Verfahren zur Aerosoldeposition und Verfahren zur Herstellung eines Keramikteils und Vorrichtung zur Herstellung von

Schichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aerosoldeposition sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikteils und eine Vorrichtung zur Herstellung von Schichten.

Es ist bekannt, dichte Schichten eines Materials mittels Ae ^¬ rosoldeposition zu fertigen. Dazu wird ein Ausgangsmaterial, beispielsweise Keramik, in Pulverform herangezogen, welches in ein Vakuum von etwa 1 bis 20 mb hinein beschleunigt wird. Die ins Aerosol überführten Partikel werden nachfolgend auf ein Substrat aufgesprüht. Beim Aufprall bilden die individu ^¬ ellen Partikel eine dichte Schicht des Ausgangsmaterials aus.

In bestimmten Fällen liegt das vorgesehene Ausgangsmaterial nicht in reiner Form vor, sondern das Pulver enthält Verunreinigungen. Insbesondere bei nitridischen oder nichtoxid- ischen Werkstoffen oder im Falle intermetallischer Verbindungen, wie insbesondere Boriden, etwa Magnesiumdiborid (MgB ₂ ) , bilden sich häufig bei der Herstellung des Pulvers oder bei der Handhabung des Pulvers durch Kontakt mit Sauerstoff oder Feuchtigkeit Mischoxide und/oder Verunreinigungen aus, welche bei der Aerosoldeposition die Eigenschaften der sich ausbildenden Schicht sowie den Abscheideprozess selbst beeinflussen können .

Insbesondere bei der Fertigung von Hochtemperatur- Supraleitern wie Magnesiumdiborid (MgB ₂ ) ist eine Verunreini ^¬ gung des Magnesiumdiborid-Pulvers durch Magnesiumoxid- Partikel (MgO-Partikel ) kritisch, da sich Magnesiumoxid- schichten bei der Aerosoldeposition ausbilden. Verunreinigungen haben jedoch einen großen Einfluss auf die Eignung der hergestellten Schichten als Supraleiter, so dass die bislang bekannte Aerosoldepositionsmethode kein praxistaugliches Her ^¬ stellungsverfahren bildet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Aero- soldeposition bereitzustellen, mittels welchem materialreinere Schichten herstellbar sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikteils anzugeben, mittels welchem sich das Keramikteil mit einer hohen Reinheit, insbesondere ein Hochtemperatur-Supraleiter mit ei- ner hohen Reinheit, herstellen lässt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von Schichten anzugeben, mit welcher die vorgenannten Verfahren ausführbar sind . Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Aerosoldeposition mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren zur Herstellung eines Keramikteils mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen und mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Schichten mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aerosoldeposition wird ein Pulver mit Partikeln zumindest zweier Stoffe herangezogen. Dabei wird das Pulver zunächst in ein Aerosol über ^¬ führt. Nachfolgend wird das Pulver, d.h. die Partikel des Ae ^¬ rosols, einer Deposition unterworfen. Erfindungsgemäß werden dabei Partikel zumindest eines Stoffs im Aerosol und vor De- position gefiltert.

Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Partikel gefiltert, indem die Partikel elektrisch abhängig vom Stoff des Partikels mit einer Ladung geladen werden und auf- grund ihrer Ladung gefiltert werden. Dazu werden die Partikel geeignet mittels bekannter Verfahren zur Partikelaufladung elektrisch geladen, insbesondere mittels Kontaktaufladung oder mittels Feldaufladung oder sonstiger Verfahren, etwa mittels eines Plasma-Verfahrens oder eines Ionisationsverfah ^¬ rens .

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens werden die Partikel abhängig von ihrer Masse oder ihrem Verhältnis von Masse und elektrischer Ladung zueinander gefiltert. Zweckmäßig erfolgt die Filterung der Partikel ana ^¬ log zur Filterung von Atomen oder Molekülen in der

Massenspektrometrie .

