DE3800680A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschichtung eines substrates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates in einer Vakuumkammer, bei dem mit Hilfe eines energiereichen Strahles ein Target verdampft und der Niederschlag als Beschichtung auf dem Substrat ausgenutzt wird; außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Beschichtung von Substraten im Vakuum unter Zuhilfenahme eines Targets, das mit Hilfe eines energiereichen Strahles verdampft wird, wird industriell erst in geringem Maße einge­ setzt. Als energiereicher Strahl wird in der Regel ein Elektronenstrahl verwendet, der auf dem Target ein Schmelz­ bad mit Abdampfung hervorruft. Zur Aufrechterhaltung des Elektronenstrahles ist bereits das Vakuum erforderlich.

Gegenüber einem Elektronenstrahl weist ein Laserstrahl eine wesentlich höhere Energiedichte auf, so daß der Laserstrahl immer dann bevorzugt wird, wenn eine Evakuierung schwierig oder unmöglich ist, gleichwohl hohe Energiedichten unerläßlich sind. Dies gilt zum Beispiel für das Schweißen mit geringen Wärme­ einflußzonen von komplizierten Bauteilen, die nur unter er­ heblichen Kosten innerhalb einer Vakuumkammer untergebracht werden können.

Eine Möglichkeit der Beschichtung im Vakuum unter Zuhilfe­ nahme eines energiereichen Strahles ist die Ausnutzung eines reaktiven Gases, dessen Moleküle in dem energiereichen Strahl ionisiert und damit transportabel und haftfähig ge­ macht werden. Statt eines Targets wird also eine Kammer fort­ laufend mit einem reaktiven Gas befüllt, dessen Bestandteile die spätere Beschichtung des Substrates bilden. Für diese Art der Beschichtung im Vakuum ist in einzelnen Laborver­ suchen ein Laserstrahl eingesetzt worden. Auf dem Fenster für den Eintritt des Laserlichtes hat sich jedoch verdampftes Targetmaterial abgelagert, daß das Absoprtionsverhalten des Fensters verändert. Als Folge der stark angestiegenen Absorption sind die Fenster oft in kürzester Zeit zerplatzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit deren Hilfe eine Beschichtung im Vakuum unter Verwendung eines auf ein Target gerichteten Laserstrahles gelingt.

Bezüglich des Verfahrens schlägt die Erfindung zur Lösung vor, daß als Bestrahlungsquelle ein Laser eingesetzt wird, daß die Laserstrahlung durch ein optisches Fenster in die Vakuumkammer eingeführt wird und daß die Niederschlagbildung auf dem Fenster innerhalb der Vakuumkammer mit Hilfe einer Gaswolke vermieden wird. Bezüglich der Vorrichtung schlägt die Erfindung vor, daß die Vakuumkammer ein optisches Fenster trägt, auf dessen Innenseite eine mit Gas füllbare Ein­ koppelungskammer und auf dessen Außenseite ein Lasergerät installiert ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Gas­ wolke andrängenden Beschichtungsteilchen eine genügend große Angriffsfläche bietet, um ein Vordringen der Be­ schichtungsteilchen bis auf das optische Fenster zu ver­ meiden. Da selbstverständlich die Gaswolke das Bestreben hat, sich gleichmäßig im Vakuum zu verteilen, muß dafür gesorgt werden, daß sie ständig erneuert wird. Dies geschieht durch fortlaufendes Eindosieren eines Gases, wobei eine Wirbelbildung in Form eines Torus in unmittelbarer Nachbar­ schaft zu dem eintretenden Laserstrahl den Zusammenhalt der Gaswolke unterstützt.

Eine besonders wirkungsvolle Aufrechterhaltung der Gaswolke wird dann erzielt, wenn die Gaswolke durch eine Einkoppelungs­ kammer eingegrenzt wird, die für den Durchtritt des Laser­ strahles mit einer düsenartigen Öffnung versehen ist. Aus der Düse tritt dann konzentriert das Gas aus der Einkoppe­ lungskammer aus, so daß eine Transportkomponente von dem optischen Fenster weg in Richtung auf das Target vorhanden ist. Das in die Einkoppelungskammer eindosierte Gas bzw. das für die Gaswolke eingesetzte Gas kann ein Inert-Gas sein, das lediglich zur Ionisation herangezogen wird oder ein sogenanntes reaktives Gas, das sich mit den verdampften Partikeln des Targets zu einer neuen chemischen Verbindung vereinigt und damit Bestandteil der Beschichtung wird. Selbstverständlich können auch Gemische aus inertem und reaktivem Gas eingesetzt werden.

