DE102016103174B4

DE102016103174B4 - Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements

Info

Publication number: DE102016103174B4
Application number: DE102016103174.7A
Authority: DE
Inventors: Marcus Schneider; Reinhold Riemensperger
Original assignee: Reinhold Riemensperger
Current assignee: RIEMENSPERGER, REINHOLD, DE
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: EP3211974B1; DE102016103174A1; EP3211974A1; EP3211974B8

Abstract

Verfahren (300) zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (302) von Pulverteilchen in einem Prozessbereich, wobei ein Pulverteilchen jeweils einen oder mehrere vollständig mit einem Ummantelungsmaterial umgebenen Partikel aufweist,
Aktivieren (304) der Pulverteilchen in dem Prozessbereich mit einem physikalisch-thermischen Plasma, um eine Änderung des Aggregatszustands oder eine Verringerung der Viskosität zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials der Pulverteichen zu bewirken, wobei das Ummantelungsmaterial ein Zusatzmaterial aufweist, wobei das in dem Ummantelungsmaterial vorhandene Zusatzmaterial als Antioxidationsmittel und/oder Katalysator für das Material des Partikelkerns und/oder der Ummantelung während des Aktivierungsvorgangs wirksam ist, und
Aufbringen (306) der aktivierten Pulverteilchen auf dem Oberflächenbereich des Bauelements, um die Schichtstruktur auf dem Oberflächenbereich des Bauelements zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur bzw. Beschichtung an einem Oberflächenbereich eines Bauelements. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements, wobei Pulverteilchen, die vollständig mit einem Ummantelungsmaterial umgebene Partikel aufweisen, in einem physikalisch-thermischen Plasma aktiviert und dann auf ein Substrat aufgebracht werden. Dabei ist das Ummantelungsmaterial der Ummantelungsschicht als Schutzschicht und/oder Träger für den eigentlichen Partikelkern wirksam.
Gemäß dem Stand der Technik werden Plasmaströmungen (Plasmastrahlen bzw. Plasma-Jets) verwendet, um Oberflächen zu behandeln oder zu beschichten. Im Rahmen der Oberflächenbearbeitungstechnik werden Plasmen beispielsweise in der Halbleitertechnologie zum Plasma-Ätzen und zur Plasma-induzierten Metallabscheidung verwendet. In der Beschichtungstechnik werden Funktionsschichten, wie z. B. Verspiegelungen oder Antihaftschichten, aufgebracht. In der Werkstofftechnik werden Plasmen zur Oberflächenmodifizierung (z. B. Aufrauen), zur Plasma-induzierten Materialabscheidung, zur Oberflächenhärtung oder auch zur Plasma-Oxidation eingesetzt.
Die DE 35 38 390 A1 bezieht sich auf eine Beschichtung für ein Substrat und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die DE 38 13 804 A1 bezieht sich auf einen Schichtwerkstoff oder ein Schichtwerkstück und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die WO 2010/136777 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten eines Gegenstands, wobei zunächst ein Pulver mit beschichteten Teilchen bereitgestellt wird. Das Pulver wird auf einer Oberfläche des Gegenstands sprühbeschichtet, um eine zusammengesetzte Beschichtung zu bilden. Die Sprühbeschichtung kann beispielsweise mittels eines Gasplasmasprühvorgangs ausgeführt werden. Der Gegenstand kann beispielsweise ein Implantat für eine chirurgische oder dentale Anwendung sein. Das Pulver kann Teilchen aus Metall aufweisen, die mit Kalziumphosphaten beschichtet sind. Ferner können die Teilchen bioaktive Stoffe enthalten.
Die WO 2014/068082 A2 bezieht sich auf ein thermisches Sprühverfahren von keramischen Materialien. So weist ein Prozess zum thermischen Sprühen von Metalloxid-beschichteten Keramikteilchen auf ein Substrat einen Schritt des Bereitstellens einer Mehrzahl von Metalloxid-beschichteten Teilchen aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Borumcarbid oder Borumnitrid auf, und ferner den Schritt des thermischen Sprühens der Teilchen von Schritt 1 auf das Substrat.
Die WO2014/106792 A2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Schicht für feststoffbasierte Dünnschichtbatterien durch Plasma-Pulver-Sprühen und einen Plasma-Pulver-Sprüher zur Herstellung zumindest einer Schicht für feststoffbasierte Dünnschichtbatterien auf einem Substrat. Der Plasma-Pulver-Sprüher umfasst einen Plasmaerzeugungsbereich, in dem vermittels einer Energiequelle ein Plasmagasstrom erzeugt werden kann, und mindestens einen Mischbereich, der sich im Plasmagasstrom befindet.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht somit darin, ein verbessertes Verfahren zur Plasma-induzierten Oberflächenbehandlung und insbesondere zur Materialabscheidung und Oberflächenbeschichtung unter Verwendung von Plasma zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Verfahrensanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements umfasst beispielsweise ein Bereitstellen von Pulverteilchen in einem Prozessbereich, wobei ein Pulverteilchen jeweils einen oder mehrere vollständig mit einem Ummantelungsmaterial umgebenen Partikel aufweist, ein Aktivieren der Pulverteilchen in dem Prozessbereich mit einem physikalisch-thermischen Plasma, um eine Verringerung der Viskosität bzw. eine Änderung des Aggregatzustands zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials der Pulverteichen zu bewirken, und ein Aufbringen der aktivierten Pulverteilchen auf dem Oberflächenbereich des Bauelements, um die die Partikel aufweisende Schichtstruktur auf dem Oberflächenbereich des Bauelements zu erhalten.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, speziell ausgebildete Pulverteilchen für eine Plasma-induzierte Schichterzeugung zu verwenden, wobei die speziell ausgebildeten Pulverteilchen in einem Prozessbereich mittels eines physikalisch-thermischen (heißen) Plasmas thermisch aktiviert und dann auf den zu behandelnden Oberflächenbereich des Bauelements aufgebracht werden, um auf dem Bauelement eine gewünschte Schichtstruktur bzw. Beschichtung zu bilden. Die einzelnen Pulverteilchen weisen ein vollständig mit einem Ummantelungsmaterial umgebenes Partikel auf. Ein einzelnes Pulverteilchen kann auch mehrere vollständig mit einem Ummantelungsmaterial umgebene Partikel aufweisen.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass ein wesentlicher Anteil (z.B. zumindest 50%, 80%, 90% oder 99%) der bereitgestellten und verarbeiteten Pulverteilchen die vollständige Ummantelung aufweist, wobei herstellungsbedingt „einzelne“ Pulverteilchen nur eine teilweise oder keine Ummantelung aufweisen können.
Durch die vollständige Ummantelung und durch die gezielte Wahl des Materials für die Ummantelungsschicht kann gezielt auf die resultierende Schichtstruktur und deren physikalische Eigenschaften, wie z. B. Haltbarkeit, etc. Einfluss genommen werden. Dies gilt auch für die optischen, mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften der resultierende Schichtstruktur. Eine möglichst gleichmäßige (d.h. gleichmäßig dicke) Ummantelung und die Berücksichtigung des jeweiligen Materials für die Ummantelungsschicht kann die exakte Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der Schichtstruktur unterstützen.
