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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines
Materials in ein Loch, welches sich von der Oberfläche eines
elektrisch leitenden Werkstückes
aus in das Werkstück
hinein oder durch dieses hindurch erstreckt, unter Verwendung eines
elektrischen Feldes.
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Beispielsweise
beim Galvanisieren oder Sputtern werden Ionen eines beispielsweise
auf eine Oberfläche
aufzutragenden Materials mittels eines elektrischen Feldes auf die
Oberfläche
transportiert. In beiden Fällen
wird ein elektrisches Feld zwischen einer Anode und einer Kathode
aufgebaut, wobei eine der beiden Elektroden vom zu beschichtenden Werkstück gebildet
ist.
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Beim
Galvanisieren befinden sich die beiden Elektroden in einem galvanischen
Bad, welches Metallionen enthält.
Aufgrund des zwischen den Elektroden anliegenden elektrischen Feldes
werden die positiv geladenen Metallionen durch die Flüssigkeit
zur Kathode, dem Werkstück,
transportiert, wo sie sich zu einer Beschichtung ablagern.
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Beim
Sputtern befinden sich die Elektroden hingegen in einer Vakuumkammer,
und das Werkstück
bildet in der Regel die Anode. Die Kathode wird von einem Stück Beschichtungsmaterial
gebildet. In der Vakuumkammer befindet sich Argon mit einem Druck
zwischen etwa 10–3 bis 10–2 mbar.
Aufgrund einer zwischen den Elektroden anliegenden Hochspannung
wird das Argon ionisiert und die positiven Argonionen zur Kathode
hin beschleunigt. Dort werden Atome des Beschichtungsmaterials durch
die auftreffenden Argonionen herausgelöst, die aufgrund ihrer elektrischen
Neutralität
durch die Vakuumkammer diffundieren und sich auf der Oberfläche des Werkstückes ablagern
können.
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Derartige
Verfahren kommen auch zur Anwendung, wenn Wände von Löchern in einem Werkstück beschichtet
werden sollen oder Löcher
in einem Werkstück
gefüllt
werden sollen. Wenn dabei nur die Wände der Löcher, nicht aber die Oberfläche des
Werkstückes
beschichtet werden sollen, wird die Oberfläche beispielsweise mit Wachs
oder Galvanolack vor einer Ablagerung des Beschichtungsmaterials
geschützt.
Bei der Abscheidung des Beschichtungsmaterials im Inneren der Löcher treten
an den Kanten der Löcher
Schichtinhomogenitäten
auf, wie sie in 1 dargestellt
sind.
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Die
Figur zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Werkstück 100 mit
einer Bohrung 102 und einer auf der Oberfläche 104 des
Werkstückes 100 angeordneten
Galvanolack-Schutzschicht. Außerdem ist
die Beschichtung 108 auf der Innenwand der Bohrung 102 zu
erkennen. Im Bereich der Kante zwischen der Innenwand 110 und
der Oberfläche 104 bilden
sich Inhomogenitäten 112 aus,
die zu einer Verengung des Öffnungsquerschnittes
der Bohrung 102 führen.
Das Entfernen der Inhomogenitäten
erfordert einen relativ hohen Bearbeitungsaufwand.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abscheiden
eines Materials in ein Loch in einem Werkstück unter Zuhilfenahme eines elektrischen
Feldes zur Verfügung
zu stellen, mit welchem sich die beschriebenen Schichtinhomogenitäten im Bereich
der Werkstückoberfläche vermeiden lassen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Abscheiden eines Materials in ein Loch, welches sich von der
Oberfläche
eines elektrisch leitenden Werkstückes aus in das Werkstück hinein
oder durch dieses hindurch erstreckt, unter Verwendung eines elektrischen
Feldes umfasst die Schritte:
- – Aufbringen
einer elektrisch leitenden Schutzschicht auf die Oberfläche des
Werkstückes.