Das Druckniveau innerhalb der Vakuumkammer liegt im Regel­ fall zwischen 10^-2 und 10^-6 m bar. Der in der Einkoppelungs­ kammer vorherrschende Druck liegt dann in einer Spanne von 1 bis 10^-5 m bar, so daß berechtigterweise von einem Teilvakuum oder auch einem Vakuum im Bereich der Einkoppelungs­ kammer gesprochen werden kann. Die Druckdifferenz richtet sich in erster Linie nach der Heftigkeit der Verdampfung und auch nach dem Gasverbrauch für den Beschichtungsprozeß, wenn reaktives Gas eindosiert wird und ein hoher Verbrauch zu er­ warten ist.

Die Leistungsdichte des Laserstrahles ist so hoch, daß die flüssige Phase des Targets so gut wie nicht in Erscheinung tritt, wenn eine entsprechende Leistungsdichte der Laser­ strahlung eingestellt wird. Der schnellen Verdampfung ist eine Vorheizung des Targets förderlich, die vor der Be­ schichtung durch eine niedrige Leistungseinstellung des Lasergerätes, durch ein in der Vakuumkammer befindliches Wärmegerät oder auch durch eine direkte Induktionsheizung des Targets vorgenommen werden kann, wenn letzteres aus einem metallisch leitenden Körper besteht. Besonders wichtig ist auch die Tatsache, daß keine elektrische Leitfähigkeit des Targetmaterials erforderlich ist, so daß auch nicht-leitende Werkstoffe wie Keramikmaterialien und dergleichen als Be­ schichtungswerkstoff ausgewählt werden können. Ein weiterer wichtiger Aspekt, dem Laserlicht bei der Beschichtung gemäß der Erfindung den Vorzug zu geben, liegt darin, daß Materia­ lien unterschiedlicher Schmelztemperatur und Verdampfungs­ temperatur nebeneinander verdampfen und als Beschichtungs­ werkstoff eingesetzt werden können. Dabei ist das Target entweder als Festkörpergemisch vorhanden oder als ein Pulver, das aus einem Gemisch von Materialien besteht.

Als Lasergerät sind alle kommerziell einsetzbaren Geräte ge­ eignet, die die verlangte Leistungsdichte zur Erzielung einer schnellen Temperaturzunahme oberflächennaher Zonen aufweisen. Lediglich beispielhaft genannt seien hier CO₂-Laser, Nd:YAG- Laser und Excimer-Laser, die jeweils im Pulsbetrieb oder im Dauerbetrieb gefahren werden können. Die jeweils unterschied­ liche Wellenlänge gestattet eine Abstimmung auf die optischen Eigenschaften des Targets, wenn eine Auswahl von Lasergeräten zur Verfügung steht.

Eine gleichmäßige Abnutzung und auch eine Steuerung der Ab­ gabemenge an Verdampfung pro Zeiteinheit können durch Bewegen des Targets gut gesteuert werden. Es können ringförmige Targets eingesetzt werden, die zum Beispiel gedreht werden oder stabförmige Targets, die erst gedreht, dann verschoben oder unter Aufbringung einer rotatorischen und translatorischen Bewegung allseits relativ gleichmäßig abgenutzt werden. Bei dieser Ausgestaltung kommt es in erster Linie darauf an, das Substrat mit einem gleichmäßigen Schichtaufbau zu ver­ sorgen, so daß homogene Beschichtungen entstehen.

