Preßling die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

Gewicht (g) Mole Äquivalente

AlN 94,59 + 2,275z 2,308 + 0,05551z 6,923 + 0,1665z

Al₂O₃ 5,53 - 2,830z 0,0542 - 0,02775z 0,325 - 0,1665z

Y₂O₃ χ 4,429 χ 10"³x 0,02657x

G = Gesamtäquivalente = 7,248 + 0,02657x

,. . _Ί ., . „ _{Λ Λ1Ε} 0,02657x (XI)

Äquivalentbruch von Y = 0,015 = —'-—^

Äquivalentbruch von O = 0,030 =

0,325 - 0,1665z + 0,02657x (XII)

Auflösen der Gleichungen XI und XII nach χ und z: χ = 4,15 g Y₂O₃~Pulver
ζ = 1,29 g freier Kohlenstoff.

Ein Körper in einer als Substrat brauchbaren Form oder Gestalt, d.h. in Form eines flachen dünnen Stückes von gleichmäßiger Dicke, oder ohne signifikanten Unterschied in seiner Dicke, der üblicherweise als Substrat oder Band bezeichnet wird, kann während des Sinterns uneben werden und sich beispielsweise verziehen, und der erhaltene Sinterkörper kann eine Wärmebehandlung zur Glättung erfordern, um ihn als Substrat brauchbar zu machen. Diese Unebenheit oder das Verziehen tritt wahrscheinlich beim Sintern eines Körpers in Form eines Substrats oder Bandes mit einer Dicke von weniger als etwa 1778 μια (0,070 inch) auf und kann durch eine Glättungsbehandlung eleminiert werden, d.h. durch Erhitzen des Sinterkörpers, d.h. des Substrats oder des Bandes, unter einem angewandten ausreichenden Druck bei einer Temperatur in dem vorliegenden Sintertemperaturbereich von etwa 185O⁰C bis et-

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wa 2050⁰C/ während eines empirisch zu bestimmenden Zeitraums, und Abkühlenlassen des Sandwich-Körpers auf unterhalb seiner Sintertemperatur, vorzugsweise bis Umgebungs- oder Raumtemperatur, bevor man das resultierende flache Substrat oder Band gewinnt.

Mehr im Detail wird in einer Ausführungsform dieses Glättungsverfahrens das unebene Substrat oder Band zwischen zwei Platten in Sandwich-Form gelegt und von diesen Platten durch eine dünne Schicht AIN-Pulver getrennt/ der Sandwich-Körper bis auf seine Sintertemperatur, d.h. eine Temperatur, welche eine Sintertemperatur für den in Sandwich-Form gesinterten Körper ist, erhitzt, vorzugsweise in der gleichen Atmosphäre, wie sie für das Sintern eingesetzt wird, unter einem angewandten Druck/ der zumindest ausreicht, den Körper zu glätten, im allgemeinen zumindest etwa 2,07 mbar (0,03 psi), während eines Zeitraums, der ausreicht, den Sandwich-Körper zu glätten, und man anschließend den Sandwich-Körper auf eine Temperatur unterhalb seiner Sintertemperatur abkühlen läßt, bevor er gewonnen wird.

Eine Ausführungsform zur Durchführung dieser Glättungsbehandlung eines dünnen Sinterkörpers oder Substratbandes umfaßt das Einlegen des gesinterten, unebenen Substrats oder Bandes zwischen zwei Platten eines Materials, das keinen signifikant schädlichen Effekt darauf ausübt, wie Molybdän oder Wolfram, oder eine Legierung, welche zumindest etwa 80 Gewichtsprozent Wolfram oder Molybdän enthält. Das eingelegte Substrat oder Band wird von den Platten durch eine dünne Schicht, vorzugsweise einen diskontinuierlichen Überzug, bevorzugterweise eine diskontinuierliche Monoschicht, von Aluminiumnitridpulver, getrennt, vorzugsweise gerade eben ausreichend, um das Kleben des Körpers an den Oberflächen der Platten während der

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• (οβ-

glättenden Wärmebehandlung zu verhindern. Der Glättungsdruck wird empirisch bestimmt und hängt in hohem Maße von dem besonderen Sinterkörper, der besonderen Glattungstemperatur und dem GlättungsZeitraum ab. Die Glättungsbehandlung sollte keine signifikante schädliche Wirkung auf den Sinterkörper haben. Eine Erniedrigung der Glattungstemperatur erfordert einen Anstieg im Glättungsdruck oder in der Glättungszeit. Im allgemeinen liegt bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1850⁰C oder etwa 1890⁰C bis etwa 2050⁰C der angewandte Glättungsdruck im Bereich von etwa 2,07 mbar (0,03 psi) bis etwa 68,9 mbar (1,0 psi), vorzugsweise von etwa 4,14 mbar (0,06 psi) bis etwa 34,5 mbar (0,50 psi), und besonders bevorzugt von etwa 6,9 mbar (0,10 psi) bis etwa 20,7 mbar (0,30 psi). Typischerweise liefert das Erhitzen eines Sinterkörpers in Sandwich-Form beispielsweise bei einer Sintertemperatür unter einem Druck von etwa 2,07 mbar (0,03 psi) bis etwa 34,5 mbar (0,5 psi) während eines Zeitraums von 1 Stunde in Stickstoff einen flachen Körper, der als Substrat, insbesondere als Trägersubstrat für einen Halbleiter, wie beispielsweise ein Silicium-Chip, brauchbar ist.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, auf direktem Wege einfache, komplexe und/oder hohlgeformte polykristalline AIuminiumnitrid-Keramikartikel herzustellen. Kennzeichnenderweise kann der erfindungsgemäße Sinterkörper in Form eines brauchbaren, geformten Artikels hergestellt werden, ohne mechanische oder irgendwelche signifikante maschinelle Bearbeitung, wie beispielsweise ein hohlgeformter Gegenstand für eine Verwendung als Behälter, ein dünnwandiges Rohr, ein Schmelztiegel, ein langer Stab, ein sphärischer Körper, ein Band, Substrat oder ein Träger. Der geformte Artikel kann ferner als Umhüllung für Temperaturfühler brauchbar sein. Er ist insbesondere brauchbar als Substrat für einen Halbleiter, wie z.B.

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für einen Silicium-Chip. Die Dimensionen des erfindungsgemäßen Sinterkörpers weichen von denen des ungesinterten Körpers um das Ausmaß der Schrumpfung, d.h. der Verdichtung, ab, welche während des Sinterns erfolgt.

Der erfindungsgemäße Keramikkörper hat eine Anzahl von Anwendungsraöglichkeiten. In Form eines dünnen flachen Stücks von gleichmäßiger Dicke oder ohne eine signifikante Differenz in seiner Dicke, d.h. in Form eines Substrats oder Bands, ist er besonders brauchbar als Verpackung für integrierte Schaltungen und als Substrat für eine integrierte Schaltung, insbesondere als Substrat für einen halbleitenden Silicium-Chip für die Verwendung in Rechnern.

Die Erfindung wird weiter durch die nachfolgenden Beispiele erläutert, in welchen das Verfahren wie folgt durchgeführt wird, es sei denn, daß irgendetwas anderes gesagt wird.

Das als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumnitridpulver enthielt Sauerstoff in einer Menge von weniger als 4 Gewichtsprozent.

Das als Ausgangsmaterial verwendete Aluminiumnitridpulver war abgesehen von Sauerstoff über 99 % reines AlN.

In den Beispielen 10, 11, 13 und 15 der Tabelle III hatte das als Ausgangsmaterial verwendete AIN-Pulver eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g. In Beispiel 14 der Tabelle III hatte das AIN-Pulver eine spezifische Oberfläche von 1,6 m²/g.

In den Beispielen 5 und 6 der Tabelle II und in den Beispielen 12A und 12B der Tabelle III hatte das als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumnitridpulver eine spezifische Oberfläche

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von 3,84 m²/g [0,479 μΐη (0,479 Mikron)] und es hatte, wie durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt wurde, einen Gehalt von 2,10 Gewichtsprozent Sauerstoff.

