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1. (WO2007003572) METHOD FOR DEPOSITION OF A MATERIAL IN A HOLE IN AN ELECTRICALLY CONDUCTING WORKPIECE
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters
Beschreibung

Verfahren zum Abscheiden eines Materials in ein Loch in einem elektrisch leitenden Werkstück

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines Materials in ein Loch, welches sich von der Oberfläche eines elektrisch leitenden Werkstückes aus in das Werkstück hinein oder durch dieses hindurch erstreckt, unter Verwendung eines elektrischen Feldes.

Beispielsweise beim Galvanisieren oder Sputtern werden Ionen eines beispielsweise auf eine Oberfläche aufzutragenden Materials mittels eines elektrischen Feldes auf die Oberfläche transportiert. In beiden Fällen wird ein elektrisches Feld zwischen einer Anode und einer Kathode aufgebaut, wobei eine der beiden Elektroden vom zu beschichtenden Werkstück gebildet ist.

Beim Galvanisieren befinden sich die beiden Elektroden in einem galvanischen Bad, welches Metallionen enthält. Aufgrund des zwischen den Elektroden anliegenden elektrischen Feldes werden die positiv geladenen Metallionen durch die Flüssigkeit zur Kathode, dem Werkstück, transportiert, wo sie sich zu einer Beschichtung ablagern.

Beim Sputtern befinden sich die Elektroden hingegen in einer Vakuumkammer, und das Werkstück bildet in der Regel die Anode. Die Kathode wird von einem Stück Beschichtungsmaterial gebildet. In der Vakuumkammer befindet sich Argon mit einem Druck zwischen etwa 10~3 bis 10~2 mbar. Aufgrund einer zwischen den Elektroden anliegenden Hochspannung wird das Argon ionisiert und die positiven Argonionen zur Kathode hin beschleunigt. Dort werden Atome des Beschichtungsmaterials durch die auftreffenden Argonionen herausgelöst, die aufgrund ihrer elektrischen Neutralität durch die Vakuumkammer diffundieren und sich auf der Oberfläche des Werkstückes ablagern können.

Derartige Verfahren kommen auch zur Anwendung, wenn Wände von Löchern in einem Werkstück beschichtet werden sollen oder Löcher in einem Werkstück gefüllt werden sollen. Wenn dabei nur die Wände der Löcher, nicht aber die Oberfläche des Werkstü-ckes beschichtet werden sollen, wird die Oberfläche beispielsweise mit Wachs oder Galvanolack vor einer Ablagerung des Beschichtungsmaterials geschützt. Ein derartiges Verfahren ist z. B. in EP 1 160 352 Al beschrieben. Bei der Abscheidung des Beschichtungsmaterials im Inneren der Löcher treten an den Kanten der Löcher Schichtinhomogenitäten auf, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind.

Die Figur zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Werkstück 100 mit einer Bohrung 102 und einer auf der Ober-fläche 104 des Werkstückes 100 angeordneten Galvanolack-Schutzschicht 109. Außerdem ist die Beschichtung 108 auf der Innenwand der Bohrung 102 zu erkennen. Im Bereich der Kante zwischen der Innenwand 110 und der Oberfläche 104 bilden sich Inhomogenitäten 112 aus, die zu einer Verengung des Öffnungs-querschnittes der Bohrung 102 führen. Das Entfernen der Inhomogenitäten erfordert einen relativ hohen Bearbeitungsaufwand.