Vorzugsweise werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Partikel abhängig von ihrer Größe oder ihrem Verhältnis von Größe und Masse und/oder von Größe und elektrischer Ladung zueinander gefiltert.

Besonders bevorzugt werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Partikel mittels eines magnetischen und/oder elekt ^¬ rischen Feldes gefiltert. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden bei dem Verfahren die Partikel mittels eines Gasstroms gefiltert, vorzugsweise selektiv nach der Größe oder dem Verhältnis von Partikelquerschnittsfläche zur Masse der Partikel. Zweckmäßig werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Partikel mittels einer Dralldüse gefiltert.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Pulver zumindest mit einem keramischen Pulver, insbesondere ei- nem nitridischen und/oder boridischen Pulver, gebildet.

Gerade keramische Pulver wie nitridische oder boridische Pul ^¬ ver sind zur Herstellung von Keramiken wie insbesondere von Hochtemperatursupraleitern in besonders reiner Form er- wünscht, da jede Verunreinigung, etwa durch oxidische Be ^¬ standteile, die Hochtemperatursupraleiter-Eigenschaften empfindlich stören oder gar verhindern kann. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Partikel, nachdem sie ge ^¬ filtert worden sind, einer Deposition auf einem Substrat unterzogen. Dabei wird das Substrat derart orientiert, dass sich das Substrat, d.h. zumindest eine Oberfläche des Sub ^¬ strats, schräg, vorzugsweise quer, zur Bewegungsrichtung der Partikel erstreckt. Vorzugsweise schließt dabei die Bewe ^¬ gungsrichtung der Partikel mit einer den Partikeln zugewandten Oberfläche einen Winkel ein, welcher zweckmäßig mindes- tens 80 Grad und höchstens 90 Grad, besonders bevorzugt min ^¬ destens 85 Grad, beträgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Schichten auf Substraten ist insbesondere eine Vorrichtung zur Her- Stellung von supraleitenden Schichten auf Substraten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgebildet, ein erfin ^¬ dungsgemäßes Verfahren zur Aerosoldeposition wie es zuvor beschrieben ist, auszuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dazu eine Aerosoldepositionseinrichtung, die ausgebildet ist, ein Pulver von Partikeln zunächst in ein Aerosol zu überführen und nachfolgend einer Deposition zu unterwerfen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Trennvorrichtung, die ausgebildet ist, die Partikel im Aerosol und vor Deposi- tion zu filtern.

Geeigneterweise umfasst die Trennvorrichtung der erfindungs ^¬ gemäßen Vorrichtung eine Gasdüse, wobei die Gasdüse vorzugs ^¬ weise schräg, insbesondere quer oder senkrecht, zu einer Strahlrichtung einer Düse der Aerosoldepositionseinrichtung orientiert ist.

Alternativ oder zusätzlich umfasst die Trennvorrichtung eine Ladeeinrichtung zur elektrischen Ladung der Partikel und/oder einen Magneten zur Trennung geladener Partikel, insbesondere mittels räumlicher Trennung aufgrund der Lorentzkraft, und/oder ein Felderzeugungsmittel zur Erzeugung eines elekt- rischen Feldes, vorzugsweise eine Ladungsanordnung, insbesondere einen Kondensator.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Keramikteils, insbesondere eines Hochtemperatur-Supraleiters, wird das Keramikteil mit einem Verfahren zur Aerosoldepositi ^¬ on wie es zuvor beschrieben worden ist, gebildet. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich das Keramikteil, ins ^¬ besondere der Hochtemperatur-Supraleiter, leicht mit hoher Reinheit und den damit verbunden Vorteilen ausbilden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge ^¬ stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aerosoldeposition mit einem partikelselektierenden Gasstrahl sowie

