EP2984202A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufbau einer struktur auf einem substrat - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum aufbau einer struktur auf einem substrat

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Publication number
EP2984202A1
EP2984202A1 EP14724502.1A EP14724502A EP2984202A1 EP 2984202 A1 EP2984202 A1 EP 2984202A1 EP 14724502 A EP14724502 A EP 14724502A EP 2984202 A1 EP2984202 A1 EP 2984202A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
laser
plasma
powder
laser beam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14724502.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Nettesheim
Dariusz Korzec
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP2984202A1 publication Critical patent/EP2984202A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00 relating to soldering or welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02—Plasma welding
    • B23K10/027—Welding for purposes other than joining, e.g. build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for constructing at least one structure on a surface of a substrate.
  • the structure is made up of a powder as a layer.
  • the invention relates to a device for constructing at least one structure on a surface of a substrate.
  • a machining head with a nozzle is provided, which serves to form a low-temperature plasma jet.
  • a powder feed serves to supply a powder into the low temperature plasma jet or into the plasma to form the low temperature plasma jet.
  • Plasmajet applied to a surface of a substrate to be coated.
  • this technique can only achieve line widths not less than about 1 millimeter for the applied layer.
  • the edges of the lines are not particularly sharp, which is due to the inhomogeneous, one
  • masks must be provided for each desired shape of the layer, even if the number of substrates to be coated is small. It is known from DE 10 2008 001 580 A1 to apply the material for a layer as a dispersion of nanoparticles to a surface of a substrate.
  • the nanoparticles thus applied are thermally post-treated by means of a CO 2 laser in order to obtain a desired electrical conductivity and transparency of the layer.
  • Non-thermally treated areas of the layer are easily removed from the surface of the substrate while the thermal treated areas of the layer adhere well, cf. Zieris R et al., 2003, Characterization of coatings deposited by laser-assisted atmospheric plasma, Materials Park, Ohio: ASM International, pp. 567-572, ISBN: 0-87170-785-3.
  • the laser irradiation does not contribute to the formation of finer structures here.
  • EP 0 903 423 A2 and similar to DE 197 40 205 B4, describe a method for applying a layer by means of plasma spraying. In this case, at least one continuous laser beam through the spray jet with predetermined
  • the process is generally a high temperature process using a plasma torch that is based on the processing of materials
  • Plasma coating process using a plasma torch together with a laser.
  • a laser beam By a laser beam, the surface to be coated is locally melted, a plasma jet rushes to the laser beam and carries the in
  • Plasma contained coating material in the melt Plasma contained coating material in the melt.
  • Plasma spraying is found in S.E. Nielsen, "Laser fusing - combining laser and plasma spraying techniques for surface improvements”.
  • the powder particles are present in a molten or molten state, in the latter case as droplets.
  • material of the powder particle In order for sufficient adhesion between such a powder particle and a surface of the substrate to be formed, it is necessary for material of the powder particle to be distributed on the surface; namely, an increase in the contact area between the material of the powder particle and the surface of the substrate improves the adhesion of the powder particle to the substrate.
  • the surface of the substrate is too cold, at least thermal conductivities of the substrate and the molten powder material, a temperature difference between the powder particle and the substrate, the heat transfer between the substrate and the molten powder material, the melting temperature of the powder and a play Heat capacity of the powder particles roll, so the molten solidifies
  • the basic idea of the invention consists in at least one
  • Targeted heat input here means that only one, possibly spatially narrow, defined area of the surface of the substrate to be coated to build the structure, the laser beam is exposed, and that the laser irradiation also takes place temporally immediately in the environment of the coating, so that Damage to the substrate is avoided by an unnecessarily prolonged action of the laser on a location of the substrate as well as a large outflow of the amount of heat introduced from the defined area before the coating that the heat input can not show the desired effect.
  • the application of the material for the structure to the surface of the substrate on which the structure is to be built up by coating the surface is carried out by a Plasmajet to which the material is added as a powder.
  • This plasma jet is a low-temperature plasma jet.
  • the delivery of the powder to the plasma of the plasma jet can be carried out by any person skilled in the art
  • the powder may also be supplied to the plasma before the plasma jet is formed; Also, a supply of the powder to the gas from which the plasma is generated, is conceivable
  • Low-temperature Plasmajet and moves the substrate relative to each other, so that at least the defined area of the surface of the substrate in which the structure is to be built, is applied to the powder.
  • At least one laser beam which is directed onto the substrate is used, as already stated. This results in a Laser incidence region of the at least one laser beam on the substrate;
  • the substrate may also already be charged with powder, wherein the laser beam then primarily meets the powder located on the substrate.
  • the low-temperature plasma jet strikes the substrate in a plasma impact area.
  • the at least one laser beam is directed onto the substrate in such a way that a defined relative position is given between the laser impact area and the plasma impact area.
  • Laser impact area is always within the defined, to be coated area and is moved over this area. The extent of heat input within the
  • Laser impact area can be influenced, for example, by the power of the laser beam and the speed with which the laser is guided over the substrate surface.
  • the defined relative position between the laser impact area and the plasma impact area is such that the Laser impact area is outside the plasma impact area and is not yet loaded with powder.
  • the powder particles meet in the molten or molten state on the surface of the
  • Temperature difference between the powder particles and the substrate is reduced within the defined range. As a result, the heat flow from the powder particles to the substrate is reduced, and the solidification of molten material of the powder particles is delayed against powder particles applied outside the defined range.
  • the prerequisite for the method in this embodiment is that the substrate absorbs the laser light to an extent sufficient to achieve the required heat input into the substrate.
  • the at least one laser beam is guided so that it does not traverse the low-temperature plasma jet.
  • the at least one laser beam is guided so that it passes through the low-temperature Plasmajet. Therefore, in this embodiment of the method, an additional heat input into the laser beam in the plasma jet can be made through powder particles, provided that these powder particles are able to absorb the laser light. The additional heat input into the powder particles contributes to a delay in the solidification of the molten material of these powder particles after they hit the defined area of the surface of the substrate.
  • the laser incident region overlaps the plasma impact region.
  • the laser impact area is located wholly or partially within the plasma impact area. Therefore, in this embodiment, at least part of the laser radiation is incident within the
  • a prerequisite is that the powder particles the Laser light absorb, and the method can be applied even if the substrate is so largely transparent even for the laser light used that a sufficient heat input into a defined region of the surface of the substrate by direct absorption of laser light through the substrate is not possible.
  • the powder within the laser impact area absorbs the
  • Delayed powder particles against a powder applied outside the defined range of powder particles Delayed powder particles against a powder applied outside the defined range of powder particles.
  • Plasma impact area is also located, which also outside the
  • Plasma impact area is located. In this case the laser incidence area is not coherent.
  • Laser impact area smaller than a diameter of the plasma impact area. Since laser beams can be focused on smaller diameter areas than is possible with plasma jets, it is possible with this embodiment of the method to clearly show structures with typical size scales, eg lines with a width below the size scales or widths that can be generated with a plasma jet without a mask. With this embodiment of the method, it is quite possible to produce line widths down to 50 micrometers, while with the plasma jet alone, without masks, hardly any line widths below 1 millimeter are possible.
  • a laser beam can be reduced to a smaller area
  • Diameter focus as a plasma jet when constructing structures of correspondingly small dimensions, for example of lines having a width smaller than the diameter of the plasma impact area, the plasma jet initially also applies powder to areas of the substrate which lie outside the defined area to be coated and thus outside of the area the interaction of laser beam and plasma jet built-up on the substrate structure.
