DE4226864C2 - Einrichtung zum Beschichten eines Substratkörpers mit einem ablatierbaren Material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Be­ schichten einer Fläche eines Substratkörpers mit einem ablatierbaren Material, wobei die Einrichtung

• - eine Beschichtungskammer, in der mindestens ein Gas mit vorbestimmtem Partialdruck und eine Vorrichtung zur Einstellung vorbestimmter Temperaturverhältnisse am Substratkörper vorhanden sind, sowie
• - eine Laserablationsvorrichtung zur Erzeugung eines Teil­ chenstroms aus dem ablatierten Material enthält. Eine derartige Beschichtungseinrichtung ist z. B. der EP-A-0 341 521 im wesentlichen zu entnehmen.

Entsprechende Beschichtungseinrichtungen werden seit kur­ zem insbesondere zur Herstellung von dünnen Schichten aus supraleitenden Hoch-T_c-Materialien (nachfolgend abgekürzt als: HTSL-Materialien) mit hoher Stromdichte (Stromtrag­ fähigkeit) auf besonderen Substratkörpern eingesetzt (vgl. auch DE-PS 38 22 502). Bei den entsprechenden Beschich­ tungseinrichtungen wird in einer Beschichtungskammer ein Target aus den Komponenten des HTSL-Materials mittels eines gepulsten Lasers abgedampft, wobei ein entsprechen­ der Teilchenstrom in Form einer Plasmawolke entsteht. Der hierfür einzusetzende Laser muß dabei eine ganz bestimmte Wellenlänge und Energiedichte haben und eine vorbestimmte Pulsenergie am Target gewährleisten. Außerdem muß in der Beschichtungskammer eine Atmosphäre mit einem vorbestimm­ tem Sauerstoffpartialdruck bei gleichzeitig vorbestimmten Temperaturverhältnissen insbesondere an dem zu beschich­ tenden Substratkörper eingehalten werden. Der Substratkör­ per liegt hierzu auf der Heizfläche einer entsprechenden Heizvorrichtung auf. Er ist so ausgerichtet, daß der Teil­ chenstrom des Plamas etwa senkrecht auf seine zu beschich­ tende Oberfläche auftrifft. Es läßt sich dann erreichen, daß auf dem Substrat die gewünschte supraleitende Phase des HTSL-Materials zumindest teilweise direkt ausgebildet wird. Bei der Herstellung derartiger Schichten oder Filme aus dem HTSL-Material nach diesem bekannten Verfahren der Laserablation zeigt sich jedoch, daß bis zu einige Mikro­ meter große Partikel unterschiedlichster Stöchiometrie auf der Filmoberfläche vorhanden sind oder zum Teil auch den Film durchsetzen. Beim Ablationsprozeß werden nämlich größere Cluster (Flüssigkeitströpfchen) aus dem Target des zu ablatierenden Materials herausgeschleudert, die sich dann auf der Oberfläche des Substratkörpers als sogenannte Laserdroplets niederschlagen und die Filmqualität, insbe­ sondere die Homogenität und die Glätte der Filmoberfläche, ungünstig beeinträchtigen. Dropletbildung hängt dabei vom gewählten Material, von der Targetkonsistenz und von der Laserenergiedichte ab und ist bei den meisten bekannten Beschichtungseinrichtungen zu beobachten.

Aus der nicht vorveröffentlichten, nach §3 Abs. 2 als Stand der Technik geltenden DE-OS 42 10 613 ist eine ent­ sprechende Beschichtungseinrichtung zu entnehmen. Diese Einrichtung umfaßt eine Beschichtungskammer mit einer Vor­ richtung zu einer Aufheizung eines zu beschichtenden Sub­ strates durch Strahlungsheizung sowie eine Laserablations­ vorrichtung zur Erzeugung eines Teilchenstromes aus einem metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterial oder einem Vorprodukt dieses Materials. Das Substrat soll in der Beschichtungskammer so angeordnet sein, daß die Nor­ male auf seiner Flachseite zumindest annähernd senkrecht bezüglich des Teilchenstroms ausgerichtet ist. Dabei soll der Ablationsprozeß bei einem Sauerstoff-Partialdruck zwischen 0,01 mbar und 10 mbar erfolgen.

