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Dokumentenidentifikation DE69401031T2 30.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0627256
Titel Filterelement aus Metall mit hohem Wirkungsgrad und Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder Millipore Corp., Bedford, Mass., US
Erfinder Zeller, Robert S., Boston, MA 02118, US
Vertreter Feiler und Kollegen, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69401031
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 27.05.1994
EP-Aktenzeichen 941082349
EP-Offenlegungsdatum 07.12.1994
EP date of grant 04.12.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1997
IPC-Hauptklasse B01D 71/02
IPC-Nebenklasse B01D 39/20   B22F 3/10   C22C 1/08   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein ein Fluidumfilter und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere besteht die Erfindung in einem neuen Ganzmetall-Gasfilter hohen Wirkungsgrads und geringer Ausgaseigenschaften, das sich als Einsatzpunkt-Filter für Halbleiterprozeßgase eignet.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Halbleiterherstellung ist in (bestimmte) Reinheitsgrenzen eingezwängt. Beim chemischen Aufdampfen abwechselnder Schichten aus Silizium und Dotiermittel bzw. Fremdatom besteht ein kritischer Prozeßaspekt in der Abwesenheit jeglicher teilchenförmiger Verunreinigungen. Die Anwesenheit (selbst) eines sehr kleinen Teilchens kann ein viele Dollar eines möglichen Endprodukts kostendes Siliziumplättchen vollständig zerstören. Zu diesem Zweck wurde ein kompletter Industriezweig geschaffen, der nur mit der Filtration von Gasen, die mit dem Halbleiterprodukt während seiner Herstellung in Berührung gelangen können, befaßt ist.

Mit HEPA (hochwirksamen Luftteilchen) -Filtern ausgestattete Reinräume bilden die erste Verteidigungslinie. In "Reinräumen" befindliche Prozeßanlagen sind mit sorgfältig filtrierter Luft gefüllt. Durch die Ausgestaltung der Anlage als solche wird angestrebt, eine Teilchenverbreitung, ein Ausgasen und eine Verunreinigung aus den zum Transport und zur Abgabe hochreiner Gase, z.B. von Silan, Arsin, Chlorwasserstoffsäure und Phosphin, benutzten Materialien auf ein Mindestmaß zu senken. Eine wichtige Komponente bei diesen Abgabesystemen ist das Filter, welches sicherstellt, daß eine teilchenförmige Verunreinigung nicht bis zu einem Punkt gelangt, an dem das Gas auf das Werkstück ausgetragen wird (Einsatzpunkt). Diese Filter müssen nicht nur jegliches teilchenförmiges Material entfernen, sondern dürfen auch keine gasförmige Verunreinigung in die hochreinen Gase einbringen. Darüber hinaus müssen die Gasabgabesysteme so kompakt wie möglich sein, um eine Verunreinigung sowohl teilchen- als auch gasförmiger Natur, die entweder aus der Installation solcher Systeme oder ihrer normalen Abnutzung bei Gebrauch herrühren können, zu eliminieren. Dies ist insbesondere der Fall bei stark korrodierenden Gasen, wie Chlorwasserstoffsäure. Folglich müssen die Filter nicht nur teilchenförmiges Material entfernen und dürfen keine Quelle für gasförmige Verunreinigungen bilden, sie müssen vielmehr auch noch so kompakt wie möglich sein und kleine Innen- und Filtervolumina aufweisen.

Zum Filtrieren solcher gasförmiger Fluide zur Gewährleistung ultrahoher Reinheitsgrade, ausgedrückt als teilchenförmige Verunreinigung, werden die verschiedensten Filter benutzt. Hierzu gehören organische Membranfilter, Keramikfilter, Filter aus porösen Metallstrukturen und Filter aus Metallfasern. Obwohl einige dieser verschiedenen Filtermedien eine teilchenförmige Verunreinigung auf weniger als 1 ppm oder noch mehr zu senken vermögen (Teilchenkontrolle), sind wegen der zum Aufrechterhalten einer Strömung bei akzeptablen Drucken und zur Erhaltung niedriger Flächengeschwindigkeiten unter Gewährleistung einer Teilchenrückhaltung erforderlichen großen Strömungsfläche oftmals gasförmige Verunreinigungen, wie Feuchtigkeit, Sauerstoff und insbesondere Kohlenwasserstoffe in nachweisbaren Mengen (ppm) vorhanden. Diese Verunreinigung kann während der Filterherstellung, während der Installation des Filters bei Einwirkung einer von einem hochreinen Gas verschiedenen Atmosphäre oder sogar als Ergebnis einer Ausgasung aus dem Werkstoff, in dem der Filter verpackt ist, erfolgen. Darüber hinaus erfordern derart große Filtervolumina relativ größere Gehäuse zu ihrer Aufnahme. Dies wiederum führt zu einer größeren Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung bei Installation und Gebrauch und zu einem Bedarf nach größeren für die Filter passenden Abgabesystemen.

