DE10209080A1

DE10209080A1 - Widerstandsheizelement und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE10209080A1
Application number: DE10209080A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Goetz
Original assignee: Sintec Keramik GmbH and Co KG
Current assignee: Cvt & Co Kg 87642 Halblech De GmbH
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-03-02
Also published as: US20030164369A1; US6889425B2; DE10209080B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelementes vorgeschlagen, indem ein Substrat mit einem elektrisch isolierenden Material aus der Gasphase beschichtet, auf die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht aus dem isolierenden Material ein elektrisch leitfähiges Material aus der Gasphase ausgeschieden wird und die auf der Schicht aus einem isolierenden Material abgeschiedene Schicht aus einem leitfähigen Material anschließend unter Bildung einer Leiterbahn teilweise mechanisch abgetragen wird. Das Substrat wird vor Abscheidung des isolierenden Materials unter Bildung wenigstens einer zur Aufnahme der Leiterbahn vorgesehenen Ausnehmung spanabhebend bearbeitet. Sodann werden die Schicht aus dem isolierenden Material und dem leitfähigen Material auf dem mechanisch bearbeiteten Substrat abgeschieden. Schließlich wird die Schicht aus dem leitfähigen Material eben abgetragen, bis zumindest das leitfähige Material unter Bildung der Leiterbahn an den die Ausnehmung der Leiterbahn begrenzenden, erhabenen Bereichen des Substrates vollständig abgetragen worden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein solchermaßen hergestelltes Widerstandsheizelement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelementes, indem ein Substrat mit einem elektrisch isolierenden Material aus der Gasphase beschichtet, auf die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht aus dem isolierenden Material ein elektrisch leitfähiges Material aus der Gasphase abgeschieden wird und die auf der Schicht aus einem isolierenden Material abgeschiedene Schicht aus einem leitfähigen Material anschließend unter Bildung wenigstens einer Leiterbahn teilweise mechanisch abgetragen wird, sowie ein Widerstandsheizelement mit einem Substrat, auf welches eine elektrisch isolierende Schicht und auf die isolierende Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht in Form wenigstens einer Leiterbahn aufgebracht ist.

Derartige Widerstandsheizelemente sind bekannt und finden vielfältigen Einsatz, insbesondere als Heizer. Zur Herstellung wird ein in der Regel plattenförmiges Substrat, z. B. aus Graphit, mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, wobei im allgemeinen eine möglichst große Schichtdicke im mm-Bereich eingestellt wird. Anschließend wird auf die auf das Substrat aufgebrachte Schicht aus einem isolierenden Material eine weitere Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht, wobei die Schichtdicke des leitfähigen Materials je nach dem gewünschten elektrischen Widerstand eingestellt wird. Das Aufbringen der Schichten geschieht insbesondere durch Gasphasenabscheidung. Nach Aufbringen der leitfähigen Schicht muss diese teilweise mechanisch abgetragen werden, um eine z. B. mäanderförmige Leiterbahn zu bilden. An den Enden der Leiterbahn wird zum Betrieb des Widerstandheizelementes eine elektrische Spannung angelegt.

Die mechanische Bearbeitung der ebenen leitfähigen Schicht ist äußerst Zeit- und kostenaufwendig und erfordert insbesondere eine hohe Präzision mit Toleranzen von höchstens 0,01 mm, da einerseits Kurzschlüsse der gebildeten Leiterbahn vermieden werden müssen und daher die Schicht aus dem leitfähigen Material zwischen den die Leiterbahn bildenden, auf der isolierenden Schicht zurückbleibenden Bereichen vollständig abgetragen werden muss. Andererseits darf zur Vermeidung von Kurzschlüssen die unterhalb der Schicht aus dem leitfähigen Material angeordnete isolierende Schicht nicht beeinträchtigt werden. Überdies weisen insbesondere auf verhältnismäßig großflächigen Substraten durch Gasphasenabscheidung aufgebrachte Schichten eine über die Gesamtfläche unterschiedliche Dicke auf und muss die mechanische Nachbearbeitung zu einer konstanten Stärke der Leiterbahn über ihre gesamte Länge führen, was die Bearbeitung zusätzlich erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelementes der eingangs genannten Art vorzuschlagen. Sie ist ferner auf ein mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes Widerstandsheizelement gerichtet.

