DD289065A5

DD289065A5 - Verfahren zur erzeugung einer dielektrischen schicht auf leichtmetallen oder deren legierungen

Info

Publication number: DD289065A5
Application number: DD33167689A
Authority: DD
Inventors: Ullrich Bayer; Juergen Schmidt; Thomas Schwarz; Peter Kurze; Joachim Schreckenbach
Original assignee: Carl Zeiss Gmbh Werk Entwicklung Wiss.-Techn. Ausruestungen Patentbuero,De; Technische Universitaet,De
Priority date: 1989-08-09
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1991-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen, mit dem duenne dielektrische Schichten auf Leichtmetallen aufbringbar sind. Ein geeigneter Elektrolyt unterstuetzt den Beschichtungsprozesz. Die Erfindung ist ohne hohen technologischen Aufwand realisierbar. Gemaesz der Erfindung, bei der in einem Behaelter ein Elektrolyt bewegt wird, ist die Behaelterinnenwand mit einer Elektrode ausgekleidet. Eine Gegenelektrode ist im Elektrolyten angeordnet. An den Elektroden liegt eine Gleich- oder Impulsspannung an, die bis zu einer Arbeitsspannung, bei der sich eine konstante Stromdichte einstellt, geregelt wird. Es bildet sich an der Anode eine metallseitige Sperrschicht und spaeter auf derselben eine Keramikschicht aus. Die Beschichtung erfolgt in einem Grundelektrolyten, der als Anionen Dihydrogenphosphat und als Kationen Alkalimetalle und/oder Ammonium enthaelt. Die Impraegnierung des Oberflaechenbereiches der Keramikschicht mit Silikonkautschuk verschlieszt deren mikrostrukturierte Topografie.{Verfahren; dielektrische Schicht; Leichtmetall; Elektrolyt; Spannung, regelbar; Stromdichte}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen, das zur Herstellung von geeigneten dielektrischen Schichten auf Leichtmetallen für elektrostatische Haltevorrichtungen, die in den Bearbeitungs- und Kontrollprozessen der Halbleitertechnologie eingesetzt wird, seine Anwendung findet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Verfahren zur Herstellung von dielektrischen Schichten auf sperrschichtbildenden Metallen und Vorrichtungen, bei denon

diesen dielektrischen Schichten oine funktionsbestimmende Rolle zugeordne t ist, sind bekannt.

Das Prinzip der elektrostatischen Halterung in der Anziehung entgegengesetzt geladener Elektroden ist aus den Grundlagen der Elektrotechnik bekannt. Im bekannten Fall ist die Anwendung des Prinzips auf eine Kraftwirkung zwischen Platten eines

geladenen Kondensators zurückzuführen.

Aus der Patentliteratur sind einige Lösungen bekannt, wie beispielsweise in der GB 2147459, EP 0049588, SU 626476, DD 143131, DD 235977 beschrieben, bei denen die dielektrische Schicht mit der Werkstückunterlage eine Elektrode bildet. Die Gegenelektrode wird z. B. durch eine zu haltende Halbleiterscheibe gebildet. Die funktionsbestimmende Rolle übernimmt bei

derartigen Vorrichtungen die dielektrische Schicht.

In der DD-PS 143131 werden als dielektrische Schicht die Oxide des Substratmaterials verwendet. Der Lösung haftet der Nachteil

an, daß die eingesetzten Spannungen von 10V nicht das Spannen einer stark verworfenen Halbleiterscheibe mit Verwerfungen um ca. 20μπι erlauben, da nach der Beziehung:

neben der dielektrischen Eigenschaften der Isolationsschicht auch die Höhe der angelegten Spannung mit entscheidend für die auf die Halbleiterscheibe wirkenden Kraft ist.

Derartig verworfene Halbleiterscheiben werden nach der DD-PS 235977 vor dem Wirken des elektrostatischen Halters mittels eines aufwendigen Vakuum- und Gasführungssystems eingeebnet. Durch die elektrostatische Wirkung erfolgt danach nur noch die Fixierung der Lage der Scheiben.