Die derzeitigen Metallfilter bestehen aus nichtrostenden Stahl-, Nickel- oder Nickellegierungs-Sinterpulvertypen, z.B. der Waferguard II SF -(Warenzeichen der Millipore Corporation, Bedford, MA) und der Mott Gasshield - (Warenzeichen der Mott Metallurgical Corporation, Farmington, CT) (vgl. US-PS 5 114 447 von davis) Filterlinie. Solche Ganzmetallfilter zeigen eine geringe Ausgasung, einen hohen Wirkungsgrad, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, eine mittlere Porosität und einen mittleren Gasdurchsatz sowie eine hohe Strukturfestigkeit. Die geringe Porosität ist jedoch weiterhin ein Nachteil bei Sintermetallpulverfilterelementen. Die Porositäten der genannten Filter reichen von 40 bis 44% und beschränken die Strömungsdurchsatzeigenschaften dieser Filter. Die geringen Porositäten sind bei den zur Herstellung von Sintermetallpulverfiltern benutzten Verfahren inhärent. In typischer Weise werden die Pulver in einer Form zu einem "Grünling" verfestigt bzw. gepreßt und dann zur Vereinigung der Metallteilchen gesintert, um für die erforderliche Festigkeit zu sorgen. Die endgültigen Filterelemente oder "Membranen" können aus einer flachen gesinterten Metallpulverlage ausgeschnitten oder in der Formgebungsstufe in die endgültige Form gebracht werden. Die Temperaturen, bei denen das Sintern erfolgt, stellt einen kritischen Faktor bei der Festlegung der endgültigen Porosität dar. Höhere Temperaturen führen zu einer erhöhten Festigkeit, jedoch geringeren Porosität. Niedrigere Temperaturen haben eine geringere Festigkeit und eine höhere Porosität zur Folge. Bislang war die endgültige Porosität auf dem Sintermetallpulvergebiet auf etwa 45% beschränkt.

Auf dem Metallfiltergebiet besteht ein Bedarf nach einer erhöhten Porosität. Eine erhöhte Porosität würde die Herstellung kleinerer Filter mit sämtlichen positiven Aspekten hochporöser Metallfilter und geringeren Ausgasungs- und Teilchenstreuproblemen gestatten. Hingewiesen sei ferner auf die DE-A-4 102 430, aus der Metallfilter mit Porositäten über 45% bekannt sind. Die Herstellung dieser Filter erfordert allerdings die Verwendung von Zusätzen.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, daß aus faser- oder fadenförmigen Metallpulvern hochporöse Filter hergestellt werden können, die (nur) einen Bruchteil des Filtervolumens existierender Filter erfordern. Die erfindungsgemäßen Filter behalten den hohen Grad an Teilchenwirksamkeit (weniger als 1 ppm Passage durch den Filter) existierender Filter, obwohl sie bei wesentlich höheren Flächengeschwindigkeiten arbeiten. Darüber hinaus ist der zum Erhalt dieser Geschwindigkeiten erforderliche Gasdruck gleich demjenigen oder geringer als derjenige existierender Filter. Der erfindungsgemäße Filter besitzt ein minimales Innenvolumen und ist hochkompakt. Dies hat eine sehr geringe Verunreinigungsbildung bei Einwirkung anderer Atmosphären als hochreiner Gase und eine sehr geringe Abnutzung bei Gebrauch zur Folge. Darüber hinaus teilt die vorliegende Erfindung die sonstigen vorteilhaften Eigenschaften poröser Metallfilter, nämlich deren gute mechanische und thermische Eigenschaft, die ihren Betrieb bei erhöhten Temperaturen und hohen Differentialdrucken ermöglichen, und das Fehlen einer bei längerem Gebrauch auftretenden Teilchenstreuung, mit diesen.

Die vorliegende Erfindung besteht aus einem hochporösen metallischen Membranelement nach Anspruch 1 in Form eines gesinterten Elements einer Porosität von mindestens etwa 60%, wobei das gesinterte Element bzw. Sinterelement eine Matrix aus miteinander verbundenen Poren umfaßt und jede der Poren durch eine Mehrzahl dendritischer Metallteilchen festgelegt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird aus dendritischem Nickelpulver hergestellt und besitzt eine Porosität über 65%. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bedient man sich einer niedrigen Sintertemperatur von etwa 6750 bis etwa 725ºC. Da kein Bindemittel mitverwendet wird, erfolgt aus dem fertigen Membranelement praktisch keine Ausgasung.

Die Erfindung umfaßt ferner ein eine hohe Porosität aufweisendes metallisches Membranfilter bzw. Metallmembranfilter. Das Filter beinhaltet ein Sinterelement einer Porosität von mindestens etwa 60%, wobei das Sinterelement eine Matrix aus miteinander verbundenen Poren umfaßt und jede der Poren durch eine Mehrzahl dendritischer metallischer Teilchen festgelegt ist. Ferner beinhaltet das Filter ein Filtergehäuse, welches einen Fluidum-Kanal festlegt. Der Kanal besteht aus einem Behältnis zur Aufnahme des Filterelements in dem Fluidum-Strömungsweg. Das Behältnis weist einen vorderen und einen rückwärtigen Teil auf, wobei sich das Element dazwischen befindet. Das Filterelement ist an die Behältniswand angeschweißt. Maßnahmen zum dichten Verbinden des Behältnisses mit einem zu filtrierenden Fluidum werden durch Benutzung typischer Swagelockv-Style-Verbindungsglieder geschaffen.

Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines eine hohe Porosität aufweisenden metallischen Membranelements gemäß Anspruch 2. Dieses umfaßt - ohne darauf beschränkt zu sein - folgende Stufen: Zunächst wird in einer Form, auf die eine Druckkraft ausgeübt werden kann, ein praktisch gleichförmiges und eine niedrige Dichte aufweisendes Bett aus einem sinterbaren dendritischen Werkstoff abgelagert bzw. abgelegt. Die zweite Stufe besteht in einem Pressen des niedrigdichten Betts aus sinterbarem dendritischem Werkstoff zur Bildung eines Grünlings. Die letzte Stufe besteht in einer Sinterung des Grünlings bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des metallischen Materials. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ablagerung des praktisch gleichförmigen und eine niedrige Dichte aufweisenden Betts - ohne darauf beschränkt zu sein - durch Luftlegen des sinterbaren dendritischen Materials in eine Form, auf die Druck ausgeübt werden kann, wobei das luftgelegte Bett eine Dichte unter oder gleich der Dichte des sinterbaren dendritischen Materials aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das sinterbare dendritische Material aus einem faserformigen Nickelpulver. Das Verpressen des Nickelbetts erfolgt bei einem Druck unter etwa 3448 kPa (500 psi) in Abwesenheit irgendeines Bindemittels. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der gesinterte Grünling (nochmals) bei einem zweiten höheren Druck verpreßt. Dabei wird dem Element eine zusätzliche Struktursteifigkeit verliehen. Der höhere Druck liegt im allgemeinen im Bereich von 4138-7586 kPa (600-1100 psi) . Die endgültige Porosität des Sintermembranelements reicht im allgemeinen von etwa 60% bis etwa 70%.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist folglich die Bereitstellung eines hochwirksamen und eine hohe Porosität aufweisenden metallischen Membranelements, das sich als Einsatzfilter in der Halbleiterindustrie eignet. Der hohe Wirkungsgrad der Erfindung gestattet eine erhebliche Raumeinsparung bei den Prozeßanlagen und vermindert die Ausgasung infolge verkleinerter Innenfläche und den Druckabfall über die Filterlänge.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung hochporöser metallischer Membranen hervorragender Strukturfestigkeit und sehr hoher Porosität ohne Mitverwendung irgendwelcher Bindemittel.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Membranelements, das zum Einbau in ein Filtergehäuse in den verschiedensten Formen hergestellt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(a) ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines erfindungsgemäß hergestellten gesinterten Nickelmembranelements. Zur Veranschaulichung der relativen Größe der Poren ist ein 10er Maßstab eingeblendet.

Fig. 1(b) ist eine unter denselben Bedingungen wie für Fig.1(a) erstellte elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines gesinterten Nickelmembranelements eines Mitbewerbers. Die Porengrößen scheinen ähnlich zu sein, die scheinbare Porendichte ist jedoch deutlich geringer.

Fig. 2(a-f) sind schematische Darstellungen des Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Membranelements. Die Fig. 2(a) veranschaulicht die Luftlegungsstufe und die dabei verwendete Vorrichtung. Fig. 2(b) zeigt die zweite Stufe einer Niedrigdruckverfestigung des luftgelegten Pulvers zu einem Grünling. Die Porosität (PO) des Grünlings beträgt etwa 80-90%. Fig. 2(c) zeigt das (die) Hochtemperaturvakuumbrennen/Wasserstoffreduktion zur Bildung eines gesinterten Grünlings mit einer PO von 70-80%. Die Fig. 2(d) zeigt die zweite Verfestigung bei höherem Druck, in typischer Weise bei 4138-7586 kPa (600-1100 psi). Die PO sinkt auf Werte zwischen 60 und 70%. Fig. 2(e) zeigt die Schneidstufe. Dargestellt ist ein Schneiden mittels elektrischer Drahtentladung. Fig. 2(f) zeigt die endgültige Niedrigtemperatur- Vakuumbrennstufe.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der gesamten Kohlenwasserstoffe (ppb) gegen die Zeit (min) entsprechend einer Gesamtkohlenwasserstoffausgasung aus den Mott Gasshield (Modell POU-05)- und Millipore WG III-NF-Metallfiltern.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Flächengeschwindigkeit slpm*/cm²) gegen die log-Reduktionswerte (LRV) für die Erfindung und für verschiedene Mitbewerber-Produkte. Die Erfindung (mit "nf" markiert) zeigt bei sämtlichen Flächengeschwindigkeiten höhere LRV-Werte. Die Mitbewerber-Produkte sind die "sf"-Filter (Wafergard II SF Mini Inline Gasfilter, Millipore Corporation, Bedford, MA), Ultramet-L Gaskleen:, Modell Nr. GLFF4000VMM4, (Pall Corporation, East Hills, New York); Mott Gasshield Modell POU-05 (Warenzeichen der Mott Metallurgical Corporation, Farmington, CT).

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, in der für dieselben Produkte wie in Fig. 4 die Flächengeschwindigkeiten (slpm/cm²) gegen den Druck aufgetragen sind.

Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Filtervorrichtung vor dem Anschweißen des Membranelements an den Innenumfang des Filtergehäuses.

Fig. 7 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Filtervorrichtung nach dem Anschweißen des Membranelements an den Innenumfang des Filtergehäuses. Es sei darauf hingewiesen, daß die Porosität des Elements weitestgehend intakt geblieben ist.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die Erfindung sorgt für eine hochwirksame und eine hohe Porosität aufweisende Ganzmetallfiltermembran und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Die Membran enthaltende Filter zeigen einen erhöhten Durchsatz, einen verminderten Druckverlust, eine erheblich geringere Ausgasung und eine verminderte Größe und Komplexität. Diese Eigenschaften machen dieses Filter zu einem idealen Einsatzpunkt - Prozeßgasfilter in der Halbleiterindustrie und verwandten Industriezweigen.

In dieser Anmeldung werden die folgenden Ausdrücke benutzt. Der Ausdruck "Porosität" bezeichnet das Ausmaß des Porenvolumens bezogen auf das Gesamtvolumen des Membranelements. Die prozentuale Porosität ist das Porenvolumen dividiert durch das gesamte Membranelementvolumen und multipliziert mit 100.

Der Ausdruck "metallisch" bezeichnet hierin sämtliche metallhaltigen Werkstoffe. Hierzu gehören - ohne darauf beschränkt zu sein - reine Metalle, Metalbide, Metalloxide, Metallegierungen und ähnliche Kombinationen, die dem Fachmann auf dem metallbe- oder -verarbeitenden Gebiet geläufig sind.

Der Ausdruck "Membranelement" beschreibt hierin das erfindungsgemäße waffel- oder plättchenartige Produkt. Es ist durch ein hohes Innenporenvolumen, eine ausgezeichnete Struktursteifigkeit und -festigkeit sowie ein niedriges Druckgefälle beim Hindurchströmen von Fluiden, insbesondere Gasen, gekennzeichnet.

