DE4405598C1

DE4405598C1 - Coating method and coating apparatus

Info

Publication number: DE4405598C1
Application number: DE19944405598
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Albinus; Paul Dipl Ing Che Allenspacher
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2014-02-23
Also published as: GB9502753D0; FR2716462A1; FR2716462B1; GB2286830B; GB2286830A

Abstract

In a method of coating a substrate 58 by eroding a coating material from a target 36 by means of a pulsed laser beam 70 which is incident on the target and which exhibits an inhomogeneous power density profile having power density gradients and wherein each laser pulse continuously alters the surface of the target within an interaction area in such a way that a homogeneous, highly adherent layer of the coating material is deposited on the substrate, relative movement is produced between the target and the incident laser beam which is such that mutually overlapping interaction areas 72 of different laser pulses overlap in such a manner that the power density gradients of the different laser pulses co-operate in the overlapping region of the interaction areas in such a way that the overlapping region of the interaction areas is on average substantially uniformly eroded so that a coating that is low in droplets is formed on the substrate. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats durch Abtragen eines Beschich tungsmaterials von einem Target mittels eines auf das Target einfallenden, gepulsten Laserstrahls, der ein inhomogenes Leistungsdichte-Profil mit Leistungsdichtegradienten auf weist, wobei jeder Laserpuls die Oberfläche des Targets innerhalb einer Wechselwirkungsfläche dauerhaft verändert und wobei eine solche Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl erfolgt, daß ein Ausschnitt der Targetoberfläche im Mittel im wesentlichen gleichmäßig abge tragen wird.The present invention relates to a method for Coating a substrate by removing a coating tion material from a target by means of one on the target incident, pulsed laser beam, which is an inhomogeneous Power density profile with power density gradients points, each laser pulse the surface of the target permanently changed within an interaction area and such a relative movement between the target and the incident laser beam takes place that a section of the Target surface abge substantially evenly on average will wear.

Ferner betrifft die Erfindung eine Beschichtungsvorrichtung, die ein Substrat, ein Target aus Beschichtungsmaterial, einen Laser zur Erzeugung eines auf das Target einfallenden, ge pulsten Laserstrahls, der ein inhomogenes Leistungsdichte profil mit Leistungsdichtegradienten aufweist und durch dessen Einzelpulse die Oberfläche des Targets innerhalb je einer Wechselwirkungsfläche dauerhaft veränderbar ist, und eine Bewegungseinrichtung, durch die das Target und der ein fallende Laserstrahl so relativ zueinander bewegbar sind, daß ein Ausschnitt der Targetoberfläche im Mittel im wesentlichen gleichmäßig abtragbar ist, aufweist. The invention further relates to a coating device, which a substrate, a target of coating material, a Laser for generating an incident on the target, ge pulsed laser beam, which has an inhomogeneous power density profile with power density gradients and by whose individual pulses cover the surface of the target within each an interaction surface is permanently changeable, and a moving device through which the target and the one falling laser beam are so movable relative to each other that a section of the target surface on average essentially is evenly removable.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der Offenlegungsschrift DE 40 19 965 A1 bekannt.Such a method and such an apparatus are out the published patent application DE 40 19 965 A1.

Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit Hilfe eines auf ein Target einfallenden, gepulsten Laserstrahls sind unter der Bezeichnung "laser pulse vapour deposition" (LPVD) oder "pulse laser deposition" (PLD) bekannt.Process for coating a substrate using a pulsed laser beam incident on a target under the name "laser pulse vapor deposition" (LPVD) or "pulse laser deposition" (PLD) known.

Bei solchen LPVD-Verfahren ist die Targetoberfläche während der Einwirkungsdauer eines auf die Targetoberfläche fokus sierten Laserpulses räumlich variierenden Leistungsdichten ausgesetzt, da die Leistungsdichte über den Querschnitt des Laserstrahls variiert und auch die Targetoberfläche unter schiedlich stark gegen den Laserstrahl geneigt sein kann. Überschreitet die auf das Target einfallende Leistungsdichte an einem Ort einen gewissen Wert, der als Wechselwirkungs schwelle bezeichnet werden soll, so wird an diesem Ort die Oberfläche des Targets dauerhaft verändert und Material aus der Targetoberfläche abgetragen, das in Richtung auf das Substrat strömt.With such LPVD methods, the target surface is during the duration of action of a focus on the target surface based laser pulse spatially varying power densities exposed because the power density across the cross section of the Laser beam varies and also the target surface below can be inclined differently against the laser beam. Exceeds the power density incident on the target in a place a certain value that as an interaction threshold is to be designated, then the Surface of the target permanently changed and material made removed from the target surface in the direction of the Substrate flows.

Das vom Target abgetragene Material kondensiert auf einem der Targetoberfläche gegenüberliegenden Substrat und bildet dort eine Schicht.The material removed from the target condenses on one of the Target surface opposite substrate and forms there a layer.

Mit dem aus der Offenlegungsschrift DE 40 19 965 A1 bekannten Verfahren lassen sich zwar Substratbeschichtungen mit kon stanter Schichtdicke erzeugen, doch sind diese Beschichtungen für viele praktische Anwendungen zu inhomogen. Außerdem haften die Beschichtungen oft nur schlecht auf dem Substrat.With the known from the published patent application DE 40 19 965 A1 Processes can be substrate coatings with con produce constant layer thickness, but these are coatings too inhomogeneous for many practical applications. also the coatings often adhere poorly to the substrate.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß sich auf dem Substrat eine homogene, gut haftende Schicht aus dem Be schichtungsmaterial niederschlägt. The invention was therefore based on the object of a method of the type mentioned in such a way that improve on the substrate a homogeneous, well adhering layer from the Be layering material.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die Relativ bewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl so erfolgt, daß bei jedem Laserpuls der Bereich des Targets, in dem die Leistungsdichte des einfallenden Laserstrahls zwischen der Sublimationsschwelle und der Sättigungsschwelle liegt, möglichst wenig mit dem Bereich des Targets, in dem durch frühere Pulse Aufschmelzstrukturen entstanden sind, überlappt und daß bei jedem Laserpuls der Bereich des Target, in dem die Leistungsdichte des einfallenden Laserstrahls zwischen der Wechselwirkungsschwelle und der Sublimations schwelle liegt, möglichst wenig mit dem Bereich des Targets, in dem sich die Oberfläche des Targets durch die Einwirkung früherer Laserpulse in bezug auf die unberührte Oberfläche des Targets geneigt hat, überlappt, so daß sich auf dem Substrat eine tröpfchenarme Beschichtung bildet.This task is carried out in a method with the characteristics of Preamble of claim 1 solved in that the relative movement between the target and the incident laser beam in such a way that with each laser pulse the area of the target, in which the power density of the incident laser beam between the sublimation threshold and the saturation threshold lies as little as possible with the area of the target in which earlier melting structures have arisen, overlaps and that with each laser pulse the area of the target, in which the power density of the incident laser beam between the interaction threshold and the sublimation threshold lies as little as possible with the area of the target, in which the surface of the target is affected by the action previous laser pulses in relation to the untouched surface of the target has inclined, overlapped, so that on the Substrate forms a low-droplet coating.

Als noch günstiger erweist es sich, wenn die auf dem Substrat gebildete Beschichtung einen Tröpfchenanteil von weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, aufweist.It turns out to be even cheaper if the on the substrate formed coating has a droplet content of less than 20%, in particular less than 10%.