Aus CH 471 524 und DE 1 199 344 sind Verfahren zum Herstellen gedruckter Leiterplatten bekannt, in denen Löcher in den Leiterplatten galvanisch beschichtet werden. Die Leiterplatten bestehen aus einem elektrisch nicht leitenden Grundkörper und werden mit einer elektrisch leitenden Hilfsschicht und einer elektrisch isolierenden Schutzschicht versehen. Die Hilfs- schichten erstrecken sich über wenigsten eine Seite der Leiterplatte und über die Lochränder. Sie dienen einerseits als Elektroden an den Lochwänden und andererseits als Zuleitung für den Strom beim galvanischen Beschichten. Die Hilfsschich-ten ermöglichen so das galvanische Beschichten der aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehenden Leiterplatte im Bereich der Lochwände.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abscheiden eines Materials in ein Loch in einem elektrisch leitenden Werkstück unter Zuhilfenahme eines elektrischen Feldes zur Verfügung zu stellen, mit welchem sich die beschriebenen Schichtinhomogenitäten im Bereich der Werkstückoberfläche vermeiden lassen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Abscheiden eines Materials in ein Loch, welches sich von der Oberfläche eines elektrisch leitenden Werkstückes aus in das Werkstück hinein oder durch dieses hindurch erstreckt, unter Verwendung eines elektrischen Feldes umfasst die Schritte:

- Aufbringen einer elektrisch leitenden Schutzschicht auf die Oberfläche des Werkstückes.

- Abscheiden des abzuscheidenden Materials in das Loch unter Verwendung des elektrischen Feldes.

- Entfernen der elektrisch leitenden Schutzschicht.

Optional kann auf die elektrisch leitende Schutzschicht zusätzlich eine elektrisch isolierende Maske aufgebracht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl beim Abscheiden von Material mittels Galvanisierungsverfahren als auch mittels Sputter-Verfahren einsetzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf der Erkenntnis auf, dass die Inhomogenitäten im Bereich der Lochkante eine Folge der erhöhten Feldliniendichte im Kantenbereich sind. Die erhöhte Feldliniendichte führt zu einer besonders intensiven Materialablagerung im Kantenbereich.

Mittels der elektrisch leitenden Schutzschicht wird die erhöhte Feldlinienkonzentration von der Werkstückoberfläche weggeführt, nämlich in den Kantenbereich der Schutzschicht. Die Inhomogenität entsteht daher statt im Bereich der Kante zwischen Lochinnenseite und der Werkstückoberfläche im Kan-tenbereich der elektrisch leitenden Schutzschicht. Auch Verringerungen der Querschnittsfläche des Loches finden daher im Kantenbereich der elektrisch leitenden Schutzschicht statt. Nach Entfernen der Schutzschicht und eventueller nach dem Entfernen der Schutzschicht über die Werkstückoberfläche vor-stehender Beschichtungsreste liegt eine gleichmäßige Be-schichtung auf der Innenseite der Löcher vor, die im Bereich der Kante zwischen der Lochinnenwand und der Werkstückoberfläche keine Inhomogenität und keine Verengung des Öffnungsquerschnittes des Loches aufweist, die über die aufgrund der Schichtdicke selbst vorgegebene Verminderung hinausgeht.

Als elektrisch leitende Schutzschicht kann insbesondere ein elektrisch isolierendes Maskenmaterial Verwendung finden, in welches elektrisch leitende Partikel, beispielsweise Metall- Partikel oder Graphitpartikel eingearbeitet sind. Ein derartiges Material kann wie ein gewöhnliches Maskenmaterial auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden.

Das Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht nach dem Abscheiden des Materials in das Loch im Werkstück kann mechanisch oder chemisch-mechanisch erfolgen. Gleiches gilt für das Entfernen von Resten des in das Loch abgeschiedenen Materials, die nach dem Entfernen der elektrisch leitenden
Schutzschicht gegebenenfalls noch über die Oberfläche des

Werkstückes vorstehen. Das mechanische bzw. chemisch-mechanische Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht und/oder das mechanische bzw. chemisch-mechanische Entfernen der Reste kann etwa mittels eines Strahlverfahrens oder mit-tels chemischen Polierens (CMP) erfolgen. Insbesondere kann das Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht und das Entfernen etwaiger Reste abgeschiedenen Materials im gleichen Arbeitsschritt erfolgen.