  • the particles deposited outside the structure at best are weakly attached to the substrate. Such particles can be easily removed from the surface of the substrate, e.g. blown off so that only the structure built up on the substrate remains.
  • the particles which have been applied outside the defined area to be coated and which rapidly solidify are also already swept away by the gas flow of the plasma jet itself.
  • the method is not limited to planar substrates, but can be applied to arbitrarily designed substrates.
  • the device according to the invention for constructing at least one structure on a surface of a substrate has a machining head which has a nozzle for forming a low-temperature plasma jet.
  • Low-temperature plasma may serve as a known plasma generator.
  • the device according to the invention further comprises a powder feed, with which the powder from which the structure is to be constructed, the plasma jet itself or the plasma from which the Plasmajet is to be formed first, or the gas from which the plasma is to be generated fed is.
  • the processing head according to the invention at least one laser emitter assigned. The assignment is such that a laser beam from the laser emitter can be directed onto the substrate such that a defined relative position between a laser incidence region of the laser beam on the substrate and a plasma impingement region of the low-temperature plasma jet on the substrate is achievable. For example, the laser emitter so on
  • the laser beam is emitted at a defined angle to the central axis of the Plasmajets, resulting in a defined relative position between the laser incident and the plasma impact area.
  • the laser emitter is on the processing head
  • the laser may be, for example, a semiconductor laser.
  • the laser light can be guided for at least one laser beam through at least one light guide to the processing head and be coupled there out of the at least one light guide.
  • the laser emitter is on
  • Processing head supported end of the light guide in addition to a coupling-out optics, to extract the laser light from the light guide.
  • the laser emitter may also be adjustably mounted on the machining head. The adjustment can be made manually by an operator, or via actuators as a result of control signals issued by a user of the
  • At least one movable reflector is provided to guide the laser beam across the substrate.
  • the at least one movable reflector can be controlled such that the laser impact area describes the desired path on the substrate, within the defined area to be coated. In such an embodiment is a fixed
  • Laser beam and the Plasmajet are understood, more generally the relative course of the Plasmajets and the at least one laser beam, from which also the relative position between the plasma impact area on the surface of the
  • Substrate and the laser impact area on the surface of the substrate determined.
  • this relative position can be adapted.
  • the device may further comprise a device with which a
  • a robot arm may be provided to move the machining head relative to the substrate, alternatively, for example, a gantry robot may be used. It is also possible to place the substrate on a movable table or to have it moved by a robot relative to the plasma jet.
  • the device according to the invention is suitable for this purpose
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the method in which the laser beam is guided in front of the plasma jet.
  • Figure 2 shows a plan view of a surface of a substrate
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the method in which the laser beam passes through the plasma jet.
  • Figure 4 shows a third embodiment of the method in which the laser beam is directed into the plasma jet.
  • FIG. 5 shows a plan view similar to FIG. 2, but for the embodiment of FIG. 4.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the method according to the invention for constructing a structure 2 on a substrate 100.
  • a powder 20 is added to a low-temperature plasma jet 10, which powder is conveyed through the plasma jet 10 on a substrate
  • the powder 20 is here supplied to the plasma jet 10 by a powder feed 21 shown only schematically.
  • the plasma jet 10 emanates from a processing head 1 1, which is in communication with a plasma generator, not shown here.
  • a laser beam 30, generated here by a laser 31 is directed onto the surface 1 of the substrate, where it defines a laser incidence region 35 (see FIG. 2) in a region which has not yet been exposed to powder 20 by the plasma jet 10.
  • Processing head 1 1, laser 31, and powder feed 21 is guided in the direction of the arrow 50 relative to the surface 1 of the substrate 100.
  • the powder 20 is supplied to the plasma jet 10 outside the processing head 11. However, this does not matter
  • the powder 20 may be supplied to the plasma ultimately forming the plasma jet 10 in any manner known to those skilled in the art of low temperature plasma spraying.
  • the laser beam 30 is directed directly to the substrate 100 through the laser 31 and the laser 31 is moved relative to the surface 1.
  • the impact of the laser beam 30 on the substrate 100 and the movement of the laser beam 30 relative to the surface 1 is relevant, regardless of where the laser beam 30 is generated and how it is ultimately directed to the substrate 100.
  • Figure 2 shows a plan view of a surface 1 of a substrate 100; the
  • Top view corresponds to an embodiment of the method as shown in FIG. Shown is the laser impingement region 35, ie the region in which the laser beam 30 (see FIG. 1) strikes the substrate 100;
  • the illustrated circular shape of the laser impingement region 35 is not a limitation of the invention.
  • a portion of a defined region 37 to be coated is also shown.
  • the laser impingement region 35 is directed in the direction of the arrow 50 over the defined region 37 causing heat input into the substrate 100.
  • the laser impingement region 35 leaves on movement in the direction of the arrow 50 a preheated region 36 on the surface 1 of the substrate 100, which is not yet charged with powder 20 (see FIG. 1).
  • Laser incidence region 35 and plasma incidence region 15 have a defined relative position R to one another. Between the plasma impact area 15 and the laser impact area 35 is the preheated, not yet acted upon with powder 20, area 36.
  • Plasma impingement 15, in the direction of arrow 50 moves over the surface 1, so 20 powder 20 is deposited along a track S of the plasma impingement region 15 on the surface 1; During this movement, the plasma impact area 15 also passes over the respective preheated area 36, since the plasma jet 10 tracks the laser beam 30, which causes the plasma impact area 15 to follow the laser impact area 35.
  • good adhesion can form between the powder 20 deposited in the preheated region 36 and the surface 1 of the substrate 100, as, inter alia, a temperature difference between the powder particles in the plasma jet 10 and the preheated region due to the preheating of the region 36 36 is reduced.
  • the structure 2 here in the form of a line with a width 3, constructed.
  • areas 16 outside the preheated area 36 is one
  • Line widths 3 are possible, which are significantly smaller than those achievable with a low-temperature plasma jet alone, ie without the use of a laser beam
  • FIG. 3 largely corresponds to FIG. 1. In the one shown in FIG. 1,
  • the laser beam 30 is directed through the Plasmajet 10 on the surface 1 of the substrate 100.
  • the laser beam 30 strikes outside of the plasma jet 10 on the surface 1 of the substrate 100.
  • a laser incidence region 35 defined by the laser beam 30 on the substrate 100 lies in front of the plasma incidence region 15 in the direction of movement 50, so that the plasma jet is also in this form 10 the laser incident region 35 is tracked.
  • the laser beam 30 here can also heat powder particles which pass through the laser beam 30 within the plasma jet 10. This additional heating of the powder particles leads to a delay of the solidification of the powder particles after their impact on the substrate 100, as already explained above.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the method which is similar to that shown in FIG. The vast majority of the illustrated elements have already been discussed in connection with FIG. Plasmajet 10 and laser beam 30 have been shown larger than Figure 1, for reasons of clarity.
