DE3541999A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschichtung von flaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Be­ schichtung von Flächen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren findet vorzugsweise dort Anwen­ dung, wo Flächen dauerhaft und gleichmäßig mit einer Beschichtung zu versehen sind.

Aus der Druckschrift "Laser in Elektroniktechnologie und Materialbearbeitung" M.Novicki, Akademische Verlagsge­ sellschaft, Leipzig, 1982, Seite 160, 2. Absatz, ist ein Verfahren zur Ausbildung von Schutzschichten beschrie­ ben, das mit Hilfe von Laserstrahlen durchgeführt wird. Das die Schutzschicht bildende Material wird in Pulver­ form auf die zu beschichtende Fläche aufgetragen. Zum Erwärmen der zu beschichtenden Fläche sowie zum Schmel­ zen des Materials wird ein nicht fokussiertes Strahlen­ bündel eines kontinuierlich arbeitenden CO₂- Hochlei­ stungslasers verwendet. Dieses Strahlungsbündel wird über die zu beschichtende Fläche geführt, wobei das Ma­ terial aufgeschmolzen und die Oberfläche erwärmt wird. Die Durchführung des Verfahrens erfolgt unter einer neu­ tralen Schutzgasatmosphäre.

Das bekannte Verfahren erlaubt jedoch nur die Ausbildung von sehr dünnen Schichten. Zudem kann mit diesem Verfah­ ren keine gleichmäßige Beschichtung von Flächen durchge­ führt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung aufzuzeigen, die es erlauben, Schichten großer Dicke gleichmäßig und schnell auf eine Fläche aufzutragen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Patentanspruch 6 offenbart.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt zur Beschichtung nicht mehr Energie als herkömmliche Verfahren. Für das Aufheizen, Schmelzen und Verdampfen des Beschichtungs­ materials ist eine Reaktionszone vorgesehen, die durch die Strahlen der Laserquellen gebildet wird. Diese Strahlen sind so gebündelt, daß ihre Energie optimal genutzt wird. Mit Hilfe von optischen Abbildungsele­ menten wird aus ihnen ein die Reaktionszone bildendes linienförmiges Bündel mit definierten geometrischen Ab­ messungen gebildet. Je nach dem, welche Ausgangsleistung die Laserquellen haben, kann z.B. ein Bündel, insbe­ sondere eine Reaktionszone ausgebildet werden, die bis zu 20 cm lang ist, und eine Breite und eine Dicke von 10 bis 100 µm aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, pro Stunde eine Schicht von mindestens 1 µm Dicke auf eine Fläche aufzutragen. Das Beschichtungs­ material kann der Reaktionszone pulver- oder gasförmig zugeführt werden. Es besteht die Möglichkeit, das Be­ schichtungsmaterial auch in Form einer Flüssigkeit in die Reaktionszone einzuleiten. Ferner kann das Beschich­ tungsmaterial auch in Form eines festen Körpers, bei­ spielsweise einer Platte oder eines sich drehenden Zy­ linders direkt innerhalb der Reaktionszone so angeordnet werden, daß es der Einwirkung der gebündelten Strahlen ausgesetzt ist. Das verdampfte Beschichtungsmaterial wird mit Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Feldern auf die zu beschichtende Fläche geleitet und auf dieser abgeschieden. Diese Fläche wird je nach Erforder­ nis in einem Abstand von 1 mm bis zu einigen Zentimetern von der Reaktionszone angeordnet. Für die Beschichtung können sowohl metallische als auch nichtmetallische Werkstoffe verwendet werden. Als erfindungswesentlich ist die Tatsache anzusehen, daß das Verfahren nicht im Vakuum durchgeführt werden muß. Vorzugsweise wird es in einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff bei einem Druck von 1,01×10^-5 Pa durchgeführt. Falls es erforderlich sein sollte, kann anstelle von Stickstoff auch ein ande­ res Gas verwendet werden. Auf elektrische und magneti­ sche Felder für den Transport des verdampften Beschich­ tungsmaterials auf die zu beschichtende Fläche kann ver­ zichtet werden, wenn diese Fläche unterhalb der Reakti­ onszone angeordnet wird, so daß das Beschichtungsmateri­ al durch die Einwirkung der Schwerkraft oder durch die Wirkung des strömenden Gases auf die zu beschichtende Fläche transportiert wird.

