DE10330901B4

DE10330901B4 - Elektrostatisches Fixierelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE10330901B4
Application number: DE10330901A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Kalkowski; Henrik Dipl.-Ing. Banse; Ramona Dr. Eberhardt; Wieland Dipl.-Ing. Stöckl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: DE10330901A1

Abstract

Elektrostatisches Fixierelement bestehend aus einem dielektrischen Oberteil (1) und einem Körper (4), die stoffschlüssig miteinander verbunden sind und zwischen Oberteil (1) und Körper (4) mindestens eine elektrisch leitende Elektrodenstruktur ausgebildet ist, wobei
die aus metallischen als Schichtsystem ausgebildeten Dünnschichten (2, 3) gebildete Elektrodenstruktur eine stoffschlüssige Lötverbindung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils ein Schichtsystem auf den aufeinander zu gerichteten Oberflächen von Oberteil (1) und Körper (4) ausgebildet ist, das jeweils mit einer unmittelbar auf die Oberfläche von Oberteil (1) und Körper (4) ausgebildeten Haftschicht,
einer darauf ausgebildeten Diffusionsbarriere und mindestens einer darauf ausgebildeten Lotschicht gebildet ist, wobei jede der Schichten aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft elektrostatische Fixierelemente, die auch als „Chuck” bezeichnet werden können sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Fixierelemente.
Elektrostatische Fixierelemente werden häufig für die Manipulation unterschiedlichster Gegenstände im Vakuum und hier insbesondere bei der Halbleiterlithographie, in Vakuumbeschichtungsanlagen, in Rein- oder Reinsträumen, also unter Bedingungen bei denen eine Partikelfreisetzung vermieden werden soll, benutzt. So können bevorzugt ebene plattenförmige Elemente, wie z. B. Wafer oder Masken gehalten und positioniert werden.
Die herkömmlichen Fixierelemente haben dabei eine Fläche, die planar oder auch mit Oberflächenstrukturelementen, z. B. so genannte „Pins” versehen ausgebildet sein kann und aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet ist. Zusätzlich ist mindestens eine Elektrode vorhanden um die gewünschten elektrostatischen Kräfte für zu fixierende Elemente hervorrufen zu können. Dabei ist der dielektrische Teil oder Bereich zwischen Elektrode und zu fixierendem Element angeordnet.
Häufig ist die Fläche zur Fixierung an einem gesonderten Teil eines Fixierelementes ausgebildet, das wiederum mit einem gesonderten Körper oder Basisteil verbunden ist; ausgebildet. Dabei ist die mindestens eine Elektrode zwischen dem Teil und dem Körper angeordnet.
Üblicherweise werden die einzelnen Teile mit Bindern stoffschlüssig verbunden. Die in der Regel organischen Binder weisen aber mehrere Nachteile auf.
So wird mit solchen Bindern für viele Anwendungen keine ausreichend hohe thermische Festigkeit erreicht, so dass obwohl die anderen einzelnen Elemente eines Fixierelemente deutlich höhere Einsatztemperaturen zulassen, üblicherweise maximal Temperaturen von ca. 120°C nicht überschritten werden dürfen.
Organische Binder (Klebstoffe) sind oft nicht chemisch inert bzw. können durch Stoffe angegriffen oder gelöst werden bzw. Feuchtigkeit aufnehmen, was ggf. zum Quellen führt.
Bei der Polymerisation tritt ein Schrumpfen des Binders auf und die Volumenreduzierung führt zu Spannungen im Bereich der Fügeverbindung. Im Falle einer Er wärmung dehnen sich solche Binder häufig wesentlich stärker aus, als die Werkstoffe für dielektrische Elemente von Fixierelementen und die Werkstoffe von zu fixierenden Elementen. Letztgenannte Elemente bestehen in der Regel aus halbleitenden Werkstoffen. Häufig ist auch auf der Auflageseite solcher Elemente eine elektrisch leitende Schicht vorhanden.
Im Laufe der Zeit tritt eine Versprödung der Binder auf die die ohnehin begrenzte Festigkeit der Klebeverbindung weiter reduzieren kann.
Eine mögliche Ausgasung von flüchtigen Bestandteilen oder eine mögliche Aufnahme von Gasen schließt einen Einsatz in Vakuumkammern aus oder stellt hier einen erheblichen Nachteil dar.
Außerdem muss für die jeweiligen so miteinander zu verbindenden Werkstoffe ein besonders geeigneter Binder ausgewählt werden, so dass insbesondere für die Verbindung von Glas, Keramik oder Glaskeramikkörpern kostenintensive Binder mit entsprechender thermischen Stabilität eingesetzt werden müssen.
In DE 692 24 791 T2 ist eine elektrostatische Halteplatte für eine Niederdruckumgebung beschrieben, bei dem in einem dielektrischen Substrat mindestens eine Elektrode eingebettet ist. Dabei sind zwei dielektrische Platten vorhanden und die Elektrode(n) mit einer Lötverbindung gebildet.
Die in US 5 948 165 A beschriebene technische Lösung betrifft elektrostatische Halteelemente bei denen ein metallischer Elektrodenkörper mit einem dielektrischen Blockelement durch eine Lötverbindung miteinander verbunden ist.