Für den Transport der verdampften Partikel vom Target zum Substrat ist eine Ionisation der bedampften Teile besonders vorteilhaft. Dazu gehört sowohl die Ionisierung der für die Beschichtung vorgesehenen Dämpfe als auch begleitender Inert­ gase, was einem gleichmäßigen und stetigen Schichtaufbau zugute kommt. Um die Ionisation zu unterstützen, kann an der Verdampfungsstelle des Targets und/oder im Bereich des Sub­ strates ein Niederdruckplasma gebildet werden, das bei­ spielsweise durch eine Glimmentladung aufrechterhalten wird. Aufgrund des lokal erhöhten Druckes in der Umgebung der Düse sind die Voraussetzungen zur Bildung eines Plasmas am Aus­ gang der Düse der Einkoppelungskammer besonders günstig. Zur weiteren Unterstützung des Transportes der verdampften Partikel auf das Substrat kann letzteres negativ geladen sein.

Einer Ionisation förderlich ist außerdem die Aufrechter­ haltung eines Lichtbogens beispielsweise von der Düse auf das Target und die Bereitstellung eines Plasmagenerators, in dessen hochfrequentem Wechselfeld die Entstehung von Ionen begünstigt wird. Bei elektrisch nicht-leitenden Targets kann eine Hilfselektrode bei Verwendung eines Lichtbogens eingesetzt werden, so daß auf diese ionisationsfördernde Einrichtung beispielsweise bei keramischen Targets nicht ver­ zichtet zu werden braucht. Als weiteres Mittel zur Stützung und Aufrechterhaltung eines Plasmas kann eine fortwährende Glühemission eingesetzt werden, wobei auch genannte Ioni­ sationshilfen nebeneinander eingesetzt werden können.

Es kann vorteilhaft sein, das Substrat während der Beschich­ tung auf einer erhöhten Temperatur zu halten, um die Ver­ träglichkeit mit dem Beschichtungswerkstoff zu erhöhen. Dazu kann das Substrat vorgewärmt, dauernd gewärmt oder gesondert bestrahlt werden, was auf den Einzelfall ankommt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß insbesondere Substrate auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet werden können, die so gut wie keine Temperaturbelastung aushalten. Die Erwärmung ist also nicht etwa prozeßbedingt, sondern eine willkürliche Maßnahme, die im Einzelfall angewandt wird.

In baulicher Hinsicht besteht eine Fülle von Möglichkeiten zur Durchführung des Verfahrens mit Hilfe konkreter Vor­ richtungen. Dazu gehört insbesondere die Mehrfachbestrahlung durch mehrere Laserstrahlen eines einzigen Targets oder mehrere Targets, die örtliche Veränderung der Verdampfungs­ stelle durch Bewegen der Laserstrahlen über ein stehendes Target hinweg oder zusammen mit einzelnen Targets. Ausschlag­ gebend für die Wahl der Konstellation ist auf der einen Seite die Wirtschaftlichkeit der Beschichtung und auf der anderen Seite das Bemühen, eine möglichst gleichmäßige Be­ schichtung an einem möglicherweise komplizierten Werkstück hervorzurufen. Im Einzeifall muß die günstigste Konstella­ tion gegebenenfalls durch Versuche ermittelt werden. In den Ausführungsbeispielen sind Vorschläge enthalten, aus denen erkennbar wird, welche Möglichkeiten im einzelnen bestehen. Es ist besonders vorteilhaft, das ohnehin in der Vakuum­ kammer erforderliche Fenster für die Fokussierung des Laser­ strahles auszunutzen. An dieser Stelle besteht von außen her noch eine gute Möglichkeit der Kühlung, so daß die mit der Fokussierung einhergehende Belastung pro Volumeneinheit noch gut beherrscht werden kann. Im übrigen wird die Vakuumkammer mit den herkömmlichen Accessoires versehen, also zum Beispiel an eine Hochleistungs-Vakuumpumpe angeschlossen, mit einer Schleuse zum Ein- und Ausschleusen von Targets und Substraten versehen und darüber hinaus mit Sichtfenstern, Kameras oder sonstigen Hilfsmitteln, die einem ordnungsgemäßen Ablauf erleichtern oder erst möglich machen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vakuumkammer zur Beschichtung eines Substrates mit Hilfe eines Laser­ gerätes gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch ein weite­ res Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem in mehrere Sekundärstrahlen aufge­ teilten primären Laserstrahl.