Prinzipiell ist eine entsprechende Laserablation mit je­ dem ablatierbaren Material möglich. Derartige Ver­ fahren zeichnen sich gegenüber anderen Beschichtungsver­ fahren durch ihre Schnelligkeit und durch einen einfachen, flexiblen Aufbau der entsprechenden Beschichtungseinrich­ tung aus. Außerdem können viele Prozeßparameter unabhängig voneinander eingestellt werden, wobei verhältnismäßig wei­ te Einstellbereiche der Parameter möglich sind:

• - Es können Druckverhältnisse im Bereich von UHV-Bedingun­ gen bis etwa 10 mbar vorgesehen werden.
• - Die Temperaturen ab Substratkörper können zwischen etwa 20 K und 1300 K liegen.
• - Stellt man die Energiedichte des Lasers nur hoch genug ein, so kann man auch mehrkomponentige Systeme aus Ele­ menten mit unterschiedlichen Dampfdrücken bzw. mit un­ terschiedlichen Massen stöchiometrisch verdampfen. Die Stöchiometrieeinhaltung ist für die meisten anderen Be­ schichtungsverfahren problematisch; oft müssen bei die­ sen Verfahren die Komponenten einzeln verdampft werden, und die Stöchiometrie muß in einer komplizierten Raten­ regelung kontrolliert werden.
• - Die Gesamtenergie des im Target des ablatierbaren Mate­ rials eingekoppelten Laserlichtes bestimmt hauptsächlich die Menge des ablatierten Materials, also die Aufdampf­ rate pro Laserpuls.
• - In der Beschichtungskammer können auch reaktive Gase vorgesehen werden.
• - Das zu verdampfende Targetmaterial kann ein Isolator oder auch ein guter Leiter sein.