Aus der Druckschrift US 5 958 813 A ist als nächstliegender Stand der Technik ein halbleitender gesinterter Körper aus Aluminiumnitrid bekannt, der für ein elektrostatisches Fixierelement eingesetzt werden soll. Dabei ist ein metallisches Schichtsystem als mögliche Elektrodenstruktur vorhanden, mit dem auch eine Lötverbindung ausgebildet werden kann.
Des Weiteren sind Polymere schlechte Wärmeleiter, was bei einer erforderlichen Kühlung elektrostatischer Fixierelemente nachteilig ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung elektrostatische Fixierelemente zur Verfügung zu stellen, die auch in flexibler Gestaltung kostengünstig herstellbar sind und bei unterschiedlichsten Einsatzbedingungen, wie erhöhter Temperatur, im Vakuum oder unter Einfluss chemisch agressiver Medien eingesetzt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem elektrostatischen Fixierelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein solches elektrostatisches Fixierelement kann mit einem Verfahren nach Anspruch 23 hergestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Das erfindungsgemäße elektrostatische Fixierelement besteht im Wesentlichen aus einem Oberteil und einem Körper, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Das Oberteil ist aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet ist und hat eine planare Fläche an der ein zu manipulierendes Element, z. B. ein Wafer oder eine Maske elektrostatisch fixiert werden kann. Opti onal kann auch der Körper aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet sein.
Vorteilhaft ist es für Oberteil und Körper den gleichen Werkstoff einzusetzen, um unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und demzufolge auch den so genannten Bimetalleffekt zu vermeiden.
Zwischen Oberteil und Körper ist mindestens eine Elektrodenstruktur angeordnet, die aus metallischen Dünnschichten gebildet ist. Mehrere Elektrodenstrukturen sind aus diskret zueinander ausgebildet und elektrisch voneinander isolierten metallischen Dünnschichten gebildet. Mittels der die Elektrodenstruktur(en) bildenden metallischen Dünnschichten werden Oberteil und Körper stoffschlüssig durch Löten miteinander verbunden.
Dabei kann eine vollflächige stoffschlüssige Lötverbindung über die gesamte von metallischen Dünnschichten ausgefüllte Fläche zwischen Oberteil und Körper hergestellt werden.
Eine solche vollflächige Verbindung ist aber nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, lediglich Bereiche der metallischen Dünnschichten durch einen entsprechend lokal gezielten Energieeintrag insoweit zu erwärmen, dass lediglich bestimmte Bereiche stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Stoffschlüssige Lötverbindungen können punktförmig und/oder linienförmig ausgebildet werden.
Die einzelnen Punkte oder Linien können diskret und bevorzugt äquidistant zueinander angeordnet sein. So können beispielsweise Punktraster oder Gitteranordnungen ausgebildet werden.
Die Abstände und die jeweils eingenommenen Flächen, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, können so gewählt werden, dass ein gleichmäßiger Wärmeübergang zwischen Oberteil und Körper erreicht und eine Erhöhung von Spannungen im Fügebereich vermieden werden können.
Stoffschschlüssige Lötverbindungen können aber auch in Form geschlossener Linienzüge ausgebildet werden, wobei ein solcher Linienzug nicht zwingend eine gerade Linie bilden muss. Mittels solcher Linienzüge kann ein Kühlsystem am elektrostatischen Fixierelement ausgebildet werden in bzw. durch das ein Kühlgas geführt werden kann.
So können zwischen Bereichen, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, Zwischenräume verbleiben, die Hohlräume bilden, durch die ein Kühlgas geführt werden kann. Solche Zwischenräume können wie Kühlkanäle ausgebildet sein, deren Aussenwandungen vom Oberteil, dem Körper und seitlich den jeweiligen stoffschlüssig miteinander verbundenen Bereichen der metallischen Dünnschichten gebildet werden.
Es sollten möglichst schmale Zwischenräume im Bereich zwischen 0,02 bis ca. 1 mm bei geeigneter Tiefe von Vertiefungen gewählt werden, so dass eine ausreichende Kühlung erreicht aber ein Verzug/Durchbiegung vermieden werden kann.
Die erreichbaren freien Querschnitte solcher „Kühlkanäle” können vergrößert werden, indem die entsprechenden Oberflächen von Oberteil und/oder Körper mit einer Struktur versehen worden sind, die entsprechend angeordnete Vertiefungen aufweist. Eine solche Oberflächenstruktur kann vor oder nach dem Aufbringen der metallischen Dünnschichten durch lithografische Verfahren, nasschemisches aber auch Trockenätzen ausgebildet werden.
Die Zu- und auch eine ggf. vorhandene Abführung eines Kühlgases kann durch mindestens eine im Körper ausgebildete Durchbrechung (z. B. eine Bohrung) erfolgen.
Die ein solches Kühlsystem bildenden Zwischenräume können vorteilhaft ein geschlossenes auch vakuumdichtes System bilden, so dass ein unkontrollierter Austritt von Kühlgas und Kontaminationen der umgebenden Atmosphäre, durch das durch die Zwischenräume zwischen Oberteil und Körper geführte Kühlgas, vermieden werden können.
