EP3856948A2 - Beschichtungsvorrichtung, prozesskammer, sowie verfahren zum beschichten eines substrats und substrat beschichtet mit zumindest einer materialschicht - Google Patents

Beschichtungsvorrichtung, prozesskammer, sowie verfahren zum beschichten eines substrats und substrat beschichtet mit zumindest einer materialschicht

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EP3856948A2
EP3856948A2 EP19795203.9A EP19795203A EP3856948A2 EP 3856948 A2 EP3856948 A2 EP 3856948A2 EP 19795203 A EP19795203 A EP 19795203A EP 3856948 A2 EP3856948 A2 EP 3856948A2
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EP
European Patent Office
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source
substrate
coating device
laser light
coating
Prior art date
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Application number
EP19795203.9A
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English (en)
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Inventor
Wolfgang Braun
Jochen Mannhart
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
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Publication date
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    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks

Definitions

  • the present invention relates to a coating device for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material, comprising a process chamber with a process volume for receiving a substrate holder for the stationary arrangement of the substrate in the process volume, the process chamber having at least one chamber wall essentially completely enclosing the process volume, a gas system fluidly communicating with the process volume for generating a coating atmosphere in the process volume, a source holder arranged in the process volume with at least one source material, the source material preferably accommodated in a source crucible, furthermore the source holder and the Substrate holders are arranged relative to one another in such a way that thermally evaporated and / or sublimed source material can be deposited on the substrate for at least partial formation of the layer material than the material layer.
  • the present invention also relates to a process chamber for a coating device for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material. Furthermore, the present invention relates to a method for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material in a coating device. Another aspect of the invention relates to a substrate coated with at least one material layer, comprising the substrate made of substrate material, which is coated with at least one material layer made of a layer material. Coating a substrate made of a substrate material with a material layer made of a layer material is basically known in the prior art. For example, such coating processes can be used in the manufacture of integrated circuits. Other electrical or electronic components, such as solar cells, can also be carried out in coating devices using such coating processes. In addition, other products, for example mirror and / or beam splitters for use in laser technology, can be produced using a coating device or a coating process.
  • a major advantage of the MBE is that high stoichiometric control of the material layer produced and in particular its layer material can be provided.
  • material layers can also be produced in the MBE in which the layer material has a modulated, that is to say, in particular variable, doping.
  • a high level of purity of the material layers produced is also a property of the MBE.
  • one or more source materials are mostly vaporized and / or sublimed thermally by an electric heater and deposited on a substrate. By increasing or reducing the surface area of the source materials used for evaporation and / or sublimation, for example by appropriately selecting a source crucible, a high scalability from small to very large substrate areas can also be provided in the MBE.
  • an electrical heater for the thermal evaporation and / or sublimation of the source material mentioned above also leads to disadvantages for the MBE.
  • a pressure limitation of a maximum of 10 5 mbar, usually even less than 10 6 mbar must be observed.
  • the corrosive gases at higher pressures corrode and fail the electrical elements present in the process volume, in particular elements for heating the source material and / or the substrate.
  • Evaporated and / or sublimated source material is also inevitably deposited on these electrical elements, as a result of which these elements can also be impaired, up to a complete destruction of the corresponding electrical component, for example by a short circuit.
  • the source material is ablated by extremely short and high-energy laser pulses, ie it evaporates so quickly that a plasma is formed from the source material.
  • pulse durations of 10 ns - 50 ns at a repetition frequency of 1 - 25 per second and energy densities of 10 MW / cm 2 can be provided by the lasers used.
  • the clouds of source material resulting from the explosive evaporation during ablation have on average a high kinetic energy of the particles, the maximum speeds of the explosively evaporated source material particles mostly occurring perpendicular to the source surface. Due to these high speeds, higher pressures in the coating atmosphere in the process volume are possible, in particular up to a range of 1 mbar.
  • the stoichiometry of the growing material layer on the substrate cannot be checked as far as possible, or only to a very limited extent.
  • the stoichiometry of the material layer or the layer material is at least essentially determined by the stoichiometry of the material source used, plus only possible reactions with a process gas of the coating atmosphere.
  • the modulation of a doping as part of the layer material described above in relation to the MBE is not possible.