Ein Teil der vom Target abgetragenen Materie schlägt sich nämlich in Form annähernd kugelförmiger Schmelzpartikel auf dem Substrat nieder. Solche Schmelzpartikel, die einen Durch messer von mehr als 1 µm aufweisen, werden als Tröpfchen be zeichnet. Unter dem Tröpfchenanteil ist der Anteil der Tröpf chen an der Gesamtzahl aller Schmelzpartikel mit einem Durch messer von mindestens 0,2 µm zu verstehen. Eine tröpfchenarme Beschichtung ist eine solche Beschichtung, die keine Tröpf chen aufweist oder deren Tröpfchenanteil unter 50% liegt. Mit sinkendem Tröpfchenanteil nimmt auch die Anzahlflächendichte der Tröpfchen auf dem Substrat ab. Part of the matter removed from the target strikes namely in the form of approximately spherical melt particles the substrate. Such enamel particles that have a through having a diameter of more than 1 µm are considered droplets draws. Below the proportion of droplets is the proportion of the droplets of the total number of all melt particles with one pass knife of at least 0.2 µm. A low droplet Coating is such a coating that no droplets Chen or whose droplet content is below 50%. With decreasing droplet share also increases the number area density the droplets on the substrate.

Das erfindungsgemäße Konzept beruht auf der Erkenntnis der kausalen Zusammenhänge zwischen der Qualität der Beschichtung und dem Tröpfchenanteil einerseits und zwischen dem inhomo genen Leistungsdichteprofil des Laserstrahls und der Tröpf chenbildung andererseits.The concept according to the invention is based on the knowledge of causal relationships between the quality of the coating and the proportion of droplets on the one hand and between the inhomo power density profile of the laser beam and the droplets on the other hand.

Durch die Analyse rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen der Oberfläche beschichteter Substrate im Hinblick auf die Größenverteilung der in der Beschichtung auftretenden Schmelzpartikel konnte eine Korrelation zwischen der Anzahl flächendichte der Tröpfchen und dem Tröpfchenanteil einer seits und der Qualität der Beschichtung andererseits nach gewiesen werden. Homogenität und Haftung der Beschichtung verbessern sich mit sinkendem Tröpfchenanteil.By analyzing scanning electron microscopic images the surface of coated substrates in terms of Size distribution of those occurring in the coating Enamel particles could correlate the number area density of the droplets and the proportion of droplets and the quality of the coating be directed. Homogeneity and adhesion of the coating improve as the proportion of droplets decreases.

Durch die Analyse rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen der Oberfläche eines teilweise abgetragenen Targets wurde eine Korrelation zwischen dem Anteil der Tröpfchen an den aus dem Target abgetragenen Schmelzpartikeln und dem Auftreten von Oberflächenunebenheiten, die als Aufschmelzstrukturen bezeichnet werden, festgestellt. Die Tröpfchen entstehen vorwiegend in dem solche Aufschmelzstrukturen aufweisenden Bereich des Targets.By analyzing scanning electron microscopic images the surface of a partially eroded target a correlation between the proportion of droplets in the enamel particles removed from the target and their occurrence of surface unevenness as melting structures be identified. The droplets arise predominantly in the one having such melting structures Area of the target.

Zum Verständnis des Entstehens der Aufschmelzstrukturen ist es wesentlich, die stets vorhandene Inhomogenität des Leistungsdichteprofils des Laserstrahls und die daraus resultierenden Leistungsdichtegradienten zu berücksichtigen.To understand the emergence of the melting structures it is essential that the inhomogeneity of the Power density profile of the laser beam and the resulting the resulting power density gradient.

Bereiche des Laserstrahlquerschnitts, in denen die Leistungs dichte unterhalb der Wechselwirkungsschwelle liegt, bewirken keine dauerhafte Veränderung der Targetoberfläche. Areas of the laser beam cross-section in which the power density lies below the interaction threshold no permanent change in the target surface.

Bereiche des Laserstrahlquerschnitts, in denen die Leistungs dichte zwischen der Wechselwirkungsschwelle und der Sublima tionsschwelle liegt, bewirken bei Einfall auf die Oberfläche des Targets ein Aufschmelzen desselben. Beim Wiedererstarren nach der Einwirkung eines Laserpulses bilden sich die er wähnten Aufschmelzstrukturen aus.Areas of the laser beam cross-section in which the power density between the interaction threshold and the sublima threshold, if they hit the surface melting of the target. When freezing again after exposure to a laser pulse, they form mentioned melting structures.

Bereiche des Laserstrahlquerschnitts, in denen die Leistungs dichte zwischen der Sublimationsschwelle und der Sättigungs schwelle liegt, führen bei Einfall auf die Targetoberfläche zu einem tröpfchenfreien Abtrag des Targets durch Sublima tion. Die Abtragsrate wächst in diesen Bereichen jedoch mit der Leistungsdichte, so daß nach der Einwirkung eines Laser pulses eine geneigte Targetoberfläche zurückbleibt, deren Ab tragstiefengradienten gemäß der Leistungsdichtegradienten des einfallenden Laserstrahls ausgerichtet sind.Areas of the laser beam cross-section in which the power density between the sublimation threshold and the saturation threshold, lead to the target surface when it falls for droplet-free removal of the target by sublima tion. However, the rate of abrasion grows with these areas the power density so that after exposure to a laser pulses an inclined target surface remains, the Ab depth gradient according to the power density gradient of the incident laser beam are aligned.

Bereiche des Laserstrahlquerschnitts, in denen die Leistungs dichte die Sättigungsschwelle übertrifft, bewirken bei Ein fall auf die Targetoberfläche einen tröpfchenfreien, gleich mäßigen Abtrag durch Sublimation. Für Leistungsdichten ober halb der Sättigungsschwelle wächst die Abtragsrate nicht weiter an, so daß die Leistungsdichtegradienten in diesen Bereichen keine Abtragstiefengradienten auf dem Target zur Folge haben.Areas of the laser beam cross-section in which the power density exceeds the saturation threshold, cause on drop on the target surface a droplet-free, same moderate ablation by sublimation. For power densities above the erosion rate does not grow at half the saturation threshold continue so that the power density gradient in this Areas do not have any ablation depth gradients on the target Have consequence.

Überlappen sich nun Wechselwirkungsflächen verschiedener Laserpulse in der Weise, daß die Leistungsdichtegradienten der verschiedenen Laserpulse im Überlappungsbereich der Wechselwirkungsflächen derart zusammenwirken, daß räumliche Inhomogenitäten der Abtragstiefe verstärkt werden, so bilden sich auf der Oberfläche des Targets steile Flanken aus, auf die der Laserstrahl zunehmend flacher einfällt, wodurch sich der Aufschmelzstrukturen aufweisende Bereich des Targets ver größert. Als Folge davon werden auf dem Substrat Beschich tungen erhalten, die mit wachsender Beschichtungsdauer einen steigenden Tröpfchenanteil und dadurch sinkende Qualität auf weisen.Interaction surfaces of different ones now overlap Laser pulses in such a way that the power density gradient of the various laser pulses in the overlap area of the Interaction surfaces interact in such a way that spatial Inhomogeneities of the depth of cut are increased, so form steep flanks appear on the surface of the target which the laser beam is incidentally flatter, which causes of the region of the target which has melting structures enlarged. As a result, coating occurs on the substrate received that a with increasing coating time increasing proportion of droplets and thus decreasing quality point.

Die erfindungsgemäße Lösung dagegen verhindert die ungleich mäßige Abtragung des Targets und einen zu hohen Tröpfchen anteil und ermöglicht so die Herstellung von Beschichtungen mit der erwünscht guten Homogenität und Haftfähigkeit.The solution according to the invention, however, prevents the unequal moderate removal of the target and too high droplets share and thus enables the production of coatings with the desired good homogeneity and adherence.

Besonders günstig ist es, wenn die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl so erfolgt, daß einander überlappende Wechselwirkungsflächen je zweier Laser pulse sich in der Weise überlappen, daß sich die Auswirkungen der Leistungsdichtegradienten der beiden Laserpulse im Über lappungsbereich im wesentlichen kompensieren. Dadurch wird verhindert, daß sich durch das Zusammenwirken mehrerer Laser pulse Teile der Targetoberfläche stärker in bezug auf die un berührte Targetoberfläche neigen, als dies nach einem einzel nen Laserpuls der Fall ist, was eine Verringerung der von der Targetoberfläche empfangenen Leistungsdichte durch strei fenden Einfall mit sich bringen würde.It is particularly favorable if the relative movement between the target and the incident laser beam is such that mutually overlapping interaction surfaces of two lasers pulse overlap in such a way that the effects the power density gradient of the two laser pulses in the over essentially compensate for the lapping range. This will prevents the interaction of several lasers pulse parts of the target surface stronger in relation to the un touched target surface tend to do so after a single NEN laser pulse is the case, which is a reduction in that of the Target density received power density by stri would come up with an original idea.