In der Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer Anlage zur Beschichtung eines Substrates gemäß der Erfindung wiederge­ geben. Zur Evakuierung einer Vakuumkammer ist eine Vakuum­ pumpe 2 über ein Ventil 3 angeschlossen, mit deren Hilfe nicht nur der Unterdruck einmal erzeugt wird, sondern im laufenden Betrieb aufrechterhalten wird. Als Vakuumpumpe 2 ist daher eine Hochleistungsanlage besonders zweckmäßig. Unabhängig von dem späteren Betriebsdruck wird im übrigen in der Regel vor Beginn einer Beschichtung zur Verringerung der unerwünschten Restgasatmosphäre ein Hochvakuum erzeugt.

Zur Einkoppelung einer Laserstrahlung trägt die Vakuumkammer 1 ein optisches Fenster 4, das im Wellenlängenbereich der von einem Lasergerät 5 erzeugten Laserstrahlung eine möglichst geringe Absorption aufweist. Die von dem Lasergerät 5 aus­ gehende Strahlung wird mit Hilfe einer optischen Einrichtung - in der Fig. 1 ist eine Linse 6 dargestellt - so gebündelt, daß der Fokus im Bereich eines Targets 7 liegt, das unterhalb des optischen Fensters 4 auf einem Targetträger 8 gehalten ist. Dem Target 7 gegenüber sind mehrere Substrate 9 auf einem Substratträger 10 angeordnet, und die Substrate 9 sollen mit dem Targetmaterial 7 beschichtet werden.

Beim Auftreffen der Laserstrahlung auf das Target 7 ver­ dampft das Material, beispielsweise eine Metall­ legierung oder eine Keramik und bildet auf dem Substrat 9 einen Niederschlag.

Damit sich der Niederschlag nicht auch auf dem optischen Fenster 4 ansammelt, ist eine Einkoppelungskammer 14 vorge­ sehen, die innerhalb der Vakuumkammer 1 auf der Innenseite des optischen Fensters 4 angeordnet ist. Sie bildet die Umgrenzung einer Gaswolke innerhalb der Einkoppelungskammer 14, die über eine Gasleitung 15 bei geöffnetem Ventil 16 aus einem Dosiergerät 17 oder 18 ständig erneuert wird. Die Gaswolke tritt fortlaufend aus einer Düse 13 am unteren Ende der Einkoppelungskammer 14 aus und hindert so verdampftes Targetmaterial am Eintritt in die Einkoppelungs­ kammer 14. An ausgeführten Anlagen beträgt der Durchmesser der Düse 13 ca. 3 mm.

Je nach Art der Beschichtung auf dem jeweiligen Substrat 9 kommt reines Targetmaterial oder eine chemische Verbindung aus dem Targetmaterial mit einem reaktiven Gas in Frage. Das reaktive Gas wird beispielsweise über das Dosiergerät 17 zugeführt, und ein Teil des Gases wird später Bestand­ teil der Beschichtung. Soll hingegen die Beschichtung ledig­ lich aus dem Targetmaterial bestehen, so wird ein Inertgas aus dem Dosiergerät 18 in die Einkoppelungskammer 14 einge­ geben, das lediglich zur Bildung eines Plasmas in dem Raum zwischen dem Target und dem Substrat 9 herangezogen wird. Das hauptsächlich aus Ionen bestehende Plasma unterstützt den Transport des verdampften Targetmaterials von dem Target 7 auf das jeweilige Substrat 9. Im übrigen kann auch ein Gasgemisch aus inertem und reaktivem Gas in die Einkoppelungs­ kammer 14 eingegeben werden, wenn der gasförmige Legierungs­ anteil gering ist, für die Plasmabildung und die Abschirmung des optischen Fensters 4 jedoch eine größere Gasmenge be­ nötigt wird.

Mit Hilfe des Pfeiles um die Mittelachse des Targetträgers 8 ist angedeutet, daß das Target 7 während der Beschichtung ständig gedreht werden kann, so daß stets frische Materialien dem Laserstrahl ausgesetzt sind. Dadurch wird das Einbrennen von Löchern, eine Verglasung oder eine sonstige Störung ver­ mieden, die eine gleichmäßige Verdampfung des Targetmaterials verhindern könnte. Für eine gleichmäßige Verdampfung sorgt auch eine Targetheizung 19, die in der Fig. 1 schematisch als induktive Heizung wiedergegeben ist. Insbesondere aus Verträglichkeitsgründen, also zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung auf den einzelnen Substraten 9, kann auch jedes Substrat 9 über den Substratträger 10 mit Hilfe einer entsprechenden Heizung 20 vorgewärmt bzw. auf einem er­ höhten Temperaturniveau gehalten werden.