Die eine oder auch mehrere Elektrodenstruktur(en) sind jeweils mit einem Pol einer oder mehrerer Gleichspannungsquelle(n) verbunden, je nachdem ob ein unipolares, bipolares oder mehrpoliges Fixierelement eingesetzt bzw. hergestellt werden soll, wobei die elektrisch leitende Verbindung bevorzugt durch den Körper geführt werden soll.
Die elektrisch leitenden Verbindungen von einer Elektrodenstruktur zu einer elektrischen Spannungsquelle können durch Durchbrechungen, die im Körper ausgebildet sind, geführt werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, diese Durchbrechungen zumindest bereichsweise ebenfalls zu „metallisieren”, also auch mit metallischen Dünnschichten zu versehen. Dies kann durch eine entsprechende Beschichtung des Körpers zumindest auf der Oberfläche auf der auch die Elektro denstruktur(en) ausgebildet werden, bevorzugt gleichzeitig mit deren Ausbildung erreicht werden. Eine elektrisch leitende Beschichtung kann aber zusätzlich auch auf der gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet werden.
Durch Durchbrechungen, die bevorzugt metallisiert sind, können dann elektrisch leitenden Elektrodenelemente bis zu einer Elektrodenstruktur geführt und die elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden.
Solche Elektrodenelemente können vorteilhaft hohl ausgebildet sein, so dass sie gleichzeitig für die Zu- und/oder Abführung eines Kühlgases genutzt werden können. So kann auch gleichzeitig ein solches Elektrodenelement mit gekühlt werden.
Die jeweiligen Elektrodenstrukturen für einzelne Pole sollten dabei so angeordnet sein, also in der Regel so große Abstände zueinander aufweisen, dass bei den erforderlichen elektrischen Spannungen Kurzschlüsse (Überschläge) vermieden werden können.
Die Vermeidung solcher unerwünschten Kurzschlüsse (Überschläge) von Elektrodenstrukturen über den äußeren Rand eines Oberteiles auf ein zu fixierendes Element kann dadurch erreicht werden, dass am äußeren Rand ein umlaufender Randbereich ohne metallische Dünnschichten vorhanden ist. Hierfür kann eine Mindestbreite eines solchen freien Randbereiches von ca. 1 mm bereits ausreichen.
Ein ähnlicher Effekt kann aber auch mit einem am äußeren Randbereich umlaufenden Randbereich der aus mindestens einer elektrisch leitenden Schicht, also auch aus metallischen Dünnschichten gebildet sein kann, erreicht werden. Dieser Randbereich ist dann zu der einen oder auch mehreren Elektrodenstruktur(en) elektrisch isoliert, was wiederum durch einen zwischen Randbereich und Elektrodenstruktur(en) letztere umlaufend umschließenden Isolationsbereich erreicht werden kann.
Der Isolationsbereich kann als von metallischen Dünnschichten freier Bereich von Oberteil und Körper ausgebildet sein und wiederum eine Breite von mindestens 1 mm je 1000 V Spannungsdifferenz aufweisen.
Für Fälle bei denen beispielsweise in diesen Bereichen ein Kühlgas vorhanden sein kann, sind unter Berücksichtigung des Paschengesetzes größere Breiten von Isolationsbereichen zu berücksichtigen.
Der umlaufende elektrisch leitende Randbereich kann an Massepotential angeschlossen sein und so eine Abschwächung (elektrische Abschirmung) von Feldern nach außen zu erreichen.
Oberteil und ggf. auch der Körper können bevorzugt aus einer Glaskeramik aber auch aus einem Glas oder Saphir bestehen. So können ein ausreichend hohes elektrisches Isolationsvermögen erreicht sowie ein Einsatz bei höheren Temperaturen ermöglicht werden.
Für die Ausbildung der Elektrodenstruktur(en) können die jeweiligen Oberflächen mit metallischen Dünnschichten versehen werden. Dies kann bevorzugt im Vakuum mit an sich bekannten Beschichtungsverfahren, wie z. B. PVD- oder CVD-Verfahren erreicht werden.
Vor der Ausbildung von metallischen Dünnschichten können die entsprechenden Oberflächen von Oberteil und Körper vorteilhaft mittels eines Plasmas oder Ionenbeschuss modifiziert werden.
Die metallischen Dünnschichten sind als Schichtsystem auszubilden. So wird unmittelbar auf die jeweilige Oberfläche von Oberteil und auch dem Körper eine Haftschicht ausgebildet. Auf diese Haftschicht wird dann eine Diffusionsbarriere und auf diese dann wiederum eine Lotschicht ausgebildet, wobei jede der Schichten aus einem anderen Metall bzw. Metalllegierung gebildet wird.
Mittels der Haftschicht soll, wie dies mit der Bezeichnung zum Ausdruck gebracht worden ist, die Haftung der metallischen Dünnschichten auf dem jeweiligen Substrat, also Oberteil und Körper erhöht werden.
