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bzw.Teilchen erzeugt, die sich vom Target weg zum Substrat bewegen, das auf etwa 200 C erhitzt worden ist.
Es wird die Reinigung der Oberfläche in dieser Druckschrift anhand konventioneller Methoden beschrieben, eine Kombination aus einer dünnen Aktivierungsschicht aus wenigen Atomlagen und einer darauf aufgebrachten Materialschicht Ist aber in diesem Dokument nirgends beschrieben.
Schliesslich gibt die WO 92/01079 ein Verfahren zur Abscheidung dünner Schichten mittels LPVD an, bei dem keine Inhomogenitäten in der Schichtdickeverteilung auftreten. Dies wird dadurch erreicht, dass über ein Spiegelsystem der Laserstrahl auf der Targetoberfläche verschoben wird. Es ist in dieser Schrift jedoch kein Hinweis aufeine Haftvermittlungsschicht gegeben.
Aufgabe der Erfindung Ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf einfache Weise und sehr rasch eine sehr gute Haftung der im zweiten Schritt durchgeführten Beschichtung erreicht wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem eine möglichst hohe Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Materialien und hinsichtlich der Schichtzusammensetzung erreicht werden kann.
Weiters ist es Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, welches auch mit temperaturempfindlichen oder grossen Substraten bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im ersten Schritt in an sich bekannter Weise durch einen hochenergetischen, ionisierte Teilchenstrom eine Ein- oder Mehratomlagenschicht auf die Substratoberfläche aufgebracht wird.
Die auftreffenden hochenergetischen und ionisierte Beschichtungsteilchen bewirken dabei einerseits die Aktivierung der Oberfläche des Substrates, durch die eine Reinigung derselben von Adsorptionsschichten und eine chemische Reaktion mit den auftreffenden Schichtatomen erreicht wird, und bilden andererseits zugleich eine Haftschicht. Das Aufbringen dieser Schicht erfolgt vorzugsweise bei niedrigem Druck unter 10-3 mbar, sodass adsorbierte Atome oder Moleküle effizient abgetragen und über das Vakuumpumpsystem abgesaugt werden können. Verbleibende Teilchen reagieren mit den Teilchen der Ätzbeschichtung.
Aufgrund der hohen Teilchenenergien lässt sich eine extrem gute Schichthaftung bel niedrigen Beschichtungstemperaturen erreichen.
Durch das Aufbringen einer Ein-oder Mehratomiagenschicht, die aus einem anderen Material als die darauffolgend aufgebrachte Schicht gebildet Ist, können auf die jeweiligen Bedürfnisse genau abgestimmte Beschichtungen erzeugt werden. So kann sich das Substrat etwa von der eigentlichen Materialschicht in der Art der chemischen Bindung sehr stark unterscheiden, sodass die Ein-oder Mehratomiagenschicht dazwi- schen einen Ausgleich bewirken kann, indem diese so gewählt ist, dass sie mit ihrer Bindungsart zwischen diesen beiden liegt.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Substrat z. B. durch Waschen, Beizen, Neutralisieren o. ä. vorgereinigt wird.
Dadurch werden grobe Verunreinigungen vor Anwendung des erfindungsgemässen Beschichtungsverfahrens entfernt.
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Dies ist bei sogenannten Batch-Prozessen vorteilhaft, wo eine Vielzahl an Substraten gleichzeitig beschichtet werden, da es dadurch möglich ist ohne Orstveränderung die zwei Beschichtungsschntte für eine Vielzahl von Substraten durchzuführen.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Ein- oder Mehratomiagenschicht an einem anderen Ort aufgebracht wird wie die Materialschicht.
Diese Art der Aufbringung Ist etwa dann sehr vorteilhaft, wenn ein Substrat mit sehr grossen Dimensionen beschichtet werden soll und es dabei erforderlich ist, dass dieses die Beschichtungsanlage durchläuft.
Dann kann das durchlaufende Substrat an einem Ort mittels des ersten Verfahrensschrittes mit einer dünnen Aktivierungsschicht versehen werden und nach Durchlaufen dieses Schrittes an einem anderen Ort mittels des zweiten Verfahrenschnttes die eigentliche Materialbeschichtung durchgeführt werden.
Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Im ersten Schntt hergestellte Ein- oder Mehratomlagenschlcht aus einem artgleiche oder artfremden Material wie die Im zweiten Schritt aufgebrachte Matenalschicht besteht.
Dabei kann in beiden Schntten auch das gleiche Targetmatenal eingesetzt werden, wodurch während des Verfahrens kein Zwischenschntt zum Wechseln des Targetmatenals durchgeführt werden muss.
