DE102016100725A1

DE102016100725A1 - Verfahren und Anordnung zum Beschichten eines Substrats

Info

Publication number: DE102016100725A1
Application number: DE102016100725.0A
Authority: DE
Inventors: Werner Schütze; Alexander Slaza
Original assignee: Phitea GmbH
Current assignee: Phitea GmbH
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats (2) mit wenigstens einer Materialschicht (3), aufweisend die Schritte: – Einbringen von wenigstens einem Target (5) und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat (2) in eine Vakuumkammer (4); – Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer (4); – Verdampfen von Material des Targets (5) durch Bestrahlung des Targets (5) mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung; – Kondensieren des verdampften Materials auf dem Substrat (2) zur Ausbildung der Materialschicht (3) an dem Substrat (2); und – Entspannen der Materialschicht (3) durch Bestrahlung der Materialschicht (3) mit wenigstens einem Lichtpuls einer zweiten gepulsten Laserstrahlung. Um ein solches Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass Materialschichten (3) höherer Qualität herstellbar sind, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Dauer der einzelnen Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung in einem Femtosekundenbereich liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit wenigstens einer Materialschicht, aufweisend die Schritte:

– Einbringen von wenigstens einem Target und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat in eine Vakuumkammer;
– Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer;
– Verdampfen von Material des Targets durch Bestrahlung des Targets mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung;
– Kondensieren des verdampften Materials auf dem Substrat zur Ausbildung der Materialschicht an dem Substrat; und
– Entspannen der Materialschicht durch Bestrahlung der Materialschicht mit wenigstens einem Lichtpuls einer zweiten gepulsten Laserstrahlung.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Beschichten eines Substrats mit wenigstens einer Materialschicht, aufweisend

– wenigstens eine Vakuumkammer zur Aufnahme von wenigstens einem Target und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat,
– wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer,
– wenigstens eine Lasereinheit zum Bestrahlen des Targets mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung zur Verdampfung von Material des Targets, und
– wenigstens eine weitere Lasereinheit zum Bestrahlen einer an dem Substrat angeordneten Materialschicht, die durch Kondensation des verdampften Materials auf dem Substrat ausgebildet worden ist, zur Entspannung der Materialschicht.

Zur Herstellung eines Verbundkörpers ist es bekannt, ein Substrat mit einer Materialschicht zu beschichten. Hierzu können verschiedene Beschichtungsverfahren eingesetzt werden, mit denen die Materialschicht an dem Substrat anordbar ist. Beispielsweise kann als Beschichtungsverfahren die physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition; PVD) verwendet werden. Hierzu werden zunächst ein Target, beispielsweise aus Graphit, und ein zu beschichtendes Substrat in eine Vakuumkammer eingebracht. Anschließend wird ein Vakuum in der Vakuumkammer erzeugt. Danach kann Material des Targets durch Erhitzen des Targets verdampft und in Form einer Teilchenwolke zu dem Substrat transportiert werden. Zum Erhitzen des Targets kann dieses beispielsweise mit wenigstens einem Lichtpuls einer gepulsten Laserstrahlung bestrahlt werden, die mit einem Nanosekundenlaser erzeugt wird. Das zu dem Substrat transportierte, verdampfte Material des Targets kann anschließend auf dem Substrat kondensieren, wodurch eine Materialschicht an dem Substrat ausgebildet wird und somit die Beschichtung des Substrats erfolgt. Diese spezielle Ausgestaltung eines PVD-Verfahrens wird als Laserstrahlverdampfen (pulsed laser deposition; PLD) bezeichnet.
Innerhalb einer entsprechenden Materialschicht und im Verbindungsbereich zwischen der Materialschicht und dem Substrat können mechanische Spannungen gegeben sein, die sich nachteilig auf die Eigenschaften der Materialschicht bzw. des damit hergestellten Verbundkörpers auswirken können. Um die mechanischen Spannungen zu reduzieren, kann der Verbundkörper beispielsweise durch Tempern erwärmt werden, wodurch sich die mechanischen Spannungen lösen und hierdurch die Materialschicht entspannt wird.