  • Another disadvantage is that a high laser energy density is necessary for the ablation of the source material by the laser pulses described above.
  • the MBE and the PLD in the state of the art provide two methods, each of which is advantageous for special coating processes.
  • certain desired material layers may require a layer material or a layer material composition, the production of which is neither sufficiently accessible by either of the two methods.
  • many oxides require a corrosive coating atmosphere as the layer material, preferably having molecular oxygen and / or ozone.
  • the highest possible pressure is Coating atmosphere, in particular a pressure of, for example, 10 3 mbar, advantageous.
  • this pressure range is not accessible to the MBE according to the prior art or is only accessible to a very limited extent.
  • the object is achieved by a coating device for coating a substrate with the features of independent claim 1. Furthermore, the object is achieved by a process chamber for a coating device with the features of independent claim 16. Furthermore, the object is achieved by a method for coating a substrate with the features of the independent claim 17. Furthermore, the object is achieved by a substrate coated with at least one material layer with the features of the secondary claim 23. Further features and details of the invention result from the subclaims , the description and the drawings.
  • a coating device for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material, comprising a process chamber with a process volume for accommodating a substrate holder for the stationary arrangement of the substrate in the Process volume, the process chamber having a chamber wall for at least substantially completely enclosing the process volume, a gas system fluidly communicating with the process volume for generating a coating atmosphere in the process volume, a source holder arranged in the process volume with at least one source material which Source material is preferably accommodated in a source crucible, the source holder and the substrate holder also being arranged relative to one another in such a way that thermally evaporated and / or sublimated source material can be deposited on the substrate m at least partially forming the layer material of the material layer, further comprising a source heating laser.
  • a coating device is characterized in that the source heating laser is designed to provide laser light continuously or at least substantially continuously, and the process chamber is a coupling device with at least one coupling section in the chamber wall for guiding laser light from a source heating laser into the process volume
  • the laser light is present in the process volume at least in sections as a light beam and the source material can be heated by the laser light and can be thermally evaporated and / or sublimated below a plasma generation threshold of the source material.
  • the substrate holder can be designed to hold several substrates and / or that the coating device can be designed to hold several substrate holders with one or more substrates.
  • the coating device can be used for the simultaneous coating of several substrates.
  • a coating device can be used to vapor-coat or coat a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layered material.
  • a coating device according to the invention has a process chamber in which the substrate can be coated.
  • An interior of the process chamber is essentially formed by a process volume, which in turn is at least essentially completely enclosed by a chamber wall.
  • At least essentially enclosed within the meaning of the invention means in particular that the chamber wall preferably only has openings and / or bushings, which in turn can be completely closed.
  • the chamber wall can be multi-layer, and e.g. contain a gas- or liquid-cooled jacket in order to minimize residual impurities in the process volume. Particularly low pressures of the coating atmosphere can also be achieved in this way.
  • Technical coolants such as water, alcohols, liquid nitrogen or liquid helium can be used as coolants.
  • a completed process volume in particular for providing a preferably controllable and / or controllable coating atmosphere, can be provided in this way.
  • the coating atmosphere itself is generated by a gas system of the coating device according to the invention that is fluidly connected to the process volume.
  • a coating atmosphere in the sense of the invention is characterized in particular by the parameters of the process gas used for the coating atmosphere and its pressure. By means of the pressure of the coating atmosphere, for example, an average free path length of the source materials evaporated and / or sublimated in the course of coating the substrate can be set.
  • the process gas used can also be selected according to the material layer to be produced or its layer material.
  • a process gas which contains molecular oxygen and / or ozone can be used to produce oxides, as a result of which the oxidation processes necessary for the formation of the oxides can be made possible.
  • the process gas can supply the element nitrogen required for the formation of nitrides.
  • the substrate to be coated is arranged in the process volume itself, in particular received and held by a substrate holder.
  • the substrate holder is arranged in a stationary manner overall in the process volume.
  • a stationary arrangement includes, in particular, that the substrate holder is also rotatable as a whole and / or, if present, also individual ones
  • Substrates can be provided rotatably on the substrate holder, whereby a further improvement in the homogeneity of the material layer produced on the respective substrate can be provided.
  • a source holder which in turn has at least one source material, is arranged relative to the substrate holder.