Weiters kann dabei vorgesehen sein, dass im zweiten Schritt die Materialschicht durch einen hochenergetischen und/oder stark ionisierte Teilchenstrom aufgebracht wird
Dadurch kann die gleiche Technologie zum Aufbringen der Ein- oder Mehratomiagenschicht und der Matenalschlcht verwendet werden, wodurch keine weitere Beschichtungselnnchtung vorgesehen sein muss.
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In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im zweiten Schritt die Matenalschicht durch einen niederenergetischen und/oder genng bzw. nicht ionisierte Teilchenstrom aufgebracht wird, dem gegebenenfalls ein hochenergetischer Teilchenstrom überlagert wird.
Dadurch können verschieden strukturierte Schichten auf die Haft- bzw. Aktivierungsschicht aufgetragen werden, die 10 ihrer Zusammensetzung und Dichte sehr effektiv beeinflussbar sind.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann sein, dass der hochenergetische, ionisierte Teilchenstrom durch die Wechselwirkung einer gepulsten Laserstrahlung mit der Oberfläche eines Targetmaterials erzeugt wird.
Durch die hohe erzielbare Energedichte mit einem Laser gelingt es nahezu alle Werkstoffe unabhängig von der Art ihrer chemischen Bindung zu verdampfen. Daraus resultiert eine hohe Flexiblität In der Wahl von Beschichtungsmatenalien.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Beschichtung von Oberflächen anzugeben, mit er es möglich ist, das erfindungsgemässe Verfahren auf einfache Welse durchzuführen.
Dies wird bei einer Vorrichtung zur Beschichtung von Oberflächen, bel der die zu beschichtende Oberfläche 10 einer Vakuumkammer, z. B. einer Bedampfungs- oder Sputtereinnchtung angeordnet 1St, wobei ein Laserstrahl eines, vorzugsweise gepulsten, Lasers zur Erzeugung eines hochenergetischen ionisierte Teilchenstromes auf ein Targetmaterial gerichtet ist. sodass die enstehende Dampfwolke sich auf
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ten Lasers in einem Bereich von 106 W/cm2 bis 1012 W/cm2 liegt.
Dadurch wird ein hochenergetischer Teilchenstrom gebildet, der eine Aktiv) erungs- bzw. Haftsch ! cht aus einer oder mehreren Atomlagen auf dem Substrat erzeugt, auf welche dann weitere Schichten aufgebracht werden können.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl durch eine optische Linse fokussiert ist.
Dadurch lässt sich die Leistungsdichte des Laserstrahles so einstellen, dass eine Tröpfchenbildung auf dem Substrat vermieden wird.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Linse dichtend In der Wand der Vakuumkammer angeordnet ist.
Dadurch ist das optische Fokussiersystem zugleich als Übertragungsglied des Laserstrahles von der Raumatmosphäre In den Reztpienteninnenraum verwendbar. Eine Beschichtung der Linse lässt sich durch eine Inert- oder Reaktivgasströmung entgegengesetzt zum Teilchenstrom vermeiden. Dies lässt sich durch einen Gaseinlass im Bereich der Fokusslerlinse realisieren. Als besonders vorteilhaften Schutz vor einer Beschichtung der Fokusslerlinse, welche als Einkoppelfenster dient, hat sich die Verwendung einer Blende erwiesen, die zwischen Fokussierlinse und Target Im Strahlgang angeordnet ist.
Für die Aufbringung einer Aktivierungsschicht, die die Haftung der darauffolgenden Matenalschlcht verbessert, ist es vorteilhaft, wenn der Laser ein gepulster Laser ist, z. B. ein Nd : YAG-Laser, ein ExcimerLaser, ein TEA-CO2-Laser oder ein Kupferdampf-Laser ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Pulsdauer des Lasers In einem Bereich von 10-12 s bis 10-3 s liegt. Eine Pulszelt des Lasers in diesem Bereich Ist besonders für Aktivierungsschichten, bei denen der Anteil an Tröpfchen klein gehalten werden soll, besonders von Vorteil.
Besonders gute Haftungseigenschaften werden bei einer Pulsdauer des Lasers, die In einem Bereich von 10-10 s bis 10-7 s liegt, erreicht.
Besonders bevorzugt ist für viele Anwendungen, wenn die Leistungsdichte des gepulsten Lasers In einem Bereich von 109 W/cm2 bis 10" W/cm2 beträgt.