DE 103 19 206 A1 offenbart ein Verfahren zur Spannungsreduzierung in einer dünnen Materialschicht, mit der ein Substrat beschichtet ist. Hierbei wird die Materialschicht mit einer gepulsten Laserstrahlung bestrahlt. Die Dauer der einzelnen Lichtpulse der gepulsten Laserstrahlung liegt im Nanosekundenbereich, insbesondere bei 30 ns. Eine solche gepulste Laserstrahlung kann mit einem Nanosekundenlaser erzeugt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Materialschichten höherer Qualität herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Weiterbildungen des Verfahrens können dabei Weiterbildungen der Anordnung entsprechen, und umgekehrt, selbst wenn im Folgenden hierauf im Einzelfall nicht explizit hingewiesen wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit wenigstens einer Materialschicht umfasst die Schritte:

– Einbringen von wenigstens einem Target und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat in eine Vakuumkammer;
– Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer;
– Verdampfen von Material des Targets durch Bestrahlung des Targets mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung;
– Kondensieren des verdampften Materials auf dem Substrat zur Ausbildung der Materialschicht an dem Substrat; und
– Entspannen der Materialschicht durch Bestrahlung der Materialschicht mit wenigstens einem Lichtpuls einer zweiten gepulsten Laserstrahlung; wobei eine Dauer der einzelnen Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung in einem Femtosekundenbereich liegt.

Beim herkömmlichen Verdampfen von Targetmaterials mit einem Nanosekundenlaser bzw. damit erzeugter gepulster Laserstrahlung in einem Nanosekundenbereich kann eine das verdampfte Targetmaterial enthaltende Teilchenwolke bzw. Plasmawolke mikroskopische Festbestandteile enthalten, die sich als sogenannte Droplets auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats niederschlagen können. Hierdurch kann die Funktion bzw. Qualität der ausgebildeten Materialschicht beeinträchtigt werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von höherenergetischen Lichtpulsen, deren jeweilige Dauer in einem Femtosekundenbereich liegt, zum Verdampfen des Targetmaterials kann zuverlässig vermieden werden, dass eine das verdampfte Targetmaterial enthaltene Plasmawolke mikroskopische Festbestandteile enthält. Folglich lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Materialschicht mit höherer Qualität an dem Substrat ausbilden. Es kann auch auf das Anlegen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern verzichtet werden, welche zur Ablenkung von Droplets bei dem herkömmlichen Verfahren verwendet werden müssten um eine Droplet-freie Materialschicht zu erzeugen.
Beim herkömmlichen Entspannen einer an einem Substrat ausgebildeten Materialschicht mit einem Nanosekundenlaser bzw. damit erzeugter gepulster Laserstrahlung in einem Nanosekundenbereich, wie es beispielsweise aus DE 103 19 206 A1 bekannt ist, hat sich herausgestellt, dass mit einer solchen gepulsten Laserstrahlung nicht bei allen Werkstoffen, aus denen die Materialschicht besteht, eine vollständige Entspannung der Materialschicht möglich ist. Beispielsweise ist feststellbar, dass Materialschichten aus kubischem Bornitrid auf die herkömmliche Art und Weise nicht vollständig entspannt werden können, was mit Qualitätsbeeinträchtigungen verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von höherenergetischen Lichtpulsen, deren jeweilige Dauer in einem Femtosekundenbereich liegt, zum Verdampfen des Targetmaterials kann im Gegensatz eine vollständige Entspannung von jeglichen Materialschichten erfolgen. Insbesondere kann auch eine Materialschicht aus kubischem Bornitrid vollständig entspannt werden. Folglich lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Materialschicht mit höherer Qualität an dem Substrat ausbilden. Mit der erfindungsgemäßen Entspannung der Materialschicht können mechanischen Spannungen innerhalb der Materialschicht vollständig beseitigt werden. Zusätzlich ist es möglich, dass mit der erfindungsgemäßen Entspannung der Materialschicht auch mechanische Spannungen zwischen der Materialschicht und dem Substrat weitestgehend reduziert bzw. vollständig beseitigt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Substrat auch mit zwei oder mehreren Materialschichten beschichtet werden, die zeitlich nacheinander zur Ausbildung einer Schichtfolge bzw. einer hieraus gebildeten Beschichtung an dem Substrat bzw. aneinander ausgebildet werden. Zudem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch zwei oder mehrere in die Vakuumkammer eingebrachte Substrate jeweils mit wenigstens einer Materialschicht beschichtet werden.
Das Verdampfen von Material des Targets kann durch Bestrahlung des Targets auch mit zwei oder mehreren zeitlich aufeinander folgenden Lichtpulsen der ersten gepulsten Laserstrahlung erfolgen. Die Anzahl und Folge der zum Verdampfen verwendeten Lichtpulse, die Dauer der einzelnen Lichtpulse und/oder die Energie der einzelnen Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung können optimal auf die Eigenschaften des Targetwerkstoffs abgestimmt werden.