In anderen Veröffentlichungen, wie beispielsweise in der WO 79/00510, DD 211675, US 3916270, GB 1352715 beschrieben, gelangen Folien und auch andere kompakte Materialien aus Glimmer, Polyester, Bariumtitanat sowie herkömmlich erzeugte Oxidschichten als dielektrische Schichten zur Anwendung. Die Nachteile dieser dielektrischen Schichten liegen darin, daß die hier eingesetzten Materialien durch ihren organischen Charakter eine hohe Gasabgaberate besitzen und einen hohen Oberflächenwiderstand aufweisen. Nachteilig ist auch, daß diese Materialien teilweise nur mit Klebemitteln befestigt werden müssen, die wiederum nicht vakuumverträglich sind und die Ebenheit der Werkstückoberfläche beeinflussen. Ebenso ist das Lösen der elektrostatisch gehaltenen Haibleitorscheiben auch nach Wegnahme der angelegten Spannung nicht in technologisch vertretbaren Zeiträumen unter 10min möglich, was auf den hohen Oberfläc!ienwiderstand der polymeren Werkstoffe zurückzuführen ist. In der EP 0058023 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems beschrieben, das im Ergebnis eine Oberflächenschicht für eine Haltevorrichtung nach dem elektrostatischen Prinzip anbietet, das verwendbar ist. Lösungsgemäß werden in technologisch sehr aufwendigen Verfahrensstufen als Basismaterial Ventilmetalle eingesetzt, auf deren Oberf lächo in teilweise rücklösenden Elektrolyten eine Oxidschicht mit Mikroporen erzeugt wird. In einer weiteren Verarbeitungsstufe werden durch Imprägnierung metallorganischer Polymere in die Mikrcporen eingelagert. Nach der Imprägnierung erfolgt eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von mindestens 100°C und Behandlungszeiten von über 60min. Als Nachteil wirkt sich bei dieser Lösung der hohe technologische Aufwand zur Herstellung der gewünschten Schichtsysteme aus, wobei diese Schichten nur eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von = 400 V garantiert. In der SU 607852 wird oin anodisches Oxidationsverfahren in sauren Lösungen zur Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften beschrieben. Das Verfahren ist durch die Vorgabe für die Einhaltung der Elektrodenabstände und für die aufwendige Konzeption der verdünnten sauren Lösungen sehr kompliziert und produktionsmSßig schwer beherrschbar. Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, wie beispielsweise in der DD 142360, DE 3006308, DD 218637 beschrieben, die dio Herstellung von dielektrischen Schichten auf sperrschichtbildenden Metallen beschreiben.

Die DD 142360 stellt beispielsweise ein Verfahren vor, wo die anodische Oxidation unter Funkenentladung in wäßrigen Elektrolyten auf sperrschichtbildenden Metallen unter Plasmabedingungen abläuft und hochaktive Oxide auf der Schichtoberfläche hinterläßt. Diesem Beschichtungsverfahren haftet der Nachteil an, daß der Beschichtungsprozeß unter extremen Strom-Spannungs-Bedingungen und unter Verwendung fluoridhaltiger Elektrolyse abläuft.

Alle weiteren bekannten Verfahron zur Herstellung von Sperrschichten oder zum Aufbringen keramischer Beläge, wie auch in der DE 2703975, DE 3011081, DE 3248303, DE 3225305 beschrieben, begünstigen nur, in Abhängigkeit von der Elektrolytzusammensetzung, die Herstellung einer Sperrschicht mit gleichartiger Zusammensetzung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen zu realisieren, mit dem ohne hohen technologischen Aufwand dielektrische Schichten auf Leichtmetallen aufgebracht werden, wobei das Experiment sich durch einen unkomplizierten Aufbau mit geringem apparativem Aufwand auszeichnet sowie kostengünstig und einfach beherrschbar zu gestalten ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen zu schaffen, mit dem die Herstellung von dünnen dielektrischen Schichten auf Leichtmetallen der IVa, Va-Gruppe des PSE möglich ist, wobei die dielektrische Schicht sich mindestens durch eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, durch einen hohen Oberflächenwiderstand auszeichnen soll und ein geeigneter Elektrolyt den Beschichtungsprozeß unterstützt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für ein Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen, vorzugsweise auf einem Titanwerkstoff, bei dem in einem Behälter, der innenwandig mit einer Elektrode aus Titan oder Edelstahl ausgekleidet ist, eine Gegenelektrode aus Titan angeordnet ist, die sich in einem bewegten Elektrolyten befindet, wobei an die Elektroden eine regelbare elektrische Spannung angelegt wird und beim Erreichen einer Stromdichte die Beschichtung mit einer Keramikschicht, die aus Mischoxiden des Substratmaterials besteht, unter Funkenentladung an der Gegenelektrode erfolgt, bei dem an den Elektroden eine Gleichspannung oder eine Impulsspannung anliegt, wobei die Impulsspannung eine Frequenz im Bereich von 50Hz bis 150Hz besitzt, und die Elektrode, mit der die Auskleidung des Behälters erfolgt ist als Kathode und die Gegenelektrode als Anode geschaltet ist, dadurch gelöst, daß der Elektrolyt eine Temperatur von 15⁰C bis 70°C besitzt und zur Vermeidung von Temperaturunterschieden mittels konventioneller Methoden bewegt wird, daß die Gleichspannung oder die Impulsspannung bis zu einer Arbeitsspannung geregelt wird, bei der sich die Stromdichte im Bereich von 0,5A/dm² bis 5,0 A/dm² konstant einstellt, bis sich eine metallseitige Sperrschicht an der Anode ausbildet, daß eine weitere Erhöhung der Gleichspannung oder der Impulsspannung vorgenommen wird, bis auf der Oberfläche der Sperrschicht Funken auftreten, wobei beim Erreichen dieser eingeregelten Arbeitsspannung die Stromdichte im Bereich von 1,5 A/dm² bis 10,0 A/dm² in Abhängigkeit von derzu erzielenden Schichtdicke der Keramikschicht eingestellt wird, daß die Stromdichte mit zunehmender Schichtdicke sinkt, daß die Beschichtung beendet ist, wenn die Stromdichte unter 1,0 A/dm³ liegt. Der Oberflächenbereich der Keramikschicht wird mit Silikonkautschuk imprägniert. Er verschließt die Poren und Vertiefungen der mikro&trukturierten Tropografie der Keramikschicht. Die Imprägnierung er'olgt insbesondere dann, wenn sehr hohe elektrische Durchschlagsfestigkeiten gefordert sind