Die Vorrichtung, welche für die Durchführung des Verfah­ rens vorgesehen ist, weist zwei Laserquellen auf, die spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Die Reak­ tionszone, in welcher das Beschichtungsmaterial erhitzt, geschmolzen und verdampft wird, wird zwischen den beiden Laserquellen im Bereich ihrer Symmetrieachse ausgebil­ det. Zwischen jeder Laserquelle und der Symmetriachse ist jeweils eine optische Abbildungs- und Reflexions­ einrichtung angeordnet. Zu ihr gehören mindestens eine Zylinderlinse, eine Blende und Reflektoren in Form von Spiegeln. Mit ihnen werden die Laserstrahlen zu der Re­ aktionszone gebündelt. Laserstrahlen, welche durch die Reaktionszone hindurchlaufen oder dort gestreut werden, werden mit Hilfe der Reflektoren in die Reaktionszone, insbesondere in das linienförmige Bündel zurückgeleitet. Für die Abfuhr der Verlustwärme ist wenigstens je eine Kühlvorrichtung im Bereich einer jeden Blende vorgese­ hen.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der für die Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung, die in der Zeichnung dargestellt ist, er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, teils in perspektivi­ scher, teils in schematischer Darstellung, und

Fig. 2: einen Ausschnitt aus der in Fig. 1 darge­ stellten Vorrichtung in vergrößertem Maßstab.

Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 weist durch zwei Laser­ quellen 2 A und 2 B, zwei optische Abbildungs- und Refle­ xionseinrichtungen 3 und 4 sowie eine Dosiereinrichtung 5 auf. Die beiden Laserquellen 2 A und 2 B sind spiegel­ symmetrisch zueinander angeordnet. Es handelt sich hier­ bei um CO₂-Laser. Sie können eine Ausgangsleistung von mehr als 100 kW haben. Der erforderliche Abstand der La­ serquellen 2 A, 2 B zu ihrer Symmetrieachse wird durch die optischen Abbildungs- und Reflexionseinrichtungen 3 und 4 mitbestimmt. Im Bereich der Symmetrieachse der beiden Laserquellen 2 A und 2 B wird eine Reaktionszone 6 ausge­ bildet, deren Längsachse senkrecht zur Hauptrichtung der Strahlen verläuft. Zwischen jeder Laserquelle 2 A, 2 B und der zugehörigen Symmetrieachse ist je eine Abbildungs­ und Reflexionseinrichtung 3 bzw. 4 installiert. Zu jeder dieser Einrichtungen 3 und 4 gehört eine Zylinderlinse 3 Z, 4 Z, die im Abstand vor der Austrittsöffnung der La­ serquelle 2 A, 2 B installiert ist. Zwischen jeder Zylin­ derlinse 3 Z, 4 Z und der Reaktionszone 6 ist je ein Kera­ mikblock 3 B, 4 B als Blende angeordnet. Jede Blende 3 B, 4 B ist mit einer Bohrung 3 L versehen, die in Form eines Schlitzes ausgebildet ist, der sich zur Reaktionszone 6 hin keilförmig verjüngt. Zwischen jeder Zylinderlinse 3 Z, 4 Z und jeder Blende 3 B, 4 B sind beidseitig des Strah­ lenganges Reflektoren 3 R, 4 R angeordnet. Die Reflektoren sind nur schematisch dargestellt. Die von der Laserquel­ le 2 A, 2 B kommenden Strahlen, die zunächst parallel aus­ gerichtet sind, werden mit Hilfe der optischen Abbil­ dungseinrichtung 3,4 zu der Reaktionszone 6 gebündelt. Das die Reaktionszone 6 begrenzende Bündel weist in die­ sem Ausführungsbeispiel eine Länge von 10 cm auf. Die Längsausdehnung des Bündels erstreckt sich parallel zur Y-Achse des in Fig. 1 dargestellten rechtwinkligen Koor­ dinatensystems. Die Breite des Bündels in X-Richtung beträgt 10 µm. Das gleiche gilt für die Dicke in Z-Rich­ tung. Durch geeignete Wahl der beiden Laserquellen 2 A und 2 B können die Abmessungen des Bündels bzw. der Reak­ tionszone 6 auch vergrößert bzw. verkleinert werden. Es ist beispielsweise die Ausbildung eines Bündels mit ei­ ner Länge von 20 cm und einer Breite von 100 µm sowie einer Dicke von ebenfalls 100 µm möglich. Um die Wärme, die sich in den Keramikblöcken 3 B und 4 B ansammelt, ab­ leiten zu können, ist um jeden Keramikblock 3 B, 4 B eine Kühlvorrichtung 7 angeordnet, die bei der hier darge­ stellten Ausführungsform durch Kühlschlangen schematisch dargestellt ist.