Das Kondensieren des verdampften Materials auf dem Substrat zur Ausbildung der Materialschicht an dem Substrat erfolgt nach einem Transport der beim Verdampfen des Targetmaterials erzeugten Plasmawolke zu dem Substrat. Dieser Transport kann auch durch irgendeine herkömmliche Art und Weise erfolgen.
Das Entspannen der Materialschicht kann durch Bestrahlung der Materialschicht auch mit zwei oder mehreren zeitlich aufeinander folgenden Lichtpulsen der zweiten gepulsten Laserstrahlung erfolgen. Die Anzahl und Folge der zum Verdampfen verwendeten Lichtpulse, die Dauer der einzelnen Lichtpulse und/oder die Energie der einzelnen Lichtpulse der zweiten gepulsten Laserstrahlung können optimal auf die Eigenschaften der ausgebildeten Materialschicht und gegebenenfalls des Substrats abgestimmt werden. Die zweite gepulste Laserstrahlung kann identisch mit der ersten gepulsten Laserstrahlung oder unterschiedlich zu letzterer ausgebildet sein.
Dass die Dauer der einzelnen Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung in einem Femtosekundenbereich liegt, soll insbesondere bedeuten, dass die Dauer der Lichtpulse kleiner als 1 ps ist. Solche Lichtpulse werden mit einem Femtosekundenlaser erzeugt.
Die Materialschicht kann eine spezielle, beispielsweise multifunktionelle, Eigenschaft aufweisen, die für einen bestimmten Anwendungszweck geeignet ist. Beispielsweise kann die Materialschicht zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung oder zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sein. Alternativ kann die Materialschicht bzw. der damit gebildete Verbundkörper zur Ausbildung von Photovoltaikelementen oder Thermophotovoltaikelementen verwendet werden, wobei die Materialschicht in letzterem Fall zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung im fernen Infrarotbereich eingerichtet sein kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Materialschicht mit einer Schichtdicke erzeugt, die in einem Bereich von 2 nm bis 150 nm liegt. Solche Schichtdicken, insbesondere in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm, lassen sich insbesondere durch eine feine Abstimmung der ersten gepulsten Laserstrahlung hinsichtlich der zu verdampfenden Materialmenge und der Auftreffenergie der ersten gepulsten Laserstrahlung und eine feine Abstimmung der zweiten gepulsten Laserstrahlung erzeugen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden wenigstens zwei Materialschichten unter Ausbildung einer wenigstens zweischichtigen Beschichtung an dem Substrat angeordnet, wobei eine Schichtdicke der Beschichtung in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm liegt. Durch entsprechend starke Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung und/oder der zweiten gepulsten Laserstrahlung lassen sich auch entsprechende großflächigere Materialschichten erzeugen. Die Schichtdicken der einzelnen Materialschichten können dabei in einem Bereich von 50 nm bis 150 nm, insbesondere bei 100 nm, liegen.
Vorteilhafterweise werden die Materialschichten derart ausgebildet, dass sich wenigstens zwei Materialschichten in ihren jeweiligen chemischen Zusammensetzungen voneinander unterscheiden. Hierzu können beispielsweise wenigstens zwei Targets aus verschiedenen Werkstoffen in die Vakuumkammer eingebracht und zeitlich nacheinander mit der ersten gepulsten Laserstrahlung bestrahlt werden. Die Targets aus verschiedenen Werkstoffen können mit einer gepulsten Laserstrahlung derselben Art oder mit verschiedenen gepulsten Laserstrahlungen bestrahlt werden, um das Verdampfen des jeweiligen Targetwerkstoffs optimal auf die jeweiligen Eigenschaften der verschiedenen Targetwerkstoffe abstimmen zu können.
Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die Materialschichten unter Verwendung von wenigstens einer beweglich oder ortsfest angeordneten Schablone ausgebildet werden. Durch eine feine Abstimmung der ersten gepulsten Laserstrahlung hinsichtlich der zu verdampfenden Materialmenge und der Auftreffenergie der ersten gepulsten Laserstrahlung und eine feine Abstimmung der zweiten gepulsten Laserstrahlung lassen sich durch Verwendung einer solchen Schablone sehr feine Materialschichten mit Schichtdicken erzeugen, die in einem Bereich von 2 nm bis 20 nm liegen können. Zur Ausbildung der Materialschichten können auch zwei oder mehrere entsprechende Schablonen verwendet werden. Dabei sind die Schablonen bevorzugt auf dem Substrat aufgelegt oder werden durch eine Haltevorrichtung vor dem Substrat gehalten. Sie können beispielsweise aus Edelstahl ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise wird in wenigstens eine Materialschicht zumindest ein Zusatzstoff eingebracht. Es können auch in zwei Materialschichten einer wenigstens zweischichtigen Beschichtung gleiche oder verschiedene Zusatzstoffe gleichzeitig oder zeitlich nacheinander eingebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist ein Targetkarussel vorgesehen, durch welches wenigstens zwei verschiedene Stoffe zur Erzeugung der Materialschicht(en) verwendet werden können. Das Targetkarussel kann dabei rotierend ausgebildet sein und durch eine Drehung unterschiedliche Targetmaterialien unter den Laser bringen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats vor dem Kondensieren des Materials auf dem Substrat durch Bestrahlung mit einer dritten gepulsten Laserstrahlung chemisch aktiviert wird. Hierdurch kann die Haftung der Materialschicht auf dem Substrat verbessert werden. Die dritte gepulste Laserstrahlung kann entsprechend der ersten gepulsten Laserstrahlung und/oder der zweiten gepulsten Laserstrahlung oder abweichend von diesen Laserstrahlungen ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise liegt eine Dauer der einzelnen Lichtpulse der dritten Laserstrahlung in einem Femtosekundenbereich. Hiermit ist eine optimale chemische Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats erreichbar. Vorzugsweise ist die dritte gepulste Laserstrahlung entsprechend der zweiten gepulsten Laserstrahlung ausgebildet, so dass zur Entspannung der Materialschicht und zur chemischen Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats ein einziger Femtosekundenlaser verwendet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird während der Kondensation des Materials auf dem Substrat das kondensierende Material mit wenigstens einem Lichtpuls einer weiteren gepulsten Laserstrahlung bestrahlt. Hierdurch kann die Haftung der Materialschicht an dem Substrat, eine Strukturbildung an einer Oberfläche der Materialschicht und eine Entspannung des kondensierenden Materials bzw. der auf das Substrat auftreffenden Plasmawolke weiter verbessert werden. Durch die Bestrahlung des kondensierenden Materials während der Kondensation des Materials auf dem Substrat mit dem wenigstens einem Lichtpuls der weiteren gepulsten Laserstrahlung kann insbesondere die für die Strukturbildung an der Oberfläche der Materialschicht benötigte Zeit verlängert werden, da die Plasmawolke die Energie des wenigstens einen Lichtimpulses zumindest teilweise adsorbiert. Die weitere gepulste Laserstrahlung kann entsprechend der ersten gepulsten Laserstrahlung, der zweiten gepulsten Laserstrahlung und/oder der dritten gepulsten Laserstrahlung oder abweichend von diesen Laserstrahlungen ausgebildet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zu beschichtende Oberfläche des Substrats und/oder eine Oberfläche der wenigstens einen an dem Substrat angeordneten Materialschicht durch Bestrahlung mit einer weiteren gepulsten Laserstrahlung strukturiert. Eine Strukturierung der jeweiligen Oberfläche kann in diesem Zusammenhang eine Umstrukturierung der Oberfläche (ohne Materialabtrag) und/oder eine materialabtragende Bearbeitung der Oberfläche sein. Letzteres erfolgt im Zuge einer Laserablation. Die weitere gepulste Laserstrahlung dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann entsprechend der ersten gepulsten Laserstrahlung, der zweiten gepulsten Laserstrahlung und/oder der dritten gepulsten Laserstrahlung oder abweichend von diesen Laserstrahlungen ausgebildet sein.
Zu der Strukturierung der jeweiligen Oberfläche eignet sich beispielsweise ein Femtosekundenlaser mit einer Leistung, die in einem Bereich von 10 W bis 1000 W, insbesondere bei 300 W, liegen kann. Je nach Feinheit und Umfang der auszubildenden Strukturierung der jeweiligen Oberfläche kann eine Wellenlänge der verwendeten gepulsten Laserstrahlung in einem Bereich von 248 nm bis 1000 nm, insbesondere bei 700 nm, liegen. Die Impulsenergie liegt zwischen 0,5 und 3 und bevorzugt in etwa 2 Joule.
