SE506968C2

SE506968C2 - Ceramic hob and process for making film layer coating

Info

Publication number: SE506968C2
Application number: SE9602866A
Authority: SE
Inventors: Rudolf Buchta
Original assignee: Electrolux Ab
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 1998-03-09
Also published as: SE9602866D0; WO1999009791A1; SE9602866L; AU4140197A

Abstract

A ceramic cooking hob comprises a ceramic substrate (3) with one or several heating zones. Each heating zone is formed by a film layer covering in the shape of a thin film (2). The thin film consists of a metal silicide which is joined to the substrate via a silicon layer (4) and is preferably covered with a passivating layer (6). By means of the silicon layer (4) a good adhesion to the substrate (3) is secured, partly due to the fact that the silicon layer does not actively generate heat and partly in that the silicon layer has not reacted with the active heat generating layer of metal silicide (2). Moreover, a good self-healing property is achieved in the metal silicide layer (2) in the case of damage to the passivating layer (6).

Description

15 20 25 30 35 506 968 2 Ändamål med och redogörelse för uppfinningen Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är därför att förbättra den värmealstrande delen för användning vid ke- ramiska spishällar av det inledningsvis angivna slaget. Sålun- da skall bland annat önskemålen om tillförlitlig funktion och lång livslängd för de på spishällens keramiska substrat an- bringade filmskiktsbeläggningarna uppfyllas utan att höjda tillverkningskostnader uppkommer för spishällen. Object and description of the invention The object of the present invention is therefore to improve the heat-generating part for use with ceramic hobs of the type indicated in the introduction. Thus, among other things, the requirements for reliable function and long service life for the film layer coatings applied to the ceramic hob coatings must be fulfilled without increased manufacturing costs arising for the hob.

Detta tillgodoses genom att filmskiktsbeläggningen enligt den föreliggande uppfinningen är förbunden med spishäl- lens keramiska substratyta via ett mellanliggande kiselskikt.This is achieved in that the film layer coating according to the present invention is connected to the ceramic substrate surface of the hob via an intermediate silicon layer.

Med ett sådant mellanliggande kiselskikt erhålles en god mekanisk förbindelse mellan det keramiska substratet och den aktiva filmskiktsbeläggningen, som sålunda inte står i di- rekt kontakt med det keramiska substratet. Detta uppnås genom att, såsom närmare redovisas nedan, vid tillverkningen tillåts en metall reagera med den övre delen av det först på keramen påförda kiselskiktet för att bilda nämnda aktiva filmskikts- beläggning. Därmed erhålles sålunda en optimal vidhäftning mellan filmskiktsbeläggningen och det återstående kiselskik- tet, vilket inte reagerat med metallen, där man också har den största termomekaniska skillnaden. Vidhäftningen mellan kisel- skiktet och det keramiska substratet är normalt god även om den är sämre än mellan kiselskiktet een den aktiva filmskikts- beläggningen, men eftersom det är i den aktiva filmskikts- beläggningen som påfrestningar (stress) uppkommer på grund av strömmatning och därav föranledda temperaturvariationer, så påverkas inte det mer känsliga gränssnittet mellan det kera- miska substratet och kiselskiktet av dessa påfrestningar. Ki- selskiktet, som alltså i huvudsak är elektriskt passivt, kan sägas utgöra en buffert mellan den keramisk substratytan och den aktiva filmskiktsbeläggningen, vilken buffert i sig utjäm- nar uppkommande stressvariationer.With such an intermediate silicon layer, a good mechanical connection is obtained between the ceramic substrate and the active film layer coating, which is thus not in direct contact with the ceramic substrate. This is achieved by, as is explained in more detail below, during manufacture a metal is allowed to react with the upper part of the silicon layer first applied to the ceramic to form said active film layer coating. Thus, an optimal adhesion is obtained between the film layer coating and the remaining silicon layer, which has not reacted with the metal, where one also has the largest thermomechanical difference. The adhesion between the silicon layer and the ceramic substrate is normally good even if it is worse than between the silicon layer in the active film layer coating, but because it is in the active film layer coating that stresses arise due to current supply and consequent temperature variations, the more sensitive interface between the ceramic substrate and the silicon layer is not affected by these stresses. The silicon layer, which is thus mainly electrically passive, can be said to constitute a buffer between the ceramic substrate surface and the active film layer coating, which buffer itself equalizes emerging stress variations.