In den restlichen Beispielen der Tabellen II und III hatte das als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumnitridpulver eine spezifische Oberfläche von 4,96 m²/g [0,371 μπι (0,371 Mikron)3 und enthielt 2,25 Gewichtsprozent Sauerstoff, wie dies durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt wurde.

In allen Beispielen der Tabelle II und den Beispielen 9A, 9B, 12A und 12B der Tabelle III hatte das Y₂O₃-PuIver vor irgendeinem Mischvorgang, d.h. im Anlieferungszustand, eine spezifische Oberfläche von etwa 2,75 m²/g. In den Beispielen 10, 11 und 15 der Tabelle III hatte das Y₂O₃~Pulver vor dem Mischen eine spezifische Oberfläche von 0,6 m²/g. In den Beispielen 13 und 14 der Tabei:
für ^V2°3 zugesetzt.

13 und 14 der Tabelle III wurde Y₃(CO₃)₃·3H₃O als Vorstufe

Der in allen Beispielen der Tabelle II verwendete Kohlenstoff war Graphit und hatte nach Angaben der Lieferfirma in den Beispielen 10, 11 und 15 der Tabelle III eine spezifische Oberfläche von 25 m²/g und in den übrigen Beispielen der Tabellen II und III eine spezifische Oberfläche von 200 m²/g [0,017 πιμ (0,017 Mikron)].

Zur Durchführung des Mischens, d.h. des Mahlens der Pulver in allen Beispielen der Tabellen II und III wurde nicht-wässeriges Heptan eingesetzt.

In allen Beispielen der Tabellen II und III war das Mahlmedium warmgepreßtes Aluminiumnitrid in angenäherter Form von Würfeln oder Quadern mit einer Dichte von etwa 100 %.

- 54 -

-St-

In den Beispielen 1A, 1B, 2, 5 und 6 der Tabelle II und in den Beispielen 1O_f 11, 12A, 12B, 13, 14 und 15 der Tabelle III wurden die AlN-, *2^3*~ ^un^ Kohlenstoff pulver in einem Kunststoffgefäß in nicht-wässeriges, ölsäure in einer Menge von etwa 0,7 Gewichtsprozent des Aluminiumnitridpulvers enthaltendes Heptan eingetaucht und in dem geschlossenen Gefäß bei Raumtemperatur während eines Zeitraums von etwa 18 Stunden in den Beispielen 1A, 1B und 2, und für etwa 16 Stunden, in den Beispielen 5, 6, 10, 11, 12A, 12B, 13, 14 und 15 unter Bildung der gegebenen Pulvermischung in einer Schwingmühle gemahlen. In den restlichen Beispielen der Tabellen II und III wurde keine ölsäure verwendet und die AlN-, Y₂^s"" ^un(^ Kohlenstoff pulver wurden in einem Kunststoffgefäß in nicht-wässeriges Heptan eingetaucht und in dem geschlossenen Gefäß bei Raumtemperatur während eines Zeitraums, der für Beispiel 3 etwa 91 Stunden, für die Beispiele 4A und 4B etwa 20 Stunden, für die Beispiele 7A, 7B und 8 etwa 68 Stunden und für die Beispiele 9A und 9B etwa 46 Stunden betrug, in einer Schwingmühle gemahlen.

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurde die gemahlene flüssige Dispersion der gegebenen Pulvermischung an der Luft bei Normaldruck etwa 20 Minuten lang unter einer Wärmelampe getrocknet und während dieses Trocknens nahm die Mischung aus der Luft Sauerstoff auf.

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurde die getrocknete gemahlene Pulvermischung an der Luft bei Raumtemperatur unter einem Druck von 344,7 bar (5 kpsi) in einer Form zur Herstellung eines Preßlings mit einer Dichte von ungefähr 55 % seiner theoretischen Dichte gepreßt.

In denjenigen Beispielen der Tabellen II und III, in welchen die Größe des Sinterkörpers mit dem Buchstaben A oder B be-

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zeichnet wird, hatten die Preßlinge die Form einer Scheibe, in denjenigen Beispielen, in welchen die Größe des Sinterkörpers mit dem Buchstaben C bezeichnet wird, hatten die Preßlinge die Form eines Stabs, und in denjenigen Beispielen, in welchen die Größe des Sinterkörpers mit dem Buchstaben D bezeichnet wird, lagen die Preßlinge in Form eines Substrats vor, welches ein dünnes, flaches, bandähnliches Stück von gleichmäßiger oder nicht signifikant abweichender Dicke war.

In der Tabelle II wird die Zusammensetzung der Mischung der Pulver als "Pulvermischung" angegeben, wohingegen sie in Tabelle III als "Zugesetzte Pulver" aufgeführt wird.

In allen Beispielen der Tabellen II und III, ausgenommen die Beispiele 4A, 4B, 5, 6, 7A, 7B, 8, 12A, 12B, 13, 14 und 15, hatte die gegebene Pulvermischung, als auch der daraus hergestellte Preßling eine Zusammensetzung, in welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A4 der Figur 4 lagen.

In den Beispielen 4A, 4B, 5, 6, 7A, 7B und 8 der Tabelle II und in den Beispielen 12A, 12B, 13, 14 und 15 der Tabelle III hatte die angegebene Pulvermischung, als auch der daraus hergestellte Preßling, eine Zusammensetzung, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium außerhalb des Bereichs von Punkt J bis Punkt A4 der Figur 4 lagen.

Die Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N der Preßlinge von allen Beispielen der Tabellen II und III, d.h. vor der Desoxidation, lag außerhalb der durch das Polygon P1JFA4 von Figur 4 begrenzten und umfaßten Zusammensetzung.

In allen Beispielen der Tabellen II und III enthielt das AIu-

- 56 -

miniumnitrid in dem Preßling vor der Desoxidation Sauerstoff in einer Menge im Bereich von mehr als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids .

Die Zusammensetzung der desoxidierten Preßlinge von allen Beispielen der Tabellen II und III, mit Ausnahme der Beispiele 4A, 4B, 5, 6, 7A, 7B, 8, 12A, 12B, 13, 14 und 15, wird durch das Polygon P1JFA4 der Figur 4, definiert und umfaßt, schließt jedoch die Linien JF und A4F nicht ein.

In jedem der Beispiele der Tabellen II und III wurde aus der angegebenen Pulvermischung ein Preßling hergestellt und der in den Tabellen II und III angegebenen Wärmebehandlung unterzogen. Ferner haben die Beispiele in den Tabellen II und III die gleiche Nummer, jedoch enthalten sie die Buchstaben A oder B, was anzeigt, daß sie in identischer Weise durchgeführt wurden, d.h. die Pulvermischungen wurden in der gleichen Weise hergestellt und zu zwei Preßlingen formiert und die zwei Preßlinge wurden unter identischen Bedingungen wärmebehandelt, d.h. die zwei Preßlinge wurden nebeneinander in dem Ofen placiert und gleichzeitig der gleichen Wärmebehandlung unterzogen, und diese mit einem Buchstaben A oder B numerierten Beispiele können hier durch ihre Nummer allein bezeichnet sein.

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurde zur Durchführung der Desoxidation der Preßlinge die gleiche Atmosphäre verwendet, wie sie zur Durchführung der Sinterung des desoxidierten Preßlings eingesetzt worden war, mit der Ausnahme, daß die Atmosphäre zur Durchführung der Desoxidation in den Ofen mit einer Geschwindigkeit von 28,32 dm³/h (1 SCFH) zur Förderung der Entfernung der durch die Desoxidation gebildeten Gase eingespeist wurde und die Strömungsgeschwindigkeit

- 57 -

während der Sinterung kleiner als etwa 2,832 dm³/h (0,1 SCFH)

Die Atmosphäre während der gesamten Wärmebehandlung in allen Beispielen der Tabellen II und III hatte Normaldruck, was atmosphärischem oder etwa atmosphärischem Druck entspricht.

Der Ofen war ein Molybdänheizelement-Ofen.

Die Preßlinge wurden in dem Ofen bis zu der gegebenen Desoxidationstemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 100⁰C pro Minute und anschließend bis zu der gegebenen Sintertemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 5O⁰C pro Minute erhitzt.

Die Sinterungsatmosphäre war bei Normaldruck, d.h. bei atmosphärischem oder etwa atmosphärischem Druck.