Der Ausdruck "gesintert" bezieht sich auf das Verbinden kompaktierter bzw. verfestigter Metallteilchen (miteinander) durch Erhöhen ihrer Temperatur auf einen Punkt nahe ihrem, jedoch unterhalb ihres gemeinsamen Schmelzpunkt(s). Obwohl die Anmelder nicht an irgendeine Theorie, auf der die vorliegende Erfindung beruhen könnte, gebunden sind, dürfte die Triebkraft für die Sinterung die im Vergleich zu dem Sinterkörper bzw. der gesinterten Form verringerte Gesamtoberfläche der einzelnen Teilchen sein. Im allgemeinen beschreibt der Ausdruck "gesintert" das Verfahren eines Erwärmens von metallischen Teilchen, die in loser Ordnung organisiert sind, auf einen Punkt unterhalb ihres Schmelzpunkts in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre. Dieses Verfahren erforderte bislang ein Bindemittel, um die metallischen Teilchen einander nahe zu halten.

Der Ausdruck "Matrix" beschreibt hierin eine physikalische Struktur in Form eines Netzwerks aus in Wechselbeziehung stehenden Poren oder spaltenartigen Flächen. Obwohl die Matrix im allgemeinen von gleichförmiger Struktur ist, ist sie nicht zwangsläufig 100% gleichförmig. Einige Poren können vollständig ohne Verbindung zu anderen Poren und somit nicht an die Matrix angeschlossen sein. "Im wesentlichen miteinander verbunden" kann dahingehend interpretiert werden, daß sich die meisten Poren berühren oder Elemente mit mindestens einer weiteren Pore teilen, so daß eine Kommunikation zwischen den Poren möglich wird.

Der Ausdruck "dendritisch" bezeichnet hierin die daumartigen Anhängsel, die die metallischen Teilchen zeigen. Der Ausdruck kommt von "Dendrit", einer hochverzweigten Nervenzelle. Die dendritische Eigenschaft des metallischen Pulvers ermöglicht es, wegen der Wechselwirkungen der Verzweigungen miteinander eine höhre Porenfläche anzunehmen als bei nichtdendritischen Metallpulvern. Andere Metallpulver, die dendritisch sind oder gemacht werden können, fallen unter diese Erfindung.

Der hierin benutzte Ausdruck "Grünling" ist ein auf dem Sintergebiet bekannter Ausdruck. Er bezeichnet die verfestigte, komprimierte oder kompaktierte Metallpulverstruktur vor ihrer Sinterung. Der Grünling zeigt eine höhere Porosität als die fertige Sintermembran, er ist jedoch sehr brüchig.

Der hierin benutzte Ausdruck "sinterbares dendritisches Material" bezeichnet irgendeine Substanz, deren Einzelteilchen eine hochverzweigte äußere Oberfläche aufweist und sinterbar sind.

Der hierin zur Beschreibung des niedrigdichten Betts benutzte Ausdruck "praktisch gleichförmig" bedeutet, daß es in der Dichte des luftgelegten Betts (nur) wenige oder keine signifikanten lokalen Anderungen gibt. Eine signifikante Anderung ist eine solche, die zu ... führt. In Fig. 1(a) ist in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes gesintertes metallisches Membranelement dargestellt. Die dargestellte Membran besteht aus einem faserförmigen Nickelpulver. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein faserförmiges Nickelpulver, z.B. Handelsprodukt INCO 255 (Novamet Speciality Products, Wyckoff, NJ) verwendet. Während die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Verweisung auf faserförmige Nickelpulver einer Fischer-Größe zwischen 2 und 3 µm (ASTM B 330) beschrieben wird, dürfte es selbstverständlich sein, daß jedes Metallpulver mit den physikalischen Eigenschaften dieses faserartigen dendritischen Pulvers zur Herstellung der hochporösen Metallmembranen nach den hierin beschriebenen Techniken verwendet werden kann. Es können auch andere faserförmige Metallpulver benutzt oder später entwickelt werden, die dann im Rahmen dieser Erfindung erfolgreich einsetzbar sind. Die Größe der in Fig. 1 dargestellten Poren reicht von etwa 2 bis etwa 10 µm. Die Dichte des faserförmigen pulverförmigen Metallausgangsmaterials reicht in typischer Weise von 0,5 bis 1,0 g/cm³. Die Endproduktdichte liegt zwischen etwa 2,75 und 3,0 g/cm³.

Fig. 1(b) ist eine unter ähnlichen Bedingungen hergestellte elektronenmikroskopische Aufnahme eines konkurrierenden Nickeifilters. Es sei darauf hingewiesen, daß die Porengröße in etwa dieselbe wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, daß jedoch die Porenhäufigkeit deutlich geringer ist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Dichte des konkurrierenden Produktfilters 5,0 bis 5,75 g/cm³, dagegen die Dichte der erfindungsgemäßen Membran etwa 2,75 bis 3,0 g/cm³ beträgt.

Fig. 2 beschreibt schematisch das Verfahren zur Herstellung eines metallischen Membranelements. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine hochporöse Metallmembran durch Durchführung einer Vielzahl neuer Maßnahmen hergestellt. Im allgemeinen umfassen die Verfahrensstufen die Ablagerung eines gleichförmigen Betts aus Metallpulver durch Luftlegen eines Betts aus einem sinterbaren dendritischen metallischen Pulvers zur Bildung eines in hohem Maße gleichförmigen, außerordentlich niedrigdichten Pulverbetts, dessen scheinbare Dichte derjenigen des aus dem Behälter entnommenen Pulvers entspricht oder geringer ist als diese. Die nächste Stufe steht in einem Niedrigdruckpressen dieses Betts zur Bildung eines hochporösen semi-selbsttragenden Grünlings und anschließend in einer Niedrigtemperatursinterung des Grünlings zur Bildung einer selbsttragenden hochporösen Metallmembran einer Porosität über 60%.

