[0001] Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zur Beschichtung eines Substrates
mit einer Plasmaerzeugungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates nach dem Oberbegriff
von Anspruch 11.
Hintergrund der Erfindung
[0002] Das komplexe Anforderungsprofil moderner ingenieur- und werkstofftechnischer Aufgabenstellungen
bedingt in zunehmendem Maße den Einsatz von Werkstoffkombinationen auch in Form von
Verbundmaterialien oder Schichtsystemen. Derartige Schichtsysteme können beispielsweise
als Schutz- oder Funktionsschichten auf Körpern gegen korrosive, thermische, chemische
oder biologische Beanspruchungen in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Zur Herstellung
solcher Werkstoff- oder Schichtverbunde werden gegenwärtig verschiedene Technologien
eingesetzt. Dabei kommen oft die chemische Gasabscheidung (chemical vapor deposition
CVD) oder die physikalische Gasabscheidung (physical vapor deposition PVD) zum Einsatz.
Auch das Löten, das Diffusionsschweißen oder das pulvermetallurgische Verbundpressen
mit möglicher nachfolgender Schmiedeoperation sind etablierte Verfahren. Die Schichten
werden dabei entweder über die schmelzflüssige Phase (thermisches Spritzen) oder über
die Dampf- (PVD) oder Gasphase (CVD) auf einem kompakten Substrat aufgebracht oder
als kompakte Teile mittels eines Hilfswerkstoffs (Löten) oder durch gleichzeitige
Anwendung von Druck und Temperatur (Diffusionsschweißen) direkt mit einem kompakten
Substratwerkstoff verbunden.
[0003] Diese bekannten Technologien weisen allerdings verfahrensspezifische Grenzen auf.
So vermindern auftretende ungünstige Schichteigenschaften, wie z. B. offene Porosität
und Risse in der Schicht die Schutzwirkung gegenüber reaktiven Medien. Auch können
aufgrund von Temperaturgradienten zwischen den Werkstoffen bei der Herstellung der
Schichtverbunde oftmals Restspannungen in der thermisch beeinflussten Zone der Bauteile
zurückbleiben. Damit sind oftmals aufwändige Nachbehandlungen erforderlich.
Stand der Technik
[0004] Diese Nachteile können durch das direkte Aufbringen von Schichten mit Hilfe eines
Plasmajets, in den Pulver eingebracht wird, oftmals reduziert oder ganz verhindert
werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
US 5,853,815 bekannt. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, ein Substrat dadurch homogen zu beschichten,
dass ein Plasmastrom die ganze Breite des Substrates überdeckt. Hierzu ist ein Partikelreservoir
über eine Leitung direkt mit einer Plasmaerzeugungseinheit verbunden. Ein großer Druckunterschied
zwischen der Beschichtungsfackel der Plasmaerzeugungseinheit und der Umgebung der
Beschichtungsfackel erzeugt ein Schockmuster, das dazu führt, dass sowohl der Beschichtungsstrom
breit gefächert, wie auch das Beschichtungsmaterial gut im Plasmastrom verteilt wird.
Dabei können vielfältige Materialkombinationen auf ein Substrat aufgebracht werden.
Hierzu wird beispielsweise ein Pulver eingesetzt, das aus einem Gemisch aus mehreren
Materialklassen besteht. Damit können vielfältige Materialkombinationen bei entsprechender
Düsenführung auch auf komplex geformte Substrate aufgetragen werden. Auf diese Weise
kann z.B. ein sehr verschleißfestes aber sprödes Material in eine elastische Matrix
eingebunden werden. Auch ist es möglich, während des Beschichtungsprozesses Pulver,
die aus einer Mischung von mehreren feinkörnigen metallischen Komponenten bestehen,
zu sintern.
[0005] Aus der
DE 199 58 473 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, wobei mit Hilfe eines Plasmaverfahrens
ein mehrschichtiger Aufbau auf einem Substrat aufgebracht wird. Dabei können die Eigenschaften
der einzelnen Schichten in einem weiten Bereich gewählt werden. Hierzu wird vorgeschlagen,
dem aus der Plasmaerzeugungseinrichtung austretenden Plasmastrahl die eine Schicht
bildenden Spezies, so genannte Precursormaterialien, in Form von Pulver, Gasen oder
Flüssigkeiten zuzuführen, die dann im Plasma chemisch oder physikalisch so verändert
werden, dass sie als Cluster im Nano- oder Mikroskalenbereich auf dem Substrat abgeschieden
werden. Damit kann ein Komposit-Schichtsystem aufgebracht werden, wenn Precursormaterialen
mit unterschiedlichen Eigenschaften an unterschiedlichen Stellen des Plasmastrahls
eingebracht werden.
