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Die Erfindung ist auf eine Beschichtungsanordnung zum Ablagern von in Gasphase vorliegendem Beschichtungsmaterial auf einem Substrat gerichtet.
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Eine Beschichtungsanordnung, auf welche die Erfindung gerichtet ist, weist eine Beschichtungskammer mit einem Beschichtungskanal und eine Beschichtungsvorrichtung auf. Der Beschichtungskanal, der Bestandteil der Beschichtungskammer ist, dient dem Durchführen des Substrats innerhalb der Beschichtungskammer, in welchem die Beschichtung erfolgt. Zum Bereitstellen des in Gasphase befindlichen Materials weist die Beschichtungsvorrichtung einen Verdampfungsabschnitt mit einem Tiegel auf, der Tiegel ist also Bestandteil des Verdampfungsabschnitts. Der Verdampfungsabschnitt mit dem Tiegel dient dazu, das für die Beschichtung vorgesehene Material in seine Gasphase zu bringen.
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In einer Ausführungsform operieren die Beschichtungsanordnungen, mit der die Erfindung sich beschäftigt, zudem auf dem Prinzip, dass das Beschichtungsmaterial mittels eines Trägergasstroms befördert wird. Zu diesem Zwecke führt eine Trägergasstromzufuhr in den Verdampfungsabschnitt hinein zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials. Durch den Düsenabschnitt und aus diesem hinaus wird also ein Gasstrom geführt, der aus Trägergas und in Gasphase gebrachtem Beschichtungsmaterial besteht. Das Beschichtungsmaterial lagert sich auf der Substratoberfläche ab und das Trägergas befindet sich sodann gemeinsam mit einem Prozessgas in der Beschichtungskammer, insbesondere in dem Beschichtungskanal, aus welchem es bevorzugt mit geeigneten Absaugvorrichtungen abgesaugt wird.
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An der Ausgangsseite des Tiegels ist ein Düsenabschnitt angeordnet, der einen innerhalb der Beschichtungskammer angeordneten Düsenausgang umfasst. Der Düsenabschnitt dient dazu, aus dem Tiegel heraus geführte Beschichtungsmaterial auf eine Substratoberfläche zu richten. Bei Ankunft auf einer zu beschichtenden Oberfläche des Substrats kondensiert das Beschichtungsmaterial und bildet eine Beschichtung. In einer Ausführung, in der ein Trägergastransport des Beschichtungsmaterials vorgesehen ist, ist an der Ausgangsseite des Tiegels ein Düsenabschnitt angeordnet, der einen innerhalb der Beschichtungskammer, insbesondere innerhalb des Beschichtungskanals, angeordneten Düsenausgang umfasst. Der Düsenabschnitt dient dazu, das mit dem Trägergas durch den Tiegel und aus dem Tiegel heraus geführte Beschichtungsmaterial, also das Gemisch aus in Gasphase vorliegendem Beschichtungsmaterial und Trägergas, auf eine Substratoberfläche zu richten. Bei Ankunft auf einer zu beschichtenden Oberfläche des Substrats kondensiert das Beschichtungsmaterial und bildet eine Beschichtung. Das Trägergas verbleibt zunächst in dem Beschichtungskanal und wird in dieser durch geeignete konstruktive und/oder apparative Maßnahmen behandelt, beispielsweise zum Strömen in eine gewünschte Richtung gebracht und/oder an einer oder mehreren Stellen des Beschichtungskanals oder der Beschichtungskammer abgesaugt.
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Ein Beispiel für eine Beschichtungsvorrichtung der vorstehend genannten Art ist eine Jet-Vapour-Deposition-Anlage, unter welcher der Fachmann eine Anlage versteht, in welcher das Beschichtungsmaterial thermisch in Gasphase gebracht wird und es sodann, typischerweise aber nicht zwingend mit einem Trägergasstrom aus Inertgas, zu dem Substrat transportiert wird, bevorzugt mit einer Gasstromgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugt oberhalb 500 m/s. Die Funktionsweise geht beispielsweise aus dem Übersichtsartikel im Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third Edition), Science, Applications and Technology, 2010, Seiten 881-901, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00018-1 (verlinkt am Anmeldetag) hervor. Die vorliegende Erfindung ist mit derartigen Jet-Vapour-Deposition-Anlagen umsetzbar.
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Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung aber allgemeiner für sämtliche Beschichtungsvorrichtungen der eingangs genannten Art nutzbar, also für alle Beschichtungsvorrichtungen, bei in einem einen Tiegel aufweisenden Verdampfungsabschnitt das für die Beschichtung vorgesehene Material in seine Gasphase gebracht wird und dieses sodann durch einen Düsenabschnitt hindurch und aus einem Düsenausgang des Düsenabschnitts hinaus zu der Substratoberfläche hin gerichtet wird.