Fig. 2(a) erläutert die erste Stufe des Luftlegens. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Bildung eines außerordentlich niedrigdichten Betts hoher Gleichförmigkeit durch Einhaltung von Luftlegemaßnahmen. Der Ausdruck "Luftlegen" bezeichnet hierin ein Verfahren, bei dem eine vorgegebene Pulvermasse durch ein Sieb gesiebt und unter dem Einfluß der Schwerkraft in eine darunter befindliche Form eines festgelegten Volumens fallengelassen wird. Da das Pulver auf diese Weise "aufgeflockt" wird, wird seine Dichte im Vergleich zu derjenigen des gepackten Pulvers niedriger. Die Strecke, die das Pulver vor dem Inkontaktkommen mit der Form fällt, ändert sich zwangsläufig mit der Fläche und Gestalt der Form. Je nach der endgültigen Form und Größe des gewünschten Produkts können die verschiedensten Einzelformen verwendet werden. So erfordert beispielsweise eine runde Form eines Durchmessers von 13 cm bei Verwendung von faserartigen Nickelpulver eine Failhöhe von mindestens 25 cm, damit die Bildung eines Betts praktisch gleichmäßiger Dicke und Dichte gewährleistet ist. Der Ausdruck "praktisch gleichförmig" impliziert, daß die Form größeren Durchmessers eine größere Fallstrecke erfordert. Für den Fachmann dürfte es möglich sein, diese Höhe unter Berücksichtigung der hierin angegebenen Beispiele in Routineversuchen zu bestimmen. Das in der geschilderten Weise gebildete Bett besitzt eine Dichte entsprechend der oder geringer als die scheinbare(n) Dichte des Pulvers. Die scheinbare Dichte wird gemäß der Standardvorschrift ASTM B 329 bestimmt. Für faserartige Nickelpulver einer scheinbaren Dichte von etwa 1,0 g/cm³ kann die Dichte des luftgelegten Betts nur 0,7 g/cm³ betragen.

Gemäß Fig. 2(b) wird nunmehr das in der geschilderten Weise gebildete luftgelegte Bett unter relativ niedrigem Druck auf die gewünschte Dicke verpreßt. Die (dabei) entstehenden Porositäten reichen von 80-90%. Die erforderliche Druckhöhe hängt zwangsläufig von drei Variablen, nämlich der Dichte des luftgelegten Betts, der Dicke des Betts und der gewünschten Dicke des gepreßten Grünlings ab. So ist beispielsweise für ein Bett einer Dichte von 0,8 g/cm³ und einer Dicke von 0,6 cm eine Kraft von 2966 kPa (30 kg/cm² (430 psi)) erforderlich, um einen Grünling einer Stärke von 0,4 cm herzustellen. Ein solcher Grünling besitzt dann eine Dichte von 1,3 g/cm³ und eine Porosität von 85%. Dieser Grünling ist lediglich insoweit selbsttragend, als er unter Beibehaltung seiner Struktur sorgfältig aus der Form entfernt werden kann. Die Einwirkung einer (bereits) relativ geringen Belastung auf den Grünling führt dazu, daß er seine Unversehrtheit verliert.

Gemäß Fig. 2(c) wird der selbsttragende Grünling durch die aao angegebene Sinterstufe weiter verfestigt. Im allgemeinen erfolgt das Sintern durch Erwärmen eines metallischen Pulvers auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunkts in Gegenwart einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum. Für den Fachmann auf dem Sintergebiet dürfte es ohne weiteres möglich sein, die speziellen Sinteratmosphärenbedingungen zu bestimmen. Die Temperatur und, in geringerem Maße, die Dauer des Sinterverfahrens stellen zwei Faktoren dar, die die endgültigen Abmessungen und folglich die Porosität der Metallmembran bestimmen. Die Porosität des Sinterprodukts sinkt in typischer Weise auf 70 bis 80%. Dies erfolgt als Ergebnis sowohl der Sinterverbindung der Pulverteilchen als auch der Schrumpfung der Membran. Eine niedrigere Temperatur und kürzere Dauer führen zu einer Membran mit geringerer Sinterverbindung und Schrumpfung. Wird beispielsweise ein Grünling einer Porosität von 80% 5 min bei 950ºC gesintert, erhält man eine Membran einer Porosität von 58%. Wird dagegen derselbe Grünling 5 min bei 800ºC gesintert, erhält die Membran eine Porosität von 72%. Offensichtlich führt also eine Senkung der Temperatur zu einer Erhöhung der Porosität. Es gibt jedoch eine Temperaturuntergrenze insoweit, als ein gegebenes Metall ohne ausreichendes Erwärmen nicht mehr sintert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Untergrenze für die Sinterung eines faserartigen Nickelpulvers einer Fischergröße von 2-3 µm im allgemeinen zwischen etwa 500 und 600ºC. Eine bevorzugte Form der Erfindung benutzt Temperaturen zwischen etwa 675 und 725ºC, da hierbei in Kombination mit einer geeigneten Bett- und Grünlingsbildung eine geeignete Membranporosität und geeignete Membranabmessungen erreicht werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Fachmann das Wechselspiel dieser Variablen ohne weiteres zu erkennen vermag und sowohl die Temperatur als auch die Sinterdauer aufgrund von Routineversuchen optimieren kann. Dies gestattet auch den Einsatz anderer sinterbarer dendritischer Materialien.