Die auf Oberteil und Körper als Schichtsystem ausgebildeten metallischen Dünnschichten können jeweils gleich sein, was sowohl auf die jeweiligen Einzelschichten und deren jeweiligen Dicken zutreffen kann.
Es besteht aber auch die Möglichkeit eine einzige Lotschicht auf Oberteil oder Körper vorzusehen, mit der eine stoffschlüssige Verbindung herstellbar ist.
Mittels der Diffusionsbarriere soll eine Beeinflussung von Haftschicht und Lotschicht, unter Berücksichtigung unterschiedlicher Schmelztemperaturen insbesondere dann wenn der Energieeintrag für die Ausbildung der stoffschlüssigen Lötverbindung erfolgt, verhindert werden.
Für solche Schichtsysteme sind bevorzugte Beispiele von W. Pittroff in „Au/Sn-Bumping von Laserchips, Flip-Chip-Technik und Selbstjustagegenauigkeit”; Proceedings ITG-Workshop über Photonische Integration und Aufbautechnik; Heinrich Hertz Institut Berlin; 1999 oder auch von S. Weiß u. a. in „Fluxless Die Bonding of High Power Laser Bars using the AuSn-Metallurgy”; IEEE Electronic Components and Technology Conference; 1997 bekannt.
Dabei wird auf die besondere Eignung von eutektischen Legierungen mit Zinn für Lotschichten hingewiesen. Neben eutektischen Silber-Zinnlegierungen ist insbesondere eine eutektische Gold-Zinnlegierung mit 80 Masse-% Gold und 20 Masse-% Zinn zu bevorzugen, die ihre Schmelztemperatur bereits bei ca. 275°C erreicht. Eine eutektische Silber-Zinnlegierung sollte 96,5 Masse-% Silber und 3,5 Masse-% Zinn enthalten.
Ein Schichtsystem kann auch mittels einer dünnen Goldschicht oder anderer Edelmetallschicht überzogen sein, um insbesondere eine Oxidationsschutzschicht zu bilden. Eine solche Oxidationsschutzschicht kann eine Dicke von ca. 20 nm bis 0,1 μm aufweisen. Mit einer solchen Oxidationsschutzschicht („flash”) können aber auch durch die ihre Duktilität Eigenspannungen an der Grenzfläche zu einer Lotschicht, die als oberste Schicht auf eine Oxidationsschutzschicht aufgebracht werden kann, abgebaut werden.
Eine Haftschicht sollte bevorzugt aus Titan und eine Diffusionsbarriere aus Platin oder Palladium gebildet sein, wobei jeweils bereits kleine Schichtdicken die gewünschten Effekte erreichen.
Unter Umständen kann aber auch auf eine reine Diffusionsbarriere als Zwischenschicht verzichtet werden.
Schichtsysteme von geeigneten metallischen Dünn schichten können beispielsweise folgenden Aufbau haben:
Titan (600 nm) – Palladium (100–200 nm) – Gold (0,1–5 μm);
NiV (150–300 nm) – Gold (0,1–5 μm);
TiW (50 nm) – Palladium (100–200 nm) – Gold (0,1–5 μm);
NiCr (50 nm) – Palladium (100–200 nm) – Gold (0,1–5 μm);
Palladium (100–200 nm) – Gold (0,1–5 μm);
Titan (30 nm) – Platin (100 nm) – Gold (100 nm) – Gold-Zinn (2–3 μm);
Titan (30 nm) – Platin (100 nm) – Gold-Zinn (2–3 μm);
Nickel (1 μm) – Platin (100 nm) – Gold-Zinn mehrschichtig (3 μm) oder
TiW (200 nm) – Gold (200 nm) – Gold (25 μm) – Zinn (3–5 μm).
Die erfindungsgemäßen elektrostatischen Fixierelemente werden so hergestellt, indem auf jeweils einer Oberfläche von Oberteil und Körper mindestens eine eine Elektrodenstruktur bildende metallische Dünnschicht ausgebildet wird. Dies kann mit bekannten Vakuumbeschichtungsverfahren, wie CVD- oder PVD-Verfahren erreicht werden, wobei auch sukzessive mehrere Schichten zur Ausbildung von Schichtsystemen übereinander aus verschiedenen Metallen oder Metallle gierungen ausgebildet werden.
Oberteil und Körper werden dann so zueinander positioniert, dass die metallischen Dünnschichten miteinander in Kontakt stehen.
Anschließend erfolgt ein Energieeintrag, der zu einer Erwärmung führt und so eine stoffschlüssigen Lötverbindung hergestellt wird. Dabei kann es vorteilhaft sein gleichzeitig eine Druckkraftwirkung, bei der Oberteil und Körper zusammen gepresst werden, auszuüben.
Auf dem Oberteil und auf dem Körper sollten die metallischen Dünnschichten, zumindest was ihre Flächengeometrie betrifft, komplementär ausgebildet sein.
Der Energieeintrag kann dabei in einem Ofen erfolgen, in dem das ganze entsprechend vorbereitete Fixierelement auf eine ausreichend hohe Temperatur zur Ausbildung der Lötverbindung erwärmt werden kann.