Vorteilhaft ist es, wenn die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl so erfolgt, daß bei jedem Laserpuls der Bereich des Targets, in dem die Leistungsdichte des einfallenden Laserstrahls zwischen der Wechselwirkungsschwelle und der Sublimationsschwelle liegt, möglichst wenig mit dem Bereich des Targets, in dem durch frühere Pulse Aufschmelzstrukturen entstanden sind, über lappt. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß in den Auf schmelzstrukturen aufweisenden Bereichen das Target in Form von Tröpfchen abgetragen wird.It is advantageous if the relative movement between the Target and the incident laser beam so that at each laser pulse the area of the target in which the Power density of the incident laser beam between the Interaction threshold and the sublimation threshold, as little as possible with the area of the target in which earlier pulses of melting structures have emerged over laps. This measure prevents the on areas having melt structures the target in the form is carried away by droplets.

Besonders einfach zu steuern und für jedes beliebige Leistungsdichtenprofil gleichermaßen geeignet ist eine solche Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl, bei der jede mögliche relative Lage von je zwei einander überlappenden Wechselwirkungsflächen verschiedener Laserpulse im Mittel im wesentlichen gleich häufig auftritt.Particularly easy to control and for any Such a power density profile is equally suitable Relative movement between the target and the incident Laser beam, with every possible relative position of two mutually overlapping interaction surfaces of different Laser pulses occur on average essentially the same number of times.

Die Gefahr eines ungünstigen Zusammenwirkens der Leistungs dichtegradienten verschiedener Laserpulse wird weiter mini miert, wenn die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl so erfolgt, daß bei jedem Beschich tungsvorgang im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Tar gets von den Wechselwirkungsflächen der Laserpulse überdeckt wird.The danger of an unfavorable interaction of the performance The density gradient of various laser pulses continues to be mini if the relative movement between the target and the incident laser beam takes place so that with each coating tion process essentially the entire surface of the tar gets covered by the interaction surfaces of the laser pulses becomes.

Vorteilhafterweise erfolgt die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl so, daß bei jedem Be schichtungsvorgang im wesentlichen die gesamte Targetober fläche gleichmäßig abgetragen wird. Durch diese Vorgehens weise wird die gesamte Targetmasse nutzbar, wodurch seltener ein Targetwechsel notwendig wird.The relative movement between the Target and the incident laser beam so that with each loading layering process essentially the entire target surface surface is removed evenly. By doing this the entire target mass is usable, which makes it less common a target change is necessary.

Grundsätzlich kann die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl durch eine Bewegung allein des Laserstrahls, eine Bewegung allein des Targets oder eine Bewegung von Target und Laserstrahl gemeinsam erzeugt werden.Basically, the relative movement between the target and the incident laser beam by one movement alone of the laser beam, a movement of the target alone or one Movement of target and laser beam can be generated together.

Eine Bewegung allein des Laserstrahls hat den Vorteil, daß hohe Relativgeschwindigkeiten und -beschleunigungen erreicht werden können. Dabei wird der Laserstrahl z. B. mit Hilfe eines oder mehrerer schwenkbarer Spiegel umgelenkt. Gege benenfalls muß die Abbildungsoptik nachgeführt werden, um auch bei verändertem Strahlenweg den Laser auf die Target oberfläche zu fokussieren.Moving the laser beam alone has the advantage that high relative speeds and accelerations achieved can be. The laser beam is z. B. with help one or more pivotable mirrors deflected. Opp the imaging optics must also be tracked in order to even when the beam path is changed, the laser onto the target focus surface.

Die Bewegung allein des Targets ist mit geringem Aufwand zu realisieren und erlaubt es, den Laserstrahl optimal auf einen ortsfesten Punkt zu fokussieren.The movement of the target alone can be done with little effort Realize and allow the laser beam to be optimally focused on you focus on the fixed point.

Besonders günstig ist es, wenn die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl mehr als einen Freiheitsgrad aufweist. Dadurch wird die vollständige Aus nutzung von solchen Targets möglich, die in jeder Richtung eine größere Ausdehnung als eine einzelne Wechselwirkungs fläche aufweisen.It is particularly favorable if the relative movement between the target and the incident laser beam more than one Has degree of freedom. This will completely shut off Use of such targets possible in any direction a larger extent than a single interaction have area.

Besonders vorteilhaft, insbesondere bei der Verwendung von Targets mit kreisscheibenförmiger Oberfläche, ist es, die Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl durch eine Überlagerung einer Dreh- und einer linearen Hin- und Herbewegung zu erzeugen. Die Dreh- und die lineare Hin- und Herbewegung sind jeweils mit geringem Auf wand zu realisieren und ermöglichen die vollständige Aus nutzung eines Targets mit kreisscheibenförmiger Oberfläche.Particularly advantageous, especially when using Targets with a circular disk-shaped surface is the one Relative movement between the target and the incident Laser beam through a superposition of a rotary and a to generate linear reciprocation. The rotary and the linear reciprocation are each with little up to realize the wall and allow the complete out use of a target with a circular disk-shaped surface.

Wird die Relativbewegung zwischen dem Target und dem ein fallenden Laserstrahl durch eine Überlagerung einer Dreh- und einer linearen Hin- und Herbewegung erzeugt, so empfiehlt es sich, zeitweise die Drehbewegung unter Fortsetzung der linearen Hin- und Herbewegung oder die lineare Hin- und Herbewegung unter Fortsetzung der Drehbewegung derart zu unterbrechen, daß sich eine solche Relativbewegung zwischen dem Target und dem einfallenden Laserstrahl ergibt, bei der die Wechselwirkungsflächen der Laserpulse auf einem zusammen hängenden Ausschnitt der Targetoberfläche, der in jeder Rich tung eine größere Ausdehnung als eine einzelne Wechselwir kungsfläche besitzt, lokal statistisch gleichförmig verteilt sind. Dadurch wird die Ausbildung steiler Flanken mit Auf schmelzstrukturen vermieden.The relative movement between the target and the one falling laser beam by superimposing a rotating and linear reciprocation, it recommends himself, at times the rotational movement while continuing the linear float or the linear float Movement towards the continuation of the rotary movement in this way interrupt that there is such a relative movement between the target and the incident laser beam at which the interaction surfaces of the laser pulses on one together hanging section of the target surface, which in each Rich extension is larger than a single interaction area, statistically uniformly distributed locally are. As a result, the formation of steep flanks with up melt structures avoided.

Ferner ist es von Vorteil, diejenigen Bereiche des Laser strahlquerschnitts, die eine unterhalb der Sättigungsschwelle liegende Leistungsdichte aufweisen, mit Hilfe einer Feld blende auszublenden. Durch diese Maßnahme erhöhen sich die Leistungsdichtegradienten im einfallenden Laserstrahl und als Folge davon die Abtragsratengradienten auf der Targetober fläche. Der Ausschnitt der Targetoberfläche, auf dem ungleichmäßiger Abtrag erfolgt und daher steile Flanken mit Aufschmelzstrukturen entstehen können, wird dadurch redu ziert.It is also advantageous to use those areas of the laser beam cross section, one below the saturation threshold have lying power density, using a field fade out. This measure increases the Power density gradients in the incident laser beam and as As a result, the removal rate gradients on the target upper surface. The section of the target surface on which uneven removal occurs and therefore with steep flanks Melting structures can arise, is thereby reduced graces.

