DE102015120252A1

DE102015120252A1 - Process for the deposition of thin layers

Info

Publication number: DE102015120252A1
Application number: DE102015120252.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung dünner Schichten, insbesondere zur Herstellung von Multilayerschichten, Nanoschichten, Nanostrukturen und Nanokompositen, durch Laserdeposition aus Targetmaterialien auf eine Substrat (8) – Oberfläche, wobei a) das Target (5) ist in Segmente (17, 18) mit Materialien unterschiedlichster physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften segmentiert und b) mittels kontrollierter energetischer Verteilung (29) der fokussierten Laserenergie über dem Laserstrahl (28) – Querschnitt werden einzelne Segmente (17, 18) dieses Targets (5) mit einer jeweils abweichenden Strahlungsintensität derart bestrahlt, dass jedes Targetsegment (17, 18) bei dieser Bestrahlung die Menge an Laserenergie absorbiert, die notwendig ist, das im jeweiligen Segment (17, 18) befindliche Targetmaterial zu evaporieren oder desorbieren und c) das Target (5) während des Beschichtungsprozesses in eine gleichmäßige, schrittweise oder variable Rotation versetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Targets (5) mit einem Schrittmotor (30) kontrolliert wird, wobei nach vorgewählten Schritten mittels einer Steuer- und Kontrolleinheit (29) die Laserleistung, die Impulsdauer und die Pulsfrequenz des Lasers (3) gesteuert wird, deren Energiedichte, Impulslänge und Impulsfrequenz in sehr kurzen Zeiträumen variiert werden kann.The present invention relates to a method for depositing thin layers, in particular for producing multilayer layers, nanosheets, nanostructures and nanocomposites, by laser deposition from target materials onto a substrate (8) surface, wherein a) the target (5) is divided into segments (17, 18) are segmented with materials of very different physical and / or chemical properties and b) by means of controlled energetic distribution (29) of the focused laser energy over the laser beam (28) - cross section are individual segments (17, 18) of this target (5) with a respective deviating Radiation intensity is irradiated such that each target segment (17, 18) absorbs in this irradiation the amount of laser energy necessary to evaporate or desorb the target material located in the respective segment (17, 18) and c) the target (5) during the Coating process into a uniform, stepwise or variable rotation is offset. The method according to the invention is characterized in that the rotation of the target (5) is controlled by a stepping motor (30), wherein after preselected steps by means of a control and monitoring unit (29) the laser power, the pulse duration and the pulse frequency of the laser (3) is controlled, the energy density, pulse length and pulse frequency can be varied in very short periods of time.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Deposition (nachstehend auch als Abscheidung bezeichnet) dünner Schichten, insbesondere zur Herstellung von Multilayerschichten, Nanoschichten, Nanostrukturen und Nanokompositen nach dem Obersatz des Anspruchs 1. The present invention relates to a method for deposition (hereinafter also referred to as deposition) of thin layers, in particular for the production of multilayer layers, nanosheets, nanostructures and nanocomposites according to the preamble of claim 1.

Unter dünnen Schichten in Materialkombinationen bezeichnet man – zumeist kristalline – Schichten mit Dicken von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern, welche auf einem Trägermaterial (nachstehend auch als Substrat bezeichnet) aufgebracht sind. In der Technologie übernehmen dünne Schichten mit ihren spezifischen Eigenschaften eine Vielzahl von Funktionen und sind in anspruchsvollen technologischen Produkten nicht durch andere Materialien in der Medizin, in der Biotechnik, im Energiesektor, in der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrttechnik – um nur einige zu nennen – ersetzbar. Die Beschichtung von Substraten mit dünnen Schichten, insbesondere mit Nanokompositen, bewirken oft eine Veränderungen bzw. Erhöhung der physikalischen (thermischen, optischen, dielektrischen) Eigenschaften und Verhalten (Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit usw.), das von dem massiver Körper aus demselben Material deutlich abweicht. Thin layers in material combinations are called - mostly crystalline - layers with thicknesses of a few nanometers to a few micrometers, which are applied to a carrier material (hereinafter also referred to as a substrate). In technology, thin films with their specific properties take on a multitude of functions and in demanding technological products are not affected by other materials in medicine, biotechnology, the energy sector, the automotive industry or aerospace engineering - to name but a few - replaceable. The coating of substrates with thin layers, in particular with nanocomposites, often causes an increase or increase in the physical (thermal, optical, dielectric) properties and behavior (strength, electrical conductivity, etc.), which deviates significantly from the solid body of the same material ,

Stand der Technik State of the art

Zur Deposition von dünnen Schichten werden Materialien (üblicherweise unter 1 µm) durch verschiedene Verfahren der Dünnschichttechnologie (Thin Film Technology) auf ein Substrat aufgebracht, um anschließend bearbeitet bzw. strukturiert zu werden. Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist über Verfahren der physikalischen (Physical Vapour Deposition; PVD) und chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition; CVD). Die nachfolgenden Erörterungen sollen sich ausschließlich auf die Anwendung der in Bezug auf die vorliegende Erfindung relevanten Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung begrenzen. For depositing thin films, materials (typically less than 1 micron) are applied to a substrate by various Thin Film Technology techniques for subsequent processing or patterning. The deposition of the layers is usually carried out by physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) processes. The following discussions are intended to be limited solely to the application of the physical vapor deposition methods relevant to the present invention.

PVD bezeichnet eine Gruppe von vakuumbasierten Beschichtungsverfahren bzw. Dünnschichttechnologien, bei denen dünne Schichten direkt durch Kondensation eines Materialdampfes des Ausgangsmaterials gebildet werden. In die Gruppe der PVD sind einzuordnen das thermische Verdampfen das Elektronenstrahlverdampfen (electron beam evaporation), das Laserstrahlverdampfen (pulsed laser deposition, PLD, pulsed laser ablation), das Vakuumlichtbogenverdampfen (vacuum arc evaporation, Arc-PVD), die Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy), das Sputtern (Kathodenzerstäubung; Sputtering) die ionenstrahlgestützte Deposition (ion beam deposition, IBD) sowie das Ionenplattieren. PVD refers to a group of vacuum-based coating processes or thin-film technologies in which thin layers are formed directly by condensation of a material vapor of the starting material. The group of PVD includes thermal evaporation, electron beam evaporation, pulsed laser deposition (PLD, pulsed laser ablation), vacuum arc evaporation (Arc-PVD), and molecular beam epitaxy ), sputtering, ion beam deposition (IBD) and ion plating.

Allen aufgeführten Verfahren ist gemein, dass das abzuscheidende Material in fester Form in der meist evakuierten Beschichtungskammer vorliegt. Durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magnetisch abgelenkten Ionen oder Elektronen sowie durch Lichtbogenentladung wird das Material, das nachstehend als Target bezeichnet wird, verdampft. All of the processes listed have in common that the material to be deposited is present in solid form in the coating chamber which is usually evacuated. By bombarding with laser beams, magnetically deflected ions or electrons as well as by arc discharge, the material, which is referred to as target below, is vaporized.

Ionenstrahlgestützte Deposition wird in der Regel zur Deposition von Keramik-Matrix Nanokompositen herangezogen und besitzt den Vorteil der Deposition von qualitativ hochwertigen Schichten bei niedrigen Temperaturen (nahe Raumtemperatur). Der Nachteil dieser Depositionstechnik besteht jedoch darin, dass die Depositionsrate relativ gering ist und selbst Substrate mit einfacher Geometrie eine komplexe Manipulation benötigen, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten. Ion beam assisted deposition is typically used to deposit ceramic-matrix nanocomposites and has the advantage of depositing high-quality layers at low temperatures (near room temperature). The disadvantage of this deposition technique, however, is that the deposition rate is relatively low and even substrates with simple geometry require complex manipulation to ensure a uniform coating.