Filmskiktsbeläggningen utgörs vid den föreliggande uppfinningen med fördel på i och för sig känt sätt av en sili- cid baserad på en eller flera metaller hämtade från grupperna IVb, Vb och VIb i det periodiska systemet. Företrädesvis an- vändes titansilicid som filmskiktsbeläggning, vilken lämpligen är täckt med ett yttre passiveringsskikt av lämpligt material 10 15 20 25 30 35 3 506 968 såsom kiseldioxid.The film layer coating in the present invention advantageously consists in a manner known per se of a silicide based on one or more metals taken from groups IVb, Vb and VIb in the periodic table. Preferably, titanium silicide is used as the film layer coating, which is suitably covered with an outer passivation layer of suitable material such as silica.

En annan väsentlig egenskap hos spishällen enligt den föreliggande uppfinningen är att det genom det deponerade mel- lanliggande kiselskiktet även erhålles en självläkande pro- cess. Skulle nämnligen en skada uppkomma i passiveringsskik- tet, så leder detta till att ny oxid växer till genom att at- mosfärens syre förenas med diffunderat kisel i den aktiva filmskiktsbeläggningen av ^titansilicid. Bestående skador i titansilciden kommer inte att förekomma förrän allt kisel är förbrukat i kiselskiktet. Teoretiskt tager det dock cirka 1000 år att oxidera 1 p kisel vid 400*C. Detta möjliggör använd- ning av ytterst tunna skikt, vilket ger små stresspåkänningar mellan det värmande skiktet och keramen.Another essential property of the hob according to the present invention is that a self-healing process is also obtained through the deposited intermediate silicon layer. Namely, should a damage occur in the passivation layer, this leads to new oxide growing by combining the oxygen of the atmosphere with diffused silicon in the active film layer coating of titanium silicide. Permanent damage to the titanium silicide will not occur until all the silicon is consumed in the silicon layer. Theoretically, however, it takes about 1000 years to oxidize 1 p of silicon at 400 * C. This enables the use of extremely thin layers, which gives small stress stresses between the heating layer and the ceramic.

En annan aspekt på den föreliggande uppfinningen är att uppnå ett ekonomiskt gynnsamt förfarande för framställning av en filmskiktsbeläggning på ytan av en keramisk spishäll med de ovan angivna egenskaperna. Detta har i enlighet med uppfin- ningen lösts genom att ett tunt kiselskikt påförs spishällens keramiska substratyta för en blivande värmezon, vilket kisel- skikt sedan beklädes med ett tunt skikt av en metall hämtad från någon av grupperna IVb, Vb och VIb i det periodiska sy- till lämplig temperatur för bildande av en metallsilicid i gräns- ytan mellan kiselskiktet och den använda metallen. Den erhåll- stemet, varefter kiselskiktet och metallen upphettas na filmskiktsbeläggningen kan med fördel sedan täckas med ett passiveringsskikt.Another aspect of the present invention is to achieve an economically advantageous process for producing a film layer coating on the surface of a ceramic hob having the above properties. This has been solved in accordance with the invention by applying a thin silicon layer to the ceramic substrate surface of the hob for a future heating zone, which silicon layer is then coated with a thin layer of a metal taken from one of the groups IVb, Vb and VIb in the periodic to a suitable temperature for the formation of a metal silicide at the interface between the silicon layer and the metal used. The obtained stem, after which the silicon layer and the metal are heated after the film layer coating can advantageously then be covered with a passivation layer.