Nach der Beendigung der Wärmebehandlung wurden die Proben im Ofen auf etwa Raumtemperatur abgekühlt.

Alle Beispiele der Tabellen II und III wurden in im wesentlichen der gleichen Weise durchgeführt, mit Ausnahme der in den Tabellen II und III angegebenen Ausnahmen, und den Ausnahmen, wie sie hier angegeben werden.

Der Kohlenstoffgehalt des Sinterkörpers wurde mittels einer chemischen Standardanalysentechnik bestimmt.

Auf Basis des vorherbestimmten Sauerstoffgehalts der als Ausgangsmaterial eingesetzten AIN-Pulver und der gemessenen Zusammensetzungen der erhaltenen Sinterkörper, als auch aufgrund anderer Versuche, wurde berechnet oder abgeschätzt, daß

- 58 -

TS-

in jedem Beispiel in den Tabellen II und III das Aluminiumnitrid in dem Preßling vor der Desoxidation einen Sauerstoffgehalt von etwa 0,3 Gewichtsprozent höher als derjenige des als Ausgangsmaterial eingesetzten Aluminiumnitridpulvers hatte.

Der gemessene Sauerstoffgehalt wurde durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt und ist in Gewichtsprozent angegeben, wobei dies Gewichtsprozente des Sinterkörpers sind.

In denjenigen Beispielen der Tabellen II und III, in denen der Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers gemessen wurde, wurde die Äquivalentprozent-Zusammensetzung des Sinterkörpers aus der Zusammensetzung des als Ausgangsmaterial eingesetzten Pulvers und aus dem angegebenen gemessenen Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers berechnet. Es wird angenommen, daß Y, Al, N und O ihre üblichen Wertigkeiten von +3, +3, -3 bzw. -2 aufweisen. Es wird angenommen, daß die Menge an Y und Al in den Sinterkörpern die gleiche ist, wie die in dem als Ausgangsmaterial eingesetzten Pulver. Es wird angenommen, daß die Menge des Sauerstoffgewinns und des Stickstoffverlustes durch die nachfolgende Gesamtgleichung XIII wiedergegeben wird:

2 AlN + 3/2 O₂ ■* Al₂O₃ + N₃ (XIII)

Es wird weiter angenommen, daß die Menge des SauerstoffVerlustes und des Stickstoffgewinns während der Desoxidation durch die nachfolgende Gesamtgleichung beschrieben wird:

Al₂O₃ . + 3 C + N₂ + 2 AlN + 3 CO (XIV)

Der Stickstoffgehalt des Sinterkörpers wurde aufgrund der Kenntnis des anfänglichen Sauerstoffgehalts des als Ausgangsmaterial eingesetzten Aluminiumnitridpulvers und Messen des Sauerstoffgehaltes des Sinterkörpers bestimmt, wobei

- 59 -

angenommen wurde, daß die Reaktion XIII und XIV abgelaufen waren.

In den Tabellen II und III wird in der Spalte "Äquivalentprozent Sauerstoff" vor der zugehörigen Zahl das Zeichen für "angenähert" (=M bei Sinterkörpern gesetzt, deren Sauerstoffgehalt nicht gemessen worden ist. Weil die Beispiele mit den gleichen Nummern, jedoch mit der Bezeichnung A oder B unter den gleichen Bedingungen zur Herstellung des angegebenen Paars von Sinterkörpern gleichzeitig durchgeführt wurden, wird dieses Sinterkörper-Paar den gleichen Sauerstoffgehalt aufweisen und es ist daher anzunehmen, daß der Sauerstoffgehalt von einem solchen Sinterkörper der gleiche ist, wie der gemessene Sauerstoffgehalt des anderen Sinterkörpers. Ebenso ist anzunehmen, daß in den Tabellen II und III der Äquivalentprozent-Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers von Beispiel 2 (Probe 108D) sich nicht signifikant von dem Äquivalentprozent-Sauerstoff gehalt des Sinterkörpers des Beispiels 1B (Probe 108A2) unterscheidet und es wird angenommen, daß sich der Äquivalentprozent-Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers von Beispiel 11 (Probe 175B) nicht wesentlich von dem Äquivalentprozent-Sauerstoff gehalt des Sinterkörpers von Beispiel 10 (175A) unterscheidet. Der Äquivalentprozent-Sauerstoffgehalt der Sinterkörper von Beispiel 3 (Probe 94C), Beispiel 5 (Probe 150B) und Beispiel 10 (Probe 175A) wurde aus den Röntgenbeugungsanalysendaten berechnet.

Der Äquivalentprozent-Sauerstoffgehalt der Beispiele 12B (131D1), 13 (168A), 14 (162A) und 15 (169A) wurde aus der nachfolgenden Gleichung berechnet:

O = (2,91 R + 3,82) γ~ξ worin O = Äquivalentprozent Sauerstoff

- 60 -

Y = Äquivalentprozent Yttrium v/o Y

v/o Y₄Al₂O₉ + v/o Y₃O₃

Es wird angenommen, daß der Äquivalentprozent-Sauerstoffgehalt in Beispiel 8 (90K) der gleiche ist, wie der Äquivalentprozent-Sauerstoff gehalt in einem anderen Versuch, bei welchem die Pulvermischung die gleiche Zusammensetzung hatte, der in Argon ausgeführt und bei dem der Sauerstoffgehalt des Sinterkörpers gemessen wurde. Es wird angenommen, daß der Äquivalenprozent-Sauerstoffgehalt in Beispiel 6 (Probe 150C) der gleiche ist wie in einem anderen Versuch, in welchem die Pulvermischung die gleiche Zusammensetzung hatte und wobei der Äquivalentprozent-Sauerstoffgehalt aus den Ergebnissen der Röntgenbeugungsanalyse berehnet wurde.

Der Gewichtsverlust in den Tabellen II und III ist der Unterschied zwischen dem Gewicht des Preßlings nach dem Formpressen und dem Gewicht des erhaltenen Sinterkörpers.

Die Dichte des Sinterkörpers wurde nach der Archimedes-Methode bestimmt.

Die Porosität in Volumprozent des Sinterkörpers wurde aus der bekannten theoretischen Dichte des Sinterkörpers auf Basis seiner Zusammensetzung und Vergleich derselben mit der gemessenen Dichte bestimmt, wobei die nachfolgende Gleichung angewandt wurde:

Die Phasen-Zusammensetzung des Sinterkörpers wurde durch optische Mikroskopie und Röntgenbeugungsanalyse bestimmt und bei

- 61 -

jedem Sinterkörper wurden die Volumprozente des Sinterkörpers der Äluminiumnitrid-Phase und die gegebenen Volumprozente der gegebenen zweiten Phasen angegeben. Die Röntgenbeugungsanalyse für Volumprozente von jeder zweiten Phase ist bis auf etwa ±20 % des gegebenen Wertes genau.

Die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers von Beispiel 8 (90K) wurde durch Laserblitz bei etwa 25⁰C gemessen.

Die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers von allen übrigen Beispielen wurde bei 25⁰C durch eine Methode des Wärmeflusses im stationären Zustand (steady state heat-flow method) unter Verwendung einer aus dem Sinterkörper herausgeschnittenen stabförmigen Probe mit den Abmessungen von ^0,4 cm χ 0,4 cm χ 2,2 cm gemessen. Diese Methode wurde ursprünglich von A. Berget im Jahre 1888 entwickelt und ist in einem Artikel von G.A. Slack in "Encyclopaedic Dictionary of Physics", herausgegeben von J. Thewlis, Pergamon, Oxford, 1961, beschrieben. Bei dieser Arbeitsweise wird die Probe innerhalb einer Hochvakuumkammer placiert, durch eine elektrische Heizvorrichtung Wärme an einem Ende zugeführt und die Temperaturen mit Feindraht-Thermoelementen gemessen. Die Probe ist von einem Schutzzylinder umgeben. Die absolute Genauigkeit beträgt etwa ±3 % und die Wiederholbarkeit liegt bei etwa ±1 %. Als Vergleich wurde die Wärmeleitfähigkeit eines Al-CU-Einkristalls mit einer ähnlichen Vorrichtung gemessen und ein Wert von 0,44 W/cm.K bei etwa 22°C erhalten.