Bei Lotschichten aus der erwähnten eutektischen Gold-Zinn-Legierung genügen bereits Temperaturen von ca. 275°C.
Günstiger ist es jedoch einen lokal begrenzten Energieeintrag vorzunehmen, was mit einem punktförmigen Energiestrahl realisiert werden kann. In diesem Fall sollte entweder das Oberteil oder der Körper aus einem für die jeweilige Strahlung transparentem Werkstoff gebildet sein, so dass die jeweilige Energie unmittelbar im Bereich der metallischen Dünnschichten eingebracht werden kann und dort ihre Wirkung entfalten kann.
Hierfür ist ein Laserstrahl besonders geeignet, da sein Brennfleck im Bereich der miteinander zu verbindenden metallischen Dünnschichten in seiner Größe durch entsprechende Fokussierung auf ein gewünschtes Maß einfach eingestellt werden kann. Gleichzeitig ist durch eine gezielte Fokussierung eine geeignete nicht zu große und nicht zu kleine Energiedichte im Brennfleck einstellbar, so dass für die Ausbildung von lokal begrenzten Lötverbindungen lediglich ein minimaler Energieeintrag erforderlich ist. Dadurch wird nicht nur der erforderliche Zeitaufwand reduziert sondern auch eine Rekristallisation im Werkstoff von Oberteil und Körper weitestgehend vermieden.
Laserstrahlen können aber auch mittels Strahlführungsoptiken einfach, schnell und präzise ausgelenkt werden, so dass der lokal begrenzte Energieeintrag an verschiedenen Positionen erfolgen kann und wie bereits angesprochen punkt- und/oder linienförmige stoffschlüssige Lötverbindungen hergestellt werden können.
In einer Alternative kann aber auch zusätzlich oder bei nicht ausgelenktem Laserstrahl eine zweiachsige Bewegung von Oberteil und Körper erfolgen, um deine gewünschte Relativbewegung zu erreichen.
Außerdem besteht die Möglichkeit eine Formung des Brennfleckes des Laserstrahls, auch abweichend von einer Kreis- oder Ellipsenform vorzunehmen.
Die stoffschlüssigen Lötverbindungen sollten im Vakuum oder innerhalb einer Schutzgasatmosphäre hergestellt werden, um insbesondere Veränderungen der metallischen Dünnschichten infolge chemischer Reaktionen der Metalle zu vermeiden. So kann eine uner wünschte Oxidbildung vermieden werden, die den Lötvorgang behindert sowie die elektrische Leitfähigkeit reduziert oder zu einer inhomogenen elektrischen Leitfähigkeit der Elektrodenstruktur(en) führt.
Bei den vorab bezeichneten besonders geeigneten Metallen und Metalllegierungen für Lotschichten kann auf zusätzliche Flussmittel verzichtet werden.
Die erfindungsgemäßen Fixierelemente weisen einen kompakten Aufbau auf, die Elektrodenstrukturen können hochpräzise und reproduzierbar ausgebildet werden, so dass auch entsprechend homogene elektrostatische Verhältnisse beim Einsatz der Fixierelemente eingehalten werden können.
Der Einsatz ist auch, insbesondere im Vergleich zu solchen, bei denen Klebverbindungen vorhanden sind, bei erhöhten Temperaturen möglich. Durch den sukzessiven lokal begrenzten Energieeintrag werden reduzierte Eigenspannungen erreicht und ein Verzug bei Temperaturänderungen oder auch Kriechvorgänge bei gleich bleibender Temperatur vermieden.
Durch ein Kühlsystem und/oder die gute Wärmeleitfähigkeit der metallischen Elektrodenstrukturen können zumindest nahezu isotherme Verhältnisse, auf der mit dem zu fixierenden Element in Kontakt stehende Oberfläche des elektrostatischen Fixierelementes, eingehalten werden.
Die stoffschlüssig miteinander verbundenen Oberteile und Körper sind und bleiben definiert zueinander ausgerichtet, so dass keine Verkippungen und Verkantungen zu verzeichnen sind und auf eine nachträgliche Bearbeitung ggf. verzichtet werden kann.
Die hergestellte stoffschlüssige Lötverbindung weist aber eine ausreichend hohe Festigkeit auf, um eventuell eine spanende Bearbeitung durch Schleifen oder Polieren durchführen zu können.
So kann beispielsweise die Dicke eines dielektrischen Oberteils auf ein Mindestmaß unterhalb 0,2 mm (vorzugsweise auf ca. 80 μm) reduziert werden kann.
Eine solche relativ geringe Dicke eines dielektrischen Oberteils bildet eine auseichende elektrische Isolation bei gleichzeitig hoher elektrostatischer Kraftwirkung, die relativ kurzfristig auf- und wieder abgebaut werden kann. Wohingegen das gesamte Fixierelement eine Abmessung von ca. 10 mm und darüber hinaus aufweisen kann.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form ein Oberteil und einen Körper die zur Herstellung eines elektrostatischen Fixierelementes miteinander verbunden werden können;
2 die Herstellung der stoffschlüssigen Lötverbindung der in 1 gezeigten Teile mittels eines Laserstrahles;
3 in schematischer Form mehrere Darstellungen eines Beispieles eines erfindungsgemäßen Fixierelementes mit einem Kühlsystem;
4 ein weiteres Beispiel eines bipolaren elektrostatischen Fixierelementes in mehreren Ansichten;
5a und b zwei Beispiele von Körpern mit metallisierten Durchbrechungen und
6 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Fixierelementes.