Sputtern ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Target durch Beschuss mit energiereichen Ionen (vorwiegend Edelgasionen) herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Sputtern ist eine Technik, die sich durch eine hohe Flexibilität auszeichnet. Sie ist in der Lage, fast alle Substrate unterschiedlichster Geometrien mit einer Vielzahl von Materialien wie Metallen, Legierungen und eine Vielzahl anderer Materialien zu beschichten. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht in der Abwesenheit von Schmelz und Tröpfchenproblemen. Wenn zusätzlich unter dem Target ein Magnet angebracht ist, spricht man von Magnetronzerstäubung. In dieser Konfiguration können alle leitfähigen Materialien deponiert werden. Die Entwicklung der Magnetronzerstäubung brachte es zu größeren Ionenströmen respektive eine Erhöhung der Plasmaenergie. Der Nachteil dieser Methode ist, dass dieser Prozess nur in inerten oder reaktiven Gasen oder Gasmischungen stattfindet und die so hergestellten Beschichtungen noch Reste dieser Gase enthalten können. Daher ist es notwendig, eine sehr genaue Kontrolle des Gasflusses zu gewährleisten. Ein weiterer Nachteil besteht in der Unmöglichkeit der Abscheidung von dünnen Schichten aus organischen Materialien. Die Magnetronzerstäubung wird aus diesem Grunde in der Regel nur für die Abscheidung von Metall-Matrix und Keramik-Matrix Nanokompositen herangezogen. Sputtering is a physical process in which atoms are released from a target by bombardment with high-energy ions (predominantly noble gas ions) and pass into the gas phase. Sputtering is a technique that is characterized by a high degree of flexibility. It is able to coat almost all substrates of different geometries with a variety of materials such as metals, alloys and a variety of other materials. The main advantage of this method is the absence of enamel and droplet problems. In addition, if a magnet is mounted under the target, it is called magnetron sputtering. In this configuration all conductive materials can be deposited. The development of magnetron sputtering has resulted in larger ion currents and an increase in plasma energy, respectively. The disadvantage of this method is that this process takes place only in inert or reactive gases or gas mixtures and the coatings thus produced can still contain residues of these gases. Therefore, it is necessary to ensure a very precise control of the gas flow. Another disadvantage is the impossibility of depositing thin layers of organic materials. For this reason, magnetron sputtering is generally used only for the deposition of metal matrix and ceramic matrix nanocomposites.

Das Vakuumlichtbogenverdampfen gehört zu den ionenplattierenden PVD-Verfahren. Hierbei brennt zwischen der Kammer und dem auf positivem Potenzial liegenden Target ein Lichtbogen, der das später auf dem Substrat aufzubringende Targetmaterial schmilzt und verdampft. Bei diesem Prozess wird der größte Teil (bis zu 90 %) des verdampften Targetmaterials ionisiert. Nachteile dieser Methode sind, dass die Lichtbogenglimmentladung Instabilitäten aufweist, dass die Kathode ungleichmäßig erodiert und Schmelztröpfchen entstehen und daher die Qualität der so entstehenden Schichten darunter leidet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es nicht möglich ist, organische Materialien zu depositionieren. Vacuum arc evaporation belongs to the ion-plating PVD process. Here, an arc burns between the chamber and the target lying on positive potential, which melts and evaporates the later to be applied to the substrate target material. In this process, most (up to 90%) of the vaporized target material is ionized. Disadvantages of this method are that the arc glow discharge has instabilities, that the cathode erodes unevenly and melt droplets arise and therefore the quality of the resulting layers suffers. Another disadvantage is that it is not possible to deposit organic materials.

Das Laserstrahlverdampfen (PLD) hat sich in der Dünnschichttechnologie als präzises Verfahren zur Abscheidung von besonders hochwertigen Schichten etabliert und bewährt. Hierbei wird das Material des Targets mit Laserstrahlung großer Intensität beleuchtet (~100 MW/cm²). Im Auftreffpunkt des Laserstrahls entsteht eine Plasmakeule (plasma plume), in der sich Plasma mit hohen Geschwindigkeiten ausbreitet, wobei die Ionen Energien von ca. 10–100 eV/Ion erreichen. Die Anordnung von Target und Substrat wird so gewählt, dass die Plasmakeule in Richtung des auf eine geeignete Temperatur gebrachten Substrates zeigt. Das abgetragene Material schlägt sich auf dem einige Zentimeter entfernt gegenüberliegenden Substrat nieder und bildet dort einen Film. Die Interaktion des Laserstrahls mit dem Targetmaterial kann durch die kontrollierte Anwendung von hochenergetischen bis hin zu niedrigenergetischen Interaktionen kontrolliert werden. Die gewählten Laserinteraktionen mit dem Targetmaterial sind abhängig von der Natur des Targetmaterials und werden durch die Justierung der Laserparameter oder durch entsprechende Wahl eines geeigneten Lasers erreicht. Die Nachteile dieses Verfahren betreffen in erster Linie die vergleichsweise langsamere Abscheidung als bei anderen PVD-Verfahren wie zum Beispiel Elektronenstrahlverdampfen. Es besteht die Möglichkeit der Tröpfchenbildung auf dem Substrat und es lassen sich keine großen Flächen generieren. Schließlich ist die Deposition von organischen Materialien durch die mögliche Zerstörung des Materials erschwert. Laser beam evaporation (PLD) has become established and proven in thin-film technology as a precise process for the deposition of particularly high-quality coatings. Here, the material of the target is illuminated with high intensity laser radiation (~ 100 MW / cm ² ). At the point of impact of the laser beam, a plasma (plasma) plume is formed in which plasma propagates at high velocities, whereby the ions reach energies of about 10-100 eV / ion. The arrangement of target and substrate is chosen so that the plasma core points in the direction of the substrate brought to a suitable temperature. The abraded material settles on the substrate a few centimeters away and forms a film there. The interaction of the laser beam with the target material can be controlled by the controlled application of high energy to low energy interactions. The selected laser interactions with the target material are dependent on the nature of the target material and are achieved by the adjustment of the laser parameters or by appropriate selection of a suitable laser. The disadvantages of this method relate primarily to the comparatively slower deposition than other PVD methods such as electron beam evaporation. There is the possibility of droplet formation on the substrate and it can not generate large areas. Finally, the deposition of organic materials is hampered by the possible destruction of the material.

Weitere kürzliche Entwicklungen auf dem Gebiet der PLD von Polymeren, Biopolymeren und organischen Materialien sind die Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation (MAPLE) und die Resonat Infra Red PLD (RIR-PLD). Der Nachteil der MAPLE basierenden Technik besteht im Gebrauch eines (bspw. mittels Stickstoff) gefrorenen Targets, die spezifische Lösungsmittel (bspw. Dimethoxy-Ethan (DME), Toluol) beinhalten, die als Absorber zur kontrollierten Laserenergieverteilung dienen und damit die photochemische Beschädigung oder Fragmentierung des Polymertargets verhindern. Der Gebrauch von gefrorenen Targets limitiert die Anzahl der einsetzbaren zu beschichtenden Polymeren. Ein weiterer Nachteil ist in der niedrigen Beschichtungsrate zu sehen. Die RIR-PLD benutzt resonate photochemische Reaktionen, die auf den Vibrationsmode des zu evaporierenden Targets eingestellt sind. Der Nachteil dieser Methode besteht in dem komplizierten und teuren Aufbau des Reaktors zur Interaktion mit dem Targetmaterial wie z.B. der Einsatz eines freien Elektronenlasers und der Unmöglichkeit der Deposition von Nanomaterialien. Other recent developments in PLD of polymers, biopolymers and organic materials include Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation (MAPLE) and the Resonate Infra Red PLD (RIR-PLD). The disadvantage of the MAPLE based technique is the use of a frozen target (eg, by nitrogen) containing specific solvents (eg dimethoxy-ethane (DME), toluene) which serve as an absorber for controlled laser energy distribution and thus photochemical damage or fragmentation prevent the polymer target. The use of frozen targets limits the number of usable polymers to be coated. Another disadvantage is seen in the low coating rate. The RIR-PLD uses resonant photochemical reactions that are tuned to the vibration mode of the target to be evaporated. The disadvantage of this method is the complicated and expensive construction of the reactor for interaction with the target material, e.g. the use of a free electron laser and the impossibility of deposition of nanomaterials.

Die Continuous compositional-spread (CCS) technique basiert auf der sequentiellen Deposition sub-monomolekularer Schichten eines jeden Materials von verschiedenen Targets, mit Hilfe dessen eine auf atomarer Ebene befindliche Mischung der einzelnen Materialien erreicht werden kann. Die Einstellung der jeweiligen Mischung aus den Targetmaterialien erfolgt über die Einstellung der Anzahl der Laserimpulse, die auf das Target geschossen werden. Der Nachteil dieser Methode besteht in dem komplexen apparativen Aufbau von verschiedenen Targets oder fokussierenden Linsensystemen und der Möglichkeit, nur anorganische Materialien zu depositionieren. The Continuous Compositional-Spread (CCS) technique is based on the sequential deposition of sub-monomolecular layers of each material from different targets, with the help of which an atomic-level mixture of the individual materials can be achieved. The adjustment of the respective mixture of the target materials is done by adjusting the number of laser pulses that are fired at the target. The disadvantage of this method is the complex apparatus design of different targets or focusing lens systems and the possibility to deposit only inorganic materials.

