DE10014356A1

DE10014356A1 - Aluminum alloy used in the production of anodizing layers for components of chemical reactors and/or plasma reactors for producing semiconductor wafers contains magnesium as an alloying addition

Info

Publication number: DE10014356A1
Application number: DE2000114356
Authority: DE
Inventors: Joachim Arlt; Karl-Herrmann Busse; Ralf Walther
Original assignee: VenTec Gesellschaft fur Venturekapital und Unternehmensberatung
Current assignee: VenTec Gesellschaft fur Venturekapital und Unternehmensberatung
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-10-04
Also published as: EP1138793A2; EP1138793A3

Abstract

Aluminum alloy contains magnesium as an alloying addition in an amount of 1.4-2.9 %. The sum of all further elements in the alloy is not more than 300 ppm and the concentration of the individual elements does not exceed 40 ppm with the exception of aluminum and magnesium. Preferred Features: The anodizing layers produced have a thickness of 5-300, preferably 25-90 mu m.

Description

State of the art

Über Aluminiumlegierungen und deren anodische Oxidation (Anodisieren) ist bereits viel gearbeitet worden. Zusammenfassend ist der Stand der Technik z. B. den folgenden Publikationen zu entnehmen: T. W. Jellinek: Oberflächenbehandlung von Aluminium, F. Leutze Verlag 1997; F. Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, Springer Verlag 1998.About aluminum alloys and their anodic oxidation (anodizing) a lot has already been worked. In summary, the state of the art e.g. For example, see the following publications: T. W. Jellinek: Surface treatment of aluminum, F. Leutze Verlag 1997; F. Ostermann: Application technology aluminum, Springer Verlag 1998.

Unter einer Anodisierung versteht man die elektrochemisch erzeugte Konversionsschicht auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dabei wird die Oberfläche des Aluminiumwerkstoffes durch anodische Oxidation in eine Aluminiumoxid/Hydroxid- bzw. Mischoxid/Hydroxidschicht umgewandelt. Damit ein Bauteil in hinreichender Qualität anodisiert werden kann, muß es nach einer sorgfältigen Entfettung gebeizt werden. Ziel der Beize ist es, das auf jeder Aluminiumoberfläche vorhandene Oxid zu entfernen und bei Aluminiumlegierungen oberflächennahe Phasen, die Begleitelemente enthalten, möglichst vollständig zu entfernen. Schon von einer sachgemäßen Beize hängt die Qualität einer Anodisierung entscheidend ab. Sind auf der Oberfläche noch Oxidreste und schlecht anodisierbare Fremdphasen vorhanden, wird der Schichtaufbau lokal gestört. Es kann sich dann keine geschlossene Schicht bilden.Anodization is understood to mean that which is generated electrochemically Conversion layer on aluminum or an aluminum alloy. there is the surface of the aluminum material by anodic oxidation in an aluminum oxide / hydroxide or mixed oxide / hydroxide layer converted. So that a component can be anodized with sufficient quality, it must be stained after careful degreasing. The aim of the stain is that remove oxide from any aluminum surface and at Aluminum alloys near-surface phases, the accompanying elements included to remove as completely as possible. Already from a proper one Pickling depends crucially on the quality of anodization. Are on the Surface still oxide residues and poorly anodizable foreign phases existing, the layer structure is disturbed locally. Then there can be none form a closed layer.

Zum eigentlichen Anodisieren wird das Bauteil in ein Säurebad, das neben gelöstem Aluminium noch weitere Zusätze im geringeren Umfang enthalten kann, getaucht. Zwischen dem Werkstück und den Gegenelektroden wird eine Spannung zwischen 10 und 120 Volt angelegt. Die Stromdichte beträgt dabei 0,5 bis 3 Ampere pro dm². Die Badtemperaturen betragen je nach Verfahren rund 0°C bis 25°C.For the actual anodizing, the component is immersed in an acid bath, which in addition to dissolved aluminum can also contain other additives to a lesser extent. A voltage between 10 and 120 volts is applied between the workpiece and the counter electrodes. The current density is 0.5 to 3 amperes per dm ² . Depending on the process, the bath temperatures are around 0 ° C to 25 ° C.

Im Zeitverlauf baut sich während der Beschichtung die Anodisierschicht (oftmals genannt Eloxalschicht) nicht gleichmäßig auf. Nachdem der Schichtaufbau nach Anlegen der Spannung relativ hoch ist, sinkt er immer weiter ab, je dicker die entstandene Schicht wird. Da die Säure gleichzeitig die Oberfläche der Anodisierschicht mit einer konstanten Rate abträgt, erzielt man nach einer gewissen Zeit keinen weiteren Schichtaufbau. Dieses Phänomen wird als Rücklösung bezeichnet. Zur Erzeugung einer hochwertigen Anodisierung darf man sich diesem Grenzfall nicht zu sehr nähern. Hohe Schichtstärken bei Anodisierungen werden dann erreicht, wenn man die Spannung und die Stromdichte erhöht, das Bad kühlt und im großen Umfang die Rücklösung unterdrückende Badzusätze, z. B. Oxalsäure, verwendet. Nach der eigentlichen Anodisierung wird das Bauteil gründlichst gespült.Over time, the anodizing layer builds up during the coating (often called anodized layer) not evenly. After the Layer build-up is relatively high after the voltage is applied, it always drops the thicker the layer becomes. Because the acidity at the same time removes the surface of the anodizing layer at a constant rate after a certain time no further layer build-up. This Phenomenon is called redemption. To generate a High-quality anodization is not too much for this borderline case approach. High layer thicknesses with anodizing are then achieved if you increase the voltage and the current density, the bath cools and in large scale the bath solution suppressing the redissolution, z. B. oxalic acid, used. After the actual anodization, the component is thoroughly cleaned rinsed.