Es zeigt sich jedoch, daß mit dem Verfahren der Laserab­ lation eine Großflächigkeit der Beschichtung nur durch aufwendige Vorrichtungen zum Bewegen des zu beschichten­ den Substratkörpers zu erreichen ist. Außerdem sind die erwähnten Probleme der Dropletbildung gegeben. Aufgrund dieser Schwierigkeiten ist versucht worden, die Target­ dichte und die Laserenergiedichte zu optimieren. Es zeigt sich jedoch, daß damit nur eine unwesentlich kleinere Dropletdichte zu erreichen ist. Außerdem wird die Schicht­ qualität und die Reproduzierbarkeit der Schichteigenschaf­ ten ungünstig beeinflußt, da die Energiedichte an eine un­ tere kritische Grenze gelegt werden muß. Ferner ist ver­ sucht worden, mittels mechanischer Geschwindigkeitsfilter die in dem Teilchenstrom um etwa einem Faktor 10² langsa­ meren Droplets von den schnelleren Atomen und Ionen zu trennen, wobei eine Synchronisation mit den Laserpulsen erforderlich ist. Dies erfordert jedoch eine sehr auf­ wendige und teuere Mechanik.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Be­ schichtungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkma­ len dahingehend auszugestalten, daß die geschilderten Schwierigkeiten vermindert sind. Insbesondere sollen sich mit dieser Einrichtung unabhängig von der Materialwahl großflächige Schichten aus dem ablatierten Material mit glatten Oberflächen und guter Homogenität herstellen las­ sen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird vorteilhaft eine Selektion der Droplets von den gewünschten Ionen und Atomen des ablatierten Materials durch Stöße mit dem im Gasraum der Beschichtungskammer vorhandenen Gas erreicht. Bei der Auswahl des Gases sind dabei vorteilhaft keine Be­ schränkungen gegeben. So kann es sich um ein reaktives Gas handeln, wie es z. B. zur Ausbildung einer bestimmten Phase in einer abgeschiedenen Schicht notwendig ist. Ein Bei­ spiel hierfür wäre Sauerstoff für eine HTSL-Abscheidung. Das Gas kann aber auch ein inertes Edelgas wie z. B. Xenon sein, das in einer abzuscheidenden Schicht nicht eingebaut wird. Zur Dropletselektion ist ferner die allgemein üb­ liche Laserdepositionsgeometrie in der Weise verändert, daß die zu beschichtende Oberfläche des Substratkörpers nicht senkrecht, sondern parallel zum ablatierten Teilchen­ strom angeordnet ist (sogenannte "Off-axis-Anordnung") Droplets mit großer Masse werden dabei durch Stöße mit dem Umgebungsgas kaum abgelenkt, fliegen also zumindest gro­ ßenteils parallel zur Substratkörperoberfläche am Sub­ stratkörper vorbei. Sie werden auf diese Weise vorteilhaft in die abzuscheidende Schicht nicht eingebaut. Ablatierte Atome und Ionen hingegen werden durch viele Stöße stark abgelenkt. Je nach Gasdruck kann ihre freie Weglänge ge­ ringer als 100 µm werden. Mit den abgelenkten Atomen und Ionen lassen sich sehr homogene und glatte Schichten er­ stellen. Die Effektivität dieser Selektion und die Auf­ wachsraten der Schichten lassen sich mit dem Druck und der Masse des gewählten Gases sowie mit dem Abstand zwi­ schen Target und Substratkörperoberfläche einstellen. Die mit dieser Ausge­ staltung der Beschichtungseinrichtung verbundenen Vorteile sind also darin zu sehen, daß Schichten hoher Qualität zu erreichen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Be­ schichtungseinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein wesentlicher Teil einer erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung veranschaulicht ist. Aus Fig. 2 geht ein Teil einer weiteren Beschichtungseinrichtung nach der Erfindung hervor. In den Figuren sind sich entspre­ chende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Für das in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel sei als zu ablatierendes Material ein HTSL- Material wie z. B. YBCO oder BSCCO ausgewählt. Bei der hierfür vorgesehenen Beschichtungseinrichtung, von der in Fig. 1 nur ein Teil dargestellt und allgemein mit 2 be­ zeichnet ist, wird von an sich bekannten Anlagen zur Laserablation von HTSL-Material ausgegangen (vgl. z. B. die genannte EP-A oder die "SPIE"-Konferenz, 9.-13.10.1989, St. Clara, USA, Beitrag von L. Schultz et al. mit dem Titel "Preparation and Characterisation of Pulsed Laser deposited HTSC-Films"). Mit der Einrichtung sind auf be­ liebigen Trägern, beispielsweise auf einem Substratkörper 3 aus SrTiO₃, in einer nur angedeuteten Beschichtungskam­ mer 4 insbesondere Schichten oder Filme abzuscheiden, deren Sprungtemperatur T_c über 77 K liegt. Die hierfür geeignete Einrichtung umfaßt einen Laser zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, dessen Wellenlänge vorteil­ haft im Ultraviolett-Bereich liegt. Mit dem Laserstrahl, dessen Pulsenergie mindestens 0,5 J/Puls, vorzugsweise mindestens 1,5 J/Puls betragen sollte, muß eine vorbe­ stimmte Energiedichte an einem Target aus dein zu abla­ tierenden Material zu erzeugen sein. Die erforderlichen Energiedichten sollten mindestens 1 J/cm² betragen und vorzugsweise über 3 J/cm² liegen. XeCl-Excimer-Laser kön­ nen diese Forderungen erfüllen. Das Material des Targets enthält dabei mindestens die metallischen Komponenten des Stoffsystems, dem das gewünschte HTSL-Material zuzuordnen ist. Insbesondere kann von einem sauerst,offhaltigen Target­ material ausgegangen werden. Der vom Target mittels des Lasers abgedampfte Teilchenstrom 5 des Targetmaterials ist in Fig. 1 durch gepfeilte Linien angedeutet.