In 1 sind ein Oberteil 1 und ein Körper 4 für die Herstellung eines Beispieles eines erfindungsgemäßen Fixierelementes gezeigt. Beide bestehen aus einer Glakeramik, die z. B. unter der Handelsbezeichnung Zerodur^® von der Firma Schott AG kommerziell erhältlich ist.
Die aufeinander zu gerichteten Oberflächen sind mit metallischen Dünnschichten 2 und 3 beschichtet, die hier eine Elektrodenstruktur eines unipolaren Fixierelements bilden sollen.
Die Dünnschichten sind hier Schichtsysteme mit einer Haftschicht aus Titan mit einer Dicke von ca. 50 nm, einer Diffusionsbarriere aus Platin mit einer Dicke von ca. 100 nm und einer Lotschicht aus einer eutektischen Silber-Zinnlegierung (96,5:3,5 Masse-%) mit einer Dicke von 3 μm.
Außenseitig ist ein umlaufender Randbereich 5 mit einer Mindestbreite von 1 mm, der frei von Metallen gehalten ist, am Oberteil 1 und Körper 4 vorhanden. Dieser Randbereich 5 kann elektrische Überschläge von der Elektrodenstruktur zu einem zu fixierenden Element verhindern.
Mit der in 2 gezeigten Darstellung soll gezeigt werden, wie Oberteil 1 und Körper 4 mittels eines Laserstrahles 10, der durch das für die Wellenlänge des Laserstrahles 10 transparenten Oberteils 1 in den Bereich der metallischen Dünnschichten 2 und 3 gerichtet werden kann und dort mit einem Brennfleckdurchmesser, der im Bereich von 0,05 bis 5 mm liegen kann, bei einer Laserleistung von ca. 15 bis 30 W bei Lotschichtdicken von einigen wenigen μm (z. B. 3 μm) durch einen lokal gezielten und begrenzten Energieeintrag die stoffschlüssige Lötverbindung, bei gleichzeitig reduziertem Wärmeeintrag in das Oberteil 1 und den Körper 4 herstellen kann.
Durch entsprechende Relativbewegung von Laserstrahl 10 und den miteinander zu verbindenden Oberteil 1 und Körper 4 können einzelne punkt- oder linienförmige Bereiche aber auch die gesamte mit metallischen Dünnschichten 2 und 3 beschichteten Flächenbereiche stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wobei eine weiter reduzierte Erwärmung von Oberteil 1 und Körper 4 zu verzeichnen ist.
Mit 3 ist ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Fixierelementes gezeigt.
Dabei zeigt die obere Darstellung in schematischer Form in einer Draufsicht eine mit metallischen Dünnschichten 2 und 3 gebildete Elektrodenstruktur in Kreisform und wie auch mit der unteren Darstellung verdeutlicht ist dabei auf der Oberfläche des Körpers 4 eine Struktur ausgebildet, bei der Vertiefungen einen geschlossenen Kanal in Spiralform zwischen einer Kühlgaszuführung 7 und einer Kühlgasabführung 8 ausbilden. Dabei sind die metallischen Dünnschichten 3 auf Vertiefungen und Bergen der Struktur ausgebildet worden.
Wie der Schnitt A-A in der unteren Darstellung zeigt, ist die Kühlgaszuführung als zentral angeordneter Durchbruch durch den Körper 4 ausgebildet und die Kühlgasabführung 8 dann radial außen ebenfalls über einen dort angeordneten Durchbruch durch den Körper 4 ausgebildet.
Die Unterseite des Oberteils 1 bildet eine ebene planare Fläche, auf der die metallische Dünnschicht 2 ausgebildet ist. Auch hier ist eine umlaufende freie Randzone 5, ohne Metallschicht vorhanden.
Am Körper 4 ist eine umlaufende Nut ausgebildet.
Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung werden Oberteil 1 und Körper 4 aufeinander gelegt, ggf. mit einer Druckkraft beaufschlagt und dann ein Laserstrahl 10 (hier nicht dargestellt) so bewegt, dass sein Brennfleck die stoffschlüssige Lötverbindung von Oberteil 1 und Körper 4 lediglich im Bereich der Berge der auf dem Körper 4 ausgebildeten Struktur herstellt und die Zwischenräume im Bereich der Vertiefungen vom Laserstrahl 10 nicht beeinflusst und demzufolge dort kein Energieeintrag erfolgt, so dass eine reduzierte Gesamterwärmung eingehalten werden kann.
Eine stoffschlüssige Lötverbindung wird aber umlaufend um die gesamte Struktur, also um das gesamte Kühlsystem hergestellt, so dass dieses vakuum- bzw. gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist.