[0006] Ein Nachteil dieser Vorgehensweise beim Aufbringen von Schichten auf Substrate besteht
darin, dass die Eigenschaft der aufzubringenden Schicht im Prozess festgelegt ist.
[0007] Die internationale Anmeldung
PCT/DE2006/000638, veröffentlicht als
WO 2006/108395 A1, beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabeschichtung. Dabei wird
ein Plasmabrenner mit mehreren Expansionsstufen offenbart, wobei jede Expansionsstufe
eine Zuführeinrichtung für einen Beschichtungswerkstoff aufweist. An die Expansionsstufen
schließt sich eine Mischkammer an, in der die Beschichtungswerkstoffe miteinander
und mit dem Plasma vermischt werden.
[0008] Die deutsche Patentschrift
DE 10 2008 053 640 B3 offenbart ein Beschichtungsverfahren, bei dem eine Schicht auf ein Objekt aufgespritzt
wird. Das aufzuspritzende Material wird durch einen Lichtbogen aus Drähten geschmolzen.
Ein Füllstoff kann über einen Injektor in den Spritzstrahl eingebracht werden.
[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen,
mit der eine Beschichtung eines Substrats möglich wird, wobei die Eigenschaften der
aufzubringenden Schicht auch während des Beschichtungsprozesses veränderbar sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, mit
dem die Möglichkeiten bei der Beschichtung von Substraten variabler gestaltet werden
können.
[0010] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Beschichtungsvorrichtung zur Beschichtung
eines Substrates mit einer Plasmaerzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst. Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Beschichtung
eines Substrats mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst.
[0011] Es wird also eine Beschichtungsvorrichtung zur Beschichtung eines Substrates vorgeschlagen.
Diese weist eine Plasmaerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls auf,
wobei aus einem Beschichtungskopf der Plasmaerzeugungsvorrichtung der Plasmastrahl
austritt. Partikel aus einem ersten Partikelreservoir können dem Plasmastrahl über
eine Transportleitung zugeführt werden. Ein zweites Partikelreservoir ist vorgesehen,
aus dem Partikel ebenfalls über die Transportleitung dem Plasmastrahl zugeführt werden
können. Mit einer Dosiervorrichtung in der Transportleitung kann die Menge der Partikel
aus dem ersten Partikelreservoir relativ zur Menge der Partikel aus dem zweiten Partikelreservoir
eingestellt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass dieses Mengenverhältnis auch während
des Beschichtungsprozesses variiert werden kann. Damit kann auch ein sich änderndes
Beschichtungsprofil auf der Oberfläche des Substrats erzeugt werden.
[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung ist ein Regler
zum Regeln der dem Plasmastrahl zugeführten Menge des Partikelgemisches vorgesehen.
Dabei kann der Regler so ausgestaltet sein, dass die Menge der zugeführten Partikel
in weiten Bereichen, auch während des Beschichtungsprozesses variiert werden kann.
Darüber hinaus ist es möglich, den Regler als Schalter auszugestalten, oder den Regler
so auszuführen, dass er eine Schalterfunktion aufweist, so dass mit diesem Schalter
ein Freischalten und Unterbrechen der Zufuhr des Partikelgemisches zum Plasmastrahl
möglich wird.
[0013] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mehrzahl von Partikelreservoirs
vorgesehen. Die Partikelreservoirs können dabei über eine gemeinsame Dosiervorrichtung
in ihren Verhältnissen zueinander gemischt werden oder mit ihnen zugeordneten, separaten
Beschichtungsköpfen auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden.
[0014] Bevorzugt ist für jedes Partikelreservoir jeweils wenigstens ein separater Prozess
vorgesehen, mit deren Hilfe sich aus den Partikelreservoirs ein fluidisiertes Pulver
erzeugen lässt. Das Partikelreservoir und das zugeordnete Prozessgas bilden jeweils
eine Partikelfördereinheit. Die Partikelfördereinheit kann eine Prozessgasregeleinheit
zum Regeln des Mischungsverhältnisses aus Partikeln und Prozessgas aufweisen.