  • FIG. 4 also shows a density profile 22 of the powder 20 in the plasma jet 10 and the plasma impingement area 15 determined by the density profile 22
  • Laser beam 30 is applied to a portion of the surface 1 in this embodiment of the substrate 100, which is already charged with powder 20. More specifically, the laser beam 30 is directed into the plasma jet 10 so as to meet a front edge 22F of the density profile 22, as seen in the direction 50 of a relative movement of the plasma jet 10 to the surface 1. As a result, a thin powder layer 2d which has already been deposited on the substrate 100 in this front flank 22F is included
  • FIG. 5 shows a plan view of the surface 1 of the substrate 100, as corresponds to an embodiment of the method shown in FIG. All shown
  • FIG. 2 is a corresponding illustration for an embodiment of the method shown in FIG.
  • the laser incidence region 35 lies within the
  • Plasma incidence area 15 A preheated area 36 as in FIG. 2 is not present here, since the heat input in the laser incidence area 35 takes place in powder already deposited on the surface 1, as shown in FIG.
  • the prerequisite for the embodiment illustrated in FIGS. 4 and 5 is that the powder 20 is able to absorb the laser light sufficiently.
  • the substrate 100 may be transparent to the laser light.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the device 300 according to the invention.
  • a machining head 1 1 has a nozzle 12 for forming a plasma jet from a plasma.
  • a plasma generator known to the person skilled in the art can be used.
  • a laser 31 is mounted at the processing head 1 1.
  • the laser 31 is adjustable, so that in particular the above-discussed relative position R between the plasma incidence region 15 and 35 Laseraufmachining Suite can be adjusted.
  • the laser may be a semiconductor laser.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the device 300 according to the invention. Some of the elements shown have already been described in connection with FIG. 6 discussed.
  • One end 33e of a light guide 33 is in a holder 33h on
  • a coupling-out optical system 34 for decoupling laser light from the light guide 33 is further provided.
  • the coupling-out optical system 34 is supported on the machining head 11 in this embodiment.
  • the laser light is fed into the light guide 33 by a laser 31 in a manner known to those skilled in the art.
  • the laser may be a semiconductor laser.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Aufbau mindestens einer Struktur (2) auf einem Substrat (100) offenbart. Durch einen Niedertemperatur-Plasmajet (10) wird Pulver (20), aus welchem die Struktur (2) aufgebaut werden soll, auf eine Oberfläche (1) des Substrats (100) aufgebracht. Durch mindestens einen Laserstrahl (30) erfolgt ein Wärmeeintrag in das Substrat (100) und / oder das Pulver (20) innerhalb eines Laserauftreffbereichs (35) auf dem Substrat (100). Der Wärmeeintrag verzögert ein Erstarren der im Plasmajet (10) angeschmolzenen oder aufgeschmolzenen Pulverpartikel auf dem Substrat (100) und ermöglicht dadurch die Ausbildung einer guten Haftung zwischen dem aufgebrachten Pulver (20), und damit der daraus aufgebauten Struktur (2), und dem Substrat (100). Es ist ferner eine Vorrichtung (300) zur Durchführung des Verfahrens offenbart.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Aufbau einer Struktur auf einem Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau mindestens einer Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats. Die Struktur wird aus einem Pulver als eine Schicht aufgebaut.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufbau mindestens einer Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats. Im Besonderen ist ein Bearbeitungskopf mit einer Düse vorgesehen, der zur Formung eines Niedertemperatur-Plasmajets dient. Eine Pulverzuführung dient zur Zuführung eines Pulvers in den Niedertemperatur- Plasmajet oder in das Plasma zur Bildung des Niedertemperatur-Plasmajets.
Zur Beschichtung von Oberflächen von Substraten ist beispielsweise ein
Niedertemperaturplasmaspritzverfahren,„PlasmaDust", der Firma Reinhausen Plasma bekannt. Dabei wird ein Pulver einem Niedertemperatur-Plasmajet zugeführt, in diesem Plasmajet angeschmolzen und chemisch aktiviert, und durch den
Plasmajet auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Substrats aufgebracht.
Ohne eine Maske lassen sich mit dieser Technik für die aufgebrachte Schicht nur Linienbreiten nicht unter etwa 1 Millimeter erreichen. Dabei sind die Kanten der Linien nicht sonderlich scharf ausgeprägt, was durch das inhomogene, einer
Gaussverteilung ähnelnde Dichteprofil des Plasmajets verursacht ist. Die
Verwendung von Masken ist aufwändig und entsprechend kostenintensiv.
Insbesondere müssen für jede gewünschte Form der Schicht entsprechende Masken bereitgestellt werden, auch wenn die Stückzahl der zu beschichtenden Substrate gering ist. Aus der DE 10 2008 001 580 A1 ist bekannt, das Material für eine Schicht als eine Dispersion von Nanopartikeln auf eine Oberfläche eines Substrats aufzubringen. Die derart aufgebrachten Nanopartikel werden mittels eines CO2-Lasers thermisch nachbehandelt, um eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit und Transparenz der Schicht zu erhalten. Nicht thermisch nachbehandelte Bereiche der Schicht lassen sich einfach von der Oberfläche des Substrats entfernen, während die thermisch nachbehandelten Bereiche der Schicht gut haften bleiben, vgl. etwa Zieris R et al., 2003, Characterization of coatings deposited by laser-assisted atmospheric plasma, Materials Park, Ohio: ASM International, pp. 567-572, ISBN: 0-87170-785-3.
Für eine derartige thermische Nachbehandlung sind hohe Laserleistungen erforderlich, was zur Zerstörung thermisch sensibler Substrate führen kann.
Aus der RU 2010 120 868 ist es bekannt, den mit Pulver versetzten Plasmastrahl innerhalb der Plasmadüse mit Laserlicht zu beleuchten, um eine bessere
Aufschmelzung des Pulvers zu erreichen. Da das Pulver nach der Laserbestrahlung die Düse durchströmt, trägt die Laserbestrahlung hier nicht zur Ausbildung feinerer Strukturen bei.
Aus der DE 10 2007 01 1 235 A1 ist es bekannt, simultan mit einem Laserstrahl und einem Plasmajet auf eine Oberfläche einzuwirken. Dabei dienen sowohl der
Laserstrahl als auch der Plasmajet der Reinigung der Oberfläche. Eine Beschichtung der Oberfläche durch den Plasmajet, insbesondere unter Mitwirkung des
Laserstrahls, ist dabei nicht erwähnt.
Die EP 0 903 423 A2, und ähnlich die DE 197 40 205 B4, beschreiben ein Verfahren zum Aufbringen einer Schicht mittels Plasmaspritzens. Dabei wird mindestens ein kontinuierlicher Laserstrahl durch den Spritzstrahl mit vorgegebener
Wechselwirkungszeit direkt auf die Oberfläche des Substrats oder die Oberfläche einer bereits dort aufgebrachten Schicht gerichtet, und schmilzt diese an. Bei dem Verfahren handelt es sich durchweg um ein Hochtemperaturverfahren unter Einsatz eines Plasmabrenners, das auf die Verarbeitung von Materialien mit
Schmelztemperaturen etwa im Bereich 1500 - 2000 *€- gerichtet ist. Der Laserstrahl trifft dabei innerhalb des Auftreffbereichs des Spritzstrahls auf die
Substratoberfläche.
Die DE 199 41 563 A1 und die DE 199 41 564 A1 beschreiben jeweils ein
Plasmabeschichtungsverfahren unter Einsatz eines Plasmabrenners zusammen mit einem Laser. Durch einen Laserstrahl wird die zu beschichtende Oberfläche lokal aufgeschmolzen, ein Plasmastrahl eilt dem Laserstrahl nach und trägt den im
Plasma enthaltenen Beschichtungswerkstoff in die Schmelze. Alternativ kann das Aufschmelzen mit dem Laserstrahl auch nach dem Auftragen des
Beschichtungswerkstoffes mit dem Plasmastrahl erfolgen.