- – Abscheiden
des abzuscheidenden Materials in das Loch unter Verwendung des elektrischen
Feldes.
- – Entfernen
der elektrisch leitenden Schutzschicht.
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Optional
kann auf die elektrisch leitende Schutzschicht zusätzlich eine
elektrisch isolierende Maske aufgebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich sowohl
beim Abscheiden von Material mittels Galvanisierungsverfahren als
auch mittels Sputter-Verfahren einsetzen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
baut auf der Erkenntnis auf, dass die Inhomogenitäten im Bereich
der Lochkante eine Folge der erhöhten
Feldliniendichte im Kantenbereich sind. Die erhöhte Feldliniendichte führt zu einer
besonders intensiven Materialablagerung im Kantenbereich.
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Mittels
der elektrisch leitenden Schutzschicht wird die erhöhte Feldlinienkonzentration
von der Werkstückoberfläche weggeführt, nämlich in
den Kantenbereich der Schutzschicht. Die Inhomogenität entsteht
daher statt im Bereich der Kante zwischen Lochinnenseite und der
Werkstückoberfläche im Kantenbereich
der elektrisch leitenden Schutzschicht. Auch Verringerungen der
Querschnittsfläche des
Loches finden daher im Kantenbereich der elektrisch leitenden Schutzschicht
statt. Nach Entfernen der Schutzschicht und eventueller nach dem
Entfernen der Schutzschicht über
die Werkstückoberfläche vorstehender
Beschichtungsreste liegt eine gleichmäßige Beschichtung auf der Innenseite
der Löcher vor,
die im Bereich der Kante zwischen der Lochinnenwand und der Werkstückoberfläche keine
Inhomogenität
und keine Verengung des Öffnungsquerschnittes
des Loches aufweist, die über
die aufgrund der Schichtdicke selbst vorgegebene Verminderung hinausgeht.
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Als
elektrisch leitende Schutzschicht kann insbesondere ein elektrisch
isolierendes Maskenmaterial Verwendung finden, in welches elektrisch
leitende Partikel, beispielsweise Metallpartikel oder Graphitpartikel
eingearbeitet sind. Ein derartiges Material kann wie ein gewöhnliches
Maskenmaterial auf die Werkstückoberfläche aufgebracht
werden.
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Das
Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht nach dem Abscheiden
des Materials in das Loch im Werkstück kann mechanisch oder chemisch-mechanisch
erfolgen. Gleiches gilt für
das Entfernen von Resten des in das Loch abgeschiedenen Materials,
die nach dem Entfernen der elektrisch leitenden Schutzschicht gegebenenfalls
noch über
die Oberfläche
des Werkstückes
vorstehen. Das mechanische bzw. chemisch-mechanische Abtragen der elektrisch
leitenden Schutzschicht und/oder das mechanische bzw. chemisch-mechanische
Entfernen der Reste kann etwa mittels eines Strahlverfahrens oder
mittels chemischen Polierens (CMP) erfolgen. Insbesondere kann das
Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht und das Entfernen
etwaiger Reste abgeschiedenen Materials im gleichen Arbeitsschritt
erfolgen.
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Falls
zusätzlich
ein elektrisch isolierendes Maskenmaterial auf die Schutzschicht
angebracht worden ist, kann dieses unter Verwendung eines Lösungsmittels
oder unter Verwendung von Sauerstoffplasma entfernt werden. Auch
die Schutzschicht selbst kann unter Verwendung des Lösungsmittels oder
des Sauerstoffplasmas entfernt werden, wenn sie aus einem Maskenmaterial
mit eingebetteten leitfähigen
Partikeln hergestellt ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere als Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung
auf die Wand des Loches. Alternativ kann das Verfahren aber auch
dazu verwendet werden, das Loch vollständig zu füllen, wie dies beispielsweise
für das
Befüllen
von Vias (elektrisch leitenden Durchführungen durch ein Material)
erforderlich ist.