Zur allgemeinen Verbesserung des Transportes der verdampften Targetpartikel ist innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Plasma­ generator 22 schematisch wiedergegeben, der eine hochfre­ quente Strahlung elektro-magnetischer Wellen aussendet und über diese Energiezufuhr die Bildung von Ionen unterstützt. Ähnliche Funktionen weisen die Versorgungseinheiten 23 und 24 auf, die je nach Anwendungsfall zwischen dem Target 7 und dem jeweiligen Substrat 9 durch Anlegen eines Potentials ein elektrisches Feld oder auch ein hochfrequentes Wechselfeld erzeugen können und so Ionisation bzw. Transport von ver­ dampften Teilchen begünstigen.

In der Fig. 1 ist das reine Funktionsschema wiedergegeben, es fehlen also in der Darstellung übliche Bauteile und Zu­ sätze einer funktionsfähigen Vakuumkammer 1. Dazu gehören Deckel, Schleusen, Anschlüsse und dergleichen. Einem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann sind diese Dinge jedoch ge­ läufig, so daß die funktionale Wiedergabe anstelle eines praktischen Ausführungsbeispiels gleichwohl eine Anleitung zur Erstellung einer tatsächlichen Anlage ist. Ähnliches gilt auch für die Fig. 2, die nachfolgend genauer beschrieben wird.

Innerhalb einer kreisförmigen Vakuumkammer 1 sind auf dreh­ baren Substratträgern 10 Substrate 9 installiert, die von gesonderten sekundären Laserstrahlen über die Verdampfung jeweils eines Targets 7 beschichtet werden. Im oberen Be­ reich der mit einem Hauptanschluß 30 zur Evakuierung ver­ sehenen Vakuumkammer 1 befindet sich ein Aufsatz, an dem ein Zusatzanschluß 31 ebenfalls zur Evakuierung angebracht ist. Innerhalb des Aufsatzes ist ein Rahmen 32 drehbar ge­ lagert, wobei die Lagerung im einzelnen nicht dargestellt ist. Der Rahmen 32 trägt zwei Einkoppelungskammern 14, zwei Linsen 6 sowie zwei Planspiegel 36, die zu einem zen­ tralen Prisma 35 ausgerichtet sind. Auf das Prisma 35 fällt durch ein optisches Fenster 4 der primäre Laserstrahl, der dann in zwei sekundäre Laserstrahlen aufgeteilt wird.

Vor dem Beginn der Beschichtung wird an dem Hauptanschluß 30 und an dem Zusatzanschluß 31 jeweils eine Hochleistungs- Vakuumpumpe angeschlossen, also die sich jeweils hinter den Anschlüssen 30 und 31 befindlichen Räume gesondert abgesaugt. Das geschieht aus Zeitgründen. Zwischen dem Inneren der Vakuumkammer 1 und dem Inneren des Aufsatzes besteht zwar eine gasleitende Verbindung, die weiter unten noch näher erläutert wird, da jedoch zu Beginn der Evakuierung erheb­ liche Gasmengen abgesaugt werden müssen, ist eine gesonderte Absaugung beider Räume vorgesehen. Wie anhand der Drossel­ klappe 40 angedeutet, wird nach der Reinigungsevakuierung bzw. nach Erreichen des Betriebsdruckes für die Beschichtung der Hilfsanschluß 31 geschlossen. Die weitere Druckregulierung erfolgt einzig und allein über den Anschluß 30.

