EP3600704A1 - Vorrichtung und verfahren zum entfernen einer schicht von einem substrat - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum entfernen einer schicht von einem substrat

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EP3600704A1
EP3600704A1 EP18718515.2A EP18718515A EP3600704A1 EP 3600704 A1 EP3600704 A1 EP 3600704A1 EP 18718515 A EP18718515 A EP 18718515A EP 3600704 A1 EP3600704 A1 EP 3600704A1
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EP
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plasma torch
high voltage
substrate
plasma
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Withdrawn
Application number
EP18718515.2A
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Nathalie SENINCK
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    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
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    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32091—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being capacitively coupled to the plasma
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder or liquid

Definitions

  • Plasma torch connected.
  • a supply for process gas is over one
  • Plasma torch connected.
  • a supply of process gas is connected via a gas line to an inlet of the plasma torch.
  • Plasma torch formed nozzle exits a plasma jet from the plasma torch.
  • Plasma generating unit is in communication and positioned at the distal end.
  • the plasma outlet is oriented at a downward angle, generally in the direction of the blade edge, the plasma outlet providing a plasma path directed substantially toward the blade edge.
  • the plasma can be on the
  • Be directed coating at an interface between the coating and an underlying substrate Upon impact of the plasma, the blade is moved into contact with the coating at the interface, the blade assisting separation of the coating from the substrate while one or more components of the coating react with energetic species of the plasma.
  • German Utility Model DE 20 2006 0019 461 U1 discloses a device for removing at least one lacquer layer from one
  • Plasma nozzle is housed in a hand-feeding and electrically insulated housing.
  • Arc operated at a high pulse frequency and rastered over a surface of the layer, very easily contiguous surfaces of the substrate (carrier) can be exposed.
  • the pulsed high voltage is designed such that each pulse has a capacitively stored pulse energy of 1 mJ to 100mJ.
  • the stored pulse energy may have 10mJ.
  • the electrically conductive element may be formed as a conductive and wedge-shaped counter electrode in the case of a poorly conductive substrate.
  • the counterelectrode is pushed between the layer to be removed and the substrate in order to effect the electrical breakdown in the layer to be detached.
  • the device according to the invention can be designed as a hand-held device, which together with the possible accessories such. As suction or additional nozzle, are performed on the ablated layer on the substrate can. According to another possible embodiment, several
  • Devices for removing a layer from a substrate are connected to form an arrangement.
  • the individual devices or plasma torches are mechanically interconnected, so that the arrangement can be performed as a unit on the layer to be removed. With the arrangement, it is thus possible that more extensive surface areas of the ablated layer can be processed.
  • the inventive arrangement for example, for the removal of oxides on metals such. As rust used.
  • High voltage source is connected to an electrode inside the plasma torch and to a housing of the plasma torch.
  • Process gas is connected via a gas line to an inlet of the plasma torch.
  • a jet of plasma emerges via a nozzle formed in the plasma torch and strikes a surface of the layer to be ablated.
  • the z. B. may be a substrate for the ablated layer, a pulsed high voltage applied.
  • the pulsed high voltage achieves a breakdown voltage in the region of the conductive element.
  • the pulsed high voltage is a unipolar one Pulse train with a frequency of 10kHz to 1 MHz.
  • the high voltage has a maximum amount of the potential related to the potential of the electrically conductive element of 1 kV to 100 kV.
  • the pulsed high voltage has a
  • thermomechanical pressure wave at the transition and the layer is thereby freed in a well-defined area.
  • an exhaust may be provided between the plasma torch and the layer to be removed.
  • Freed fragments or emissions of the layer are sucked off.
  • An auxiliary nozzle may be used to spray a surface of the layer with a
  • auxiliary fluid can be provided.
  • the auxiliary fluid can abrasive support a removal of the layer.
  • the auxiliary fluid may
  • a surface of the layer can be scanned according to manually or automatically.
  • the inventive method can according to one of the described
  • a conductive auxiliary layer is applied at least to the layer to be removed.
  • an area of 0.01 mm 2 to 1 mm 2 , but typically 0.1 mm 2 , of the layer is removed per high-voltage pulse.
  • FIG. 5A shows an initial situation of a process sequence for removing a porous layer (rust or surface contamination) from a substrate;
  • FIG. 5D shows a final situation of the process sequence during ablation
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention, wherein a conductive auxiliary layer is applied to the layer / substrate system in order to detach the layer by means of thermo-mechanical shock waves;
  • FIG. 7 shows an additional embodiment of the device according to the invention, wherein a blade or a wedge-shaped counterelectrode is introduced and advanced to the point of removal;
  • Figure 8A is a photograph of a distance of 500pm
  • Figure 8B is an enlarged photograph of the area marked "B" in Figure 8A;
  • Figure 9 is a photograph showing a carbon fiber reinforced
  • Plastic shows, from which a 500pm thick lacquer layer was removed without damaging the fibers
  • Figure 10 is a schematic representation of several plasma torches
  • High voltage source 3 is connected.
  • the high voltage source 3 generates a unipolar pulse train 12 of pulses 13, which is applied to an electrode 5 in the interior of a housing 9 of the plasma torch 2. Likewise, the
  • High voltage source 3 connected to a housing 9 of the plasma torch 2.
  • a supply for process gas 4 is connected via a gas line 10 to an inlet 6 of the plasma burner 2. This process gas 4 is passed into the interior of the plasma torch.
  • the conductive substrate 20 (electrically conductive element 11) described in this embodiment is at ground potential.