In der US 6,660,343 B2 wird eine Methode zur Deposition von Materialien mittels PLD, MAPLE oder MAPLE-DW beschrieben, bei der ein Target Verwendung findet, mittels dem getrennte Segmente in einer Ebene gebildet werden können. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, in den einzelnen Segmenten keine Materialien mit sehr unterschiedlichen physikalischen / chemischen Eigenschaften verwendet werden können. Gründe dafür sind die Zerstörung oder Fragmentierung durch photochemische Prozesse für Materialien, die einen geringen energetischen Level zur Ihrer Zerstörung benötigen. In einer Alternative können zwei Targets mit sehr unterschiedlichen physikalischen / chemischen Eigenschaften verwendet werden, indem zwei unterschiedliche Laser eingesetzt werden. Die Industrialisierung dieser Methode und des Gerätes ist allerdings aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden. In the US 6,660,343 B2 describes a method for deposition of materials by means of PLD, MAPLE or MAPLE-DW, in which a target is used by means of which separate segments can be formed in one plane. The disadvantage of this method is that in the individual segments no materials with very different physical / chemical properties can be used. Reasons for this are the destruction or fragmentation by photochemical processes for materials that require a low energetic level for their destruction. In one alternative, two targets with very different physical / chemical properties can be used by using two different lasers. However, the industrialization of this method and the device is complex and associated with considerable costs.

In den Druckschriften US 2004/0110042 A1 , US 2002/0081397 A1 , DE102007009487 A1 und US 2008/0006524 A1 werden unterschiedliche Beschichtungsmethoden von Substraten mittels PLD von segmentierten Targets beschrieben. Speziell in US 2008/0006524 A1 wird eine PLD-Methode vorgestellt, die einen ultraschnellen Laser zur Materialablation des Targetmaterials benutzt. Der Nachteil dieser Methode liegt in der Nutzung eines Multitarget-Manipulators, welcher beugende optische Elemente einsetzt, um ein optimales „flat-top“ Strahlprofil zu erreichen und die ständige Zufuhr von Hintergrundgas um die Qualität der entstehenden Nanopartikel Größe und deren Verteilung zu optimieren. In the pamphlets US 2004/0110042 A1 . US 2002/0081397 A1 . DE102007009487 A1 and US 2008/0006524 A1 different coating methods of substrates are described by PLD of segmented targets. Specially in US 2008/0006524 A1 introduces a PLD method that uses an ultrafast laser to ablate the target material. The disadvantage of this method is the use of a multi-target manipulator, which uses diffractive optical elements to achieve an optimal "flat-top" beam profile and to optimize the constant supply of background gas to the quality of the resulting nanoparticle size and their distribution.

Die EP1101832 B1 beschreibt ein Verfahren zur kombinatorischen Herstellung einer Bibliothek von Materialien in Form einer zweidimensionalen Matrix im Oberflächenbereich eines flächigen Substrats. Der Nachteil dieser Methode ist die Verwendung einer komplexen Maskentechnik, die eine definierte Abscheidung der getrennten Substrate auf einem Substrat ermöglicht. Zudem liegt eine weitere Schwierigkeit in der Industrialisierung dieses Verfahrens. The EP1101832 B1 describes a method for the combinatorial production of a library of materials in the form of a two-dimensional matrix in the surface region of a planar substrate. The disadvantage of this method is the use of a complex mask technique, the defined deposition of the separated substrates on allows a substrate. In addition, there is another difficulty in the industrialization of this process.

Es wurden darüber hinaus Hybrid-Techniken wie z.B. das PLD-Magnetron Sputtering und die Laser-Arc Deposition entwickelt, um hochqualitative dünne Schichten, Nanostrukturen und Nanokompositen herzustellen. Die Probleme zur Deposition von organischen / anorganischen dünnen Schichten, Nanostrukturen und Nanokompositen mit vorherbestimmten Eigenschaften unter der strikten Kontrolle aller Prozess-Parameter sowie mit der gleichzeitigen oder sequentiellen Deposition von atomischen Monolayern bis hin zu Layern mit Mikrometer-Stärken in Vakuum oder bei atmosphärischen Drücken ist allerdings ungelöst. In addition, hybrid techniques such as e.g. PLD magnetron sputtering and laser arc deposition are being developed to produce high quality thin films, nanostructures and nanocomposites. The problems of deposition of organic / inorganic thin films, nanostructures and nanocomposites with predetermined properties under the strict control of all process parameters, as well as with the simultaneous or sequential deposition of atomic monolayers to layers with micrometer strengths in vacuum or at atmospheric pressures however unresolved.

Aus den oben genannten Gründen werden verbesserte Methoden zur Herstellung von hochqualitativen dünnen Schichten, insbesondere Multilayerschichten, Nanoschichten, Nanostrukturen und Nanokompositen benötigt, die nicht unter den beschriebenen Einschränkungen leiden und die Möglichkeit der Herstellung einer neuen Generation von ultra dünnen Schichten erlauben und dadurch in der Lage sind, Produkte bzw. Materialien mit einer überlegenen Oberfläche zu generieren. For the above reasons, improved methods are needed for producing high quality thin films, especially multilayer films, nanolayers, nanostructures, and nanocomposites that do not suffer from the described limitations and thus allow and enable the possibility of producing a new generation of ultra thin films are to generate products or materials with a superior surface.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für die Laserdeposition zur Herstellung von dünnen Schichten zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, insbesondere Multilayerschichten, Nanoschichten, Nanostrukturen und Nanokompositen aus Materialien herzustellen, deren physikalische / chemische Eigenschaften sehr verschieden sind (Hybrid-Nanokomposite). Daneben soll das Verfahren die Beschichtung großer Oberflächen, eine selektive Beschichtung des Substrates an vorher bestimmten Stellen, die Beschichtung des Substrates mit Multilayerschichten, die zerstörungsfreie Beschichtung der verwendeten Materialien sowie letztlich den Aufbau von Substanzgradienten in den Nanokompositen erlauben. The aim and object of the present invention is to provide a method for laser deposition for the production of thin layers, which makes it possible in particular to produce multilayer layers, nanosheets, nanostructures and nanocomposites from materials whose physical / chemical properties are very different (hybrid Nanocomposities). In addition, the method should allow the coating of large surfaces, a selective coating of the substrate at predetermined locations, the coating of the substrate with multilayer coatings, the non-destructive coating of the materials used and ultimately the construction of substance gradients in the nanocomposites.

Erfindungsgemäß werden die voranstehenden Aufgaben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. According to the invention the above objects are achieved with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in the respective subclaims.

Das vorliegende Verfahren macht sich die Möglichkeit zu nutze, die Laserenergie in einem Bereich von 0%–100% in sehr geringen Zeiträumen (Nanosekunden–Mikrosekunden) exakt zu variieren. Trift der Laserstrahl auf ein Target, das in mehrere Bereiche und/oder Ebenen (nachstehend auch als Segmente bezeichnet) mit Materialien unterschiedlichster physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften segmentiert ist, so kann durch eine definierte Interaktion und Kontrolle der die Energieeinwirkung des Laserstrahls auf die Bereiche des Targets beeinflussenden Faktoren eine erfolgreiche Deposition der unterschiedlichen Materialien am Target in einem Prozess, an einem Target, einem Laserstrahl durchgeführt werden. Das segmentierte Target kann dabei aus jeder festen Materialoberfläche bestehen und jedwede Form, Zusammensetzung oder Ausrichtung aufweisen. The present method takes advantage of the ability to accurately vary the laser energy in a range of 0% -100% in very short periods of time (nanosecond microseconds). If the laser beam drifts onto a target which is segmented into a plurality of regions and / or planes (hereinafter also referred to as segments) with materials of very different physical and / or chemical properties, the action of the energy of the laser beam on the regions can be determined by a defined interaction and control factors influencing the target, a successful deposition of the different materials on the target in a process, on a target, a laser beam are performed. The segmented target can consist of any solid material surface and have any shape, composition or orientation.