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Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für die Untergattung solcher Beschichtungsvorrichtungen vorgesehen, bei denen eine Trägergasstromzufuhr in den Verdampfungsabschnitt hinein führt zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials zu der Substratoberfläche hin.
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Ein weiteres Beispiel einer Beschichtungsvorrichtung der vorstehend genannten Art ist zum Beispiel aus der
WO 2016/042079 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Beschichtungsvorrichtung werden kontinuierlich zwei Drähte als Beschichtungsmaterial zugeführt. Das Beschichtungsmaterial gelangt zu einem Spritzkopf, bei welchem die beiden Materialdrähte als Kathode und als Anode an eine elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Infolge der elektrischen Gleichspannung zwischen Kathode und Anode bildet sich zwischen den beiden Materialdrähten ein elektrischer Lichtbogen, wodurch das zugeführte Ausgangsmaterial in Form der beiden Materialdrähte verdampft und/oder verflüssigt wird. Durch den Spritzkopf hindurch wird ein Gasstrom geführt, welcher das verdampfte und/oder verflüssigte Beschichtungsmaterial mit sich reißt und über ein Injektorrohr in einen Tiegel transportiert. Das in den Tiegel beförderte Beschichtungsmaterial verdampft sodann vollständig innerhalb des beheizten Tiegels und wird aus dem Tiegel herausgeführt und zu dem zu beschichtenden Substrat hin gerichtet. Diese Beschichtungsvorrichtung weist eine Kombination aus Elementen auf, die auch von Jet-Vapor-Deposition-Anlagen bekannt sind sowie aus Elementen, die aus Anlagen bekannt sind, die nach dem Prinzip der Are Evaporation arbeiten. Die Vorrichtung basiert auf der Beförderung des Beschichtungsmaterials mit einem Trägergasstrom. Für die Bereitstellung des Beschichtungsmaterials als in Gasphase vorliegendes Material nutzt diese Beschichtungsvorrichtung einen Verdampfungsabschnitt, der sich aus einem Vorverdampfungsabschnitt und einem als Tiegel ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt zusammensetzt. Der Vorverdampfungsabschnitt bereitet das Material in dem Spritzkopf und dem Injektorrohr auf und stellt es für die Nachverdampfung, das heißt: das zumindest größtenteils in Gasphase bringen von noch vorhandenen festen oder flüssigen Anteilen, dem Tiegel bereit.
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Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein Stahlband handeln. Zur Vermeidung von unerwünschten Reaktionsprozessen des zur Beschichtung vorgesehenen Materials, beispielsweise von Oxidation mit Atmosphärensauerstoff, findet der Beschichtungsprozess in einem Beschichtungskanal einer Beschichtungskammer bei Drücken deutlich unterhalb des Atmosphärendrucks statt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexiblere und verbesserte Einstellung und erhöhte Ausbringung des für die Beschichtung vorgesehenen Materials bei Beschichtungsanordnungen der eingangs genannten Art herbeizuführen. Die Aufgabe wird mit einer Beschichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Beschichtungsanordnung weist eine Beschichtungskammer mit einem Beschichtungskanal auf, der Beschichtungskanal ist also Bestandteil der Beschichtungskammer, sowie eine Beschichtungsvorrichtung
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Die Beschichtungsvorrichtung umfasst:
- einen Verdampfungsabschnitt mit einem Tiegel, der Tiegel ist also Bestandteil des Verdampfungsabschnitts, zum in Gasphase bringen des Beschichtungsmaterials,
- einen ausgangsseitig des Verdampfungsabschnitts angeordneten, bevorzugt mit diesem gekoppelten, Düsenabschnitt mit einem innerhalb der Beschichtungskammer, insbesondere innerhalb des Beschichtungskanals, mündenden Düsenausgang zum Richten des aus dem Tiegel herausgeführten in Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials auf eine Substratoberfläche, auf welcher sich das in Gasphase vorliegende Beschichtungsmaterial ablagert,
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung weist eine Partikelzufuhreinrichtung auf, die an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet ist. Die Partikelzufuhreinrichtung mündet mit einer Zuführmündung an dem Verdampfungsabschnitt. Mit der Partikelzufuhreinrichtung ist es möglich, Partikel in den Verdampfungsabschnitt hineinzuführen. Der Begriff des Partikels ist dabei ein Sammelbegriff, der insbesondere Atomcluster oder Molekülcluster umfasst und beispielsweise als Pulver vorliegendes Material bezeichnen kann.