Wie aus Fig. 2(d) hervorgeht, besteht die nächste Stufe in einem Pressen des gesinterten Grünlings auf die letztlich gewünschten Abmessungen. Das Pressen erfolgt im allgemeinen bei einem höheren Druck als in der anfänglichen Verfestigungsstufe. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, daß der Sinterkörper nunmehr weit steifer ist. Die in dieser Stufe eingehaltenen Drucke reichen im allgemeinen von 4138 bis 7586 kPa (600 bis 1100 psi). Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der gesinterte Grünling bei einem Druck über 6896 kPa (1000 psi) gepreßt. Diese Stufe reduziert die Porosität des Produkts auf seinen endgültigen Porositätswert. Die endgültige Porosität liegt in typischer Weise über 60% und vorzugsweise über 65%.

Wie aus Fig. 2(e) hervorgeht, kann das metallische Membranelement in Formen zurechtgeschnitten werden, die die Konstruktion brauchbarer Filter gestatten. In bevorzugter Ausführungsform erfolgt zu diesem Zweck ein Schneiden mittels elektrischer Drahtentladung bzw. durch Drahterosionsbehandlung. Das Schneiden mittels elektrischer Drahtentladung bezeichnet ein Schneiden von Metallen mit einem dünnen Draht, durch den ein hoher elektrischer Strom fließt. Dieses Schneidverfahren für das endgültige Membranelement liefert die besten Ergebnisse. Für den Fachmann dürfte es jedoch selbstverständlich sein, daß auch andere Schneidverfahren in gleicher Weise benutzt werden können. So kann beispielsweise ein Schneiden mit einem Schleifrad oder CO&sub2;-Laser eine wirksame Trennung bewerkstelligen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Nickelmembranelement einen Durchmesser von etwa 1,2 cm und eine Dicke von 0,25 cm. Derzeit gestattet die Größe des gesinterten Lagenvorrats das Ausschneiden von 16 Elementen.

Entsprechend Fig. 2(f) werden die Membranelemente bei niedriger Temperatur im Vakuum gebrannt, um irgendwelche während des Verfahrens eingeschleppten flüchtigen Bestandteile zu entfernen. Die Temperatur liegt üblicherweise unter 200ºC. Das Endprodukt zeigt, wie aus Fig. 3 hervorgeht, (nur) eine minimale Ausgasung. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Gesamtkohlenwasserstoffe (ppb) gegen die Zeit (min). Im Vergleich zu einem Mitbewerber-Produkt (Mott POU-05 Metallfilter) ist die Ausgasung aus dem erfindungsgemäßen Produkt vernachlässigbar. Die Ausgasung wurde mittels eines Beckman-Modell 400A THC Analysegerät gemessen. Das Analysegerät benutzt einen Flammenionisationsdetektor (FID) zur Bestimmung der in einer Gasprobe vorhandenen Gesamtmenge an Kohlenwasserstoffen (d.h. an Kohlenwasserstoffen sämtlicher Molekulargewichte). Im vorliegenden Fall wurde das Gas durch das Filter zum Analysegerät geleitet.

Die einen geringen Durchmesser aufweisenden Membranelementscheiben zeigen eine hohe Wirksamkeit und hohe Strömungsraten. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Filter (mit "nf" bezeichnet) eindeutig die hohe Wirksamkeit eines Nickelmembranelements. Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Flächengeschwindigkeit (Standardliter pro Minute, im folgenden als "slpm" bezeichnet) gegen den Log-Reduktionswert (LRV). LRV ist als der Logarithmus des Verhältnisses von zwei Zahlen definiert. Im vorliegenden Falle ist das Verhältnis dasjenige des Anschlagens der auf das Filtermembranelement auf der stromaufwärts liegenden Filterseite auftreffenden Teilchen zur Anzahl der stromabwärts des Filters nachgewiesenen Teilchen. Folglich impliziert ein LRV-Wert von 7 eine Zahl von 10&sup7; Teilchen und das Auffinden von einem Teilchen stromabwärts, der Logarithmus dieses Verhältnisses beträgt demnach 7. Dieser Test wird durch Erzeugung eines Aerosols mit mehreren Millionen Teilchen mit einer um 0,014 m zentrierten Größenverteilung, Hindurchleiten dieses Aerosols durch das Filter und Zählen der hindurchtretenden Teilchen mit einem Kondensationskeimzähler (CNC), durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Nickelmembranelement zeigt eine hervorragende Gaspermeabilität. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung von slpm/cm² gegen den Druck. Verglichen werden das erfindungsgemäße gesinterte Metallpulverfilter ("nf"), eines der Firma Mott Metalurgical Corporation (Mott Gasshield), ein gesintertes Stahipulverfilter von Millipore Corporation, Bedford MA (Modell Wafergard II SF Mini Inline Gas Filter) und ein Stahlnetzfilter von Pall Corporation (Ultramet-L Gaskleen:, Modell Nr. GLFF4000VMM4, East Hills, NY). Von den drei gesinterten Metallpulverfiltern zeigt das nf-Filter eine deutlich höhere Permeabilität bei sämtlichen Betriebsdrucken über etwa 5 psi. Bei 10 psi besitzt das nf-Filter eine Flächengeschwindigkeit von 2,4 slpm/cm², während die anderen beiden nur Werte von 0,8 bzw. 1,5 aufweisen. Bei 138 kPa (20 psi) ist der Unterschied noch größer. Hier zeigt das nf-Filter einen Wert von 7,5 gegenüber 1,8 slpm/cm² des Mott-Filters.