Falls zusätzlich ein elektrisch isolierendes Maskenmaterial auf die Schutzschicht angebracht worden ist, kann dieses unter Verwendung eines Lösungsmittels oder unter Verwendung von Sauerstoffplasma entfernt werden. Auch die Schutzschicht selbst kann unter Verwendung des Lösungsmittels oder des Sau-erstoffplasmas entfernt werden, wenn sie aus einem Maskenmaterial mit eingebetteten leitfähigen Partikeln hergestellt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere als Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung auf die Wand des Loches. Alternativ kann das Verfahren aber auch dazu verwendet werden, das Loch vollständig zu füllen, wie dies beispielsweise für das Befüllen von Vias (elektrisch leitenden Durchführungen durch ein Material) erforderlich ist.

Sowohl das Beschichten der Wand des Loches als auch das Füllen des Loches kann entweder galvanisch oder mittels eines Sputter-Prozesses erfolgen.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1 zeigt ein Werkstück mit einem beschichteten Loch, das mit einem Verfahren nach Stand der Technik beschichtet worden ist.

Fig. 2 zeigt ein Werkstück mit einem Loch zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 3 zeigt das Werkstück aus Fig. 2 mit darauf aufgebrachter elektrisch leitfähiger Schutzschicht.

Fig. 4 zeigt das Werkstück aus Fig. 3 nach dem Aufbringen
einer Beschichtung auf die Wand des Loches im Werkstück.

Fig. 5 zeigt das Werkstück aus Fig. 4 nach dem Entfernen der Maske und der Schutzschicht.

Fig. 6 zeigt das fertige Werkstück am Ende des Verfahrens.

Fig. 7 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einer Turbinenschaufel.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel des Beschichtens der Wand einer Kühlluftbohrung in einer Tur- binenschaufel erläutert. Vor dem Erläutern des Verfahrens wird daher kurz mit Bezug auf Fig. 7 auf den Aufbau einer Turbinenschaufel eingegangen.

Die Turbinenschaufel 200 weist eine Anströmkante 202 und eine Abströmkante 204 auf. Die Anströmkante 202 und die Abströmkante 204 sind über eine konvex gekrümmte Saugseite 206 und eine konkav gekrümmte oder im Wesentlichen gerade Druckseite 208 miteinander verbunden.

Die Turbinenschaufel 200 ist innen hohl ausgebildet und weist Kühlluftbohrungen 210, 212, 214 auf, die sich von der Außenseite der Turbinenschaufel 200 bis zu hohlen Innenbereichen 203, 205, 207 erstrecken und ein Ausblasen von durch die hoh-len Bereiche 203, 205, 207 zugeführter Kühlluft ermöglichen.

Im Betrieb wird die Turbinenschaufel 200 von heißen Verbrennungsabgasen umströmt. Dadurch wird ein Rotor (nicht dargestellt) , an dem die Turbinenschaufel befestigt ist, in Rota-tion versetzt. Um die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche der Turbinenschaufel 200 gegen die heißen Verbrennungsabgase zu erhöhen, wird durch die Kühlluftbohrungen 210, 212, 214 Kühlluft ausgeblasen, die sich in Art eines Films über ihre Oberfläche legt und so für eine Kühlung sorgt.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass, obwohl mit Bezug auf Fig. 7 eine mit dem Rotor verbundene Laufschaufel einer Turbine beschrieben worden ist, das Gesagte sinngemäß auf eine mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufel übertra-gen werden kann.

Im Herstellungsprozess und/oder beim Wiederaufbereiten einer Turbinenschaufel 200 werden metallische Beschichtungen auf die Innenwände der Kühlluftbohrungen aufgebracht. Da es sich um andere Beschichtungen handelt als die Beschichtungen, die auf die Außenseite der Turbinenschaufel aufgebracht werden, soll verhindert werden, dass die Beschichtung auf die Außenseite der Turbinenschaufel aufgebracht wird. Dies wird mit-tels einer auf die äußere Oberfläche der Turbinenschaufel aufgebrachten Schutzschicht erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die Beschichtung auf die Innenseite der Kühlluftbohrungen aufgebracht wird, wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 bis 6 beschrieben.