Als letzte Stufe einer Anodisierung erfolgt die sogenannte Verdichtung der Schicht, die man sich als ein Aufquellen der Schicht unter irreversibler Wasseraufnahme vorzustellen hat. Dabei nehmen die Oxide in der Anodisierung Wasser auf. Die Verdichtung erfolgt in einem Bad mit heißem Wasser (deionisiert) oder in einer Kammer mit nassem Dampf. Die Verdichtung kann durch diverse Prozeßparameter beeinflußt werden (z. B. pH-Wert, Temperatur, Zeit).The final stage of anodization is the so-called compression of the Layer, which is considered a swelling of the layer under irreversible Has to introduce water absorption. The oxides in the Anodizing water on. The compression takes place in a bath with hot Water (deionized) or in a chamber with wet steam. The Compression can be influenced by various process parameters (e.g. pH, temperature, time).

Eine Anodisierschicht ist jedoch keine homogene Schicht. Anodisierungen sind immer aus zwei deutlich getrennten Bereichen aufgebaut. However, an anodizing layer is not a homogeneous layer. Anodizing are always made up of two clearly separate areas.

Direkt auf dem Grundwerkstoff bildet sich im Idealfall zunächst eine sehr dünne, dichte, homogene Schicht, deren Dicke 0,1% bis maximal 2% der Gesamtschichtstärke ausmacht. Diese sogenannte Sperrschicht ist im wesentlichen für die elektrischen Isolationseigenschaften des Schichtsystems verantwortlich.Ideally, a very first one forms directly on the base material thin, dense, homogeneous layer, the thickness of which is 0.1% to a maximum of 2% Total layer thickness. This so-called barrier layer is in the essential for the electrical insulation properties of the Shift system responsible.

Die darüber liegende sogenannte poröse Schicht, die den weitaus größten Dickenanteil des Schichtsystems ausmacht, besteht aus mehr oder weniger amorphen Alumiumoxid-, Oxidhydroxid- und Hydroxid- und Mischoxidphasen sowie Salzen aus dem Anodisierbad. Wie die Bezeichnung der Schicht zum Ausdruck bringt, hat diese Schicht immer einen mehr oder weniger großen porösen Anteil. Sie besteht aus sehr kleinen, im Idealfall sechseckigen Zellen (Durchmesser typischerweise 0,02 bis 0,06 µm), die senkrecht auf die Oberseite der Sperrschicht aufgewachsen sind. Daher kann man sie makroskopisch betrachtet auch als stengelig (Länge zu Durchmesser kann bis 1000 : 1 betragen) beschreiben. Im Inneren dieser Stengel verlaufen Poren von der Oberfläche der Schicht bis fast auf die Sperrschicht. Die Anzahl dieser Zellen pro Flächeneinheit wird durch die Parameter der Beschichtung bestimmt. Das wesentliche Ziel der Verdichtung einer Anodisierung ist es daher, durch Aufquellen der Wände der Zellen (Hydratbildung) die Poren zu verschließen. Die Isolationseigenschaften dieser porösen Schicht werden im wesentlichen dadurch bestimmt, ob die Poren vollständig (und nicht nur oberflächlich) geschlossen sind und ob die Leitfähigkeit fördernden Salze in der Schicht eingeschlossen sind.The so-called porous layer on top, which is by far the largest Thickness portion of the layer system consists of more or less amorphous aluminum oxide, oxide hydroxide and hydroxide and mixed oxide phases as well as salts from the anodizing bath. Like the name of the layer for Expresses, this layer always has a more or less large one porous portion. It consists of very small, ideally hexagonal cells (Typically 0.02 to 0.06 µm in diameter) perpendicular to the Top of the barrier layer are grown. So you can Macroscopically also considered as stalked (length to diameter can up to 1000: 1). Run inside these stems Pores from the surface of the layer almost to the barrier layer. The The number of these cells per unit area is determined by the parameters of Coating determined. The main goal of condensing one It is therefore anodizing by swelling the walls of the cells (Hydrate formation) to close the pores. The insulation properties this porous layer are essentially determined by whether the Pores are completely (and not only superficially) closed and whether the Conductivity-promoting salts are included in the layer.

Ein vorstehend beschriebenes Schichtsystem kann sich in dieser Weise nur auf einer chemisch und physikalisch homogenen Metalloberfläche abscheiden. Die zum gegenwärtigen Zeitpunkt verwendeten Aluminiumknetlegierungen zum Herstellen von Präzisionsbauteilen, z. B. für die Halbleiterindustrie, sind aber weder physikalisch noch chemisch homogen.A layer system described above can only in this way on a chemically and physically homogeneous metal surface separate. The currently used Wrought aluminum alloys for the production of precision components, e.g. B. for the semiconductor industry, but are neither physical nor chemical homogeneous.