Um eine gleichmässige Erosion des Targets zu erzielen, kann dieses während des Laserbeschusses bewegt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Targetmatenal zylinder- oder scheibenförmig ausgebildet ist. In diesem Fall wird das Target gedreht und zusätzlich translatonsch bewegt.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Relativbewegung zwischen Target und Laserstrahl durch bewegbare Spiegeloptiken realisieren, die ein Abrastern und Erodieren der Targetoberfläche ermöglichen.
Für ein sehr wirkungsvolles Herausschlagen von Teilchen aus dem Targetmatenal ist es besonders von Vorteil, wenn der Auftreffwinkel zwischen Laserstrahl und Targetoberflächennormalen in einem Bereich von 30 * bis 90 * liegt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Linsenbrennweite der Fokussierlinse in einem Bereich von 300 mm bis 1000 mm liegt.
Dadurch ist es möglich, die Fokussierlinse in der Wand des Rezipienten anzuordnen, und den Laserstrahl durch sie hindurch auf das Target zu fokussieren.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vakuumkammer ein zylindrischer oder kubischer Rezipient ist und der Rezipientendruck In einem Bereich zwischen 5. 10-6 mbar und 5. 10-2 mbar liegt.
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Dadurch lassen sich herkömmliche Vakuumkammern für die Erzeugung besonders guter Haftschichten verwenden. Es kann aber auch jeder andere speziell für das erfindungsgemässe Verfahren geformte Rezipient verwendet werden.
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oder MehratomlagenAluminiumoxid, Zirkonoxid, Lanthanhexaborid, sein.
Zur besseren Anpassung von Schicht und Substrat werden auch Aktivierungsschichten mit kovalenten oder ionischen Bindungsanteilen eingesetzt. Diese Materialien bilden einen sehr gut haftbaren Untergrund für eine darauffolgende Schicht. Damit sind aber die Targetmaterialien keineswegs eingeschränkt. Es können alle für die Beschichtungszwecke geeigneten Materialien eingesetzt werden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, dass das reaktive Gas aus Stickstoff, Sauerstoff, einem kohlenstoffhaltigen Trägergas oder deren Mischungen gebildet ist.
Gemäss einer anderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl zur Anpassung der Absorption am Target und der Wechselwirkung mit dem absorbierenden Dampf vor seinem Auftreffen auf das Targetmaterial durch eine Frequenzvervielfachungs-Einrichtung geführt ist. Durch die Frequenzvervielfachung, insbesondere durch die Verdopplung, kann eine gezlelte Anpassung der Wechselwirkung des Laserstrahles mit dem abströmenden Dampf realisiert werden. Damit lassen sich der lonisationsgrad und die Teilchenenergie variieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen eingehend erläuert. Es zeigt dabei
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines PLD-Verfahrens ;
Fig. 2 eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Schichtstruktur ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorgänge während des Verdampfüngsprozesses ;
Fig. 4 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Leistungsdichte von der Pulsdauer des Laserstrahles ;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfah- rens ;
Fig. 6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufhähme eines Erosionsgrabens hervorgerufen durch zeitlich aufeinanderfolgende Laserpuls auf einem rotierenden Target ;
Fig. 7 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer erfindungsgemäss hergestell- ten Schichten : a) Fe-Schicht, TiOx-Schicht :
Fig. 8 einen Vergleich der Röntgenspektren von erfindungsgemäss hergestellten TiN-Schichten mit einem
TiN-Standard ; und
Fig. 9 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Bruchflächen von erfindungsgemäss hergestellten
Schichten auf verschiedenen Substraten.
In Fig. 2 ist eine Schicht m Querschnitt abgebildet, weiche durch Beschichten der Oberfläche eines Substrates 7 In Vakuum-bzw reaktiver oder inerter Gas-Atmosphäre hergestellt worden ist, wobei die Substratoberfläche in einem ersten Schritt zur besseren Haftung der aufzubringenden Schicht behandelt und dann In einem zweiten Schritt eine Schicht 31 eines Materials, z. B. durch Aufdampfen oder Sputtern, auf die behandelte Oberfläche aufgebracht worden ist.
Erfindungsgemäss wurde dabei Im ersten Schritt durch einen hochenergetischen, ionisierte Teilchenstrom eine Ein- oder Mehratomlagenschlcht 30 auf die Substratoberfläche 7 aufgebracht. Diese Einlagenoder Mehr ! agenatomschicht 30 ! St eme Aktivierungsschicht und eine Haftschicht für die darauffolgende Materialschicht 31.