  • the basic structure of the device described in FIG. 1 is identical to that of FIGS. 2, 3, 4, 6 and 7 and will not be described repetitively for reasons of clarity of the description. Only the differences between the individual embodiments will be described.
  • the plasma torch 2 has a nozzle 7 through which a plasma jet 8 emerges and is directed onto the substrate 20 or onto the surface 23 of the layer 22 to be removed, the substrate 20 carrying the layer 22 to be removed.
  • the voltage applied to the electrode 5 high voltage is chosen such that by means of the exiting plasma jet 8 to an electrically conductive element 1 1 a pulsed high voltage is applied, which reaches a breakdown voltage in a region 29 of the conductive element 1 1. In the case described here
  • High voltage source 3 generate a high voltage swing.
  • High voltage source 3 can now be operated so that in the insulating or poorly conductive layer 22 on the conductive substrate 20 (conductive element 1 1) comes to an electrical breakdown, the pulse-like one Releases energy at the junction 24 from the insulating layer 22 to the conductive substrate 20. For short pulses, a thermo-mechanical pressure wave 27 is released at the transition 24. This causes layer 22 to become in one
  • FIG. 2 shows another possible embodiment of the invention
  • the structure of the device is essentially identical to the structure described in Figure 1 and need not be described in detail here. It is provided with a suction 15, with which the
  • Fragments 25 or emissions of the layer 22 can be sucked out of the well-defined region 29.
  • the fragments 25 or emissions of the layer 22 result from the fact that the electrical breakdown is generated at the transition 24 by the plasma jet 8 impinging on the layer 22, which releases energy in the manner of a pulse.
  • FIG. 3 shows a further possible embodiment of the device 1 according to the invention, wherein in addition to the process gas 4, a solid 14 can also be brought through the inlet 6 into the interior of the plasma burner 2.
  • the mixture of process gas 4 and solid 14 reaches the surface 23 of the layer 22 via the plasma jet 8.
  • the enriched particles of the solid 14 can serve to support the removal of the layer 22.
  • FIG. 4 shows a further possible embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the surface 23 of the layer 22 to be removed is one
  • auxiliary fluid 18 serves to assist the removal, to remove dissolved Fragments of the layer 22 and for applying an auxiliary layer (not shown here).
  • FIGS 5A to 5D show schematically the different stages in the
  • FIG. 5A shows the situation that the layer 22 to be stripped is a porous corrosion and impurity structure which typically has dielectric properties.
  • FIG. 5B shows the situation that the layer 22 to be stripped is a porous corrosion and impurity structure which typically has dielectric properties.
  • FIG. 5C shows the situation that the plasma jet 8 strikes the layer 22, so that an electrical breakdown 30 occurs in the region of the transition 24. The electrical breakdown 30 releases energy at the transition 24 of the layer 22 to the conductive substrate 20 in a pulse-like manner.
  • FIG. 5D shows the result of the application of the plasma jet 8 to the layer 22 of the conductive substrate 20. In a flat region F, the layer 22 is detached from the substrate 20 and the transition 24 is freely accessible.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device 1 according to the invention, wherein a conductive auxiliary layer 28 is applied to the layer / substrate system 21
  • Thermomechanical shock waves 27 are thereby formed in the auxiliary layer 28, which can detach the layer 22 from the substrate 20.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the device 1 according to the invention in which a wedge-shaped counterelectrode 16 is used as the electrically conductive element 11.
  • Plasma torch 2 are connected to the high voltage source 3.
  • the conductive wedge-shaped counter electrode 16 is slid between the layer 22 to be removed and the substrate 20.
  • FIG. 9 shows a photograph of a carbon-fiber-reinforced plastic 40, from which a 500 pm thick lacquer layer has been removed without damaging the plastic 40 or its fibers.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a plurality of plasma torches 2 which are connected together in order to be able to treat larger areas of a layer / substrate system 21.
  • Each of the rigidly connected plasma torch 2 is connected to the high voltage source 3.
  • the process gas 4 can be supplied via a gas line 10.
  • the plasma jet 8 emerging from each plasma torch 2 strikes the layer / substrate system 21.
  • the plurality of plasma torches 2 can be guided over the surface 23 by the layer 22 to be detached from the substrate 20.

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Abstract

Es ist mindestens eine Vorrichtung (1) und mindestens ein Verfahren zum Entfernen einer Schicht (22) von einem Substrat (20) durch Anwendung einer gepulsten Hochspannung offenbart. Hierzu werden mindestens ein bei Atmosphärendruck arbeitender Plasmabrenner (2), eine Hochspannungsquelle (3), und eine Versorgung für Prozessgas (4) benötigt. Über eine Gasleitung (10) ist die Versorgung für Prozessgas (4) mit einem Einlass (6) des Plasmabrenners (2) verbunden. Der Plasmabrenner (2) hat eine Düse (7) ausgebildet, durch die ein Plasmastrahl (8) austritt. Die Hochspannungsquelle (3) ist derart ausgestaltet, dass zwischen dem Plasmabrenner (2) und einem elektrisch leitenden Element (11) eine gepulste Hochspannung anliegt, die eine Durchbruchspannung im Bereich (29) des leitenden Elements (11) erreicht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat. Insbesondere umfasst die Vorrichtung dabei einen bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasmabrenner. Hierzu ist eine Hochspannungsquelle mit einer Elektrode im Innern des Plasmabrenners und mit einem Gehäuse des
Plasmabrenners verbunden. Eine Versorgung für Prozessgas ist über eine
Gasleitung mit einem Einlass des Plasmabrenners verbunden. Der Plasmabrenner hat eine Düse ausgebildet, durch die ein Plasmastrahl austritt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat. Insbesondere wird hierzu mindestens ein bei Atmosphärendruck arbeitender Plasmabrenner vorgesehen. Eine Hochspannungsquelle wird dabei mit einer Elektrode im Innern des Plasmabrenners und mit einem Gehäuse des
Plasmabrenners verbunden. Eine Versorgung für Prozessgas wird über eine Gasleitung mit einem Einlass des Plasmabrenners verbunden. Über eine im
Plasmabrenner ausgebildete Düse tritt ein Plasmastrahl aus dem Plasmabrenner aus.