Um den Bereich der Targetoberfläche, auf dem Aufschmelzstruk turen entstehen können, weiter zu verkleinern, ist es von Vorteil, Form und Größe der im Strahlengang des Lasers befindlichen Blenden und das Leistungsdichteprofil des Lasers so aufeinander abzustimmen, daß durch Beugung auf der Target oberfläche auftretende Nebenmaxima der Leistungsdichte die Wechselwirkungsschwelle nicht überschreiten.Around the area of the target surface, on the melting structure can arise, it is from Advantage, shape and size of the laser beam located apertures and the power density profile of the laser to coordinate so that by diffraction on the target secondary maxima of the power density appearing on the surface Do not exceed the interaction threshold.

Der Erfindung lag die weitere Aufgabe zugrunde, ein Beschich tungsverfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß auf dem Substrat eine homogene, gut haftende Schicht aus dem Beschichtungsmaterial erzeugbar ist.The invention was based on the further object of a coating to improve the processing method of the type mentioned at the beginning that a homogeneous, well adhering layer on the substrate the coating material can be generated.

Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst. This task is accomplished with a coating device solved the features of claim 15.

Vorzugsweise ist mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsvor richtung eine Beschichtung mit einem Tröpfchenanteil kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 10%, erzeugbar.Preferably with the coating according to the invention direction a coating with a droplet content smaller than 20%, in particular less than 10%, can be generated.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 16 bis 27, deren Vorteile bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden.Further advantageous embodiments of an inventive Coating device are the subject of the dependent claims 16 to 27, the advantages of which already in connection with the inventive methods have been explained.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeich nerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.Further features and advantages of the invention are opposed stood the following description and the drawing nerische representation of an embodiment.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Beschichtungsvorrichtung; Figure 1 is a schematic representation of a coating device according to the Invention.

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus Fig. 1; FIG. 2 shows an enlarged representation of area I from FIG. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Leistungsdichte profils eines Lasers (Fig. 3a), einen schema tischen Querschnitt durch ein Target nach der Einwirkung eines einzelnen Laserpulses (Fig. 3b) und einen schematischen Querschnitt durch ein Target nach der Einwirkung mehrerer Laserpulse an derselben Stelle des Targets (Fig. 3c); Fig. 3 is a schematic representation of the power density profile of a laser ( Fig. 3a), a schematic cross-section through a target after the action of a single laser pulse ( Fig. 3b) and a schematic cross-section through a target after the action of several laser pulses in the same place the target ( Fig. 3c);

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Targetoberfläche mit einer schematischen Darstellung der Verteilung der Wechselwirkungsflächen. Fig. 4 is a plan view of the target surface with a schematic representation of the distribution of the interaction areas.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel einer als Ganzes mit 10 bezeichneten, erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung weist einen gepulsten Laser 12 auf, der auf einer optischen Bank 14 angeordnet ist, die parallel zur optischen Achse 16 des Lasers 12 ausgerichtet ist.The exemplary embodiment shown in the drawing of a coating device according to the invention, designated as a whole by 10 , has a pulsed laser 12 which is arranged on an optical bench 14 which is aligned parallel to the optical axis 16 of the laser 12 .

Der gepulste Laser 12 kann beispielsweise ein gütegeschal teter Nd : YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.064 nm, einer maximalen Pulsenergie von 250 mJ, einer Pulsdauer von 8 ns, einer maximalen Repetitionsrate von 14 Hz und ringförmigem Leistungsdichteprofil oder ein gütegeschal teter Nd : YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm, einer maximalen Pulsenergie von 200 mJ, einer Pulsdauer von 6 ns, einer maximalen Repetitionsrate von 10 Hz und einem gaußförmigen Leistungsdichteprofil sein.The pulsed laser 12 can be, for example, a Q-switched Nd: YAG laser with a wavelength of 1,064 nm, a maximum pulse energy of 250 mJ, a pulse duration of 8 ns, a maximum repetition rate of 14 Hz and an annular power density profile or a Q-switched Nd: YAG -Laser with a wavelength of 532 nm, a maximum pulse energy of 200 mJ, a pulse duration of 6 ns, a maximum repetition rate of 10 Hz and a Gaussian power density profile.

Ferner ist auf der optischen Bank 14 eine Sammellinse 18 mit Hilfe einer Linsenhalterung 20 so gehaltert, daß die Symmetrieachse der Sammellinse 18 mit der optischen Achse 16 übereinstimmt. Außerdem kann auf der optischen Bank 14 zwischen dem Laser 12 und der Sammellinse 18 eine Feld blende 22 mit Hilfe einer Blendenhalterung 24 so gehaltert werden, daß die Symmetrieachse der Blendenöffnung der Feldblende 22 mit der optischen Achse 16 übereinstimmt.Furthermore, a converging lens 18 is held on the optical bench 14 with the aid of a lens holder 20 such that the axis of symmetry of the converging lens 18 coincides with the optical axis 16 . In addition, on the optical bench 14 between the laser 12 and the condenser lens 18, a field diaphragm 22 are supported by means of a diaphragm holder 24 so that the axis of symmetry of the aperture of the field stop matches 22 with the optical axis of the sixteenth

Auf der dem Laser 12 abgewandten Seite der Sammellinse 18 durchsetzt die optische Achse 16 ein in die Wand einer Vakuumkammer 26 eingesetztes Eintrittsfenster 28.On the side of the converging lens 18 facing away from the laser 12 , the optical axis 16 passes through an entry window 28 inserted into the wall of a vacuum chamber 26 .

Im Innern der Vakuumkammer 26 durchsetzt die optische Achse 16 die Öffnung einer Bedampfungsschutzblende 30, die über eine Blendenhalterung 32 so an der Innenwand der Vakuumkammer 26 befestigt ist, daß die Symmetrieachse der Blendenöffnung der Bedampfungsschutzblende 30 mit der optischen Achse 16 übereinstimmt. Die Bedampfungs schutzblende 30 dient dem Schutz des Eintrittsfensters 28 vor Streubedampfung.Inside the vacuum chamber 26 , the optical axis 16 passes through the opening of an anti-vapor shield 30 , which is attached to the inner wall of the vacuum chamber 26 via an aperture holder 32 such that the axis of symmetry of the aperture of the anti-vapor shield 30 coincides with the optical axis 16 . The vapor protection screen 30 serves to protect the entrance window 28 from stray vaporization.

Auf der dem Eintrittsfenster 28 abgewandten Seite der Bedampfungsschutzblende 30 schneidet die optische Achse 16 die kreisförmige freie Oberfläche 34 eines zylindrischen Targets 36 unter einem Winkel von 45° zur Normalenrichtung der Targetoberfläche 34. Der Schnittpunkt der optischen Achse 16 mit der Targetoberfläche 34 liegt im Fokusbereich der Sammellinse 18. Das Target 36 besteht aus einem belie bigen laserabtragbaren Material, beispielsweise aus einem reinen Metall, wie Aluminium oder Magnesium, oder aus einer Legierung, und sitzt in einer einseitig offenen, napfförmigen Targetfassung 38.On the side of the anti-vapor shield 30 facing away from the entrance window 28 , the optical axis 16 intersects the circular free surface 34 of a cylindrical target 36 at an angle of 45 ° to the normal direction of the target surface 34 . The intersection of the optical axis 16 with the target surface 34 lies in the focus area of the converging lens 18 . The target 36 consists of any laser-ablatable material, for example of a pure metal, such as aluminum or magnesium, or of an alloy, and is seated in a cup-shaped target holder 38 that is open on one side.

Ein Boden der Targetfassung 38 ist von einem Ende einer ersten Antriebswelle 40 eines ersten Elektromotors 42 getragen, wobei die Symmetrieachsen der ersten Antriebs welle 40 und des Targets 36 miteinander übereinstimmen.A bottom of the target holder 38 is carried by one end of a first drive shaft 40 of a first electric motor 42 , the axes of symmetry of the first drive shaft 40 and the target 36 matching each other.