In den Tabellen II und III wird die Größe des erhaltenen Sinterkörpers mit den Buchstaben A, B, C oder D bezeichnet. Der Körper der Größe A hatte die Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 4,32 mm (0,17 inch) und einem Durchmesser von etwa 8,13 mm (0,32 inch). Der Körper der Größe B hatte ebenfalls

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die Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 6,858 mm (0,27 inch) und einen Durchmesser von etwa 12,7 mm (0,50 inch). Der Körper der Größe C hatte die Form eines Stabes mit den Abmessungen von etwa 4,06 mm χ 4,06 mm χ 43,18 mm (0,16 inch χ 0,16 inch χ 1,7 inch). Der Körper der Größe D hatte die Form eines Substrats, d.h. eines dünnen Stückes von gleichmäßiger Dicke oder mit keinem signifikanten Unterschied in der Dicke, mit einem Durchmesser von etwa 38,1 mm (1,5 inch) und einer Dicke von etwa 1,067 mm (0,042 inch).

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurden die Preßlinge auf einer Molybdän-Platte placiert und anschließend der in den Tabellen II und III angegebenen Wärmebehandlung unterzogen.

In allen Beispielen der Tabellen II und III, bei welchen der Sinterkörper die Größe C oder die Größe D hatte, wurde der Preßling zu Beginn von der Molybdän-Platte durch eine dünne diskontinuierliche Schicht von AlN-Pulver getrennt.

Der Sinterkörper des Beispiels 2 hatte eine gewisse Unebenheit, d.h. er zeigte ein gewisses Verwerfen, und er wurde einer Glättungsbehandlung unterworfen. Der in Beispiel 2 hergestellte Sinterkörper wurde in Sandwich-Form zwischen einem Paar Molybdän-Platten eingelegt. Der Sandwich-Sinterkörper wurde von den Molybdän-Platten durch eine dünne diskontinuierliche Schicht, oder Monoschicht, von Aluminiumnitridpulver getrennt, welche eben ausreichte, um ein Kleben des Sinterkörpers während der Zeit der Glättungsbehandlung an den Platten zu verhindern. Die obere Molybdän-Platte übte einen Druck von etwa 7,6 mbar (0,11 psi) auf den Sinterkörper aus. Der Sandwich-Sinterkörper wurde in Stickstoff, d.h. in der gleichen Atmosphäre, wie sie zu seiner Sinterung verwendet worden

- 63 -

- ß-3 -

war, bis auf etwa 1900⁰C erhitzt, bei dieser Temperatur etwa Stunde lang gehalten und anschließend im Ofen auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Der erhaltene Sinterkörper war flach und von gleichmäßiger Dicke, d.h. seine Dickenabmessung zeigte keine signifikanten Unterschiede. Dieser flache Sinterkörper war als Trägersubstrat für einen Halbleiter brauchbar, wie beispielsweise ein Silicium-Chip.

Beispiel 1

Zu 17,01 g Aluminiumnitridpulver wurden 0,932 g Y-CU-Pulver und 0,237 g Graphitpulver zugegeben und die Mischung, zusammen mit Aluminiumnitrid-Mahlmedium in nicht-wässeriges Heptan, das ölsäure in einer Menge von etwa 0,7 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids enthielt, in einem Kunststoffbehälter eingetaucht und in dem geschlossenen Behälter bei Raumtemperatur während eines Zeitraums von etwa 18 Stunden in einer Schwingmühle gemahlen. Die erhaltene Dispersion wurde an der Luft unter einer Wärmelampe während eines Zeitraums von etwa 20 Minuten getrocknet, wobei das Aluminiumnitrid während des Trocknens aus der Luft Sauerstoff aufnahm. Während des Mahlens nahm die Mischung 0,772 g AlN infolge des Verschleißes des AlN-Mahlmediums auf.

Äquivalente Teile der erhaltenen getrockneten Mischung wurden zur Herstellung von Preßlingen formgepreßt.

Zwei der Preßlinge wurden nebeneinander auf einer Molybdän-Platte placiert.

Die Preßlinge wurden in Stickstoff auf 1500⁰C erhitzt, bei dieser Temperatur 1/2 Stunde lang gehalten, anschließend wurde die Temperatur auf 1600⁰C angehoben, wiederum 1/2 Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten und schließlich die Temperatur

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auf 1870⁰C erhöht und bei dieser Temperatur 1 Stunde lang gehalten.

Dieses Beispiel ist unter der Bezeichnung Beispiele 1A und TB in der Tabelle II aufgeführt. Einer der Sinterkörper, Beispiel 1B, hatte kennzeichnenderweise einen gemessenen Sauerstoffgehalt von 1,75 Gewichtsprozent des Körpers des Sinterkörpers. Auch hatte er eine Phasen-Zusammensetzung, bestehend aus AlN und 4,6 Volumprozent des Körpers von Y₄Al₃O₉. Ebenso hatte er eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung, bestehend aus 3,10 % Sauerstoff, (100 % - 3,10 %) oder 96,90 % Stickstoff, 1,88 % Yttrium und (100 % - 1,88 %) oder 98,12 % Aluminium.

Der in Beispiel 2 verwendete Preßling wurde in Beispiel 1 hergestellt. Kennzeichnenderweise wurde in Beispiel 2 ein Preßling auf 1600⁰C erhitzt, bei dieser Temperatur 1 Stunde lang gehalten und anschließend die Temperatur auf 1900⁰C gesteigert, und bei dieser Temperatur 1 Stunde lang gehalten.

In Beispiel 3 wurde ein Preßling auf 1500⁰C erhitzt und bei dieser Temperatur 1/2 Stunde gehalten, anschließend die Temperatur auf 1600⁰C erhöht, bei dieser Temperatur wiederum 1 Stunde lang gehalten und anschließend auf 195O⁰C erhitzt, bei welcher Temperatur 1 Stunde lang gehalten wurde.

Die Beispiele 4A, 4B, 5, 6, 7A, 7B, 9A, 9B, 10, 11, 13, 14 und 15 wurden in gleicher Weise wie Beispiel 2 durchgeführt, ausgenommen, wie dies in dieser Beschreibung angegeben und ausgenommen wie dies in den Tabellen II und III gezeigt wird. Ebenso wurden die Beispiele 8, 12A und 12B in der gleichen Weise wie Beispiel 3 durchgeführt, ausgenommen, wie dies in dieser Beschreibung angegeben und ausgenommen, wie es in den Tabellen II und III gezeigt wird.

- 65 -

Tabelle

II

Linker Teil

	Probe	Pulvermischung	(Gew.-%)	C	Wärme	. - Zeit + (h)	b e h a n	d 1	u η g	_	Ar
Bei	108A1		^Y2°3	1 ,25	Desoxidation	- 1/2 + - 1/2	Sintern
spiel Nr.	108A2	AlN	4,91	Il	Temp (⁰C)	It	Temp. - (⁰C)	Zeit (h)	- Atmosphäre
1A	108D	93,85	Il	Il	1500 1600	- 1 +	1870 -	1	- ^N2
1B	94C	Il	Il	1 ,86		- 1/2 + - 1	Il		_ Il
2	104A1	Il	2,13	1 ,71	1600	- 1 +	1900 -	1	- ^N2
3	104A2	96,01	0,67	Il	1500 1600	Il	1950 -	1	- ^N2
4A	150B	97,62	Il	0,65	1600	- 1 +	2050 -	1	^N2
4B	150C	Il	7,00	Il		- 1 +	Il
5	84G	92,35	Il	1 ,27	1600	- 1 +	1870 -	1	- ^N2
6	84G1	Il	7,75	Il	1600	Il	1950 -	1
7A	9OK	88,98	Il	1 ,32	1600	- 1/2 + - 1	1900 -	1	Ar
7B		Il	9,69			Il
8		88,98		1500 1600	1900 -	1

σ\ σ.