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Sowohl
das Beschichten der Wand des Loches als auch das Füllen des
Loches kann entweder galvanisch oder mittels eines Sputter-Prozesses
erfolgen.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
ein Werkstück
mit einem beschichteten Loch, das mit einem Verfahren nach Stand
der Technik beschichtet worden ist.
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2 zeigt
ein Werkstück
mit einem Loch zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt
das Werkstück
aus 2 mit darauf aufgebrachter elektrisch leitfähiger Schutzschicht.
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4 zeigt
das Werkstück
aus 3 nach dem Aufbringen einer Beschichtung auf die
Wand des Loches im Werkstück.
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5 zeigt
das Werkstück
aus 4 nach dem Entfernen der Maske und der Schutzschicht.
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6 zeigt
das fertige Werkstück
am Ende des Verfahrens.
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7 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einer Turbinenschaufel.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
am Beispiel des Beschichtens der Wand einer Kühlluftbohrung in einer Turbinenschaufel
erläutert.
Vor dem Erläutern
des Verfahrens wird daher kurz mit Bezug auf 7 auf den
Aufbau einer Turbinenschaufel eingegangen.
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Die
Turbinenschaufel 200 weist eine Anströmkante 202 und eine
Abströmkante 204 auf.
Die Anströmkante 202 und
die Abströmkante 204 sind über eine
konvex gekrümmte
Saugseite 206 und eine konkav gekrümmte oder im Wesentlichen gerade Druckseite 208 miteinander
verbunden.
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Die
Turbinenschaufel 200 ist innen hohl ausgebildet und weist
Kühlluftbohrungen 210, 212, 214 auf,
die sich von der Außenseite
der Turbinenschaufel 200 bis zu hohlen Innenbereichen 203, 205, 207 erstrecken
und ein Ausblasen von durch die hohlen Bereiche 203, 205, 207 zugeführter Kühlluft ermöglichen.
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Im
Betrieb wird die Turbinenschaufel 200 von heißen Verbrennungsabgasen
umströmt.
Dadurch wird ein Rotor (nicht dargestellt), an dem die Turbinenschaufel
befestigt ist, in Rotation versetzt. Um die Widerstandsfähigkeit
der Oberfläche
der Turbinenschaufel 200 gegen die heißen Verbrennungsabgase zu erhöhen, wird
durch die Kühlluftbohrungen 210, 212, 214 Kühlluft ausgeblasen,
die sich in Art eines Films über
ihre Oberfläche
legt und so für
eine Kühlung
sorgt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass, obwohl mit Bezug auf 7 eine
mit dem Rotor verbundene Laufschaufel einer Turbine beschrieben worden
ist, das Gesagte sinngemäß auf eine
mit dem Turbinengehäuse
verbundene Leitschaufel übertragen
werden kann.
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Im
Herstellungsprozess und/oder beim Wiederaufbereiten einer Turbinenschaufel 200 werden metallische
Beschichtungen auf die Innenwände
der Kühlluftbohrungen
aufgebracht. Da es sich um andere Beschichtungen handelt als die
Beschichtungen, die auf die Außenseite
der Turbinenschaufel aufgebracht werden, soll verhindert werden,
dass die Beschichtung auf die Außenseite der Turbinenschaufel aufgebracht
wird. Dies wird mittels einer auf die äußere Oberfläche der Turbinenschaufel aufgebrachten Schutzschicht
erreicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
mit dem die Beschichtung auf die Innenseite der Kühlluftbohrungen
aufgebracht wird, wird nachfolgend mit Bezug auf 2 bis 6 beschrieben.