Fig. 2 zeigt als ein Beispiel für ein Werkstück mit einem Loch, dessen Innenwand zu beschichten ist, einen Ausschnitt aus einer Turbinenschaufel 200 mit einer darin angeordneten Kühlluftbohrung 210. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus dem metallischen Grundkörper 2 der Turbinenschaufel 200, durch den sich die Kühlluftbohrung 210 hindurch erstreckt. Die Kühlluftbohrung 210 wird zum Grundkörper 2 hin von einer Wand 4 begrenzt, die mit einer metallischen Beschichtung zu verse-hen ist. In Fig. 2 ist außerdem die zu schützende freie Oberfläche 6 des Grundkörpers, also die Außenseite der Turbinenschaufel 200, zu erkennen.

In einem ersten Verfahrensschritt wird eine elektrisch lei-tende Schutzschicht 8 auf die freie Oberfläche 6 der Turbinenschaufel 200 aufgebracht. Die elektrisch leitende Schicht 8 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem für galvanische Bäder geeigneten Lack, beispielsweise Ätz- und Galvanoresist SD2155A1 von der Firma Lackwerke Peters GmbH und Co KG, in den kleine Metallpartikel als leitende Partikel eingebracht werden. Zusätzlich oder anstatt der Metallpartikel können auch andere leitende Partikel, beispielsweise Graphitpartikel, eingebracht werden. Die Turbinenschaufel 200 nach dem Aufbringen der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 ist in Fig. 3 dargestellt.

Nachdem die elektrisch leitende Schutzschicht 8 aufgebracht worden ist, kann optional noch eine elektrisch isolierende Lack- oder Wachsmaske auf die Oberfläche 10 der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 aufgebracht werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird auf eine derartige Maske jedoch verzichtet .

Nachdem die elektrisch leitenden Schutzschicht 8 aufgebracht worden ist, kann das Beschichten der Wand 4 der Kühlluftbohrung 210 erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Wand 4 galvanisch beschichtet. Dazu wird die Turbinen-schaufei 200 in ein galvanisches Bad gegeben, welches eine elektrisch leitende Flüssigkeit mit gelösten Ionen des Be-schichtungsmaterials enthält. Das Beschichtungsmaterial kann ein Metall sein, das auch im Grundkörper 2 enthalten ist, beispielsweise Kobalt oder Nickel. An die Turbinenschaufel 200 wird eine negative Spannung angelegt, sodass sie als Kathode fungiert. Im Bad befindet sich außerdem eine Anode, also eine Elektrode, an der eine positive Spannung anliegt. Die positiv geladenen Metallionen im galvanischen Bad werden aufgrund des zwischen der Turbinenschaufel 200 und der Anode an-liegenden elektrischen Feldes zur Turbinenschaufel 200 transportiert und lagern sich dort an der Innenwand 4 der Kühlluftbohrung 210 und auf der Oberfläche 10 der elektrischen leitenden Schutzschicht 8 ab. Eine Ablagerung an der Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 wird durch die elektrisch leitenden Schutzschicht 8 verhindert. Falls eine optionale isolierende Lack- oder Wachsmaske auf der Oberfläche 10 der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 aufgebracht worden ist, erfolgt die Ablagerung der Metallionen nur an der Wand 4 des Loches 210.