cn CO

cn oo

Tabelle

II

Mittlerer Teil

	Gerne	Eigenschaften des Sinterkörpers	ssen	Äquivalent %	Yttrium	Gewichts	Dichte (g/cm³)
Bei	Sauerstoff (Gew.-%)	Kohlenstoff (Gew.-%)	Sauerstoff	1,88	verlust (%)	3,20
spiel Nr.	-	-	^3,10	1,88	-	-
1A	1,75	—	3,10	1,88	4,0	-
1B	-	-	^3,1	0,81	-	3,27
2	-	-	M ,8	0,25	-	2,90
3	0,355	-	0,61	0,25	5,9	2,90
4A	-	0,027	M),61	2,70	6,7	3,36
4B	-	-	^5,2	2,70	-	3,35
5	-	-	^5,0	3,86	-	3,31
6	4,02	0,372	7,39	3,86	5,5	-
7A	-	-	^7,39	3,84	5,6	3,26
7B			V7,1		4,7
8

Rechter Teil

Tabelle II

	Angenäherte	Vol.-%	Eigenschaften des	S interkörpers	Größe
Bei	Porosität (Vol.-%)	Y₄Al₂O	an zweiten Phasen		A
spiel Nr.	4	-	₉ YAlO₃ Y₂O₃	Wärmeleitfähigkeit (W/cm.K bei 25°C)	A 1066,8 ma_diGk ^D (0,042") ^dick
1A	-	4,6	_ _	-	C
1B 2	<1	0,9	- -	-	A
3	11	-	0,5	1 ,64	A
4A	11	0,5	- -	—	C
4B	<1	3,7	- -	-	C
5	<1	-	3,1	1,51	A
6	2	-	- -	1 ,56	A
7A	-	7,1	- -	-	B
7B	4	8,5	0,5	-
8			M),48

ro cn oo

Tabelle III

Linker Teil

	Probe	Z	u g e	S	e	*	t ζ t e Pu	1	ν e r	W	arme	- Zeit + (h)	b e h a η	d 1	u η g
Bei	98A1						(Gew.-%)			De soxidation	- 1 +	Sintern
spiel Nr.	98A2		AlN				^Y2°3		C	Temp. (⁰C)	Il ψ	Temp. - (⁰C)	Zeit (h)	- Atmosphäre
9A	175A		94,19				4,75	1	,06	1600	- 1 +	1860 -	1	" ^N2
9B	175B		H			*	It		If		- 1 +	It
10	131D	97,	19-(0,	5)	*	1,71-(0,6)*	1	,10***	1600	- 1/2 + - 1	1900 -	1	N₂
11	131D1		Il		*	Il		Il	1600	Il .	2000 -	1	^N2
12A	168A		89,42			9,39	1	,19	1500 1600	- 1 +	1900 -	1	- H₂ + 25% N₂
12B	162A		Il		Il		Il		—· 1 +	Il		_
13	169A	89,	74-(0,	5)	9,68**	0	,57	1600	- 1 +	1900 -	1	- ^N2
14		89,	62-(1,	6)	9,65**	0	,73	1600	1900 -	1
15	89,	72-(0,	5)	9,68-(0,6)*	0	,60***	1600	1900 -	1	- ^N2

* - Die spezifische Oberfläche des zugesetzten Pulvers in m²/g ist in Klammern angegeben

** - Y₂(CO₃) ₃·3Η₂Ο als Quelle von ^₂°3 ^ZU(3^e9^eken

*** - Spezifische Oberfläche von Kohlenstoff = 25 m²/g

CO	I
cm	σ\
	00
CO

cn
OQ

Tabelle III
Mittlerer Teil

O I

	Gerne	Eigenschaften des Sinterkörpers	ssen	Äquivalent %	Yttrium	Gewichts	Dichte (g/cm³)
Bei	Sauerstoff (Gew.~%)	Kohlenstoff (Gew.-%)	Sauerstoff	1,81	verlust (%)	3,35
spiel Nr.	-	-	<v3,93	1 ,81	3,8	Il
9A	2,22	0,019	3,93	0,64	3,8	2,54
9B	-	-	M ,3	0,64	-	2,5S
10	-	-	M ,3	3,70	-	3,35
11	-	-	'νβ,Ο	3,70	-	-
12A	-	0,014	*v6,0	3,79	2,8	3,09
12B	-	-	^5,6	3,79	-	3,30
13	-	-	^5,5	3,80	-	3,37
14		—	^6,0
15

OJ fS3 cn oo

Tabelle III

Rechter Teil

	Angenäherte Porosität (Vol.-%)	Vol.-%	Eigenschaften des	S interkörpers	Größe
Bei	<1	^Y2°3	an zweiten Phasen		A
spiel Nr.	-	-	Y₄Al₂O₉ YAlO₃	Wärmeleitfähigkeit (W/cm.K bei 25°C)	A
9A	23	-	- -	-	C
9B	22	-	0,2 3,5	-	C
10	1	-	1,3	-	C
11	-	-	- -	-	A
12A	9	1,2	- -	1 ,52	C
12B	2	2,6	5,8	-	C
13		2,6	4,5	1 ,29	C
14		2,0	4,1	-
15	6,9	1,41

ro cn co

Die Beispiele 1A, 1B, 2, 3, 9A und 9B erläutern die vorliegende Erfindung. Der in den Beispielen 1A, 1B, 2, 3, 9A und 9B hergestellte Sinterkörper ist für die Verpackung von integrierten Schaltungen, als auch für die Verwendung als Substrat oder Träger für einen Halbleiter/ wie beispielsweise ein Silicium-Chip, brauchbar.

Die Beispiele 1A und 1B erläutern die vorliegende Erfindung und haben eine Zusammensetzung, welche auf der Linie PlJ von Figur 4 liegt. Aufgrund der Kenntnis, daß die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Sinterkörpers mit steigendem Gehalt an zweiter Phase abnimmt und auf Basis von anderen Versuchen und einem Vergleich der Beispiele 1A und 1B mit Beispiel 5, wo der Sinterkörper signifikant mehr an zweiter Phase enthielt, ist es bekannt, daß der in den Beispielen 1A und 1B hergestellte Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,42 W/ cm.K bei 25⁰C hat.

Das Beispiel 2 erläutert die vorliegende Erfindung. Auf Basis eines Vergleichs von Beispiel 2 mit den Beispielen 1A und 1B, welche die gleiche Pulvermischung haben, und auf Basis von anderen Versuchen, ist es bekannt, daß der Sinterkörper von Beispiel 2 eine Zusammensetzung hatte, welche die gleiche wie diejenige der Sinterkörper der Beispiele 1A und 1B war, oder sich nicht wesentlich davon unterschied. Der in Beispiel 2 hergestellte Sinterkörper bestand kennzeichnenderweise aus AlN-Phase und etwa 4,6 Volumprozent des Sinterkörpers der Y₄Al₂0_g-Phase und hatte eine Zusammensetzung, die etwa auf der Linie PlJ von Figur 4 liegt. Ebenfalls aufgrund der Kenntnis, daß die Wärmeleitfähigkeit des AlN-Sinterkörpers mit steigendem Gehalt an zweiter Phase abnimmt und auf Basis von anderen Versuchen und einem Vergleich von Beispiel 2 mit Beispiel 5, wo der Sinterkörper signifikant mehr an zwei-

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. β9·

ter Phase enthielt, ist es bekannt, daß der in Beispiel 2 hergestellte Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,42 W/cm.K bei 25°C hatte.

Der in Beispiel 3 hergestellte Sinterkörper, welcher die vorliegende Erfindung erläutert, hat eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon P1JFA4, ausschließend die Linien JF und A4F, von Figur 4.

Die Beispiele 9A und 9B erläutern die vorliegende Erfindung und haben eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon P1JFA4, ausschließend die Linien JF und A4F, von Figur 4. Aufgrund der Kenntnis, daß die Wärmeleitfähigkeit des AIN-Sinterkörpers mit steigendem Gehalt an zweiter Phase abnimmt, und auf Basis von anderen Versuchen und einem Vergleich von Beispiel 9A mit Beispiel 5, wo der Sinterkörper wesentlich mehr an zweiter Phase enthielt, ist es bekannt, daß der in den Beispielen 9A und 9B hergestellte Sinterkörper eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,42 W/cm.K bei 25°C hatte.