Während die unvermeidliche Kornstruktur des Grundwerkstoffes nur einen geringen Einfluß auf die Qualität einer Anodisierschicht hat, wenn die Korngrenzen nicht belegt sind, ist dies jedoch der Fall, wenn sich an den Korngrenzen Fremdphasen angereichert haben. Auf diese Weise können sich Fehlstellen ausbilden. Gleiches gilt in noch stärkerem Maße für die Phasen, die sich direkt aus der Schmelze abscheiden, da die entstehenden Ausscheidungen in der Regel gröber sind. Die Fremdphasen stören die Ausbildung einer Anodisierschicht um so weniger, desto feiner und kugeliger sie eingeformt sind. Denn nur dann kann man sie vor dem eigentlichen Anodisieren durch Beizen entfernen oder sie werden in der Schicht eingeschlossen ohne von der Schichtoberfläche zum Grundwerkstoff durchgehende Fehlstellen zu bilden.While the inevitable grain structure of the base material only one has little influence on the quality of an anodizing layer if the Grain boundaries are not occupied, however, this is the case if the Grain boundaries have enriched foreign phases. That way you can defects develop. The same applies even more to that Phases that separate directly from the melt, because the resulting Excretions are usually coarser. The foreign phases disturb them Formation of an anodizing layer the less, the finer and more spherical they are molded. Because only then can you see them before the actual one Remove anodizing by pickling or they will be in the layer enclosed without from the layer surface to the base material to form continuous defects.

Nur wenige der in Aluminiumknetlegierungen enthaltenen binären, ternären, quarternären, oder noch komplexeren intermetallischen Phasen verhalten sich bei der Anodisierung, was Schichtaufbau und Rücklösung angeht, wie reines Aluminium. Ist die "Fremdphase" schlechter anodisierbar, entsteht eine Fehlstelle; aber auch dann, wenn diese Phase zu stärkerer Rücklösung neigt. Unbedenklich sind von den im größeren Umfang in den Alumininumknetlegierungen vorhandenen Phasen nur die Aluminium-/ Magnesiumphasen. Few of the binary, ternary, quaternary, or even more complex intermetallic phases behave the anodization, in terms of layer structure and redissolution, how pure aluminum. If the "foreign phase" is more difficult to anodize, the result is a missing part; but also when this phase leads to stronger redissolution tends. Are harmless from those on a larger scale in the Aluminum wrought alloys existing phases only the aluminum / Magnesium phases.

Hinzu kommt, daß oberflächennahe Lunker, Poren und nichtmetallische Einschlüsse aller Art im Aluminiumwerkstoff vermieden werden müssen, da sie zu Fehlstellen in einer Anodisierung führen.In addition, there are cavities near the surface, pores and non-metallic Inclusions of all kinds in the aluminum material must be avoided because they lead to defects in an anodization.

Aus den obigen Ausführungen zum Stand der Technik ist zu entnehmen, daß insbesondere die Legierungselemente, welche intermetallische Phasen, z. B. Eisen und Silizium, auch mit Aluminium bilden können, abgesenkt werden müssen, um Fehlstellen in Anodisierungen zu reduzieren.From the above statements on the prior art it can be seen that especially the alloy elements, which intermetallic phases, for. B. Iron and silicon, which can also form with aluminum, can be reduced to reduce imperfections in anodizing.

Diese intermetallischen Phasen insbesondere aus Silizium und Eisen mit Aluminium beeinflussen auch die Farbgestaltung und die optischen Eigenschaften von Anodisierungen erheblich. Daher wird im JP Patent Nr. P 60-40528, DE 36 06 218 A1, für einen Aluminiumwerkstoff für Uhrengehäuse, vorgeschlagen, den Eisengehalt und Siliziumgehalt in dem Aluminiumwerkstoff mit 0,5-3,0% Magnesium als Legierungselement, auf unter 100 ppm abzusenken, um hierdurch glasklare und nach einer Einfärbung goldfarbige Anodisierschichten zu erhalten. Ähnliche sogenannte Glanzlegierungen für dekorative Zwecke sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf dem Markt erhältlich und sind damit Stand der Technik.These intermetallic phases in particular made of silicon and iron Aluminum also affects the color scheme and the visual appearance Properties of anodizing considerably. Therefore, JP Patent No. P 60-40528, DE 36 06 218 A1, for an aluminum material for Watch case, suggested the iron content and silicon content in the Aluminum material with 0.5-3.0% magnesium as an alloying element lower than 100 ppm to make it crystal clear and after one To get gold colored anodizing layers. Similar so-called Glossy alloys for decorative purposes are currently available on the market and are therefore state of the art.