[0015] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Beschichtungsvorrichtung
wenigstens einen zweiten Beschichtungskopf und eine weitere, dem zweiten Beschichtungskopf
zugeordnete Partikelfördereinheit aufweisen. Die Partikelfördereinheit weist dabei
ein weiteres Partikelreservoir, ein Prozessgas und eine Prozessgasregeleinheit auf.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, eine Mehrzahl von Beschichtungsköpfen
und jeweils zugeordneten Partikelfördereinheiten vorzusehen.
[0016] Im Hinblick auf das Verfahren zum Beschichten eines Substrates erfolgt die Beschichtung
in einer ersten Ausgestaltung mit einer Beschichtungsvorrichtung, die eine Plasmaerzeugungsvorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls und einen Beschichtungskopf aufweist, aus dem der
Plasmastrahl austritt. Zur Beschichtung des Substrates werden aus einem ersten Partikelreservoir
Partikel über eine Transportleitung dem Plasmastrahl zugeführt. Weiterhin werden Partikel
aus einem zweiten Partikelreservoir mit denen aus dem ersten Partikelreservoir über
eine Dosiervorrichtung gemischt und dann gemeinsam in die Transportleitung eingebracht
und als Partikelgemisch dem Plasmastrahl zugeführt. Der Plasmastrahl wird dann zusammen
mit dem Partikelgemisch auf die Oberfläche des Substrats zur Bildung der Beschichtung
gerichtet. Dabei können die Partikel aus dem ersten Partikelreservoir mit einem ersten
Prozessgas fluidisiert und die Partikel aus dem zweiten Partikelreservoir mit einem
zweiten Prozessgas fluidisiert werden. Der Anteil am Gemisch von Partikeln aus dem
ersten Partikelreservoir kann zwischen 10% und 90% und der Anteil von Partikeln aus
dem zweiten Partikelreservoir kann zwischen 10% und 90% eingestellt werden. Außerdem
ist es möglich, den Anteil von Partikeln aus dem ersten Partikelreservoir relativ
zum Anteil von Partikeln aus dem zweiten Partikelreservoir während der Beschichtung
des Substrats zu variieren, indem das Mischungsverhältnis zwischen den ersten und
zweiten Partikeln während des Auftragens verändert wird.
[0017] In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Beschichtung
mit einer Beschichtungsvorrichtung, die eine Plasmaerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls und einem Beschichtungskopf aufweist, aus dem der Plasmastrahl
austritt. Dabei wird das Substrat dadurch beschichtet, dass Partikel aus einem ersten
Partikelreservoir über eine Transportleitung dem Plasmastrahl an einer ersten Zuführstelle
zugeführt werden und Partikel aus einem zweiten Partikelreservoir dem Plasmastrahl
an einer zweiten Zuführstelle so zugeführt werden, dass auf dem Substrat eine erste
Schicht mit Partikeln aus dem ersten Partikelreservoir und eine zweite Schicht mit
Partikeln aus dem zweiten Partikelreservoir entsteht. Alternativ können die erste
und die zweite Zuführstelle auch so gewählt werden, dass auf dem Substrat eine Gradientenschicht
oder eine Verbundschicht entsteht.
[0018] Die zweite Schicht oder die Gradientenschicht oder die Verbundschicht kann in einer
weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens mit einer weiteren Schicht abgedeckt werden,
wobei Partikel aus einem dritten Partikelreservoir einer weiteren Transportleitung
zugeführt werden und dann dem zweiten Plasmastrahl eines zweiten Beschichtungskopfes
zugeführt und dann auf die zweite Schicht mit Partikeln aus dem zweiten Partikelreservoir
oder auf die Gradientenschicht oder auf die Verbundschicht aufgebracht werden.
[0019] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können
so die Eigenschaften der aufzubringenden Schicht in einem weiten Bereich variiert
werden. Durch gezielte und geregelte Einbringung der Beschichtungsmaterialien in den
Plasmabeschichtungsprozess können funktionale Verbundschichten aufgebracht werden.
Die Dicke und Zusammensetzung der Verbundschicht kann dabei so geregelt werden, dass
die gewünschten elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften maßgeschneidert
werden können. Auch können mehrere Schichten auch mit unterschiedlichen Eigenschaften
sowie Gradientenschichten auf dem Substrat erzeugt werden.
[0020] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile.