Figur 2 eine weitere Anordnung zur Durchführung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aerosoldeposition mit einem partikelselektierenden Magnetfeld schematisch im Längsschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Anordnung zur Aerosoldeposition und umfasst in an sich bekannter Weise eine nicht eigens dargestellte Trägergaszuleitung und eine nicht expli ^¬ zit in der Zeichnung abgebildete Aerosolkammer, wobei mittels der Trägergaszuleitung ein Trägergas in die Aerosolkammer eingeleitet wird. In der Aerosolkammer wird ein Pulver in ein Aerosol überführt, indem das Trägergas derart durch das Pul ^¬ ver geströmt wird, dass das Trägergas das Pulver infolge der Strömung des Trägergases mit sich reißt. In dieser Hinsicht ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung baugleich mit der Vorrichtung, wie sie in der Zeichnungsfigur 1 und der zugehörigen Beschreibung der DE 10 2010 031 741 B4 beschrieben ist. Insoweit sei der Offenbarungsgehalt der vor ^¬ genannten Druckschrift ausdrücklich in die vorliegende Anmel ^¬ dung mit einbezogen.

Im Unterschied zur genannten Druckschrift wird bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung das erfindungsgemäße Verfahren zur Aerosoldeposition nicht mit einem stoffreinen Pulver durchgeführt, sondern das Pulver weist zumindest ein Pulver mit Partikeln zweier voneinander verschiedener Stoffe auf. Die Partikel eines Stoffs unterscheiden sich von jenen Parti- kein des anderen Stoffs neben dem Stoff selbst in der Größe der jeweiligen Partikel sowie der Dichte und Masse der jewei ^¬ ligen Partikel.

Nachdem das Pulver mit diesen Partikeln zweier Stoffe in ein Aerosol überführt worden ist, wird das Aerosol 10 wie in der oben zitierten Druckschrift beschrieben - im gezeigten Ausführungsbeispiel ohne einen Konditionierer - an eine Düse 20 geführt, welche sich zusammen mit einem Substrat 30 in einer Beschichtungskammer (nicht explizit dargestellt) befindet. In der Beschichtungskammer herrscht ein gegenüber Normaldruck verringerter Druck von einigen wenigen, im gezeigten Ausführungsbeispiel fünf, Millibar (der Druck kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch etwa ein Millibar oder beispielsweise 20 Millibar betragen) . Das Pulver strömt aus der Düse 20 be- schleunigt in das Innere der Beschichtungskammer und wird auf das Substrat 30 deponiert, indem der Strahl der Partikel 50, 60 des Pulvers auf das Substrat 30 trifft. Auf dem Substrat kommt es infolge sogenannter „Impact consolidation" zur Ausbildung einer dichten Schicht des Materials der jeweiligen Partikel.

Gemäß dem in der oben zitierten Druckschrift dargelegten Stand der Technik würden die Partikel 50, 60 beider Stoffe auf das Substrat 30 abgeschieden werden, indem die Partikel beider Stoffe die Düse 20 entlang einer Achse A, welche die Symmetrieachse der Düse 20 bildet, verlassen. Gem. Fig. 1 hingegen umfasst die dargestellte Anordnung allerdings erfindungsgemäß zusätzlich eine Gasdüse 40, mittels welcher die Partikel massen- und größenselektiv von der Achse A abgelenkt werden können: Die Gasdüse 40 ist dazu derart an- geordnet, dass die Gasdüse 40 Gas 45 mit hoher Geschwindig ^¬ keit senkrecht zur Achse A und entlang der Achse B auf die Partikel 50, 60 beider Stoffe einströmt.

Aufgrund der unterschiedlichen Größe der Partikel werden da- bei die kleineren Partikel 60 des zweiten Stoffs leichter durch das Gas 45 von der Achse A fort abgelenkt, sodass sich die kleineren Partikel 60 zunehmend von der Achse A entfer ^¬ nen. Die größeren Partikel 50 des ersten Stoffs hingegen werden durch den Strom des Gases 45 der Gasdüse 40 nur geringfü- gig beeinflusst, d.h. im Vergleich zu den Partikeln 60 des zweiten Stoffs entfernen sich die Partikel 50 des ersten Stoffs weniger weit von der Achse A. Folglich trennen sich die Partikel 50, 60 von erstem und zweitem Stoff räumlich vor Deposition auf und werden somit räumlich gefiltert.