En föredragen slutprodukt erhållen medelst förfaran- det enligt uppfinningen uppvisar, sett från spishällens kera- miska substratyta: Ett mellanskikt av kisel (Si) fast förbun- det med substratytan och uppvisande en tjocklek av cirka 1 p, ett tunt titansilicidskikt (TiSiﬂ som har bildats genom reak- tion med den av kisel bestående mellanskiktsytan, vilket ti- tansilicidskikt har en tjocklek av cirka 0,2 p och vid spis- hällens användning är anslutet till en elektrisk strömkälla för att bilda den aktiva värmealstrande tunnfilmsbeläggningen, samt eventuellt ett passiveringsskikt av kiseldioxid (SiOﬂ med en tjocklek av cirka l y. 506 968 4 10 15 20 25 30 35 Redogörelse för en föredragen utföringsform Den keramiska spishällen enligt den föreliggande upp- finningen kommer att beskrivas mer i. detalj nedan medelst åskådliggörande föredragna utföringsformer, som dock endast är avsedda att exemplifiera uppfinningens förverkligande. Upp- byggnaden av den keramiska spishällen enligt uppfinningen framgår av bifogad ritning, där fig. 1 _visar en schematisk skiss, som i perspektiv återger en fullständig spishäll med fyra värmezoner, fig. 2 visar ett snitt A - A enligt fig. 1 genom en del av en till en värmezon hörande värmeslinga utan passive- ringsskikt, visar ett motsvarande snitt A - A enligt fig. 1 genom en del av en till en värmezon hörande värmeslinga med passiveringsskikt, fig. 4 visar ett föregående tillverkningsstadium av 'vär- meslingan enligt fig. 3 enligt den föreliggande uppfinningen och fig. 5 visar ett snitt A - A genom en alternativ utföringform av värmeslingan enligt uppfinningen.A preferred end product obtained by the process of the invention shows, seen from the ceramic substrate surface of the hob: An intermediate layer of silicon (Si) firmly bonded to the substrate surface and having a thickness of about 1 μ, a thin titanium silicide layer (TiSi by reaction with the silicon intermediate layer surface, which titanium silicide layer has a thickness of about 0.2 p and when the hob is used is connected to an electric power source to form the active heat generating thin film coating, and optionally a passivation layer of silica Description of a preferred embodiment The ceramic hob according to the present invention will be described in more detail below by means of illustrative preferred embodiments, which, however, are only intended to exemplify the realization of the invention.The construction of the ceramic hob according to the invention is shown in the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows a schematic sketch, which in perspective shows a complete hob with four heating zones, Fig. 2 shows a section A - A according to Fig. 1 through a part of a heating loop belonging to a heating zone without passive Figs. 4 show a corresponding section A - A according to Fig. 1 through a part of a heating loop with passivation layers belonging to a heating zone, Fig. 4 shows a previous manufacturing stage of the heating loop according to Fig. 3 according to the present invention and Figs. 5 shows a section A - A through an alternative embodiment of the heating coil according to the invention.

I fig. 1 åskådliggöra sålunda schematiskt i perspek- tiv en fullständig spishäll 1 med fyra värmezoner H1 - H4, som vardera omfattar ett antal värmeslingor L. Värmezonerna H1 - H4 kan ges vilken som helst önskad form och är alltså inte be- gränsad till den cirkulära formen som visas i fig. 1.Fig. 1 thus schematically illustrates in perspective a complete hob 1 with four heating zones H1 - H4, each of which comprises a number of heating coils L. The heating zones H1 - H4 can be given any desired shape and are thus not limited to the the circular shape shown in Fig. 1.

Den föreliggande uppfinningen avser en keramisk spis- häll 1 av den typ som visas i fig. 1 där var och en av värme- slingorna L omfattar en tunnfilm 2 såsom visas i snitt A - A av olika exemplifierande utföringsformer enligt fig. 2, 3 och 5.The present invention relates to a ceramic hob 1 of the type shown in Fig. 1, each of the heating loops L comprising a thin film 2 as shown in sections A - A of various exemplary embodiments according to Figs. 2, 3 and 5.