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Der Verdampfungsabschnitt ist die Gesamtheit aller apparativen Einrichtungen der Beschichtungsvorrichtung, welche die Überleitung des für die Beschichtung vorgesehenen Ausgangsmaterials in die Gasphase hinein bewirken. Hierzu weist der Verdampfungsabschnitt eine Zuführung für das Ausgangsmaterial auf, durch die der Verdampfungsabschnitt mit dem Ausgangsmaterial bestückt wird zu dessen Verdampfen.
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Im Rahmen der gesamten Beschreibung werden die Begriffe der Gasphase und des Verdampfens verwendet, da sie im Bereich der beschriebenen Technologie üblich sind. Der Begriff der Gasphase umfasst dabei, dass ein geringer Gewichtsanteil, beispielsweise bis zu 30 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 10 Gew.-%, des in Gasphase vorliegenden Materials nicht in Gasphase im physikalischen Sinne, sondern stattdessen als Dampf, als Aerosol und/oder als Cluster vorliegen kann. Der Begriff des Verdampfens umfasst, dass je nach verwendetem Material und nach verwendeter Technologie der Übergang der Teilchen in die Gasphase zumindest teilweise auch mittels anderer Mechanismen erfolgt, beispielsweise durch Sublimation. Der Begriff des Verdampfens umfasst somit zusätzlich zu einem Verdampfen im streng physikalischen Sinne, also einem Übergang „flüssig -> Gasphase“, auch weiter Mechanismen, wie insbesondere die Sublimation.
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Bevorzugt weist die Beschichtungskammer zum Ein- und Ausbringen des Substrates einen Eintrittsdurchgang und einen Austrittdurchgang auf sowie weist der Beschichtungskanal, welcher innerhalb der Beschichtungskammer angeordnet ist, zum Ein- und Ausbringen des Substrats eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass an dem Verdampfungsabschnitt eine Partikelzufuhreinrichtung angeordnet ist, die mit einer Zuführmündung in dem Verdampfungsabschnitt mündet. Die Partikelzufuhreinrichtung umfasst dabei eine in der Zuführmündung mündende beispielsweise als Rohr ausgebildete Leitung, durch welche hindurch Partikel in den Verdampfungsabschnitt hineingeführt werden können. Die Partikelzufuhreinrichtung kann auch weitere Bauelemente aufweisen, beispielsweise Ventile, Schleusen, Pumpen und dergleichen. Die genaue Ausführung der Partikelzufuhreinrichtung ist dem Fachmann je nach vorherrschenden konkreten Begebenheiten, das heißt vor allem: unter Berücksichtigung der Druckgradienten und Massenflüsse, problemlos möglich; wesentlich ist, dass mit der Partikelzufuhreinrichtung eine Eignung verbunden ist, Partikel ausgehend von einem Reservoir hin zu einem Prozessort zu führen, an welchem die Zuführmündung platziert ist. Der Begriff des Partikels umfasst insbesondere in Festform vorliegende Materialien, insbesondere in Pulverform.
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Es sind verschiedende Ausführungen der Partikelzufuhreinrichtung möglich, die sich in der Quelle der Partikel unterscheiden, wie nachfolgend ausführlich erläutert werden wird.
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Zum einen ist eine Ausführungsform möglich, gemäß welcher das die Partikel, bevorzugt in Form eines Pulvers, aus einer externen Quelle über eine Zugabeöffnung zugegeben wird. Es ist eine kontinuierliche Zugabe möglich. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Partikelzufuhreinrichtung eine als Reservoir dienende Vorratskammer und eine zur Zuführmündung führende Leitung aufweist, wobei das Reservoir beispielsweise sequentiell befüllt werden kann, beispielsweise zwischen zwei Beschichtungsvorgängen während eines Anlagenstillstands der Beschichtungsanordnung.
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So ist möglich, prinzipiell weitgehend beliebige Elementzusammensetzungen zu dem in der Zuführung für das Ausgangsmaterial eingeführten Ausgangsmaterial zuzufügen. Durch eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere möglich, eine flexiblere Einstellung der herzustellenden Beschichtung vorzusehen. So ist beispielsweise möglich, Beschichtungen herzustellen, die mit dem Ausgangsmaterial selbst sowie gegebenenfalls zugeführten Gasen allein nicht in ihrer chemischen Zusammensetzung bereitgestellt werden können und deshalb zusätzliche Elementbeimengungen, beispielsweise in Form von als Pulver vorliegenden Partikeln, erfordern. Weiterhin ist beispielsweise möglich, überstöchiometrische, unterstöchiometrische oder metastabile Schichten herzustellen.
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Eine andere Ausführungsform hingegen sieht vor, dass die Partikelzufuhreinrichtung mit aus der Beschichtungskammer, bevorzugt dem Beschichtungskanal, selbst stammenden Partikeln gespeist wird, insbesondere durch dort vorhandene nicht unterdrückte Stäube und Dämpfe; eine derartige Vorgehensweise führt prinzipiell dazu, dass die Partikel in der Partikelzufuhreinrichtung die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials oder eine ähnliche Zusammensetzung wie das Ausgangsmaterial aufweisen und eine Ausbringung des aus der Beschichtungskammer gewonnenen überschüssigen, dort als Staub oder Dampf angefallenen, Materials erhöht.