Die Haft-und die Materialschicht kann je nach den zu beschichtenden Substraten entweder an einem Ort, wenn viele kleine Substrate zu beschichten sind, oder an verschiedenen Orten erfolgen, wenn ein sehr grosser zu beschichtender Teil In Form eines Durchlaufverfahrens durch eine Anlage hindurchgezogen wird und der erste Verfahrensschritt örtlich getrennt vom zweiten Verfahrensschritt durchgeführt wird.
Dabei kann die Haftschicht aus dem gleichen oder aus einem unterschiedlichen Material gebildet sein wie die Matenalschicht. Dies kann je nach Bedarf abgestimmt werden. Dabei können etwa durch die Haftschicht grosse Unterschiede der chemischen Bindungseigensschaften der Substratoberfläche und der Materialschicht ausgeglichen werden Die Im zweiten Schritt aufgetragene Materialschicht kann ebenso durch einen hochenergetischen und/oder stark on ! S) erten Teiichenstrom erzeugt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit für die Matenalschicht nur niederenergetische und/oder gering ionisierte Teilchen vorzusehen, wobei unter geringerem Energieeinsatz auf der Unterlage, die durch die Haftschicht gebildet wird, eine sehr gut haftende Matenalschicht aufgebaut werden kann.
Weiters kann auch eine Kombination dieser Möglichkeiten vorgesehen sein, sodass Im zweiten Schritt die Materialschicht durch einen mederenergetischen und/oder gering bzw. nicht ionisierten Teilchenstrom aufgebracht wird, dem ein hochenergetischer Teilchenstrom überlagert wird. Dadurch können verschiedene
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Materialien sehr genau aufeinander abgestimmt werden, und die Dichte, Zusammensetzung und Eigenschaften der Materialschicht je nach Bedarf zusammengestellt werden.
Besonders wirkungsvoll ist ein hochenergetischer, ionisierter Teilchenstrom durch die Wechselwirkung einer gepulsten Laserstrahlung mit der Oberfläche eines Targetmaterials erzeugbar.
Die Verwendung von Laserstrahlen zur Targetverdampfung bnngt wesentliche Vorteile für den Beschichtungsprozess mit sich. Beispielsweise sind die Laserparameter von den in der Vakuumbeschichtungskammer herrschenden Prozessbedingungen vollkommen unabhängig. Weiters führt die einfache und gute Fokussierbarkeit von Laserstrahlen und die daraus resultierende hohe Leistungsdichte dazu, dass nahezu alle Werkstoffe unabhängig von der Art der chemischen Bindung verdampft werden können. Daraus resultiert eine ausserordentlich hohe Flexibilität in der Wahl von Beschichtungsmaterialien, die die Möglichkeiten der anderen PVD-Verfahren deutlich übersteigt.
Für den gesamten Beschichtungsprozess und die Qualität der Beschichtung Ist die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Target von entscheidender Bedeutung. Die Vorgänge während des Verdampfungprozesses (Ablationsprozesses) sind in Fig. 3 dargestellt. Sie zeigt den Wechseiwirkungsbereich mit dem auftreffenden und teilweise reflektierten Laserstrahl, die Wärmefront 39, die Schmelzfront 40, die Verdampfungsfront 41, sowie den abströmenden Dampf bzw. Plasma. Der Materialdampfstrom Ist dabei in Richtung Substratoberfläche gerichtet.
Die Wechselwirkungsphänome ändern sich während der Bestrahlungsdauer. In der Startphase wird ein Teil der Strahlung absorbiert, der reflektierte Anteil geht für den Prozess verloren. Der absorbierte Strahlungsanteil bewirkt zunächst eine Erwärmung im festen Zustand, gefolgt von einem Schmelzen und Verdampfen der Targetoberfläche. Während des Laserbeschusses bewegen sich die Schmelz-und die Verdampfungsfront in das feste Grundmaterial des Targets, das dabei erodiert wird. Als Folge der hohen Leistungsdichte übt der explosionsartig abströmende Dampf einen hohen Druck auf die darunter befindliche Schmelze aus und bewirkt eine Zerstäubung des Schmelzfilmes.
Daneben findet eine Verdampfung in atomarer Form statt, sodass das Ergebnis des Laserbeschusses ein Partikelstrom ist, der aus Atomen, Ionen und einem Anteil von Clustern besteht.
In dünnen Schichten sind Tröpfchen aus dem Verdampfungsprozess unerwünscht und sollten daher nach Möglichkeit vermieden werden. Der Anteil an Tröpfchen im Verdampfungsprozess kann über die Leistungsdichte in der Wechselwirkungszone gesteuert werden. Um möglichst wenig schmelzflüssige Phase zu bilden, sollen die Temperaturgradienten möglichst hoch sein, was durch eine hohe Leistungsdich- te und kurze Laserpuls gewährleistet wird. Zu beachten ist dabei, dass mit kürzer werdender Pulsdauer jene Leistungsdichte, die notwendig ist, um während der Laserbestrahlung die Verdampfungstemperatur zu erreichen, stark ansteigt.