Ein Überblick über die Kombination aus der Verwendung eines Lasers mit
Plasmaspritzverfahren findet sich in S. E. Nielsen,„Laser fusing - combining laser and plasma spraying techniques for surface improvements".
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats einfach und kostengünstig aufgebaut werden kann. Dabei sollen auch Strukturen möglich sein, deren typische Abmessungen deutlich unterhalb von 1 Millimeter liegen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 .
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine Struktur auf der Oberfläche eines Substrats einfach und kostengünstig aufgebaut werden kann. Dabei sollen auch Strukturen möglich sein, deren typische Abmessungen deutlich unterhalb von 1 Millimeter liegen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9.
Im Plasma liegen die Pulverpartikel in angeschmolzenem oder aufgeschmolzenem Zustand, im letzteren Fall also als Tröpfchen, vor. Damit sich eine hinreichende Haftung zwischen einem solchen Pulverpartikel und einer Oberfläche des Substrats ausbilden kann, ist es erforderlich, dass sich Material des Pulverpartikels auf der Oberfläche verteilt; eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Material des Pulverpartikels und der Oberfläche des Substrats verbessert nämlich die Haftung des Pulverpartikels an dem Substrat. Damit eine solche Verteilung von Material des Pulverpartikels auf der Oberfläche des Substrats möglich ist, muss der Pulverpartikel nach dem Auftreffen auf der Oberfläche über eine hinreichende Zeit in dem
angeschmolzenen oder aufgeschmolzenen Zustand verbleiben, so dass Material des Pulverpartikels auf der Oberfläche auseinanderfließen kann.
Ist die Oberfläche des Substrats zu kalt, hier spielen zumindest Wärmeleitfähigkeiten des Substrats und des geschmolzenen Pulvermaterials, eine Temperaturdifferenz zwischen Pulverpartikel und Substrat, der Wärmeübergang zwischen Substrat und geschmolzenem Pulvermaterial, die Schmelztemperatur des Pulvers sowie eine Wärmekapazität des Pulverpartikelseine Rolle, so erstarrt das geschmolzene
Material des Pulverpartikels zu rasch, so dass ein ausreichendes Auseinanderfließen dieses Materials nicht möglich ist.
Die grundsätzliche Idee der Erfindung besteht darin, durch mindestens einen
Laserstrahl einen gezielten Wärmeeintrag in die Oberfläche des Substrats oder in das auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachte Pulver zu bewirken, so dass eine Erstarrung des aufgeschmolzenen Materials von Pulverpartikeln auf der Oberfläche hinausgezögert wird. Gezielter Wärmeeintrag bedeutet hierbei, dass nur ein, gegebenenfalls räumlich eng begrenzter, definierter Bereich der Oberfläche des Substrats, der zum Aufbau der Struktur beschichtet werden soll, dem Laserstrahl ausgesetzt wird, und dass die Laserbestrahlung auch zeitlich unmittelbar im Umfeld der Beschichtung erfolgt, so dass eine Beschädigung des Substrats durch eine unnötig lange anhaltende Einwirkung des Lasers auf einen Ort des Substrats ebenso vermieden wird wie ein so großer Abfluss der eingebrachten Wärmemenge aus dem definierten Bereich vor der Beschichtung, dass der Wärmeeintrag nicht mehr die gewünschte Wirkung zeigen kann.
Das Aufbringen des Materials für die Struktur auf die Oberfläche des Substrats, auf der die Struktur durch Beschichtung der Oberfläche aufgebaut werden soll, erfolgt durch einen Plasmajet, dem das Material als Pulver zugesetzt wird. Bei diesem Plasmajet handelt es sich um einen Niedertemperatur-Plasmajet. Die Zuführung des Pulvers zu dem Plasma des Plasmajets kann durch jede dem Fachmann für
Plasmaspritzverfahren bekannte Art erfolgen. Das Pulver kann dem Plasma auch bereits zugeführt werden, ehe der Plasmajet ausgebildet wird; auch eine Zuführung des Pulvers zu dem Gas, aus dem das Plasma erzeugt wird, ist denkbar.Zum
Aufbringen des Pulvers auf die Oberfläche des Substrats werden der
Niedertemperatur-Plasmajet und das Substrat relativ zueinander bewegt, so dass zumindest der definierte Bereich der Oberfläche des Substrats, in welchem die Struktur aufgebaut werden soll, mit dem Pulver beaufschlagt wird.
Zur Erzielungeines gezielten Wärmeeintrags in dendefinierten, zu beschichtenden Bereich der Oberfläche des Substrats, also des definierten Bereichs, auf dem die Struktur aufgebaut werden soll, wird, wie bereits gesagt, mindestens ein Laserstrahl verwendet, der auf das Substrat gerichtet wird. Hierdurch ergibt sich ein Laserauftreffbereich des mindestens einen Laserstrahls auf dem Substrat; dabei kann das Substrat auch bereits mit Pulver beaufschlagt sein, wobei der Laserstrahl dann primär auf das auf dem Substrat befindliche Pulver trifft.Der Niedertemperatur- Plasmajet trifft in einem Plasmaauftreffbereich auf das Substrat. Zu jedem
gegebenen Zeitpunkt ist der Laserauftreffbereich auf dem Substrat derjenige Bereich des Substrats oder des auf dem Substrat aufgebrachten Pulvers, der zu diesem Zeitpunkt mit Laserstrahlung beaufschlagt wird. Ein Ort des Substrats oder des auf dem Substrat aufgebrachten Pulvers, der zu dem gegebenen Zeitpunkt nicht mit Laserlicht beaufschlagt wird, gehört nicht zum Laserauftreffbereich. Eine analoge Definition gilt für den Plasmaauftreffbereich. Der mindestens eine Laserstrahl wird dabei so auf das Substrat gerichtet, dass zwischen dem Laserauftreffbereich und dem Plasmaauftreffbereich eine definierte Relativposition gegeben ist. Der
Laserauftreffbereich liegt stets innerhalb des definierten, zu beschichtenden Bereichs und wird über diesen bewegt. Das Ausmaß des Wärmeeintrags innerhalb des
Laserauftreffbereichs kann beispielsweise über die Leistung des Laserstrahls und die Geschwindigkeit, mit der der Laser über die Substratoberfläche geführt wird, beeinflusst werden.