  • the source material in turn can preferably be received in a source crucible. This enables a particularly large selection of source materials to be used.
  • the source holder and the substrate holder can preferably be arranged in parallel and / or directly opposite one another, as a result of which the source surface of the source material and the The substrate surface can also be arranged directly opposite one another and / or preferably parallel to one another.
  • a source element in which the source material itself can be used for arranging and / or fastening the source material in the source holder.
  • the source material can be rod-shaped and / or rod-shaped, with a first end of this rod being heated and thereby thermally evaporated and / or sublimated, and the rod being arranged on its outer surface and / or its opposite second end in the source holder and / or is fixed.
  • This can be achieved, in particular, with source materials with poor heat conduction, since the first end of the rod can be sublimed and even melted or liquefied, while the rest of the rod remains cold and solid. In this way, particularly long idle times, ie times without the need to change sources, can be provided.
  • a particularly good and in particular uniform coating of the substrate with the thermally evaporated and / or sublimed source material can thereby be provided.
  • Possible distances between the source holder and the substrate holder are, for example, 20 to 200 mm, preferably 60 mm.
  • Shutter diaphragms can also be arranged between the source holder or the individual source materials and / or source crucibles and the substrate, in order to selectively and in particular in a controlled and / or regulated manner to shade vaporized and / or sublimed source material of a source or a source crucible with respect to the substrate. In particular, this enables the desired high stoichiometric control during the production of the layer material of the material layer.
  • the source holder and the substrate holder are at least essentially identical.
  • a size extension of the source holder and the substrate holder can in particular comprise at least substantially identical.
  • an interchangeability of the substrate holder as is fundamentally known for example with the MBE, can also be applied for the source holder.
  • an exchange and / or refill source with its own source holder can be provided in a separate reserve volume, which is only separated from the process volume by a slide valve.
  • An atmosphere in the reserve volume can be set or be set independently of the process volume, the reserve volume preferably also being filled with the coating atmosphere.
  • the sources or the source holder can be exchanged in this way without the need to completely break and recreate the coating atmosphere.
  • the coating device according to the invention has a source heating laser.
  • the source heating laser as part of the coating device itself can be set up directly near the process chamber or even arranged directly on it, the source heating laser preferably also being set up remotely from the process chamber and only the necessary laser light from the source heating laser being directed to the process chamber.
  • the process chamber of the coating device according to the invention has a coupling device with at least one coupling section in order to enable the laser light of the source heating laser to be guided into the process volume.
  • the coupling section is arranged in the chamber wall of the process chamber.
  • the coupling section can have, for example, a coupling window, preferably made of quartz glass.
  • a coupling window preferably made of quartz glass.
  • Implementation, for example of glass fibers, as a coupling section is also conceivable.
  • the source heating laser is designed for the continuous or at least essentially continuous provision of laser light.
  • a continuous or at least essentially continuous provision in the sense of the invention can comprise, for example, an uninterrupted emission of laser light over time intervals of a few microseconds or longer, preferably milliseconds or longer.
  • the source heating laser is therefore particularly preferably not pulsed, that is to say operated with high laser energies and / or lengths of the laser pulses in the nanosecond range.
  • a particularly constant and controllable or controllable energy input of the laser light into the source material can be provided in this way.
  • a constant and / or controllable and controllable temperature of the source material and thus a consequent evaporation rate and / or sublimation rate can be made possible in this way.
  • a temperature of the source material is considered to be constant if it fluctuates by less than 30%, preferably by less than 10%, in a period that comprises several transmission phases and pause phases.
  • an energy of the laser light from the source heating laser is set such that a plasma generation threshold of the source material is not reached by the laser light.
  • a plasma generation threshold of the source material is not reached by the laser light.
  • no plasma is generated when the laser light strikes the source material, since the energy provided by the laser light and acting on the source material is not sufficient for this.
  • a purely thermal evaporation and / or sublimation of the source material, which takes place below the plasma generation threshold of the source material, can thereby be ensured.
  • the correspondingly trained laser light or a correspondingly trained source heating laser can also be used in a coating device according to the invention for different source materials with a material-specific plasma generation threshold.
  • the heating and in particular thermal evaporation and / or sublimation of the source material by the laser light no or at least essentially no electrical components are required in the process volume of the process chamber. Restrictions with regard to the type and pressure of the process gas used can thus be avoided in a coating device according to the invention.