Wie Fig. 1 weiterhin zeigt, ist oberhalb der Reaktions­ zone 6 die Dosiervorrichtung 5 installiert. Über sie wird Beschichtungsmaterial 8 aus einem Vorratsbehälter 9 der Reaktionszone 6 zugeführt. Der Vorratsbehälter 9 steht über eine Leitung 10, in welche ein Mikrosieb 11 und ein Ventil 12 eingebaut sind, mit einer Verwirbe­ lungskammer 13 in Verbindung. Dieser wird über die Lei­ tung 14 ein Trägergas zugeführt. Das in dem Vorratsbe­ hälter 9 enthaltene Beschichtungsmaterial 8, das dort in Form von sehr kleinen Teilchen mit einer Teilchengröße vorliegt, die kleiner als 1µm sein kann und nicht größer als 10 µm sein sollte, wird mit dem Trägergas in der Ver­ wirbelungskammer 13 vermischt. Als Trägergas wird vor­ zugsweise Argon verwendet. Die mit dem Trägergas zu ver­ mischende Menge des Beschichtungsmaterials kann mit Hil­ fe des Ventils 12 eingeregelt werden. Über eine Leitung 15 wird dieses Gemisch einer Düse 16 zugeleitet, von der aus es der Reaktionszone 6 zugeführt wird.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend erläutert.

Die aus den beiden Laserquellen 2 A und 2 B kommenden, zunächst parallel verlaufenden Strahlen werden mit Hilfe der Zylinderlinse 3 Z, 4 Z und der Blende 3 B, 4 B gebün­ delt. Dieses Bündel, das die Reaktionszone 6 bildet, liegt zwischen den beiden Blenden 3 B und 4 B und er­ streckt sich beidseitig der Symmetrieachse der spiegel­ symmetrisch angeordneten Laserquellen 2 A und 2 B. Die Reaktionszone 6 weist genaue geometrische Abmessungen auf. Die Länge des Bündels beträgt 10 cm, die Breite 10 µm und die Dicke ebenfalls 10 µm. Die Düse 16 der Do­ siervorrichtung 5, über welche das mit dem Trägergas vermischte Beschichtungsmaterial 8 der Reaktionszone 6 zugeführt wird, ist in geringem Abstand über der Reakti­ onszone 6 angeordnet. Das Beschichtungsmaterial wird mit Hilfe des strömenden Gases in die Reaktionszone 6 trans­ portiert. Wie Fig. 2 zeigt, weist die Reaktionszone 6 eine innere Struktur auf. Sie ist in drei Bereiche 6 A, 6 B und 6 C aufgeteilt. Der Bereich 6 A, welcher der Düse 16 zugewandt ist, dient zum Erhitzen des von der Düse 16 zu der Reaktionszone 6 transportierten Beschichtungsma­ terials 8. An diesen Bereich 6 A schließt sich der Be­ reich 6 B an, in dem das Schmelzen des Beschichtungsmate­ rials 8 erfolgt. Auf diesen Bereich folgt unmittelbar der Bereich 6 C, innerhalb dessen das geschmolzene Be­ schichtungsmaterial verdampft wird. Diese innere Struk­ tur des Bündels, insbesondere der Reaktionszone 6, läßt sich mit Hilfe der optischen Abbildungseinrichtung 3 B, 4 B, 3 Z, 4 Z in der oben beschriebenen Weise ausbilden. Strahlen, die durch die Reaktionszone 6 hindurchlaufen, werden mit Hilfe der Reflexionseinrichtung 3 R, 4 R in die Reaktionszone 6 zurückgestreut, so daß der Verlust an gestreuten Photonen gering gehalten wird.