Tunnfilmen 2 är en elektriskt matad värmealstrande enhet, som vid den föredragna utföringsformen av uppfinningen utgörs av en metallsilicid. Utgångsmaterialen för metallsiliciden deponeras på undersidan av spishällens keramiska substrat 3. Deponeringen sker i en vakuumprocess av samma slag som vid tillverkning av mikroelektronikkretsar.The thin film 2 is an electrically supplied heat generating unit, which in the preferred embodiment of the invention consists of a metal silicide. The starting materials for the metal silicide are deposited on the underside of the ceramic substrate 3 of the hob. The deposition takes place in a vacuum process of the same kind as in the manufacture of microelectronics circuits.

Deponeringen kan ske enligt den föreliggande uppfin- ningen genom att, såsom indikeras i fig. 4, ett tunt skikt, ca. 1 p, av kisel 4 pålägges det keramiska substratet 3 med önskad 10 15 20 25 30 35 5 506 968 form (ringar, spiral, ändliga raka eller vågformade band osv).The deposition can take place according to the present invention by, as indicated in Fig. 4, a thin layer, approx. 1 μl of silicon 4 is applied to the ceramic substrate 3 with the desired shape (rings, spiral, finite straight or wavy bands, etc.).

Kiselskiktet 4 belägges med ett tunt, ca. 0,1 p, titanskikt 5.The silicon layer 4 is coated with a thin, approx. 0.1 p, titanium layer 5.

Beläggningen eller deponeringen av de olika skikten 4 och 5 kan ske medelst olika vakuumprocesser såsom sputtring, förångning eller CVD (Chemical Vapor Deposition).The coating or deposition of the different layers 4 and 5 can take place by means of different vacuum processes such as sputtering, evaporation or CVD (Chemical Vapor Deposition).

Efter utförd beläggning med ovan nämnda skikt 4 och 5 utförs en upphettning av det keramiska substratet 3 med de pålagda skikten 4 och 5 till lämplig temperatur (840 °C) under en lagom lång tid (30 sekunder). Angivna värden är hämtade från genomförda försök vid tillverkning av en spishäll, varvid en halogenlampa användes som värmekälla för nämnda upphett-ning.After coating with the above-mentioned layers 4 and 5, a heating of the ceramic substrate 3 with the applied layers 4 and 5 is carried out to a suitable temperature (840 ° C) for a reasonably long time (30 seconds). The stated values are taken from experiments carried out in the manufacture of a hob, whereby a halogen lamp is used as the heat source for said heating.

Givetvis kan denna upphettning ske på olika sätt, för-utom med en halogenlampa med annan typ av strålningsvärmare eller i en ugn. Därvid reagerar kiselskiktets 4 yta med titanskiktet 5 och bildar ett tunt titansilicidskikt, som sålunda utgör den ovan angivna tunnfilmen 2, såsom visas för de olika alternativa utföringsformerna enligt fig. 2, 3 och 5.Of course, this heating can take place in various ways, except with a halogen lamp with another type of radiant heater or in an oven. Thereby, the surface of the silicon layer 4 reacts with the titanium layer 5 and forms a thin titanium silicide layer, which thus constitutes the above-mentioned thin film 2, as shown for the various alternative embodiments according to Figs. 2, 3 and 5.