Die Pulvermischungen der Beispiele 4A und 4B enthielten weniger als 0,3 Äquivalentprozent Yttrium. Die Äquivalentprozent-Zusammensetzung der Sinterkörper der Beispiele 4A und 4B fiel aus dem Polygon P1JFA4 von Figur 4 heraus und kennzeichnenderweise lag sie unterhalb des Punktes Pl der Figur 4. In den Beispielen 4A und 4B hatten die Sinterkörper eine Porosität von größer als 10 Volumprozent des Körpers, was die Schwierigkeit des Sinterns in diesem Zusammensetzungsbereich unterhalb Punkt Pl von Figur 4 erläutert.

In den Beispielen 5 und 6 hatten die Sinterkörper eine Zusammensetzung außerhalb des Polygons P1JFA4 von Figur 4, und

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insbesondere von über der Linie JF.

Die Beispiele 7A und 7B erläutern, daß auch obwohl eine Desoxidation des Preßlings vorlag, die Verwendung der Argon-Atmosphäre zu einer großen Menge an Kohlenstoff führte, die in dem Sinterkörper zurückblieb.

Das Beispiel 8 erläutert, daß die Verwendung einer Argon-Atmosphäre zu einem Sinterkörper mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit führt.

Die Beispiele 10 und 11 erläutern, daß die minimale Sintertemperatur mit einem Anstieg in der Teilchengröße von AlN ansteigt. Kennzeichnenderweise ist es bei der Zusammensetzung von M,3 Äquivalentprozent Sauerstoff und 0,64 Äquivalentprozent Yttrium schwierig, auch bei 2000⁰C einen Preßling zu sintern, der aus der Teilchengrößenkombination von AlN, ^V2°3 ^un(^ Kohlenstoff von etwa 0,5 m²/g, 0,6 m²/g bzw. 25 m²/g hergestellt ist.

In der US-PS 4 478 785 (und der am 11. Juli 1984 daraus eingereichten Ausscheidungsanmeldung Serial No. 629 666) ist das Verfahren beschrieben, bestehend aus dem Herstellen einer Mischung aus Aluminiumnitridpulver und freiem Kohlenstoff, worin das Aluminiumnitrid einen vorherbestimmten Sauerstoffgehalt von höher als etwa 0,8 Gewichtsprozent hat und worin die Menge an freiem Kohlenstoff mit diesem Sauerstoffgehalt reagiert unter Bildung eines desoxidierten Pulvers oder Preßlings mit einem Sauerstoffgehalt im Bereich von größer als etwa 0,35 Gewichtsprozent bis etwa 1,1 Gewichtsprozent und welcher zumindest 20 Gewichtsprozent niedriger als der vorherbestimmte Sauerstoffgehalt ist, dem Erhitzen der Mischung oder eines Preßlings daraus zur Umsetzung des Kohlenstoffs

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und des Sauerstoffs unter Bildung des desoxidierten Aluminiumnitrids, und Sintern eines Preßlings des desoxidierten Aluminiumnitrids unter Bildung eines Keramikkörpers mit einer Dichte von größer als 85 % der theoretischen Dichte und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 0,5 W/cm.K bei 22⁰C.

In der US-Patentanmeldung Serial No. 656 636, eingereicht am 1. Oktober 1984, wird das Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon JKLM, jedoch nicht einschließend die Linie MJ, von Figur 4 der vorerwähnten Serial No. 656 636, und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,42 W/cm.K bei 25°C beschrieben, welches die Herstellung einer Mischung aus sauerstoffenthaltendem Aluminiumnitridpulver, Yttriumoyid und freiem Kohlenstoff, das Formen der Mischung zu einem Preßling, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt L bis zu weniger als Punkt J der Figur 4 der Serial No. 656 636 liegen, der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der durch das Polygon JKLM der Figur 4 der Serial No. 656 636 definierten und umfaßten Zusammensetzung hat, das Aluminiumnitrid in dem sauerstoffenthaltenden Preßling in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1 ,4 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,5 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids liegt, Erhitzen des Preßlings bis zu einer Temperatur, bei welcher seine Poren offenbleiben, Umsetzen des freien Kohlenstoffs mit in dem Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzt, in welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon JKLM, jedoch nicht einschließend die Linie MJ, von Figur 4 der Serial No. 656 636 definiert und umfaßt

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sind, und Sintern des desoxidierten Preßlings bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1890⁰C bis etwa 2050⁰C unter Bildung des Keramikkörpers, umfaßt.

In der US-Patentanmeldung Serial No. 667 516, eingereicht am 1. November 1984, wird das Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon FJDSR, jedoch nicht einschließend die Linie RF, von Figur 4 der Serial No. 667 516, einer Porosität von weniger als etwa 4 Volumprozent und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,25 W/cm.K bei 25⁰C beschrieben, welches die Herstellung einer Mischung, bestehend aus Sauerstoff enthaltendem Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, das Formen der Mischung zu einem Preßling, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung besitzen, in welcher die Äguivalentprozente von Yttrium und Aluminium zwischen dem Punkt D bis zum Punkt F der Figur 4 der Serial No. 667 516 liegen, der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon FJDSR, von Figur 4, der Serial No. 667 516 besitzt, das Aluminiumnitrid in dem Preßling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1,95 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 5,1 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids enthält, Erhitzen des Preßlings bis zu einer Temperatur, bei welcher seine Poren offenbleiben, Umsetzen des freien Kohlenstoffs mit in dem Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, worin die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon FJDSR, jedoch nicht einschließend die Linie RF, der Figur 4 der Serial No. 667 516, definiert und umfaßt werden, und Sintern des desoxidierten Preßlings bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1870⁰C bis etwa 2050⁰C

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unter Bildung des Keramikkörpers, umfaßt.

In der US-Patentanmeldung Serial No. 675 048/ eingereicht am 26. November 1984, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon PONKJ, jedoch nicht einschließend die Linien KJ und PJ, von Figur 4 der Serial No. 675 048, einer Porosität von weniger als etwa 4 Volumprozent und einer minimalen Wärmeleitfähigkeit von 1,50 W/cm.K bei 25°C beschrieben, welches die Herstellung einer Mischung, bestehend aus sauerstoffenthaltendem Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, das Formen der Mischung zu einem Preßling, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung besitzen, in welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium zwischen den Punkten K und P der Figur 4 der Serial No. 675 048 liegen, der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon PONKJ von Figur 4 der Serial No. 675 048 besitzt, das Aluminiumnitrid in dem Preßling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1,40 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,50 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids enthält, Erhitzen des Preßlings bis zu einer Temperatur, bei welcher seine Poren offenbleiben, Umsetzen des freien Kohlenstoffs mit in dem Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, worin die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon PONKJ, jedoch nicht einschließend die Linien KJ und PJ, von Figur 4 der Serial No. 675 048 definiert und umfaßt werden und Sintern des desoxidierten Preßlings bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1900⁰C bis etwa 2050⁰C unter Bildung des Keramikkörpers, wo-

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bei die Sintertemperatur eine Sintertemperatur für die genannte Zusammensetzung des desoxidierten Preßlings ist, umfaßt.

In der US-Patentanmeldung Serial No. 682 468, eingereicht am 17. Dezember 1984, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon LTlDM, jedoch nicht einschließend die Linien LM und DM, von Figur 4 der Serial No. 682 468, einer Porosität von weniger als etwa 4 Volumprozent und einer minimalen Wärmeleitfähigkeit von 1,27 W/cm.K bei 25°C beschrieben, welches die Herstellung einer Mischung, bestehend aus sauerstoffenthaItendem Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, Formen der Mischung zu einem Preßling, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, worin die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium vom Punkt Tl bis zum Punkt M der Figur 4 der Serial No. 682 468 liegen, der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, O und N außerhalb der Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon LTlDM der Figur 4 der Serial No. 682 468, aufweist, das Aluminiumnitrid in dem sauerstoffenthaltenden Preßling in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1,85 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,50 Gewichtsprozent vorliegt, Erhitzen des Preßlings bis auf eine Temperatur, bei welcher seine Poren offenbleiben, Umsetzen des freien Kohlenstoffs mit in dem Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, in welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon LTlDM, jedoch nicht einschließend die Linien LM und DM, von Figur 4 der Serial No. 682 468, definiert und umfaßt werden und Sintern des desoxidierten Preßlings bei

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einer Temperatur im Bereich von etwa 1890⁰C bis etwa 2050°C_f wobei die minimale Sintertemperatur von etwa 1890⁰C für eine Zusammensetzung in Nachbarschaft der Linie DM bis etwa 1970⁰C für eine Zusammensetzung an der Linie TlL unter Bildung des Keramikkörpers ansteigt, wobei die Sintertemperatur eine Sintertemperatur für die genannte Zusammensetzung des desoxidierten Preßlings ist, umfaßt.