Fig. 4 zeigt das Ergebnis von Modellrechnungen für die Laserverdampfung von Aluminium Daraus wird ersichtlich, dass für das Einsetzen der Verdampfung mit Hilfe eines 10 ns Pulses eine Leistungsdichte von mindestens 109 W/cm2 notwendig ist, bei Verwendung noch kürzerer Pulsdauer wie beispielsweise 0, 1 ns ist eine Leistungsdichte von 10'0 W/cm2 notwendig. Für eine effiziente Verdampfung sollten diese Leistungsdichten deutlich überschritten werden, da die Aufwärmphase nur eine geringen Teil der Dauer eines Laserpulses ausmachen sollte.
Für die Aufbringung einer Aktivietungsschicht, die die Haftung der darauffolgenden Matenalschlcht verbessert, ist es vorteilhaft, wenn der gepulste Laser ein Nd : YAG-Laser, ein Excimer-Laser, ein TEA-C02Laser oder ein Kupferdampf-Laser ist. Aber auch andere gepulste Laser eignen sich, wenn die notwendigen Leistungsdichten und Pulsdichten damit erreichbar sind. Die Pulsdauer des Lasers sollte dabei in einem
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W/cm2, gering.
Für den Einsatz der LPVD (Laser Physical Vapour Deposition) bzw. PLD (Pulsed Laser Deposition)Technologie sind daher Laser mit hohen Pulsspitzenleistungen und kurzen Pulszeiten notwendig. Die wichtigsten heute verfügbaren Laser, die sich dafür eignen, sind in Tab. 1 zusammengefasst. Tab. 1 zeigt. dass Nd : YAG-Laser die grösste Flexiblität im Hinblick auf die Variation der Prozessbedingungen besitzen.
Fig. 3 zeigt, dass der eingestrahlte Laserstrahl auf den abströmenden Dampf trifft. Infolge der hohen Leistungsdichte tritt eine sehr intensive Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Dampf auf. Ein nennswerter Teil der eingestrahlten Lichtenergie wird nach Einsetzen der Verdampfung im Dampfumgesetzt und bewirkt einerseits die hohe kinetische Energie des abströmenden Dampfes mit einer Geschwindigkeit von bis zu einigen 10 km/s sowie andererseits eine intensive Ionisation. Diese Energiebeträge scheinen zwar in der Energiebilanz des Verdampfungsprozesses als Verlust auf, sind aber in bezug auf die
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Schichtqualität von Vorteil. Die hohe Partikelenergie und die effiziente Aktivierung des abströmenden Dampfes sind eine Besonderheit des LPVD-Verfahrens.
Beides ist für das erfindungsgemässe Beschichtungsverfahren von entscheidender Bedeutung und fördert die Haftfestlgeklt der Schicht und die notwendige Oberflächendiffusion zur Verbesserung des Schichtaufbaus. Das LPVD (PLD)-Verfahren eignet sich besonders für die Beschichtung bel tiefen Temperaturen.
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens gezeigt, wobei die zu beschichtende Oberfläche in einer Vakuumkammer 4 angeordnet ist, welche z. B. eine Bedampfungs- oder Sputtereinnchtung sein kann. Ein mittels eines, vorzugsweise gepulsten, Lasers 1 erzeugter Laserstrahl 2 wird über eine optische Laserstrahiführung 3 in die Vakuumkammer 4 geführt, wo dieser aufein Target 5 auftrifft. Der von diesem abströmende Dampf 6 verlässt das Target 5 in Richtung Substrat 7 und schlägt sich dort nieder. Die Vakuumkammer 4 ist während dieses Vorgangs über ein Vakuumpumsystem 10 evakuiert.
Anstelle des Vakuums kann auch ein reaktives Gas, wie etwa Sauerstoff, Stickstoff, ein kohlenstoffhaltigen Trägergas, deren Mischungen oder ein inertes Gas In die Vakuumkamnner 4 eingebracht werden, wodurch sich bei Vorliegen eines reaktiven Gases eine entsprechende chemische Reaktion mit dem Targetdampf einstellt und das Reaktionsprodukt sich niederschlägt.
Vorteilhafterweise kann ein ND : YAG-Laser als Laseriichtquelle Verwendung finden, der hinsichtlich Pulsspitzenleistung, Putsdauer und Wellenlänge für diesen Zweck sehr gut geeignet 1St. Einige typische Strahlkennwerte dieses Lasers sind In Tab. 2 zusammengefasst.
