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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Dünne keramische Schichten zur elektrischen Isolation von Metallen

01.12.2012


Im Zuge der Entwicklung neuartiger Dünnschichtsensoren für hochpräzise Temperatur- und Kraftsensoren als auch in der Verschleißerkennung, wurden in der PTB Untersuchungen an elektrischen Isolationsschichten durchgeführt. Für die Sensoren, welche insbesondere direkt auf häufig verwendeten, metallischen Bauteilen aufgebracht werden sollen, ist eine vollständige elektrische Isolierung durch eine mikrometerdünne Isolationsschicht notwendig. Grundsätzlich besteht der für Dünnschichtsensoren nur wenige Mikrometer dicke Schichtaufbau, der mittels Sputterdeposition direkt auf dem Bauteil aufgebracht wird, aus mindestens drei Schichten: eine elektrisch isolierende Schicht, die auf das Substrat/Bauteil aufgebracht wird, die eigentliche leitfähige Sensorschicht und eine Passivierungs- oder Schutzschicht, die z. B. vor Umwelteinflüssen schützen soll. Die Deposition einer vollständig dichten und damit fehlerfreien Isolationsschicht hat für die korrekte Funktion des Sensors auf insbesondere metallischen Werkstücken oberste Priorität.

Zunächst wurde die Leitfähigkeit von gesputterten Isolationsschichten aus SiO2 auf metallischen Substraten untersucht. Der notwendige Messaufbau muss den geforderten Bedingungen genügen, d. h. ein einfaches Antasten mit einer Messspitze ist nicht ausreichend, um evtl. vorhandene Schichtfehler im Submikrometer-Bereich (sog. Pinholes) ermitteln zu können. Insofern wurden nach dem Aufbringen der Isolationsschicht auf das Werkstück elektrisch leitfähige Messpunkte auf der Schicht abgeschieden. Der Übergangswiderstand der Isolationsschicht wird wie in Bild 1 dargestellt zwischen diesen Messpunkten und einem elektrischen Kontakt auf der Rückseite bestimmt.

Die zum Teil mangelhaften Isolationsergebnisse erforderten eine systematische Untersuchung der Einflussfaktoren wie etwa dem Schichtmaterial, den Beschichtungsparametern, sowie dem zu beschichtenden Substrat und dessen Oberfläche und Präparation. Aus der sehr großen Anzahl an Parametern wurden daher zunächst zehn mögliche Einflussfaktoren ausgewählt (Substratmaterial, Oberflächenbearbeitung, Tempern der Probe, Targetabstand, Sputterzeit, , Sputterleistung, Bias-Spannung, Wartezeiten, Kammerdruck, Sauerstoffzufuhr). Mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung konnte schließlich die Anzahl der notwendigen Versuche drastisch und erfolgreich reduziert werden. Als Haupteinflussfaktoren konnten das Substratmaterial und dessen Oberflächenbearbeitung (gedreht oder poliert) identifiziert werden.

Aufbauend auf den Ergebnissen wurden weiterführende Untersuchungen zum Einfluss der Schichtdicke sowie einem alternativen Isolationsmaterial (Al2O3) durchgeführt. Die Ergebnisse sind für beide Materialien vergleichbar: Wie in Bild 2 dargestellt, wird je nach Substratmaterial und -oberfläche eine Isolationsschicht von 1 µm bis 3,5 µm Dicke benötigt.

Mit Hilfe der gewonnen Informationen zu Isolationsschichten können zukünftig Dünnschichtsensoren auch auf metallischen Bauteilen aufgebracht werden, womit ortsaufgelöste Messungen direkt am Wirkpunkt ermöglicht werden. Desweiteren können durch das Aufbringen von Sensoren über die Dünnschichttechnik Abweichungen vermieden werden, wie sie etwa bei Klebeschichten zwischen Sensor und Bauteil auftreten können.

Bild 1: Messaufbau zur Qualifizierung der Isolation: Die elektrisch leitfähigen Messpunkte auf der Isolationsschicht werden einzeln angetastet. Es wird der Übergangswiderstand zur elektrisch kontaktierten Rückseite der metallischen Probe gemessen.

 



Bild 2: Gemessener elektrischer Widerstand (max. 120 MOhm) im Vergleich zur Schichtdicke von SiO2 und Al2O3 Isolationsschichten auf Stahl (1.3505) und auf einer Titan-Legierung (Ti6Al4V)

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