Durch die vollständige Ummantelung der einzelnen Partikel (auch Partikelkerne) kann unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Ummantelungsmaterials und der Ummantelungsdicke der Plasma-Aktivierungsvorgang (im Mittel) sehr definiert und reproduzierbar durchgeführt werden, so dass die u.U. „empfindlichen“ Partikel bei dem Plasma-Aktivierungsvorgang durch das Ummantelungsmaterial auf eine effektive Weise sowohl thermisch als auch mechanisch geschützt werden können. Durch die vollständige Ummantelung der Partikel gegenüber der Umgebungsatmosphäre ist ferner eine vereinfachte Lagerung sowie eine technisch vereinfachte Beförderung der Pulverteilchen in den Prozessbereich möglich, da aufgrund der hermetischen Abschirmung gegenüber der Umgebungsatmosphäre eine ungewollte chemische Reaktion, wie z. B. eine Oxidation der Partikel, verhindert werden kann.
Aufgrund der vollständigen Ummantelung der Partikel und des Einsatzes eines physikalisch-thermischen (heißen) Plasmas ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auf Partikel mit einem relativ großen, mittleren Durchmesser, z. B. mit einem Durchmesser von größer 20 µm oder 50 µm, effektiv anwendbar.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann sich das Ummantelungsmaterial bei dessen Aktivierung zumindest teilweise verflüssigen und sich beim Auftreffen auf der Oberfläche des Bauteils wiederverfestigen, so dass das wiederfestigte Ummantelungsmaterial eine (mechanisch feste bzw. stoffschlüssige) Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Partikel bewirkt.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann das Ummantelungsmaterial bei dessen Aktivierung zumindest teilweise oder auch vollständig von dem Partikel getrennt werden, d.h. beispielsweise verdampfen oder zerfallen, wobei die Partikel selbst dann bei der Aufbringung auf den Oberflächenbereich des Bauelements, z.B. unter Einwirkung des Plasmastrahls, mit dem Oberflächenbereich des Bauelements (mechanisch fest bzw. stoffschlüssig) verbunden werden.
Das Ummantelungsmaterial kann ausgebildet sein, um die Partikel der Pulverelemente vor dem Verarbeitungsprozess hermetisch gegenüber der Umgebungsatmosphäre abzuschirmen. Dadurch kann eine chemische Reaktion, wie z.B. eine Oxidation, der Partikel im (hoch)energiereichem Plasma verhindert werden. Die Dicke des Ummantelungsmaterials kann so gewählt werden, dass das Partikelmaterial während der Aktivierung mit dem physikalisch-thermischen Plasma nicht über eine spezifische Grenztemperatur Tmax des Kernmaterials erwärmt wird, wobei die Grenztemperatur Tmax Partikelmaterial-abhängig ist. Die Grenztemperatur gibt die Temperatur an, bis zu der das Partikelmaterial ohne (wesentliche) Materialbeeinträchtigungen erwärmt werden kann.
Ferner kann das Ummantelungsmaterial eine höhere, z.B. eine zumindest 1,5-fach oder doppelt so hohe, spezifische Wärmekapazität als das Partikelmaterial aufweisen. Um die Wärmeaufnahme der beschichteten Partikel möglichst exakt vorgeben zu können, können die Partikel relativ gleichmäßig mit dem Ummantelungsmaterial bedeckt sein.
Ferner kann das Pulverteilchen eine Mehrfachummantelung aus unterschiedlichen Materialien oder unterschiedlichen Materialzusammensetzungen, z.B. eine Schichtfolge aus mehreren unterschiedlichen Schichten, aufweisen. Diese unterschiedlichen Schichten können beispielsweise unterschiedliche Funktionen z.B. als Schutzschicht und/oder als Träger von Oxidations- und/oder Katalysatormaterialen bereitstellen.
Bei Ausführungsbeispielen können die die Partikel (Partikelkerne) der Pulverteilchen einen mittleren Durchmesser zwischen 1 µm bis 500 µm, 20 µm bis 200 µm, 46 µm bis 150 µm, oder 50 µm bis 100 µm aufweisen. Ferner kann die (physikalische) Härte der Partikel höher wie die Härte des Bauelementmaterials in dem zu behandelnden Oberflächenbereich sein. Dadurch kann auf dem Oberflächenbereich des Bauelements durch die aufgebrachten Partikel eine Reibwertveränderung bewirkt werden.
Das Material des Partikels kann ein Metall (z.B. Cu) oder eine Kohlenstoffverbindung, wie z.B. Diamant (Industriediamant), Borcarbid, Siliziumcarbid etc. aufweisen. Das Ummantelungsmaterial kann ein Metall, z.B. ein Weichmetall, wie Nickel, Kupfer, Zinn, etc. aufweisen. Ferner kann das Ummantelungsmaterial ein Zusatzmaterial (Additiv) aufweisen, wobei das in dem Ummantelungsmaterial vorhandene Zusatzmaterial als Antioxidans (Antioxidationsmittel), wie z. B. Phosphor, und/oder auch als Katalysator für das Material des Partikelkerns oder auch der Ummantelung während des Plasmaaktivierungsvorgangs wirksam sein kann. Alternativ kann das Ummantelungsmaterial ein organisches Material, wie z. B. ein Polymermaterial, aufweisen.
Zur Verbesserung der Verbindung zwischen den aktivierten Pulverteilchen und dem Bauelement kann der mit der Schichtstruktur zu versehende Oberflächenbereich des Bauelements vorgeheizt werden. Das Vorheizen des behandelnden Oberflächenbereichs des Bauelements kann ferner eine Reinigung, z.B. Entfettung etc., dieses Bereichs vor der Partikelaufbringung bewirken. Bei dem Vorheizen kann der zu behandelnde Oberflächenbereich des Bauelements so erwärmt werden, um bei dem nachfolgenden Aufbringen der aktivierten Pulverteilchen eine Temperatur beispielweise zwischen 80°C und 150°C aufzuweisen.
Die aufgebrachte Schichtstruktur kann eine nicht-kontinuierliche Verteilung der Partikel auf dem Oberflächenbereich mit einer Oberflächenbelegungsdichte von 5% bis 50% aufweisen, d.h. die Partikel sind verteilt auf dem behandelten Oberflächenbereich des Bauelements angeordnet. Alternativ kann die aufgebrachte Schichtstruktur eine durchgehende, gleichmäßige Beschichtung auf dem behandelten Oberflächenbereich des Bauelements bilden.
Die Aktivierungstemperatur kann in dem Prozessbereich, d.h. in dem Vermischungsbereich des physikalisch-thermischen Plasmas und der Pulverelemente, mehrere 1000 K betragen.
Ferner können die Pulverteilchen aus einem Pulverreservoir in den Prozessbereich befördert werden, wobei der Pulverteilchenfluss bzw. -durchsatz durch den Prozessbereich so gewählt wird, um über eine vordefinierte mittlere Energieaufnahme des Pulverteilchens und insbesondere des Ummantelungsmaterials während der Aufenthaltsdauer in dem Prozessbereich die gewünschte Änderung der Viskosität bzw. des Aggregatzustands des Ummantelungsmaterials zu bewirken.