Die Beschichtung der Anode mit der Keramikschicht erfolgt in einem wäßrigen ammoniakalischen Elektrolyten der als Anionen

Dihydrogenphosphat und als Kationen Alkalimetalle und/oder Ammonium in Konzentrationen von 0,3mol/l bis 1,0mol/l

enthält. Diese Komponente ist sperrschichtbildend. Sie verursacht bei anodischer Polung auf dem Substrat die Ausbildung der

Sperrschicht bei konstanter Stromdichte von 0,5 A/dm² bis 5,0 A/dm¹. Der Elektrolyt enthält weitere Komponenten in niedrigen Konzentrationen, die bei maximal 90% der Konzentration des Grundelektrolyten liegt, wobei insbesondere Natriumazetat oder Natriumcarbonat und Ammoniumcarbonat zugesetzt werden,

die mit für die Erzeugung der Mischoxidschicht und weiteren Einlagerungen von Natriumionen in den Oberflächenbereich verantwortlich sind.

Die Beschichtung erfolgt bei 1,5 A/dm² bis 10,0A/dm². Das Verfahren genügt der Schaffung einer dünnen dielektrischen Schicht auf sperrschichtbildenden und nichtferromagnetischen Leichtmetallen der IVa-, Va-Gruppe des PSE, vorzugsweise Titan, Tantal oder deren Legierungen, wobei die dielektrische Schicht sich durch Vakuumtauglichkeit, d.h. durch geringe Gasabgabe unter Vakuumbedingungen, durch eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, durch einen hohen Oberflächenwiderstand, durch die Reproduktion der Ebenheit des Ausgangszustandes

auszeichnet. Es ermöglicht im Experiment einen umkomplizierten Aufbau mit geringem gerätetechnischen Aufwand. Das

Verfahren ist einfach beherrschbar und arbeitet kostengünstig. Ausführungsbelsplele Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Auf die Oberfläche eines sperrschichtbildenden und nichtferromagnetischen Leichtmetalles soll eine 30μιη dicke Keramikschicht aufgebracht werden. Als Leichtmetall wird EMO-Ti 110 verwendet.