Das alleinige Absenken von einigen Legierungselementen in einer Aluminiumlegierung zum Anodisieren reicht aber nicht aus, um eine geschlossene dichte, extrem korrosionsbeständige Anodisierschicht insbesondere auf Bauteilen für chemische Reaktoren und Plasmareaktoren zum Herstellen und Bearbeiten von Halbleitersubstraten (Wafern) zu erzeugen. Hierbei werden oftmals aggressive Gasgemische und Plasmen auf der Basis oder mit Beimengungen von Chlor und Fluor verwendet, welche bei einer kleinsten Fehlstelle in den Anodisierungen sofort den Grundwerkstoff (die Aluminiumlegierungen) angreifen können. Aufgrund dieses extremen Korrossionsangriffes, auch in Kombination mit elektrischen Durchschlägen, ausgelöst durch eine Plasmaentladung, werden umgehend freies Aluminium und/oder andere Reaktionsprodukte, wie z. B. AlF₆, freigesetzt, welche die Produktionsausbeute bei der Halbleiterherstellung, infolge von Partikelkontamination und chemischer Kontamination der Halbleitersubstrate (Wafer), drastisch zu reduzieren vermögen.Simply lowering some alloy elements in an aluminum alloy for anodizing is not sufficient to create a closed, dense, extremely corrosion-resistant anodizing layer, especially on components for chemical reactors and plasma reactors for the manufacture and processing of semiconductor substrates (wafers). Aggressive gas mixtures and plasmas on the basis or with admixtures of chlorine and fluorine are often used, which can attack the base material (the aluminum alloys) immediately if there is a small defect in the anodizing. Due to this extreme corrosion attack, also in combination with electrical breakdowns, triggered by a plasma discharge, free aluminum and / or other reaction products, such as. B. AlF ₆ , released, which are able to drastically reduce the production yield in the semiconductor production, due to particle contamination and chemical contamination of the semiconductor substrates (wafers).

Um weitestgehend fehlerfreie, geschlossene und extrem korrosions beständige Anodisierungen auf Bauteilen für derartige oder ähnliche Anwendungen zu erzeugen, ist es daher erforderlich, eine hochwertige Aluminiumlegierung zu entwickeln, auf der die Bildung dieser Schichten durch Anodisierung erfolgreich vorgenommen werden kann. Da die Bauteile für die oben erwähnten Einsätze meist größere Abmessungen (z. B. Vakuumkammern bis zu einem Kammervolumen von rund 0,8 m³) aufweisen, die vorzugsweise aus Vollmaterial durch spanabhebende Formgebung (z. B. Fräsen, Drehen) erzeugt werden, ist es zudem aus wirtschaftlichen und technischen Gründen erforderlich, daß die Aluminiumlegierung in einfacher Weise durch spanabhebende Bearbeitungsverfahren zu bearbeiten ist. In order to produce largely defect-free, closed and extremely corrosion-resistant anodizing on components for such or similar applications, it is therefore necessary to develop a high-quality aluminum alloy on which the formation of these layers can be successfully carried out by anodizing. Since the components for the above-mentioned inserts usually have larger dimensions (e.g. vacuum chambers up to a chamber volume of around 0.8 m ³ ), which are preferably produced from solid material by machining (e.g. milling, turning), it is also necessary for economic and technical reasons that the aluminum alloy can be machined in a simple manner by machining processes.

Description of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für die spanabhebende Bearbeitung geeignete hochreine Aluminiumlegierung zum Erzeugen von extrem korrosionsbeständigen Anodisierschichten.The present invention relates to a machining suitable high purity aluminum alloy for producing extremely corrosion-resistant anodizing layers.

Herkömmliche Aluminiumlegierungen nach dem Stand der Technik weisen die folgenden Nachteile auf, die dem Erzeugen von extrem korrosionsbeständigen Anodisierschichten auf Bauteilen insbesondere für Anwendungen in chemischen Reaktoren und Plasmareaktoren, für das Herstellen und Bearbeiten von Halbleitersubstraten (Wafern), entgegenstehen. Diese sind:
Conventional aluminum alloys according to the prior art have the following disadvantages, which prevent the production of extremely corrosion-resistant anodizing layers on components, in particular for applications in chemical reactors and plasma reactors, for the production and processing of semiconductor substrates (wafers). These are:

A) The formation of mostly bourgeois, intermetallic phases through the elements aluminum, silicon, iron, copper, chrome, titanium and manganese, which especially when the degree of deformation is too low Hinders the growth of anodizing layers and causes defects in lead the anodizing.
B) The formation of locally high accumulations of Alloy elements (segregations), which the growth of oppose thermodynamically stable anodizing layers.
C) pores, cavities, gas bubbles and oxide inclusions of all kinds, which the Shedding the melt arise. On such defects in the The base body cannot have a closed, error-free anodization grow up.
D) The poor suitability of pure aluminum alloys for machining through cutting shape. So you can Pure aluminum alloys, according to the prior art, with a Purity <99.5% aluminum due to the mechanical Machining forming long shavings difficult to machine and are therefore not suitable for the economical production of complicated, mechanically complex components.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die es ermöglicht geschlossene, extrem korrosionsbeständige Anodisierschichten zu erzeugen.It is the object of the invention to overcome the disadvantages described above overcome and create an aluminum alloy that makes it possible to produce closed, extremely corrosion-resistant anodizing layers.

Re I. and II.