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Insgesamt wird mit dem Vorsehen einer Partikelzufuhreinrichtung zu dem eingangs genannten bekannten Verfahren erreicht, dass ein flexibleres und/oder ein effizienteres Beschichtungsverfahren bereitgestellt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Beschichtungsvorrichtung als Jet-Vapor-Deposition-Vorrichtung ausgebildet. In einer besonders einfachen Ausgestaltung einer solchen besteht der Verdampfungsabschnitt aus dem Tiegel.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Beschichtungsanordnung weisen eine Trägergasstromzufuhr der Beschichtungsvorrichtung auf. Ein Trägergas, beispielsweise ein Inertgas wie Ar oder N2, wird als Trägergasstroms in den Verdampfungsabschnitt hinein und durch diesen hindurch geführt, um Beschichtungsmaterials mit zu führen.
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In einer speziellen Ausführungsform einer Beschichtungsvorrichtung wie beispielsweise der eingangs beschriebenen Beschichtungsvorrichtung umfasst der Verdampfungsabschnitt einen Vorverdampfungsabschnitt mit insbesondere einem Spritzkopf sowie ein Injektorrohr von dem Spritzkopf zu dem als Nachverdampfungsabschnitt ausgebildeten Tiegel. Dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial zugeführt, bevorzugt in Draht- oder in Bandform. In dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial aufbereitet, das bedeutet, es werden Bestandteile des Ausgangsmaterials verdampft und/oder als in Flüssigphase vorliegende Partikel vom Ausgangsmaterial getrennt, bevorzugt mittels einem Lichtbogenverdampfen zwischen als Kathode geschaltetem Ausgangsmaterial und als Anode geschaltetem Ausgangsmaterial. Das aufbereitete Ausgangsmaterial liegt nicht vollständig in Gasphase vor, aber besteht aus einem Gemisch insbesondere aus Gasphase und flüssigen oder teilflüssigen Partikeln, das zur Führung durch den Tiegel geeignet ist, um dort nachverdampft zu werden, das heißt: durch dort stattfindende Erwärmung vollständig oder weitgehend vollständig in die Gasphase überzugehen.
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Der Vorverdampfungsabschnitt umfasst insbesondere einen Spritzkopf zum Aufbereiten des als Ausgangsmaterial vorliegenden Beschichtungsmaterials und ein Injektorrohr. Das Injektorrohr ist mit dem Tiegel gekoppelt und ausgebildet, das in dem Spritzkopf aufbereitete Beschichtungsmaterial zu dem Tiegel zu leiten. Das aufbereitete Beschichtungsmaterial gelangt in den Tiegel. Bestandteile des Beschichtungsmaterials, die noch nicht in Gasphase vorliegen, verdampfen innerhalb des Tiegels, der zu diesem Zweck auf eine Temperatur erwärmt ist, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials liegt.
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Der Tiegel ist erwärmt, um das aufbereitete Ausgangsmaterial in Gasphase zu überführen. Die Temperatur, auf welche der Tiegel erwärmt wird, richtet sich nach dem Beschichtungsmaterial, sie muss in der Regel höher sein als die Verdampfungstemperatur des aufbereiteten Ausgangsmaterials. Der Tiegel ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet, da eine Zyklonform eine platzsparende Ausgestaltung ist, die eine effiziente Führung des Gasstroms durch den Tiegel erlaubt. Ein weiterer Vorteil eines in Zyklonform ausgebildeten Tiegels ist dessen hohe Zuverlässigkeit in der nahezu vollständigen Verdampfung des durchströmenden Materials, wodurch eine hohe Qualität der abgeschiedenen Beschichtung gewährleistet wird, ein Beschuss des Bands mit noch in Flüssigphase vorliegendem Beschichtungsmaterial bei sachgemäßer Anwendung nahezu ausgeschlossen werden kann.
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Bevorzugt ist eine in den Verdampfungsabschnitt weisende Trägergasstromzufuhr an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung eines eingangs erläuterten Ausführungsbeispiels, in welchem der Vorverdampfungsabschnitt einen Spritzkopf aufweist, wobei die Trägergasstromzufuhr vor dem Spritzkopf angeordnet ist, sodass das Trägergas durch den Spritzkopf hindurch geleitet ist und dort aufbereitetes Ausgangsmaterial, beispielsweise in Form von Partikeln oder Clustern, mit sich reißt und dieses durch das Injektorrohr hindurch in den Tiegel hinein leitet.