Der verfahrenstechnische Teil dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Substrat vor Abscheidung des isolierenden Materials unter Bildung wenigstens einer zur Aufnahme der Leiterbahn vorgesehenen Ausnehmung spanabhebend bearbeitet wird, die Schicht aus dem isolierenden Material und dem leitfähigen Material auf dem mechanisch bearbeiteten Substrat abgeschieden werden und die Schicht aus dem leitfähigen Material sodann eben abgetragen wird, bis zumindest das leitfähige Material unter Bildung der Leiterbahn an den die Ausnehmung der Leiterbahn begrenzenden, erhabenen Bereichen des Substrates vollständig abgetragen worden ist.

Erfindungsgemäß wird also das Substrat entsprechend der Form der gewünschten Leiterbahn mechanisch vorbearbeitet, so dass eine Ausnehmung gebildet wird, welche die anschließend aus der Gasphase abgeschiedene Leiterbahn aufnimmt. Die mechanische Vorbearbeitung kann durch beliebige spanabhebende Verfahren, wie Fräsen, Schleifen oder dergleichen, geschehen und erfordert nur die Einhaltung verhältnismäßig großer Toleranzen. Auf das derart mechanisch vorbearbeitete Substrat werden anschließend zunächst die Schicht aus dem isolierenden Material und sodann die Schicht aus dem leitfähigen Material aus der Gasphase abgeschieden, wobei die Schichtdicke des isolierenden Materials relativ gering, z. B. etwa 0,5 mm oder kleiner, gewählt werden kann. Die Dicke der Schicht aus dem leitfähigen Material richtet sich nach dem gewünschten elektrischen Widerstand des Widerstandsheizelementes. Nach Aufbringen der beiden Schichten wird zumindest die außenseitige Schicht aus dem leitfähigen Material eben abgetragen, bis das leitfähige Material unter Bildung der Leiterbahn zumindest an den die Ausnehmung der Leiterbahn begrenzenden, erhabenen Bereichen des Substrates vollständig abgetragen worden ist und z. B. auf den erhabenen Bereichen des Substrates die unterhalb der leitfähigen Schicht angeordnete isolierende Schicht sichtbar wird, so dass die einzelnen Leiterbahnen durch die Zwischenlage des isolierenden Materials vollständig voneinander getrennt sind. Dies kann durch großflächiges Schleifen geschehen. Weist die Ausnehmung in dem Substrat eine hinreichende Tiefe auf, so kann die leitfähige Schicht einfach und schnell unter Einhaltung von relativ großen Toleranzen im Bereich von 0,1 mm abgetragen werden. Durch die anfängliche Ausbildung der Ausnehmung in dem Substrat und das Abscheiden der isolierenden Schicht und der leitfähigen Schicht auf der derart gebildeten Oberflächenkontur wird die Leiterbahn folglich durch flächiges Abtragen der leitfähigen Schicht auf den die Ausnehmung begrenzenden, erhabenen Bereichen des Substrates erzeugt, was eine erhebliche Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik darstellt, bei der die Leiterbahn aus der eben abgeschiedenen leitfähigen Schicht unter Einhaltung sehr enger Toleranzen "ausgeschnitten" werden muss, ohne die darunter befindliche isolierende Schicht lokal zu zerstören.

In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die die Leiterbahn begrenzenden, erhabenen Bereiche bei der spanabhebenden Bearbeitung des Substrates scharfkantig ausgebildet werden, wobei die erhabenen Bereiche des Substrates beispielsweise im wesentlichen rechteck- und/oder sägezahnförmig ausgebildet werden können. Dies hat den Vorteil, dass sich bei der Beschichtung des Substrates mittels Gasphasenabscheidung an den zwischen der Ausnehmung und den erhabenen Bereichen angeordneten Kantenbereichen des Substrates eine erhöhte Abscheidung einstellt, so dass insbesondere aufgrund der erhöhten Dicke der isolierenden Schicht in den Kantenbereichen beim anschließenden flächigen Abtragen der leitfähigen Schicht eine allseitige Isolation der gebildeten Leiterbahn sichergestellt wird.