Die Filtervorrichtung umfaßt ein Filtergehäuse, welches einen Fluidum-Kanal festlegt. Das Filtergehäuse enthält ein Behältnis zur Aufnahme des Elements in dem Fluidumstromweg. Das Behältnis besitzt einen vorderen und einen rückwärtigen Teil, wobei sich das Element zwischen beiden befindet. Es ist dicht mit der Behältniswand vereinigt. Auf diese Weise legt das Gehäuse einen Strömungsweg für das zu filtrierende Fluidum fest. Es können Maßnahmen fur eine dichte Verbindung zwischen Behältnis und zu filtrierendem Fluidum getroffen werden. Hierzu gehren Swagelok-Verbindungsstücke und dergl. Das Haupterfordernis für die Verbindungsstücke ist, daß sie fluidumdicht sind, d.h. keine Leckage zulassen. Für den Fachmann dürfte die Bestimmung geeigneter Mittel für spezielle Verbindungsszenarien keine Schwierigkeiten bereiten.

Die Herstellung von Filtervorrichtungen mit den Membranelementen geschieht wie folgt. Zunächst wird für das Filtergehäuse ein geeigneter Werkstoff gewählt. Der Werkstoff muß zur Verwendung unter den bei der Halbleiterherstellung erforderlichen Ultrareinbedingungen geeignet sein. Nichtrostender Stahl ist ein bevorzugter Werkstoff, obwohl der Fachmann auch zur Wahl anderer geeigneter Filtergehäusewerkstoffe fähig ist. Das Gehäuse wird üblicherweise aus zwei symmetrischen Hälften hergestellt. Das Metallmembranelement wird zwischen die beiden Hälften gelegt und nach einem Verfahren mit einer "abschmelzbaren Schweißnaht" angeschweißt. Die Schweißnase wird in die Außenflächen der beiden Gehäusehälften vor dem Zusammenbau eingearbeitet und angegossen. Die Hälften werden dann vereinigt, wobei die Membran der abschmelzbaren Schweißnase gegenüberliegt und den Innenumfang des Gehäuses berührt (vgl. Fig. 6*). Die feste Stahlnase wird dann bis zum Schmelzen erwärmt und fließt dabei in öffnungen in dem Filtermembranelement. Bei der Verfestigung entsteht eine feste Stahl-Nickel-Schweißraupe, die sich von der Peripherie des Filtergehauses in das Innere der Membran erstreckt (vgl. Fig. 7**). Eine Überbrüfung von Mikrophotographien aufgeschnittener Vorrichtungen hat bestätigt, daß dies bei Einhaltung korrekter Schweißparameter der Fall ist. Für den Fachmann dürfte die Ermittlung dieser Parameter im Rahmen von Vorversuchen keine Schwierigkeiten bereiten.

* Fußnote: wahrscheinlich 7

** Fußnote: wahrscheinlich 8

Die Erfindung wurde nun ganz allgemein beschrieben. Sie läßt sich anhand bestimmter, lediglich veranschaulichender und keineswegs beschränkender (sofern nicht anders angegeben) Beispiele besser verstehen. Auf sämtliche hierin zitierten Patente und Veröffentlichungen wird in ihrer Gesamtheit Bezug genommen.

Beispiele

Die folgenden Beispiele veranschaulichen den Einfluß der Dichte des ungesinterten Grünlings und der Sintertemperatur auf die endgültige Porosität der Membran.

Beispiel 1:

Einfluß einer Anderung der Dicke des luftgelegten Betts auf die Dichte des Grünlings

Dieses Beispiel zeigt, daß Unterschiede in der Grünling-Dichte in direkter Beziehung zum Ausmaß der während der anfänglichen Verdichtungsstufe gewählten Verdichtung steht. Zu Beginn wurden 3 g eines faserförmigen Nickelpulvers (INCO 255) in der zuvor bei den Luftlegetechniken beschriebenen Weise in eine Form eines Durchmessers von 2,54 cm gesiebt und zwei einzelne, jedoch identische Grünlinge hergestellt. Die anfängliche Dicke beider luftgelegter Betten betrug 0,3 - 0,4 cm. Die erste Form (Grünling Nr. 1) wurde bei 1035 kPa (150 psi) zu einem Grünling einer Dicke von 0,373 cm und einer Porosität vor dem Sintern von 82% gepreßt. Dieselbe Form mit demselben luftgelegten Bett von INCO 255-Nickelpulver wird nochmals bei 3448 kPa (500 psi) bis zu einer Dicke von 0,261 cm und einer Porosität vor dem Sintern von 74% gepreßt. Beide werden im Vakuum bei 675ºC 20 min lang gesintert. Nr. 1 besitzt eine Endporosität von 75% (eine Anderung von -7%), Nr. 2 besitzt eine Endporosität von 63% (eine Anderung von -11%). Es gibt ganz eindeutig eine direkte Beziehung zwischen dem auf das INCO 255-Nickelpulver ausgeübten Druck und der Endporosität. Unter Beachtung dieser Lehre vermag der Fachmann in Routineversuchen den zum Erreichen einer bestimmten gewünschten endgültigen Sinterdichte erforderlichen Druck zu bestimmen.

Beispiel 2:

Einfluß einer Änderung des Gewichts des Grünlings auf die Enddichte

Bei Zugabe von mehr Pulver auf die Form entsteht ein dickeres Produkt höherer Dichte. In der zuvor in Beispiel 1 beschriebenen Weise wurden zwei Grünlinge unterschiedlichen Gewichts, jedoch identischer Abmessungen hergestellt. Der erste (Nr. 3) besaß ein Anfangsgewicht von 2,50 g un eine anfängliche Porosität von 75% und wurde bei 3448 kPa (500 psi) verpreßt. Der zweite (Nr. 4) besaß ein anfängliches Gewicht von 3,50 g und eine anfängliche Porosität von 66% und wurde bei 6896 kPa (1000 psi) verpreßt. Beide Grünlinge besaßen eine Dicke von 0,230 cm. Beide wurden 20 min bei 675ºC im Vakuum gesintert. Nr. 3 besaß eine Endporosität von 66% (eine Änderung von -9% gegenüber der anfänglichen Porosität). Nr. 4 besaß eine Endporosität von 54% (eine Änderung von -12%).