Da nahezu alle in Aluminiumlegierungen vorhandenen Elemente, z. B. Silizium, Kupfer, Chrom, Titan, Mangan, Eisen mit dem Aluminium schon bei geringen Konzentrationen intermetallische Phasen bilden und zu örtlichen Anreicherungen durch Seigerungen im Aluminiumwerkstoff neigen, wird die Konzentration aller dieser Elemente in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung drastisch abgesenkt.Since almost all elements present in aluminum alloys, e.g. B. Silicon, copper, chrome, titanium, manganese, iron with the aluminum already included low concentrations form intermetallic phases and local ones Enrichments due to segregations in the aluminum material tend to Concentration of all of these elements in the invention Aluminum alloy drastically lowered.

Nach den Ergebnissen unserer Arbeiten darf die Summe der Elemente in der Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung, außer Magnesium und Aluminium nicht mehr als 300 ppm (gesamte Konzentration) betragen. Zudem darf die Konzentration der Elemente außer Aluminium und Magnesium für jedes einzelne Element nicht mehr als 40 ppm betragen. According to the results of our work, the sum of the elements in the Aluminum alloy according to this invention, except magnesium and Aluminum should not be more than 300 ppm (total concentration). In addition, the concentration of the elements except aluminum and Magnesium for each individual element should not be more than 40 ppm.

Diese hohe Reinheit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung wird durch das Zusammenschmelzen von höchstreinem Aluminium und Magnesium erreicht (Reinheit des zum Schmelzen eingesetzten Aluminiums und Magnesiums jeweils besser als 99,995%).This high purity of the aluminum alloy according to the invention is due to the fusion of ultra-pure aluminum and magnesium reached (purity of the aluminum used for melting and Magnesium each better than 99.995%).

III.

Um Poren, Lunker und Gasblasen in der Aluminiumlegierung zu vermeiden wird die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung zunächst entgast. Hierbei wird insbesondere der Wasserstoffgehalt auf Werte kleiner 0,25 ppm abgesenkt. Hierdurch werden Gasblasen, welche sich bei der folgenden Warmverformung oder/und Kaltverformung des gegossenenen Materials nicht mehr schließen lassen, vermieden.To avoid pores, cavities and gas bubbles in the aluminum alloy the aluminum alloy according to the invention is first degassed. Here in particular the hydrogen content is below 0.25 ppm lowered. This will cause gas bubbles to form in the following Hot working and / or cold working of the cast material no longer close, avoided.

Zudem wird die Schmelze mit keramischen Filtern gefiltert, um gegebenenfalls vorhandene Oxide zu entfernen und Oxideinschlüsse im Gußkörper zu verhindern.In addition, the melt is filtered using ceramic filters remove any existing oxides and oxide inclusions in the To prevent castings.

Bei der Warmverformung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen durch Walzen können beim heutigen Stand der Technik nur Ausgangsdicken für die gegossene Bramme bis rd. 600 mm eingesetzt werden. Daher können zum gegenwärtigen Zeitpunkt für Bauteile großer Abmessungen (Dicke, Breite, Höhe) durch Warmwalzen nur niedrige Verformungsgrade (Quotient aus der Dicke des Materials vor der Verformung/Dicke des Materials nach der Verformung) erreicht werden.When thermoforming aluminum or aluminum alloys through With the current state of the art, rollers can only be used for initial thicknesses cast slab up to approx. 600 mm can be used. Therefore, for current time for components of large dimensions (thickness, width, Height) due to hot rolling only low degrees of deformation (quotient from the Thickness of material before deformation / Thickness of material after Deformation) can be achieved.

Beispielsweise beträgt die Rohabmessung vor der mechanischen Bearbeitung für eine Vakuumkammer für den Einsatz als Plasmareaktor rund 400 mm × 350 mm × 250 mm, d. h. bei einer Warmverformung durch Walzen kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur ein Verformungsgrad von rund 2,4 erreicht werden.For example, the raw dimension is before the mechanical one Processing for a vacuum chamber for use as a round plasma reactor 400mm x 350mm x 250mm, i.e. H. with hot forming by rolling can currently only have a degree of deformation of around 2.4 can be achieved.

Daher wird die Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung, für Bauteile großer Abmessung durch Schmieden eines Gußkörpers mit und ohne Gesenk umgeformt. Eine weitere Methode zum Erzielen von hohen Umformgraden ist das Strangpressen des Gußkörpers.Therefore, the aluminum alloy according to this invention is used for components large size by forging a cast body with and without Drop formed. Another way to achieve high Degree of deformation is the extrusion of the cast body.

Die Umformtemperatur wird dabei vorzugsweise so niedrig wie möglich gewählt, um ein übermäßiges Kornwachstum zu vermeiden, da in der erfindungsgemäßen Legierung die das Kornwachstum behindernde Belegung der Korngrenzen fehlt. Die Korngröße (mittlerer Korndurchmesser) der Kristallite der Aluminiumlegierung soll nach der Umformung und der gegebenenfalls anschließenden Wärmebehandlung nicht mehr als 500 µm betragen.The forming temperature is preferably as low as possible chosen to avoid excessive grain growth, because in the alloy according to the invention which hinders grain growth The grain boundaries are missing. The grain size (average grain diameter) the crystallite of the aluminum alloy should be after the forming and the optionally subsequent heat treatment not more than 500 microns be.

Hierdurch werden zu breite Korngrenzen verhindert, die in der Anodisierung auch Fehlstellen erzeugen können.This prevents grain boundaries that are too wide from occurring in the anodization can also create defects.