Der erste Elektromotor 42 ist fest mit einer Spindelmutter 44 verbunden, die auf einer Spindel 46, angetrieben durch einen zweiten Elektromotor 48, sitzt.The first electric motor 42 is fixedly connected to a spindle nut 44 , which is seated on a spindle 46 , driven by a second electric motor 48 .

Die Spindel 46 ist mit ihrer Spindelachse parallel zu der durch den Mittelpunkt der kreisförmigen Targetoberfläche 34 und den Schnittpunkt der optischen Achse 16 mit der Targetoberfläche 34 festgelegten Geraden ausgerichtet.The spindle 46 is aligned with its spindle axis parallel to the straight line defined by the center of the circular target surface 34 and the intersection of the optical axis 16 with the target surface 34 .

Das dem zweiten Elektromotor 48 abgewandte, gewindelose Ende der Spindel 46 ist in einer Lagerbuchse 50 gelagert, die auf einer Innenwand eines quaderförmigen Target bewegergehäuses 52 angeordnet ist, welches die Elektro motoren 42 und 48 sowie die Spindel 46 umschließt.The opposite of the second electric motor 48 , threadless end of the spindle 46 is mounted in a bearing bush 50 which is arranged on an inner wall of a cuboid target moving housing 52 which encloses the electric motors 42 and 48 and the spindle 46 .

Je eine der Flächennormalen des quaderförmigen Target bewegergehäuses 52 ist parallel zur ersten Antriebswelle 40 bzw. zur Spindel 46 ausgerichtet. Die erste Antriebs welle 40 ist durch einen Schlitz, der in der Wand des Targetbewegergehäuses 52 parallel zur Spindel 46 verläuft, aus dem Targetbewegergehäuse 52 herausgeführt.One of the surface normals of the parallelepiped target movement housing 52 is aligned parallel to the first drive shaft 40 or to the spindle 46 . The first drive shaft 40 is formed by a slot extending in the wall of the Targetbewegergehäuses 52 parallel to the spindle 46, led out of the Targetbewegergehäuse 52nd

Der zweite Elektromotor 48 ist an der der Lagerbuchse 50 gegenüberliegenden Innenwand des Targetbewegergehäuses 52 gehalten. Ferner ist an den Innenwänden des Targetbeweger gehäuses 52 eine Führungsschiene 54 angeordnet, die paral lel zu der Spindel 46 verläuft und an der ein Bereich der Außenwand des ersten Elektromotors 42 anliegt.The second electric motor 48 is held on the inner wall of the target mover housing 52 opposite the bearing bush 50 . Furthermore, a guide rail 54 is arranged on the inner walls of the target mover housing 52 , which runs parallel to the spindle 46 and on which an area of the outer wall of the first electric motor 42 bears.

Über Halterungen 56 an der Außenwand des Targetbeweger gehäuses 52 ist das Targetbewegergehäuse 52 an der Innen wand der Vakuumkammer 26 befestigt.Via brackets 56 on the outer wall of the housing 52, the Targetbeweger Targetbewegergehäuse 52 is the vacuum chamber on the inner wall-mounted 26th

Auf der dem Targetbewegergehäuse 52 abgewandten Seite des Targets 36 ist ein Substrat 58 mit einer ebenen Substrat oberfläche 60 angeordnet, wobei die Substratoberfläche 60 (ungefähr) parallel zu der Targetoberfläche 34 in einem Abstand von etwa 50 mm von der Targetoberfläche 34 verläuft. Das Substrat 58 kann aus beliebigem Material, beispielsweise Stahl oder Mikroskopieglas, bestehen und wird von einer Substrathalterung 62 gehalten, die ihrer seits mit Hilfe von Halterungen 64 auf der Innenwand der Vakuumkammer 26 angeordnet ist.On the Targetbewegergehäuse 52 side facing away from the target 36, a substrate 58 is disposed surface having a planar substrate 60, said substrate surface 60 (approximately) mm parallel to the target surface 34 at a distance of about 50 passes of the target surface 34th The substrate 58 can consist of any material, for example steel or microscope glass, and is held by a substrate holder 62 , which in turn is arranged on the inner wall of the vacuum chamber 26 with the aid of holders 64 .

Ferner ist in der Wand der Vakuumkammer 26 ein Vakuum pumpenstutzen 66 angeordnet, an den eine Vakuumpumpe 68 angeflanscht ist.Furthermore, a vacuum pump nozzle 66 is arranged in the wall of the vacuum chamber 26 , to which a vacuum pump 68 is flanged.

Vor einem Beschichtungsvorgang wird die Vakuumkammer 26 mit Hilfe der Vakuumpumpe 68 evakuiert, bis ein Restdruck von vorzugsweise weniger als 10^-3 mbar erreicht ist. Before a coating process, the vacuum chamber 26 is evacuated with the aid of the vacuum pump 68 until a residual pressure of preferably less than 10 ^-3 mbar is reached.

Dann werden die beiden Elektromotoren 42 und 48 in Betrieb genommen. Der erste Elektromotor 42 dreht die erste Antriebswelle 40, wodurch das Target 36 in Rotation versetzt wird. Der zweite Elektromotor 48 dreht die Spindel 46, was eine Verschiebung der Spindelmutter 44 und damit des ersten Elektromotors 42 längs der Spindel 46 zur Folge hat. Die Führungsschiene 54 verhindert dabei eine Kippung des ersten Elektromotors 42 um die Spindel 46. Die lineare Bewegung des ersten Elektromotors 42 führt zu einer entsprechenden linearen Bewegung des Targets 36. Es wirken also der erste Elektromotor 42 als Targetrotierer und der zweite Elektromotor 48 als Targetverschieber.Then the two electric motors 42 and 48 are put into operation. The first electric motor 42 rotates the first drive shaft 40 , whereby the target 36 is set in rotation. The second electric motor 48 rotates the spindle 46 , which results in a displacement of the spindle nut 44 and thus the first electric motor 42 along the spindle 46 . The guide rail 54 prevents the first electric motor 42 from tipping over the spindle 46 . The linear movement of the first electric motor 42 leads to a corresponding linear movement of the target 36 . The first electric motor 42 thus acts as a target rotator and the second electric motor 48 acts as a target shifter.

Der von dem Laser 12 erzeugte gepulste Laserstrahl 70 wird von der Sammellinse 18 auf die Targetoberfläche 34 fokus siert. Jeder Laserpuls trägt innerhalb einer vorstehend definierten Wechselwirkungsfläche 72 Material aus dem Target in Form von Partikeln ab, die einen auf das Substrat 58 gerichteten Partikelstrom 74 bilden und sich auf der Substratoberfläche 60 als Schicht niederschlagen.The pulsed laser beam 70 generated by the laser 12 is focused by the converging lens 18 onto the target surface 34 . Each laser pulse removes material from the target in the form of particles within an interaction surface 72 defined above, which particles form a particle stream 74 directed onto the substrate 58 and are deposited on the substrate surface 60 as a layer.

Der Laserstrahl 70 weist ein inhomogenes Leistungsdichte profil auf, welches in Fig. 3a schematisch dargestellt ist. In Fig. 3a ist der die Wechselwirkungsschwelle I₁ übersteigende Anteil der Leistungsdichte I als Funktion des Abstandes x von der optischen Achse 16 des Laser strahls 70 aufgetragen.The laser beam 70 has an inhomogeneous power density profile, which is shown schematically in FIG. 3a. In Fig. 3a, the interaction threshold I₁ exceeding proportion of the power density I is plotted as a function of the distance x from the optical axis 16 of the laser beam 70 .