Außerhalb des definierten Bereichs, also dort, wo kein Wärmeeintrag durch den Laser stattgefunden hat, kann sich aus den oben genannten Gründen keine ausreichende Haftung zwischen der Oberfläche des Substrats und den dort durch den Plasmajet aufgebrachten Pulverpartikeln ausbilden, so dass diese Pulverpartikel, die außerhalb des definierten Bereichs liegen, leicht von der Oberfläche entfernt werden können. Auf diese Weise können, auch ohne die Verwendung von Masken, Strukturen geringer typischer Größenskalen, durchaus bis hinab zu 50 Mikrometern erzeugt werden. Ein Beispiel für eine typische Größenskala ist die Breite einer als Linie aufgebrachten Beschichtung. Aufgrund der Ausbildung einer ausreichenden Haftung lediglich innerhalb des definierten Bereichs ergeben sich auch deutlicher ausgeprägte Kanten dieser Linien; die Linien weisen nämlich einen rechteckigen Querschnitt auf, im Gegensatz zum gaussähnlichen Linienprofil, welches bei dem oben genannten PlasmaDust-Verfahren entsteht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die definierte Relativposition zwischen dem Laserauftreffbereich und dem Plasmaauftreffbereich derart, dass der Laserauftreffbereich außerhalb des Plasmaauftreffbereichs liegt und noch nicht mit Pulver beaufschlagt ist. In dieser Ausführungsform treffen die Pulverpartikel in angeschmolzenem oder aufgeschmolzenem Zustand auf die Oberfläche des
Substrats. Innerhalb des definierten, zu beschichtenden Bereichs der Oberfläche erfolgte ein Wärmeeintrag durch den Laserstrahl, was eine Temperaturerhöhung des Substrats innerhalb des definierten Bereichs bewirkt, so dass eine
Temperaturdifferenz zwischen den Pulverpartikeln und dem Substrat innerhalb des definierten Bereichs vermindert wird. Dadurch reduziert sich der Wärmeabfluss vonden Pulverpartikeln auf das Substrat, und das Erstarren von geschmolzenem Material der Pulverpartikel wird gegenüber außerhalb des definierten Bereichs aufgebrachten Pulverpartikeln verzögert. Voraussetzung für das Verfahren in dieser Ausführungsform ist offenbar, dass das Substrat das Laserlicht in einem Maße absorbiert, das ausreicht, den erforderlichen Wärmeeintrag in das Substrat zu erzielen. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird der mindestens eine Laserstrahl so geführt, dass er den Niedertemperatur-Plasmajet nicht durchquert. Die
Absorptionseigenschaften der Pulverpartikel für das Laserlicht sind in dieser
Ausprägung des Verfahrens unerheblich.
In einer anderen Weiterbildung der vorstehend diskutierten Ausführungsform wird der mindestens eine Laserstrahl so geführt, dass er den Niedertemperatur-Plasmajet durchquert. Deshalb kann in dieser Ausprägung des Verfahrensein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Laserstrahl im Plasmajet durchquerende Pulverpartikel erfolgen, soweit diese Pulverpartikel in der Lage sind, das Laserlicht zu absorbieren. Der zusätzliche Wärmeeintrag in die Pulverpartikel trägt zu einer Verzögerung des Erstarrens des geschmolzenen Materials dieser Pulverpartikel nach ihrem Auftreffen auf den definierten Bereich der Oberfläche des Substrats bei.
In einer weiteren Ausführungsform überschneidet sich der Laserauftreffbereich mit dem Plasmaauftreffbereich. Je nach Ausprägung liegt der Laserauftreffbereich dabei ganz oder teilweise innerhalb des Plasmaauftreffbereichs. Daher trifft in dieser Ausführungsform zumindest ein Teil der Laserstrahlung innerhalb des
Laserauftreffbereichs auf bereits auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachtes Pulver. Für diese Ausführungsform ist Voraussetzung, dass die Pulverpartikel das Laserlicht absorbieren, und das Verfahren kann auch dann angewandt werden, wenn das Substrat selbst für das verwendete Laserlicht so weitgehend transparent ist, dass ein hinreichender Wärmeeintrag in einen definierten Bereich der Oberfläche des Substrats durch direkte Absorption von Laserlicht durch das Substrat nicht möglich ist. Das Pulver innerhalb des Laserauftreffbereichs absorbiert die
Laserstrahlung. Der dadurch bewirkte Wärmeeintrag in einen Pulverpartikel wirkt dem Wärmeabfluss vom Pulverpartikel an das Substrat entgegen. Somit wird auch in dieser Ausführungsform das Erstarren von geschmolzenem Material des
Pulverpartikels gegenüber einem außerhalb des definierten Bereichs aufgebrachten Pulverpartikel verzögert.
Ist die relative Lage des Laserauftreffbereiches und des Plasmaauftreffbereiches derart, dass der Laserauftreffbereich teils innerhalb, teils außerhalb des
Plasmaauftreffbereiches liegt, wobei ferner der außerhalb des
Plasmaauftreffbereichs liegende Teil des Laserauftreffbereichs noch nicht mit Pulver beaufschlagt ist, so ergibt sich eine Wirkung, die als Kombination der Wirkungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen angesehen werden kann. Einerseits wird durch die Einwirkung des Laserstrahls auf das Substrat selbst eine
Temperaturdifferenz zwischen Pulverpartikeln und definiertem, zu beschichtendem Bereich vermindert, andererseits wird durch den auf bereits auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachte Pulverpartikel treffenden Teil des Laserstrahls dem
Wärmeabfluss von diesen Pulverpartikeln auf das Substrat entgegengewirkt.
Denkbar wäre ferner eine Verwendung von mindestens zwei Laserstrahlen, von denen mindestens einer einen Teil des Laserauftreffbereichs bildet, der gänzlich außerhalb des Plasmaauftreffbereichs liegt, und von denen mindestens einer einen Teil des Laserauftreffbereichs bildet, der gänzlich innerhalb des
Plasmaauftreffbereichs liegt. In diesem Fall ist der Laserauftreffbereich also nicht zusammenhängend.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Durchmesser des
Laserauftreffbereichs kleiner als ein Durchmesser des Plasmaauftreffbereichs. Da sich Laserstrahlen auf Bereiche kleineren Durchmessers fokussieren lassen als dies bei Plasmajets möglich ist, ist es mit dieser Ausführungsform des Verfahrens möglich, Strukturen mit typischen Größenskalen, z.B. Linien mit einer Breite, deutlich unterhalb der Größenskalen bzw. Breite zu erzeugen, welche mit einem Plasmajet ohne Maske erzeugt werden können. Mit dieser Ausführungsform des Verfahrens lassen sich durchaus Linienbreiten bis hinab zu 50 Mikrometern erzeugen, während mit dem Plasmajet alleine, ohne Masken, kaum Linienbreiten unter 1 Millimeter möglich sind.
Wie oben gesagt, lässt sich ein Laserstrahl auf einen Bereich kleineren
Durchmessers fokussieren als ein Plasmajet. Daher wird beim Aufbauvon Strukturen mit entsprechend kleinen Abmessungen, beispielsweise von Linien mit einer Breite kleiner als der Durchmesser des Plasmaauftreffbereichs, durch den Plasmajet zunächst auch Pulver auf Bereiche des Substrats aufgebracht, welche außerhalb des definierten, zu beschichtenden Bereichs liegen, und somit außerhalb der durch die Zusammenwirkung von Laserstrahl und Plasmajet auf dem Substrat aufgebauten Struktur. Nach den einleitenden Ausführungen zur Ausbildung der Haftung der Pulverpartikel auf dem Substrat ergibt sich, dass die außerhalb der Struktur abgeschiedenen Partikel allenfalls schwach an dem Substrat haften. Solche Partikel können leicht von der Oberfläche des Substrats entfernt, z.B. abgeblasen, werden, so dass nur die auf dem Substrat aufgebaute Struktur verbleibt. Mitunter werden die außerhalb des definierten, zu beschichtenden Bereichs aufgebrachten Partikel, welche rasch erstarren, auch bereits durch die Gasströmung des Plasmajets selbst weggefegt.