Fern kann ein magnetisches und/oder elektrisches Feld im Bereich zwischen dem Prozessbereich (Aktivierungsbereich) und der Bauelementoberfläche erzeugt werden, um die z.B. metallischen Pulverteilchen und von den geladenen Teilchen des Plasmastroms möglichst vor dem Auftreffen auf dem Oberflächenbereich zu trennen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Blockdarstellung einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements ;
2a-b schematische Darstellungen in einer Draufsicht und Schnittansicht einer aufgebrachten Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich des Bauelements;
2c eine schematische, perspektivische Darstellung einer aufgebrachten, gleichmäßigen Beschichtung an einem Oberflächenbereich des Bauelements; und
3 ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
1 zeigt in einer schematischen Prinzipdarstellung eine gattungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Herstellung einer Schichtstruktur 200 an einem Oberflächenbereich 202 eines Bauelements 204. Eine Pulverfördereinrichtung 102 ist vorgesehen, um Pulverteilchen 104, z. B. aus einem Pulverreservoir (nicht gezeigt in 1) in einem Prozessbereich 106 bereitzustellen bzw. dorthin zu befördern. Wie in 1 vergrößert dargestellt ist, weist ein Pulverteilchen 104 jeweils ein (oder auch mehrere) Partikel 104-1 auf, das jeweils mit einem Ummantelungsmaterial 104-2 vollständig umgeben bzw. ummantelt ist. Dabei weisen beispielsweise die Partikel 104-1 der Pulverteilchen 104 einen mittleren Durchmesser d₁ auf, während das Ummantelungsmaterial 104-2 eine mittlere (durchschnittliche) Schichtdicke d₂ aufweisen kann. Somit ergibt sich ein mittlerer Gesamtdurchmesser D der Pulverteilchen 104 mit D ≈ d₁ + 2*d₂.
Ferner ist eine Plasmaquelle 108 vorgesehen, um ein physikalisch-thermisches Plasma 110, z. B. in Form eines Plasmastrahls, in den Prozessbereich 106 einzubringen und um die dort bereitgestellten Pulverteilchen 104, die den Prozessbereich 106 durchlaufen, mit dem physikalisch-thermischen Plasma 110 thermisch zu aktivieren. Durch die „Plasma-Aktivierung“ wird beispielsweise eine Verringerung der Viskosität bzw. eine Änderung des momentanen Aggregatzustands zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 oder des gesamten Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 bewirkt. So gilt, je niedriger die Viskosität ist, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist jeweilige Material.
Bei der Plasma-Aktivierung werden die Pulverteilchen, d.h. die mit einem Schutzmantel 104-2 versehenen Partikelkerne 104-1, beispielsweise direkt einer Lichtbogenentladungszone, d.h. einer hochenergetischen Plasmazone, zugeführt, wobei die Ummantelungsschicht 104-2 die intensive Plasma/Ionenenergie absorbieren kann, was zu einer Verflüssigung (zumindest in einen zähflüssigen Zustand) des Materials der Ummantelung 104-2 führt. Es können auch andere Anordnungen zur Erzeugung des thermischen Plasmas eingesetzt werden, wie dies nachfolgend noch erörtert wird.
Als Änderung des momentanen Aggregatzustands bzw. Verringerung der Viskosität zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials oder des gesamten Ummantelungsmaterials wird beispielsweise eine Verflüssigung oder auch ein Übergang in einen gasförmigen Zustand (z. B. Verdampfen) des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 angesehen. Ferner können beliebige Zwischenstufen zwischen einem verflüssigten (z.B. zähflüssigen) Zustand zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials und einem vollständig flüssigen bzw. bei einer weiteren Viskositätsverringerung bzw. Aggregatszustandsänderung ein gasförmiger Zustand zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 bewirkt werden.
Als Änderung des Aggregatszustands zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 kann somit eine Änderung von einem ersten (z.B. festen) Zustand des Ummantelungsmaterials in einen zweiten (fluiden bzw. zähflüssigen) Zustand des Ummantelungsmaterials angesehen werden, wobei ferner eine Viskositätsverringerung des fluiden bzw. zähflüssigen Ummantelungsmaterials erfolgen kann. Eine Änderung der Viskosität aufgrund einer Temperaturerhöhung des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 kann zumindest eine „erhöhte Fließfähigkeit“ (ein zähflüssiger Zustand) zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 während der Plasma-Aktivierung bewirken. Somit kann als Verringerung der Viskosität bzw. Änderung des Aggregatzustands zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 auch eine ausreichende Erhöhung der Plastizität bzw. plastischen Verformbarkeit des Ummantelungsmaterials 104-2 durch die Plasma-Aktivierung angesehen werden. Bei einer weiteren Aggregatszustandsänderung kann ein dritter (gasförmiger) Zustand zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 der Pulverteilchen 104 bewirkt werden, d.h. ein Übergang von dem fluiden Zustand in den gasförmigen Zustand.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Aufbringeinrichtung 112 (z.B. eine Düse) zum Aufbringen der aktivierten Pulverteilchen 104 auf den Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204, um die die Partikel 104-1 aufweisende Schichtstruktur 200 auf dem Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 zu erhalten.
Als Aufbringeinrichtung 112 wird der Abschnitt der Vorrichtung 100 angesehen, der den Transfer der aktivierten Pulverteilchen 104 von dem Prozessbereich 106 zu dem zu behandelnden Oberflächenbereich 202 bewirkt. Wenn beispielsweise der Prozessbereich 106 in einem (optionalen) Gehäuse 112 angeordnet ist, kann die Aufbringeinrichtung 112 optional als eine Austrittsöffnung oder auch als eine Düsenanordnung 116 ausgebildet sein, um die aktivierten Pulverteilchen 104 in Richtung des zu behandelnden Oberflächenbereichs 202 des Bauelements 204 auszurichten und darauf aufzubringen.
Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung wird als physikalisch-thermisches Plasma (auch thermisches Plasma) ein sogenanntes „Heißplasma“ bezeichnet, wobei sich ein Heißplasma im thermischen bzw. im lokal-thermischen Gleichgewicht befindet. Dies bedeutet, dass die schwereren Teilchen, d.h. die positiv geladenen Ionen, annähernd dieselbe Temperatur wie die energiereicheren Elektronen besitzen. Dies ermöglicht, abhängig vom Ionisationsgrad, eine Kerntemperatur im Plasma von mehreren 1000 °K. Typischerweise werden Gase wie Aragon, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff als Plasmagas verwendet.
Bei der gattungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Herstellung einer Schichtstruktur 200 können im Wesentlichen beliebige Plasmaquellen 108 zum Einbringen des physikalisch-thermischen Plasmas 110 in dem Prozessbereich 106 eingesetzt werden. So können beispielsweise auch Atmosphärendruck-Plasmaquellen bzw. Normaldruck-Plasmaquellen eingesetzt werden, bei denen der Druck im Prozessbereich 106 ungefähr dem der umgebenden Atmosphäre, d. h. dem sogenannten Normaldruck, entsprechen kann. Vorteilhaft ist dabei, dass Atmosphärendruck-Plasmen kein (abgeschlossenes) Reaktionsgefäß benötigen, das für die Aufrechterhaltung eines zum Atmosphärendruck unterschiedlichen Druckniveaus oder abweichender Gasatmosphären sorgt. Zur Erzeugung des Plasmas können verschiedene Anregungsarten, wie z. B. eine Wechselstromanregung (niederfrequente Wechselströme), anregende Wechselströme im Radiowellen-Bereich (Mikrowellenanregung) oder eine Gleichstromanregung eingesetzt werden. Beispielsweise kann mit einer Hochspannungsentladung (5-15 kV, 10-100 kHz) ein gepulster Lichtbogen erzeugt werden, wobei das Prozessgas an dieser Entladungsstrecke vorbeiströmt, dort angeregt und in den Plasmazustand überführt wird. Dieses Plasma 110 wird in dem Prozessbereich 106 mit den Pulverteilchen in Kontakt gebracht, so dass die Pulverteilchen durch das physikalisch-thermische Plasma 110 aktiviert werden. Die aktivierten Pulverteilchen 104 werden dann aus einer Gehäuseöffnung (z. B. einem Düsenkopf) auf den Oberflächenbereich 202 des zu behandelnden Bauteils 204 geführt.