Bezüglich dieses Teilchenstromes 5 aus laserablatiertem Targetmaterial soll der Substratkörper 3 so in der Be­ schichtungskammer 4 angeordnet sein, daß die Normale auf seiner zu beschichtenden Fläche bzw. Flachseite 3a minde­ stens annähernd senkrecht bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilchenstroms 5 ausgerichtet ist. Der Substratkörper 3 ist dabei an einer Halterung 7 so befestigt, daß in der Fig. 1 eine Aufsicht auf seine Flachseite 3a ermöglicht ist. Zu einer Optimierung der Schichtdickenhomogenität kann die Halterung 7 mit dem zu beschichtenden Substrat­ körper während der Deposition um eine senkrecht zu dem Teilchenstrom 5 und senkrecht zur Substratoberfläche und damit senkrecht zur Zeichnungsebene liegende Achse A ro­ tieren.

Bei der Laserablation des Targetmaterials und der Be­ schichtung des Substratkörpers 3 werden in der Beschich­ tungskammer 4 vorteilhaft besondere Verfahrensbedingungen eingestellt, die eine dropletfreie Ausbildung einer Schicht des gewünschten HTSL-Materials auf der Substrat­ fläche 3a ermöglichen. Hierzu muß in der Beschichtungs­ kammer 4 ein Partialdruck p mindestens eines an sich be­ liebigen Gases zwischen 10^-3 mbar und 10 mbar eingestellt werden. Vorteilhaft wird für die Abscheidung des HTSL-Ma­ terials Sauerstoff mit einem verhältnismäßig hohen Par­ tialdruck zwischen etwa 0,2 mbar und 0,6 mbar vorgesehen. Dabei ist es außerdem von Vorteil, wenn am Substratkörper 3 eine Temperatur zwischen 400°C und 900°C eingehalten wird. Diese Temperaturverhältnisse können beispielsweise mittels einer Heizvorrichtung 8 gewährleistet werden, die den Substratkörper 3 allein durch thermische Strahlung erwärmt. Beispielsweise ist als Heizvorrichtung ein den Substratkörper in einem vorbestimmten Abstand a umschlie­ ßender Rohrofen geeignet, dessen Heizwicklung 8a spiral­ förmig an der hohlzylinderförmigen Wand der Heizvorrich­ tung angeordnet ist. Die Zylinderachse Z dieser Wand liegt dabei ebenfalls zumindest annähernd parallel zur Ausbrei­ tungsrichtung des Teilchenstromes 5.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wurde eine Strah­ lungsheizung mittels eines Rohrofens 8 vorausgesetzt. Es ist jedoch ohne weiteres auch möglich, bei einer erfin­ dungsgemäßen Beschichtungseinrichtung eine entsprechende Heizwirkung mit einem Plattenofen zu erreichen. Eine sol­ che Heizvorrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß zwi­ schen ihren plattenförmigen, im allgemeinen parallel zu­ einander und in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Heizplatten ein langgestreckter, insbesondere bandförmiger Substratkörper kontinuierlich hindurchgezogen werden kann und so mindestens eine, vorzugsweise beide Flachseiten des Substratkörpers im Off-axis-Teilchenstrom des Targetmate­ rials kontinuierlich zu beschichten sind.

Im Fall einer Strahlungsheizung müssen die zu beschich­ tenden Substratoberflächen nicht unbedingt, wie für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angenommen, planar sein. Es können auch unregelmäßig geformte Körper oder Hohlkör­ per beschichtet werden.

Ferner läßt sich bei erfindungsgemäß aus gestalteten Be­ schichtungseinrichtungen, abweichend von der vorstehend angenommenen Aufheizung eines Substratkörpers, prinzipiell auch eine Kühlung während des Beschichtungsvorganges bis auf Temperaturen von unter 20 K vorsehen. Ein Ausführungs­ beispiel einer entsprechenden Kühlvorrichtung sei bei einer Beschichtungseinrichtung zugrundegelegt, von der in Fig. 2 ein Teil als Schnitt schematisch veranschaulicht und allgemein mit 10 bezeichnet ist.