Die Vertiefungen können eine Tiefe von 0,01 bis 2 mm aufweisen, so dass ein ausreichend großer Massenstrom an Kühlgas durch das System geführt werden kann, ohne dass eine überhöhte Erwärmung bei gleichzeitiger Vermeidung von Umgebungskontaminationen erreichbar sind.
Sowohl die Festigkeit der Verbindung von Oberteil 1 und Körper 4, wie auch eine gleichmäßige Temperatur sind bei einem solchen Fixierelement gegeben.
Es können für Oberteil 1 und Körper 4, wie auch die metallischen Dünnschichten 2 und 3 die gleichen Werkstoffe, wie beim Beispiel nach 1 eingesetzt werden.
Mit 4 soll ein Beispiel eines bipolaren Fixierelementes gezeigt werden. Hierfür sind metallische Dünnschichten 2 und 3 sowie 2a und 3a auf Oberteil 1 und Körper 4 zur Ausbildung von zwei voneinander getrennten Elektrodenstrukturen in Form von halbkreisförmigen Kreissegmenten bzw. als Doppel-D ausgebildet worden. Dazwischen sind elektrisch isolierende Bereiche, ohne metallische Dünnschichten 2 und 3 sowie 2a und 3a angeordnet.
Die zwei halbkreisförmigen und gegeneinander elektrisch isolierten Elektrodenstrukturen, die innerhalb der radial außen in Form einer Ringelektrode ausgebildeten Elektrodenstruktur und dem kreisringförmigen dazwischen angeordneten umlaufenden Isolationsbereich 5a, werden über die durch den Körper 4 geführten Elektrodenelemente 42, die hier als Kontaktstifte ausgebildet sind zu jeweils einem Pol einer Gleichspannungsquelle geführt und mit dieser elektrisch leitend kontaktiert.
In nicht dargestellter Form kann die radial äußere Elektrodenstruktur (Ringelektrode), die aus den me tallischen Dünnschichten 2a und 3a gebildet wird, an Massepotential angeschlossen sein. Der Spalt zwischen der äußeren „Ringelektrode” und den beiden halbkreisförmigen Elektrodenstrukturen sollte eine Breite von mindestens 1 mm aufweisen, was auch auf den Spalt zwischen den beiden inneren Elektrodenstrukturen des bipolaren Fixierelementes zutrifft.
In nicht dargestellter Form kann auch die radial äußere Mantelfläche mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sein, die an Masse angeschlossen ist.
Bei diesem Beispiel sollte eine stoffschlüssige Lötverbindung zumindest an den metallischen Dünnschichten 2a und 3a, die wiederum bevorzugt eine geschlossene umlaufende Linie bilden sollte, ausgebildet werden. Im letztgenannten Fall kann eine hermetische Abdichtung gegenüber der Umgebung erreicht werden.
Solche stoffschlüssigen Verbindungen können aber auch punktuell in Form von Linien sowie ggf. auch vollflächig auf der gesamten Fläche beiden voneinander getrennten und durch die metallischen Dünnschichten 2 und 3 gebildeten Elektrodenstrukturen hergestellt werden.
In den 5a und 5b sind Beispiele für eine verbesserte elektrische Kontaktierung von Elektrodenstrukturen an einem Körper 4 innerhalb von Durchbrechungen 6 dargestellt, durch die nicht dargestellte Elektrodenelemente geführt werden können.
In 5a ist dabei die metallische Dünnschicht 3 so ausgebildet worden, dass sie bis in die Durchbrechung des Körpers 4 hineinreicht, wobei eine Schatten bedingte Dickenreduzierung der metallischen Dünnschicht 3 innerhalb der Durchbrechung 6 zu verzeichnen ist, wenn eine einseitige Metallbeschichtung vorgenommen wird.
Dies kann, wie in 5b gezeigt, durch eine zweite Beschichtung von der Unterseite des Körpers 4 mit einer weiteren metallischen Dünnschicht 3b kompensiert werden.
In beiden Fällen können dann Elektrodenelemente mit einer Presspassung in die Durchbrechung 6 eingesetzt bzw. ebenfalls durch Löten mit der/den metallischen Dünnschicht(en) 3 und 3a verbunden werden.
Auch bei diesem Beispiel kann ein hohles Elektrodenelement eingesetzt werden, durch das ein Kühlgas geführt werden kann.
In 6 ist ein Beispiel eines elektrostatischen Fixierelementes dargestellt bei dem die elektrische Kontaktierung von Elektrodenstrukturen durch eine Durchbrechung 6 im Körper 4 mittels eines Federelementes, hier einer Spiralfeder 41 und einem Kontaktelement 40, hier einer Kugel realisiert worden ist.
So wird der elektrische Kontakt zur jeweiligen aus metallischen Dünnschicht(en) 2 und/oder 3 gebildeten Elektrodenstruktur bei gleichzeitiger Druckkraftbeaufschlagung hergestellt. So kann auch die Wärmeausdehnung beim Einsatz des Fixierelementes bei erhöhten oder niedrigeren Temperaturen besser kompensiert werden.