Der Laser kann mit elektrooptischem Q-Switch betrieben werden, mit dem Pulsdauer von 8 ns erreicht werden. Zusätzlich ist im modengekoppelten Betrieb eine Verkürzung der Pulsdauer In den Picosekundenbereich bei hoher Pulsleistung möglich. Aufgrund der hohen Pulsleistungen weist bereits der unfokusslerte Strahl eine hohe Leistungsdichte auf, was die Verwendung hochwertiger beschichteter Optiken im Strahifüh- rungssystem notwendig macht Die Einkopplung des Laserstrahls In die Vakuumkammer erfolgt über eine Fokussierlinse 9, wobei vorteilhafterweise die Linse 9 in der Wand der Vakuumkammer dichtend angeordnet ist. Dabei kann die plane Fläche einer verwendeten plankonvexen Linse als Dichtfläche genutzt werden.
Auch die Verwendung eines planparallelen Fensters ist möglich. Eine Beschichtung der optischen Elemente wird durch den Einbau einer Blende 11 im Strahlengang zwischen Linse (bzw Fenster) und dem Target verhindert.
Als Targets werden Zylinder oder Scheiben mit einem maximalen Durchmesser von 50 mm verwendet.
Das Target wird relativ zum Laserstrahl gedreht, sodass sich während des Beschichtungsversuches ein Erosionsgraben ausbildet. Der Auftreffwinkel zwischen Laserstrahl und Targetoberflächennormale ! St zwi- schen 30, und 90 * wählbar. Der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat Ist von diesem Winkel abhängig, kann aber grundsätzlich zwischen 20 und 100 mm eingestellt werden. Target und Substrat sind in die Vakuumkammer so integnert, dass Linsenbrennweiten von ca. 300 bis 600 mm möglich sind.
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möglichst grosser Parameterbereich überstrichen werden kann. Höchste Flexibilität hinsichtlich Pulsspitzenleistung, Pulsdauer und Wellenlänge wurde mit einem Nd : YAG-Laser mit elektrooptischem Q-switch mit der Möglichkeit zu Mode Locking und Frequenzvervielfachung erreicht.
Einige typische Strahlkennwerte eines solchen Lasers sind in Tab. 2 zusammengefasst. Bei Betrieb des Lasers mit elektrooptischem Q-switch sind Pulsdauer von 8 ns erreichbar. Zusätzlich ist im modengekoppelten Betrieb eine Verkürzung der Pulsdau- er auf 30, 100 und 200 ps bei hoher Pulsleistung möglich. Besonderer Wert wird auf die erzielbare Leistungsdichte gelegt. Durch Wahl des Lasers 1, der Strahlführung 3 und der Fokussieroptik 9 sind Leistungsdichten von 1010 W/cm2 erzielbar, in Einzelfällen kann die maximale Leistungsdichte nahe an 10" W/cm2 heranreichen.
Der Beschichtungsvorgang erfolgt in einem zylindrischen Rezipienten 4, an den der Vakuumpumpstand
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Pumpsysteme sind verwendbar Weiters ist ein Gaseinlasssystem installiert, das einen stabil einstellbaren Rezipientendruck zwischen 5. 10-5 mbar und 5. 10-2 mbar gewährleistet. Als Gase können sowohl Reaktivals auch Inertgase verwendet werden.
Mit der dargestellten Vorrichtung können ausgehend von metallischen Targets sowohl metallische Schichten in einem nichtreaktive Prozess als auch Verbindungsschichten In einem reaktiven Prozess hergestellt werden.
Bei einer vorwiegend reaktiv hergestellten Schicht Im System Titan-Stickstoff dient ein Zylinder 5 aus reinem Titan, der relativ zum Laserstrahl gedreht wird, als Target. Vor der eigentlichen Beschichtung wird der Rezipient auf einen Druck von kleiner 2. 10-5 mbar evakuiert, dann wird die Ätzbeschichtung aufgebracht. Anschliessend erfolgt das Fluten mit dem Reaktivgas Stickstoff.
Nach Erreichen des vorgewählten Partialdruckes Stickstoff erfolgt der Start des Beschichtungslaufes, der typisch zwischen 30 und 60 min dauert.