[0021] Es zeigen im Einzelnen:
- Fig. 1:
- schematisch eine Beschichtungsvorrichtung mit einem Plasmamodul;
- Fig. 2:
- schematisch eine weitere Ausführungsform einer Beschichtungsvorrichtung mit einem
Plasmamodul;
- Fig. 3a - c:
- Beispiele in schematischer Darstellung für die mit der Beschichtungsvorrichtung herstellbaren
Schichten;
- Fig. 4:
- eine schematische Darstellung für eine mögliche Schichtenabfolge auf einem Substrat
nach einer Beschichtung;
- Fig. 5:
- eine schematische Darstellung des Prinzips einer Gradientenschicht durch ein Tiefenprofil;
und
- Fig. 6:
- eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine mit der Beschichtungsvorrichtung
hergestellte leitfähige Beschichtung.
[0022] Fig. 1 zeigt schematisch eine Beschichtungsvorrichtung 10 zur Beschichtung eines Substrates
12. Die Beschichtungsvorrichtung 10 weist ein Plasmamodul auf, das einen Beschichtungskopf
26, eine Quelle für ein Plasmaprozessgas 56 und ein Netzteil 58 umfasst.
[0023] Der Beschichtungskopf 26 besteht aus einer Brennkammer 60 in der zwischen zwei Elektroden
62 und 64 ein Lichtbogen 20 gezündet wird. Diesem Lichtbogen 20 wird aus dem Netzteil
58 zur Aufrechterhaltung elektrische Energie zugeführt, so dass sich je nach Modulation
des Netzteils 58 ein kontinuierlicher Plasmastrahl 22 oder gepulster Plasmastrahl
22 ausbildet, der an der Auslassseite 26A des Beschichtungskopfes 26 austritt. An
der Einströmseite 26E des Beschichtungskopfes 26 kann ein Plasmaprozessgas 56 zugeführt
werden, so dass die Brennkammer 60 in geregelter Art von dem Plasmaprozessgas 56 durchströmt
wird. In den Plasmastrahl 22 kann über einen Injektor 66, der hier als externer Injektor
dargestellt ist, ein Gemisch aus Prozessgas 30, 32 und Partikeln zugeführt werden.
Durch die hohe Energiedichte im Plasmastrahl 22 können die Partikel teilweise aufgeschmolzen
werden. So können sie auf der Oberfläche 12a des Substrats 12 als erste Schicht 50
abgeschieden werden. Da das Substrat 12 und der Beschichtungskopf 26 relativ zueinander
beweglich sind, kann auf diese Weise eine durchgehende Schicht 50 auf dem Substrat
12 erzeugt werden.
[0024] Das zum Injektor 66 geführte Partikelgemisch stammt bei der in Figur 1 dargestellten
Ausführungsform der Erfindung aus einer ersten Partikelfördereinheit 34 und einer
zweiten Partikelfördereinheit 36. In den Partikelfördereinheiten 34, 36 ist jeweils
eine Prozessgasregeleinheit 38, 42 vorgesehen. Diese ermöglicht es, jeweils die Anteile
an Partikeln in dem jeweiligen Prozessgas 30, 32 unabhängig voneinander zu regeln.
Bei Bedarf kann in jeder Partikelfördereinheit 34, 36 jeweils mit verschieden Prozessgasen
30, 32 gearbeitet werden, die dann jeweils auf die eingesetzten Partikel in den Partikelreservoirs
abgestimmt sind. Aus der Mischung der Partikel mit den Prozessgasen 30, 32 werden
so Fluide erzeugt, die mit Hilfe einer Dosiervorrichtung 18 in unterschiedlichen Anteilen
zueinander gemischt werden können. Die Mischung hängt dabei von der auf dem Substrat
12 gewünschten Schicht 50 ab. Üblicherweise wird das Mischungsverhältnis der Partikel
zueinander so gestaltet, dass der Anteil am Partikelgemisch von Partikeln aus dem
ersten Partikelreservoir 14 zwischen 10% und 90% und der Anteil von Partikeln aus
dem zweiten Partikelreservoir 16 zwischen 10% und 90% eingestellt wird.
