SE506968C2 - Keramisk spishäll och förfarande för framställning av filmskiktsbeläggning - Google Patents

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.

Detta tillgodoses genom att filmskiktsbeläggningen enligt den föreliggande uppfinningen är förbunden med spishäl- lens keramiska substratyta via ett mellanliggande kiselskikt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Kiselskiktet 4 belägges med ett tunt, ca. 0,1 p, titanskikt 5.

Beläggningen eller deponeringen av de olika skikten 4 och 5 kan ske medelst olika vakuumprocesser såsom sputtring, förångning eller 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (12)

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

1. Keramisk spishäll innefattande ett keramiskt substrat (3) med en eller flera värmezoner (H1 - H4), vilka var och en är utformad av en till en elektrisk strömkälla anslutbar, aktivt värmealstrande filmskiktsbeläggning (2) på det keramiska sub- stratets (3) yta, kännetecknad av att den aktiva filmskikts- (1) substratyta (3) via ett mellanliggande kiselskikt (4). beläggningen (2) är förbunden med spishällens keramiska

2. Keramisk spishäll enligt patentkrav 1, kännetecknad av att filmskiktsbeläggningen (2) är av tunnfilmstyp och utgörs av en silicid av en metall hämtad från någon av grupperna IVb, Vb och VIb i det periodiska systemet.

3. Keramisk spishäll enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att filmskiktsbeläggningen (2) är täckt med ett passive- ringsskikt (6).

4. Keramisk spishäll enligt något av patentkraven 1 - 3, kän- netecknad av att filmskiktsbeläggningen (2) utgörs av titan- silicid.

5. Keramisk spishäll enligt något av patentkraven 1 - 4, käm- natecknad av att det mellanliggande kiselskiktet (4) utgörs av polykristallint kisel.

6. Förfarande för framställning av en filmskiktsbeläggning (2) på ytan av en keramisk spishäll (1), kännetecknat av att ett tunt kiselskikt (4) deponeras på spishällens keramiska sub- stratyta (3) för en blivande värmezon (H1 - H4), vilket kisel- skikt sedan beklädes med ett tunt skikt (5) av en metall häm- tad från någon av grupperna IVb, Vb och VIb i det periodiska systemet, varefter kiselskiktet (4) och metallen (5) upphettas till lämplig temperatur för bildande av en metallsilicid (2) i gränsytan mellan kiselskiktet och den använda metallen.

7. Förfarande enligt patentkrav 6, kännetecknat av att kisel- skiktets (4) tjocklek vid deponeringen uppgår till mellan 0,5 och 2 y, företrädesvis 1 y.

8. Förfarande enligt patentkrav 6 eller 7, kännetecknat av att metallbeläggningens (5) tjocklek vid deponeringen är mindre än 0,5 p och företrädesvis uppgår till ungefär 0,1 p.

9. Förfarande enligt något av patentkraven 6 - 8, kännetecknat av att upphettningen av kiselskiktet (4) och metallen (5) för- 506 968 a 10 löper så, att den i gränsytan mellan kiselskiktet och metallen bildade metallsiliciden (2) 0,2 p.

10. Förfarande enligt något av patentkraven 6 - 9, känneteck- uppnår en tjocklek av ungefär nat av att deponeringen av de olika skikten (4 - 6) sker me- delst en vakuumprocess, exempelvis medelst sputtring, förång- ning eller CVD.

11. Förfarande enligt något av patentkraven 6 - 10, känneteck- nat ett

12. nat av att den erhållna filmskiktsbeläggningen (2) täckes med passiveringsskikt (6). Förfarande enligt något av patentkraven 6 - 10, känneteck- av att metallen (5) deponeras i flera tunna skikt med ki- (4). sel