Der Bereich, in dem die Leistungsdichte die Sättigungs schwelle I₃ übertrifft, wird mit A bezeichnet. Der Bereich, in dem die Leistungsdichte zwischen der Sättigungsschwelle I₃ und der Sublimationsschwelle I₂ liegt, wird mit B bezeichnet. Der Bereich, in dem die Leistungsdichte zwischen der Sublimationsschwelle I₂ und der Wechselwirkungsschwelle I₁ liegt, wird mit C bezeich net. Der Bereich, in dem die Leistungsdichte unterhalb der Wechselwirkungsschwelle I₁ liegt, wird mit D bezeichnet.The area where the power density is the saturation threshold I₃ exceeds, is denoted by A. Of the Area where the power density between the Saturation threshold I₃ and sublimation threshold I₂ is denoted by B. The area in which the Power density between the sublimation threshold I₂ and the interaction threshold I₁, is denoted by C. net. The area where the power density is below the Interaction threshold I₁, is denoted by D.

Fig. 3b stellt die Veränderung des Targets durch einen einzelnen Laserpuls dar. Aufgetragen ist die Abtragstiefe d als Funktion des Abstands x von der optischen Achse 16 des Laserstrahls 70. Die Bereiche A bis D der Target oberfläche 34 entsprechen den Bereichen A bis D des Laser strahl-Querschnitts aus Fig. 3a. FIG. 3b shows the change of the target by a single laser pulse is. Plotted is the removal depth d as a function of the distance x from the optical axis 16 of the laser beam 70th The areas A to D of the target surface 34 correspond to the areas A to D of the laser beam cross section from FIG. 3a.

Im Bereich A wird das Target 36 tröpfchenfrei mit räumlich konstanter Abtragsrate abgetragen.In region A, the target 36 is removed without droplets at a spatially constant removal rate.

Auch im Bereich B wird das Target 36 tröpfchenfrei abge tragen, jedoch mit räumlich variierender Abtragsrate, so daß sich die Oberfläche des Targets 36 durch die Einwir kung des Laserpulses in bezug auf die Oberfläche 34 des unberührten Targets 36 neigt.In the area B, the target 36 will carry droplet free abge, but with spatially varying removal rate, so that the surface of the target 36 by the Einwir effect of the laser pulse with respect to the surface 34 of the untouched targets 36 inclines.

Im Bereich C wird das Target 36 durch den Laserpuls aufge schmolzen. Der Abtrag des Targets 36 in diesem Bereich ist gering. Beim Wiedererstarren nach dem Laserpuls bilden sich in dem in Fig. 3b gestrichelt eingezeichneten Bereich Oberflächenunebenheiten (Aufschmelzstrukturen) 76 aus.In area C, the target 36 is melted by the laser pulse. The removal of the target 36 in this area is low. When re-solidifying after the laser pulse, surface unevenness (melting structures) 76 form in the region shown in broken lines in FIG. 3b.

Im Bereich D wird der Laserstrahl 70 vom Target 36 reflektiert, ohne eine dauerhafte Veränderung der Targetoberfläche 34 zu bewirken.In region D, the laser beam 70 is reflected by the target 36 without causing a permanent change in the target surface 34 .

Wirken nun mehrere Laserpulse auf dieselbe Stelle des Targets 36 ein, ohne daß die Lage des Targets 36 relativ zum einfallenden Laserstrahl 70 verändert wird, so treten die Aufschmelzstrukturen 76 zunehmend stärker hervor, da an den Aufschmelzstrukturen 76 der Laserstrahl 70 zuneh mend flacher einfällt, wodurch die dort von der Target oberfläche empfangene Leistungsdichte und infolge davon die Abtragsrate sinken.If several laser pulses now act on the same location of the target 36 without the position of the target 36 being changed relative to the incident laser beam 70 , the melting structures 76 become increasingly apparent, since the laser beam 70 is incident on the melting structures 76 increasingly flat, as a result of which the power density received there by the target surface and, as a result, the removal rate decrease.

In Fig. 3c ist die Abtragstiefe d nach mehreren solcher Laserpulse als Funktion des Abstandes x von der optischen Achse 16 des Laserstrahls 70 aufgetragen. Die Bereiche A bis D entsprechen den Bereichen A bis D der Fig. 3b.In Fig. 3c, the removal depth is d after several such laser pulses as a function of the distance x from the optical axis 16 of the laser beam 70 applied. The areas A to D correspond to the areas A to D of FIG. 3b.

Durch die gleichsinnige Überlagerung der Leistungsdichte gradienten der verschiedenen Laserpulse erfolgt lediglich im Bereich A ein tröpfchenfreier, gleichmäßiger Abtrag des Targets 36, während in den Bereichen B und C zunehmend steilere Flanken eines Abtragskraters mit stäbchenförmigen Aufschmelzstrukturen 76, die eine Ausdehnung von einigen µm aufweisen, entstehen. An diesen Flanken des Abtrags kraters wird das Target 36 vorwiegend in Form von Tröpf chen abgetragen.Due to the superimposition of the power density gradients of the various laser pulses in the same direction, droplet-free, uniform removal of the target 36 occurs only in area A, while in areas B and C there are increasingly steeper flanks of a removal crater with rod-shaped melting structures 76 that have an extent of a few μm . The target 36 is mainly removed in the form of droplets on these flanks of the removal crater.

Durch die Bewegung des Targets 36 relativ zum gepulsten Laserstrahl 70 mit Hilfe des ersten Elektromotors 42 und des zweiten Elektromotors 48 wird die Ausbildung solcher steilen Flanken, die zu unerwünschter Tröpfchenbildung führen, verhindert.The movement of the target 36 relative to the pulsed laser beam 70 with the aid of the first electric motor 42 and the second electric motor 48 prevents the formation of such steep flanks which lead to undesired formation of droplets.

Bei jeder Unterbrechung der Bewegung des Targets 36 wird der Laser 12 abgeschaltet bzw. sein Strahlengang ver sperrt, um zu verhindern, daß durch mehrere aufeinander folgende Laserpulse ein Abtragskrater entsteht. Each time the movement of the target 36 is interrupted, the laser 12 is switched off or its beam path is blocked in order to prevent a removal crater from being formed by several successive laser pulses.

Die mittlere Leistungsdichte des Laserstrahls 70 wird dabei so gewählt, daß einerseits der Anteil der in Form von Tröpfchen bei einem Laserpuls abgetragenen Target materie möglichst klein und andererseits die Gesamtmenge der bei einem Laserpuls abgetragenen Targetmaterie mög lichst groß wird. Für Magnesium als Targetmaterial liegt die optimale mittlere Leistungsdichte im Bereich von 10¹⁰ W/cm².The average power density of the laser beam 70 is chosen so that on the one hand the proportion of the target material removed in the form of droplets in a laser pulse is as small as possible and on the other hand the total amount of the target material removed in a laser pulse becomes as large as possible. For magnesium as the target material, the optimal average power density is in the range of 10¹⁰ W / cm².

Aufgrund der kombinierten Rotations- und linearen Bewegung des Targets 36 sind die Wechselwirkungsflächen 72 der aufeinanderfolgenden Laserpulse auf der Targetoberfläche 34 längs einer Spiralbahn 78 angeordnet, die in Fig. 4 als durchgezogene Linie dargestellt ist. Die Durchlaufrichtung der Spirale 78 ist durch einen Pfeil angegeben. Die Lagen der Wechselwirkungsflächen 72 auf der Spirale 78 sind durch leere Kreise markiert. Durch geeignete Abstimmung der Drehzahlen des ersten Elektromotors 42 und des zweiten Elektromotors 48 aufeinander und auf die Repetitionsrate des Lasers 12 läßt sich erreichen, daß sich die Wechsel wirkungsflächen 72 zunächst nicht überlappen.Due to the combined rotational and linear movement of the target 36 , the interaction surfaces 72 of the successive laser pulses are arranged on the target surface 34 along a spiral path 78 , which is shown in FIG. 4 as a solid line. The direction of travel of the spiral 78 is indicated by an arrow. The positions of the interaction surfaces 72 on the spiral 78 are marked by empty circles. By suitable matching of the speeds of the first electric motor 42 and the second electric motor 48 to one another and to the repetition rate of the laser 12 it can be achieved that the interaction surfaces 72 do not initially overlap.