Da nun die Partikel 104-1 der Pulverteilchen 104 vollständig mit dem Ummantelungsmaterial 104-2 umgeben bzw. umschlossen sind, können die Pulverteilchen 104 beispielsweise unter Verwendung von Druckluft, d. h. Luft/Sauerstoff oder Inertgasen (N, Ar, He etc.) als Trägergas, in den Prozessbereich 106 zur Plasma-Aktivierung eingebracht werden, ohne dass eine chemische Reaktion, wie z. B. eine Oxidation der Partikel 104-1, vor der Plasma-Aktivierung zu befürchten ist. Damit kann die Pulverzuführung zu dem Prozessbereich 106 relativ unaufwendig realisiert werden.
So kann insbesondere beispielswese eine Schichtstruktur bestehend aus einer Vielzahl von kontrolliert aufgebrachten und verteilten Partikeln (Hartpartikel) oder auch eine gleichmäßige Schichtstruktur 200 (in Form einer Beschichtung) auf der zu behandelnden Oberfläche 202 des Bauelements 204 gebildet werden.
Im Folgenden werden vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Konzepts, d. h. des Herstellungsverfahrens (siehe 3 mit zugehöriger Beschreibung) im Detail beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Ummantelungsmaterial 104-2 bei der Plasma-Aktivierung der Pulverteilchen 104 zumindest teilweise verflüssigt und dann mittels der Aufbringungseinrichtung 112 auf der zu behandelnden Oberfläche 202 des Bauteil- bzw. Trägerelements 204 aufgebracht. Wie bereits oben beschrieben wurde, wird bei der Plasma-Aktivierung das Ummantelungsmaterial 104-2 durch eine Energiezufuhr mittels des Plasmas erhitzt, so dass sich die Viskosität zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials 104-2 erhöht bzw. sich der Aggregatzustand des Ummantelungsmaterials 104-2 von einem festen Zustand in einen flüssigen bzw. zumindest zähflüssigen Zustand ändert. Dies kann das gesamte Ummantelungsmaterial 104-2 oder zumindest einen Teil desselben betreffen. Beim Auftreffen auf der Oberfläche 202 des Bauteils 204 kommt es zu einer Wiederverfestigung des Ummantelungsmaterials 104-2, da sich die Temperatur des Materials des Bauelements 204 in dem zu behandelnden Oberflächenbereich 202 im Allgemeinen unterhalb der Temperatur des Ummantelungsmaterials 104-2 der aktivierten Pulverteilchen 104 befindet. Das an dem Oberflächenbereich 202 wiederverfestigte Ummantelungsmaterial 104-2 bewirkt somit eine (feste) mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement 204 und den aufgebrachten Partikeln 104-1 der Pulverteilchen 104.
In diesem Zusammenhang zeigen die 2a-b in einer schematischen Schnittansicht bzw. Aufsicht einige der kontrolliert aufgebrachten Partikel 104-1 mit dem wiederverfestigten Ummantelungsmaterial 104-2 an dem behandelnden Oberflächenbereich (in Form eines kleinen Ausschnitts) des zu beschichtenden Bauelements 204.
Als eine Alternative zu der im Vorhergehenden dargestellten Vorgehensweise zur Partikelaufbringung zum Herstellen der Schichtstruktur 200 kann das Ummantelungsmaterial 104-2 so gewählt werden, dass das Ummantelungsmaterial 104-2 bei dessen Plasma-Aktivierung von den Partikeln (Partikelkernen) 140-1 getrennt wird, d. h. beispielsweise verdampft wird oder zerfällt, wobei dann die Partikel beim Aufbringen bzw. Auftreffen auf den Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 beispielsweise unter Einwirkung des Plasmastrahls mit dem Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 fest verbunden werden bzw. auf demselben aufgeschmolzen werden können, um die Schichtstruktur bzw. Beschichtung 200 auf dem zu behandelnden Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 zu bilden.
In diesem Fall kann die Verringerung der Viskosität bzw. die Änderung des Aggregatzustands von einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand mittels einer entsprechend höheren Energiezuführung durch das Plasma erhalten werden.
Das Ummantelungsmaterial 104-2 ist nun ferner ausgebildet, um die Partikel 104-1 (Partikelkerne) der Pulverelemente 104 vor dem Verarbeitungsprozess und insbesondere vor der Plasma-Aktivierung hermetisch gegenüber der jeweiligen Umgebungsatmosphäre abzuschirmen. Damit kann eine chemische Reaktion des Materials der Partikelkerne 104-1, wie z. B. eine Oxidation, des Partikelmaterials 104-1 mit der Umgebungsatmosphäre, z. B. Luft, verhindert werden. Darüber hinaus ist das Ummantelungsmaterial 104-2 und insbesondere die gewählte Dicke d₂ der Ummantelungsschicht 104-2 so gewählt, dass das Partikelmaterial während der Aktivierung mit dem physikalisch-thermischen Plasma nicht über eine Grenztemperatur Tmax erhitzt wird, wobei die Grenztemperatur beispielsweise von dem Partikelmaterial (und dessen zugehöriger spezifischer Wärmekapazität) und von dem mittleren Durchmesser der Partikel abhängt. Die Grenztemperatur gibt die Temperatur an, bis zu der das Partikelmaterial ohne (wesentliche) Materialschädigungen erwärmt werden kann. Das Ummantelungsmaterial 104-2 weist beispielsweise eine um einen Faktor von zumindest 2 (zumindest 5 oder 10) höhere spezifische Wärmekapazität als das Partikelmaterial auf. Als spezifische Wärmekapazität eines Materials bzw. Körpers wird das Verhältnis der dem Körper zugeführten Wärme zu der damit bewirkten Temperaturerhöhung bezeichnet.
Um den Plasma-Aktivierungsvorgang unter möglichst definierten Bedingungen durchführen zu können, können die Partikel 104-1 relativ gleichmäßig mit dem jeweiligen Ummantelungsmaterial 104-2 bedeckt sein. Darüber hinaus können die Pulverteilchen 104 eine Mehrfachummantelung aus unterschiedlichen Materialien oder unterschiedlichen Materialzusammensetzungen, z. B. in Form einer Schichtfolge aus mehreren unterschiedlichen Schichten, aufweisen. Die unterschiedlichen Schichten können dabei unterschiedliche physikalische Funktionen während der Lagerung und nachfolgend während der Plasmabehandlung sowie beim Aufbringen auf den zu behandelnden Oberflächenbereich des Bauteils aufweisen. So kann beispielsweise die äußerste Ummantelungsschicht als Schutzschicht gegenüber äußeren Umgebungseinflüssen, z. B. gegenüber einer Oxidation, wirksam sein, während die darunter liegende Schicht bzw. Schichten (oder Bestandteile derselben) bei der Plasma-Aktivierung als Zusatzstoffe, z. B. Antioxidationsmittel und/oder Katalysatoren, wirksam sein können.
Die Partikel 104-1 (Partikelkerne) weisen beispielsweise einen mittleren Durchmesser d₁ von 25 µm bis 500 µm, 46 µm bis 200 µm oder 50 µm bis 150 µm auf. Der gewünschte mittlere Durchmesser der Partikelkerne 104-1 ergibt sich durch die Vorgabe der gewünschten elektrischen, dielektrischen, optischen und/oder mechanischen Eigenschaften der resultierenden Schichtstruktur bzw. Beschichtung 200 auf dem zu behandelnden Oberflächenbereich 202 des Beschichtungsträgers 204.