Für das als Trägermaterial dienende Substrat kommen prinzipiell beliebige Materialien in Frage, die für den jeweiligen Verwendungszweck geeignete Werkstoffeigenschaften aufweisen. Vorzugsweise wird ein Substrat aus Graphit eingesetzt, welches preiswert ist und eine hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweist.

Während als elektrisch isolierende Schicht bevorzugt pyrolytisches Bornitrid (PBN) aufgebracht wird, wird als elektrisch leitfähige Schicht vorzugsweise pyrolytischer Kohlenstoff (Pyrokohlenstoff, PC) aufgebracht. Die genannten Materialien weisen einerseits eine hervorragende Isolations- bzw. Leitfähigkeit auf und lassen sich andererseits auf einfache Weise aus der Gasphase abscheiden. Ferner haben sie eine hohe Temperaturbeständigkeit. Überdies unterscheiden sich Bornitrid (weiß) von Kohlenstoff (schwarz) durch ihre Farbe, so dass beim ebenen Abtragen der leitfähigen Schicht eine einfache visuelle Unterscheidung möglich ist und die Pyrokohlenstoffschicht zur Sicherstellung einer allseitigen Isolation der Leiterbahn z. B. so lange flächig abgetragen werden kann, bis an den erhabenen Bereichen des Substrates die darunter befindliche Bornitridschicht freigelegt worden ist.

In Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem teilweisen Abtragen der Schicht aus dem leitfähigen Material unter Bildung der Leiterbahn auf diese eine Deckschicht aus einem isolierenden Material aufgebracht wird, so dass die Leiterbahn des Widerstandsheizelementes versiegelt wird und vor äußerer Einwirkung geschützt ist. Die Deckschicht wird mit Vorzug ebenfalls aus der Gasphase abgeschieden, wobei die Deckschicht zweckmäßig aus demselben Material wie die isolierende Schicht, insbesondere aus pyrolytischem Bornitrid (PBN), gewählt wird.

Zum Aufbringen des isolierenden Schicht und der leitfähigen Schicht sowie gegebenenfalls der Deckschicht auf das Substrat kommen verschiedene Verfahren in Frage. So kann zumindest eine der Schichten durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition) aufgebracht werden. Hiermit sind solche Verfahren zur Herstellung dünner Schichten angesprochen, bei denen das Beschichtungsmaterial, z. B. Bornitrid und/oder Pyrokohlenstoff, im Vakuum durch rein physikalische Methoden in die Gasphase überführt und an der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden wird. Es kommen im wesentlichen drei verschiedene Verfahrensvarianten in Frage: Das Beschichtungsmaterial kann einerseits im Hochvakuum auf die Oberfläche aufgedampft werden, wobei es bis zum Übergang entweder vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Zustand oder direkt vom festen in den gasförmigen Zustand mittels elektrischer Widerstandsheizungen, Elektronen- oder Laserbeschuss, Lichtbogenverdampfen oder dergleichen, erhitzt wird. Stattdessen kommt auch das Sputtering in Frage, bei dem ein aus dem jeweiligen Beschichtungsmaterial bestehendes festes Target im Vakuum mit energiereichen Ionen, z. B. Edelgasionen, insbesondere Argonionen, zerstäubt wird, wobei als Ionenquelle z. B. ein Edelgasplasma verwendet wird. Schließlich kann ein aus dem jeweiligen Beschichtungsmaterial bestehendes Target auch unter Vakuum mit Ionenstrahlen beschossen, in den gasförmigen Zustand überführt und an der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden werden. Selbstverständlich können die genannten PVD-Verfahren auch kombiniert und zumindest eine der Schichten z. B. durch plasmaunterstütztes Aufdampfen aufgebracht werden.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, zumindest eine der Schichten durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapour Deposition) aufzubringen. Bei den CVD- Verfahren laufen im Gegensatz zu den PVD-Verfahren chemische Reaktionen ab. Hierbei werden die bei Temperaturen von etwa 200 bis 2000°C mittels thermischer, plasma-, photonen- oder laseraktivierter Gasphasenabscheidung erzeugten Gaskomponenten mit einem inerten Trägergas, z. B. Argon, in der Regel bei Unterdruck in eine Reaktionskammer überführt, in der die chemische Reaktion stattfindet. Die dabei gebildeten Feststoffkomponenten werden an der zu beschichteten Oberfläche abgeschieden. Die flüchtigen Reaktionsprodukte werden mit dem Trägergas abgeführt.