Das Verfahren ist nicht etwa auf planare Substrate beschränkt, sondern kann auf beliebig gestaltete Substrate angewandt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbau mindestens einer Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats weist einen Bearbeitungskopf auf, der über eine Düse zur Formung eines Niedertemperatur-Plasmajets verfügt. Zur Erzeugung des
Niedertemperatur-Plasmas kann ein bekannter Plasmaerzeuger dienen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Pulverzuführung, mit der das Pulver, aus dem die Struktur aufgebaut werden soll, dem Plasmajet selbst oder dem Plasma, aus welcher der Plasmajet erst gebildet werden soll, oder dem Gas, aus welchem das Plasma generiert werden soll, zuführbar ist. Dem Bearbeitungskopf ist erfindungsgemäß mindestens ein Laser-Emitter zugeordnet. Die Zuordnung ist dabei derart, dass ein Laserstrahl vom Laser-Emitter so auf das Substrat richtbar ist, dass eine definierte Relativposition zwischen einem Laserauftreffbereich des Laserstrahls auf dem Substrat und einem Plasmaauftreffbereich des Niedertemperatur-Plasmajets auf dem Substrat erzielbar ist. Beispielsweise kann der Laser-Emitter so am
Bearbeitungskopf montiert sein, dass der Laserstrahl in einem definierten Winkel zur Mittelachse des Plasmajets emittiert wird, woraus sich eine definierte Relativposition zwischen dem Laserauftreffbereich und dem Plasmaauftreffbereich ergibt.
In einer Ausführungsform ist der Laser-Emitter ein am Bearbeitungskopf
angebrachter Laser. Der Laser kann beispielsweise ein Halbleiterlaser sein.
Alternativ kann das Laserlicht für mindestens einen Laserstrahl durch wenigstens einen Lichtleiter zum Bearbeitungskopf geführt und dort aus dem wenigstens einen Lichtleiter ausgekoppelt werden. Hierbei ist der Laser-Emitter ein am
Bearbeitungskopf gehaltertes Ende des Lichtleiters, in Ausprägungen ergänzt durch eine Auskoppeloptik, um das Laserlicht aus dem Lichtleiter auszukoppeln.
Diese Ausführungsformen der Vorrichtung haben den Vorteil, dass durch die
Montage des Lasers bzw. eines Endes des Lichtleiters, gegebenenfalls einschließlich einer Auskoppeloptik, am Bearbeitungskopf eine feste geometrische Beziehung zwischen dem Plasmajet und dem wenigstens einen Laserstrahl einstellbar ist, so dass sich ebenso auf einfache Weise eine definierte Relativposition zwischen dem Laserauftreffbereich und dem Plasmaauftreffbereich einstellen lässt. Der Laser-Emitter kann auch verstellbar an dem Bearbeitungskopf montiert sein. Die Verstellung kann manuell durch eine Bedienperson vorgenommen werden, oder über Aktuatoren in Folge von Steuersignalen, welche durch einen Benutzer der
Vorrichtung oder durch ein Regelsystem erzeugt werden können; dies kann auch während des Aufbaus einer Struktur auf einem Substrat möglich sein. In einer anderen Ausführungsform ist mindestens ein beweglicher Reflektor vorgesehen, um den Laserstrahl über das Substrat zu führen. Der mindestens eine bewegliche Reflektor ist dabeiderart steuerbar, dass der Laserauftreffbereich die gewünschte Bahn auf dem Substrat, innerhalb des definierten, zu beschichtenden Bereiches, beschreibt. In einer derartigen Ausführungsform ist eine feste
geometrische Beziehung zwischen dem Plasmajet und dem mindestens einen
Laserstrahl nicht zwingend, diese geometrische Beziehung ist durch Steuerung des mindestens einen Reflektors veränderbar. Es ist auch denkbar, dass wenigstens ein steuerbarer, beweglicher Reflektor für das Laserlicht am Bearbeitungskopf selbst angebracht ist.
Unter geometrischer Beziehung zwischen dem Plasmajet und dem mindestens einen Laserstrahl kann beispielsweise ein Winkel zwischen dem mindestens einen
Laserstrahl und dem Plasmajet verstanden werden, allgemeiner der relative Verlauf des Plasmajets und des mindestens einen Laserstrahls, aus dem sich auch die Relativposition zwischen dem Plasmaauftreffbereich auf der Oberfläche des
Substrats und dem Laserauftreffbereich auf der Oberfläche des Substrats bestimmt. Je nach Ausführungsform des Verfahrens und abhängig beispielsweise von Pulver und Substrat, beispielsweise Material oder Form des Substrats, oder von anderen Parametern kann diese Relativposition adaptiert werden.
Die Vorrichtung kann ferner eine Einrichtung umfassen, mit der eine
Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Bearbeitungskopf erzeugbar ist. So kann ein Roboterarm vorgesehen sein, um den Bearbeitungskopf relativ zum Substrat zu bewegen, alternativ kann beispielsweise auch ein Portalroboter verwendet werden. Ebenso ist es möglich, das Substrat auf einem beweglichen Tisch zu platzieren oder von einem Roboter relativ zum Plasmajet bewegen zu lassen.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet, das
erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen mit
zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens, bei der der Laserstrahl vor dem Plasmajet geführt wird.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Oberfläche eines Substrats, welche der
Ausführungsform der Figur 1 entspricht.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens, bei der der Laserstrahl durch den Plasmajet hindurch verläuft. Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Verfahrens, bei der der Laserstrahl in den Plasmajet gerichtet wird.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht ähnlich der Figur 2, jedoch für die Ausführungsform der Figur 4. Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbau einer Struktur 2 auf einem Substrat 100. Einem Niedertemperatur-Plasmajet 10 wird ein Pulver 20 zugesetzt, welches durch den Plasmajet 10 auf einer
Oberfläche 1 des Substrats 100 abgeschieden wird. Das Pulver 20 wird hier durch eine nur schematisch gezeigte Pulverzuführung 21 dem Plasmajet 10 zugeführt. Der Plasmajet 10 entströmt einem Bearbeitungskopf 1 1 , welcher mit einem hier nicht gezeigten Plasmaerzeuger in Verbindung steht. Ein Laserstrahl 30, hier erzeugt von einem Laser 31 , wird auf die Oberfläche 1 des Substrats gerichtet, und definiert dort einen Laserauftreffbereich 35 (siehe Figur 2) in einem Bereich, der noch nicht durch den Plasmajet 10 mit Pulver 20 beaufschlagt worden ist. Die Anordnung aus
Bearbeitungskopf 1 1 , Laser 31 , und Pulverzuführung 21 wird in Richtung des Pfeils 50 relativ zur Oberfläche 1 des Substrats 100 geführt. Damit werden auch Plasmajet 10 und Laserstrahl 20 in Richtung des Pfeils 50 relativ zur Oberfläche 1 des
Substrats 100 geführt.