Die physikalische Härte (z. B. Eindringhärte gemäß z. B. Brinell, Vickers etc.) der Partikel 104-1 ist beispielsweise um einen Faktor von zumindest 2 (bzw. zumindest 5 oder 10) höher als die Härte des Bauelementmaterials in dem zu behandelnden/behandelten Oberflächenbereich 202. Damit kann in dem behandelten Oberflächenbereich des Bauelements 204 durch die aufgebrachten Partikel beispielsweise eine Reibwertveränderung (z. B. Reibwerterhöhung) des behandelten Oberflächenbereichs bewirkt werden. Das Material der Partikel/Partikelkerne 104-1 kann beispielsweise ein Metall, wie z. B. Kupfer Cu, ein Polymer oder eine Kohlenstoffverbindung aufweisen. So kann das Material der Partikel 104-1 zur Erzeugung einer durchgehenden (z. B. leitfähigen) Beschichtung beispielsweise Kupfer, Zinn, Nickel, etc. aufweisen. Alternativ kann das Material der Partikel (z. B. Hartpartikel) Diamant, Industriediamant, Siliziumcarbid SiC, Borcarbid B₄C, Wolframcarbid WC, Nitride, wie z. B. Siliziumnitrid Si₃N₄, Bornitrid Bn, Borid, Siliziumdioxid Si₂ und/oder Aluminiumdioxid Al₂O₃ oder Kombinationen derselben umfassen (auch hochschmelzende Glasmaterialien). Die Aufzählung ist nicht als abschließend anzusehen.
Das Ummantelungsmaterial 104-2 (die Ummantelungsschicht) kann beispielsweise ein Metall, wie z. B. ein Weichmetall, wie z. B. Nickel, Kupfer, Zinn etc. aufweisen. Als Weichmetalle werden beispielweise niedrig schmelzende Metalle bezeichnet. Die Schichtdicke d2 des Ummantelungsmaterials 104-2 kann in einem Bereich von 25 µm ± 10 µm (oder z. B. zwischen 10 µm und 100 µm, 20 und 50 µm oder 20 µm und 30 µm) liegen.
Das Ummantelungsmaterial 104-2 kann ferner ein Zusatzmaterial (additiv) aufweisen, wobei das in dem Ummantelungsmaterial 104-2 vorhandene Zusatzmaterial als Antioxidationsmittel (Antioxidans, wie z. B. Phosphor, Zink oder als Katalysator (z. B. Rhodium, Palladium, Vanadiumpentoxid, div. Cu/Cr/Zn/Ag-Oxide) während des Plasma-Aktivierungsvorgangs, d. h. während der Plasma-Einwirkung, wirksam sein kann.
Als Material für die Partikelkerne kann ein (im elektrischen Sinne) organisches Sensormaterial verwendet werden, wobei beispielweise als erste Schicht Nickel vorgesehen sein kann, das ein Antioxidans, z.B. Phosphor, mit einem Anteil von 5 - 10% (Ni-P mit P = 5-10%) aufweisen kann. Als eine zweite Anlaufschutzschicht kann beispielsweise Gold (Au) mit einer Schichtdicke 0,03 µm (z.B. zwischen 0,01 und 0,1 µm) vorgesehen sein. Somit kann beispielsweise eine Mehrfachummantelung gebildet werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Partikelkern ein eisenhaltiges (Fehaltiges) Funktionsmaterial aufweisen, wobei das Material der Ummantelung Zink (Zn) aufweisen kann. Das Zink kann beispielsweise nach dem Aufbringen auf des freigelegte Eisenhaltige Material (Fe) als Opfermaterial dienen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Partikelkern ein magnetisches Funktionsmaterial aufweisen, wobei das Material der Ummantelung ein Weichmetall aufweisen kann. Der Weichmetallmantel kann als thermischer Schutz wirken, damit die Weißschen-Bezirke des magnetischen Funktionsmaterials z.B. bei der Plasma-Behandlung keinen Schaden annehmen. Eine typ. Zersetzungstemperatur für die Weißschen-Bezirke beginnt ab ca. 140°C.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Partikelkern ein katalytisches Material aufweisen, wobei die Ummantelung bzw. Hülle eine Doppelfunktion als Schutzschicht und „Klebstoff“-Schicht liefern kann. Die Herstellung von katalytischen Funktionsoberflächen, wie beispielsweise Kunststoffträger, wird z.B. mit einer Katalysatoroberfläche für chemische Prozesse hergestellt.
Als Antioxidationsmittel (Antioxidans) wird in diesem Zusammenhang eine chemische Verbindung angesehen, die eine Oxidation anderer Substanzen, d. h. beispielsweise der Partikelkerne 104-1, bei der Plasmabehandlung verlangsamt oder gänzlich verhindert, indem es beispielsweise den vorhandenen Sauerstoff selbst bindet. Damit kann beispielsweise eine oxidative Degradation des Partikelmaterials verhindert oder zumindest reduziert werden.
Als Katalysatoren (Katalysatormaterialien) werden Stoffe bezeichnet, die die Reaktionsgeschwindigkeit (z. B. bei der Plasma-Aktivierung) durch die Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion in Form einer Verringerung der Viskosität bzw. einer Änderung des Aggregatzustands erhöht.
Wird beispielsweise Nickel als Ummantelungsmaterial 104-2 verwendet, kann dem Nickelmaterial z. B. Phosphor mit einem Anteil von 5 bis 25 % und etwa 10 % ± 5 % beigefügt werden, so dass sich der resultierende Schmelzpunkt des Nickelmaterials (Ummantelungsmaterials) beispielsweise von einem Bereich um 1400 °C auf etwa 850 °C verringert, so dass die Zeitdauer der erforderlichen Plasmabehandlung reduziert werden kann, um die gewünschte Viskosität des Ummantelungsmaterials, d. h. des Nickelmaterials, für das nachfolgende Aufbringen auf die zu behandelnde Oberfläche 202 des Bauelements 204 zu erreichen. Damit kann insbesondere auch der Wärmeeintrag in die Partikelkerne 104-1 gesteuert bzw. deutlich reduziert werden, so dass das Material der Partikelkerne 104-1 einer deutlich reduzierten thermischen Belastung (Erwärmung, mechanischer Stress etc.) ausgesetzt ist. Diese Vorgehensweise ist nun vorteilhaft, wenn relativ große Partikelkerne, z. B. mit einem Durchmesser von größer als 20 µm oder 50 µm eingesetzt werden, da einerseits eine sichere Plasma-Aktivierung des Ummantelungsmaterials 104-2 erreicht werden kann, während andererseits die thermische Belastung auch relativ großer Partikelkerne niedrig gehalten werden kann.
Alternativ kann das Ummantelungsmaterial 104-2 ein organisches Material, wie z. B. ein Polymermaterial aufweisen, wobei weiterhin die oben angegebenen Materialien für die Partikelkerne 104-1, d. h. beispielsweise Metalle bzw. Weichmetalle, Polymermaterialien und/oder Kohlenstoffverbindungen eingesetzt werden können.
Wie bereits oben angegeben wurde, kann sich das Ummantelungsmaterial 104-2 bei dessen Aktivierung zumindest teilweise verflüssigen und sich beim Auftreffen auf der Oberfläche des Bauteils wiederverfestigen, so dass das wiederfestigte Ummantelungsmaterial eine mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Partikel bewirkt.
Alternativ kann das Ummantelungsmaterial bei dessen Aktivierung zumindest teilweise oder auch vollständig von dem Partikel getrennt werden, d.h. beispielsweise verdampfen oder zerfallen, wobei die Partikel dann bei der Aufbringung auf den Oberflächenbereich des Bauelements, z.B. unter Einwirkung des Plasmastrahls, mit dem Oberflächenbereich des Bauelements (mechanisch fest bzw. stoffschlüssig) verbunden werden.