Das effiziente Abtragen von Schichten, beispielsweise von Lackschichten im Zuge der Instandhaltung und/oder des Korrosionsschutzes, ist ein wichtiger Prozess, der mit einer großen Bandbreite von Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik durchgeführt wird.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass typischerweise dicke Schichten (>1/100mm) immer zunächst mechanisch, beispielsweise durch Schleifen,
Sandstrahlen oder Bürsten, und dann nachgereinigt werden. Dabei entstehen große Mengen an Staub und die Produktoberfläche kann geschädigt werden. Ein anderes gut etabliertes Verfahren ist der Abbrand mit Flamme oder Heißluft. Zwar entsteht so kein Staub, aber, entsprechend der Zusammensetzung der Schicht, eine hohe Emission gesundheitsgefährdender Brandgase. Auch nasschemische Verfahren mit aggressiven Beizen sind bei der Anwendung nicht ungefährlich. Reste der Beize können später zu Bauteil-Korrosion führen und müssen nach dem Prozess vollständig entfernt werden. Moderne Verfahren, wie beispielsweise die Laser- Reinigung oder Trockeneisstrahlen (mit CO2), sind nicht in allen Fällen anwendbar und sind unter Umständen sehr kostenintensiv. Beim Trockeneisstrahlen ist eine kontinuierliche C02-Strahlmittelversorgung erforderlich. Ein Nachteil der
Laserverfahren ist, dass der Abtrag sequentiell und schichtweise von der äußeren zur inneren Schicht erfolgt und die Abtragungsrate hängt sehr stark von den
Absorbtionskoeffizienten der abzutragenden Materialien ab.
Das US-Patent US 8,981 ,251 B2 offenbart eine atmosphärische
Druckplasmaquelle, einen Körper mit einem distalen Ende, eine Klinge, die sich von dem distalen Ende erstreckt und an einer Klingenkante endet, eine
Plasmaerzeugungseinheit und einen Plasmaauslass, der mit der
Plasmaerzeugungseinheit in Verbindung steht und am distalen Ende positioniert ist. Der Plasmaauslass ist in einem Abwärtswinkel, im Allgemeinen in Richtung der Klingenkante, ausgerichtet, wobei der Plasmaauslass einen im Wesentlichen zur Klingenkante gerichteten Plasmapfad bereitstellt. Das Plasma kann auf die
Beschichtung an einer Grenzfläche zwischen der Beschichtung und einem darunterliegenden Substrat gerichtet werden. Beim Auftreffen des Plasmas wird die Klinge in Kontakt mit der Beschichtung an der Grenzfläche bewegt, wobei die Klinge die Trennung der Beschichtung von dem Substrat unterstützt, während eine oder mehrere Komponenten der Beschichtung mit energetischen Spezies des Plasmas reagieren.
Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 0019 461 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Abtragen mindestens einer Lackschicht von einer
Substratoberfläche. Dabei wird ein von einer Mündung austretender Plasmastrahl eines atmosphärischen Plasmas auf die Substratoberfläche gerichtet. Die
Plasmadüse ist dabei in einem von Hand zuführenden und elektrisch isolierten Gehäuse untergebracht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat bereit zu stellen, mit der der Schichtabtrag besonders effizient, material- und umweltschonend durchführbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die die
Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat bereit zu stellen, mit dem der Schichtabtrag besonders effizient, material- und umweltschonend durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 1 umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht auf einem Substrat umfasst mindestens eine bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasmabrenner. Eine Hochspannungsquelle ist mit einer Elektrode im Innern des Plasmabrenners und einem Gehäuse des Plasmabrenners verbunden. Eine Versorgung für Prozessgas ist über eine Gasleitung mit einem Einlass des Plasmabrenners verbunden. Im Plasmabrenner ist eine Düse ausgebildet, durch die ein Plasmastrahl austritt. Die Hochspannungsquelle ist derart ausgestaltet, dass zwischen dem Plasmabrenner und einem elektrisch leitenden Element eine gepulste Hochspannung anliegt. Die gepulste Hochspannung ist derart bemessen, dass eine Durchbruchspannung im Bereich des leitenden Elements erreicht wird.