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Unabhängig von der Frage, wie die Herkunft der mit der Partikelzufuhreinrichtung zuzuführenden Partikel ist, sind die Partikel an unterschiedlichen Positionen des Verdampfungsabschnitts zuführbar. Bevorzugt werden sie an einer Position des Vorverdampfungsabschnitts zugeführt.
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Gemäß einer ersten Alternative ist möglich, die Zuführmündung an der Gasstromzufuhr des Spritzkopfes oder aber innerhalb des Aufbereitungsbereichs des Spritzkopfes anzuordnen.
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Wie eingangs bereits erläutert, wird dem Spritzkopf bevorzugt ein Trägergas zugeführt, welches die in dem Spritzkopf durch Schmelzen und/oder Verdampfen bereitgestellten Bestandteile des zu beschichtenden Materials mitführt und zu dem Tiegel und von dort in den Beschichtungskanal hinein befördert. Bei dem Trägergas kann es sich beispielsweise um ein Inertgas handeln wie N2 oder Ar, wobei in vielen Fällen N2 aufgrund der geringeren Kosten bevorzugt ist.
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Ein Zuführen der Partikel zu der Gasstromzufuhr des Trägergases bewirkt, dass die Partikel mit dem Gas in den Bereich des mit dem Ausgangsmaterial gebildeten Lichtbogens geführt werden. Alternativ, nämlich wenn die Partikel in den Aufbereitungsbereich selbst hingeführt werden, ist das Ergebnis dasselbe; in beiden Fällen gelangen die Partikel in den Lichtbogen oder in die Nähe des Lichtbogens, wo sie einer hohen Erwärmung ausgesetzt sind. Die Erwärmung durch den Lichtbogen bewirkt dabei zumindest, dass die Oberflächen der Partikel verflüssigt werden, gegebenenfalls auch das gesamte Volumen der Partikel verflüssigt wird. Mit einer ersten Verflüssigung der zugeführten Partikel sind diese sodann in einem ähnlichen Zustand wie die den Aufbereitungsbereich des Spritzkopfes verlassenden Ausgangsmaterialien, so dass beide zusammen mit dem Gasstrom zu dem Tiegel hin geführt werden und innerhalb des Tiegels durch Erhitzung in dem Tiegel in die zur Beschichtung geeignete Weise in die Gasphase gebracht werden. Das Zuführen des Pulvers in den Prozess mit der Erwärmung in dem Aufbereitungsbereich des Spritzkopfes entspricht damit in der grundsätzlichen Funktionalität etwa dem bekannten Verfahren des Pulverflammspritzens, bei welchem die Oberfläche eines Pulvers durch die „Flamme“ in den flüssigen Zustand überführt wird. Bei dem beschriebenen Verfahren nimmt der Aufbereitungsbereich die Funktion der Flamme des regulären Pulverflammspritzens ein.
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Besonders bevorzugt ist der Spritzkopf eine Drahtspritze für das Lichtbogenschmelzen und/oder das Lichtbogenverdampfen von in die Drahtspritze eingeführten Ausgangsmaterials, in welcher das Ausgangsmaterial in Form von Draht oder Band zugeführt wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung ist die Zuführmündung bei Betrachtung der Prozessführung hinter dem Spritzkopf und vor dem Tiegel zu dem aufbereiteten Beschichtungsmaterial zuführend ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist, dass die Zuführmündung hinter dem Spritzkopf und vor dem Tiegel in einer Zufuhrleitung zu dem Injektorrohr oder in dem Injektorrohr mündet um die Partikel innerhalb des Injektorrohrs dem Material zuzuführen, welches von dem Spritzkopf herkommend in dort bereits aufbereiteter Weise in das Injektorrohr gelangt. Die Partikel werden also in den Gasstrom des Injektorrohrs zugefügt.
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Besonders bevorzugt ist, dass die Zuführmündung mit Bezug auf die Trägergasstromrichtung hinter dem Spritzkopf und vor dem Tiegel in einer Zufuhrleitung zu dem Injektorrohr oder in dem Injektorrohr mündet um die Partikel innerhalb des Injektorrohrs dem Material zuzuführen, welches von dem Spritzkopf herkommend in dort bereits aufbereiteter Weise in das Injektorrohr gelangt. Die Partikel werden also in den Gasstrom aus Trägergas und aufbereitetem Material des Injektorrohrs zugefügt.
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Es ist aber auch möglich, dass die Partikelzufuhreinrichtung mit ihrer Zuführmündung an dem Tiegel angeordnet ist zum Zuführen von Partikeln in den Tiegel.