Im Folgenden werden einige beispielhafte Prozessbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts, d.h. des Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements, beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Konzept werden also vollständig mit dem Ummantelungsmaterial 104-2 umgebende/ummantelte Partikel 104-1 in ein physikalisch-thermisches (heißes) Plasma eingebracht, wobei das Ummantelungsmaterial 104-2 als Träger und/oder Schutzschicht des eigentlich aufzubringenden Partikels 104-1 fungiert. Die Ummantelung kann ein metallisches und/oder organisches Material aufweisen. Da das erfindungsgemäße Konzept insbesondere auch für mittlere Partikeldurchmesser von größer 25 µm und beispielsweise in einem Bereich zwischen 50 µm und 150 µm eingesetzt werden kann, wird für die Durchwärmung (Plasma-Aktivierung) des Ummantelungsmaterials 104-2 mit einer entsprechenden spezifischen Dichte ein (relativ) energiereiches Plasma verwendet. Da der Aktivierungsprozess relativ kurz (z.B. im Millisekunden-Bereich) dauert („10-250ms“) und somit die zu aktivierenden Pulverteilchen 104 sich nur für relativ kurze Zeit in dem Prozessbereich, z. B. in einer Prozesskammer, befinden, werden Prozesstemperaturen von einigen 1000 °K bei der Plasma-Aktivierung eingesetzt.
Bei größeren mittleren Durchmessern d₁ (z.B. > 20 oder 50 µm) der Partikel 104-1 kann die Ummantelungsschicht 104-2 verhindern bzw. zumindest einschränken, dass einerseits aufgrund der hohen Aktivierungstemperaturen Beschädigungen an dem Material der Partikelkernen 104-1 selbst und insbesondere deren Oberflächenbereiche auftreten, und sich anderseits mechanische Spannungen in dem Partikelmaterial ergeben, da trotz der hohen Temperaturen gleichzeitig eine ungenügend homogene Durchwärmung der Partikel 104-1 vermieden werden kann, die sonst im Worst-Case auch zu Spannungsrissen in den Partikeln führen können. Bildhaft ausgedrückt kann somit mit der vollständigen Ummantelungsschicht 104-2, die somit beispielsweise als eine Schutzschicht wirksam ist, eine „verbrannte Kruste“ der Partikel 104-1 bei einem „rohen Kern“ der Partikel 104-1 vermieden werden.
Daher werden gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen die Partikel 104-1 in die als Schutzschicht wirksame Ummantelung 104-2 vollständig eingepackt, wobei die Ummantelung bei den nachfolgenden Ausführungsvarianten folgende Effekte bzw. Wirkungen bereitstellen kann:

1. Durch die Ummantelungsschicht bzw. das Ummantelungsmaterial 104-2 ergibt sich eine Vergrößerung der Gesamtmasse eines einzelnen Pulverteilchens 104, wodurch beispielsweise ein „Nachwärmeffekt“ bei den Pulverteilchen 104 erzielt werden kann, die den Prozessbereich, z. B. eine Prozesskammer, bereits verlassen haben. Diese Schutzschichten 104-2 können gut oder auch schlecht wärmeleitfähige Materialien aufweisen, wobei aber das Ummantelungsmaterial 104-2 im Allgemeinen eine größere spezifische Wärmekapazität als das Partikelmaterial 104-1 aufweist. Somit eignen sich beispielsweise Metalle für das Ummantelungsmaterial 104-2. Die Schutzschicht 104-2 kann so ausgebildet sein, dass sie den nachfolgenden „Aufbringungsprozess“ nicht stört und gegebenenfalls auch auf der bearbeiteten Oberfläche, d. h. sowohl auf dem Substrat (der Bauelementoberfläche 202) und an den Partikeln 104-1, selbst verbleiben kann. Insbesondere ist das Ummantelungsmaterial 104-2 auch wirksam, um die mechanische Verbindung zwischen dem Substratmaterial 204 und den darauf aufzubringenden Partikeln 104-1 zu verbessern.
2. Alternativ kann die Schutzschicht 104-2 während der Plasma-Aktivierung in dem Prozess „zerfallen“, wobei größtenteils nur die eigentlichen Partikel 104-1 verbleiben, welche dann mittels Plasma-Aktivierung auf der Substratoberfläche 202 aufgebracht und mit derselben fest verbunden werden können. Falls gewünscht ist, dass sich die Schutzschicht 104-2 während des Prozesses, d. h. insbesondere während der Plasma-Aktivierung, auflöst, kann die Schutzschicht beispielsweise ein organisches Material, wie ein Polymermaterial, aufweisen.

Die Schutzschicht 104-2 nun beispielsweise ferner wirksam sein, um die Partikel 104-1 im Verarbeitungsprozess, d. h. während der Lagerung, Zuführung zu dem Prozessbereich oder bei der Plasma-Aktivierung, vor anderen, ungewünschten chemischen Reaktionen, wie z. B. einer Oxidation, zu schützen.
Im Folgenden werden einige weitergehende Aspekte zu den oben dargestellten Ausführungsvariante „1“ dargestellt, bei der das Ummantelungsmaterial 104-2 bei dessen Plasma-Aktivierung zumindest teilweise verflüssigt wird, und sich beim Auftreffen auf der Oberfläche 202 des Bauteils wieder verfestigt, so dass das wiederverfestigte Ummantelungsmaterial eine mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement und dem jeweiligen Partikel bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das Partikelmaterial 104-1 ein organisches Material (bzw. organische Stoffe) enthalten, um als Funktionselemente für eine elektronische Sensoranordnung wirksam zu sein. So kann beispielsweise das organische Material der Ummantelung 104-2 auch dielektrische Eigenschaften aufweisen.
Die Partikel 104-1 in dem Pulvermaterial 104 können beispielsweise organische Materialien aufweisen, die durch die Plasma-Aktivierung und die mechanische Ankopplung an oder über das umgebende Ummantelungsmaterial an dem Oberflächenbereich 202 des Substrats 204 ihre physikalischen oder elektrischen (z. B. dielektrischen) Eigenschaften ändern. Das Ummantelungsmaterial kann beispielsweise als Lotmaterial fungieren, wobei die physikalische Änderung(en) an das Substrat 204 weitergegeben werden. Das Substrat 204 kann beispielsweise eine Leiterplatte oder auch eine Chipoberfläche sein. Als Substratmaterialien kommen beispielsweise Stahl oder rostfreier Stahl, glasfaserverstärkte Kunststoffmaterialien (CFK = Carbon fiber re-enforced plastics), Polyamide (PA), Polymere im Allgemeinen, Gussmaterialien, Alu-Komponenten, Magnesiumteile, gesinterte Teile etc. in Frage. Die Aufzählung ist nicht als abschließend anzusehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein Partikel 104-1 aus einem organischen Stoff bzw. Material mit einem Metallmaterial 104-2 (als Ummantelung) vollständig ummantelt werden. Die Metallummantelung wird mittels thermischen Plasmas aktiviert, wobei das als Schutzschicht wirksame Metallmaterial zumindest teilweise aufgeschmolzen wird. Das zumindest zähflüssige (teigige) Metallmaterial schützt weiterhin das organische Material (Organik) der Partikel 104-1 von den aufgrund der Plasma-Aktivierung sehr hohen Oberflächentemperaturen. Das aktivierte Pulverteilchen (der Werkstoff) 104 verlässt den Prozessbereich, z. B. die Prozesskammer, und trifft auf die Substratoberfläche 202 auf, an der das aktivierte Pulverteilchen 104 aufgebracht wird und sich insbesondere das zumindest zähflüssige Ummantelungsmaterial (Metallmaterial) beispielsweise stoffschlüssig mit dem Substratmaterial verbindet (z. B. verbäckt bzw. verschmilzt), wobei zumindest Teile des organischen Partikels 104-1 durch die Kinetik (Geschwindigkeit, Masse und Dämpfung) des Aufbringungsvorgangs auf der Substratoberfläche von dem Ummantelungsmaterial (Metallmaterial) freigelegt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel kann beispielsweise darin bestehen, Glaspartikel 104-1 metallisch zu ummanteln, d. h. mit einer Metallummantelung 104-2 zu versehen, wobei die aktivierten, ummantelten Glaspartikel 104 gezielt auf die zu behandelnde Oberfläche 202 aufgebracht werden können.