Aufgrund der Linearbewegung des Targets 36 durchläuft schließlich entweder der Rand oder der Mittelpunkt der Targetoberfläche 34 den Fokusbereich des Laserstrahls 70. Ist dies der Fall, so werden die beiden Elektromotoren 42 und 48 unabhängig voneinander manuell ausgeschaltet, umgepolt und wieder eingeschaltet. Die Rotations- und die Linearbewegung des Targets 36 wechseln dadurch die Rich tung, und die neu hinzukommenden Wechselwirkungsflächen 72 sind wiederum längs einer Spirale 80 angeordnet, die den gleichen Drehsinn und den gleichen Windungsabstand wie die vor dem Umpolen durchlaufene Spirale 78 aufweist, jedoch in entgegengesetzter Richtung durchlaufen wird. Da weder das An- noch das Abschalten des ersten Elektromotors 42 mit dem des zweiten Elektromotors 48 synchronisiert ist, sind die Windungen der beiden Spiralen 78 und 80 jedoch in zufälliger Weise gegeneinander verdreht und verschoben. Da das Umschalten der beiden Elektromotoren 42 und 48 auch nicht mit der Pulsfolge des Lasers 12 synchronisiert erfolgt, verschiebt sich zusätzlich die Lage der Wechsel wirkungsflächen 72 längs der Spiralbahn.Due to the linear movement of the target 36 , either the edge or the center of the target surface 34 finally passes through the focus area of the laser beam 70 . If this is the case, the two electric motors 42 and 48 are switched off manually, reversed polarity and switched on again independently of one another. The rotation and the linear movement of the target 36 thereby change the direction, and the newly added interaction surfaces 72 are in turn arranged along a spiral 80 , which has the same direction of rotation and the same pitch distance as the spiral 78 which was passed before the polarity reversal, but in opposite directions Direction is traversed. Since neither the switching on nor the switching off of the first electric motor 42 is synchronized with that of the second electric motor 48 , the turns of the two spirals 78 and 80 are, however, randomly rotated and shifted relative to one another. Since the switching of the two electric motors 42 and 48 is also not synchronized with the pulse train of the laser 12 , the position of the interaction surfaces 72 also shifts along the spiral path.

Die nach dem Umschalten durchlaufene Spiralbahn 80 ist in Fig. 4 als gestrichelte Linie dargestellt. Die Durchlauf richtung der Spirale 80 ist durch einen Pfeil angegeben. Die Lagen der Wechselwirkungsflächen 72 auf der Spiralbahn 80 sind durch schraffierte Kreise markiert.The spiral path 80 which has passed through after the changeover is shown in FIG. 4 as a dashed line. The passage direction of the spiral 80 is indicated by an arrow. The positions of the interaction surfaces 72 on the spiral path 80 are marked by hatched circles.

So entsteht nach jedem Umschalten der Elektromotoren 42 und 48 eine neue Verteilung von Wechselwirkungsflächen 72 auf die Targetoberfläche 34, die von der Verteilung älterer Wechselwirkungsflächen 72 unabhängig ist. Über lagern sich an einem Ort der Targetoberfläche 34 mehrere Wechselwirkungsflächen 72, deren Entstehungszeiten jeweils durch mindestens einen Umschaltvorgang voneinander getrennt sind, so werden sich die Abtragsratengradienten dieser Wechselwirkungsflächen 72 im Mittel gegenseitig kompensieren. Solche Wechselwirkungsflächen 72, zwischen deren Entstehungszeiten kein Umschaltvorgang liegt, überlappen sich ohnehin nicht. Folglich wird die gesamte Targetoberfläche 34 gleichmäßig abgetragen, ohne daß steile Flanken mit unerwünschten Aufschmelzstrukturen 76 entstehen können. Each time the electric motors 42 and 48 are switched over, a new distribution of interaction surfaces 72 is created on the target surface 34 , which distribution is independent of the distribution of older interaction surfaces 72 . If a plurality of interaction surfaces 72 , whose times of origin are separated from one another by at least one switching operation, are superimposed on one location of the target surface 34 , the removal rate gradients of these interaction surfaces 72 will compensate each other on average. Interaction surfaces 72 of this type , between the times of which there is no switching process, do not overlap anyway. As a result, the entire target surface 34 is removed evenly without steep flanks with undesirable melting structures 76 being able to form.

Sind die Drehzahlen der beiden Elektromotoren 42 und 48 jeweils zeitlich konstant, so liegen die Wechselwirkungs flächen 72 in der Mitte der Targetoberfläche 34 dichter als an ihrem Rand, d. h. das Target 36 wird zur Mitte der Targetoberfläche 34 hin zunehmend stärker abgetragen. Die dadurch entstehende Neigung der Targetoberfläche 34 ist jedoch so gering, daß keine wesentliche Verringerung der von der Targetoberfläche 34 empfangenen Leistungsdichte und keine wesentliche Erhöhung des Anteils von in Tröpf chenform abgetragenem Material auftritt. Wird dennoch ein vollständig gleichmäßiger Abtrag der Targetoberfläche 34 gewünscht, um das Target 36 möglichst vollständig abtragen zu können, muß die Drehzahl des ersten Elektromotors 42 oder des zweiten Elektromotors 48 so gesteuert werden, daß sie sich reziprok zu dem momentanen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Targetoberfläche 34 und dem Fokusbereich des Laserstrahls 70 verhält.If the speeds of the two electric motors 42 and 48 are each constant over time, the interaction surfaces 72 are denser in the center of the target surface 34 than at their edge, ie the target 36 is increasingly removed towards the center of the target surface 34 . However, the resulting inclination of the target surface 34 is so small that there is no significant reduction in the power density received from the target surface 34 and no significant increase in the proportion of material removed in droplet form. If a completely uniform removal of the target surface 34 is nevertheless desired in order to be able to remove the target 36 as completely as possible, the speed of the first electric motor 42 or the second electric motor 48 must be controlled so that it is reciprocal to the instantaneous distance between the center of the target surface 34 and the focus area of the laser beam 70 behaves.

Die Verwendung der Feldblende 22 ist fakultativ. Die Größe ihrer Blendenöffnung wird so gewählt, daß diejenigen Bereiche des Querschnitts des Laserstrahls 70, in denen die Leistungsdichte unterhalb der Sättigungsschwelle liegt (Bereiche B, C und D in Fig. 3a), ausgeblendet werden. Als Folge davon wird der Bereich der Wechselwirkungsfläche 72 eines Einzelpulses, in dem ein Abtragsratengradient auf tritt, verkleinert. In Kombination mit der zweidimen sionalen Bewegung des Targets 36 führt dies zu einer weiteren Verringerung des Anteils in Tröpfchenform abgetragener Materie.The use of the field diaphragm 22 is optional. The size of its aperture is chosen so that those areas of the cross section of the laser beam 70 in which the power density is below the saturation threshold (areas B, C and D in FIG. 3a) are masked out. As a result, the area of the interaction surface 72 of a single pulse in which an ablation rate gradient occurs is reduced. In combination with the two-dimensional movement of the target 36 , this leads to a further reduction in the proportion of matter removed in droplet form.

Vergleichende Untersuchungen, bei denen ein Target 36 aus Magnesium und mittlere Laser-Leistungsdichten von 2,3 × 109 bis 14,7 × 10⁹ W/cm² verwendet wurden, haben ergeben, daß sich der relative Anteil der Tröpfchen an den aus dem Target 36 abgetragenen Schmelzpartikeln mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungs gemäßen Beschichtungsvorrichtung auf weniger als 10% reduzieren läßt, während er mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung nach dem Stand der Technik stets deutlich über 50% liegt.Comparative investigations, in which a target 36 made of magnesium and average laser power densities of 2.3 × 109 to 14.7 × 10 / W / cm² were used, have shown that the relative proportion of the droplets removed from the target 36 Melt particles can be reduced to less than 10% using the method according to the invention or the coating device according to the invention, while it is always well above 50% with the method or the device according to the prior art.