Die Drehbarkeit des Rahmens 32 wird nicht in jedem Fall aus­ genutzt. Bei dem in der Fig. 2 wiedergegebenen Bearbeitungs­ beispiel steht der Rahmen 32 still, und die Targetträger 8 mit dem darauf befindlichen Target 7 werden mit Hilfe von Elektromotoren 39 in Drehung versetzt. Außerdem wird das Substrat 9 langsam gedreht, so daß eine gleichmäßige Be­ schichtung der zylindrischen Mantelfläche an dem Substrat 9 erfolgen kann. Das Substrat 9 wird selten die abgebildete Form haben, die lediglich beispielhaft gewählt ist. Es können an dieser Stelle alle nur erdenklichen Formen und Konfigurationen anzutreffen sein. Dazu gehören in Halter gesteckte Werkzeuge wie zum Beispiel Spiralbohrer und der­ gleichen, wobei die Halter gegebenenfalls eigenständig dreh­ bar ausgebildet sind. Es kommt lediglich darauf an, daß jedes zu beschichtende Substrat 9 zu dem Target 8 eine günstige Stellung während des Beschichtungsvorganges einnimmt. Es kann also auch ohne weiteres eine unterbrochene Beschichtung vor­ genommen werden, wenn das Werkstück in Form des Substrates 9 nur in bestimmten Zeitperioden diese günstige Position er­ reicht.

Es ist deutlich zu erkennen, daß das in der rechten Bild­ hälfte befindliche Target 7 mit dem darunterliegenden Target­ träger 8 in eine ähnliche Lage gebracht werden kann, in der sich das in der linken Bildhälfte in der Fig. 2 dargestellte Target 7 befindet. In einem derartigen Fall liegt das Substrat zentrisch zwischen zwei einzelnen Targets 7, die folglich von zwei Seiten Beschichtungsdämpfe erzeugen. Wenn dabei der Rahmen 32 langsam gedreht wird, kann bei sich drehendem oder stillstehendem Substrat eine gleichmäßige Beschichtung aufge­ bracht werden, wobei besonders hervorzuheben ist, daß die Abstände zwischen den einzelnen Düsen an den Einkoppelungs­ kammern 14 und dem jeweiligen Target 7 einerseits und der Abstand von jedem Target 7 zu dem Substrat 9 andererseits in jeder Position im wesentlichen konstant ist. Damit sind ideale Voraussetzungen für eine gleichmäßige Beschichtung geschaffen.

Die für die Einkoppelungskammern 14 benötigten Gasmengen werden über die Gasleitung 15 in den Aufsatz der Vakuum­ kammer 1 eingeleitet, in der sich der Rahmen 32 mit der optischen Umlenkeinheit befindet. Es verteilt sich von dort in den gesamten Raum und tritt über strichpunktiert hervor­ gehobene Bohrungen unterhalb der Linsen 6 in die Einkoppe­ lungskammern 14 ein, wobei an dieser Stelle im Boden des Rahmens 32 einfache Löcher für den Durchtritt der sekundären Laserstrahlen vorhanden sind. Der gesamte Raum innerhalb des Aufsatzes ist also Bereitstellungs- und Verteilungsraum für das in die Einkoppelungskammern 14 eintretende Gas.

Selbstverständlich gilt auch für dieses Ausführungsbeispiel, daß ein reines Inertgas, ein reaktives Gas oder ein Gemisch aus beiden Gasen eindosiert werden kann, was von dem jeweiligen Beschichtungswerkstoff abhängt. Auch die im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläuterten Ionisationshilfen wie Plasmagenerator und dergleichen können in Verbindung mit dem Ausführungsbei­ spiel gemäß der Fig. 2 eingesetzt werden, so daß eine Er­ läuterung an dieser Stelle nicht erforderlich erscheint.

Die unterhalb der Substratträger 10 wiedergegebenen Wellen 38 deuten an, daß das Substrat über den Substratträger 10 ge­ dreht und auch vertikal bewegt werden kann. Außerdem kann über diese Verbindung zum Inneren der Vakuumkammer 1 ein Potential angelegt werden, ein Wechselfeld und dergleichen, um bei­ spielsweise die Ionisation zu unterstützen.