Durch die im Vorhergehenden beschriebene Verformung des metallischen Ummantelungsmaterials 104-2 bei dem Auftreffen auf dem zu behandelnden Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 werden einerseits die Glaspartikel 104-1 zumindest teilweise freigelegt, während das Metallmaterial 104-1 eine z.B. formschlüssige (mechanisch feste) Verbindung mit dem Substratmaterial eingeht. Somit werden die Glaspartikel von dem (verformten) Metallmaterial der Ummantelung, ähnlich wie ein Schmuckstein in seiner Fassung, in der gewünschten Position gehalten. Für optische Anwendungen z. B. im sensorischen Laser- oder LED-Bereich sind anstelle von Glaspartikeln auch Saphir- oder Diamantpartikel einsetzbar, um gewünschte optische Eigenschaften auf der Oberfläche des behandelten Substratmaterials zu erhalten.
Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele sind beispielsweise natürlich gleichermaßen auf ein Partikel-Schutzschicht-System anwendbar, bei dem ein Partikel 104-1 aus einem organischen Material mit einem Metall 104-2 (z. B. Weichmetall) ummantelt wird, um den organischen Partikelkern 104-2 vor der oberflächlichen thermischen Beeinträchtigung bzw. Zerstörung (Verbrennen bzw. Verkohlen) während der Plasmabehandlung zu schützen.
Ansonsten sind die im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Ausführungsvariante „1“ gleichermaßen auch auf ein solches Partikel-Schutzschicht-System anwendbar.
Wird nun eine Prozessabfolge gewählt, bei der das Ummantelungsmaterial 104-2 bei dessen Plasma-Aktivierung von dem Partikel 104-1 gemäß der obigen Ausführungsvariante „2“ getrennt wird (z. B. verdampft oder zerfällt), wird auf die nachfolgende beispielhaften Ausführungsbeispiele verwiesen.
Soll beispielsweise eine Kupfer-Schicht (Cu-Schicht) auf dem Substrat 204 strukturiert bzw. aufgebaut werden, kann beispielsweise ein mit einer organischen Schutzschicht 104-2 versehenes Kupferpulver 104 verwendet werden. Das heißt, die Partikel 104-1 sind Kupferpartikel, während das Ummantelungsmaterial 104-2 beispielsweise eine organische Schutzschicht, z. B. ein Polymermaterial, aufweist. Damit kann verhindert werden, dass das Kupfermaterial der Partikel 104-1 bereits im Lagerbehältnis chemischen Reaktionen ausgesetzt ist, d.h. beispielsweise zu oxidieren beginnt. Ferner können etwaige Reaktionen unter den höheren Aktivierungstemperaturen schneller ablaufen. Die organische Schutzschicht 104-2, welche die Kupferpartikel 104-1 ummantelt und schützt, vereinfacht somit die Langzeitlagerung des Metallpulvers 104 (Kupferpulvers), wobei insbesondere auch günstige und einfach einsetzbare Prozessgase, beispielsweise sogar Luft (Pressluft), verwendet werden können.
Das mit der Schutzschicht 104-2 ummantelte Metallpulver 104-1 (z. B. Kupferpulver) gelangt nun in den Prozessbereich 106, z. B. in eine Plasmaprozesskammer, wird dort plasma-aktiviert, d. h. erwärmt, wobei die Schutzschicht 104-2 gegebenenfalls sogar mit einem weiteren antioxidativen Zusatz, wie Phosphor, versehen sein kann. Die Schutzschicht 104-2 wird nun während des Plasma-Aktivierungsvorgangs entfernt, z. B. von dem Metallpartikel 104-1 (z. B. Kupferpartikel) weggebrannt, so dass das reine Metallpulver 104-1 übrigbleibt und nachfolgend oxidfrei auf die zu behandelnde Substratoberfläche 202 aufgebracht bzw. aufgeschmolzen werden kann. Damit kann äußerst effektiv eine sehr reine und verunreinigungsfreie Abscheidung (Metallabscheidung bzw. Beschichtung) auf dem gewünschten Oberflächenbereich 202 des Substrats 204 erzielt werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der mit der Schichtstruktur 200 zu versehende (zu behandelnde) Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 auch vorgeheizt werden. Dieser Vorheizvorgang kann beispielsweise gezielt mittels Laserbestrahlung oder mittels des physikalisch-thermischen Plasmas selbst (ohne die Pulverteilchen 104) oder auch großflächiger mittels eines induktiven Vorgangs oder eines (Durchlauf-)Ofens durchgeführt werden. Ferner kann durch das Vorheizen des zu behandelnden Oberflächenbereichs des Bauelements eine Reinigung dieses Oberflächenbereichs vor der Partikelaufbringung vorgenommen werden. Somit kann beispielsweise bei dem Vorheizen des zu behandelnden Oberflächenbereichs des Bauelements dieser so erwärmt werden, um während des nachfolgenden Aufbringens der aktivierten Pulverteilchens 104 eine Temperatur zwischen 50°C und 250°C, zwischen 80°C und 130°C oder zwischen 100°C und 120°C aufzuweisen.
Die aufgebrachte Schichtstruktur 200 kann beispielsweise nicht durchgehend bzw. nicht kontinuierlich sein, wobei die Partikel 104-1 mit einer Belegung von beispielsweise 5 % bis 50 % (oder beispielweise 2% bis 95%, 3% bis 80% oder 3% bis 30%) des Oberflächenbereichs verteilt auf den behandelnden Oberflächenbereich 202 des Bauelements angeordnet sind. Diesbezüglich wird auf die 2a-b verwiesen, die schematische Darstellungen in einer Draufsicht und Schnittansicht (entlang der Schnittlinie AA) einer aufgebrachten Schichtstruktur 200 an dem Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 zeigen.
Die oben angegebene Belegung bzw. Verteilung ist beispielsweise auf einen (einzelnen) Überfahrvorgang (Behandlungsvorgang) des zu „beschichtenden“ Oberflächenbereichs bezogen. Der Überfahrvorgang des zu „beschichtenden“ Oberflächenbereichs kann auch mehrfach wiederholt werden, um beispielweise die gewünschte resultierende Belegungsdichte (bis zu 100%) des Oberflächenbereichs mit den Pulverteilchen zu erhalten.
Alternativ kann die aufgebrachte Schichtstruktur auch eine durchgehende Beschichtung auf dem behandelnden Oberflächenbereich des Bauelements bilden. Diesbezüglich wird auf die 2c verwiesen, die eine schematische perspektivische Darstellung einer aufgebrachten Beschichtung an dem Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 beispielhaft zeigt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der Überfahrvorgang (Behandlungsvorgang) des zu „beschichtenden“ Oberflächenbereichs solange (mehrfach) wiederholt werden, um beispielsweise eine homogene (i.W. Hohlraum-freie) Schichtstruktur zu erhalten, wobei resultierende Schichtdicken d_S von mehreren µm bis mehreren 100 µm aufgebaut werden können.