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<tb>
<tb> Typische <SEP> Strahlkennwerte <SEP> für <SEP> gepulste <SEP> Laser
<tb> Lasertyp <SEP> Bemerkung <SEP> Pu) <SEP> s) <SEP> eistung <SEP> [MW] <SEP> Putsdauer <SEP> [ns] <SEP> mitttere <SEP> Wettentänge <SEP> [nm] <SEP>
<tb> Leistung <SEP> [W]
<tb> Excimer <SEP> ArF, <SEP> KrF, <SEP> XeC <SEP> - <SEP> 20-50 <SEP> -1 <SEP> 0-40 <SEP> - <SEP> 20-500 <SEP> 1) <SEP> -193-308 <SEP>
<tb> Nd <SEP> :
<SEP> YAG <SEP> EO <SEP> Q-switch-20-1502) <SEP> -5-10-2-502) <SEP> 1064, <SEP> 532
<tb> Mode <SEP> locking <SEP> -50-6002) <SEP> -0, <SEP> 03-0, <SEP> 2 <SEP> -0, <SEP> 05-1, <SEP> 02) <SEP> 355, <SEP> 2663) <SEP>
<tb> TEA-C02 <SEP> -10-30 <SEP> Spike- <SEP> 100 <SEP> -200-2000- <SEP> 10600 <SEP>
<tb> Tail <SEP> - <SEP> 2000 <SEP>
<tb>
1) abhängig vom verwendeten Lasergas 2) abhängig von Pulsdauer und Wellenlänge 3) Grundwelle und Harmonische
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Tabelle 2
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<tb>
<tb> Strahldaten <SEP> des <SEP> installierten <SEP> Lasers
<tb> Wellenlänge <SEP> [nm] <SEP> Pulsdauer <SEP> [ns] <SEP> Pulsenergie <SEP> [mJ] <SEP> Pulsleistung <SEP> [MW]
<tb> 1064 <SEP> 8 <SEP> 1100 <SEP> 140
<tb> 532 <SEP> 8 <SEP> 550 <SEP> 70
<tb> 355 <SEP> 8 <SEP> 250 <SEP> 30
<tb> 266 <SEP> 8 <SEP> 80 <SEP> 10
<tb> 1064 <SEP> 0,
<SEP> 1 <SEP> 60 <SEP> 600
<tb> 532 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 30 <SEP> 300
<tb> 355 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 15 <SEP> 150
<tb> 266 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP> 50
<tb>
Beispiele : 1. Aktivierungsschicht für die Beschichtung von Kunststoffolien
Die Haftfähigkeit von Si02 bzw. Ab 03-Aufdampfschichten (thermische Verdampfung, Laserstrahiver- dampfung, Elektronenstrahlverdampfung) auf Kunststoffolien lassen sich durch erfindungsgemässe PLDAktivierungsschichten in einer Dicke von mehreren Atomlagen deutlich verbessern. Als geeignet haben sich insbesondere Aktivierungsschichten aus Silizium, Aluminium, sowie Silizium-und Aluminiumoxid erwiesen.
Günstige Abscheidebedingungen für eine solche Aktivierungsschicht sind :
Nicht reaktiver Prozess : Rezipientendruck p = 10-5mbar bis 10-3mbar
Reaktiver Prozess : Rezipientendruck p = 10-3 mbar bis 10-2 mbar
Dicke der Aktivierungsschicht : 5 bis 100 Atomiagen
Laserstrahlung : Nd : YAG frequenzverdoppelt
Pulsdauer : 7 bis 8 ns
Leistungsdichte am Substrat. 5109 bis 7. 109 W/cm2 Laserpulsrate : 10Hz
Beschichtungsrate : 0, 1 bis 1 Atomiage/Laser-Puls 2. Aktivierungsschichten für die Beschichtung von Glas mit Hartstoffschichten bei tiefen Temperaturen
Die Schichthaftung auf Glas lässt sich durch erfindungsgemässe Zwischenschichten so welt erhöhen, dass sehr gut haftende Hartstoffschichten bei Raumtemperatur erzeugt werden können.
Die Haftung ist dabei so stark, dass es bei grossen Schichtdicken nicht zu einer Ablösung der Schicht an der Grenzfläche sondern zu einem Ausbrechen des Glassubstrates kommt. Das Ausbrechen des Glases lässt sich durch Aufbringen dickerer metallischer Zwischenschichten vermelden, die nicht nur eine Haftverbesserung sondern auch eine Spannungsreduktion im Glassubstrat infolge plastischer Anpassung bewirken.