Durch die oben beschriebene Verfahrensweise lassen sich Fehlstellen im mechanisch zu bearbeitenden oder/und zu beschichtenden Rohkörper weitestgehend ausschließen.Through the procedure described above, imperfections in the raw body to be machined and / or coated exclude as much as possible.

Sollte es aufgrund von besonders komplizierten Bauteilgeometrien technisch nicht möglich sein, eine hohe Dichte der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung zu erreichen, hat sich die Strahlbehandlung (Sandstrahlen, Kugelstrahlen) zum Verdichten der zu anodisierenden Oberflächen als erfolgreich erwiesen. Hierbei wird kugelförmiges Strahlgut, z. B. aus Keramik oder metallischen Legierungen, wie korrosionsbeständiger Stahl, mit hohem Druck auf die zu verdichtende Oberfläche geschleudert (z. B. Kugeldurchmesser 0,5-3 mm, 3-10 bar Strahldruck).Should it be technically due to particularly complicated component geometries not be possible a high density of the invention To achieve aluminum alloy, the blasting treatment has become (Sandblasting, shot peening) to compact the anodized Surfaces proven to be successful. Here, spherical grit, e.g. B. of ceramic or metallic alloys, such as more corrosion-resistant Steel, thrown at high pressure onto the surface to be compacted (e.g. ball diameter 0.5-3 mm, 3-10 bar jet pressure).

Der Einsatz von scharfkantigem Strahlgut darf hierbei nicht erfolgen, da hierdurch gegebenenfalls unter der Oberfläche des Werkstückes liegende Fehlstellen, wie Poren, leicht geöffnet werden können und dann zu Fehlstellen in der Anodisierung führen.Sharp-edged blasting material may not be used here, because hereby possibly lying below the surface of the workpiece Defects, such as pores, can be opened easily and then closed Lead to defects in the anodization.

Eine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Anodisierung kann durch mechanisches Polieren und Läppen mit feinen Polier- und Läppmitteln, z. B. aus Diamant oder reinem Korund (0,1 bis 5 µm Korndurchmesser) erreicht werden. Hierdurch werden die Rauheitsspitzen der Anodisierungen abgetragen, die den Korrosionsangriff begünstigen. Vor dem Anodisieren können auch die zu beschichtenden Oberflächen mit elektrochemischem Polierverfahren bearbeitet werden, um die Dichte der Anodisierung zu erhöhen.A further improvement in the corrosion resistance of the anodization can be done by mechanical polishing and lapping with fine polishing and Lapping agents, e.g. B. from diamond or pure corundum (0.1 to 5 microns Grain diameter) can be achieved. This will cause the roughness peaks of the anodizing, which favor the corrosion attack. Before anodizing, the surfaces to be coated can also be coated Electrochemical polishing can be edited to determine the density of the Increase anodization.

Die Legierung gemäß dieser Erfindung enthält keine Elemente, die ein Kornwachstum beim Erstarren oder der Wärmebehandlung begrenzen. Daher ergibt sich, wie oben erwähnt, eine relativ grobe Kornstruktur. Diese stört aber von technischem Standpunkt aus nicht, weil es praktisch keine Ausscheidungen an den Korngrenzen gibt, die die Anodisierschicht beeinträchtigen könnten. Allerdings kann es bei einem hochwertigen Bauteil aus einer derart hochwertigen Legierung zu Problemen in der Anmutung kommen, wenn das Bauteil aufgrund der groben Körner visuell "scheckig" aussieht.The alloy according to this invention does not contain any elements Limit grain growth during solidification or heat treatment. As mentioned above, this results in a relatively coarse grain structure. This does not bother from a technical point of view, because there are practically none There are precipitates at the grain boundaries that the anodizing layer could affect. However, with a high-quality component from such a high-quality alloy to problems in appearance come when the component is visually "spotty" due to the coarse grains looks.

Ein probates Mittel, diese Kornstruktur zu kaschieren ist wiederum, das Bauteil mit einem möglichst abriebfesten kugeligen Strahlmittel vor dem Beschichten strahlen. Versuche hierzu sind mit Glasperlen und kugeligen Zirkondioxid durchgeführt worden. Mit beiden Strahlmitteln gelingt es bei sehr moderaten Bedingungen (Strahlmittel 30 bis 200 µm Durchmesser, Stahldruck 1,2 bis 2 bar, Injektoranlage) eine absolut gleichmäßige Oberflächenstruktur zu erzielen. Das ohne diese Behandlung glasartige Aussehen der Beschichtung ändert sich hierbei in ein helles Grau. Dies kann ein Vorteil sein, wenn der Kunde auf ein vertrautes "normales" Aussehen der Anodisierung besteht.A tried and tested means of concealing this grain structure is again that Component with an abrasion-resistant spherical abrasive in front of the Coating shine. Experiments on this are with glass beads and spherical Zirconia has been carried out. With both abrasives it works very well moderate conditions (blasting medium 30 to 200 µm diameter, Steel pressure 1.2 to 2 bar, injector system) an absolutely uniform To achieve surface structure. The glassy without this treatment The appearance of the coating changes to a light gray. This can be an advantage if the customer has a familiar "normal" look to the customer Anodization exists.