Beispiel 3:

Einfluß einer Änderung der Sintertemperatur auf die Dichte

Entsprechend den Angaben für die Herstellung der Grünlinge Nr. 1, 2, 3 und 4 wurden vier Grünlinge hergestellt. Nr. 5 besaß dasselbe Gewicht und dieselben Abmessungen wie Nr. 1, Nr. 6, wie Nr. 2 usw.. Sämtliche vier Grünlinge wurden 20 min bei 775ºC gesintert. Entsprechend den Grünlingen Nr. 1 bis 4 wurden vier weitere Grünlinge (Nr. 9-12) hergestellt und 20 min im Vakuum bei 725ºC gesintert.

Die im folgenden angegebenen Ergebnisse der drei Beispiele belegen, daß sowohl die Dichte des Grünlings als auch die Sintertemperatur einen direkten Einfluß auf die Endporosität der Metallmembran ausüben. Offensichtlich ist die Porositätsabnahme beim Sintern umso größer, je dichter der Grünling ist. Es ist ferner ohne weiteres klar, daß eine zunehmende Sintertemperatur zu einer erhöhten Schrumpfung und geringeren Porosität führt. Tabelle 1 faßt die Ergebnisse zusammen.

Tabelle 1

Beispiel 4:

Bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung von Metallpulvermembranen

70 g eines faserartigen Nickelpulvers wurden aus einer Höhe von 20 cm in eine Form eines Durchmessers von 12,7 cm gesiebt, um ein 0,7 cm dickes Bett zu bilden. Dieses Bett wird bei etwa 2969 kPa (30 kg/cm²) (430 psi)) bis zu einer Dicke von 0,4 cm und einer Dichte von 1,3 g/cm³ gepreßt. Der Grünling besaß eine Porosität von 85%. Er wird bei 675ºC 20 min im Vakuum gesintert. Nach dem Sintern wird der Grünling (nunmehr mit einem Durchmesser von 11 cm und einer Dicke von 0,28 cm) bei etwa 7117 kPa (72 kg/cm²) (1032 psi)) bis zu einer Dicke von 0,25 cm und einer Dichte von 2,95 g/cm³ gepreßt. Das Endprodukt besaß eine Porosität von 67%.


Anspruch[de]

1. Metallfilter hoher Porosität, umfassend

ein durch Sintern einer Masse dendritischer Metallteilchen in Abwesenheit irgendeiner Fremdsubstanz, die die betreffenden, die Masse bildenden, dendritischen Teilchen kohäsiv bindet oder trägt, gebildetes Membranelement, wobei jedes der Metallteilchen verflochtene Anhängsel aufweist und die verflochtenen Anhängsel zwischen benachbarten gesinterten dendritischen Metallteilchen eine Matrix aus miteinander verbundenen Poren bilden und

wobei die Porosität des Membranelements durch die verflochtenen Anhängsel festgelegt ist und mindestens 60% beträgt.

2. Metallfilter nach Anspruch 1, wobei die Porosität etwa 60% bis etwa 70% beträgt.

3. Metallfilter nach Anspruch 1, wobei die Metallteilchen aus Nickel bestehen.

4. Metallfilter nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend ein Filtergehäuse mit einem Behältnis zur Aufnahme des Membranelements, wobei das Behältnis einen vorderen und einen rückwärtigen Abschnitt zum Zufluß und Austragen eines zu filtrierenden Fluidums aufweist, das Element zwischen dem vorderen und rückwartigen Abschnitt liegt und dicht schließend mit dem Behältnis verbunden ist und das Gehäuse auf diese Weise einen Filtrations-Fluidumströmungsweg festlegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines eine hohe Porosität aufweisenden, metallischen Membranelements durch Luftlegen eines praktisch gleichförmigen und eine niedrige Dichte aufweisenden Betts aus sinterbaren dendritischen Metallteilchen in eine Form in Abwesenheit irgendeiner Fremdsubstanz, wobei sich die Form für eine Druckausübung eignet und wobei das Bett eine Dichte unterhalb der scheinbaren Dichte des sinterbaren dendritischen Materials aufweist;

Pressen des eine niedrige Dichte aufweisenden Betts zur Bildung eines Grünlings und

Sintern des Grünlings derart, daß nach dem Sintern jedes der Metallteilchen verflochtene Anhängsel aufweist und die verflochtenen Anhängsel zwischen benachbarten Metallteilchen eine Matrix von miteinander verbundenen Poren bilden und daß die Porosität des Membranelements durch die verflochtenen Anhängsel festgelegt ist und mindestens 60% beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Pressen des praktisch gleichförmigen und eine niedrige Dichte aufweisenden Betts des sinterbaren dendritischen Materials bei einem Druck unter etwa 3448 kPa (500 psi) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Pressen des praktisch gleichförmigen und eine niedrige Dichte aufweisenden Betts bei einem Druck unter etwa 6896 kPa (1000 psi) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das sinterbare dendritische Material Nickel umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das metallische Membranelement eine Porosität von etwa 60% bis etwa 70% aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Grünling bei einer Temperatur von etwa 675ºC bis etwa 725ºC gesintert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Membranelement nach dem Sintern bei einem zweiten höheren Druck gepreßt wird, um ihm eine zusätzliche Struktursteifigkeit zu verleihen.

12. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Membranelement in einzelne Filterelemente vorgegebener Größe zurechtgeschnitten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Membranelement durch elektrische Drahtentladung geschnitten wird.







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