Claims

Elektrostatisches Fixierelement bestehend aus einem dielektrischen Oberteil (1) und einem Körper (4), die stoffschlüssig miteinander verbunden sind und zwischen Oberteil (1) und Körper (4) mindestens eine elektrisch leitende Elektrodenstruktur ausgebildet ist, wobei die aus metallischen als Schichtsystem ausgebildeten Dünnschichten (2, 3) gebildete Elektrodenstruktur eine stoffschlüssige Lötverbindung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Schichtsystem auf den aufeinander zu gerichteten Oberflächen von Oberteil (1) und Körper (4) ausgebildet ist, das jeweils mit einer unmittelbar auf die Oberfläche von Oberteil (1) und Körper (4) ausgebildeten Haftschicht, einer darauf ausgebildeten Diffusionsbarriere und mindestens einer darauf ausgebildeten Lotschicht gebildet ist, wobei jede der Schichten aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung gebildet ist.
Fixierelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Elektrodenstruktur die stoffschlüssige Lötverbindung bilden.
Fixierelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Lötverbindung punktförmig und/oder linienförmig ausgebildet ist.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass punkt- oder linienförmige Lötverbindungen äquidistant zueinander angeordnet sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Lötverbindung einen geschlossenen Linienzug bildet.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Bereichen, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, Zwischenräume, durch die ein Kühlgas geführt ist, ausgebildet sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Rand ein umlaufender freier Randbereich (5) ohne metallische Dünnschichten (2, 3) vorhanden ist.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Rand ein geschlossener umlaufender Randbereich (2a, 3a) ausgebildet ist, der aus metallischen Dünnschichten gebildet ist, und zwischen mindestens einer Elektrodenstruktur und Randbereich (2a, 3a) ein elektrisch nicht leitender umlaufender Isolationsbereich (5a) ausgebildet ist.
Fixierelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (2a, 3a) an ein Massepotential angeschlossen ist.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von Zwischenräumen für Kühlgas an einer Oberfläche des Oberteils (1) und/oder des Körpers (4) eine Vertiefungen aufweisende Oberflächenstrukturierung und durch den Körper (4) mindestens eine Kühlgaszuführung (7, 42) ausgebildet sind.
Fixierelement nach Anspruch 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Kühlsystem bildenden Zwischenräume, bis auf mindestens eine Zu- und eine Abführung für ein Kühlgas, ein geschlossenes System bilden.
Fixierelement nach einem der Ansprüche 6, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Kühlsystem bildender Zwischenraum als ein spiralförmiger Kanal ausgebildet ist.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeweils einer Elektrodenstruktur (2, 3) ein elektrischer Anschluss (42) durch den Körper (4) geführt ist.
Fixierelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Dünnschicht zumindest bereichsweise auf der durch den Körper (4) geführten Kühlgaszuführung (7) ausgebildet ist.
Fixierelement nach Anspruch 10 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Anschluss (42) für die Kühlgaszuführung (7) hohl ausgebildet ist.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem elektrischen Anschluss zu einer Elektrodenstruktur ein Federelement (41) vorhanden ist.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberteil (1) und/oder Körper (4) aus einem für elektromagnetische Strahlung transparenten Werkstoff gebildet ist/sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberteil (1) und Körper (4) aus dem gleichen Werkstoff gebildet sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschichten aus einer eutektischen Gold-Zinn- und/oder Silber-Zinnlegierung gebildet sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschichten aus Titan gebildet sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrieren aus Platin gebildet sind.
Fixierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberteil (1) und/oder Körper (4) aus einer Glaskeramik, einem Glas oder Saphir gebildet ist/sind.
Verfahren zur Herstellung elektrostatischer Fixierelemente, bei dem auf einer Oberfläche eines Oberteiles (1) und einer Oberfläche eines Körpers (4) zur Ausbildung mindestens einer Elektrodenstruktur metallische, als Schichtsystem ausgebildete Dünnschichten (2, 3) aufgebracht werden, Oberteil (1) und Körper (4) mit ihren eine Elektrodenstruktur bildenden metallischen Dünn schichten (2, 3) in Kontakt gebracht werden und durch einen Energieeintrag zumindest bereichsweise eine stoffschlüssige Lötverbindung von Oberteil (1) und Körper (4) hergestellt wird, wobei der Energieeintrag mittels eines Laserstrahles (10) bei einer Relativbewegung zwischen Brennfleck des Laserstrahles (10) sowie Oberteil (1) und Körper (4) zur Ausbildung punkt- und/oder linienförmiger stoffschlüssiger Lötverbindungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag lokal begrenzt und punktuell mittels eines Energiestrahles (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag durch gezielte Fokussierung und/oder Strahlformung des Laserstrahls (10) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Lötverbindung im Vakuum, einer reduzierenden Atmosphäre oder einer Schutzgasatmosphäre hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Dünnschichten (2, 3) mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ausbildung der metallischen Dünnschichten (2, 3) die jeweiligen Oberflächen von Oberteil (1) und Körper (4) mittels eines Plasmas oder Ionenbeschuss modifiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Dünnschichten (2, 3) als Schichtsystem mit jeweils mindestens zwei übereinander angeordneten Schichten aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen ausgebildet werden.