Die Partikel 50 des ersten Stoffs treffen auf das Substrat 30. Das Substrat 30 ist dabei als Flachteil mit einander ab ^¬ gewandten und sich zueinander parallel erstreckenden Flachseiten ausgebildet. Die den Partikeln 50 des ersten Stoffs zugewandte Flachseite ist nahezu senkrecht zu einer Bewe ^¬ gungsrichtung t der Partikel 50 orientiert, d.h. der von Oberfläche und Bewegungsrichtung t eingeschlossene Winkel α beträgt höchstens 90 Grad und mindestens 80, im gezeigten Ausführungsbeispiel mindestens 85, Grad. Auf diese Weise bil- den die Partikel 50 effizient und mit hoher Güte und Stoff ^¬ reinheit eine Schicht des ersten Materials aus.

Die Partikel 60 des zweiten Stoffs werden mittels einer Blen ^¬ de 70 ausgeblendet und gesammelt.

In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Düse 20 nicht wie zuvor beschrieben eine kon ^¬ ventionelle Düse 20, sondern eine Dralldüse. Grundsätzlich bleibt das Prinzip der räumlichen Trennung wie oben beschrieben jedoch identisch und lässt sich auf dieses weitere Aus ^¬ führungsbeispiel ohne technische Schwierigkeiten direkt über ^¬ tragen .

Anstelle eines Stroms eines Gases 45 wie in Fig. 1 darge ^¬ stellt können auch elektrische oder magnetische Felder zur Trennung der Partikel 50, 60 des Aerosols herangezogen werden :

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Paar magnetischer Polschuhe 340 dargestellt. Die Polschuhe 340 weisen je eine Polfläche auf, wobei die insgesamt zwei Polflächen einander zugewandt sind und sich zueinander in ihren flächigen Richtungen paral- lel erstrecken. An diesen Polschuhen 340 ist die Düse 20 derart angeordnet, dass sie Partikel 50, 60 entlang einer sol ^¬ chen Achse A einsprüht, welche gleichabständig zu den Pol ^¬ schuhen 340 sowie parallel zu den Polflächen verläuft. Die Polschuhe 340 erzeugen ein in dem Raumbereich zwischen den Polschuhen homogenes Magnetfeld 345, welches im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vom Betrachter weg und senkrecht in die Zeichenebene hinein gerichtet ist. Bevor die Partikel 50, 60 mittels der Düse 20 in den Raumbe ^¬ reich zwischen den Polschuhen 340 eingesprüht werden, werden die Partikel 50, 60 mittels einer nicht eigens dargestellten Ladeeinrichtung elektrisch aufgeladen, d.h. die Partikel 50, 60 gelangen - zumindest weitgehend - jeweils elektrisch gela- den als Aerosol 310 in die Düse 20 hinein.

Die elektrische Ladeeinrichtung ist zur Partikelaufladung ausgebildet. Mittels der Ladeeinrichtung erfolgt die elektri ^¬ sche Aufladung der Partikel 50, 60 in an sich bekannter Wei- se, im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Kontaktaufla ^¬ dung. Es können grundsätzlich auch sonstige dem Fachmann geläufige Ladevorrichtungen zur Anwendung von bekannten Metho- den zur Partikelaufladung herangezogen werden, beispielsweise zur Feldaufladung von Partikeln oder sonstigen Verfahren.

Nach der elektrischen Aufladung werden die Partikel 50, 60 entlang der Achse A in den Raumbereich zwischen den Polschuhen 340, mithin in das homogene Magnetfeld, eingesprüht.