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Bevorzugt ist der Spritzkopf eine Drahtspritze für das Lichtbogenschmelzen und/oder Lichtbogenverdampfen von in die Drahtspritze eingeführten Ausgangsmaterials. In dem Fall, dass die Partikel in das Injektorrohr gegeben werden, tragen die während des Verfahrens erhitzten Injektorrohrinnenwände erfolgt zumindest anteilig zu einem Verflüssigen der Oberfläche der Partikel über Strahlungserwärmung bei, bevor hiernach die anschließende Herbeiführung der Gasphase durch den nachfolgend angeordneten Tiegel erfolgt. Optional kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das Injektorrohr mit einem Heizelement aktiv erwärmt wird, beispielsweise mit einem widerstandserwärmten oder induktiven Heizer.
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Welche der beiden Ausführungsformen zu bevorzugen ist, hängt beispielsweise davon ab, welche Temperaturen für das Schmelzen und in Gasphase bringen des Materials erforderlich sind; letztlich ist also das Material und die Menge des Materials ein entscheidender Aspekt, gemäß welchem der mit der Umsetzung der Erfindung betraute Fachmann eine der beiden Alternativen wählt. Da es sich um eine reine Auslegungsfrage handelt, stellen diese Überlegungen für den Fachmann kein Problem dar, vielmehr ist es von Vorteil, dass dem Fachmann mehrere Optionen des Vorgehens bereitstehen.
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Dadurch, dass zusätzlich zu dem in Gasphase bringen des Ausgangsmaterials ein Erwärmen der zugeführten Partikel erforderlich ist, ist die Menge der Zuführung von Partikeln begrenzt. In Versuchen hat sich gezeigt, dass in einem selben Zeitfenster die Partikelmasse, also die Masse der zugeführten Partikel, weniger als 0,8 der Drahtmasse, bevorzugt weniger als 0,5 der Drahtmasse, das heißt: der Masse des aufbereiteten Ausgangsmaterials, betragen muss, um das in Gasphase bringen der zugeführten Partikel bis zum vollständigen Durchlaufen des Tiegels zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich sollte der effektive Durchmesser von wenigstens 90 Prozent der zugeführten Partikel, besonders bevorzugt wenigstens 99 Prozent der zugeführten Partikel, zwischen 50 nm und 1 mm eingestellt werden, wobei noch bevorzugter der effektive Durchmesser von wenigstens 90 Prozent der zugeführten Partikel, besonders bevorzugt wenigstens 99 Prozent der zugeführten Partikel, zwischen 50 nm und 50 µm, ist. Der Begriff des effektiven Durchmessers ist dabei als der Durchmesser eines kugelförmigen Partikels zu verstehen, welches dasselbe Volumen des im Allgemeinen nicht-kugelförmigen Partikels aufweist. Alternativ oder zusätzlich sollte der effektive Durchmesser in keinem Fall mehr als 1 mm betragen. Das Einstellen des effektiven Durchmessers ist dahingehend zu verstehen, dass entweder ein Herausfiltern, beispielsweise Durchsieben oder durch Anwendung von Zentrifugalkräften, von größeren und/oder schwereren Partikeln erfolgt oder durch gezieltes Zuführen von zuvor entsprechend bereitgestellten Partikeln die genannten Werte eingehalten werden. Die Einhaltung der genannten Grenzen ist insbesondere in einem Fall wichtig, in welchem, wie eingangs als eine der Varianten erläutert, die Partikelzuführung zu dem Injektorrohr hin erfolgt und die Verflüssigung der Partikeloberfläche durch Strahlungswärme des Injektorrohrs einhergehend mit dessen Abkühlung erfolgt. Anderenfalls würde nämlich eine zu große Energieentnahme aus dem Injektorrohr erfolgen mit dem Nachteil von Partikel-Anhaftungen und damit einhergehend der Gefahr eines Prozessversagens.
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Besonders bevorzugt weist die Beschichtungsanordnung eine Absaugleitung auf, welche ausgehend von einer innerhalb des Beschichtungskanals angeordneten Absaugöffnung zu einer Filtereinrichtung hinführt. Über die Absaugleitung wird, beispielsweise unterstützt durch entsprechende Pumpen, Pulver und/oder Staub aus dem Beschichtungskanal heraus abgesaugt und, gemeinsam mit ebenfalls abgesaugtem Prozessgas, zu der Filtereinrichtung hingeführt. Besonders bevorzugt ist die Absaugöffnung zwischen Zuführöffnung und Austrittsöffnung des Substrats angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sowohl nahe des Eingangs als auch nahe des Ausgangs des Beschichtungskanals jeweils eine Absaugöffnung vorgesehen ist, von welcher jeweils eine Absaugleitung abführt, welche sodann zu einer gemeinsamen Absaugleitung sich vereinigen und hiernach die vereinigte Absaugleitung in die Filtereinrichtung hineinführt. Die Filtereinrichtung ist mit der Partikelzufuhreinrichtung gekoppelt. Die Filtereinrichtung fungiert als Partikelreservoir für die Partikelzufuhreinrichtung, um nach einem Trennen von Partikeln und Prozessgas voneinander herausgefilterte Partikel über die Partikelzufuhreinrichtung dem Vorverdampfungsabschnitt zuzuführen um in der oben beschriebenen Weise die Partikel dem Prozess für die flammspritzähnlichen Weiterprozessierung bereitzustellen.