Auf alle in der vorliegenden Beschreibung angeführten Patentschriften und Veröffentlichungen wird ausdrücklich Bezug genommen und der Offenbarungsgehalt aller dieser Veröffentlichungen durch diese Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung integriert.

Claims

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JP und A4F., von Figur 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1/00 W/cm.K bei 25⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß es die nachfolgenden Stufen umfaßt, wobei man

(a) eine Mischung, bestehend aus einem sauerstoffenthaltenden Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, herstellt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium zwischen den Punkten J und A4 der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von größer als etwa 0,3 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,7 Äquivalentprozent liegt, wobei der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon PlJFA4, von Figur 4, definiert und umfaßt wird,

(b) den Preßling in einer Stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa

135O°C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschließtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon PlJFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, von Figur 4, definiert und umfaßt werden, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten Preßling liefert , und

(c) den desoxidierten Preßling in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von zumindest etwa 1850⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffenthaltende Atmosphäre in Stufe (b) ausreichend Stickstoff zur Erleichterung der Desoxidation des Aluminiumnitrids zur Bildung des Sinterkörpers enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffenthaltende Atmosphäre in Stufe (c) ausreichend Stickstoff zur Verhinderung eines signifikanten Gewichtsverlustes des Aluminiumnitrids enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei Normaldruck durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumnitrid in dem Preßling in

Stufe (a) vor der Desoxidation der Stufe (b) Sauerstoff in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1/0 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,7 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids, enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennkennze lehnet, daß das Aluminiumnitrid in Stufe (a) eine spezifische Oberfläche im Bereich von bis zu etwa 10 m²/g und der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 10 m²/g aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äguivalentprozente von Yttrium und Aluminium zwischen den Punkten J und A2 der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von größer als etwa 0/65 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,35 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 4, definiert und umfaßt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis Punkt A4 der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von etwa 0,3 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,7 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und

der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon P1A3A2A4, jedoch nicht einschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, von Figur 4, definiert und umfaßt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt Pl bis Punkt A3 der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von etwa 0,35 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,65 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch die Linie P1A3 von Figur 4 definiert sind und die Sintertemperatur zumindest etwa 1860⁰C beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis zu Punkt J von Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von etwa 0,85 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis etwa 99,15 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch die Linie A3J, jedoch nicht einschließend Punkt J, von Figur 4, definiert sind, und die Sintertemperatur zumindest etwa 1860⁰C beträgt.

11. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten polykristal-

linen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß es die nachfolgenden Stufen umfaßt, wobei man

(a) eine Mischung, bestehend aus einem sauerstoffenthaltenden Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, herstellt, wobei der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 100 m²/g, das Aluminiumnitridpulver in dieser Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,4 m²/g bis etwa 6,0 m²/g besitzt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A2, der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von größer als etwa 0,65 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,35 Äquivalentprozent liegt, wobei der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, O und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4 von Figur 4 definiert und umfaßt wird, das Aluminiumnitrid in dem Preßling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids enthält,

(b) den Preßling in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, bei Normaldruck auf eine Temperatur im Bereich von etwa 135O⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschließtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im

Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt/ wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 4, definiert und umfaßt werden, das Aluminiumnitrid in dem Preßling vor der Desoxidation durch den Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids aufweist, der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, welche den desoxidierten Preßling liefert, und (c) den desoxidierten Preßling bei Normaldruck in einer stickstoff enthaltenden, nichtoxxdierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1885⁰C bis etwa 1970⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur im Bereich von etwa 189O⁰C bis etwa 195O⁰C liegt, das Aluminiumnitridpulver in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,5 m²/g bis etwa 6,0 m²/g aufweist und der Sinterkörper eine Porosität von weniger als etwa 1 Volumprozent des Körpers besitzt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur im Bereich von etwa 1940⁰C bis etwa 1970⁰C liegt und der Sinterkörper Kohlenstoff in einer Menge von weniger als etwa 0,04 Gewichtsprozent des Körpers enthält und eine Porosität von weniger als etwa 1 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 1,57 W/cm.K bei 25°C aufweist.

14. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JP und A4F, von Figur 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C, dadurch gekennzeichnet, daß es die nachfolgenden Stufen umfaßt, wobei man

(a) eine Mischung, bestehend aus einem sauerstoffenthaltenden Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid oder einer Vorstufe davon, und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und Mischungen daraus, herstellt, das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzungsprodukt, welches verdampft, thermisch zersetzt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A4, der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von größer als etwa 0,3 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äguivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,7 Äquivalentprozent Aluminium liegt, wobei der Preßling eine Äquivalentproζent-Zusammensetzung von Y, Al, 0 und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4, von Figur 4, definiert und umfaßt wird,

(c) den Preßling in einer Stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichen-

de, jedoch unterhalb seiner Porenschlxeßtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon P1JFA4, jedoch nicht einschließend die Linien JF und A4F, von Figur 4, definiert und umfaßt werden, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten Preßling liefert, und

(d) den desoxidierten Preßling in einer stickstoffenthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von zumindest etwa 185O⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffenthaltende Atmosphäre in Stufe (c) ausreichend Stickstoff zur Erleichterung der Desoxidation des Aluminiumnitrids zur Bildung des Sinterkörpers enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffenthaltende Atmosphäre in Stufe (d) ausreichend Stickstoff zur Verhinderung eines signifikanten Gewichtsverlustes des Aluminiumnitrids enthält.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei Normaldruck durchgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumnitrid in dem Preßling in Stufe (a) vor der Desoxidation der Stufe (c) Sauerstoff in

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einer Menge im Bereich von größer als etwa 1,0 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,7 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids, enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn kennzeichnet, daß das Aluminiumnitrid in Stufe (a) eine spezifische Oberfläche im Bereich von bis zu etwa 10 m*/g und der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 10 m²/g aufweisen.

20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium zwischen den Punkten J und A2 der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von größer als etwa 0,65 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,35 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 4, definiert und umfaßt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis Punkt A4 der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von etwa 0,3 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,7 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei

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welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon P1A3A2A4, jedoch nicht einschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, von Figur 4, definiert und umfaßt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn· zeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt Pl bis zu Punkt A3 von Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von etwa 0,35 Äquivalentprozent bis etwa 0,85 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von etwa 99,15 Äquivalentprozent bis etwa 99,65 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch die Linie P1A3 von Figur 4 definiert sind und die Sintertemperatur zumindest etwa 1860⁰C beträgt.

23. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von Punkt A3 bis zu Punkt J von Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von etwa 0,85 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis etwa 99,15 Äquivalentprozent liegt und wobei der gesinterte Körper und der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung besitzen, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, O und N durch die Linie A3J, jedoch nicht einschließend Punkt J, von Figur 4, definiert sind, und die Sintertemperatur zumindest etwa 1860⁰C beträgt.

24. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten polykristallinen Aluminiumnitrid-Keramikkörpers mit einer Zusammenset-

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zung, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J_f JF und A2F, von Figur 4, einer Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und einer Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C, dadurch gekennzeichnet, daß es die nachfolgenden Stufen umfaßt, wobei man

(a) eine Mischung, bestehend aus Aluminiumnitridpulver, Yttriumoxid oder einer Vorstufe davon, und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und Mischungen daraus, herstellt, das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 5O⁰C bis etwa 1000⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasförmigem Zersetzungsprodukt, welches verdampft, thermisch zersetzt, wobei der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberfläche von größer als etwa 100 m^z/g, das Aluminiumnitridpulver in dieser Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,4 m²/g bis etwa 6,0 m²/g besitzt, die Mischung zu einem Preßling formt, wobei die Mischung und der Preßling eine Zusammensetzung aufweisen, bei welcher die Äquivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und A2, der Figur 4, liegen, das Yttrium im Bereich von größer als etwa 0,65 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent, das Aluminium im Bereich von größer als etwa 97,5 Äquivalentprozent bis weniger als etwa 99,35 Äquivalentprozent Aluminium liegt, wobei der Preßling eine Äquivalentprozent-Zusammensetzung von Y, Al, O und N außerhalb der Zusammensetzung aufweist, wie sie durch das Polygon P1JFA4, von Figur 4, definiert und umfaßt wird, das Aluminiumnitrid in dem Preßling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids enthält,
(b) den Preßling in einer nichtoxidierenden Atmosphäre auf

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eine Temperatur bis zu etwa 1200⁰C erhitzt, wodurch Yttriumoxid und freier Kohlenstoff bereitgestellt werden,

(c) den Preßling bei Normaldruck in einer stickstoffenthaltenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350⁰C bis auf eine zur Desoxidation des Preßlings ausreichende, jedoch unterhalb seiner Porenschließtemperatur liegende Temperatur erhitzt, den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Preßlings umsetzt, wobei der desoxidierte Preßling eine Zusammensetzung aufweist, bei welcher die Äquivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Polygon A3JFA2, jedoch nicht einschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 4, definiert und umfaßt werden, das Aluminiumnitrid in dem Preßling vor der Desoxidation durch den Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt im Bereich von größer als etwa 1,42 Gewichtsprozent bis weniger als etwa 4,70 Gewichtsprozent des Aluminiumnitrids aufweist, wobei der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die den desoxidierten Preßling liefert, und

(d) den desoxidierten Preßling bei Normaldruck in einer stickstoff enthaltenden, nichtoxidierenden Atmosphäre, die zumindest etwa 25 Volumprozent Stickstoff enthält, bei einer Temperatur von etwa 1885°C bis etwa 1970⁰C unter Bildung des polykristallinen Körpers sintert.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeicnet, daß die Sintertemperatur im Bereich von etwa 1890⁰C bis etwa 1950^eC liegt, das Aluminiumnitridpulver in der Mischung eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 3,5 m²/g bis etwa 6,0 m²/g aufweist und der Sinterkörper eine Porosität von weniger als etwa 1 Volumprozent des Körpers besitzt.

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26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur im Bereich von etwa 1940⁰C bis etwa 197O⁰C liegt, der Sinterkörper Kohlenstoff in einer Menge von weniger als etwa 0,04 Gewichtsprozent des Körpers enthält und eine Porosität von weniger als etwa 1 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 1,57 W/cm.K bei 25°C aufweist.

27. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon P1JPA4, jedoch ausschließend die Linien JF und A4F, von Figur 4, aufweist, und aus mehr als etwa 0,'3 Äquivalentprozent Yttrium bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium, aus mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent Aluminium bis weniger als etwa 99,7 Äquivalentprozent Aluminium, aus etwa 0,85 Äquivalentprozent Sauerstoff bis weniger als etwa 4,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und aus mehr als etwa 95,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis etwa 99,15 Äquivalentprozent Stickstoff besteht, eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

28. Polykristalliner Körper , dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon A3JFA2, jedoch ausschließend die Linien A3J, JF und A2F, von Figur 4, aufweist und aus mehr als etwa 0,65 Äquivalentprozent Yttrium bis weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium, aus mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent Aluminium bis zu etwa 99,35 Äquivalentprozent Aluminium, aus etwa 1,6 Äquivalentprozent Sauerstoff bis weniger als etwa 4,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und aus mehr als etwa 95,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis etwa 98,4 Äquivalentprozent Stickstoff besteht, eine Porosität von weniger

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als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

29. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zusammensetzung, definiert und umfaßt durch das Polygon Ρ1Ά3Α2Α4, jedoch ausschließend die Linien P1A3, A3A2 und A2A4, von Figur 4, aufweist und aus mehr als etwa 0,3 Äquivalentprozent Yttrium bis etwa 0,85 Äquivalentprozent Yttrium, aus etwa 99,15 Äquivalentprozent Aluminium bis etwa 99,7 Äquivalentprozent Aluminium, aus mehr als etwa 0,85 Äquivalentprozent Sauerstoff bis weniger als etwa 2,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und aus mehr als etwa 97,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis weniger als etwa 99,15 Äquivalentprozent Stickstoff besteht, eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

30. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zusammensetzung, definiert durch die Linie P1A3, von Figur 4, aufweist und aus etwa 0,35 Äquivalentprozent Yttrium bis etwa 0,85 Äquivalentprozent Yttrium, aus etwa 99,15 Äquivalentprozent Aluminium bis etwa 99,65 Äquivalentprozent Aluminium, aus etwa 0,85 Äquivalentprozent Sauerstoff bis etwa 1,6 Äquivalentprozent Sauerstoff und aus etwa 98,4 Äquivalentprozent Stickstoff bis etwa 99,15 Äquivalentprozent Stickstoff besteht, eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C besitzt.

31. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zusammensetzung, definiert durch die Linie A3J, von Figur 4, jedoch ausschließend Punkt J, aufweist und aus etwa 0,85 Äquivalentprozent Yttrium bis

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weniger als etwa 2,5 Äquivalentprozent Yttrium, aus mehr als etwa 97,5 Äquivalentprozent Aluminium bis etwa 99,15 Äquivalentprozent Aluminium, aus etwa 1,6 Äquivalentprozent Sauerstoff bis weniger als etwa 4,1 Äquivalentprozent Sauerstoff und aus mehr als etwa 95,9 Äquivalentprozent Stickstoff bis etwa 98,4 Äquivalentprozent Stickstoff besteht, eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25⁰C besitzt.

32. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Phasenzusammensetzung aufweist, bestehend aus AlN, YAlO₃ und Y₄Al₃O₉, worin die Gesamtmenge an YAlO-- und Y-Al^Og-Phase im Bereich von größer als etwa 0,8 Volumprozent bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Gesamtvolumens des Körpers, die YA1O~-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 4,2 Volumprozent des Sinterkörpers , die Y.Al-Og-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Sinterkörpers liegt, der eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

33. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeicnet, daß er eine Phasenzusammensetzung aufweist, bestehend aus AlN und Y₄Al₃Og, worin die Menge an Y₄Al₃Og-Phase im Bereich von etwa 0,8 Volumprozent bis weniger als etwa 2,1 Volumprozent des Gesamtvolumens des Körpers liegt, der Körper eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

34. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Phasenzusammensetzung aufweist,

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bestehend aus AlN und Y₄Al₃O₉, worin die Menge an Y₄Al₃Og-Phase im Bereich von etwa 2,1 Volumprozent bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Gesamtvolumens des Körpers liegt, der Körper eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

35. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Phasenzusammensetzung aufweist, bestehend aus AlN, YAlO₃ und Y₄Al₃Og, worin die Gesamtmenge an YAlO-- und Y₄Al₃Og-PlIaSe im Bereich von größer als etwa 0,8 Volumprozent bis weniger als etwa 2,1 Volumprozent des Gesamtvolumens des Körpers, die YA1O₃-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 1,7 Volumprozent des Sinterkörpers, die Y₄A1-Og-Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 2,1 Volumprozent des Sinterkörpers liegt, der eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

36. Polykristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Phasenzusammensetzung aufweist, bestehend aus AlN, YAlO₃ und Y₄Al₃O₉, worin die Gesamtmenge an YAlO₃- und Y.A^Og-Phase im Bereich von größer als etwa 1,7 Volumprozent bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Gesamtvolumens des Körpers, die YAlO₃~Phase im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 4,2 Volumprozent des Sinterkörpers, die Y₄Al₃O₉-PlIaSe im Bereich von einer Spurenmenge bis weniger als etwa 6,0 Volumprozent des Sinterkörpers liegt, der eine Porosität von weniger als etwa 10 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,00 W/cm.K bei 25°C besitzt.

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37. Polykristalliner Körper nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß er Kohlenstoff in einer
Menge von weniger als 0/04 Gewichtsprozent des Körpers enthält und eine Porosität von weniger als etwa 1 Volumprozent des Körpers und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als 1,57 W/cm.K bei 25°C besitzt.