Aufgrund der Möglichkeit der Variation der Laserenergie in sehr kurzen Zeitabständen kann die Interaktion des Lasers mit dem segmentierten Target genau auf spezifische Targetbereiche eingestellt werden. Die damit verbundene unterschiedlichen energetischen Interaktion des energetisch kontrolliereten, fokussierten Laserstrahls bzw. der Laserenergie entlang der Interaktionsachse des Laserstahls mit dem Target ist für jedes Segment des Targets verschieden. Jedes Targetsegment absorbiert nur soviel Laserenergie, die notwendig ist, das im jeweiligen Segment befindliche Targetmaterial ohne Zerstörungen, Modifikationen oder Veränderung der Funktionalität zu evaporieren / desorbieren wird. Due to the possibility of varying the laser energy in very short time intervals, the interaction of the laser with the segmented target can be adjusted precisely to specific target areas. The associated different energetic interaction of the energetically controlled, focused laser beam or the laser energy along the interaction axis of the laser beam with the target is different for each segment of the target. Each target segment absorbs only as much laser energy that is necessary to evaporate / desorb the target material located in the respective segment without destroying, modifying or modifying the functionality.

Mit der einfachen, kontrollierbaren Interaktion von hochenergetischen und/oder niedrigenergetischen Prozessen der Laserenergie mit dem Target kann durch das vorliegende Verfahren die Durchführung einer Deposition von organischen und anorganischen Materialien in einem technologischen Zyklus erfolgen. Es erlaubt damit die Synthese von völlig neuartigen Hybrid-Nanostrukturen, Nanokompositen und völlig neuen Materialien mit bisher unbekannten Eigenschaften und deren Deposition auf Substratoberflächen. With the simple, controllable interaction of high energy and / or low energy laser energy processes with the target, the present process can perform a deposition of organic and inorganic materials in a technological cycle. It thus allows the synthesis of completely novel hybrid nanostructures, nanocomposites and completely new materials with previously unknown properties and their deposition on substrate surfaces.

Zusätzliche zu der Einwirkung der Laserstrahlenergiedichte auf die Bereiche des Targets beeinflussende Faktoren können sein die, Wellenlänge, Pulsdauer, Anzahl der Laserpulse, Laserpulsrepetitionsrate, Substrat-Target-Entfernung, Targetausrichtung und andere bekannte Parameter. Der Prozess kann in einem geschlossenen Raum durchgeführt werden, in dem weitere Eigenschaften wie z.B. die Zusammensetzung der verwendeten Gase, deren Druck und Temperatur kontrolliert werden können. Das Substrat kann gekühlt oder erhitzt werden. Während des Prozesses können inerte Gase, reaktive Gase oder Gasmixturen zugeführt werden. Additional factors affecting the exposure of the regions of the target to the effect of the laser beam energy density may be the wavelength, pulse duration, number of laser pulses, laser pulse repetition rate, substrate target removal, target orientation, and other known parameters. The process can be carried out in a closed room in which other properties such as e.g. the composition of the gases used, their pressure and temperature can be controlled. The substrate can be cooled or heated. During the process, inert gases, reactive gases or gas mixtures can be supplied.

In Relation zur Dichte der Laserstrahlenergie und der Dichte der Laserleistung und bei Fixierung aller anderer Parameter können verschiedene physikalische Prozesse in der Interaktion von Laserstrahl mit dem Targetmaterial durchgeführt werden wie z.B. Absorption, Erwärmen, Erwärmen mit Verdampfung, Erwärmung mit Schmelze und Verdampfung, sehr schnelle Erwärmung und Ablation oder direkte Ablation. Diese verschiedenen Prozesse werden zur erfolgreichen Deposition von einzelnen Materialien verwendet. So ist z.B. die benötigte Energiedichte des Lasers zur Deposition bei organischen Verbindungen oder anderen komplexen organischen Materialien sehr klein und der Prozess ist sehr schonend durchzuführen, ohne dass dabei die funktionellen Gruppen des organischen Materials zerstört werden und es zu einer Fragmentierung kommt. Für Keramiken, Metall, Metalllegierungen oder andere anorganische Verbindungen muss die benötigte Energiedichte des Lasers für das Laserplasma und den Transfer des Targetmaterials auf das Substart als Ionen, Elektronen, neutrale Atome, Kluster, feine Körner, Tropfen und dergleichen sehr hoch sein. Die optimale Intensität zur Deposition setzt sich aus der photonen Energie des Lasers (oder Wellenlänge des Lasers), der Pulsdauer und den Charakteristika des Targetmaterials zusammen. In relation to the density of the laser beam energy and the density of the laser power and fixing of all other parameters, different physical processes can be performed in the interaction of the laser beam with the target material such as absorption, heating, heating with evaporation, heating with melt and Evaporation, very rapid heating and ablation or direct ablation. These different processes are used for the successful deposition of individual materials. For example, the required energy density of the laser for deposition in organic compounds or other complex organic materials is very small and the process is very gentle, without destroying the functional groups of the organic material and resulting in fragmentation. For ceramics, metal, metal alloys or other inorganic compounds, the energy density required of the laser for the laser plasma and the transfer of the target material to the substrate as ions, electrons, neutral atoms, clusters, fine grains, droplets and the like must be very high. The optimum intensity for deposition is composed of the photon energy of the laser (or wavelength of the laser), the pulse duration and the characteristics of the target material.

Das vorliegende Verfahren ist im Besonderen geeignet für den Einsatz von Beschichtungen für medizinische Geräte wie z.B. Implantate, chemoselektive oder bioselektive Oberflächen für Sensoren, Vorrichtungen in der Pharmazie, im Energiesektor, in der Luft und Raumfahrt als auch in der der Automobilindustrie. Beispiele für solche Geräte sind Stents, Katheter, Arzneimittel freisetzende Implantate, Biosensoren, Surface acoustic wave devices (ASW), optische Waveguides, optische Geräte, Solarzellen, Werkzeuge, Ultra hydrophobic und Ultra hydrophile Oberflächen und andere. Beispiele für Beschichtungen auf medizinischen Geräten sind Nanokomposite aus bio- und hämokompatiblen Polymeren sowie Arzneimittel, Nanokomposite aus bio- und hämokompatiblen Polymeren und Keramiken, Nanokomposite aus bioabbaubaren Polymeren und Arzneimitteln, Nanokompositen aus bioabbaubaren Metallen und Arzneimitteln und weitere. Beispiele für chemoselektive Materialien werden im Detail in „Choosing Polymer coatings for chemical sensors” (CHEMITECH, Vol. 24 No 9, pp 27–37, 1994 McGill et al.) beschrieben. Weiter von Interesse sind Nanokomposite aus Keramiken, Dendrimeren, und DLC (diamond-like-Carbon). Beispiele für bioselektive Materialien beinhalten Proteine, Peptide, Antikörper, DNA, RNA, Polysaccardide, Lipide und weitere sowie deren Metall-, Keramik- oder Polymerennanokomposite. The present method is particularly suitable for the use of coatings for medical devices such as implants, chemoselective or bioselective surfaces for sensors, devices in the pharmacy, in the energy sector, in the aerospace and in the automotive industry. Examples of such devices are stents, catheters, drug-eluting implants, biosensors, surface acoustic wave devices (ASW), optical waveguides, optical devices, solar cells, tools, ultra-hydrophobic and ultra-hydrophilic surfaces and others. Examples of coatings on medical devices include nanocomposites made from biocompatible and hemocompatible polymers as well as pharmaceuticals, nanocomposites made from biocompatible and hemocompatible polymers and ceramics, nanocomposites from biodegradable polymers and pharmaceuticals, nanocomposites from biodegradable metals and pharmaceuticals and others. Examples of chemoselective materials are discussed in detail in "Choosing Polymer Coatings for Chemical Sensors" (CHEMITECH, Vol. 24 No 9, pp 27-37, 1994 McGill et al.) described. Of further interest are nanocomposites made of ceramics, dendrimers, and DLC (diamond-like carbon). Examples of bioselective materials include proteins, peptides, antibodies, DNA, RNA, polysaccharides, lipids and others and their metal, ceramic or polymer nanocomposites.