Ein nach konventionellen Verfahren entfettetes Bauteil aus EMO-Ti 110 mit einem Durchmesser von 137 mm, einer Dicke von 15mm und einer Ebenheit von S3 pm wird in einen Behälter aus Polyethylen entf prechender Abmessung gebracht. Der Behälter ist innenwandig mit einer Elektrode aus Titan ausgekleidet. In dem Behälter befindet sich ein Elektrolyt, der aus einer wäßrigen Lösung von 0,8mol/l KH₂PO₄ (Kaliumdihydrogenphosphat) und 0,5mol/l NaCH₃COO (Natriumacetat) besteht. Der Elektrolyt besitzt eine Temperatur von 35°C. Er wird mittels konventioneller Methoden, beispielsweise durch Druckluftströmung, im Behälter bewegt, um Temperaturunterschiede zu vermeiden. Das Bauteil ist von Elektrolyten umgeben. Die Beschichtung der Oberfläche des Bauteiles erfolgt unter Nutzung einer regelbaren Gleichspannungsquelle. Dazu sind der Pluspol an das Bauteil und der Minuspol an die Elektrode, mit der die Auskleidung des Behälters erfolgt ist, zu legen. Die Gleichspannung wird kontinuierlich von OV bis zu einer Arbeitsspannung geregelt, die sich bei einer konstanten Stromdichte von 3 A/dm² einstellt. Die Arbeitsspannung wird durch das Auftreten von Funkenlawinen auf der Oberfläche des Bauteiles charakterisiert. Es erfolgt die Bildung einer Keramikschicht unter Funkenentladung auf der Oberfläche des Bauteiles, die sich aus Mischoxiden des Substratmaterials zusammensetzt. Mit zunehmender Schichtdicke sinkt die Stromdichte. Die Beschichtung ist beendet, wenn die Stromdichte weniger als 1,0 A/dm² beträgt. Das beschichtete Bauteil wird anschließend in deionisiertem Wasser bei einer Temperatur von 45°C und einer Spüldauer von 2 min unter Wasserbewegung nachbehandelt. Nach Beendigung der Trocknung an der Luft wurde am beschichteten Bauteil eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 850 V nach erfolgter Prüfung festgelegt.

In einem weiteren Anwendungsfall soll ein nach konventionellen Verfahren entfettetes Bauteil aus EMO-Ti 110 mit einem Durchmesser von 200mm, einer Dickeven 20 mm und einer Ebenheit von ^3μπι auf seiner Oberfläche eine dielektrische Schicht erhalten. Das Bauteil wird in einen Behälter aus Polyethylen entsprechender Abmessung gebracht. Der Behälter ist innenwandig mit einer Elektrode aus X8CrNiTi 18.10 ausgekleidet. In dem Behälter befindet sich ein Elektrolyt, der aus einer wäßrigen Lösung von 70 g/l NaH₃PO₄ (Natriumdihydrogenphosphat), die mit 25%iger Ammoniaklösung auf den pH-Wert 8,5 eingestellt wird, und 40g/l (NH₄I₂CO₃ (Ammoniumcarbonat) besteht. Der Elektrolyt wird durch ölfreie Preßluft über Druckluftausströmer zur Vermeidung von Temperaturdifferenzen bewegt. Die Elektrolyttemperatur wird mittels Temperaturregeleinrichtung auf 35°C eingestellt. Das Bauteil ist vom Elektrolyten umgeben. Die Beschichtung der Oberfläche des Bauteils erfolgt unter Nutzung einer regelbaren Impulsspannung mit einer Frequenz von 100Hz. Diese einseitig pulsierende Gleichspannung wird den Elektroden zugeführt, wobei der Pluspol an das Bauteil und der Minuspol an die Elektrode, mit der die Auskleidung des Behälters erfolgte, zu legen sind. Die Impulsspannung wird kontinuierlich von OV bis zu einer Spannung geregelt, die sich bei einer konstanten Stromdichte von 1,5 A/dm² einstellt. In diesei Phase bildet sich an der Anode eine metallseitige Sperrschicht auf der Oberfläche des Bauteiles aus. Die weitere Erhöhung der Spannung erfolgt solange, bis sich auf der Oberfläche der erzeugten Sperrschicht ein gleichmäßiges Funkenbild zeigt. Dieses Funkenbild deutet auf das Erreichen einer erforderlichen Arbeitsspannung, die sich bei einer konstanten Stromdichte von 2 A/dm² einstellt. Der arithmetische Mittelwert der Impulsspannung beträgt unter den genannten Bedingungen 60V. Mit dieser erreichten Arbeitsspannung erfolgt die Bildung einer Keramikschicht, die aus Mischoxiden des Substratmateriales besteht, unter Funkenentladung auf der Oberfläche der Sperrschicht. Die Stromdichte fällt mit zunehmender Schichtdicke der Keramikschicht. Die Beschichtung ist beendet, wenn die Stromdichte weniger als 1,0 A/dm² beträgt. Im letzten Drittel des Stromdichterückganges treten auf der Oberfläche der Keramikschicht verstärkt größere gelbe Funken auf, die auf die Einlagerung von Natriumionen in den Oberflächenbereich der Mischoxidschicht schließen. Deshalb wird mit der Beendigung der Beschichtung bis unter 1,0A/dm² abgewartet. Das beschichtete Bauteil wird ausschließlich in deionisiertem Wasser bei einer Temperatur von 45⁰C und einer Spüldauer von 2 min unter Wasserbewegung nachbehandelt. Nach Beendigung der Trocknung an der Luft wird das so beschichtete Bauteil unter einem Vakuum von 1 · 10"²Pa mit einer Mischung aus Silikonkautschuk NG 3724 und mit oder ohne Silikonöl NM1-50(maximal20MTauf 80 MT NG 3724) und Vernetzer NM 4214 so imprägniert, daß diese Mischung nur die Poren und Vertiefungen der mikrostrukturierten Topographie der Keramikschicht verschließt. Das so an der Oberfläche der Keramikschicht imprägnierte Bauteil wird dann bei einer Temperatur von 15O⁰C und einer Zeitdauer von 15 min im Wärmeschrank ausgehärtet. Die Imprägnierung der Keramikschicht mit Silikonkautschuk und mit oder ohne Silikonöl und Vernetzer erweist sich insofern günstig, wenn sehr hohe Durchschlagsfestigkeiten bis 1,5KV benötigt werden.