Die Strukturierung der jeweiligen Oberfläche kann beispielsweise als sogenannte Ripple-Strukturierung ausgebildet sein, zu deren Ausbildung die Intensität der verwendeten Laserstrahlung derart gewählt sein kann, dass eine erzeugte Plasmawolke sich wechselwirkend mit einer zeitlich nachfolgend erzeugten Plasmawolke selbstorganisierend auf dem Substrat niederschlägt, wodurch eine wellenartige Struktur mit der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung erzeugt werden kann.
Je nach Targetwerkstoffart, Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung, Energie der Lichtpulse der verwendeten Laserstrahlung, Dauer der Lichtpulse der verwendeten gepulsten Laserstrahlung und Pulsfolge der gepulsten Laserstrahlung können so unterschiedliche Strukturierungen der jeweiligen Oberfläche für verschiedene Zwecke erzeugt werden. Beispielsweise kann die Oberfläche der Materialschicht derart strukturiert werden, dass die Oberfläche der Materialschicht hydrophob, hydrophil oder bewuchsabweisend ausgebildet ist.
Mit der Strukturierung der jeweiligen Oberfläche ist eine Oberflächenvergrößerung erzielbar. Beispielsweise kann eine Oberfläche mit spitzen oder halbkugelartigen Strukturen erzeugt werden. Es kann durch die Strukturierung der Oberfläche des Substrats auch eine Aktivierung dieser Oberfläche für die Verbesserung der Haftung zwischen der Materialschicht und dem Substrat erfolgen. Durch die Strukturierung der Oberfläche der Materialschicht kann diese Oberfläche reibungsverringernd oder reibungserhöhend ausgebildet sein. Die Ausbildung der Strukturierung an der Oberfläche der Materialschicht kann dadurch erzeugt werden, dass nicht das gesamte in der Plasmawolke enthaltende, verdampfte Targetmaterial auf dem Substrat kondensiert wird.
Entscheidend für die Entstehung der Strukturierung der Oberfläche der Materialschicht ist insbesondere die Energie der Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung, um eine vollständige Erzeugung einer Elektronenwolke und einer Ionenwolke herbeizuführen. Zudem sind entscheidend für die Entstehung der Schicht und der Strukturierung der Oberfläche der Materialschicht die gewählten Bedingungen bzw. Verfahrensparameter, wie beispielsweise eine Temperatur der Oberfläche des Substrats der in der Vakuumkammer herrschende Druck, die Stärke des in der Vakuumkammer erzeugten Vakuums, Gase, welche noch in der Vakuumkammer vorhanden sind (z.B. Stickstoff), ein in der Vakuumkammer gegebenes elektrisches und/oder magnetisches Feld, Hochfrequenz, mechanische Schwingungen (beispielsweise Ultraschallschwingungen) und spezielle Lichtpulse zur Steuerung der Kondensation des verdampften Targetmaterials auf dem Substrat. Die elektrischen Schwingungen, die mechanischen Schwingungen oder die Lichtimpulse werden in der Plasmawolke zumindest teilweise adsorbiert und beeinflussen die Kondensation auf der Oberfläche. Dies bewirkt eine spezielle „Kristallisation“ bei der Kondensation auf dem Substrat.“ Kristallisation“ bedeutet hier eine amorphe bis mikrokristalline Struktur.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass als Vakuumkammer eine Vakuumkammer eines Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops verwendet wird, wobei ein Beschichtungsergebnis während der Beschichtung und/oder nach erfolgter Beschichtung mittels des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops erfasst wird. Moderne Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskope umfassen eine große Vakuumkammer mit einer Schleuse, über die eine Probe in die Vakuumkammer einbringbar und aus dieser ausbringbar ist. Zudem umfassen die Mikroskope eine bewegliche, rechnergesteuerte Probenaufnahme, beispielsweise einen dreidimensional bewegbaren Probentisch, der schwenkbar und um eine oder mehrere Achsen drehbar angeordnet ist. Zudem umfassen die Mikroskope eine Steuer- und/oder Regelelektronik, die mit einem Auswertungsrechner gekoppelt ist. Somit unterscheidet sich der Aufbau eines solchen Mikroskops, bis auf die zur Beschichtung eingesetzten Laser, kaum von dem Aufbau einer modernen PLD-Laserbeschichtungsanlage. Daher kann ein solches Mikroskop nach Anordnung der zur Durchführung eines PLD-Verfahrens erforderlichen Laser zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
Während der Beschichtung und/oder nach erfolgter Beschichtung des Substrats in der Vakuumkammer des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops kann das jeweilige Beschichtungsergebnis mittels des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops erfasst werden. Moderne Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskope gestatten hierzu feinste Auflösungen in einem Bereich von 1 nm bis 1 mm, beispielsweise bei 100 µm, ohne eine vorherige Bearbeitung der untersuchten Probe. Diese Mikroskope gestatten insbesondere an allen abbildbaren Punkten der Probe eine Materialanalyse. Herkömmlich erfolgt eine solche Erfassung des jeweiligen Beschichtungsergebnisses hingegen außerhalb der Vakuumkammer der verwendeten PLD-Anlage mittels eines Elektronenstrahlmikroskops oder eines Lichtmikroskops. Dies ist deutlich umständlicher und macht eine direkte Erfassung des Beschichtungsergebnisses unmöglich. Zudem kann die an dem Substrat ausgebildete Materialschicht nach Entnahme der Vakuumkammer der PLD-Anlage verunreinigt werden, was eine externe, exakte Analyse der Materialschicht beeinträchtigen kann. Durch die online-Erfassung des momentanen Beschichtungsergebnisses entsprechend der Ausgestaltung des Verfahrens kann der Ablauf der Beschichtung auf einfache Art und Weise zeitnah dokumentiert werden.