Für die Beschichtung von Glas mit Titannitnd haben sich folgende Verfahrensvananten als besonders geeignet erwiesen : * Aktivierungsschicht aus Titan + metallische Zwischenschicht aus Titan + Titannitrid-Sputterschicht 'Aktivierungsschicht aus Titan + metallische Aufdampfschicht aus Titan (thermischer Verdampfer) +
Titannitrid-Sputterschicht
Günstige Abscheidebedingungen für eine Aktivierungsschicht aus Titan sind :
Vorbehandlung : Reinigung Im Ultraschallbad (Alkohol, Aceton) und Trocknung RezIpientendruck p : 10-5 mbar bis 10-3 mbar
Substrattemperatur : Raumtemperatur oder darüber
Dicke der Aktivierungsschicht. 1 bis 500 Atomlagen
Laserstrahlung : Nd :
YAG- frequenzverdoppelt
Pulsdauer : 7 bis 8 ns
Leistungsdichte am Substrat : 7 109 bis 1010 W/cm2
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Laserpulsrate : 10Hz
Beschichtungsrate : 0, 1 bis 1 Atomlage/Puls 3. Aktivierungschichten für die Elektronenstrahlbeschichtung von Stahlband mit Zink- und Zinklegierungsschichten sowie mit Multilayerschichten bei tiefen Temperaturen
Um gut haftende Elektronenstrahlaufdampfschichten auf Stahlband zu realisieren, sind zur Aktivierung der Oberfläche im allgemeinen Beschichtungstemperaturen von 4000 C bis 6000 C notwendig. Durch Aufbringen einer erfindungsgemässen Aktivierungsschicht lassen sich auch bei niedrigen Temperaturen bis Raumtempertur gut haftende Elektronenstrahlaufdampfschichten erzeugen.
Als günstig haben sich Aktivierungsschichten aus Eisen, Titan oder Chrom herausgestellt.
Günstige Abscheidebedingungen für die Aktivierungsschicht aus Eisen, Titan oder Chrom sind :
Vorbehandlung : chemische Reinigung, Beizen, Neutraliseren, Trocknung Rezipientendruck p-10-5 mbar bis 10-3 mbar
Substrattemperatur : Raumtemperatur oder darüber
Dicke der Aktiverungsschicht : 2 bis 10 Atomlagen
Laserstrahlung : Nd : YAG- frequenzverdoppelt
Pulsdauer : 7 bis 8 ns
Leistungsdichte am Substrat : 8. 109 bis 2. 10 W/cm2 Laserpuisrate : 10 Hz
Beschichtungsrate : 0, 1 bis 1 Atomlage/Puls 4. Aktivierungsschichten für die Hartstoffbeschichtung von Dauerformen aus Warmarbeitsstahl
Die Lebensdauer von Dauerformen (Druckgussformen, Niederdruck-Kokillenguss o. ä.) lasst sich durch Aufbringen dünner Schichten deutlich erhöhen.
Durch Anwendung von erfindungsgemässen Aktivierungsschichten lassen sich gut haftende Hartstoffschichten bei extrem niedrigen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 200 C abscheiden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Beschichtung mit Titanbond und mit Titankarbonitrid erwiesen. Als Haftschicht hat sich Titan hervorragend geeignet. Die Hartstoffschichten lassen sich besonders günstig durch Sputtern herstellen. Als günstig für die Schichteigenschaften hat sich erwiesen, dem eigentlichen Beschichtungstetlchenstrom einen hochenergetischen Teilchenstrom zu überlagern, um die Schichtstruktur zu verbessern.
Günstige Abscheidebedingungen für die Aktivierungsschicht aus Titan sind :
Vorbehandlung : Entfetten im Ultraschallbad, Trocknung
Rezipientendruck p : 10-5 mbar bis 10-3 mbar
Substrattemperatur : Raumtemperatur oder darüber
Dicke der Aktiverungsschicht : 2 bis 10 Atomlagen Laserstrahlung : Nd : YAG- frequenzverdoppelt
Pulsdauer : 7 bis 8 ns
Leistungsdichte am Substrat : 8. 109 biS 2. 10'0 W/cm2 Laserpulsrate : 10Hz
Beschichtungsrate : 0, 1 bis 1 Atomlage/Puls Patentansprüche 1. Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche eines Substrats in Vakuum- bzw. reaktiver Gas-Atmosphä- re, wobei die Substratoberfläche in einem ersten Schritt zur besseren Haftung der aufzubringenden
Schicht, z.
B. durch ein Beschichtungsätzen, behandelt wird und dann in einem zweiten Schritt eine
Schicht eines Matenals, z. B. durch Aufdampfen oder Sputtern, auf die behandelte Oberfläche aufge- bracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt in an sich bekannter Weise durch einen hochenergetischen, ionisierte Teilchenstrom eine Ein- oder Mehratomlagenschlcht aufdie Substrat- oberfläche aufgebracht wird.