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Der in der Filtereinrichtung vorherrschende Druck ist bevorzugt kleiner als der am Ort der Zuführmündung herrschende Druck, so dass die Partikel zum Zuführen gegen ein Druckgefälle herangeführt werden müssen, wofür entsprechende Einrichtungen erforderlich sind, insbesondere beispielsweise Pumpen und zwischen Filter und Zuführmündungen angeordneten Fluidsperren.
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Die Filtereinrichtung kann insbesondere zusätzlich eine Rückführleitung aufweisen, um beim Filtern abgetrenntes Prozessgas in den Beschichtungskanal hineinzuleiten und dadurch eine weitere Effizienzsteigerung des Gesamtprozesses zu erreichen.
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Die Filtereinrichtung kann beispielsweise einen Zyklonabscheider und/oder einen Elektrofilter und/oder einen Tuchfilter und/oder einen flüssigkeitsbasierten Filter aufweisen. Das Filtern kann unter anderem das Trennen von Partikeln von Gas umfassen, aber bevorzugt auch das Trennen von hinsichtlich ihrer Größe geeigneten Partikeln von hinsichtlich der Größe nicht mehr geeigneten Partikeln umfassen.
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Die Partikelzufuhreinrichtung weist bevorzugt einen Spiralförderer und/oder eine Schnecke zum Dosieren der Partikel auf; durch derartige Maßnahmen kann eine gleichmäßige, insbesondere auch eine gesteuerte und einstellbare Zuführung der Partikel in den Prozess vorgesehen werden.
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Das Injektorrohr ist bevorzugt aktiv erhitzbar ausgebildet, beispielsweise durch an dem Injektorrohr angeordnete Widerstandserwärmer und/oder auf das Injektorrohr weisende Strahlungserwärmer.
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Der Tiegel ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet, ein Beispiel für einen als Zyklon ausgebildeten Tiegel ist beispielsweise der
WO 2016/042079 zu entnehmen. Ein als Zyklon ausgebildeter Tiegel hat den Vorteil, dass eine besonders effiziente und zuverlässige Verdampfung der in den Zyklon hineingeführten noch nicht vollständig in Gasphase vorliegenden Bestandteile des aufbereiteten Ausgangsmaterials gewährleistet ist.
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Der Beschichtungskanal ist besonders bevorzugt zum Durchführen von Band, insbesondere metallischem Band wie beispielsweise Stahlband, ausgebildet, wobei außerhalb des Beschichtungskanals, bevorzugt außerhalb der Beschichtungskammer, eine Transportanordnung zum Transportieren des Bands durch den Beschichtungskanal hindurch angeordnet ist. Insbesondere ist eine Stützrolle vor und eine Stützrolle hinter dem Beschichtungskanal, jeweils bezogen auf die Bewegungsrichtung des Bands, vorhanden.
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Ein weiterer Gedanke der Erfindung betrifft eine Beschichtungsanordnung, welche sowohl auf der ersten Bandseite als auch auf der zweiten Bandseite jeweils eine Beschichtungsvorrichtung aus einer der Beschichtungsanordnungen der oben genannten Art oder ihrer Weiterbildungen vorsieht mit dem Vorteil, dass die effiziente und flexible Beschichtung der genannten Weise auf jeder Bandseite möglich ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren, in denen beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
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Es zeigen:
- 1: Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanordnung mit beidseitig des Bands angeordneter Beschichtungsvorrichtung gemäß erster Ausführungsvariante;
- 2: Beschichtungsvorrichtung gemäß zweiter Ausführungsvariante.