Aufgrund der Lorentzkraft wirkt auf die entlang der Achse A eingesprühten Partikel 50, 60 eine auf die Flugrichtung des jeweiligen Partikels stets senkrecht wirkende Kraft, welche die Partikel 50, 60 auf eine Flugbahn in der Art eines Kreis ^¬ bogens zwingt. Bei einem höheren Verhältnis von Masse der Partikel 50 zur elektrischen Ladung der Partikel 50 werden die Partikel 50 auf einen Kreisbogen mit einem größerem

Kreisradius gezwungen als bei einem niedrigeren Verhältnis von Masse der Partikel 60 zur elektrischen Ladung der Partikel 60.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlassen die Partikel 50 mit einem höheren Verhältnis von Masse der Partikel 50 zur elektrischen Ladung der Partikel 50 den zwischen den Polschuhen 340 befindlichen Raumbereich und werden auf ein Substrat 30 geführt, wo sie wie oben beschrieben auf das Substrat 30 deponiert werden.

Die Partikel 50 des ersten Stoffs treffen wie im zuvor be ^¬ schriebenen Ausführungsbeispiel auf das Substrat 30. Das Sub ^¬ strat 30 ist dabei als Flachteil mit einander abgewandten und sich zueinander parallel erstreckenden Flachseiten ausgebil- det. Die den Partikeln 50 des ersten Stoffs zugewandte Flach ^¬ seite ist nahezu senkrecht zu einer Bewegungsrichtung t der Partikel 50 orientiert. D.h. der Winkel der Bewegungsrichtung t schließt mit der Oberfläche der Flachseite einen Winkel α ein, welcher mindestens 85 Grad und höchstens 90 Grad ist. Auf diese Weise bilden die Partikel 50 effizient und mit ho ^¬ her Güte und Stoffreinheit eine Schicht des ersten Materials aus . Die Partikel 60 mit einem niedrigeren Verhältnis von Masse der Partikel 60 zur elektrischen Ladung der Partikel 60 werden hingegen wie anhand von Fig. 1 beschrieben mittels der Blende 70 ausgeblendet und gesammelt.

In weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Trennung der Partikel 50, 60 mittels eines elektrischen Feldes anstelle eines Magnetfeldes 340 erfolgen. Dazu werden beispielsweise die Partikel 50, 60 elektrisch aufgeladen und zwischen die

Kondensatorplatten eines elektrisch geladenen Kondensators eingesprüht und aufgrund der Coulombkraft räumlich getrennt.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen können die Partikel 50 des ersten Stoffs Magnesiumdiborid sein, welches zur Herstel- lung eines Supraleiters auf das Substrat 30 deponiert wird, d.h. erfindungsgemäß wird ein Hochtemperatursupraleiter aus Magnesiumdiborid gefertigt. Die Partikel 60 des zweiten

Stoffs können beispielsweise Magnesiumoxid sein, welches wie an sich bekannt Magnesiumdiboridpulver bei Herstellung oder Handhabung verunreinigt und die Ausbildung von praxistaugli ^¬ chen supraleitenden Schichten erschwert.

Grundsätzlich können die Bahnverläufe von ersten und zweitem Stoff auch miteinander vertauscht sein, wobei zugleich Sub- strat 30 und Blende 70 miteinander ausgetauscht sind, sodass diejenigen Partikel, welche stärker von ihrer eigentlichen, durch die Düse 20 allein vorgegebenen Bahn abweichen, anschließend auf dem Substrat 30 deponiert werden und diejeni ^¬ gen Partikel, welche weniger stark abgelenkt werden, mittels der Blende 70 ausgeblendet und gesammelt werden.

Es versteht sich, dass die vorhergehend beschriebenen Ausfüh ^¬ rungsbeispiele sich ohne Schwierigkeiten auf Pulver erweitern lassen, welche Partikel von mehr als zwei Stoffen aufweisen.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen können die Stoffe dabei andere Materialien sein, so kann beispielsweise anstelle eines boridischen Materials eine nitridische Keramik herange ^¬ zogen werden.

Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Anordnungen stellen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Herstellung von Schichten dar.