Das aus der Reaktionszone 6 austretende verdampfte Be­ schichtungsmaterial 8 wird der zu beschichtenden Fläche 17 zugeführt. Um eine optimale Beschichtung der Fläche 17 sicherzustellen, werden zusätzlich elektrische und/oder magnetische Felder so ausgebildet, daß das Be­ schichtungsmaterial 8 an die gewünschte Stelle der Flä­ che 17 transportiert wird. Als Beschichtungsmaterial kann beispielsweise Zirkonsilikat (ZrSiO₄) in der Ver­ wirbelungskammer 13 mit Argon vermischt und der Reakti­ onszone 6 zugeführt werden. Es wird innerhalb der Reak­ tionszone 6 verdampft und auf der Fläche 17 in Form ei­ ner verdichteten Zirkonsilikatschicht abgeschieden. Zir­ konsilikat kann auch mit Stickstoff verwirbelt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen innerhalb der Reaktions­ zone 6 bildet sich Zirkonnitrid, das als Schicht auf der Fläche 17 abgeschieden wird. Auch keramische Materialien wie Magnesiumoxid können mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren auf einer Fläche 17 abgeschieden werden. Inner­ halb der Reaktionszone 6 wird das Magnesiumoxid ver­ dampft und in entsprechender Weise wie die oben be­ schriebenen Materialien auf der Fläche 17 abgeschieden.

Es besteht die Möglichkeit, mehrere Vorrichtungen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, hintereinander anzuord­ nen, um auf der Fläche 17 mehrere Schichten aus unter­ schiedlichen Materialien auftragen zu können. In diesem Fall wird die Fläche 17, nachdem sie mit der Schicht aus einem ersten Material vollständig beschichtet ist, der zweiten Vorrichtung zugeführt, um mit einem weiteren Ma­ terial beschichtet zu werden. Erfindungsgemäß können durch die Anwendung der Laserquellen 2 A und 2 B auch Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B Schichten, die sich gegeneinander verschieben können, auf der Fläche 17 aufgetragen werden.

Ferner kann auf die Fläche 17 auch eine Schicht aufge­ tragen werden, deren Material durch die chemische Reak­ tion von zwei Werkstoffen innerhalb der Reaktionszone 6 bei hohen Temperaturen erst gebildet wird. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, eine Schicht aus Barium­ titanat dadurch herzustellen, daß über die Düse 16 ein Gemisch aus Bariumoxid, Titanoxid und Argon der Reakti­ onszone 6 zugeführt wird. Aufgrund der hohen Temperatu­ ren innerhalb der Reaktionszone 6 bildet sich aus dem Bariumoxid (BaO) und dem Titanoxid (TiO₂) Bariumtitanat (BaTiO₃).

Das Beschichtungsmaterial kann der Reaktionszone 6 auch in flüssiger Form zugeführt werden. Als Beispiel sei hier ein flüssiges Gemisch bestehend aus Zirkon-Bromid und Methyldibromid genannt, das bei einer Temperatur oberhalb von 2000°C in Zirkoncarbid umgesetzt wird:

ZrBr₄ + CH₂Br₂ → ZrC + 2 Br₂ + 2 HBr

Dieses Zirkoncarbid wird von der Reaktionszone 6 der Fläche 17 zugeführt. Die zu beschichtende Fläche 17 ist in einem Abstand von 1µm bis zu mehreren cm von der Re­ aktionszone 6 entfernt beweglich angeordnet, so daß sie mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit an der Reaktions­ zone 6 vorbeigeführt werden kann. Die Düse 16 weist ei­ nen Schlitz (hier nicht dargestellt) mit einer Länge zwischen 1 und 10 cm und eine Breite von 10 bis 100 µm auf, von dem aus das Beschichtungsmaterial der Reakti­ onszone zugeführt wird. Vorzugsweise sind die Ab­ messungen des Schlitzes so gewählt, daß sie mit der Län­ ge und der Breite der Reaktionszone 6 ungefähr überein­ stimmen. Die zu beschichtende Fläche 17 kann mit verän­ derbarer Geschwindigkeit an der Reaktionszone 6 so vor­ beigeführt werden, daß die über ihre Oberfläche aufge­ nommene Wärmemenge hierdurch und durch die Menge des jeweils kondensierten Beschichtungsmaterials 8 variiert werden kann. Durch diese Möglichkeit und durch eine zu­ sätzliche Veränderung des Abstandes zwischen der Reakti­ onszone 6 und der zu beschichtenden Fläche 17, kann die Temperatur bei der Beschichtung variabel gehalten wer­ den.