Um eine Schicht von einer Oberfläche eines Substrats effektiv abzutragen, ist prinzipiell der beste Angriffspunkt der Übergang zwischen der abzulösenden Schicht und dem Substrat. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass es mit ihr gelingt, die Leistung des Plasmabrenners genau auf diesen Übergang (innere Oberfläche) zu„fokussieren". Hier ist die Effizienz des Prozesses für die Abtragung der Schicht am höchsten. Ein weiterer Vorteil ist, dass es nicht erforderlich ist die gesamte Schichtdicke der abzulösenden Schicht schrittweise abzutragen. Das Interface wird so stark gestresst, dass sich die Schicht von der Oberfläche des Substrats am Interface von der abzulösenden Schicht ablöst. Der bei Atmosphärendruck arbeitende Plasmabrenner, bei dem die
Hochspannungsquelle einen hohen Spannungshub erzeugen kann, kann
erfindungsgemäß nun so betrieben werden, dass es in einer isolierenden oder schlecht leitenden Schicht auf einem leitfähigen Material zu einem elektrischen Durchbruch kommt. Dadurch wird pulsartig eine hohe Energie am Übergang von der isolierenden Schicht zum leitfähigen Substrat (Träger) freigesetzt. Bei kurzen Pulsen wird eine thermomechanische Druckwelle am Interface freigesetzt und die Schicht wird in einem wohldefinierten Bereich freigesprengt. Energetisch betrachtet ist zum Zeitpunkt des elektrischen Durchbruchs und dem Anschwellen des Stromes die Potentialdifferenz über die isolierende Schicht am höchsten und es kommt hier zur höchsten Leistungsabgabe. Wird der Plasmastrahl (Plasmaflamme oder
Lichtbogen) mit einer hohen Pulsfrequenz betrieben und über eine Oberfläche der Schicht gerastert, können sehr leicht zusammenhängende Flächen des Substrats (Trägers) freigelegt werden.
Die gepulste Hochspannung ist eine unipolare Pulsfolge mit einer Frequenz von 10kHz bis 1 MHz. Bevorzugt wird eine Pulsfolge mit einer Frequenz von 100kHz. Die elektrische Durchbruchspannung soll in der Schicht erreicht werden.
Die Hochspannung hat einen Maximalbetrag des Potenzials bezogen auf das Potential des elektrisch leitenden Elements bzw. des Substrats von 1 kV bis 100kV. Bevorzugt wird ein Maximalbetrag der Hochspannung von 10 kV gewählt. In einer Ausführungsform weist die gepulste Hochspannung eine Flankensteilheit von > 106V/s auf.
Die gepulste Hochspannung ist derart gestaltet, dass jeder Puls eine kapazitiv gespeicherte Pulsenergie von 1 mJ bis 100mJ aufweist. Bevorzugt kann die gespeicherte Pulsenergie 10mJ aufweisen.
Das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Prozessgas kann aus Luft, Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Wasserstoff oder einem Gemisch der voranstehend aufgeführten Gase gebildet werden.
Ebenso kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, eine
Versorgung mit einem Feststoff pulver vorgesehen sein. Das Feststoff pulver kann über die Gasleitung dem Einlass des Plasmabrenners zugeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Einlass des Plasmabrenners zur Einspeisung eines Prozessgases oder des Prozessgases mit dem Feststoffpulver, welches letztendlich auf die Oberfläche der Schicht trifft, derart gestaltet, dass der Einlass bevorzugt so ausgeformt ist, dass der Gasströmung in einem zirkulären Wirbel in der Achse des Plasmabrenners aufgeprägt wird. Das elektrisch leitende Element des Schicht-/Substratsystems kann ein elektrisch leitfähiges Substrat, eine keilförmige und leitfähige Gegenelektrode oder eine leitfähige Hilfsschicht sein.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann eine Absaugung zwischen dem Plasmabrenner und der zu entfernenden Schicht vorgesehen sein. Mit Absaugung kann sichergestellt werden, dass Abtragungsprodukte, Fragmente bzw. die Emissionen der abzutragenden Schicht ohne Kontamination der
Umgebung abtransportiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Zusatzdüse zum Bedüsen einer Oberfläche der Schicht mit einem Hilfsfluid vorgesehen sein. Das Hilfsfluid kann ein Gas oder ein Gas mit Feststoffpartikel oder eine Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit mit Feststoffpartikel sein. Für den Fall, dass eine elektrisch isolierende oder schlecht leitfähige Schicht auf dem Substrat vorliegt, kann auf die zu reinigende Oberfläche bzw. auf die zu reinigenden Schicht das Hilfsfluid aufgetragen werden. Anschließend kann dann die Abtragung mit Hochspannungspulsen durchgeführt werden. Das Hilfsfluid kann aus einem wässrigen Fluid bestehen, das die
Oberfläche der abzutragenden Schicht gut benetzt und die porösen Schmutz- und/oder Oxid-Strukturen gut durchdringt.
Das elektrisch leitende Element kann z. B. in Form einer Gegenelektrode
ausgestaltet sein. Die Gegenelektrode kann z. B. in Form einer Klinge oder eines Schabers ausgestaltet sein. Ebenso können Bürsten dazu eingesetzt werden, die durch die Durchbruchsspannung (gepulste Hochspannung) geschwächte Schicht oder die Schichtreste mechanisch entfernen können bzw. das Entfernen
mechanisch unterstützen. Das elektrisch leitende Element, kann für den Fall eins schlecht leitenden Substrats als eine leitfähige und keilförmige Gegenelektrode ausgebildet sein. Die Gegenelektrode wird zwischen die abzutragende Schicht und das Substrat geschoben, um den elektrischen Durchbruch in der abzulösenden Schicht zu bewirken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als ein handgeführtes Gerät ausgeführt sein, das auch zusammen mit den möglichen Zubehörteilen, wie z. B. Absaugung oder Zusatzdüse, über der abzutragenden Schicht auf dem Substrat geführt werden kann. Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform, können mehrere
Vorrichtungen zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat zu einer Anordnung zusammengeschaltet sind. Die einzelnen Vorrichtungen bzw. Plasmabrenner sind mechanisch miteinander verbunden, so dass die Anordnung als Einheit über die abzutragende Schicht geführt werden kann. Mit der Anordnung ist es somit möglich, dass ausgedehntere Flächenbereiche der abzutragenden Schicht bearbeitet werden können. Die Anordnung aus den mehreren der erfindungsgemäßen
Vorrichtungen erhöht die Abtragungsrate. Die erfindungsgemäße Anordnung kann beispielsweise zur Abtragung von Oxiden auf Metallen, wie z. B. Rost, verwendet werden.