Das Verfahren ist besonders zur Erzeugung einer dünnen dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen geeignet. Die dielektrische Schicht setzt sich hier aus einer anodisch aufgebrachten Keramikschicht, die aus Mischoxiden des Substratmaterials besteht, oder aus der Keramikschicht und einer in die Keramikschicht imprägnierten Mischung aus Silikonkautschuk mit oder ohne Silikonöl und Vernetzer zusammen.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen, vorzugsweise auf einem Tita η werkstoff, bei dem in einem Behälter, der innenwandig mit einer Elektrode aus Titan oder Edelstahl ausgekleidet ist, eine Gegenelektrode aus Titan angeordnet ist, die sich in einem bewegten Elektrolyten befindet, wobei an die Elektroden eine regelbare elektrische Spannung angelegt wird und beim Erreichen einer Stromdichte die Beschichtung mit einer Keramikschicht, die aus Mischoxiden des Substratmaterials besteht, unter Funkenentladung an der Gegenelektrode erfolgt, bei dem an den Elektroden eine Gleichspannung oder eine Impulsspannung anliegt, wobei die Impulsspannung eine Frequenz im Bereich von 50Hz bis 150Hz besitzt, und die Elektrode, mit der die Auskleidung des Behälters erfolgt ist, als Kathode und Gegenelektrode als Anode geschaltet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektrolyt eine Temperatur von 15⁰C bis 7O⁰C besitzt und zur Vermeidung von Temperaturunterschieden mittels konventioneller Methoden bewegt wird, daß die Gleichspannung oder die Impulsspannung bis zu einer Arbeitsspannung geregelt wird, bei der sich die Stromdichte im Bereich von 0,5 A/dm² bis 5,0 A/dm² konstant eingestellt, bis sich eine metallseitige Sperrschicht an der Anode ausbildet, daß eine weitere Erhöhung der Gleichspannung oder der Impulsspannung vorgenommen wird, bis auf der Oberfläche der Sperrschicht Funken auftreten, wobei bei Erreichen dieser eingeregelten Arbeitsspannung die Stromdichte im Bereich von 1,5 A/dm² bis 10,0 A/dm² in Abhängigkeit von der zu erzielenden Schichtdicke der Keramikschicht eingestellt wird, daß die Stromdichte mit zunehmender Schichtdicke sinkt, daß die Beschichtung beendet wird, wenn die Stromdichte unter 1,0 A/dm² liegt.

2. Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Oberflächenbereich der Keramikschicht mit Silikonkautschuk imprägniert wird.

3. Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Beschichtung der Anode mit der Keramikschicht in einem wäßrigen und/oder ammoniakalischen Elektrolyten der als Anionen Dihydrogenphosphat und als Kationen Alkalimetalle und/oder Ammonium in Konzentrationen von 0,3mol/l bis 1,0mol/l erhält, erfolgt.

4. Verfahren zur Erzeugung einer dielektrischen Schicht auf Leichtmetallen oder deren Legierungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Elektrolyten weitere Komponenten in niedriger Konzentration, insbesondere Natriumazetat oder Natriumcarbonat und Ammoniumcarbonat zugesetzt werden.