Daneben ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels der durch eine kontrollierte energetische Verteilung der fokussierten Laserenergie über dem Strahlquerschnitt einzelne Segmente eines Targets mit einer jeweils abweichenden Strahlungsintensität bestrahlt werden können. In addition, it is the object of the invention to provide a device by means of which individual segments of a target can be irradiated by a controlled energy distribution of the focused laser energy over the beam cross-section with a respectively differing radiation intensity.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Vorrichtung und des Substrats ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Other objects, features, advantages and possible applications of the method, the device and the substrate according to the invention will become apparent from the following description of several embodiments with reference to the drawings. All described and / or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of the summary in individual claims or their dependency.

In den Zeichnungen zeigen In the drawings show

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung 1 zur Deposition dünner Schichten mit Hilfe eine segmentierten, rotierenden Kreistargets; 1 a schematic representation of the method and the device according to the invention 1 for the deposition of thin layers by means of a segmented, rotating circular target;

2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung 1 zur Deposition dünner Schichten mit Hilfe eines segmentierten, rotierenden Targetzylinders; 2 a schematic representation of the method and the device according to the invention 1 for the deposition of thin layers by means of a segmented, rotating target cylinder;

3 eine seitliche und perspektivische Ansicht des in mehrere Ebenen (Segmente) 17, 18 aufgeteilten Targets 5, teilweise aufgebrochen. 3 a lateral and perspective view of the in several levels (segments) 17 . 18 split targets 5 , partially broken.

Ausführung der Erfindung Embodiment of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung 1 zur Deposition dünner Schichten. Die Vorrichtung 1 besteht aus einer Reaktionskammer 2, in der vorzugsweise ein Vakuum vorgesehen ist, und weist zumindest einen Laser 3 auf, vorzugsweise einen gepulsten Laser 3, der durch eine adaptive Optik (Linsen, Spiegel, Prismen, Filter, Mechaniken) 4 auf das segmentierte Target 5 fokussiert ist. Das Target 5 ist in der dargestellten bevorzugten Ausführung der Vorrichtung 1 an bzw. auf einem beweglichen Träger (Arm) 6 montiert, der eine translatorische und/oder eine rotierende Bewegung des Targets 5 erlaubt. Typischerweise rotiert das Target 5 mit etwa 0,05–3000 Hz. 1 shows a schematic representation of the method and the device according to the invention 1 for the deposition of thin layers. The device 1 consists of a reaction chamber 2 in which preferably a vacuum is provided, and has at least one laser 3 on, preferably a pulsed laser 3 by adaptive optics (lenses, mirrors, prisms, filters, tuners) 4 on the segmented target 5 is focused. The target 5 is in the illustrated preferred embodiment of the device 1 on or on a mobile support (arm) 6 mounted, the a translational and / or a rotating movement of the target 5 allowed. Typically, the target rotates 5 with about 0.05-3000 Hz.

Wie aus 1 ersichtlich, wird der Laserstrahl 28 von einem Laser 3 auf ein segmentiertes Target 5 geschossen. Die Energie des Laserstahls 28 wird über die Steuer- und Kontrolleinheit 29 (nachstehend auch als Controller bezeichnet) zu jedem Winkelinkrement des rotierenden Targets 5 genau eingestellt. Das Target 5 wird durch den Schrittmotor 30 in Rotation versetzt, der die genaue Position des Targets 5 an den Controller 29 übermittelt. Die Rotationsgeschwindigkeit wird über den Controller 29 eingegeben und an den Schrittmotor 30 übermittelt. Der Controller 29 steuert durch die Positionsinformation des Schrittmotors 39 die Laserenergie, die Impulslänge und die Impulsrate des Laserstrahls über die Lasereinheit für jedes Winkelinkrement des Targets 5. How out 1 can be seen, the laser beam 28 from a laser 3 to a segmented target 5 shot. The energy of laser steel 28 is via the control unit 29 (hereinafter also referred to as controller) to each angular increment of the rotating target 5 set exactly. The target 5 is through the stepper motor 30 set in rotation indicating the exact position of the target 5 to the controller 29 transmitted. The rotation speed is via the controller 29 entered and to the stepper motor 30 transmitted. The controller 29 controls by the position information of the stepping motor 39 the laser energy that Pulse length and the pulse rate of the laser beam across the laser unit for each angular increment of the target 5 ,

Ein vorzugsweise vorgesehener Skanner 32 lässt den Laserstrahl 28 in einer genau vorher bestimmten weise über das Target 5 scannen. Eine adaptive Optik 4 fokussiert den Laser 3 genau auf das Target. Der Laserstrahl 28 verursacht einen Plasmakegel 7 von verdampften Targetmaterial, das sich auf dem Substrat 8 niederschlägt. Das Substrat 8 kann über eine Substratheizung 11 geheizt werden. Ein Strukturierungslaser kann genau definierte Stellen des Substrates 8 heizen. Das Substrat 8 kann in Translation oder Rotation versetzt werden. Über einen Injektor 33 können Materialpartikel zum Plasmakegel 7 zugegeben werden. Über einen Gaseinlass 15 können Prozessgase zugeführt werden. Das ganze System wird in eine Vakuumkammer 2 integriert. A preferably provided Skanner 32 lets the laser beam 28 in a well-defined way over the target 5 to scan. An adaptive optics 4 focuses the laser 3 exactly on the target. The laser beam 28 causes a plasma cone 7 of evaporated target material, which is on the substrate 8th reflected. The substrate 8th can have a substrate heater 11 be heated. A structuring laser can be precisely defined areas of the substrate 8th heat. The substrate 8th can be translated or rotated. About an injector 33 can particles of material to the plasma cone 7 be added. Via a gas inlet 15 Process gases can be supplied. The whole system is placed in a vacuum chamber 2 integrated.

Durch den apparativen Aufbau lassen sich die unterschiedlichsten Nanokomposite, Nanolayer auf dem Substrat niederschlagen. Dabei werden die Segmente des Targets mit genau definierter Laserenergie bestrahlt, die eine optimale Evaporation des Segmentmaterials ohne Zerstörung erlauben. Auf dem segmentierten Target können sich die unterschiedlichsten Materialien befinden die ganz unterschiedliche Evaporationsenergien benötigen um zerstörungsfrei zu verdampfen. Die Einstellung der Laserenergie, Laserimpulsdauer und Impulsrepetitionsrate wird über den Controller gesteuert der zu jedem Winkelinkrement des Targets diese Information an den Laser weitergibt und somit auf das Target Material optimal abgestimmte Evaporationsparameter liefert. Due to the construction of the apparatus, a wide variety of nanocomposites, nano-layers can be deposited on the substrate. The segments of the target are irradiated with precisely defined laser energy, which allows optimal evaporation of the segment material without destruction. The segmented target can contain a wide variety of materials that require very different evaporation energies in order to evaporate non-destructively. The setting of the laser energy, laser pulse duration and pulse repetition rate is controlled by the controller which transmits this information to the laser for each angular increment of the target and thus delivers optimally matched evaporation parameters to the target material.

Die Rotation des Targest wird mit einem Schrittmotor kontrolliert. Die Rotationsfrequenz des Schrittmotors wird durch eine Software kontrollierte Kontrolleinheit vorgegeben und kontrolliert. Der Schrittmotor gibt die exakte Winkelposition der Targetsegmente an die Kontrolleinheit weiter, die je nach Stellung des Targets die Laserenergie, die Repetitionsrate der Laserpulse und die Pulsdauer des Lasers exakt steuert. Alle Parameter können durch die Kontrolleinheit auf versiedene Winkelsegmente des Targets festgelegt werden. Ebenso kann der zeitliche Verlauf der Targetrotation, der Laserenergie, der Repetitionsrate der Laserpulse und der Impulslänge des Lasers vorher durch ein Programm genau festgelegt werden. Dies erlaubt die Formung von Mulitlayern sowie die graduelle Verteilung verschiedenster Materialein in der Beschichtung in einem technologischen Zyklus. Damit ist es möglich, die exakten, bestmöglichen Bedingungen zur optimalen Evaporation des Targetmaterials und die Formung von vorher genau festgelegten Multilayern und Nanokompositen zu realisieren. The rotation of the Targest is controlled by a stepper motor. The rotation frequency of the stepper motor is set and controlled by a software controlled control unit. The stepper motor transmits the exact angular position of the target segments to the control unit which, depending on the position of the target, precisely controls the laser energy, the repetition rate of the laser pulses and the pulse duration of the laser. All parameters can be set by the control unit to different angle segments of the target. Likewise, the time course of the target rotation, the laser energy, the repetition rate of the laser pulses and the pulse length of the laser can be previously determined precisely by a program. This allows the formation of multi-layers as well as the gradual distribution of various materials in the coating in a technological cycle. This makes it possible to realize the exact, best possible conditions for optimal evaporation of the target material and the formation of previously defined multilayers and nanocomposites.