Soll jedoch der glasartige Eindruck der Beschichtung erhalten bleiben, muß das gestrahlte Bauteil bis zu einer Schichtdicke von ca. 15 µm durch Anodisieren vorbeschichtet werden, und die Schicht anschließend vorzugsweise mit einer Mischung aus 120 Gramm Phosphorsäure, 80 Gramm Chromsäure pro Liter Lösung bei 60 bis 80°C abgebeizt werden. Nach dieser Vorbehandlung wiederum anodisierte Bauteile aus der in dieser Schrift beschriebenen Legierung zeigen wieder das glasartige Aussehen der Eloxalschicht, ohne das die oben genannte Kornstruktur mit bloßem Auge sichtbar ist.However, if the glassy impression of the coating is to be retained, the blasted component down to a layer thickness of approx. 15 µm Anodizing can be pre-coated, and then the layer preferably with a mixture of 120 grams of phosphoric acid, 80 grams of chromic acid per liter of solution can be stripped at 60 to 80 ° C. After this pretreatment, anodized components from the in this Written alloy again show the glassy appearance of the Anodized coating without the above grain structure with the naked eye is visible.

To IV.

Reinaluminiumlegierungen mit einem Gehalt von < 99,5% Aluminium, nach dem Stand der Technik, eignen sich aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nur sehr eingeschränkt für eine mechanisch aufwendige Bearbeitung durch spanabhebende Fertigungsverfahren, wie Drehen, Fräsen, Bohren. Pure aluminum alloys with a content of <99.5% aluminum, according to the state of the art, are suitable from economic and technical Reasons only very limited for a mechanically complex Machining through machining manufacturing processes, such as turning, Milling, drilling.

Bei der spanabhebenden Bearbeitung von Reinaluminiumlegierungen bilden sich vor allem lange Späne, die selbst bei hohen Schnittgeschwindigkeiten nicht mehr vollständig geschnitten werden. Ein sogenanntes Schmieren bzw. Fressen der bearbeiteten Oberflächen ist die Folge.Form when machining pure aluminum alloys especially long chips, even at high cutting speeds can no longer be cut completely. A so-called lubrication or Eating of the machined surfaces is the result.

Zudem verziehen sich Bauteile aus Reinaluminium sehr schnell aufgrund der Neigung von Reinaluminium zu kriechen.In addition, components made of pure aluminum warp very quickly due to the Pure aluminum tends to creep.

Aus diesem Grund wird als einziger Legierungsbestandteil der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung zwischen 1,4 bis 2,9% Magnesium zugesetzt.For this reason, the only alloy component is the aluminum alloy according to the invention between 1.4 to 2.9% magnesium added.

Hierdurch entsteht einerseits ein kürzerer Span bei der mechanischen Bearbeitung und die Härte und Festigkeit des Grundwerkstoffes wird im Vergleich zu Reinaluminiumlegierungen deutlich erhöht (Härte von Reinaluminiumlegierungen kleiner 300 N/mm², Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung Härte < 500 N/mm², Messungen nach Brinell HB 31,25, Kugeldurchmesser 2,5 mm).On the one hand, this results in a shorter chip during mechanical processing and the hardness and strength of the base material is significantly increased compared to pure aluminum alloys (hardness of pure aluminum alloys less than 300 N / mm ² , aluminum alloy according to the invention hardness <500 N / mm ² , measurements according to Brinell HB 31.25, ball diameter 2.5 mm).

So lassen sich beim Verwenden von z. B. Schneidwerkzeugen beschichtet mit polykristallinem Diamant vergleichbare Spanleistungen (Schnittgeschwindigkeiten), wie bei anderen konventionellen Aluminiumlegierungen (z. B. internationale Werkstoff-Nr.: 6061, 6060) bei der mechanischen Zerspanung erreichen.So when using z. B. coated cutting tools chip performance comparable to polycrystalline diamond (Cutting speeds) like other conventional ones Aluminum alloys (e.g. international material no .: 6061, 6060) at mechanical machining.

Zusammengefaßt lautet daher die Analysenvorschrift für die Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung, eine Legierung für extrem korrosionsbeständige Beschichtungen durch anodische Oxidation:
Mg 1,4-2,9%
Summe aller weiterer Elemente außer Al und Mg maximal 300 ppm, dabei kein Element einzeln über 40 ppm,
Gasgehalt, inclusive Wasserstoff, kleiner 0,25 ppm,
Rest Al.In summary, therefore, the analysis specification for the aluminum alloy according to this invention, an alloy for extremely corrosion-resistant coatings by anodic oxidation, is:
Mg 1.4-2.9%
Sum of all other elements except Al and Mg maximum 300 ppm, no element individually over 40 ppm,
Gas content, including hydrogen, less than 0.25 ppm,
Rest Al.

Die Erfindung soll anhand eines vergleichenden Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The invention is based on a comparative embodiment are explained in more detail.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden Vakuumkammern und andere Prozeßteile (Bauteile die sich innerhalb des Plasmareaktors befinden) vielfach aus der Aluminiumlegierung mit der internationalen Werkstoff-Nr.: 6061 T 6 gefertigt, die nach der spanabhebenden Bearbeitung oftmals anodisiert werden. Daher wurde dieser Werkstoff für eine vergleichende Korrosionsüntersuchung mit der Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung ausgewählt.At the present time, vacuum chambers and others Process parts (components that are located inside the plasma reactor) often made of aluminum alloy with the international material number: 6061 T 6, which often after machining be anodized. Therefore, this material was used for a comparative Corrosion test with the aluminum alloy according to this invention selected.

