DE102012209796A1

DE102012209796A1 - Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Silizium-Karbid-Bauteilen

Info

Publication number: DE102012209796A1
Application number: DE102012209796A
Authority: DE
Inventors: Ulrich PAHL; Moritz Becker
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Bauteilen, die SiC umfassen, wobei mindestens ein Fügespalt (2) im Bauteil oder zwischen zwei Bauteilen mit Füllmaterial (7) gefüllt wird und dass das oder die Bauteile lediglich lokal im Bereich des Fügespalts erhitzt werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Bauteilen, die Siliziumkarbid (SiC) umfassen.
STAND DER TECHNIK
Siliziumkarbid-Keramiken sind als Strukturwerkstoffe bekannt. Allerdings ist festzustellen, dass bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Bauteilen, wie beispielsweise insbesondere Bauteilen aus reaktionsgebundenem, Silizium infiltriertem Siliziumkarbid die Bauteile bereits bei der Herstellung häufig Schädigungen in Form von Rissen und dergleichen aufweisen, wenn die Bauteile eine bestimmte Größe überschreiten. Hier kommt es oftmals in einem der letzten Verfahrensschritte, nämlich der Silizierung, zu Spannungsrissen nach dem Heißtemperaturprozess, sodass eine hohe Ausschussrate gegeben ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem Schädigungen von Siliziumkarbid-Bauteilen beim Herstellungsprozess vermieden oder beseitigt werden, wobei insbesondere große Bauteile aus Siliziumkarbid-Keramiken zuverlässig ohne hohe Ausfallrate erzeugt werden können sollen. Das entsprechende Verfahren soll einfach und effizient durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Verbesserung des Herstellverfahrens darin besteht, einen weiteren Herstellungsschritt anzuschließen, der im Wesentlichen aus einem Reparaturschritt besteht.
In dem Reparaturschritt sollen entstandene Risse und aus dem Herstellverfahren resultierende Spalte, die nachfolgend hier allgemein als Fügespalte bezeichnet werden sollen, mit Füllmaterial, wie beispielsweise Silizium und/oder vorzugsweise geeignet präparierten Siliziumkarbid-Partikeln, gefüllt werden, wobei das Füllmaterial in dem Fügespalt sowie die Bereiche des oder der Bauteile benachbart zum Fügespalt lediglich lokal erhitzt werden sollen, um einen stoffschlüssigen Verschluss des Fügespalts zu erzielen.
Entsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur als letzter Herstellungsschritt zur Beseitigung von Fehlstellen, die in vorangegangen Herstellungsschritten entstanden sind, genutzt werden, sondern auch als reines Reparaturverfahren zur Reparatur von älteren Bauteilen oder als Verfahren zum Fügen von SiC-haltigen Bauteilen.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Fügespalt mit einem Füllmaterial, wie beispielsweise Silizium, das durch ein Schweißverfahren, insbesondere ein Lichtbogen- oder Schutzgasschweißverfahren, wie beispielsweise Wolfram-Inertgas-Schweißen, aufgeschmolzen wird, verschlossen werden. Das Füllmaterial kann in Form eines abschmelzenden Drahtes oder als Pulver in den Fügespalt eingebracht werden.
Nach einer anderen Ausführungsform kann die lokale Erwärmung des mit Füllmaterial gefüllten Fügespalts und/oder des Fügespalts unter Zugabe von Füllmaterial mittels eines oder mehrerer Laser lokal erhitzt werden. Insbesondere können zwei oder mehr gekreuzte Laserstrahlen eingesetzt werden.
Sowohl das Lichtbogenschweißen, als auch die Laserstrahlwärmebehandlung ermöglichen eine schnelle und kurzzeitige Erwärmung des Fügespalts und angrenzender Bauteilbereiche auf sehr hohe Temperaturen in einem lokal definierten Bereich, sodass thermische Spannungen oder ein Verzug des Bauteils in benachbarten Bereichen vermieden wird. Obwohl die genannten Verfahren des Schweißens als auch der Lasermaterialbearbeitung sehr vorteilhaft sind, können jedoch auch andere Verfahren zur lokalen, schnellen Erwärmung eingesetzt werden, die den entsprechenden Anforderungen genügen.