Diese nur teilweise ausgeführte Einrichtung 10 enthält im Innenraum 11 ihrer Beschichtungskammer zumindest einen Teil 12 einer Kühlvorrichtung wie z. B. eines Refrigerators. Dieser Teil 12 der Kühlvorrichtung kann um eine Drehachse A rotieren. Auf seiner oberen Flachseite 12a ist ein zu beschichtender Substratkörper 3 z. B. in Form einer Glas­ platte mittels einer Halterung 7 zentrisch zur Drehachse A angeordnet. Der Substratkörper 3 ist mittels der Kühlvor­ richtung beispielsweise auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs von etwa 78 K zu halten. Die Achse A und damit die Mitte des Substratkörpers 3 befinden sich in einer vorbestimmten Entfernung e von der Mitte eines Targets 13 aus einem ablatierbaren Material wie z. B. Kohlenstoff. Auf das Target 13 trifft ein gepulster Strahl 14 eines Lasers, z. B. eines Nd-YAG-Lasers, und führt dort aufgrund einer Energiedichte zwischen 2 und 20 J/cm² am Target zu einer Ablation des Targetmaterials. Der sich so ergebende Teil­ chenstrom aus dem ablatierten Material verläuft im wesent­ lichen senkrecht (off-axis) zu der zu beschichtenden Sub­ stratoberfläche 3a und somit senkrecht zur Normalen N auf dieser Fläche. Auf ihrem Weg durch den Innenraum 11 der Beschichtungskammer, in der eine Atmosphäre von beispiels­ weise 0,1 mbar Xenon unter Zugabe von Wasserstoff mit einem vorbestimmten Partialdruck zwischen 10^-2 und 10 mbar herrscht, treffen die Teilchen des Teilchenstroms 5 auf die Gasatome und -moleküle, wodurch die erwünschte Drop­ letselektion bewirkt wird. Es zeigt, daß mit einer solchen Beschichtungseinrichtung nach der Erfindung qualitativ hochwertige amorphe, wasserstoffdotierte Kohlenstoffschich­ ten mit diamantähnlichem Gefüge hergestellt werden können.

Claims (7)

1. Einrichtung (2) zum Beschichten einer Fläche (3a) eines Substratkörpers (3) mit einem ablatierbaren Material, wo­ bei die Einrichtung (2) versehen ist mit einer Laserabla­ tionsvorrichtung zur Erzeugung eines Teilchenstromes (5) aus dem ablatierten Material in einer Beschichtungskammer (10),

• - die eine Vorrichtung (8) zur Einstellung vorbestimmter Temperaturverhältnisse an dem Substratkörper (3) ent­ hält,
• - in der der zu beschichtende Substratkörper (3) derart angeordnet ist, daß die Normale (N) auf seiner zu be­ schichtenden Fläche (3a) zumindest annähernd senkrecht bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilchenstroms (5) aus dem ablatierten Material ausgerichtet ist, sowie
• - in der mindestens ein Gas mit einem Partialdruck (p) zwischen 10^-3 mbar und 10 mbar eingestellt ist mit der Maßgabe, daß im Fall einer Beschichtung mit einem me­ talloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterial ein Partial­ druck (p) des Gases zwischen 10^-3 mbar und 10^-2 mbar zu wählen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung (8) zu einer Strahlungsheizung des Substratkörpers (3) vor­ gesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (8) rohrförmig gestaltet ist, wobei deren Zylinderachse (Z) zumindest annähernd parallel zur Ausbreitungsrichtung des Teilchenstromes (5) ausgerichtet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizvorrichtung zwei zumindest annähernd parallele und beabstandete Heizplatten aufweist, zwischen denen der Substratkörper angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Vorrichtung (12) zur Kühlung des Substratkörpers (3) während des Beschichtungs­ vorganges vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel zu einer Bewegung des Substratkörpers (3) während des Be­ schichtungsvorganges vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gas in der Beschichtungskammer (4) ein Edelgas oder ein reaktives Gas oder ein Gasgemisch mit mindestens einem dieser Gase ist.