Tabelle 1 zeigt die mit Hilfe der Methode der Emissionsspektroskopie ermittelten Zusammensetzungen der verwendeten Legierungen.Table 1 shows that using the emission spectroscopy method determined compositions of the alloys used.

Die Abmessungen der mechanisch, durch Fräsen gefertigten Proben betrug 80 mm × 80 mm × 5 mm. Der Verformungsgrand des für die Herstellung der Proben verwendeten Werkstoffs betrug rd. 50.The dimensions of the mechanical samples produced by milling were 80 mm × 80 mm × 5 mm. The degree of deformation of the for the production of the Samples of the material used were approx. 50.

Nach dem mechanischen Herstellen der Probekörper wurden diese jeweils in einem schwefelsauren Bad anodisiert und nachfolgend in einem Heißwasserbad bei 98°C, 180 Minuten, verdichtet. Die Schichtdicke, welche mit Hilfe der Wirbelstrommethode ermittelt wurde, betrug jeweils rd. 30 µm. Die Farbe der anodisierten Proben aus dem Werkstoff 6061 T 6 erschien gelblich, wohingegen die Anodisierung auf der Aluminiumlegierung, gemäß dieser Erfindung, farblos (glasartig) bis silbergrau erschien. After the test specimens were mechanically produced, they were each anodized in a sulfuric acid bath and subsequently in one Hot water bath at 98 ° C, 180 minutes, compressed. The layer thickness, which was determined using the eddy current method, was approx. 30 µm. The color of the anodized samples from material 6061 T 6 appeared yellowish, whereas the anodization on the aluminum alloy, according to of this invention, colorless (glassy) until silver gray appeared.

Die so hergestellten Probekörper wurden nun einem Korrosionstest unter Beaufschlagung mit 5%iger Salzsäure (HCl) unterzogen.The test specimens thus produced were now subjected to a corrosion test Exposed to 5% hydrochloric acid (HCl).

Abb. 1 zeigt das vergleichende Ergebnis der vorgenommenen Korrosionsprüfung. Es ist zu erkennen, daß bei dem Werkstoff 6061 T 6 bereits nach einer Zeit von rund 3 Stunden der festgelegte Grenzwert von 10 mg freiem Aluminium (Durchdringen der Anodisierschicht) durch Reaktion der Salzsäurelösung mit dem Grundkörper überschritten wird. Dagegen versagt die Anodisierung bei der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung erst nach der doppelten Zeit von rund 6 Stunden. Fig. 1 shows the comparative result of the corrosion test carried out. It can be seen that with the material 6061 T 6 the set limit of 10 mg of free aluminum (penetration of the anodizing layer) is exceeded after a time of around 3 hours by reaction of the hydrochloric acid solution with the base body. In contrast, the anodization in the aluminum alloy according to the invention only fails after twice the time of around 6 hours.

Description of the tables and figures

Aus der Tabelle 1 ist die chemische Zusammensetzung der verwendeten Aluminiumlegierungen zu entnehmen.From Table 1 is the chemical composition of the used Take aluminum alloys.

Abb. 1 zeigt die vergleichenden Ergebnisse des durchgeführten Korrosionstests auf den anodisierten Probekörpern. Fig. 1 shows the comparative results of the corrosion test carried out on the anodized test specimens.

Claims

1. An aluminum alloy for producing extremely corrosion-resistant anodizing layers for process components especially for use in chemical reactors and / or Plasma reactors, for the manufacture and processing of Semiconductor substrates (wafers).

2. An aluminum alloy according to claim 1, in which in addition to aluminum only Magnesium as an alloying element in the concentration from 1.4% to 2.9% is used and the sum of all other elements in the Alloy is not more than 300 ppm and the concentration of individual elements with the exception of aluminum and magnesium Does not exceed 40 ppm.

3. An aluminum alloy according to claims 1 and 2, wherein the gas content in the melt is less than 0.25 ppm.

4. An aluminum alloy according to claim 1 to 3, wherein this before the mechanical processing by hot and / or cold working high is compressed and has a degree of deformation greater than 10.

5. An aluminum alloy according to claim. 1 to 4, in which the melt at the metallurgical manufacturing is filtered to the oxide content reduce in the cast body.

6. An aluminum alloy according to claim 1 to 5, in which the additional compression of the surface of the formed base body after mechanical pre-processing and / or after Finishing before anodizing a surface treatment Blasting with spherical blasting material made of ceramic or / and metals and / or metal alloys.

7. An aluminum alloy according to claim 1 to 6, wherein the Anodizing layers of the components produced therefrom have a thickness of 5-300 µm, preferably between 25 µm and 90 µm.

8. An aluminum alloy according to claim 1 to 7, wherein the Anodizing layer to create smooth and dense surfaces is additionally mechanically polished and / or lapped.

9. An aluminum alloy according to claims 1-8, wherein the base body after the mechanical processing locally and / or completely is electrochemically polished.