Der Substrathalter 13 ist vorzugsweise elektrisch isoliert und kann über eine konventionelle Substratheizung 11 und/oder Substratkühlung 11 auf eine vordefinierte Temperatur gebracht werden. Das Substrat 8 kann alternativ oder zusätzlich mit einem Laser 12 oder eine anders geartete Wärmequelle 11 erhitzt werden, die auf der Rückseite des Substrates 8 oder dessen Vorderseite angeordnet ist. Die Temperatur wird über einen Thermokoppler 14 oder andere geeignete Einrichtungen gemessen. Die Anwendung einer Laserquelle als Substratheizung 11 in Verbindung mit der beschriebenen Erfindung erlaubt die Bildung von Nanokompositen mit verschiedenen lokalen Strukturen innerhalb der Schicht. An Stellen, die einer lokalen Erhitzung ausgesetzt sind, kommt es vornehmlich zur Bildung von kristallinen bzw. polykristallinen Strukturen, während an Stellen, die nicht erhitzt werden, amorphe Strukturen auftreten. Ein Gaseinlass 15 erlaubt den Einlass von Gasen in die Vakuumkammer 2 in Richtung 16. Die Reaktorkammer 2 arbeitet bei verringertem Druck bei Zugabe eines inerten Gases, eines reaktiven Gases oder einer Gasmischung. The substrate holder 13 is preferably electrically isolated and can be heated by conventional substrate heating 11 and / or substrate cooling 11 be brought to a predefined temperature. The substrate 8th may alternatively or additionally with a laser 12 or a different kind of heat source 11 be heated on the back of the substrate 8th or whose front is arranged. The temperature is via a thermocouple 14 or other suitable devices. The application of a laser source as substrate heating 11 in connection with the invention described allows the formation of nanocomposites with different local structures within the layer. At sites exposed to local heating, crystalline or polycrystalline structures are predominantly formed, while amorphous structures occur at locations that are not heated. A gas inlet 15 allows the entry of gases into the vacuum chamber 2 in the direction 16 , The reactor chamber 2 operates at reduced pressure with the addition of an inert gas, a reactive gas or a gas mixture.

Die Einstellung des Einstrahlwinkels zwischen der Laserquelle 3, 28 und dem Target 5 entspricht den üblichen Anforderungen, typischerweise beträgt dieser Winkel 45°. Der Laserstrahl 28 kann – wie aus 1 ersichtlich – vorzugsweise mit Hilfe einer Scaneinrichtung 9 über das Target 5 geführt werden. The adjustment of the angle of incidence between the laser source 3 . 28 and the target 5 meets the usual requirements, typically this angle is 45 °. The laser beam 28 can - how out 1 apparent - preferably by means of a scanning device 9 over the target 5 be guided.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kann jedwede geeignete Laserquelle 3 genutzt werden deren Energiedichte, Impulslänge und Impulsfrequenz in sehr kurzen Zeiträumen variiert werden kann. Gewöhnlich werden gepulste Laser 3, im Besonderen ein kurzgepulster Laser 3 eingesetzt, z.B. ein UV- oder im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitender Laser 3; hier sind zu nennen: Excimerlaser zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich, Stickstofflaser oder andere kurzgepulste Laser wie Nd:YAG-Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser), Nd:YLF-Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Lithium-Fluorid-Laser), CVL (cooper vapour laser) ps Laser (Pikosekunden Laser), fs Laser (femtosecond Laser), Fiber Laser, oder CO² Laser (Kohlendioxidlaser). Laser 3, die für die beschriebene Methode geeignet sind, emittieren in der Regel Licht in einer Wellenlänge von 193 nm–1200 nm mit einer Energiedichte von 20 mJ bis zu 15 J/cm² (typisch 50 mJ–5 J/cm²) und einer Pulsdauer von 10^–12–10^–6 Sekunden und einer Pulsrate zwischen 1Hz–100000 kHz. Im Allgemeinen beeinflusst die Energiedichte die verschiedenen Regime der Interaktion, der Morphologie und der Topologie der Schichtoberfläche. For the method according to the invention, any suitable laser source 3 be used whose energy density, pulse length and pulse frequency can be varied in very short periods. Usually pulsed lasers 3 , in particular a short-pulse laser 3 used, for example, a UV or working in the visible wavelength range laser 3 ; here are excimer lasers for generating electromagnetic radiation in the ultraviolet wavelength range, nitrogen lasers or other short-pulsed lasers such as Nd: YAG laser (neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet laser), Nd: YLF laser (neodymium-doped yttrium laser). Lithium-fluoride laser), CV laser gun (psicose laser), laser laser (femtosecond laser), fiber laser, or CO ² laser (carbon dioxide laser). laser 3 which are suitable for the method described, emit light in a wavelength of 193 nm-1200 nm typically with an energy density of 20 mJ up to 15 J / cm ² (typically 50 mJ-5 J / cm ² ) and a pulse duration from 10 ^-12 -10 ^-6 seconds and a pulse rate between 1Hz-100000kHz. In general, the energy density affects the different modes of interaction, morphology, and topology of the layer surface.

Der Abstand zwischen Target 5 und Substrat 8 liegt typischerweise zwischen 2–20 cm und besonders bevorzugt Besonderen bei ca. 8 cm. Im Allgemeinen sind größere Abstände für die Beschichtung von größeren Oberflächen besser geeignet. Der Target-Substrat-Abstand ist umgekehrt proportional zur Schichtstärke, die während eines gegebenen Zeitraums der Deposition erzielt wird. The distance between target 5 and substrate 8th is typically between 2-20 cm and especially preferred at about 8 cm. In general, larger distances are more suitable for coating larger surfaces. The target-substrate spacing is inversely proportional to the film thickness achieved during a given period of deposition.

Das Target 5 und das Substrat 8 sind vornehmlich in einer geschlossenen Umgebung oder in einer Reaktorkammer 2 positioniert, dessen Umgebung wie Temperatur, Druck und Material auf dem segmentierten Target 5 kontrolliert wird, um einen optimalen Beschichtungsprozess zu erreichen und die Wahrscheinlichkeit einer Fragmentierung oder Derivatisierung des Beschichtungsmaterials weitestgehend auszuschließen bzw. zu minimieren. Geeignete Umgebungen zur Beschichtung können Argon, Sauerstoff, Helium, Stickstoff, Alkohole, Hydrocarbone oder entsprechende Gasmixturen sein. Andere nichtreaktive Gase können für Argon als Substituent eingesetzt werden. Der Druck innerhalb der Reaktorkammer 2 während des Beschichtungsprozesses kann zwischen 10^–4 und 760 Torr betragen. The target 5 and the substrate 8th are primarily in a closed environment or in a reactor chamber 2 its environment such as temperature, pressure and material on the segmented target 5 is controlled in order to achieve an optimal coating process and the probability of fragmentation or derivatization of the coating material as far as possible exclude or minimize. Suitable coating environments may be argon, oxygen, helium, nitrogen, alcohols, hydrocarbons, or equivalent gas mixtures. Other non-reactive gases can be used for argon as a substituent. The pressure inside the reactor chamber 2 during the coating process can be between 10 ^-4 and 760 Torr.