[0025] Die Dosiervorrichtung 18 ist dabei so ausgeführt, dass mit ihr ein zeitlich festes
Verhältnis zwischen dem Anteil am Partikelgemisch von Partikeln aus dem ersten Partikelreservoir
14 und dem Anteil von Partikeln aus dem zweiten Partikelreservoir 16 eingestellt werden
kann. Weiterhin können auch Dosiervorrichtungen 18 eingesetzt werden, mit denen darüber
hinaus oder ausschließlich ein sich zeitlich änderndes Mischungsverhältnis eingestellt
werden kann. Bei der Dosierung ist es auch möglich, zumindest zeitlich befristet,
den Anteil eines der Partikel auf 0 zu setzen, so dass für einen bestimmten Bereich
auf der Oberfläche des Substrates 12 die aufgebrachte erste Schicht 50 ausschließlich
aus Partikeln aus einem Partikelreservoir besteht.
[0026] Die Dosiervorrichtung 18 kann hierzu beispielsweise als Medienaddierer ausgeführt
sein. Dabei können in den Medienaddierer zwei Fluide als zwei oder mehr Teilströme
in eine oder mehrere Mischkammern eingeleitet werden, wo dann die Mischung erfolgt.
Die Mischreaktion kann überwacht werden, wobei auch ein sich zeitlich änderndes Mischungsverhältnis
eingestellt werden kann. Die Mischung wird dann üblicherweise aus einer Öffnung im
Boden oder im Deckel der Mischkammer abgelassen und der Transportleitung 24 zugeführt,
die beispielsweise als Schlauchsystem ausgeführt sein kann. Für die Transportleitung
24 können auch andere Materialien als Schläuche, wie etwa Metallleitungen, verwendet
werden, je nachdem, welche Partikel für die Beschichtung des Substrats 12 eingesetzt
werden sollen. Über die Transportleitung 24 gelangt das Partikelgemisch zu dem Injektor
66. Dem Injektor 66 kann ein Regler 28 vorgeschaltet sein, mit dessen Hilfe es möglich
ist, die dem Injektor 66 zugeführte Menge des Partikelgemisches zu regeln. Dabei kann
die Regelung durch ein Drosseln des Partikelstroms oder durch einen dynamischen Schaltvorgang,
d. h. durch ein kontrolliertes Unterbrechen und Freischalten des Weges zur Transportleitung
24 im Regler 28 erfolgen.
[0027] Mit dieser Vorrichtung lassen sich dynamisch veränderbare Schichten 50 auftragen.
Schichtdicke und Materialzusammensetzung lassen sich dynamisch über die Förderraten
der Partikelfördereinheiten 34, 36 und den Regler 28 einstellen. Damit kann die Schichtzusammensetzung
auch während eines laufenden Beschichtungsprozesses dynamisch verändert werden.
[0028] Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zum Beschichten
eines Substrates 12. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind dem Beschichtungskopf
26 mehrere, im vorliegenden gezeigten Beispiel zwei, Injektoren 66, 68 zugeordnet.
Wiederum werden die Partikel aus den Partikelfördereinheiten 34, 36 in den gewünschten
Anteilen fluidisiert. Danach werden die aus der Partikelfördereinheit 34 stammenden
Partikel separat einem ersten Injektor 66 zugeführt und gelangen an einer ersten Zuführstelle
46 in den Plasmastrahl 22. Die Partikel aus der Partikelfördereinheit 36 werden einem
zweiten Injektor 68 zugeführt und gelangen an einer zweiten Zuführstelle 48 in den
Plasmastrahl 22. Den Injektoren 66, 68 können jeweils wiederum Dosiervorrichtungen
18 vorgelagert sein, deren Wirkungsweise bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben
wurde. Durch diese Anordnung ergibt sich nun die Möglichkeit, zwei separate, voneinander
unabhängige Schichten 50, 52 (Doppelschicht) auf der Oberfläche 12a des Substrats
12 zu erzeugen, deren Eigenschaften unterschiedlich sein können (siehe Fig. 6).
[0029] Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, mit dieser Anordnung eine sogenannte Gradientenschicht
54 (siehe Fig. 3c) herzustellen. Besonders vorteilhaft ist dies, da sowohl die Doppelschicht,
wie auch die Gradientenschicht 54 in einem Prozessschritt auf das Substrat 12 aufgebracht
werden kann. Je nach Anordnung der Injektoren 66, 68 und damit je nach Lage der Zuführstellen
46, 48 zum Plasmastrahl 22 können so vielfältige Effekte erzielt werden. Diese beruhen
darauf, dass die Injektion in verschiedenen Bereichen des Plasmastrahls 22 stattfindet.
Diese Bereiche unterscheiden sich durch Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Plasmazusammensetzung.
Je nach strömungsmechanischer Vermischung der Materialströme entstehen Mehrfachschichten
oder Mischschichten (Fig. 3).