Schließlich kann zumindest eine der Schichten auch durch ein thermisches Spritzverfahren, z. B. mittels eines Plasmaspritzverfahrens, aufgebracht werden. Hierbei wird ein festes Target durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und damit verbundenem Ionisieren eines Gases, z. B. Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Edelgase etc., mittels eines Plasmabrenners erhitzt und in die Gasphase überführt. Das Target kann beispielsweise aus Bornitrid oder Pyrokohlenstoff bestehen und rein physikalisch in die Gasphase überführt und an der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden werden. Das Target kann z. B. auch aus Bor bestehen und durch Reaktion mit dem ionisierten Gas - in diesem Fall Stickstoff - als Bornitrid an der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Widerstandsheizelement mit einem Substrat, auf welches eine elektrisch isolierende Schicht und auf die isolierende Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht in Form wenigstens einer Leiterbahn aufgebracht ist, welches insbesondere mittels eines Verfahrens der vorgenannten Art hergestellt ist. Erfindungsgemäß ist die Leiterbahn in wenigstens einer Ausnehmung des Substrates eingebettet, welche vom im Substrat ausgebildeten, erhabenen Bereichen begrenzt ist. Die die Ausnehmung mit der Leitbahn begrenzenden, erhabenen Bereiche dienen zur seitlichen Isolation der Leiterbahn und ermöglichen eine einfache und kostengünstige Herstellung des Widerstandsheizelementes durch ebenes Abtragen der auf der Oberflächenkontur des Substrates unter Zwischenschaltung der isolierenden Schicht abgeschiedenen leitfähigen Schicht.

Wie bereits erwähnt, sind die die Leiterbahn begrenzenden, erhabenen Bereiche des Substrates vorzugsweise scharfkantig ausgebildet, um eine erhöhte Abscheidung insbesondere der isolierenden Schicht an diesen Bereichen sicherzustellen. Die Kantenbereiche können beispielsweise im wesentlichen rechteck- und/oder sägezahnförmig ausgebildet sein.

Während das Substrat bevorzugt im wesentlichen aus Graphit bestehen kann, bestehen die Schichten aus dem isolierenden Material bzw. dem leitfähigen Material insbesondere im wesentlichen aus pyrolytischem Bornitrid (PBN) bzw. pyrolytischem Kohlenstoff (PC).

Um die Leiterbahn des Widerstandsheizelementes vor äußeren Einwirkungen zu schützen, ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, dass auf die Leiterbahn eine Deckschicht aus einem isolierenden Material aufgebracht ist. Die Deckschicht besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die zwischen Substrat und Leiterbahn angeordnete isolierende Schicht, insbesondere im wesentlichen aus pyrolytischem Bornitrid (BN).