Beim Lichtbogenschweißen kann das elektrische Potential zur Bildung eines Lichtbogens in Form einer Wechselspannung angelegt werden, da durch die Wechselspannung möglicherweise sich bildende Oxidhäute in effektiver Weise aufgebrochen werden können.
Das Füllmaterial kann durch Silizium und/oder SiC-Partikel gebildet werden, welche zusätzlich oder alternativ zur Füllung des Spalts mit aufgeschmolzenem Silizium Verwendung finden können. Die SiC-Partikel können anders als das Silizium in dem Spalt nicht aufgeschmolzen, sondern gesintert werden.
Die SiC-Partikel können entsprechend präpariert werden. Beispielsweise können sie mit Silikonpolymerdispersionen behandelt werden, die sich zur Oberflächenbehandlung der SiC-Partikel eignen und zu verbesserten Eigenschaften der behandelten Partikel führen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von wässrigen Silikondispersionen bzw. Silikonpolymerdispersionen zur Behandlung der SiC-Partikel, die auch für Reparaturprozesse bei SiC-haltigen Keramiktragstrukturen eingesetzt werden.
Selbstemulgierbare oberflächenaktive Siloxan-Organo-Copolymere, die hier eingesetzte werden können, werden durch Polyadditions- oder Polykondensationsreaktionen von organofunktionellen Siloxanen mit bifunktionellen organischen Monomeren erhalten. Die Herstellung reiner, wässriger Dispersionen solcher oberflächenaktiver, selbstemulgierbarer Siloxan-Organo-Copolymere ist zum Beispiel in EP 0 380 236 A2 , EP 0 751 162 A1 , WO 1991/17215 und WO 1995/21206 beschrieben. Man nimmt z. B. Mischungen, die

a) 1 bis 54 Gewichts-% mindestens eines selbstemulgierenbaren, oberflächenaktiven Siloxan-Organo-Copolymers,
b) 2 bis 57 Gewichts-% mindestens einer weiteren siliziumorganischen Verbindung ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Silane, Siloxane und Silikone oder deren Mischungen,
c) 40 bis 97 Gewichts-% Wasser und
d) 0 bis 57 Gewichts-% weiterer Zusatzstoffe ausgewählt aus der Gruppe enthaltend organische Lösemittel, Verlaufshilfsmittel, Konservierungsmittel, Thixotropiermittel, Antischaummittel, Dispergiermittel und Metall- und Halbmetalloxide in feinverteilter Form

In dieser wässrigen Emulsion können die SiC-Partikel dispergiert werden, um nach Sprühtrocknung erfindungsgemäß eingesetzt werden zu können.
Darüber hinaus ist es möglich SiC-Partikel unterschiedlicher mittlerer Korngrößen zu verwenden, die darüber hinaus auch miteinander kombiniert werden können. Die SiC-Partikel können auch verschiedene Additive enthalten, wie Si, SiN, BC, BN, Be.
Um eine gute Füllung des Fügespalts zu erzielen, kann das Fügematerial weitere Stoffe umfassen, wie beispielsweise Keimmaterialien, die zur Verbesserung der Erstarrung des aufgeschmolzenen Füllmaterials in den Fügespalt und dort insbesondere an die Spaltwände eingegeben werden kann.