Det mellanliggande kiselskiktet 4 har ett flertal för uppfinningen väsentliga uppgifter för att säkerställa en till- förlitlig funktion hos spishällen 1. Sålunda har kiselskiktet 4 en relativt god vidhäftningsförmåga mot den keramiska sub- stratytan 3. Vidare bildar kiselskiktet 4 en mekaniskt kraftig koppling till tunnfilmen 2 genom sin reaktion med titanmetal- len. Med andra ord erhålles en god vidhäftning mellan den vär- mande metallsiliciden/tunnfilmen 2 och substratytan 3 trots stor skillnad i expansionskoefficient genom att det mellanlig- gande kiselskiktet 4 fungerar som ett stressupptagande lager, emedan dess termiska expansionskoefficient ligger mellan dem som gäller för tunnfilmen 2 och substratet 3. Kiselskiktet 4 har även den fördelen att man genom detta erhåller en självlä- kande process. Ãven om den i fig. 2 visade utföringsformen av värmeslingan L, vars yttre yta utgörs av metallsiliciden 2 är en fördelaktig användningsform, där anslutning för strömmat- ning av den aktiva tunnfilmen 2 kan ske direkt på denna, så kan det vid vissa tillfällen vara lämpligt att som yttre yta ha ett passiveringsskikt 6. En sådan utföringsform åskådliggörs i fig. 3. En skada i passiveringsskiktet 6 leder enbart till att ny oxid växer till i silicidskiktet 2 genom att atmosfärens syre 10 15 20 25 30 506 968 s förenas med indiffunderat kisel.The intermediate silicon layer 4 has a number of essential tasks for the invention in order to ensure a reliable function of the hob 1. Thus the silicon layer 4 has a relatively good adhesion to the ceramic substrate surface 3. Furthermore, the silicon layer 4 forms a mechanically strong coupling to the thin film 2. by its reaction with the titanium metal. In other words, a good adhesion between the heating metal silicide / thin film 2 and the substrate surface 3 is obtained despite a large difference in coefficient of expansion in that the intermediate silicon layer 4 acts as a stress-absorbing layer, since its coefficient of thermal expansion lies between those of thin film 2 and the substrate 3. The silicon layer 4 also has the advantage that a self-healing process is obtained thereby. Although the embodiment of the heating coil L shown in Fig. 2, the outer surface of which is made of the metal silicide 2, is an advantageous form of use, where connection for current supply of the active thin film 2 can take place directly thereon, it may in some cases be suitable to have as an outer surface a passivation layer 6. Such an embodiment is illustrated in Fig. 3. A damage in the passivation layer 6 only leads to new oxide growing in the silicide layer 2 by combining the oxygen of the atmosphere with undiffused silicon. .

Vid tillverkning av en spishäll 1 med värmeslingor L utformade enligt fig. 3 sker sålunda en deponering av skikten 4 och 5 på sätt som angivits ovan i samband med fig. 2 varef- ter titanskiktet 5 även belägges med ett passiveringsskikt 6 innan ovan beskriven upphettning sker.In the manufacture of a hob 1 with heating coils L designed according to Fig. 3, the layers 4 and 5 are thus deposited in the manner indicated above in connection with Fig. 2, after which the titanium layer 5 is also coated with a passivation layer 6 before the above-described heating takes place. .