Die isolierende Schicht und/oder die leitfähige Schicht und/oder die Deckschicht sind zweckmäßig durch physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung (PVD, CVD) oder durch thermische Spritzverfahren auf das Substrat aufgebracht.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Widerstandsheizelementes;
Fig. 2 einen Querschnitt II-II durch das Widerstandsheizelement gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Fig. 2 durch eine andere Ausführungsform eines Widerstandsheizelementes;
Fig. 4 einen Querschnitt durch das Widerstandsheizelement gemäß Fig. 2 mit demgegenüber größerer Schichtdicke der Leiterbahn;
Fig. 5 einen Querschnitt durch das Widerstandsheizelement gemäß Fig. 3 mit demgegenüber größerer Schichtdicke der Leiterbahn und
Fig. 6 je einen Teilquerschnitt gemäß Fig. 2 durch das Widerstandsheizelement gemäß Fig. 1 und 2 zu verschiedenen Herstellungsstadien.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes 1 dargestellt. Das Widerstandsheizelement 1 umfasst ein als Trägermaterial dienendes, im wesentlichen plattenförmiges Substrat 2, z. B. aus Graphit, sowie eine elektrisch leitfähige Schicht 3 in Form einer beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mäanderförmig ausgebildeten Leiterbahn 4 (strichpunktiert dargestellt), z. B. aus pyrolytischem Kohlenstoff. Zwischen dem Substrat 2 und der die Leiterbahn 4 bildenden leitfähigen Schicht 3 ist eine isolierende Schicht 5, z. B. aus pyrolytischem Bornitrid, angeordnet. Ferner ist auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite der leitfähigen Schicht 3 eine isolierende Deckschicht 6 zum Schutz der Leiterbahn 4 vor äußeren Einwirkungen angeordnet, die z. B. ebenfalls aus pyrolytischem Bornitrid besteht. Die mit einer Außenseite des Widerstandsheizelementes 1 in Verbindung stehenden Enden der Leiterbahn 4 dienen als Anschlüsse 7, 8 zum Anlegen einer elektrischen Spannung.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Leiterbahn 4 in einer deren mäandrierenden Form (Fig. 1) folgenden Ausnehmung 10 des Substrates 2 eingebettet und von letzterem durch die isolierende Schicht 5 elektrisch isoliert. Die Ausnehmung 10 ist von erhabenen Bereichen 11 des Substrates 2 begrenzt, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Widerstandsheizelementes 1a unterscheidet sich von dem Widerstandsheizelement 1 gemäß Fig. 1 und 2 dadurch, dass die die Ausnehmung 10 im Substrat 2 zur Aufnahme der Leiterbahn 4 begrenzenden, erhabenen Bereiche 11 im wesentlichen sägezahnförmig ausgebildet sind.
Fig. 4 ist ein Widerstandsheizelement 1 entnehmbar, welches eine im Vergleich mit dem Widerstandsheizelement 1 gemäß Fig. 2 größere Schichtdicke der Leiterbahn 4 und folglich einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel fluchtet die Leiterbahn 4 mit den am Substrat 2 ausgeformten erhabenen Bereichen 11. Entsprechendes gilt für das in Fig. 5 dargestellte Widerstandsheizelement 1a im Vergleich mit dem Widerstandsheizelement 1a gemäß Fig. 3.
Fig. 6 ist ein schematisches Verfahrensfließbild entnehmbar, welches verschiedene Herstellungsstadien des Widerstandsheizelementes 1 gemäß Fig. 1 und 2 zeigt.
Ein im wesentlichen plattenförmiges Substrat 2 (Fig. 6a) wird durch spanabhebende Bearbeitung, wie Fräsen, Schleifen oder dergleichen, entsprechend der Form der gewünschten Leiterbahn mechanisch vorbearbeitet, so dass eine insbesondere mäanderförmig verlaufende Ausnehmung 10 gebildet wird, die zur Aufnahme der Leiterbahn vorgesehen ist (Fig. 6b). Dabei werden die die Ausnehmung 10 begrenzenden, erhabenen Bereiche 11 scharfkantig, z. B. rechteckförmig, ausgebildet.
Anschließend wird eine Schicht 5 aus einem isolierenden Material auf die derart vorbehandelte Oberfläche des Substrates 2 aus der Gasphase abgeschieden (Fig. 6c), was insbesondere durch PVD-, CVD- oder thermische Spritzverfahren geschehen kann. Wie aus Fig. 6c ersichtlich, wird die isolierende Schicht 5 an den scharfen Kanten der Erhebungen 11 verstärkt abgeschieden, so dass sich an diesen Bereichen eine erhöhte Schichtdicke einstellt. Auf der isolierenden Schicht 5 wird sodann eine Schicht 3 aus einem leitfähigen Material abgeschieden, was ebenfalls mittels PVD-, CVD- oder thermischen Spritzverfahren erfolgen kann (Fig. 6d). Es stellt sich wiederum eine erhöhte Schichtdicke im Kantenbereich der Erhebungen 11 der Ausnehmung 10 des Substrates 2 ein.
Hernach wird die Schicht 3 aus dem leitfähigen Material entlang der in Fig. 6e gezeigten Strichpunktlinie 13 eben abgetragen, bis zumindest das leitfähige Material unter Bildung der Leiterbahn 4 an der die Ausnehmung 10 der Leiterbahn 4 begrenzenden, erhabenen Bereichen 11 des Substrates 2 vollständig abgetragen worden ist (Fig. 6f). Aufgrund der verstärkten Abscheidung insbesondere der isolierenden Schicht 5 an den scharfen Kanten der Erhebungen 11 kann die leitfähige Schicht 3 über den scharfkantigen Erhebungen 11 unter Einhaltung verhältnismäßig großer Toleranzen eben abgetragen werden, wobei dennoch eine einwandfreie Isolation der Leiterbahn 4 sichergestellt ist. Im vorliegenden Fall wird die isolierende Schicht 3 auf den erhabenen Bereichen 11 gemeinsam mit der leitfähigen Schicht 5 so lange abgetragen, bis etwa die Hälfte der ursprünglichen Schichtdicke der isolierenden Schicht 3 auf den erhabenen Bereichen 11 zurückbleibt, wodurch eine erhöhte Sicherheit bezüglich der elektrischen Isolation zwischen den Pfaden der Leiterbahn 4 gewährleistet wird. Alternativ kann die isolierende Schicht 5 auf den erhabenen Bereichen 11 im wesentlichen vollständig abgetragen werden oder auch praktisch gänzlich auf den erhabenen Bereichen 11 verbleiben. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer schnellen und preiswerten mechanischen Nachbearbeitung unter Einhaltung nur relativ großer Toleranzen. In jedem Fall ist jedoch einem vollständigen Entfernen der oberen, leitfähigen Schicht 3 auf den erhabenen Bereichen 11 Sorge zu tragen, um Kurzschlüsse der Leiterbahn 4 zuverlässig zu vermeiden.