Vorteilhafterweise wird das Beschichten des Substrats in Abhängigkeit des jeweilig erfassten Beschichtungsergebnisses gesteuert und/oder geregelt. Dies macht eine Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahl geführte PLD-Beschichtung mittels gepulster Laserstrahlung im Femtosekundenbereich möglich. Hierbei wird die Beschichtung anhand des jeweilig erfassten Beschichtungsergebnisses überwacht, so dass bei ungewünschten Abweichungen direkt in den Beschichtungsvorgang eingegriffen und eine Korrektur vorgenommen werden kann. Dies macht insbesondere eine Herstellung von Einzelmustern und Kleinserien von Verbundkörpern sowie eine Endfertigung von Verbundkörpern auf einfache Art und Weise und dadurch kurzfristig möglich.
Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die zu beschichtende Oberfläche des Substrats und/oder eine Oberfläche der wenigstens einen an dem Substrat angeordneten Materialschicht mittels des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops durch Beschuss mit Elektronen bzw. Ionen bearbeitet wird. Moderne Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskope gestatten eine feinste Bearbeitung in einem Bereich von 1 nm bis 1 mm, beispielsweise bei 100 µm, bei gleichzeitiger Abbildung des Bearbeitungsergebnisses, beispielsweise eines Lochs. Hierbei ist eine Bearbeitung einer Fläche von beispielsweise 20 × 20 cm² möglich. Durch die Bearbeitung der Oberfläche der Materialschicht kann an dieser beispielsweise eine Strukturierung ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein Loch mit einem Durchmesser von 60 nm und einer Tiefe in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm in einer Bohrung mit einem Durchmesser von 50 µm erzeugt werden. Nur ein Femtosekundenlaser kann ein Loch dieser Tiefe erzeugen, das von einem Ionenstrahl bis zu einem Durchmesser „aufgebohrt“ werden kann, der in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm, insbesondere bei 60 nm, liegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Materialschicht zumindest teilweise aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff (diamant like carbon; DLC), aus kubischem Bornitrid, aus einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff und kubischem Bornitrid oder aus einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff und Borcarbid hergestellt. Solche Materialschichten können beispielsweise bei Temperaturen des Substrats erzeugt werden, die in einem Bereich von 80 °C bis 100 °C, insbesondere bei 90 °C, liegen. Eine aus DLC gebildete Materialschicht ist bis zu einer Temperatur von etwa 600 °C verwendbar. Eine Materialschicht aus kubischem Bornitrid ist bis zu einer Temperatur von etwa 1200 °C verwendbar. Genau abgestimmte Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung hinsichtlich Energie, Dauer, Anzahl und Folge führen zu einer vollständigen Entspannung der Materialschicht, die teilweise oder vollständig aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff, aus kubischem Bornitrid, aus einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff und kubischem Bornitrid oder aus einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff und Borcarbid hergestellt sein kann.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Beschichten eines Substrats mit wenigstens einer Materialschicht umfasst

– wenigstens eine Vakuumkammer zur Aufnahme von wenigstens einem Target und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat,
– wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer,
– wenigstens eine Lasereinheit zum Bestrahlen des Targets mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung zur Verdampfung von Material des Targets, und
– wenigstens eine weitere Lasereinheit zum Bestrahlen einer an dem Substrat angeordneten Materialschicht, die durch Kondensation des verdampften Materials auf dem Substrat ausgebildet worden ist, zur Entspannung der Materialschicht,
– wobei die Lasereinheiten jeweils einen Femtosekundenlaser zur Erzeugung der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung aufweisen.