Passiveringsskiktet 6 utgörs lämpligen av kiseldioxid som matchar keramen termomekaniskt och har god isolation och oxidationshämmande egenskaper. Såväl ren Si02som fosfordopad, så kallad PSG eller bordopad så kallad BSG, kan användas. Al- ternativt kan möjligen kiselnitrid, oxidnitrid eller alumi- niumoxid användas. Även om en föredragen utföringsform av den keramiska spishällen och av förfarandet för dess framställning har redo- visats ovan i samband med ritningens fig. l - 4, så får upp- finningen inte anses vara begränsad härtill. Deponeringen av skikten på keramen kan ske i önskad form direkt genom att exempelvis använda en skuggmask eller genom deponering av hel- täckande skikt som mönstras med en fotolitografisk process och etsas. Det är även tänkbart att deponera metallen 5 i flera tunna skikt med mellanliggande kisel 4, för erhållande av öns- kade silicidskikt 2 såsom framgår av fig. 5. Det yttre skiktet kan härvid vara antingen ett silicidskikt 2 på visat sätt eller ett kiselskikt 4 alternativt ett passiveringsskikt 6. Även andra metaller än titan kan utnyttjas för upp- byggnaden av metallsiliciden.The passivation layer 6 suitably consists of silica which matches the ceramic thermomechanically and has good insulation and oxidation-inhibiting properties. Both pure SiO 2 and phosphorus-doped, so-called PSG or table-doped so-called BSG, can be used. Alternatively, silicon nitride, oxide nitride or alumina may be used. Although a preferred embodiment of the ceramic hob and of the process for its manufacture has been described above in connection with Figures 1 - 4 of the drawing, the invention should not be construed as being limited thereto. The deposition of the layers on the ceramic can take place in the desired shape directly by, for example, using a shadow mask or by depositing full-covering layers which are patterned with a photolithographic process and etched. It is also conceivable to deposit the metal 5 in several thin layers with intermediate silicon 4, in order to obtain the desired silicide layers 2 as shown in Fig. 5. The outer layer can in this case be either a silicide layer 2 in the manner shown or a silicon layer 4 alternatively a passivation layer 6. Metals other than titanium can also be used for the construction of the metal silicide.

Den genom de efterföljande patentkraven definierade uppfinningen är därför avsedd att även inbegripa sådana modi- fikationer och utföringsformer som en fackman på området lätt inser vid tillgodogörande sig av den här givna beskrivningen.The invention defined by the appended claims is therefore intended to include such modifications and embodiments as will be readily apparent to one skilled in the art upon assimilation of the specification set forth herein.

Claims

10 15 20 25 30 35 7 506 968 P A T E N T K R A V

A ceramic hob comprising a ceramic substrate (3) with one or more heating zones (H1 - H4), each of which is formed by an active heat-generating film layer coating (2) connectable to an electric power source on the ceramic substrate (3). surface, characterized in that the active film layer (1) substrate surface (3) via an intermediate silicon layer (4). the coating (2) is connected to the ceramic hob

Ceramic hob according to claim 1, characterized in that the film layer coating (2) is of the thin film type and consists of a silicide of a metal taken from one of the groups IVb, Vb and VIb in the periodic table.

Ceramic hob according to claim 1 or 2, characterized in that the film layer coating (2) is covered with a passivation layer (6).

Ceramic hob according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the film layer coating (2) consists of titanium silicide.

Ceramic hob according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the intermediate silicon layer (4) consists of polycrystalline silicon.

Method for producing a film layer coating (2) on the surface of a ceramic hob (1), characterized in that a thin silicon layer (4) is deposited on the ceramic substrate surface (3) of the hob for a future heating zone (H1 - H4), which silicon layer is then coated with a thin layer (5) of a metal taken from any of the groups IVb, Vb and VIb in the periodic table, after which the silicon layer (4) and the metal (5) are heated to a suitable temperature to form a metal silicide (2) at the interface between the silicon layer and the metal used.

Method according to claim 6, characterized in that the thickness of the silicon layer (4) at the deposition amounts to between 0.5 and 2 y, preferably 1 y.

Method according to Claim 6 or 7, characterized in that the thickness of the metal coating (5) at the deposition is less than 0.5 p and preferably amounts to approximately 0.1 p.

Process according to one of Claims 6 to 8, characterized in that the heating of the silicon layer (4) and the metal (5) proceeds so that the metal silicide (2) formed at the interface between the silicon layer and the metal is 0.2. p.

Method according to one of Claims 6 to 9, characterized in that it has a thickness of approximately one night in that the deposition of the various layers (4 to 6) takes place by means of a vacuum process, for example by sputtering, evaporation or CVD.

Method according to one of Claims 6 to 10, characterized in

12. by covering the resulting film layer coating (2) with passivation layer (6). Method according to one of Claims 6 to 10, characterized in that the metal (5) is deposited in several thin layers with chi (4). sel