In dieser und den folgenden Darstellungen wird das Pulver 20 dem Plasmajet 10 außerhalb des Bearbeitungskopfes 1 1 zugeführt. Dies stellt jedoch keine
Einschränkung der Erfindung dar. Das Pulver 20 kann dem letztlich den Plasmajet 10 bildenden Plasma auf jede dem Fachmann für Niedertemperatur- Plasmaspritzverfahren bekannte Weise zugeführt werden. Ebensowenig ist es eine Einschränkung der Erfindung, dass der Laserstrahl 30 direkt durch den Laser 31 auf das Substrat 100 gerichtet und der Laser 31 relativ zur Oberfläche 1 bewegt wird. Für das Verfahren ist das Auftreffen des Laserstrahls 30 auf dem Substrat 100 und die Bewegung des Laserstrahls 30 relativ zur Oberfläche 1 relevant, unabhängig davon,wo der Laserstrahl 30 erzeugt und wie er letztlich auf das Substrat 100 gerichtet wird. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Oberfläche 1 eines Substrats 100; die
Draufsicht entspricht einer Ausführungsform des Verfahrens, wie sie in Figur 1 gezeigt ist. Dargestellt ist der Laserauftreffbereich 35, also der Bereich, in dem der Laserstrahl 30 (siehe Figur 1 ) auf das Substrat 100 trifft; die gezeigte kreisförmige Form des Laserauftreffbereichs 35 stellt keine Einschränkung der Erfindung dar.Gezeigt ist ferner ein Teil eines definierten, zu beschichtenden Bereichs 37. Der Laserauftreffbereich 35 wird in Richtung des Pfeils 50 über den definierten Bereich 37 geführt und bewirkt dort einen Wärmeeintrag in das Substrat 100. Dadurch hinterlässt der Laserauftreffbereich 35 bei Bewegung in Richtung des Pfeils 50 einen vorgewärmten Bereich 36 auf der Oberfläche 1 des Substrats 100, welcher noch nicht mit Pulver 20 (siehe Figur 1 ) beaufschlagt ist. Der in Figur 1 gezeigte Plasmajet 10 trifft in einem hier kreisförmig dargestellten Plasmaauftreffbereich 15 auf die Oberfläche 1 des Substrats 100; diese Kreisform ist jedoch keine Einschränkung der Erfindung. Laserauftreffbereich 35 und Plasmaauftreffbereich 15 weisen eine definierte Relativposition R zueinander auf. Zwischen dem Plasmaauftreffbereich 15 und dem Laserauftreffbereich 35 liegt der vorgewärmte, noch nicht mit Pulver 20 beaufschlagte, Bereich 36. Wird der Plasmajet 10, und damit auch der
Plasmaauftreffbereich 15, in Richtung des Pfeiles 50 über die Oberfläche 1 bewegt, so wird entlang einer Spur S des Plasmaauftreffbereichs 15 auf der Oberfläche 1 Pulver 20 abgeschieden; der Plasmaauftreffbereich 15 überstreicht bei dieser Bewegung auch den jeweils vorgewärmten Bereich 36, da der Plasmajet 10 dem Laserstrahl 30 nachgeführt wird, was bewirkt, dass der Plasmaauftreffbereich 15 dem Laserauftreffbereich 35 folgt. Nach den eingangs gemachten Erläuterungen kann sich zwischen dem in den vorgewärmten Bereich 36 abgeschiedenen Pulver 20 und der Oberfläche 1 des Substrats 100 eine gute Haftung ausbilden, da durch die Vorwärmung des Bereichs 36 unter anderem eine Temperaturdifferenz zwischen den Pulverpartikeln im Plasmajet 10 und dem vorgewärmten Bereich 36 verringert ist. Auf diese Weise wird schließlich auf der Oberfläche 1 des Substrats 100 die Struktur 2, hier in Form einer Linie mit einer Breite 3, aufgebaut. In Bereichen 16 außerhalb des vorgewärmten Bereichs 36 ist eine solche
Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen den Pulverpartikeln im Plasmajet 10 und dem jeweiligen Bereich 16 nicht gegeben, so dass sich in den Bereichen 16 keine gute Haftung der Pulverpartikel auf dem Substrat 100 ausbildet. Das abgeschiedene Pulver 20 kann einfach von diesen Bereichen 16 mit bekannten Verfahren entfernt werden.
Wie eingangs bereits erwähnt, sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
Linienbreiten 3 möglich, die deutlich kleiner sind als die mit einem Niedertemperatur- Plasmajet allein, also ohne Verwendung eines Laserstrahls, erzielbaren
Linienbreiten. Dies liegt daran, dass eine Fokussierung des Laserstrahls 30 auf entsprechende, kleinere Durchmesser, welche in etwa der gewünschten Linienbreite 3 entsprechen, einfacher möglich ist als eine entsprechende Fokussierung des Plasmajets 10. Dementsprechend ist in der Figur 2 ein Durchmesser DP des
Plasmaauftreffbereichs 15 größer dargestellt als ein Durchmesser DL des
Laserauftreffbereichs 35.
Figur 3 entspricht weitgehend der Figur 1 . In der in Figur 3 gezeigten
Ausführungsform wird der Laserstrahl 30 jedoch durch den Plasmajet 10 hindurch auf die Oberfläche 1 des Substrats 100 gerichtet. Der Laserstrahl 30 trifft dabei außerhalb des Plasmajets 10 auf die Oberfläche 1 des Substrats 100. In einer
Draufsicht ergäbe sich ein Bild wie in der Figur 2. Auch in der in Figur 3 dargestellten Ausprägung des Verfahrens liegt ein vom Laserstrahl 30 auf dem Substrat 100 definierter Laserauftreffbereich 35 in Bewegungsrichtung 50 gesehen vor dem Plasmaauftreffbereich 15, so dass auch in dieser Ausprägung der Plasmajet 10 dem Laserauftreffbereich 35 nachgeführt wird. Neben einem Wärmeeintragin einen Bereich des Substrats 100 kann der Laserstrahl 30 hier auch Pulverpartikel erwärmen, welche den Laserstrahl 30 innerhalb des Plasmajets 10 durchqueren. Diese zusätzliche Erwärmung der Pulverpartikel führt zu einer Verzögerung des Erstarrens der Pulverpartikel nach ihrem Auftreffen auf das Substrat 100, wie weiter oben bereits dargelegt.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Verfahrens, das der in Figur 1 dargestellten ähnlich ist. Die überwiegende Zahl der dargestellten Elemente wurde bereits im Zusammenhang mit Figur 1 diskutiert. Plasmajet 10 und Laserstrahl 30 wurden gegenüber Figur 1 größer dargestellt, aus Gründen der Übersichtlichkeit. Gezeigt ist in der Figur 4 ferner ein Dichteprofil 22 des Pulvers 20 im Plasmajet 10 und der durch das Dichteprofil 22 bestimmte Plasmaauftreffbereich 15. Der
Laserstrahl 30 wird in dieser Ausführungsform auf einen Bereich der Oberfläche 1 des Substrats 100 gerichtet, der bereits mit Pulver 20 beaufschlagt ist. Genauer wird der Laserstrahl 30 so in den Plasmajet 10 gerichtet, dass er auf eine, in Richtung 50 einer Relativbewegung des Plasmajets 10 zur Oberfläche 1 gesehen, vordere Flanke 22F des Dichteprofils 22 trifft. Dadurch wird eine in dieser vorderen Flanke 22F bereits auf dem Substrat 100 abgeschiedene dünne Pulverschicht 2d mit
Laserstrahlung beaufschlagt.Dies führt zu einem Wärmeeintrag in die in der dünnen Pulverschicht 2d befindlichen Pulverpartikel. Dieser Wärmeeintrag wirkt dem
Wärmeabfluss von diesen Pulverpartikeln an da Substrat 100 entgegen, und zögert so ein Erstarren des geschmolzenen Materials der Pulverpartikel hinaus, wie eingangs erläutert, so dass letztlich die auf der Oberfläche 1 des Substrats 100 gut haftende Struktur 2 aufgebaut wird.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche 1 des Substrats 100, wie sie einer in Figur 4 gezeigten Ausführungsform des Verfahrens entspricht. Alle gezeigten