[0030] In Figur 2 ist weiterhin schematisch dargestellt, dass der mit dem Beschichtungskopf
26 durchgeführte Prozess erweitert werden kann. Hierzu kann die Beschichtungsvorrichtung
10 um einen weiteren Beschichtungskopf 27 erweitert werden. Im einfachsten Fall ist
diesem Beschichtungskopf 27 an seiner Einströmseite 27E ein Plasmaprozessgas 56 und
ein Netzteil 58 zugeordnet. Weiterhin ist ihm eine dritte Partikelfördereinheit 37
zugeordnet, die wiederum ein Partikelreservoir 15 sowie ein Prozessgas 33 aufweist.
Mit der Prozessgasregeleinheit 44 kann wiederum das Verhältnis Prozessgas 33 zu Partikeln
aus dem Partikelreservoir 15 eingestellt werden. Mit Hilfe einer bereits beschriebenen
Dosiervorrichtung 18 kann auch die Partikelmenge aus dem Partikelreservoir 15 kontrolliert
werden. So kann auf der zweiten Schicht 52 eine dritte Schicht 53 abgeschieden werden.
[0031] Um einen Schichtaufbau mit mehr als drei Schichten oder einen Schichtaufbau mit zwei
oder mehr Gradientenschichten herstellen zu können, ist es möglich, die Beschichtungsvorrichtung
10 statt mit einem beschriebenen einfach betriebenen Beschichtungskopf 27 mit einem
weiteren Beschichtungskopf 26 und zwei Injektoren 66, 68 auszustatten, die dem oben
beschriebenen entsprechen.
[0032] In Fig. 3a ist schematisch ein Schichtaufbau gezeigt, wie er mit einer Beschichtungsvorrichtung
10 gemäß Fig. 2 herstellbar ist. Dabei ist auf dem Substrat 12 eine erste Schicht
50, eine zweite Schicht 52 und eine dritte Schicht 53 aufgebracht.
[0033] In Fig. 3b ist schematisch eine sogenannte Verbundschicht 55 dargestellt, die mit einer Beschichtungsvorrichtung
10 gemäß Fig. 1 oder 2 herstellbar ist. Dabei werden die aus den Partikelreservoirs
14, 16 stammenden Partikel im Mischungsprozess (Fig. 1) oder durch eine geeignete
Wahl der Zuführstellen 46, 48 so miteinander vermischt, dass eine möglichst homogene
Verteilung der Partikelarten im Volumen der aufgebrachten Verbundschicht 55 entsteht.
[0034] Fig. 3c zeigt schematisch eine Gradientenschicht 54, die mit der Beschichtungsvorrichtung
10 gemäß Fig. 2 herstellbar ist. Dabei werden die Zuführstellen 46, 48 so gewählt,
dass die Anzahl der Partikel in y-Richtung jeweils ab- bzw. zunimmt.
[0035] Fig. 4 zeigt schematisch, dass es möglich ist, verschiedene Übergänge in der auf das Substrat
12 aufzubringenden Schichtfolge zu schaffen. Hierzu wird mit einer geeignet gewählten
Konfiguration der Beschichtungsvorrichtung 10 in einem Beschichtungsdurchlauf die
dargestellte Schichtenfolge erzeugt.
[0036] Im Segment A werden drei verschieden Materialien mit den Partikeln r, s, t in einem
festen Verhältnis als Schicht auf dem Substrat 12 abgeschieden. Im Segment B, also
zeitlich später im selben Beschichtungsvorgang, wird die Schichtdicke der Verbundschicht
55 stetig verringert und eine Deckschicht der Phase u auf die Verbundschicht 55 aufgebracht.
Im Segment C wird die Schichtdicke der gesamten Multilage verringert bis in Segment
D die Schicht komplett unterbrochen wird und damit das Substrat 12 an dieser Stelle
nicht von einer Schicht bedeckt wird. Im Segment E wird die Schichtdicke der Phase
u stetig erhöht und geht im Bereich F in eine Gradientenschicht 54 über, bei dem an
der Oberfläche dieser Phase u das Material r in höchster Konzentration eingebettet
ist.