Mit der Anordnung sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, gemäß einer seiner Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination von wenigstens zwei Ausgestaltungen miteinander eingerichtet sein. Die oben genannten vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens können bezüglich vorhandener bzw. erforderlicher körperlicher Merkmale ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sein.
Die Vakuumkammer der Anordnung kann durch eine Vakuumkammer eines Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops gebildet sein. Die Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer kann ebenfalls ein Teil des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops sein. Die Anordnung kann zudem wenigstens eine Erfassungseinrichtung aufweisen, mit der ein Beschichtungsergebnis während der Beschichtung und/oder nach erfolgter Beschichtung erfasst werden kann. Die Erfassungseinrichtung kann ebenfalls Teil des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops sein. Des Weiteren kann die Anordnung wenigstens eine Steuer- und/oder Regelelektronik aufweisen, mit der das Beschichten des Substrats in Abhängigkeit des jeweilig erfassten Beschichtungsergebnisses steuer- und/oder regelbar ist. Hierzu kann die Steuer- und/oder Regelelektronik beispielsweise rechnergestützt sein. Die Steuer- und/oder Regelelektronik kann ebenso Teil des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops sein. Insbesondere kann die Anordnung ein solches Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskop teilweise oder vollständig umfassen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Anordnung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zum Beschichten eines Substrats 2 mit wenigstens einer Materialschicht 3. In 1 ist das Substrat 2 bereits mit der Materialschicht 3 beschichtet.
Die Anordnung 1 umfasst eine Vakuumkammer 4 zur Aufnahme eines Targets 5 und des Substrats 2, wobei das Target 5 und das Substrat 2 in 1 bereits in der Vakuumkammer 4 angeordnet sind. Die Vakuumkammer 4 ist durch eine Vakuumkammer eines schematisch angedeuteten Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops 6 gebildet. Die Vakuumkammer 4 umfasst eine Schleuse 7, über die das Target 5 und das nicht beschichtete Substrat 2 in die Vakuumkammer 4 einbringbar und über die das Target 5 und das beschichtete Substrat 2 aus der Vakuumkammer 4 ausbringbar sind. In der Vakuumkammer 4 ist ein Probentisch 8 dreidimensional bewegbar angeordnet. Der Probentisch 8 kann schwenkbar und um eine oder mehreren Achsen drehbar angeordnet sein. Die Bewegungen des Probentischs 8 können rechnergesteuert sein. Die Anordnung 1 bzw. das Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskop 6 umfasst eine Steuer- und/oder Regelelektronik 9, die mit einem nicht gezeigten Auswertungsrechner gekoppelt sein kann. Die Anordnung 1 umfasst des Weiteren eine Einrichtung 10 zum Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer 4. Die Einrichtung 10 ist ebenfalls ein Teil des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops 6.
Die Anordnung 1 umfasst eine Lasereinheit 11 zum Bestrahlen des Targets 5 mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung zur Verdampfung von Material des Targets 5. Die Lasereinheit 11 umfasst einen nicht gezeigten Femtosekundenlaser zur Erzeugung der ersten gepulsten Laserstrahlung. Das verdampfte Material des Targets 5 bildet eine Plasmawolke 12, die auf irgendeine herkömmliche Art und Weise zu dem Substrat 2 transportiert wird, wie es in 1 angedeutet ist.
Die Anordnung 1 umfasst zudem eine weitere Lasereinheit 13 zum Bestrahlen der an dem Substrat 2 angeordneten Materialschicht 3, die durch Kondensation des verdampften Materials der Plasmawolke 12 auf dem Substrat 2 ausgebildet worden ist. Durch diese Bestrahlung wird die Materialschicht 3 entspannt, also von inneren mechanischen Spannungen und von mechanischen Spannungen zu dem Substrat 2 vollständig befreit. Die Lasereinheit 13 umfasst einen nicht gezeigten Femtosekundenlaser zur Erzeugung der zweiten gepulsten Laserstrahlung.