Die Aktivierungstemperatur in dem Prozessbereich, d. h. in dem Vermischungsbereich von Plasma- und Pulverelementen 104, kann beispielsweise zwischen 1000 °K und 10.000 °K liegen. Das Plasma kann beispielsweise mittels eines Lichtbogens erzeugt werden. Die Pulverteilchen 104 können aus einem Pulverreservoir (nicht gezeigt in 1) in den Prozessbereich 106 befördert werden. Der Pulverteilchenfluss bzw. Durchsatz durch den Prozessbereich 106 wird nun beispielsweise so gewählt, um über eine vordefinierte mittlere Energieaufnahme des Ummantelungsmaterials die gewünschte Änderung der Viskosität bzw. des Aggregatzustands des Ummantelungsmaterials in dem Prozessbereich 106 zu bewirken. Ferner kann bei der Aufbringungseinrichtung 112 eine Ablenkungsanordnung (nicht gezeigt in 1) vorgesehen sein, die beispielsweise ein magnetisches und/oder elektrisches Feld in einem Bereich zwischen dem Prozessbereich (Aktivierungsbereich) 106 und der Bauelemente-Oberfläche 202 erzeugt, um die (metallischen) Pulverteilchen von dem Plasmastrom zu trennen, um beispielsweise zu verhindern, dass das Plasma auf die zu behandelnde Bauelement-Oberfläche auftrifft.
Im Folgenden werden nun anhand von 3 Ausführungsbeispiele des Verfahrens 300 zur Herstellung einer Schichtstruktur 200 an einem Oberflächenbereich 202 eines Bauelements 204 beschrieben. Bei dem Verfahren 300 zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements werden zunächst Pulverteilchen 104 in einem Prozessbereich bereitgestellt (Schritt 302), wobei ein Pulverteilchen jeweils einen oder mehrere vollständig mit einem Ummantelungsmaterial 104-2 umgebenden Partikel 104-1 aufweist. Daraufhin werden die Pulverteilchen 104 in dem Prozessbereich 106 mit einem physikalisch-thermischen Plasma 110 aktiviert (Schritt 304), um eine Änderung, z.B. Verringerung, der Viskosität bzw. eine Änderung des Aggregatzustands zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials der Pulverteilchen zu bewirken. Schließlich werden die aktivierten Pulverteilchen 104 auf den Oberflächenbereich 202 des Bauelements 204 aufgebracht (Schritt 306), um die (die Partikel aufweisende) Schichtstruktur 200 auf dem Oberflächenbereich des Bauelements zu erhalten.
Bei dem Schritt des Aktivierens 304 kann das Ummantelungsmaterial zumindest teilweise verflüssigt werden und bei dem Schritt des Aufbringens 306 auf dem Oberflächenbereich des Bauteils wiederverfestigt werden. Alternativ kann bei dem Schritt des Aktivierens 304 das Ummantelungsmaterial zumindest teilweise von dem Partikel getrennt werden, wobei bei dem Schritt des Aufbringens 306 die Partikel dann mit dem Oberflächenbereich des Bauelements verbunden werden.
Ferner kann bei einem optionalen Schritt des Vorheizens (nicht gezeigt in 3) der mit der Schichtstruktur zu versehende Oberflächenbereich des Bauelements auf eine Vorheiztemperatur in einem Bereich von 50 °C bis 250 °C, 80 °C bis 150 °C oder 90 °C bis 130 °C erwärmt werden. Der optionale Schritt des Vorheizens kann induktiv (z.B. Wirbelstrom), mittels Laserstrahlung, mittels Elektronenstrahl, mittels eines Durchlaufofens oder mittels des physikalisch-thermischen Plasmas selbst durchgeführt werden.
Der Schritt 306 des Aufbringens kann durchgeführt werden, um eine nicht-durchgehende Schichtstruktur mit einer Oberflächenbelegungsdichte zwischen 2% und 95% auf dem behandelten Oberflächenbereich des Bauelements zu erzeugen. Alternativ kann der Schritt 306 des Aufbringens durchgeführt werden, um eine (zumindest bereichsweise) kontinuierliche Beschichtung 200 auf dem behandelten Oberflächenbereich des Bauelements zu erzeugen.
Bei dem Schritt 302 des Bereitstellens können die Pulverteilchen aus einem Pulverreservoir in den Prozessbereich befördert werden. Dabei kann der Pulverteilchenfluss durch den Prozessbereich so gewählt werden, dass über eine vordefinierte mittlere Energieaufnahme des Ummantelungsmaterials eine gewünschte Änderung der Viskosität des Ummantelungsmaterials bewirkt wird.
Bei dem Schritt 306 des Aufbringens kann ein magnetisches und/oder elektrisches Feld in dem Bereich zwischen dem Prozessbereich und der Bauelementoberfläche erzeugt werden, um die aktivierten Pulverteilchen vor dem Auftreffen auf dem Oberflächenbereich zumindest teilweise von dem Plasmastrom zu trennen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie unter Verwendung eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Verfahren (300) zur Herstellung einer Schichtstruktur an einem Oberflächenbereich eines Bauelements, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (302) von Pulverteilchen in einem Prozessbereich, wobei ein Pulverteilchen jeweils einen oder mehrere vollständig mit einem Ummantelungsmaterial umgebenen Partikel aufweist, Aktivieren (304) der Pulverteilchen in dem Prozessbereich mit einem physikalisch-thermischen Plasma, um eine Änderung des Aggregatszustands oder eine Verringerung der Viskosität zumindest eines Teils des Ummantelungsmaterials der Pulverteichen zu bewirken, wobei das Ummantelungsmaterial ein Zusatzmaterial aufweist, wobei das in dem Ummantelungsmaterial vorhandene Zusatzmaterial als Antioxidationsmittel und/oder Katalysator für das Material des Partikelkerns und/oder der Ummantelung während des Aktivierungsvorgangs wirksam ist, und Aufbringen (306) der aktivierten Pulverteilchen auf dem Oberflächenbereich des Bauelements, um die Schichtstruktur auf dem Oberflächenbereich des Bauelements zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Schritt des Aktivierens (304) das Ummantelungsmaterial zumindest teilweise verflüssigt wird und bei dem Schritt des Aufbringens (306) auf dem Oberflächenbereich des Bauteils wiederverfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei bei dem Schritt des Aktivierens (304) das Ummantelungsmaterial von dem Partikel getrennt oder verdampft wird, und wobei bei dem Schritt des Aufbringens (306) die Partikel mit dem Oberflächenbereich des Bauelements verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit folgendem Schritt: Vorheizen des mit der Schichtstruktur zu versehenden Oberflächenbereich des Bauelements auf eine Vorheiztemperatur in einem Bereich von 50 °C bis 250 °C oder 80 °C bis 130 °C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei dem Schritt (302) des Bereitstellens der Pulverteilchenfluss durch den Prozessbereich so gewählt wird, dass über eine vordefinierte mittlere Energieaufnahme des Ummantelungsmaterials eine gewünschte Änderung der Viskosität des Ummantelungsmaterials bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei dem Schritt (306) des Aufbringens ein magnetisches und/oder elektrisches Feld in dem Bereich zwischen dem Prozessbereich und der Bauelementoberfläche erzeugt wird, um die Pulverteilchen zumindest teilweise von dem Plasmastrom zu trennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ummantelungsmaterial (104-2) ausgebildet ist, um die Partikel (104-1) der Pulverelemente (104) vor dem Verarbeitungsprozess hermetisch gegenüber der Umgebungsatmosphäre abzuschirmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Ummantelungsmaterial (104-2) eine größere spezifische Wärmekapazität als das Material der Partikel (104-1) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pulverteilchen (104) jeweils eine Mehrfachummantelung aus unterschiedlichen Materialien oder mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen aufweisen.