Sowohl die Erwärmung des Siliziums zum Aufschmelzen des Siliziums, als auch das Sintern der Siliziumkarbid-Partikel sowie allgemein die Erwärmung des Fügespalts und dazu benachbarter Bereiche einschließlich des Füllmaterials kann unter Schutzgas durchgeführt werden, beispielsweise durch Leiten eines Inertgasstroms in den Bereich des Fügespalts. Dies kann auch über separate Zuführleitungen oder beispielsweise durch koaxial um die Schweißelektrode vorgesehene Gasleitungen erfolgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich große Strukturbauteile aus Silizium haltigem Siliziumkarbid und insbesondere reaktionsgebundenem, mit Silizium infiltriertem Siliziumkarbid in effektiver Weise herstellen bzw. reparieren, sodass derartige Bauteile beispielsweise als besonders steife Tragstrukturen in Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie eingesetzt werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und in
2 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich werden. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die 1 zeigt ein SiC-haltiges Bauteil 1, welches einen Oberflächenriss 2 aufweist. Beispielsweise kann das Bauteil 1 ein reaktionsgebundenes, Silizium infiltriertes Siliziumkarbid-Bauteil sein, welches beispielsweise in EUV(Extrem Ultra Violett)-Projektionsbelichtungsanlagen für sogenannte „sensor frames” eingesetzt wird. Bei derartigen Bauteilen, die eine bestimmte Größe aufweisen, können bei der Produktion, bei der in einem Herstellungsschritt ein Formkörper aus Siliziumkarbid und Kohlenstoff mit metallischen Silizium infiltriert wird, insbesondere beim abschließenden Silizierungsschritt Risse im Bauteil auftreten, die geschlossen werden müssen, um das Bauteil nutzen zu können, da sonst bei einem Rissfortschritt ein Totalversagen eintreten kann.
Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform wird ein Schweißverfahren eingesetzt, um den Riss 2 bzw. einen aus dem Fertigungsverfahren resultierenden Fügespalt 2 mit geschmolzenem Silizium zu schließen. In der 1 ist die Rissspitze bereits mit Silizium 7 ausgefüllt. Der Schweißvorgang kann beispielsweise mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) oder allgemein mittels Schutzgasschweißen durchgeführt werden. Hierzu ist in 1 schematisch eine Elektrode 4 gezeigt, die gegenüber dem Bauteil 1 mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden kann, sodass in dem Zwischenraum zwischen der Elektrode 4 und dem Bauteil 1 ein Lichtbogen 6 gezündet werden kann. Mittels des Lichtbogens 6 kann ein Siliziumdraht 3, der seitlich zugeführt wird, aufgeschmolzen werden, sodass schmelzflüssiges Silizium in den Riss 2 bzw. Fügespalt eingebracht werden kann. Zur Vermeidung einer Reaktion des aufgeschmolzenen Siliziums mit chemischen Elementen aus der Umgebung wird ein Schutzgas, also beispielsweise ein Inertgas wie Argon, mittels eines Gaskanals 5, der koaxial zur Elektrode 4 angeordnet ist, in den Bereich des Fügespalts 2 geblasen, um die Siliziumschmelze zu schützen.
Bei dem Schweißvorgang wird die Elektrode 4, beispielsweise eine Wolfram-Elektrode, nicht aufgezehrt, sondern lediglich der Siliziumdraht wird bei großen Stromstärken mit Wechselstrom aufgeschmolzen. Die Verwendung von Wechselstrom ist vorteilhaft, da durch die oszillierenden Bedingungen die trotz der Inertgasatmosphäre sich möglicherweise am Siliziumdraht bzw. am aufgeschmolzenen Silizium bildenden Oxidhäute leichter aufgebrochen bzw. vermieden werden können.
Zusätzlich zu dem gezeigten Siliziumdraht könne weitere Schweißzusätze je nach Bedarf zugeführt werden.
Durch den geringen Temperatureintrag mittels des Lichtbogens, der insbesondere lokal begrenzt ist, kann eine Verformung bzw. ein Verzug des Bauteils durch thermische Spannungen vermieden werden. Der Lichtbogen 6 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung mit sehr guter Genauigkeit platzierbar und im Bereich des aufzufüllenden Fügespalts sehr gut führbar, sodass flache und exakte Schweißnähte ausgebildet werden können, die keine Nacharbeit erfordern. Insbesondere kann durch den Lichtbogen auch ein Schweißzustand erzeugt werden, der es vermeidet, dass die Bauteile durch Spritzer des aufgeschmolzenen Siliziums verunreinigt werden.