Das elektrisch leitende Element kann ein Substrat sein, das selbst elektrisch leitfähig ist. Insbesondere kann der spezifische Widerstand < 100 Ohm mm2/m sein. Das Substrat kann auf Erdpotential liegen. Das Substrat kann z. B. ein Metall oder ein Kohlefaser-Verbundwerkstoff sein. Die vom Substrat abzulösende Schicht kann elektrisch isolierend oder elektrisch schlecht leitfähig sein. Insbesondere beträgt der spezifische Widerstand bevorzugt > 1000 Ohm mm2/m. Die vom Substrat abzulösende Schicht kann Kunststoff und/oder Keramik umfassen. Die vom Substrat abzulösende Schicht kann eine haftend aufgetragene Folie sein. Die Schichtdicke der vom Substrat abzulösenden Schicht beträgt bevorzugt zwischen 10pm und 1000pm.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat umfasst das Anwenden einer gepulsten Hochspannung. Hierzu ist mindestens ein bei Atmosphärendruck arbeitender Plasmabrenner vorgesehen. Eine
Hochspannungsquelle ist mit einer Elektrode im Innern des Plasmabrenners und mit einem Gehäuse des Plasmabrenners verbunden. Eine Versorgung für
Prozessgas ist über eine Gasleitung mit einem Einlass des Plasmabrenners verbunden. Über eine im Plasmabrenner ausgebildete Düse tritt ein Plasmastrahl aus, der auf eine Oberfläche der abzutragenden Schicht trifft. Hierzu wird zwischen dem Plasmabrenner und einem elektrisch leitenden Element, das z. B. ein Substrat für die abzutragende Schicht sein kann, eine gepulste Hochspannung angelegt. Durch die gepulste Hochspannung wird eine Durchbruchspannung im Bereich des leitenden Elements erreicht. Die gepulste Hochspannung ist eine unipolare Pulsfolge mit einer Frequenz von 10kHz bis 1 MHz. Die Hochspannung besitzt einen Maximalbetrag des Potenzials bezogen auf das Potential des elektrisch leitenden Elements von 1 kV bis 100kV. Die gepulste Hochspannung besitzt eine
Flankensteilheit von > 106V/s. Durch die gepulste Hochspannung entsteht im Bereich des leitenden Elements ein elektrischer Durchbruch, über den somit pulsartig eine hohe Energie am Übergang von der Schicht zum Substrat freigesetzt wird. Dadurch wird eine
thermomechanische Druckwelle am Übergang freigesetzt und die Schicht wird dabei in einem wohldefinierten Bereich freigesprengt. Zusätzlich kann eine Absaugung zwischen dem Plasmabrenner und der zu entfernenden Schicht vorgesehen werden. Die Absaugung hat den Vorteil, dass die mit der durch die unipolare Pulsfolge und/oder andere Mittel gelöste bzw.
freigesprengte Fragmente oder Emissionen der Schicht abgesaugt werden.
Eine Zusatzdüse kann zum Bedüsen einer Oberfläche der Schicht mit einem
Hilfsfluid vorgesehen werden. Das Hilfsfluid kann einen Abtrag der Schicht abrasiv unterstützen. Bei einer möglichen Ausführungsform kann das Hilfsfluid die
Abtragungsprodukte der Schicht mitreißen.
Zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat kann eine Oberfläche der Schicht entsprechend manuell oder automatisiert abgerastert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann nach einer der beschriebenen
Ausführungsformen, zur Abtragung von Oxiden auf Metallen, wie z.B. Rost verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwischen der Elektrode des
Plasmabrenners und dem Schicht-/Substratsystem ein Gaskanal mit erhöhter freier Ladungsträgerdichte ausprägt, insbesondere kann die Ladungsträgerdichte >
108/cm3 sein. Ebenso kann zwischen der Elektrode des Plasmabrenners und dem Substrat/Schicht-/Substratsystem ein Gaskanal mit einer Durchschlagsfestigkeit von <1 kV/mm, typischerweise <100V/mm, ausprägt sein. Beim dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die mittlere auf das Substrat übertragene Wärmeleistung <1000W/cm2, typischerweise jedoch < 100W/cm2, auf die von der Schicht befreiten Fläche bezogen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine leitfähige Hilfsschicht zumindest auf die abzutragende Schicht aufgetragen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine leitfähige Schicht, gefolgt von einer überwiegend elektrisch isolierenden Schicht, auf die abzutragende Schicht aufgetragen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird pro Hochspannungspuls eine Fläche von 0,01 mm2 bis zu 1 mm2, typischerweise jedoch 0,1 mm2, der Schicht abgetragen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren und ihrer zugehörigen Beschreibungsteile.
Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 eine Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat durch
Anwendung einer gepulsten Hochspannung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei Fragmente der abzutragenden Schicht abgesaugt werden;
Figur 3 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei neben Gas (Prozessgas) auch Feststoffe verwendet werden, welche auf die Substratoberfläche treffen;
Figur 4 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei ein Fluid zur Kühlung, zur Unterstützung der
Abtragung und/oder zum Aufbringen einer Hilfsschicht verwendet wird; Figur 5A eine Ausgangssituation einer Prozessabfolge zum Entfernen einer porösen Schicht (Rost oder Oberflächenverschmutzung) von einem Substrat;
Figur 5B einen Prozessschritt bei dem die poröse Schicht mit Fluid getränkt wird; Figur 5C einen Prozessschritt bei dem Hochspannungspulse auf das
Schichtsystem einwirkt;
Figur 5D eine Endsituation der Prozessabfolge bei der durch Ablation eine
gereinigte Oberfläche des Substrats zu Tage tritt;
Figur 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei eine leitfähige Hilfsschicht auf das Schicht-/Substratsystem aufgebracht wird, um mittels thermomechanischer Schockwellen die Schicht abzulösen;
Figur 7 eine zusätzliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei eine Klinge oder eine keilförmige Gegenelektrode zum Ort der Abtragung eingeführt und vorgeschoben wird;
Figur 8A eine photographische Aufnahme einer Entfernung einer 500pm
Lackschicht von Aluminium auf einem Testabschnitt von 32x24mm2;
Figur 8B eine vergrößerte photographische Aufnahme des in Figur 8A mit "B" gekennzeichneten Bereichs; Figur 9 eine photographische Aufnahme, die einen kohlenstofffaserverstärktem
Kunststoff zeigt, von dem eine 500pm dicke Lackschicht ohne Schädigung der Fasern entfernt wurde; und
Figur 10 eine schematische Darstellung mehrerer Plasmabrenner, die
zusammengeschaltet sind, um größere Flächen eines Substrats behandeln zu können.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele stellen lediglich Möglichkeiten dar, wie eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat ausgestaltet sein können,
beziehungsweise die offenbarten Merkmale kombiniert werden können.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Entfernen einer Schicht 22 von einem Substrat 20. Die Vorrichtung 1 umfasst einen bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasmabrenner 2, der mit einer
Hochspannungsquelle 3 verbunden ist. Die Hochspannungsquelle 3 erzeugt eine unipolare Pulsfolge 12 von Pulsen 13, die an eine Elektrode 5 im Innern eines Gehäuses 9 des Plasmabrenners 2 angelegt wird. Ebenso ist die
Hochspannungsquelle 3 mit einem Gehäuse 9 des Plasmabrenners 2 verbunden. Eine Versorgung für Prozessgas 4 ist über eine Gasleitung 10 mit einem Einlass 6 des Plasmabrenners 2 verbunden. Hiermit wird Prozessgas 4 in das Innere des Plasmabrenners geleitet. Das bei dieser Ausführungsform beschriebene leitfähige Substrat 20 (elektrisch leitendes Element 1 1 ) liegt auf Erdpotential. Der in Figur 1 beschriebene prinzipielle Aufbau der Vorrichtung ist mit dem der Figuren 2, 3, 4, 6 und 7 identisch und wird aus Gründen der Übersichtlichkeit der Beschreibung nicht wiederholend beschrieben. Es werden lediglich die Unterschiede der einzelnen Ausführungsformen beschrieben.
Der Plasmabrenner 2 hat eine Düse 7 ausgebildet durch die ein Plasmastrahl 8 austritt und auf das Substrat 20 bzw. auf die Oberfläche 23 der zu entfernenden Schicht 22 gerichtet, wobei das Substrat 20 die zu entfernende Schicht 22 trägt. Die an der Elektrode 5 anliegende Hochspannung ist derart gewählt, dass mittels des austretenden Plasmastrahls 8 an einem elektrisch leitenden Element 1 1 eine gepulste Hochspannung anliegt, die eine Durchbruchspannung in einem Bereich 29 des leitenden Elements 1 1 erreicht. Bei dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist das elektrisch leitende Element 1 1 das Substrat 20, so dass an einem Übergang 24 von der zu entfernende Schicht 22 zum Substrat 20 die Durchbruchspannung erreicht wird.
Bei dem in der Vorrichtung 1 eingesetzten Plasmabrenner 2 kann die
Hochspannungsquelle 3 einen hohen Spannungshub erzeugen. Die
Hochspannungsquelle 3 kann erfindungsgemäß nun so betrieben werden, dass in der isolierenden oder schlecht leitenden Schicht 22 auf dem leitfähigen Substrat 20 (leitendes Element 1 1 ) zu einem elektrischen Durchbruch kommt, der pulsartig eine Energie am Übergang 24 von der isolierenden Schicht 22 zum leitfähigen Substrat 20 freisetzt. Bei kurzen Pulsen wird eine thermomechanische Druckwelle 27 am Übergang 24 freigesetzt. Dies bewirkt, dass die Schicht 22 wird in einem
wohldefinierten Bereich 29 Fragmente 25 bzw. Emissionen der Schicht 22 freigesprengt wird. Energetisch betrachtet ist zum Zeitpunkt des elektrischen Durchbruchs und dem Anschwellen des Stromes die Potentialdifferenz über die isolierende Schicht 22 am höchsten. Folglich kommt es hier zur höchsten
Leistungsabgabe. Wird der Plasmastrahl 8 (oder der Lichtbogen) mit einer hohen Pulsfrequenz betrieben und über die Oberfläche 23 der Schicht 22 gerastert, können so sehr leicht zusammenhängende Flächen von der Schicht 22 befreit und somit freigelegt werden.
Figur 2 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1. Der Aufbau der Vorrichtung ist im Wesentlichen mit dem in Figur 1 beschriebenen Aufbau identisch und braucht hier nicht mehr im Einzelnen beschrieben werden. Es ist einen Absaugung 15 vorgesehen, mit der die
Fragmente 25 bzw. Emissionen der Schicht 22 aus dem wohldefinierten Bereich 29 abgesaugt werden können. Die Fragmente 25 bzw. Emissionen der Schicht 22 entstehen dadurch, dass durch den auf die Schicht 22 auftreffenden Plasmastrahl 8 am Übergang 24 der elektrische Durchbruch erzeugt wird, der pulsartig Energie freisetzt.