In der Reaktionskammer 2 nahe des Targets 5 sind in einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung 1 Materialinjektoren 10 vorgesehen, die während des Beschichtungsprozesses kontinuierlich oder im gepulsten Bereich synchron der Repetitionsrate des Lasers 3 arbeiten. Jedes Material kann dabei injiziert werden, wie z.B. Gase, Gasmixturen, Pills, Flüssigkeiten oder Kombinationen daraus. Die Richtung des injizierten Materials kann parallel zum Target 5, über das Target 5 oder in der Richtung des Substrates 8 verlaufen. Die Wahl der Anordnung bestimmt den Grad der Fluidsituation des verdampfenden Materials vom Target 5. Der Abstand zwischen Target 5 und Substrat 8 wird anhand des gewählten injizierten Materials gewählt und soll gewährleisten, dass sich auf der Oberfläche des Substrates 8 nur das evaporierte Targetmaterial abschlägt, das heißt, alle möglichen Reaktionen zur Abkühlung des Plasmas, Rekombinationsprozesse und physikalische Beseitigung des injizierten Materials können im Gebiet des Substrates 8 realisiert werden. Die physikalische Entfernung des injizierten Materials zur Fluidisierung der benötigten Substanzen wird mit einer Vakuumpumpe 34 bewerkstelligt. Z.B. besteht das Injektionsmaterial zur Herstellung von Keramik-Metall Nanokompositen wie DLC – Ag oder DLC – Pt oder DLC – Ag + Pt Nanopartikeln aus Helium/Argon Gas. In the reaction chamber 2 near the target 5 are in a preferred embodiment of the device 1 Materialinjektoren 10 provided during the coating process continuously or in the pulsed range synchronously the repetition rate of the laser 3 work. Any material can be injected, such as gases, gas mixtures, pills, liquids or combinations thereof. The direction of the injected material can be parallel to the target 5 , about the target 5 or in the direction of the substrate 8th run. The choice of arrangement determines the degree of fluidity of the evaporating material from the target 5 , The distance between target 5 and substrate 8th is selected based on the selected injected material and is intended to ensure that it is on the surface of the substrate 8th only the evaporated target material abates, that is, all possible reactions for cooling the plasma, recombination processes and physical removal of the injected material in the area of the substrate 8th will be realized. The physical removal of the injected material to fluidize the required substances is done with a vacuum pump 34 accomplished. For example, the injection material consists of ceramic-metal nanocomposites such as DLC-Ag or DLC-Pt or DLC-Ag + Pt nanoparticles of helium / argon gas.

Die Dicke des Beschichtungsfilms ist im Allgemeinen proportional zu der Anzahl der Laserpulse, beziehungsweise der Zeit des Beschichtungsprozesses. Die Filmdicke kann durch die Anzahl der Laserpulse, der Targettemperatur, dem Abstand zwischen Target 5 und Substrat 8 und der Laserenergiedichte eingestellt werden. Die übliche Dicke bei der Herstellung von Keramik-Metall Nanokompositen beträgt zwischen 70nm–3000 nm. The thickness of the coating film is generally proportional to the number of laser pulses, or the time of the coating process. The film thickness can be determined by the number of laser pulses, the target temperature, the distance between the target 5 and substrate 8th and the laser energy density are adjusted. The usual thickness in the production of ceramic-metal nanocomposites is between 70nm-3000nm.

Das in zwei Teilen 17, 18 segmentierte Target 5 ist schematisch in 2 dargestellt, wobei ein Segment 18 des Targets 5 aus einem organischen Material und das andere Segment 17 aus einem anorganischen Material besteht. Die Anzahl der an/auf dem Target 5 vorgesehenen Segmente 17, 18 kann im Übrigen unbegrenzt hoch sein und je nach Anwendungsfall variieren. Neben der dargestellten Ausführung kann das Target 5 jedwede Form aufweisen: parallelepiped, pyramidal, kubisch, sphärisch oder anderen komplexe Formen. Das Material auf den Segmenten 17, 18 kann ebenso eine Legierung oder ein Komposit sein. That in two parts 17 . 18 segmented target 5 is schematic in 2 shown, where a segment 18 of the target 5 from one organic material and the other segment 17 consists of an inorganic material. The number of on / on the target 5 provided segments 17 . 18 Incidentally, it can be infinitely high and vary depending on the application. In addition to the illustrated embodiment, the target 5 have any shape: parallelepiped, pyramidal, cubic, spherical or other complex shapes. The material on the segments 17 . 18 may also be an alloy or a composite.

Wie aus 2 ersichtlich, wird der Laserstahl 28 des Lasers 3 auf ein rotierendes Target 5 gestrahlt, das als Kreisscheibe ausgelegt ist. Der Laserstahl 28 scannt dabei das Target 5 von dessen Mitte der Kreisscheiben bis zu dessen Rand (Laserscanbereich 35). Das Target 5 ist dabei vorzugsweise in zwei Hälften segmentiert, die zwei unterschiedliche Materialien tragen. Das Target 5 wird durch einen Schrittmotor 30 in Rotation vorgesetzt. Die Rotationsgeschwindigkeit wir von einem Controller 29 kontrolliert (In from Controller). Der Schrittmotor 30 gibt zu jeder Zeit die genaue Position der Winkelinkremente des rotierenden Targets 5 an den Controller 29 weiter (Controllerausgang 29a). Der Controller 29 berechnet aufgrund dieser Daten die genaue Position des Laserstahles 28 und die optimale Laserenergie, Impulsdauer und Repetitionsrate der Laserpulse um das Targetmaterial optimal zu verdampfen. Diese Information wird vom Controller 29 an den Laser 3 weitergegeben (Controllerausgangssignal 3a), der die entsprechenden Parameter einstellt und den Laserstahl auslöst. How out 2 seen, the laser steel 28 the laser 3 on a rotating target 5 blasted, which is designed as a circular disk. The laser steel 28 scans the target 5 from the center of the circular disks to the edge (Laserscanbereich 35 ). The target 5 is preferably segmented into two halves, which carry two different materials. The target 5 is powered by a stepper motor 30 set in rotation. The rotation speed we get from a controller 29 controlled (In from Controller). The stepper motor 30 gives the exact position of the angular increments of the rotating target at all times 5 to the controller 29 continue (controller output 29a ). The controller 29 calculates the exact position of the laser beam based on this data 28 and optimally evaporate the optimal laser energy, pulse duration and repetition rate of the laser pulses around the target material. This information is provided by the controller 29 to the laser 3 passed (controller output signal 3a ), which sets the appropriate parameters and triggers the laser beam.

In der in 3 dargestellten Ausführung wird ein Laserstahl 28 vom Laser 3 auf ein rotierendes Target 5 gestrahlt, das als Zylinder ausgelegt ist. Der Laserstrahl 28 scannt dabei das Target 5 entlang seiner Rotationsachse 36 von Zylinderanfang bis zu Zylinderende (Laserscanbereich 35). Das Target 5 ist in zwei Hälften segmentiert, die zwei unterschiedliche Materialien tragen. Das Target wird durch einen Schrittmotor 30 in Rotation vorgesetzt. Die Rotationsgeschwindigkeit sowie alle weiteren Schritte gemäß der vorherigen Beschreibung werden auch hier von dem Controller 29 kontrolliert (Controllereingang 29b). In the in 3 illustrated embodiment is a laser steel 28 from the laser 3 on a rotating target 5 blasted, which is designed as a cylinder. The laser beam 28 scans the target 5 along its axis of rotation 36 from cylinder start to cylinder end (Laserscanbereich 35 ). The target 5 is segmented into two halves bearing two different materials. The target is powered by a stepper motor 30 set in rotation. The rotation speed as well as all further steps according to the previous description are also used by the controller 29 controlled (controller input 29b ).

Darüber hinaus können eine entsprechende Ausgestaltung des Targets 5 und/oder die Ausrichtung des Lasers 3 Substanzgradienten in den synthetisierten Nanokompositen ermöglichen. So ist es denkbar, dass die anorganische Komponente des auf der Substratoberfläche despositionierenden Nanokomposits anfangs hoch liegt und zum Ende hin abnimmt und die organische Komponente anfangs niedrig und am Ende hoch ist und umgekehrt. Alle möglichen Gradientenformen sind dabei denkbar. In addition, a corresponding embodiment of the target 5 and / or the orientation of the laser 3 Allow substance gradients in the synthesized nanocomposites. Thus, it is conceivable that the inorganic component of the on the substrate surface despositioning Nanocomposite is initially high and decreases towards the end and the organic component is initially low and high at the end and vice versa. All possible gradient forms are conceivable.

Durch eine Rotation des Targets 5 werden die Targetsegmente 17, 18 nacheinander dem Laserstrahl 28 ausgesetzt und damit eine in ihrer Zusammensetzung alternierende Plasmakeule aus den unterschiedlichen Targetmaterialien erzeugt. Zum Beispiel können so alternierend komplexe organische Verbindungen und anorganische Materialien auf dem Substrat abgeschieden werden. Im Falle von komplexen organischen Verbindungen wird ein niedrig energetischer Prozess für die zu transferierende labile Substanz zerstörungsfrei durchgeführt. Im zweiten Prozess wird eine Laserablation durchgeführt. By a rotation of the target 5 become the target segments 17 . 18 successively the laser beam 28 exposed and thus produces a compositionally alternating plasma element of the different target materials. For example, complex organic compounds and inorganic materials may be alternately deposited on the substrate. In the case of complex organic compounds, a low-energy process for the labile substance to be transferred is carried out non-destructively. In the second process, a laser ablation is performed.