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1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanordnung 1 mit beidseitig des Bands angeordneter Beschichtungsvorrichtung 2 gemäß erster Ausführungsvariante zu entnehmen. Beidseitig des Bands 3, das in der gezeigten Darstellung vertikal geführt wird, weist die Beschichtungsanordnung 1 jeweils eine Beschichtungsvorrichtung 2 auf, wobei die beiden Beschichtungsvorrichtungen 2 in der speziellen Ausführungsform der 1 identisch sind. Es handelt sich um eine Beschichtungvorrichtung, die einen Vorverdampfungsabschnitt und eine als Tiegel 13 ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt aufweist,
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Es ist eine Beschichtungskammer 4' vorhanden, in welcher ein Beschichtungskanal 4 angeordnet ist, wobei im Beschichtungskanal beispielsweise ein Gesamtdruck in der Größenordnung 100-300 mbar aufrechterhalten wird, wobei in dem Gesamtdruck die Summe der Partialdrücke an Trägergas und Beschichtungsgas beispielsweise mindestens 95 Prozent des Gesamtdrucks ausmachen, und durch den das Band 3 hindurchgeführt wird. Außerhalb des Beschichtungskanals sind Transportrollen 5, 6 einer Transportanordnung zum Transportieren des Bands 3 vorhanden, welche das Band 3 durch den Beschichtungskanal befördern. Es ist ein Spritzkopf 7 vorgesehen, in welchem ein Draht 8 des Ausgangsmaterials als Kathode und ein Draht 9 des Ausgangsmaterials als Anode geschaltet wird derart, dass ein Lichtbogen 10 zwischen beiden gezündet wird und der Lichtbogen 10 das Abtrennen von verdampften und/oder teilweise oder vollständig geschmolzenen Teilchen des Ausgangsmaterials bewirkt. Mit Bezug auf die Prozessführung vor der Drahtspritze ist ein Einlass für das Trägergas 11 vorhanden, in welches der Trägergasstrom eingeleitet wird. Der Trägergasstrom reißt in dem Lichtbogen abgetrennte Teilchen mit sich und führt diese weiter in das mit Bezug zur Prozessrichtung hinter dem Spritzkopf 7 angeordnete Injektorrohr 12. Das Injektorrohr 12 führt in den Tiegel 13 hinein, sodass das in dem Spritzkopf 7 aufbereitete Beschichtungsmaterial durch das Injektorrohr 12 in den Tiegel 13 hineingeleitet wird um in dem Tiegel 13 vollständig oder nahezu vollständig in die Gasphase zu verdampfen.
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Tiegelausgangsseitig ist ein Düsenabschnitt 14 mit dem Tiegel 13 gekoppelt mit einem innerhalb des Beschichtungskanals angeordneten Düsenausgang 15 zum Richten des mit dem Trägergasstrom aus dem Tiegel herausgeführten in Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Bandoberfläche 16.
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Aus dem Beschichtungskanal heraus führen Absaugleitungen 17, 18, über welche eine Mischung aus Trägergas und Beschichtungsmaterial, letzteres insbesondere als Staub, Pulver, Flocken und/oder Dampf, aus dem Beschichtungskanal 4 abgesaugt wird. Die abgesaugte Mischung wird in eine Filtereinrichtung 19 geleitet und in dieser gefiltert; insbesondere wird ein zum Zurückführen in den Prozess geeigneter Anteil des abgesaugten Beschichtungsmaterial von dem Rest der Mischung getrennt. Die Filtereinrichtung 19 ist mit der aus einem Leitungssystem mit Sperrventilen und Fördermittel bestehenden Partikelzufuhreinrichtung 20 gekoppelt zum Zuführen von beim Reinigen der Mischung abgetrennten Partikeln in den Prozess hinein.
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Das Zurückführen erfolgt in dem Vorverdampfungsabschnitt, bei dem es sich um die Gesamtheit aus Spritzkopf samt Gaszuführung und Injektorrohr handelt. In der gezeigten Ausführung mündet eine Leitung der Partikelzufuhreinrichtung mit einer Zuführmündung 21 mit Bezug auf die Gasstromrichtung hinter dem Spritzkopf 7 in einer Zufuhrleitung 22 zu dem Injektorrohr 12. Dadurch werden die Partikel wieder in den Prozess hineingeführt mit dem Ergebnis, dass die Ausbringung des eingesetzten Ausgangsmaterials deutlich erhöht ist. Auf der anderen Seite des Bands ist der Aufbau identisch, weswegen auf die Anbringung von Bezugszeichen verzichtet wird.
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2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel zu entnehmen. Gezeigt ist eine einseitige horizontale Beschichtungsanlage. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 vornehmlich dadurch, dass die Partikel, die in Filter 19 gewonnen werden über die Partikeleinspeisung in den Gasstrom vor der Drahtspritze eingespeist, die Zuführmündung 21 der Partikelzufuhreinrichtung 20 in einer Leitung mündet, welche der Gasstromzufuhr zu dem Spritzkopf 7 dient.
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Selbstverständlich ist die Entscheidung, an welcher Position des Prozesses die Partikelzufuhr erfolgt, nicht von der Frage abhängig, ob eine beidseitige Beschichtung oder eine einseitige Beschichtung vorgenommen wird, sodass beispielsweise eine Partikelzufuhr gemäß 2 auch in der Anlage der 1 vorgenommen werden kann oder auch umgekehrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/042079 A1 [0008]
- WO 2016/042079 [0047]