Durch den Verschluss des Risses bzw. Fügespalts 2 mittels aufgeschmolzenen Silizium kann ein weiteres Risswachstum unterbunden werden und es ist möglich, SiC-haltige Bauteile, wie insbesondere SiSiC, die bei vorangegangenen Produktionsschritten beispielsweise durch thermische Spannungen Beschädigungen erfahren haben, weiter zu verwenden.
Insofern ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl als Verfahren zur Reparatur, als auch ein Verfahren zur Herstellung von SiC-haltigen Bauteilen zu verstehen, da das Verschließen der Risse als abschließender Herstellungsschritt verstanden werden kann.
Neben Schweißverfahren, wie Schutzgasschweißen, könne weitere Techniken, die lediglich eine lokal begrenzte Erwärmung oder Erhitzung der zu bearbeitenden Bauteile ermöglichen, zum Verschließen von Rissen oder Fügespalten eingesetzt werden.
Ein weiteres Beispiel hierfür ist in der 2 dargestellt, bei welchem ein Verfahren gezeigt wird, bei dem ein Riss 2 eines SiC-haltigen Bauteils 1 dadurch verschlossen wird, dass der Riss 2 mit SiC-Pulver 10 gefüllt wird, welches mittels Laserstrahlen 12 eines Lasers 11 gesintert wird. Durch den Laserstrahl 12 kann wiederum eine sehr lokal begrenzte Erwärmung erzielt werden, die eine Verbindung der SiC-Partikel 10 durch Sintern ermöglicht, aber größere thermische Einflüsse auf das Bauteil 1 vermeidet.
Die Siliziumkarbidpartikel 10 können über eine Strahl- oder Blasvorrichtung oder durch einfaches Auffüllen des Risses 2 mit dem Pulver in den Riss eingebracht werden.
Die in den 1 und 2 dargestellten Verfahren können auch ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden, sodass beispielsweise vor dem Schutzgasschweißen und Auffüllen mit geschmolzenem Füllmaterial der Riss 2 mit gleichem oder anderem Füllmaterial, wie SiC-Partikeln gefüllt wird, wie dies gemäß der Ausführungsform der 2 erfolgt. Alternativ wäre auch denkbar, dass nach dem Sintern der Siliziumkarbid-Partikel im Riss 2 zusätzlich eine Schweißschicht aus Silizium aufgebracht wird, sodass geschmolzenes Silizium in die Siliziumkarbid-Struktur im aufgefüllten Riss 2 eindringen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise vorgenommen werden können, dass Merkmale anders kombiniert werden oder einzelne Merkmale weggelassen werden, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0380236 A2 [0014]
EP 0751162 A1 [0014]
WO 1991/17215 [0014]
WO 1995/21206 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Bauteilen, die SiC umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fügespalt (2) im Bauteil oder zwischen zwei Bauteilen mit Füllmaterial gefüllt wird und dass das oder die Bauteile lediglich lokal im Bereich des Fügespalts erhitzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial Silizium (7) und/oder SiC-Partikel (10) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium durch einen Lichtbogen (6) oder einen oder mehrere Laserstrahl (12) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (6) zwischen einer sich nicht verzehrenden Elektrode (4) und einem der den Fügespalt begrenzenden Bauteile durch ein elektrisches Potential gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Potential in Form einer Wechselspannung angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiC-Partikel (10) gesintert werden, insbesondere mittels eines oder mehrerer Laserstrahlen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiC-Partikel (10) eine durchschnittliche oder maximale Größe im Bereich von 0,5 μm bis 1 mm, insbesondere 1 μm bis 100 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiC-Partikel präpariert, insbesondere an der Oberfläche modifiziert werden.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Siliziums und/oder der SiC-Partikel unter Schutzgas durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügespalt (2) durch definierte Bauteilkanten oder einen Riss gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass ein erstes Teilverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit SiC durchgeführt wird und anschließend beim ersten Teilverfahren entstandene Risse (2) als Fügespalten geschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Bauteile (1) aus Si-haltigem SiC, insbesondere aus reaktionsgebundenem, Silizium infiltriertem SiC sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) für Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie verwendet werden.