Es besteht die Möglichkeit, anstelle einer geschlitzten Düse 16 mehrere voneinander getrennte Düsen benachbart anzuordnen. Dies ist dann zweckmäßig, wenn die Gefahr besteht, daß bei Verwendung von verschiedenen Beschich­ tungsmaterialien diese nach dem Austritt aus der Düse ungewollt miteinander reagieren. Zwei Dosiervorrichtun­ gen 5 und damit zwei Düsen 16 sind erforderlich, um die Bildung von Bornitrit zu vermeiden, wenn beispielsweise Bormethyl und Stickstoff der Reaktionszone zugeführt werden. Da diese beiden Werkstoffe schon bei relativ niedriger Temperatur miteinander reagieren, müssen sie der Reaktionszone getrennt zugeführt werden, damit erst dort das Beschichtungsmaterial gebildet wird.

Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit das Beschich­ tungsmaterial nicht in Form von Pulvern oder Flüssigkei­ ten der Reaktionszone 6 zuzuführen, sondern dieses dort in Form eines Festkörpers anzuordnen. Die Beschichtungs­ materialien können beispielsweise in Form einer Platte oder eines rotierenden Zylinders in der Reaktionszone 6 angeordnet werden, wo sie durch das Strahlenbündel ver­ dampft werden. Die Zusammensetzung der Beschichtungs­ stoffe in Form von Platten oder rotierenden Zylindern ist so zu wählen, wie sie in ihrer Zusammensetzung spä­ ter als Schichten abzuscheiden sind.

Claims (10)

1. Verfahren zur Beschichtung von Flächen mit einem Beschichtungsmaterial unter Verwendung von Laserstrah­ len, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen mindestens einer Laserquelle (2 A, 2 B) zu einer Reaktionszone (6) gebündelt werden, und daß das Beschichtungsmaterial (8) in der Reaktionszone (6) aufgeheizt, geschmolzen und verdampft und anschließend auf der zu beschichtenden Fläche (17) abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strahlen von zwei oder mehreren Laserquel­ len (2 A, 2 B) in einer gemeinsamen, linienförmigen Reakti­ onszone (6) mit genauen geometrischen Abmessungen zusam­ mengefaßt werden, und daß die durch die Reaktionszone (6) hindurchlaufenden Strahlen reflektiert und in die Reaktionszone (6) zurückgeworfen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (8) der Reaktionszone (6) kontinuierlich zugeführt oder dort als fester Körper, insbesondere als Platte oder ro­ tierender Zylinder, angeordnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das verdampfte Beschichtungs­ material (8) mit Hilfe von elektrischen und/oder magne­ tischen Feldern, eines Gasstromes oder unter Ausnutzung der Schwerkraft auf die zu beschichtende Fläche (17) geleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (8) als Gas, Flüssigkeit oder als Pulver, das eine Teil­ chengröße zwischen 0,5 und 10 µm aufweist und mit einem Trägergas gemischt wird, der Reaktionszone (6) zugelei­ tet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Laserquellen (2 A, 2 B) vorgesehen sind, und vor jeder Laserquelle (2 A, 2 B) mindestens eine optische Abbildungs- und Reflektionseinrichtung (3, 4) angeordnet ist, derart, daß die Strahlen beider Laser­ quellen (2 A, 2 B) zu einem eine Reaktionszone (6) bilden­ den, linienförmigen Bündel zusammengefaßt sind, daß min­ destens eine Dosiervorrichtung (5) für das Beschich­ tungsmaterial (8) vorgesehen ist, deren Austrittsöffnung mit der Reaktionszone (6) in Verbindung steht, und daß die zu beschichtende Fläche (17) in definiertem Abstand von der Reaktionszone (6) installiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Laserquellen (2 A, 2 B) spiegel­ symmetrisch angeordnet sind, und zwischen jeder Laser­ quelle (2 A, 2 B) und der Symmetrieachse jeweils eine der beiden optischen Abbildungs- und Reflexionseinrichtungen (3, 4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserquellen (2 A, 2 B) CO₂-Laser vorgesehen sind, und daß die zu beschichtende Fläche (17) in einem Abstand von 1 µm bis zu mehreren cm von der Reaktionszone (6) entfernt beweglich angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kühlvorrich­ tung (7) für die Abfuhr der Verlustwärme im Bereich der optischen Abbildungs- und Reflektionseinrichtung (3, 4) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede optische Abbildungs- und Reflektionseinrichtung (3, 4) wenigstens eine Zylin­ derlinse (3 Z, 4 Z), eine Blende (3 B, 4 B) und Reflektoren (3 R, 4 R) in Form von Spiegeln aufweist.