[0037] Fig. 5 zeigt schematisch das Prinzip der Gestaltung einer Gradientenschicht anhand eines
Tiefenprofils. Die Materialzusammensetzung geht von einem Schichtmaterial S1 aus,
das die höchste Konzentration unmittelbar am Übergangspunkt zum Substrat 12 hat. In
Richtung der Oberfläche nimmt das Schichtmaterial S1 stetig ab, bis es an der Oberfläche
im Wesentlichen den Wert 0 erreicht. Hingegen hat das Schichtmaterial S2 am Übergangspunkt
zum Substrat 12 im Wesentlichen den Wert 0 und nimmt in Richtung Oberfläche stetig
zu. Im dargestellten Beispiel gibt es einen Übergangsbereich U, in dem das Schichtmaterial
S1 und das Schichtmaterial S2 eine im Wesentlichen gleiche Konzentration aufweisen.
[0038] Fig. 6 zeigt einen konkreten Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung
10 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines Substrates 12 am Beispiel
einer leitfähigen Schicht 74 und einer Isolationsschicht 72. Beide Schichten werden
mit der Beschichtungsvorrichtung 10 auf ein Substrat 12 aufgebracht. Dabei wird die
leitfähige Schicht 74 in einer bahnförmigen Struktur auf das Substrat 12 aufgebracht.
Die so geformte Leiterbahn soll im Bereich K0 nach außen durch eine Isolationsschicht
72 geschützt sein. Dabei kann die Isolationsschicht in den Bereichen K1 und K2 zum
Zweck der einfachen Kontaktierung unterbrochen sein.
Bezugszeichenliste:
[0039]
- 10
- Beschichtungsvorrichtung
- 12
- Substrat
- 12a
- Oberfläche des Substrats
- 14
- Partikelreservoir
- 15
- Partikelreservoir
- 16
- Partikelreservoir
- 18
- Dosiervorrichtung
- 20
- Lichtbogen
- 22
- Plasmastrahl
- 23
- zweiter Plasmastrahl
- 24
- Transportleitung
- 25
- zweite Transportleitung
- 26
- Beschichtungskopf
- 26A
- Auslassseite
- 26E
- Einströmseite
- 27
- zweiter Beschichtungskopf
- 27E
- Einströmseite
- 28
- Regler
- 30
- Prozessgas
- 32
- Prozessgas
- 33
- Prozessgas
- 34
- erste Partikelfördereinheit
- 36
- zweite Partikelfördereinheit
- 37
- dritte Partikelfördereinheit
- 38
- Prozessgasregeleinheit
- 40
- Partikelfördereinheit
- 42
- Prozessgasregeleinheit
- 44
- Prozessgasregeleinheit
- 46
- erste Zuführstelle
- 48
- zweite Zuführstelle
- 50
- erste Schicht
- 52
- zweite Schicht
- 53
- dritte Schicht
- 54
- Gradientenschicht
- 55
- Verbundschicht
- 56
- Plasmaprozessgas
- 58
- Netzteil
- 60
- Brennkammer
- 62
- Elektrode
- 64
- Elektrode
- 66
- erster Injektor
- 68
- zweiter Injektor
- 70
- dritter Injektor
- 72
- Isolationsschicht
- 74
- leitfähige Schicht
- A, B, C, D, E, F
- Segmente einer Schicht
- r, s, t
- Partikel
- S1
- Schichtmaterial
- S2
- Schichtmaterial
- U
- Übergangsbereich
- K1
- Bereich
- K2
- Bereich
- K3
- Bereich
1. Beschichtungsvorrichtung (10) zur Beschichtung eines Substrates (12) mit einer Plasmaerzeugungsvorrichtung
(20) zur Erzeugung eines Plasmastrahls (22), der aus einem Beschichtungskopf (26)
der Plasmaerzeugungvorrichtung (20) austritt, mit einem ersten Partikelreservoir (14)
und einer Transportleitung (24) über welche Partikel, die im ersten Partikelreservoir
(14) untergebracht sind, dem Plasmastrahl (22) zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Partikelreservoir (16) so vorgesehen ist, dass die Partikel
des zweiten Partikelreservoirs (16) über die Transportleitung (24) dem Plasmastrahl
(22) in einem Partikelgemisch mit den Partikeln aus dem ersten Partikelreservoir (14)
zuführbar sind und dass eine Dosiervorrichtung (18) zum Dosieren der Menge der aus
dem ersten Partikelreservoir (14) in die Transportleitung (24) eingebrachten Partikel
relativ zu der Menge der aus dem zweiten Partikelreservoir (16) in die Transportleitung
(24) eingebrachten Partikel vorgesehen ist.
2. Beschichtungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Dosiervorrichtung (18) so ausgeführt ist, dass sie eine zeitlich veränderbare
Zusammensetzung des Partikelgemisches ermöglicht.
3. Beschichtungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Regler (28) zum Regeln der dem Plasmastrahl (22) zugeführten Menge des Partikelgemisches
vorgesehen ist.
4. Beschichtungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der Regler (28) als Schalter zum Freischalten und / oder Unterbrechen der Zufuhr
des Partikelgemisches zum Plasmastrahl (22) ausgeführt ist.
5. Beschichtungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Mehrzahl von Partikelreservoirs (14, 16) vorgesehen ist.
6. Beschichtungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei wenigstens ein separates Prozessgas (30) so vorgesehen ist, dass die Partikel aus
einem der Partikelreservoirs (14, 16) mit dem Prozessgas (30) mischbar sind und ein
fluidisiertes Pulver bilden.
7. Beschichtungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei jedem Partikelreservoir (14, 16) ein separates Prozessgas (30, 32) zugeordnet ist.
8. Beschichtungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Partikelreservoir (14, 16) und das ihm jeweils zugeordnete Prozessgas (30, 32)
eine Partikelfördereinheit (34, 36) bilden, und die Partikelfördereinheit (34, 36)
eine Prozessgasregeleinheit (38, 42) zum Regeln des Mischungsverhältnisses aus den
Partikeln und dem Prozessgas (30, 36) aufweist.
9. Beschichtungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beschichtungsvorrichtung (10) wenigstens einen zweiten Beschichtungskopf (27)
und wenigstens eine weitere, dem zweiten Beschichtungskopf (27) zugeordnete Partikelfördereinheit
(37) mit einem Partikelreservoir (15), einem zugeordneten Prozessgas (33) und einer
Prozessgasregeleinheit (44), aufweist.
10. Beschichtungsvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die Beschichtungsvorrichtung eine Mehrzahl von Beschichtungsköpfen (26, 27) und jeweils
zugeordneten Partikelfördereinheiten (34, 36, 37) aufweist.
11. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (12)
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- dass mit mindestens einer Plasmaerzeugungsvorrichtung (20), die je einen Beschichtungskopf
(26, 27) aufweist, je ein Plasmastrahl (22) erzeugt wird, der aus dem jeweiligen Beschichtungskopf
(26, 27) austritt;
- dass aus mindestens einem Partikelreservoir (14) Partikel über eine Transportleitung
(24) einer Dosiervorrichtung (18) zugeführt und in dieser gemischt werden;
- dass über die Transportleitung (24) aus der Dosiervorrichtung (18) ein Partikelgemisch
aus den Partikeln des mindestens einen Partikelreservoirs (14) dem Plasmastrahl (22)
zugeführt wird; und
- dass der Plasmastrahl (22) zusammen mit dem Partikelgemisch auf eine Oberfläche
(12a) des Substrats (12) zur Bildung der Beschichtung (50) gerichtet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Partikel aus einem ersten Partikelreservoir (14)
und Partikel aus einem zweiten Partikelreservoir (16) über eine Transportleitung (24)
einer Dosiervorrichtung (18) zugeführt und in dieser gemischt werden und über die
Transportleitung (24) aus der Dosiervorrichtung (18) ein Partikelgemisch aus den Partikeln
des ersten Partikelreservoirs (14) und des zweiten Partikelreservoirs (16) dem Plasmastrahl
(22) zugeführt werden.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, wobei Partikel aus einem dirtten Partikelreservoir
(15) über eine Transportleitung (24) einer Dosiervorrichtung (18) zugeführt und in
dieser gemischt werden und über die Transportleitung (24) aus der Dosiervorrichtung
(18) dem Plasmastrahl (23) zugeführt werden.
14. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (12) nach den vorangehenden Ansprüchen,
wobei die Partikel aus dem ersten Partikelreservoir (14) mit einem ersten Prozessgas (30),
die Partikel aus dem zweiten Partikelreservoir (16) mit einem zweiten Prozessgas (32)
und die Partikel aus dem dritten Partikelreservoir (14) mit einem dritten Prozessgas
(30) fluidisiert werden.
15. Verfahren zum Beschichten eines Substrates (12) nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
wobei der Anteil von Partikeln aus dem ersten Partikelreservoir (14) relativ zum Anteil
von Partikeln aus dem zweiten Partikelreservoir (16) während der Beschichtung des
Substrats (12) variiert wird.