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 10 wird die Relativbewegung zwischen dem Target 36 und dem einfal lenden Laserstrahl 70 durch eine Bewegung allein des Targets 36 erzeugt. Alternativ dazu kann, beispielsweise zwischen dem Eintrittsfenster 28 und der Bedampfungs schutzblende 30, ein schwenkbarer Umlenkspiegel in den Strahlenweg des Lasers 70 eingefügt werden, mit dessen Hilfe die Wechselwirkungsfläche 72 auf der Targetober fläche 34 verschoben werden kann. Auf einen Freiheitsgrad der Targetbewegung kann dann verzichtet werden.When in Fig. 1 and 2 illustrated embodiment, a coating device 10 according to the invention the relative movement between the target 36 and the lumbar einfal laser beam 70 is generated by a movement of the target 36 alone. Alternatively, a pivotable deflecting mirror can be inserted into the beam path of the laser 70 , for example between the entrance window 28 and the anti-vapor shield 30 , with the aid of which the interaction surface 72 can be moved on the target surface 34 . A degree of freedom of the target movement can then be dispensed with.

Wird ein zweiachsig schwenkbarer Spiegel verwendet, so kann auf die Bewegung des Targets 36 ganz verzichtet werden.If a two-axis pivotable mirror is used, the movement of the target 36 can be dispensed with entirely.

In beiden Fällen ist jeweils die Sammellinse 18 so nach zuführen, daß die Leistungsdichte des Lasers 70 an der Targetoberfläche 34 nicht aufgrund unterschiedlich langer Strahlenwege verändert wird.In both cases, the converging lens 18 is to be fed in such a way that the power density of the laser 70 on the target surface 34 is not changed due to differently long beam paths.

Claims

1. A method for coating a substrate by removing a coating material from a target by means of an incident on the target, pulsed laser beam having an inhomogeneous power density profile with power density gradient, each laser pulse permanently changing the surface of the target within an interaction surface and such a relative movement between the target and the incident laser beam that a section of the target surface is removed substantially uniformly on average, characterized in that the relative movement between the target and the incident laser beam takes place so that the Be rich with each laser pulse of the target, in which the power density of a falling laser beam lies between the sublimation threshold and the saturation threshold, as little as possible overlaps with the area of the target in which melting structures have arisen due to previous pulses, and that each the laser pulse the area of the target in which the power density of the incident laser beam lies between the interaction threshold and the sublimation threshold, as little as possible with the area of the target in which the surface of the target is affected by the action of previous laser pulses in relation to the untouched surface of the Target has inclined, overlapped so that a low-droplet coating forms on the substrate.

2. The method according to claim 1, characterized in that the relative movement between the target and the one falling laser beam so that each other over lapping interaction surfaces of two laser pulses each overlap in such a way that the effects the power density gradient of the two laser pulses in the Essentially compensate for the overlap area.

3. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative movement between the target and the incident laser beam take place that with each laser pulse the area of the target in which the power density of the incident laser beam between the interaction threshold and the subima tion threshold lies as little as possible with the range of Targets, in which melting structures by previous pulses arose, overlapped.

4. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that the relative movement between the target and the incident laser beam take place that every possible relative position of two each other overlapping interaction surfaces of different Laser pulses on average essentially the same number of times occurs.

5. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the relative movement between the target and the incident laser beam take place that with each coating process essentially the entire surface of the target from the interaction areas of the laser pulse is covered.

6. The method according to claim 5, characterized in that the relative movement between the target and the one falling laser beam takes place so that with each loading layering process essentially the entire target surface is removed evenly.

7. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the incident laser beam is moved.

8. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the target is moved.

9. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the relative movement between the target and the incident laser beam more than has a degree of freedom.

10. The method according to claim 9, characterized in that the relative movement between the target and the one falling laser beam by superimposing one Rotation and a linear reciprocation generated becomes.

11. The method according to claim 10, characterized in that the rotational movement at times while continuing the linear reciprocation is interrupted.

12. The method according to claim 10 or 11, characterized in net that the linear reciprocation at times is interrupted while the rotation continues.

13. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that those areas of the laser beam cross section, in which the power density below is half the saturation threshold.

14. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that the laser beam through apertures is performed and that the shape and size of these panels as well the power density of the laser is coordinated that there is no such on the surface of the target Secondary maxima arise through diffraction, in which the Power density reaches the interaction threshold.

15. Coating device comprising a substrate, a target made of coating material, a laser for generating a pulsed laser beam incident on the target, which has an inhomogeneous power density profile with power density gradients and by means of the individual pulses of which the surface of the target can be permanently changed within one interaction surface, and a movement device by means of which the target and the incident laser beam can be moved relative to one another in such a way that a section of the target surface can be removed essentially uniformly on average, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device by which the Target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) are so movable relative to each other that with each laser pulse the overlap between the area of the target in which the power density of the incident laser beam between the sublimation threshold (I₂) and the Sä saturation threshold (I₃), and the area of the target ( 36 ) in which melting structures ( 76 ) have arisen from previous pulses, and the overlap between the area of the target ( 36 ) in which the power density of the incident laser beam between the interaction threshold (I₁) and the subli mationsschwelle (I₂), and the range of the target (36), in which the surface of the target has inclined (36) past by the action of laser pulses with respect to the un touched surface of the target (36) , can be minimized to form a droplet-free coating on the substrate ( 58 ).

16. Coating device according to claim 15, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) can be moved relative to one another such that mutually overlapping interaction surfaces ( 72 ) of two laser pulses can be overlapped with one another in such a way that the effects of the power density gradients of the two laser pulses in the overlap area can essentially be compensated for.

17. Coating device according to claim 15 or 16, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) are so movable relative to each other that the overlap with each laser pulse between the area of the target ( 36 ) in which the power density of the incident laser beam lies between the interaction threshold (I₁) and the sublimation threshold (I₂), and the area of the target ( 36 ) in which structures ( 76 ) melted by previous pulses have arisen, can be minimized.

18. Coating device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) can be moved relative to one another such that any possible relative position of two mutually overlapping interaction surfaces ( 72 ) of different laser pulses can be generated on average essentially the same number of times.

19. Coating device according to one of claims 15 to 18, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) can be moved relative to one another in such a way that in each coating process in essentially the entire surface of the target ( 36 ) from the interaction surfaces ( 72 ) of the laser pulses can be covered.

20. Coating device according to claim 19, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) can be moved relative to one another in such a way that with each coating process essentially the entire surface of the Targets ( 36 ) can be removed evenly.

21. Coating device according to one of claims 15 to 20, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the laser beam ( 70 ) incident on the target ( 36 ) can be moved.

22. Coating device according to one of claims 15 to 21, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement unit through which the target ( 36 ) can be moved.

23. Coating device according to one of claims 15 to 22, characterized in that the coating device ( 10 ) has a movement device through which the target ( 36 ) and the incident laser beam ( 70 ) can be moved relative to one another with more than one degree of freedom.

24. Coating device according to claim 23, characterized in that the movement device comprises a device ( 42 ) by which a rotary movement can be generated, and a device ( 48 ) by which a linear reciprocating movement can be generated.

25. Coating device according to claim 24, characterized in that the device ( 42 ) by which a rotary movement can be generated, and the device ( 48 ) by which a linear reciprocating movement can be generated can be switched independently of one another.

26. Coating device according to one of claims 15 to 25, characterized in that the coating device ( 10 ) has a field diaphragm ( 22 ) through which those areas of the laser beam cross section in which the power density is below the saturation threshold (I₃) can be suppressed.

27. Coating device according to one of claims 15 to 26, characterized in that the coating device ( 10 ) in the beam path of the laser ( 70 ) has only such diaphragms, by their shape and size on the surface of the target ( 36 ) no such secondary maxima Diffraction can be generated in which the power density reaches the interaction threshold (I₁).