Das Abtragen der leitfähigen Schicht 3 und gegebenenfalls zumindest eines Teils der isolierenden Schicht 5 auf den erhabenen Bereichen 11 kann beispielsweise durch flächiges Schleifen geschehen. Wie aus Fig. 6f ersichtlich, wird auf diese Weise eine Leiterbahn 4 gebildet, welche unter Zwischenschaltung der isolierenden Schicht 5 in der Ausnehmung 10 im Substrat 2 eingebettet ist.
Falls ein Widerstandsheizelement mit geringerem elektrischen Widerstand erwünscht ist, kann das leitfähige Material mit einer höheren Schichtdicke abgeschieden, so daß es die im Substrat 2 ausgeformte Ausnehmung 10 z. B. vollständig ausfüllt (Fig. 4).
In der Regel, wenn auch nicht notwendigerweise, wird auf die Leiterbahn 4 schließlich eine isolierende Deckschicht 6 aufgebracht (Fig. 6g), die vorzugsweise aus demselben Material wie die isolierende Schicht 5 besteht und zum Schutz des Widerstandsheizelementes 1 vor äußeren Einwirkungen dient. Das Aufbringen der Deckschicht 6 kann entsprechend dem Aufbringen der isolierenden Schicht 5 und/oder der leitenden Schicht 3 geschehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung des Widerstandsheizelementes 1, wobei insbesondere der aufwendige Verfahrensschritt eines teilweisen Abtragens der leitfähigen Schicht 3 in einer Ebene unter Einhaltung enger Toleranzen vermieden wird. Demgegenüber wird erfindungsgemäß durch die mechanische Vorbearbeitung des Substrates 2 (Fig. 6b) ein einfaches und schnelles ebenes Abtragen der leitenden Schicht 3 an den erhabenen Bereichen 11 des Substrates 2 unter Bildung der Leiterbahn 4 gewährleistet, wobei insbesondere aufgrund der verstärkten Abschaltung der isolierenden Schicht 5 an den scharfkantigen Erhebungen 11 Kurzschlüsse der Leiterbahn 4 auch bei Einhaltung von nur verhältnismäßig großen Toleranzen sicher vermieden werden. Besteht die isolierende Schicht 5 z. B. aus pyrolytischem Bornitrid (weiß) und die leitende Schicht 3 aus pyrolytischem Kohlenstoff (schwarz), so ist es beim ebenen Abtragen der leitenden Schicht 3 (Fig. 6e) auf einfache Weise visuell wahrnehmbar, wenn die leitende Schicht 3 an den erhabenen Bereichen 11 des Substrates 2 unter Bildung der Leiterbahn 4 vollständig abgetragen worden ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelementes (1, 1a), indem ein Substrat (2) mit einem elektrisch isolierenden Material aus der Gasphase beschichtet, auf die auf dem Substrat (2) abgeschiedene Schicht (5) aus dem isolierenden Material ein elektrisch leitfähiges Material aus der Gasphase abgeschieden wird und die auf der Schicht (5) aus einem isolierenden Material abgeschiedene Schicht (3) aus einem leitfähigen Material anschließend unter Bildung wenigstens einer Leiterbahn (4) teilweise mechanisch abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) vor Abscheidung des isolierenden Materials unter Bildung wenigstens einer zur Aufnahme der Leiterbahn (4) vorgesehenen Ausnehmung (10) spanabhebend bearbeitet wird, die Schicht (5, 3) aus dem isolierenden Material und dem leitfähigen Material auf dem mechanisch bearbeiteten Substrat (2) abgeschieden werden und die Schicht (3) aus dem leitfähigen Material sodann eben abgetragen wird, bis zumindest das leitfähige Material unter Bildung der Leiterbahn (4) an den die Ausnehmung (10) der Leiterbahn (4) begrenzenden, erhabenen Bereichen (11) des Substrates (2) vollständig abgetragen worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leiterbahn (4) begrenzenden, erhabenen Bereiche (11) bei der spanabhebenden Bearbeitung des Substrates (2) scharfkantig ausgebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leiterbahn (4) begrenzenden, erhabenen Bereiche (11) bei der spanabhebenden Bearbeitung des Substrates (2) im wesentlichen rechteck- und/oder sägezahnförmig ausgebildet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (2) aus Graphit eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als isolierende Schicht (5) pyrolytisches Bornitrid (PBN) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als leitfähige Schicht (3) pyrolytischer Kohlenstoff (PC) aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem teilweisen Abtragen der Schicht (3) aus dem leitfähigen Material auf diese eine Deckschicht (6) aus einem isolierenden Material aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) aus der Gasphase abgeschieden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Deckschicht (6) pyrolytisches Bornitrid (PBN) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der abgeschiedenen Schichten (3, 5, 6) durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der abgeschiedenen Schichten (3, 5, 6) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapour Deposition) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der abgeschiedenen Schichten (3, 5, 6) durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der abgeschiedenen Schichten (3, 5, 6) durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird.