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2 zeigt
als ein Beispiel für
ein Werkstück mit
einem Loch, dessen Innenwand zu beschichten ist, einen Ausschnitt aus
einer Turbinenschaufel 200 mit einer darin angeordneten
Kühlluftbohrung 210. Dargestellt
ist ein Ausschnitt aus dem metallischen Grundkörper 2 der Turbinenschaufel 200,
durch den sich die Kühlluftbohrung 210 hindurch
erstreckt. Die Kühlluftbohrung 210 wird
zum Grundkörper 2 hin
von einer Wand 4 begrenzt, die mit einer metallischen Beschichtung
zu versehen ist. In 2 ist außerdem die zu schützende freie
Oberfläche 6 des
Grundkörpers, also
die Außenseite
der Turbinenschaufel 200, zu erkennen.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird eine elektrisch leitende Schutzschicht
8 auf
die freie Oberfläche
6 der
Turbinenschaufel
200 aufgebracht. Die elektrisch leitende
Schicht
8 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem für galvanische
Bäder geeigneten
Lack, beispielsweise Ätz-
und Galvanoresist
SD2155A1 von
der Firma Lackwerke Peters GmbH und Co KG, in den kleine Metallpartikel
als leitende Partikel eingebracht werden. Zusätzlich oder anstatt der Metallpartikel
können
auch andere leitende Partikel, beispielsweise Graphitpartikel, eingebracht
werden. Die Turbinenschaufel
200 nach dem Aufbringen der
elektrisch leitenden Schutzschicht
8 ist in
3 dargestellt.
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Nachdem
die elektrisch leitende Schutzschicht 8 aufgebracht worden
ist, kann optional noch eine elektrisch isolierende Lack- oder Wachsmaske auf
die Oberfläche 10 der
elektrisch leitenden Schutzschicht 8 aufgebracht werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird auf eine derartige Maske jedoch verzichtet.
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Nachdem
die elektrisch leitenden Schutzschicht 8 aufgebracht worden
ist, kann das Beschichten der Wand 4 der Kühlluftbohrung 210 erfolgen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird die Wand 4 galvanisch beschichtet. Dazu wird die Turbinen schaufel 200 in
ein galvanisches Bad gegeben, welches eine elektrisch leitende Flüssigkeit
mit gelösten Ionen
des Beschichtungsmaterials enthält.
Das Beschichtungsmaterial kann ein Metall sein, das auch im Grundkörper 2 enthalten
ist, beispielsweise Kobalt oder Nickel. An die Turbinenschaufel 200 wird
eine negative Spannung angelegt, sodass sie als Kathode fungiert.
Im Bad befindet sich außerdem
eine Anode, also eine Elektrode, an der eine positive Spannung anliegt.
Die positiv geladenen Metallionen im galvanischen Bad werden aufgrund
des zwischen der Turbinenschaufel 200 und der Anode anliegenden
elektrischen Feldes zur Turbinenschaufel 200 transportiert und
lagern sich dort an der Innenwand 4 der Kühlluftbohrung 210 und
auf der Oberfläche 10 der
elektrischen leitenden Schutzschicht 8 ab. Eine Ablagerung an
der Oberfläche 6 des
Grundkörpers 2 wird
durch die elektrisch leitenden Schutzschicht 8 verhindert. Falls
eine optionale isolierende Lack- oder Wachsmaske auf der Oberfläche 10 der
elektrisch leitenden Schutzschicht 8 aufgebracht worden
ist, erfolgt die Ablagerung der Metallionen nur an der Wand 4 des Loches 210.
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Die
Feldlinien des elektrischen Feldes weisen im Bereich der Kante 11 zwischen
der Oberfläche 10 der
elektrisch leitenden Schutzschicht 8 und der Innenwand
der elektrisch leitenden Schutzschicht 8, welche die Innenwand 4 der
Bohrung fortsetzt, eine besonders hohe Dichte auf. Aufgrund der erhöhten Feldliniendichte
wird eine im Vergleich zur Innenwand der Bohrung bzw. der elektrisch
leitenden Schutzschicht 8 erhöhte Anzahl an Ionen des Beschichtungsmaterials
im Bereich der Kante 11 abgelagert. Im Bereich dieser Kante 11 bildet
sich daher eine Schichtinhomogenität 15 in Form eines
Wulstes aus, welcher unerwünscht
ist, während
die Lochwand 4 des Loches 210 eine gleichmäßige Beschichtung 13 aufweist
(vgl. 4). Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren
bildet sich der Wulst im Stand der Technik an der Kante zwischen
der Innenwand 4 und der Oberfläche 6 des Grundkörpers aus und
führt zu
den eingangs beschriebenen Nachteilen.