Durch schnelle Rotation des Targets 5 erhält man eine einzige Nanokompositschicht bestehend aus den Materialien der einzelnen Segmente 17, 18. Ist die Rotation dagegen langsam, so ergibt sich ein Multischicht-Nanokomposit bestehend aus alternierenden Lagen der Materialien aus den einzelnen Targetsegmenten. By fast rotation of the target 5 one obtains a single nanocomposite layer consisting of the materials of the individual segments 17 . 18 , On the other hand, if the rotation is slow, the result is a multilayer nanocomposite consisting of alternating layers of the materials from the individual target segments.

Im Übrigen können die Segmente 17, 18 des Targets 5 auch so angeordnet, in Rotation und/oder in Translation versetzt werden, dass ihre Position synchron oder asynchron des Laserpulses variiert. Incidentally, the segments 17 . 18 of the target 5 Also arranged so are placed in rotation and / or translation, that their position varies synchronously or asynchronously of the laser pulse.

Ferner kann auch das Substrat 8 während der Beschichtung rotieren, translieren oder andersartig bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung auch komplizierter dreidimensionaler Objektoberflächen zu gewährleisten. Furthermore, the substrate can also be used 8th rotate, translate, or otherwise move during coating to ensure even coating of even complex three-dimensional object surfaces.

Die hier beschriebene Methode kann auch zur Herstellung von Multischichten benutzt werden. Hier kommt ebenfalls ein segmentiertes Target 5 zum Einsatz. The method described here can also be used for the production of multilayers. Here is also a segmented target 5 for use.

Das Target 5 kann mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, variabel oder schrittweise rotieren. Während der Rotation des Targets 5 wird jedes Segment 17, 18 alternierend dem fokussierten Laserstrahl 28 ausgesetzt, synchronisiert mit der Energiedichte des Laserpulsen die optimal für die Interaktion des jeweiligen Targetmaterials auf dem ausgewählten Segments 17, 18 ist. Dadurch entstehen alternierende Plasmakeulen, die alternierend auf der Oberfläche des Substrates 8 abgeschieden werden. Wird das Target 5 schrittweise in Rotation versetzt, wird das Regime von einfachen Multitargets realisiert. Rotiert das Target 5 langsam, so wird ein Multilayer Komposit aus verschieden Lagen von organischem Material, Metal und Keramik synthetisiert. Rotiert das Target 5 schnell, wird ein Multikomposit aus organischem Material, Metal und Keramik synthetisiert. Das Target 5 kann in einem technologischen Zyklus in den oben aufgezeigten drei Arbeitsweisen rotieren und alternierende Schichten aus einzelnen Kompositen, Mulilayern und Nanokompositen bestehen. Die Synchronisation der einzelnen Targetsegmenten mit der Energiedichte des Laserstahles kann über inen Schrittmotor erfolgen der nach Erreichung von vorprogrammierten Schritten einen Impuls zur Variation der Laserenergie an den Laser gibt. Diese Variation kann über ein vorher festgelegtes Programm kontrolliert werden. Dies erlaubt die Synthese von Nanokompositen mit exakt festgelegten Eigenschaften. The target 5 can rotate at a steady speed, variable or stepwise. During the rotation of the target 5 becomes every segment 17 . 18 alternating the focused laser beam 28 exposed, synchronized with the energy density of the laser pulses optimal for the interaction of the respective target material on the selected segment 17 . 18 is. This creates alternating plasma cores that alternate on the surface of the substrate 8th be deposited. Becomes the target 5 gradually set in rotation, the regime is realized by simple multitargets. Rotates the target 5 slowly, a multilayer composite of different layers of organic material, metal and ceramic is synthesized. Rotates the target 5 fast, a multi-composite of organic material, metal and ceramics is synthesized. The target 5 can rotate in a technological cycle in the above three ways and alternate layers of individual composites, multilayers and nanocomposites exist. The synchronization of the individual target segments with the energy density of the laser beam can take place via a stepping motor which, after reaching preprogrammed steps, gives a pulse for varying the laser energy to the laser. This variation can be controlled via a pre-defined program. This allows the synthesis of nanocomposites with precisely defined properties.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Vorrichtung contraption
2 2: Reaktionskammer reaction chamber
3 3: Laser laser
3a 3a: Controllerausgangsignal zum Laser Controller output signal to the laser
4 4: adaptive Optik adaptive optics
5 5: Target target
5a 5a: Targetscheibe target disk
6 6: beweglicher Targetträger / Arm movable target carrier / arm
7 7: Plasmakeule plasma club
8 8th: Substrat substratum
9 9: Scaneinrichtung scanning device
10 10: Materialinjektoren Materialinjektoren
11 11: Substratheizung / Substratkühlung Substrate heating / substrate cooling
12 12: Laser laser
13 13: Substrathalter substrate holder
14 14: Thermokoppler thermocouple
15 15: Gaseinlass gas inlet
16 16: Richtung direction
17, 18 17, 18: Segmente segments
28 28: Laserstrahl laser beam
29 29: Steuer- und Kontrolleinheit (Controller) Control Unit (Controller)
29a 29a: Controllerausgangsignal zum Schrittmotor Controller output signal to the stepper motor
29b 29b: Controllereingangssignal vom Schrittmotor Controller input signal from the stepper motor
30 30: Schrittmotor stepper motor
31 31: Strukturierungslaser structuring lasers
32 32: Skanner Skanner
33 33: Injektor injector
34 34: Vakuumpumpe vacuum pump
35 35: Laserscanbereich Laser scanning area
36 36: Rotationsachse axis of rotation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6660343 B2 [0012]
US 2004/0110042 A1 [0013]
US 2002/0081397 A1 [0013]
DE 102007009487 A1 [0013]
US 2008/0006524 A1 [0013, 0013]
EP 1101832 B1 [0014]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"Choosing Polymer Coatings for Chemical Sensors" (CHEMITECH, Vol. 24 No 9, pp 27-37, 1994 McGill et al.) [0024]

Claims

Method for depositing thin layers, in particular for producing multilayer layers, nanosheets, nanostructures and nanocomposites, by laser deposition from target materials onto a substrate ( 8th ) Surface, where a) the target ( 5 ) is in segments ( 17 . 18 ) are segmented with materials of various physical and / or chemical properties and b) by means of controlled energetic distribution ( 29 ) of the focused laser energy over the laser beam ( 28 ) - cross-section become individual segments ( 17 . 18 ) of this target ( 5 ) is irradiated with a respectively different radiation intensity in such a way that each target segment ( 17 . 18 ) absorbs in this irradiation the amount of laser energy which is necessary in the respective segment ( 17 . 18 ) to evaporate or desorb target material and c) the target ( 5 ) during the coating process in a uniform, stepwise or variable rotation, characterized in that the rotation of the target ( 5 ) with a stepper motor ( 30 ) is controlled, whereby after preselected steps by means of a control and monitoring unit ( 29 ) the laser power, the pulse duration and the pulse frequency of the laser ( 3 ) whose energy density, pulse length and pulse frequency can be varied in very short periods of time.

Method according to claim 1, characterized in that by the stepping motor ( 30 ) after the occurrence of preprogrammed steps, a pulse for varying the laser energy, the pulse length and the pulse frequency to the laser ( 3 ).

Method according to claims 1 and 2, characterized in that the stepping motor ( 30 ) the exact angular position of the target segments ( 17 . 18 ) to the control and monitoring unit ( 29 ), which depends on the position of the target ( 5 ) the laser energy, the repetition rate of the laser pulses and the pulse duration of the laser ( 3 ) controls exactly.

Method according to the preceding claims, characterized in that all the parameters are controlled by the control and monitoring unit ( 29 ) on different angle segments ( 17 . 18 ) of the target ( 5 ) be determined.

Method according to the preceding claims, characterized in that the time profile of the target rotation, the laser energy, the repetition rate of the laser pulses and the pulse length of the laser ( 3 ) by the control and monitoring unit ( 29 ) are specified.