Claims (38)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrates in einer Vakuumkammer, bei dem mit Hilfe eines energiereichen Strahles ein Target verdampft und der Niederschlag als Beschichtung auf dem Substrat ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestrahlungsquelle ein Laser eingesetzt wird, daß die Laserstrahlung durch ein optisches Fenster in die Vakuumkammer eingeführt wird, und daß die Niederschlagbildung auf dem Fenster innerhalb der Vakuumkammer mit Hilfe einer Gaswolke vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gaswolke durch ständige Erneuerung wirksam gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gaswolke durch eine Einkoppe­ lungskammer eingegrenzt wird, die für den Durchtritt des Laserstrahles mit einer Öffnung versehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung düsenartig ausgebildet ist und ein ständiger Gasstrom von der Einkoppelungs­ kammer durch die Düse in die Vakuumkammer aufrechter­ halten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas für die Gaswolke zumindest teilweise Prozeßgas, also ein reaktiver Bestandteil der Beschichtung gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases in der Einkoppelungskammer auf 1 bis 10^-5 mbar gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target vor der eigentlichen Verdampfung vorgeheizt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorheizung durch den Laser bei einer geringen Leistungseinstellung bewirkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorheizung durch eine elektrische Zusatzheizung vorgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei elektrisch leitendem Target die Vorheizung durch Induktionswärme bewirkt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target während der Verdampfung bewegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Target gedreht und/oder linear verschoben wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Target ein Pulver, insbesondere ein aus einem Gemisch be­ stehendes Pulver eingesetzt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target an der Verdampfungsstelle und/oder das Substrat mit einem Niederdruckplasma umgeben wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Niederdruckplasma durch eine Glimmentladung aufrechterhalten wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Stützung des Plasmas ein Lichtbogen aufrechterhalten wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtbogen zwischen Düse und Target gehalten wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei elektrisch nichtleitendem Target Hilfselektroden in dessen Nähe angeordnet werden.

19. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ionenbildung durch eine Glühemission unterstützt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glimmentladung, insbesondere eine Hochfrequenzentladung, zwischen dem Substrat oder dem Target und einer mit der Vakuumkammer verbundenen Elektrode aufrechterhalten wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat negativ geladen wird.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf einer vorgegebenen, erhöhten Temperatur gehalten wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahlen und Targets angeordnet werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Laserstrahl oder mehrere Laser­ strahlen durch optischen Komponenten in mehrere Teil­ strahlen aufgeteilt wird bzw. werden.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optische Fenster kreisringförmig ausgebildet wird und die Laserstrahlen und die Targets auf einer kreisförmigen Bahn bewegt werden.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat während der Beschichtung bewegt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat gedreht und/oder ver­ schoben wird.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Fenster zur Fokussierung der Laserstrahlung eingesetzt wird.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser im Pulsbetrieb arbeitet.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser im konti­ nuierlichen Betrieb arbeitet.

31. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 3, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einem Substrat und einem Target, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vakuumkammer ein optisches Fenster trägt, auf dessen Innenseite eine mit Gas füllbare Einkoppelungskammer und auf dessen Außenseite ein Lasergerät installiert ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vakuumkammer an eine Hoch­ leistungs-Vakuumpumpe und die Einkoppelungskammer an eine Dosiervorrichtung anschließbar ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Primärstrahl des Lasergerätes optisch in zwei oder noch mehr Sekundär­ strahlen aufgeteilt wird, insbesondere mit Hilfe eines Prismas und/oder mit Hilfe von Spiegeln.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Fokussierung jedes Sekundär­ strahles ein Parabolspiegel vorgesehen ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optische Fenster und die Einkoppelungskammer kreisringförmig ausgebildet sind, und daß das Lasergerät oder eine Spiegelanordnung entlang der Kreisform verfahrbar gelagert ist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optische Fenster und die Einkoppelungskammer kreisringförmig ausgebildet sind, daß der Primärstrahl des Lasergerätes mit Hilfe optischer Ablenkmittel in zwei oder noch mehr Sekundär­ strahlen aufgeteilt sind, und daß die gesamte optische Aufteilungseinheit drehbar um die Mittelachse des Kreis­ ringes angeordnet ist.

37. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Aufteilungseinheit sowie optischen Fenster und Einkoppelungskammern auf einem gesonderten Rahmen drehbar innerhalb der Vakuum­ kammer angeordnet sind, daß der Rahmen einen Teil der Vakuumkammer abtrennt, und daß in dem abgetrennten, gasbefüllbaren Teil der Vakuumkammer ein optisches Fenster für den Primärstrahl eingelassen ist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einkoppelungskammern mit dem abgetrennten Teil gasleitend verbunden sind, und daß der abgetrennte Teil einen Gasanschluß trägt.