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Nachdem
die gewünschte
Beschichtungsstärke
auf der Innenwand 4 der Kühlluftbohrung 210 erreicht
ist, wird der galvanische Beschichtungsprozess beendet und die elektrisch
leitenden Schutzschicht 8 entfernt. Zum Entfernen der Schutzschicht 8 können anorganische
und/oder organische Lösemittel
oder Sauerstoffplasma zur Anwendung kommen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird die elektrisch leitende Schutzschicht 8 jedoch durch
chemisch mechanisches Polieren entfernt, um die Oberfläche 6 des
Grundkörpers 2 wieder
freizulegen. Dabei können über die
freie Oberfläche 6 vorstehende Beschichtungsreste 14 zurückbleiben.
Die Turbinenschaufel 210 mit Beschichtungsresten 14 ist
in 5 dargestellt.
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Das
Entfernen der Beschichtungsreste 14 erfolgt im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
mittels eines Sandstrahlverfahrens, mit dem die Reste 14 großflächig abgetragen
werden. Alternativ ist es jedoch möglich, zum Entfernen der Beschichtungsreste 14 ein
chemisch mechanisches Polierverfahren zu verwenden. Ebenso ist es
auch möglich,
zum Entfernen der elektrisch leitenden Schutzschicht statt des chemisch
mechanischen Polierverfahrens das Sandstrahlverfahren zu verwenden.
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Nachdem
die Beschichtungsreste 14 entfernt worden sind, ist das
Verfahren abgeschlossen. Das Ergebnis ist die in 6 dargestellte
Turbinenschaufel 200, in der die Innenwand 4 der
Kühlluftbohrung 210 mit
einer Beschichtung 13 versehen ist. Wie in 6 zu
erkennen ist, ist im Bereich der Kante zwischen der freien Oberfläche 6 des
Werkstückes und
der beschichteten Wand 4 der Kühlluftbohrung 210 keine
Inhomogenität
der Beschichtung 13 vorhanden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die Inhomogenität
mittels der elektrisch leitfä higen
Schutzschicht aus dem Bereich der Kante zwischen der freien Oberfläche 6 des
Grundkörpers 2 und
der Wand 4 der Kühlluftbohrung 210 in
den Bereich der Kante 11 der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 verlagert wurde.
Mit dem Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 wird
daher auch die Inhomogenität 15 vollständig entfernt,
sodass nur die homogene Beschichtung im Bereich der Innenwand 4 der
Kühlluftbohrung 210 verbleibt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde anhand des Beschichtens der Kühlluftbohrung einer Turbinenschaufel
beschrieben. Das Verfahren kann jedoch auch zum Beschichten anderer
Löcher
und Bohrungen zur Anwendung kommen, sofern diese unter Zuhilfenahme
eines elektrischen Feldes beschichtet werden. Neben dem Galvanisieren
stellt auch das Sputtern ein Verfahren dar, in dem die Beschichtung
unter Zuhilfenahme eines elektrischen Feldes erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
daher auch mit einem Sputter-Prozess anstelle des Galvanisierungs-Prozesses durchgeführt werden.
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Schließlich ist
es auch möglich,
das Verfahren statt zum Beschichten der Innenwand eines Loches auch
zum Füllen
des Loches zu verwenden, wie dies beispielsweise zum Füllen von
Durchführungen, so
genannten Vias, in der Halbleitertechnologie der Fall ist.