Elemente wurden bereits in Figur 2 erläutert, welche eine entsprechend Darstellung für eine in Figur 1 gezeigte Ausführungsform des Verfahrens ist. Im Unterschied zu Figur 2 liegt in der Figur 5 der Laserauftreffbereich 35 innerhalb des
Plasmaauftreffbereichs 15. Ein vorgewärmter Bereich 36 wie in Figur 2 liegt hier nicht vor, da der Wärmeeintrag im Laserauftreffbereich 35 in auf der Oberfläche 1 bereits abgeschiedenes Pulver erfolgt, wie in Figur 4 gezeigt. Voraussetzung für die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsform ist, dass das Pulver 20 in der Lage ist, das Laserlicht ausreichend zu absorbieren. Hingegen kann das Substrat 100 in dieser Ausführungsform für das Laserlicht transparent sein.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Ein Bearbeitungskopf 1 1 weist eine Düse 12 zur Formung eines Plasmajets aus einem Plasma auf. Zur Erzeugung des Plasmas kann ein dem Fachmann bekannter Plasmaerzeuger verwendet werden. Am Bearbeitungskopf 1 1 ist ein Laser 31 angebracht. Durch einen Aktuator 32 ist der Laser 31 verstellbar, so dass sich insbesondere die oben diskutierte Relativposition R zwischen Plasmaauftreffbereich 15 und Laserauftreffbereich 35 einstellen lässt. Bei dem Laser kann es sich um einen Halbleiterlaser handeln.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Einige der gezeigten Elemente wurden bereits in Zusammenhang mit Figur 6 diskutiert. Ein Ende 33e eines Lichtleiters 33 ist in einer Halterung 33h am
Bearbeitungskopf 1 1 angebracht. Durch einen Aktuator 32 ist die Halterung 33h verstellbar, so dass sich insbesondere die oben diskutierte Relativposition R zwischen Plasmaauftreffbereich 15 und Laserauftreffbereich 35 einstellen lässt. In dieser Ausführungsform ist ferner eine Auskoppeloptik 34 zur Auskoppelung von Laserlicht aus dem Lichtleiter 33 vorgesehen. Die Auskoppeloptik 34 ist in dieser Ausführungsform am Bearbeitungskopf 1 1 gehaltert. Das Laserlicht wird von einem Laser 31 in dem Fachmann bekannter Weise in den Lichtleiter 33 eingespeist. Bei dem Laser kann es sich um einen Halbleiterlaser handeln.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Aufbau wenigstens einer Struktur (2) aus einem Pulver (20) auf einer Oberfläche (1 ) eines Substrats (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Aufbringen des Pulvers (20) auf die Oberfläche (1 ) des Substrats (100) durch einen Niedertemperatur-Plasmajet (10) während einer Relativbewegung zwischen dem Niedertemperatur-Plasmajet (10) und dem Substrat(100); b) Richten wenigstens eines Laserstrahls (30) auf das Substrat (100), wobei eine definierte Relativposition (R) zwischen einem Laserauftreffbereich (35) des mindestens einen Laserstrahls (30) auf dem Substrat (100) und einem Plasmaauftreffbereich (15) des Niedertemperatur-Plasmajets (10) auf dem Substrat (100) gegeben ist; c) Bewirken eines Wärmeeintrags in das Substrat (100) und / oder das Pulver (20) durch den mindestens einen Laserstrahl (30) im Laserauftreffbereich (35).
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die definierte Relativposition (R) zwischen dem Laserauftreffbereich (35) und Plasmaauftreffbereich (15) derart ist, dass der Laserauftreffbereich (35) außerhalb des Plasmaauftreffbereichs (15) liegt und noch nicht mit Pulver (20) beaufschlagt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Laserstrahl (30) derart geführt wird, dass er den Niedertemperatur-Plasmajet (10) nicht durchquert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Laserstrahl (30) derart geführt wird, dass er den Niedertemperatur-Plasmajet (10) durchquert.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei sich der Laserauftreffbereich (35) mit dem Plasmaauftreffbereich (15) überschneidet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Laserauftreffbereich (35) vollständig innerhalb des Plasmaauftreffbereichs (15) liegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
Durchmesser (DL) des Laserauftreffbereichs (35) kleiner ist als ein
Durchmesser (DP) des Plasmaauftreffbereichs (15).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Pulver (20), das außerhalb der durch die Zusammenwirkung des Niedertemperatur-Plasmajets (10) und des mindestens einen Laserstrahls (30) gebildeten wenigstens einen Struktur (2) durch den Niedertemperatur-Plasmajet (10) auf die Oberfläche (1 ) des Substrats (100) aufgebracht worden ist, wieder von der Oberfläche (1 ) des Substrats (100) entfernt wird.
Vorrichtung (300) zum Aufbau wenigstens einer Struktur (2) auf einer
Oberfläche (1 ) eines Substrats (100), umfassend: einen Bearbeitungskopf (1 1 ) mit einer Düse (12) zur Formung eines
Niedertemperatur-Plasmajets (10); eine Pulverzuführung (21 ) zur Zuführung eines Pulvers (20) in
denNiedertemperatur-Plasmajet (10) oder in das Plasma zur Bildung des Niedertemperatur-Plasmajets (10); gekennzeichnet durch mindestens einen Laser-Emitter (31 , 33e), welcher derart dem
Bearbeitungskopf (1 1 ) zugeordnet ist, dass ein Laserstrahl (30) derart auf das Substrat (100) richtbar ist, dass eine definierte Relativposition (R) zwischen einem Laserauftreffbereich (35) des Laserstrahls (30) auf dem Substrat (100) und einem Plasmaauftreffbereich (15) des Niedertemperatur-Plasmajets (10) auf dem Substrat (100) gegeben ist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Laser-Emitter ein am Bearbeitungskopf (1 1 ) angebrachter Laser (31 ) ist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Laser-Emitter ein am Bearbeitungskopf (1 1 ) gehaltenes Ende (33e) eines Lichtleiters (33) ist.
2. Vorrichtung (300) nach Anspruch 1 1 , wobei eine Auskoppeloptik (34) für in dem Lichtleiter (33) geführtes Laserlicht vorgesehen ist.
3. Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Laser- Emitter (31 , 33e) verstellbar am Bearbeitungskopf (1 1 ) angebracht ist.
4. Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei mindestens ein beweglicher Reflektor vorgesehen ist, um den Laserstrahl (30) über die Oberfläche (1 ) des Substrats (100) zu führen.
5. Vorrichtung (300) nach Anspruch 14, wobei mindestens ein Reflektor am
Laser-Emitter (31 , 33e) oder am Bearbeitungskopf (1 1 ) angebracht ist.
6. Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei eine Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Substrat (100) und dem Bearbeitungskopf (1 1 ) vorgesehen ist.
EP14724502.1A 2013-04-12 2014-04-04 Verfahren und vorrichtung zum aufbau einer struktur auf einem substrat Withdrawn EP2984202A1 (de)

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DE102013103693.7A DE102013103693A1 (de) 2013-04-12 2013-04-12 Verfahren und Vorrichtung zum Aufbau einer Struktur auf einem Substrat
PCT/IB2014/060422 WO2014167468A1 (de) 2013-04-12 2014-04-04 Verfahren und vorrichtung zum aufbau einer struktur auf einem substrat

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