Die Feldlinien des elektrischen Feldes weisen im Bereich der Kante 11 zwischen der Oberfläche 10 der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 und der Innenwand der elektrisch leitenden Schutzschicht 8, welche die Innenwand 4 der Bohrung fort-setzt, eine besonders hohe Dichte auf. Aufgrund der erhöhten Feldliniendichte wird eine im Vergleich zur Innenwand der Bohrung bzw. der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 erhöhte Anzahl an Ionen des Beschichtungsmaterials im Bereich der Kante 11 abgelagert. Im Bereich dieser Kante 11 bildet sich daher eine Schichtinhomogenität 15 in Form eines Wulstes aus, welcher unerwünscht ist, während die Lochwand 4 des Loches 210 eine gleichmäßige Beschichtung 13 aufweist (vgl. Fig. 4). Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren bildet sich der Wulst im Stand der Technik an der Kante zwischen der Innenwand 4 und der Oberfläche 6 des Grundkörpers aus und führt zu den eingangs beschriebenen Nachteilen.

Nachdem die gewünschte Beschichtungsstärke auf der Innenwand 4 der Kühlluftbohrung 210 erreicht ist, wird der galvanische Beschichtungsprozess beendet und die elektrisch leitenden

Schutzschicht 8 entfernt. Zum Entfernen der Schutzschicht 8 können anorganische und/oder organische Lösemittel oder Sau-erstoffplasma zur Anwendung kommen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die elektrisch leitende Schutzschicht 8 jedoch durch chemisch mechanisches Polieren entfernt, um die Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 wieder freizulegen. Dabei können über die freie Oberfläche 6 vorstehende Beschichtungs-reste 14 zurückbleiben. Die Turbinenschaufel 210 mit Be-schichtungsresten 14 ist in Fig. 5 dargestellt.

Das Entfernen der Beschichtungsreste 14 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Sandstrahlverfahrens, mit dem die Reste 14 großflächig abgetragen werden. Alternativ ist es jedoch möglich, zum Entfernen der Beschichtungs- reste 14 ein chemisch mechanisches Polierverfahren zu verwenden. Ebenso ist es auch möglich, zum Entfernen der elektrisch leitenden Schutzschicht statt des chemisch mechanischen Polierverfahrens das Sandstrahlverfahren zu verwenden.

Nachdem die Beschichtungsreste 14 entfernt worden sind, ist das Verfahren abgeschlossen. Das Ergebnis ist die in Fig. 6 dargestellte Turbinenschaufel 200, in der die Innenwand 4 der Kühlluftbohrung 210 mit einer Beschichtung 13 versehen ist. Wie in Fig. 6 zu erkennen ist, ist im Bereich der Kante zwischen der freien Oberfläche 6 des Werkstückes und der beschichteten Wand 4 der Kühlluftbohrung 210 keine Inhomogenität der Beschichtung 13 vorhanden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Inhomogenität mittels der elektrisch leitfä-higen Schutzschicht aus dem Bereich der Kante zwischen der freien Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 und der Wand 4 der Kühlluftbohrung 210 in den Bereich der Kante 11 der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 verlagert wurde. Mit dem Abtragen der elektrisch leitenden Schutzschicht 8 wird daher auch die Inhomogenität 15 vollständig entfernt, sodass nur die homogene Beschichtung im Bereich der Innenwand 4 der Kühlluftbohrung 210 verbleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand des Beschichtens der Kühlluftbohrung einer Turbinenschaufel beschrieben. Das

Verfahren kann jedoch auch zum Beschichten anderer Löcher und Bohrungen zur Anwendung kommen, sofern diese unter Zuhilfenahme eines elektrischen Feldes beschichtet werden. Neben dem Galvanisieren stellt auch das Sputtern ein Verfahren dar, in dem die Beschichtung unter Zuhilfenahme eines elektrischen Feldes erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch mit einem Sputter-Prozess anstelle des Galvanisierungs-Prozesses durchgeführt werden.

Schließlich ist es auch möglich, das Verfahren statt zum Beschichten der Innenwand eines Loches auch zum Füllen des Loches zu verwenden, wie dies beispielsweise zum Füllen von Durchführungen, so genannten Vias, in der Halbleitertechnolo-gie der Fall ist.