Figur 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , wobei neben dem Prozessgas 4 auch ein Feststoff 14 durch den Einlass 6 in das Innere des Plasmabrenners 2 verbracht werden kann. Über den Plasmastrahl 8 gelangt das Gemisch aus Prozessgas 4 und Feststoff 14 auf die Oberfläche 23 der Schicht 22. Die angereicherten Partikel des Feststoffs 14 können zur Unterstützung der Abtragung der Schicht 22 dienen.
Figur 4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Der Oberfläche 23 der abzutragenden Schicht 22 ist einer
Zusatzdüse 17 zugeordnet. Über die Zusatzdüse 17 kann der Oberfläche 23 der Schicht 22 ein Hilfsfluid 18 zugeführt und auch eine Kühlung erreicht werden. Das Hilfsfluid 18 dient zur Unterstützung der Abtragung, zum Entfernen von gelösten Fragmenten der Schicht 22 und zum Aufbringen einer Hilfsschicht (hier nicht dargestellt).
Die Figuren 5A bis 5D zeigen schematisch die verschiedenen Stadien beim
Entfernen einer Schicht 22 (poröse Korrosions- und Verunreinigungsstruktur) von einem Substrat 20. Wie aus Figur 5A zu erkennen ist, ist die abzulösende Schicht 22 eine poröse Korrosions- und Verunreinigungsstruktur, die in der Regel dielektrische Eigenschaften besitzt. Figur 5B zeigt die Situation, dass die
abzulösende Schicht 22 mit einem Hilfsfluid 18 getränkt ist. Das Hilfsfluid 18 benetzt die Oberfläche 23 gut und dringt in die elektrisch isolierende oder schlecht leitfähige Schicht 22 ein. In Figur 5C ist die Situation dargestellt, dass der Plasmastrahl 8 auf die Schicht 22 trifft, so dass es im Bereich des Übergangs 24 zu einem elektrischen Durchbruch 30 kommt. Der elektrische Durchbruch 30 setzt pulsartig eine Energie am Übergang 24 der Schicht 22 zum leitfähigen Substrat 20 frei. Figur 5D zeigt das Ergebnis der Anwendung des Plasmastrahls 8 auf die Schicht 22 des leitfähigen Substrats 20. In einem flächigen Bereich F ist die Schicht 22 vom Substrat 20 abgelöst und der Übergang 24 ist frei zugänglich.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , wobei eine leitfähige Hilfsschicht 28 auf das Schicht-/Substratsystem 21
aufgebracht ist. Auf die Hilfsschicht 28 wirkt der aus der Düse 7 des
Plasmabrenners 2 austretende Plasmastrahl 8 ein. In der Hilfsschicht 28 werden dadurch thermomechanische Schockwellen 27 gebildet, die die Schicht 22 vom Substrat 20 ablösen können.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bei der als elektrisch leitendes Element 1 1 eine keilförmige Gegenelektrode 16 verwendet wird. Die keilförmige Gegenelektrode 16 und die Elektrode 5 des
Plasmabrenners 2 sind mit der Hochspannungsquelle 3 verbunden. Die leitfähige keilförmige Gegenelektrode 16 wird zwischen die abzutragende Schicht 22 und das Substrat 20 geschoben. Auf die leitfähige und keilförmige Gegenelektrode 16 trifft der Plasmastrahl 8 des Plasmabrenners und der elektrische Durchbruch 30 wird in der abzulösenden Schicht 22 bewirkt. Die Gegenelektrode 16 oder, falls das
Substrat 20 nicht leitfähig ist, die Klinge kann mit einem Vorschub V bewegt werden, um auch mechanisch zur Unterstützung der Abtragung der Schicht 22 beizutragen.
Figur 8A zeigt eine photographische Aufnahme einer Entfernung einer 500pm Lackschicht von Aluminium (Substrat) auf einem Testabschnitt von 32x24mm2. Figur 8B zeigt eine vergrößerte photographische Aufnahme des in Figur 8A mit "B" gekennzeichneten Bereichs. Aus den Figuren 8A und 8B ist klar zu erkennen, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Ablösen der Schicht 22 von einem Substrat 20 möglich ist.
Figur 9 zeigt eine photographische Aufnahme eines kohlenstofffaserverstärktem Kunststoffs 40, von dem eine 500pm dicke Lackschicht ohne Schädigung des Kunststoffs 40 bzw. dessen Fasern entfernt wurde.
Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung mehrerer Plasmabrenner 2, die zusammengeschaltet sind, um größere Flächen eines Schicht-/Substratsystem 21 behandeln zu können. Jeder der starr miteinander verbundenen Plasmabrenner 2 ist mit der Hochspannungsquelle 3 verbunden. Ebenso kann jedem Plasmabrenner 2 das Prozessgas 4 über eine Gasleitung 10 zugeführt werden. Der von jedem Plasmabrenner 2 austretende Plasmastrahl 8 trifft auf das Schicht-/Substratsystem 21. Die mehreren Plasmabrennern 2 können über die Oberfläche 23 von der vom Substrat 20 abzulösenden Schicht 22 geführt werden. Die Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen der Erfindung gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der
nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Plasmabrenner
3 Hochspannungsquelle
4 Prozessgas
5 Elektrode
6 Einlass
7 Düse
8 Plasmastrahl
9 Gehäuse
10 Gasleitung
1 1 elektrisch leitendes Element
12 unipolare Pulsfolge
13 Puls
14 Festsoff
15 Absaugung
16 keilförmige Gegenelektrode
17 Zusatzdüse
18 Hilfsfluid
20 Substrat
21 Schich Substratsystem
22 Schicht
23 Oberfläche der Schicht
24 Übergang
25 Fragment
26 leitfähige Gegenelektrode 27 thermomechanische Druckwelle/Schockwelle
28 Hilfsschicht
29 Bereich
30 elektrischer Durchbruch
40 kohlenstofffaserverstärktem Kunststoffs
100 Anordnung
B Bereich
V Vorschub

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (1 ) zum Entfernen einer Schicht (22) auf einem Substrat (20),
umfassend:
mindestens einen bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasmabrenner (2); eine Hochspannungsquelle (3), die mit einer Elektrode (5) im Innern des
Plasmabrenners (2) und die mit einem Gehäuse (9) des Plasmabrenner (2) verbunden ist; eine Versorgung für Prozessgas (4), die über eine Gasleitung (10) mit einem Einlass (6) des Plasmabrenners (2) verbunden ist; eine im Plasmabrenner (2) ausgebildete Düse (7), durch die ein Plasmastrahl (8) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsquelle (3) derart ausgestaltet ist, dass zwischen dem Plasmabrenner (2) und einem elektrisch leitenden Element (1 1 ) eine gepulste Hochspannung anliegt, die eine
Durchbruchspannung im Bereich (29) des leitenden Elements (1 1 ) erreicht.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die gepulste Hochspannung eine
unipolare Pulsfolge (12) mit einer Frequenz von 10kHz bis 1 MHz und/oder die Hochspannung einen Maximalbetrag des Potenzials, bezogen auf das Potential des elektrisch leitenden Elements (1 1 ), von 1 kV bis 100kV aufwiest und/oder die gepulste Hochspannung eine Flankensteilheit von > 106V/s besitzt.
3. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gepulste Hochspannung derart gestaltet ist, dass jeder Puls (13) eine kapazitiv
gespeicherte Pulsenergie von 1 mJ bis 100mJ aufweist.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Prozessgas (4) aus Luft, Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Wasserstoff oder einem Gemisch der vorgenannten Gase gebildet ist. 5. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine
Versorgung für einen Feststoff pulver (14) vorgesehen ist, die mit der Gasleitung (10) fluide verbinden.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitende Element (1 1 ) ein elektrisch leitfähiges Substrat (20), eine keilförmige und leitfähige Gegenelektrode (26) oder eine leitfähige Hilfsschicht (28) ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine
Absaugung (15) zwischen dem Plasmabrenner (2) und der zu entfernenden Schicht (22) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Zusatzdüse (17) zum Bedüsen einer Oberfläche (23) der Schicht (22) mit einem Hilfsfluid (18) zugeordnet ist, wobei das Hilfsfluid (18) ein Gas oder ein Gas mit Feststoffpartikel oder eine Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit mit Feststoffpartikel ist.
Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Vorrichtung (1 ) als ein handgeführtes Gerät ausgeführt ist.
Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Vorrichtungen (1 ) zum Entfernen einer Schicht (22) von einem Substrat (20) zu einer Anordnung (100) zusammengeschaltet sind.
Verfahren zum Entfernen einer Schicht (22) von einem Substrat (20), wobei mindestens ein bei Atmosphärendruck arbeitender Plasmabrenner (2) vorgesehen wird; wobei eine Hochspannungsquelle (3), mit einer Elektrode (5) im Innern des Plasmabrenners (2) und mit einem Gehäuse (9) des
Plasmabrenner (2) verbunden wird; wobei eine Versorgung für Prozessgas (4) über eine Gasleitung (10) mit einem Einlass (6) des Plasmabrenners (2) verbunden wird und wobei ein über eine im Plasmabrenner (2) ausgebildete Düse (7) ein Plasmastrahl (8) austritt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
• dass zwischen dem Plasmabrenner (2) und einem elektrisch leitenden Element (1 1 ) eine gepulste Hochspannung angelegt wird, so dass eine Durchbruchspannung im Bereich des leitenden Elements (1 1 ) erreicht wird, und
• dass die gepulste Hochspannung eine unipolare Pulsfolge (12) mit einer Frequenz von 10kHz bis 1 MHz ist, und/oder die Hochspannung einen Maximalbetrag des Potenzials bezogen auf das Potential des elektrisch leitenden Elements (1 1 ) von 1 kV bis 100kV aufwiest; und/oder die gepulste Hochspannung eine Flankensteilheit von > 106V/s besitzt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei im Bereich des leitenden Elements (1 1 ) ein elektrischer Durchbruch entsteht, über den pulsartig eine hohe Energie am Übergang (24) von der Schicht (22) zum Substrat (20) freigesetzt wird, wobei eine thermomechanische Druckwelle am Übergang (24) freigesetzt und die Schicht (22) dabei in einem wohldefinierten Bereich (29) freigesprengt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Absaugung (15) zwischen dem
Plasmabrenner (2) und der zu entfernenden Schicht (22) vorgesehen wird, mit der durch die unipolare Pulsfolge (12) und/oder anderen Mitteln gelöste bzw. freigesprengte Fragmente (25) von der Schicht (22) abgesaugt werden. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei eine Zusatzdüse (17) zum Bedüsen einer Oberfläche (23) der Schicht (22) mit einem Hilfsfluid (18) vorgesehen ist, wobei das Hilfsfluid (18) einen Abtrag der Schicht (22) abrasiv unterstützt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 1 bis 14, wobei zum Entfernen einer Schicht (22) von einem Substrat (20) eine Oberfläche (23) der Schicht (22) abgerastert wird.
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