14. Widerstandsheizelement (1, 1a) mit einem Substrat (2), auf welches eine elektrisch isolierende Schicht (5) und auf die isolierende Schicht (5) eine elektrisch leitfähige Schicht (3) in Form wenigstens einer Leiterbahn (4) aufgebracht ist, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (4) in wenigstens einer Ausnehmung (10) des Substrates (2) eingebettet ist, welche von im Substrat (2) ausgebildeten erhabenen Bereichen (11) begrenzt ist.

15. Widerstandsheizelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leiterbahn (4) begrenzenden, erhabenen Bereiche (11) des Substrates (2) scharfkantig ausgebildet sind.

16. Widerstandsheizelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leiterbahn (4) begrenzenden, erhabenen Bereiche (11) des Substrates (2) im wesentlichen rechteck- und/oder sägezahnförmig ausgebildet sind.

17. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) im wesentlichen aus Graphit besteht.

18. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) aus dem isolierenden Material im wesentlichen aus pyrolytischem Bornitrid (PBN) besteht.

19. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus dem leitfähigen Material im wesentlichen aus pyrolytischem Kohlenstoff (PC) besteht.

20. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Leiterbahn (4) eine Deckschicht (6) aus einem isolierenden Material aufgebracht ist.

21. Widerstandsheizelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) im wesentlichen aus pyrolytischem Bornitrid (PBN) besteht.

22. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht (5) und/oder die leitfähige Schicht (3) und/oder die Deckschicht (6) durch physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung (PVD, CVD) oder durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht ist.