Die Anordnung 1 umfasst zudem eine Erfassungseinrichtung 14, mit der ein Beschichtungsergebnis während der Beschichtung und/oder nach erfolgter Beschichtung erfasst werden kann. Die Erfassungseinrichtung 14 ist ebenfalls Teil des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops 6. Es handelt sich folglich um eine Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskop geführte Laser PLD-Beschichtungsanlage mittels Femtosekundenlaser. Die Steuer- und/oder Regelelektronik 9 kann eingerichtet sein, das Beschichten des Substrats 2 in Abhängigkeit des jeweilig erfassten Beschichtungsergebnisses zu steuern und/oder zu regeln.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Substrat
3: Materialschicht
4: Vakuumkammer
5: Target
6: Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskop
7: Schleuse
8: Probentisch
9: Steuer- und/oder Regelelektronik
10: Einrichtung
11: Lasereinheit
12: Plasmawolke
13: Lasereinheit
14: Erfassungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10319206 A1 [0005, 0010]

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (2) mit wenigstens einer Materialschicht (3), aufweisend die Schritte: – Einbringen von wenigstens einem Target (5) und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat (2) in eine Vakuumkammer (4); – Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer (4); – Verdampfen von Material des Targets (5) durch Bestrahlung des Targets (5) mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung; – Kondensieren des verdampften Materials auf dem Substrat (2) zur Ausbildung der Materialschicht (3) an dem Substrat (2); und – Entspannen der Materialschicht (3) durch Bestrahlung der Materialschicht (3) mit wenigstens einem Lichtpuls einer zweiten gepulsten Laserstrahlung; dadurch gekennzeichnet, – dass eine Dauer der einzelnen Lichtpulse der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung in einem Femtosekundenbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (3) mit einer Schichtdicke erzeugt wird, die in einem Bereich von 2 nm bis 150 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Materialschichten (3) unter Ausbildung einer wenigstens zweischichtigen Beschichtung an dem Substrat (2) angeordnet werden, wobei eine Schichtdicke der Beschichtung in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichten (3) derart ausgebildet werden, dass sich wenigstens zwei Materialschichten (3) in ihren jeweiligen chemischen Zusammensetzungen voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichten (3) unter Verwendung von wenigstens einer beweglich oder ortsfest angeordneten Schablone ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine Materialschicht (3) zumindest ein Zusatzstoff eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats (2) vor dem Kondensieren des Materials auf dem Substrat (2) durch Bestrahlung mit einer dritten gepulsten Laserstrahlung chemisch aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer der einzelnen Lichtpulse der dritten Laserstrahlung in einem Femtosekundenbereich liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Kondensation des Materials auf dem Substrat (2) das kondensierende Material mit wenigstens einem Lichtpuls einer weiteren gepulsten Laserstrahlung bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche des Substrats (2) und/oder eine Oberfläche der wenigstens einen an dem Substrat (2) angeordneten Materialschicht (3) durch Bestrahlung mit einer weiteren gepulsten Laserstrahlung strukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Vakuumkammer (4) eine Vakuumkammer eines Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops (6) verwendet wird, wobei ein Beschichtungsergebnis während der Beschichtung und/oder nach erfolgter Beschichtung mittels des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops (6) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des Substrats (2) in Abhängigkeit des jeweilig erfassten Beschichtungsergebnisses gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche des Substrats (2) und/oder eine Oberfläche der wenigstens einen an dem Substrat (2) angeordneten Materialschicht (3) mittels des Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahlmikroskops (6) durch Beschuss mit Elektronen bzw. Ionen bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (3) zumindest teilweise aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff, aus kubischem Bornitrid, aus einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff und kubischem Bornitrid oder aus einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff und Borcarbid hergestellt wird oder einer Mischung aus diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff, kubischem Bornitrid und Borcabid.
Anordnung (1) zum Beschichten eines Substrats (2) mit wenigstens einer Materialschicht (3), aufweisend – wenigstens eine Vakuumkammer (4) zur Aufnahme von wenigstens einem Target (5) und wenigstens einem zu beschichtenden Substrat (2), – wenigstens eine Einrichtung (10) zum Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer (4), – wenigstens eine Lasereinheit (11) zum Bestrahlen des Targets (5) mit wenigstens einem Lichtpuls einer ersten gepulsten Laserstrahlung zur Verdampfung von Material des Targets (5), und – wenigstens eine weitere Lasereinheit (13) zum Bestrahlen einer an dem Substrat (2) angeordneten Materialschicht (3), die durch Kondensation des verdampften Materials auf dem Substrat (2) ausgebildet worden ist, zur Entspannung der Materialschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheiten (11, 13) jeweils einen Femtosekundenlaser zur Erzeugung der ersten gepulsten Laserstrahlung und der zweiten gepulsten Laserstrahlung aufweisen.