  • the pressure of the coating atmosphere used is therefore essentially limited only by the free path length of the thermally vaporized and / or sublimed material particles of the source material or can be adjusted to suit a desired or required free path length in order to ensure that the substrate is reached by the source material. With a distance between the substrate and the source holder of 60 mm, this leads to a pressure of the coating atmosphere of about 10 3 mbar that can still be achieved.
  • the source material is provided arranged in a source holder.
  • Several, preferably different, source materials are also possible, each of these source materials having the above-described NEN shutter panels can be switched on and off for a corresponding coating of the substrate.
  • a high degree of control of a stoichiometry of the material layer or the layer material produced can be provided in this way.
  • a high source purity is transferred to the purity of the layer material of the material layer produced on the substrate.
  • a high level of source purity can be provided, for example, by source materials that are already highly pure, in particular by using source crucibles to hold these source materials.
  • the shutter diaphragms are preferably arranged in such a way that the irradiation of the laser light onto the corresponding source crucible and / or the corresponding source material is not, or at least essentially not blocked, by the shutter diaphragm, in particular in none of the positions of the shutter diaphragm.
  • a high stoichiometric control can be provided in a coating device according to the invention with at the same time free or at least little restricted selection of the parameters of the coating atmosphere.
  • oxides can be produced particularly well and in high purity while at the same time controlling the stoichiometry well, and in particular doping, in particular modulated doping, of these oxides can be made possible by a coating device according to the invention.
  • the source material can be directly heated by the laser light and can be thermally vaporized and / or sublimated by directly irradiating the laser light onto a source surface of the source material.
  • the laser light from the source heating laser is directed into the process volume of the coating device in such a way that it strikes a source surface of the source material.
  • a direct energy transfer from the laser light to the source material without, for example, the detour via an intermediate heating of further elements, in particular for example a source crucible, can be provided in this way.
  • the source surface of the source material thus becomes at least essentially one location in the entire process volume with the highest temperature, as a result of which a consistently high purity of the source material can be provided. This is due to the fact that process gas and / or evaporated or sublimated material preferentially deposits in the process volume at colder locations, as a result of which a hot source surface does not have to suffer any or only insignificant contamination.
  • the light beam with a surface normal to a crucible surface of the source crucible with source material and / or with a surface normal to a source surface of the source material has an angle of incidence between 0 ° and 90 °, in particular between 30 ° and 70 °, preferably 50 ° includes.
  • an angle of incidence of 0 ° that is to say a perpendicular impingement of the laser light on the crucible surface and / or the source surface, a particularly high energy density can be provided at the point of incidence or on the entire incidence surface.
  • a particularly large angle of incidence leads to a flat, at 90 ° even grazing, impingement of the laser light on the source surface, as a result of which the energy of the laser light is distributed over a larger area of the source material and thus the energy transfer per unit area decreases.
  • An angle of incidence between 30 ° and 70 °, preferably an angle of incidence of 50 °, are good compromises of the extreme values described at the beginning, in which a good transmission of the energy of the laser light onto the source material and at the same time a preferred relative arrangement of the source holder and the substrate holder are provided can be.
  • Research results on laser welding also suggest that angles of incidence between 30 ° and 70 ° also lead to improved absorption of the laser light by metallic surfaces.
  • a coating device can also be designed such that an intensity and / or a wavelength of the laser light is adapted to the corresponding source material, the laser light preferably having an intensity of 0.01 W to 50 kW and / or a wavelength of 10 8 m to 10 5 m.
  • An adapted formation of the intensity and / or the wavelength of the laser light to the source material can be carried out, for example, taking into account the vapor pressure and / or the absorption behavior of the source material. For example, a source material with a higher vapor pressure will require a lower laser light output or intensity than a source material with a lower vapor pressure.
  • Source materials which have a high absorption capacity can also be heated up by a lower intensity of laser light and thermally evaporated and / or sublimated than source materials in which, for example, a high reflectivity reduces an absorption capacity of the source material.
  • the absorption behavior of the source material can, in particular, also have a dependence on an incident wavelength, which in turn can be taken into account by a corresponding choice of a wavelength of the laser light of the source heating laser.
  • a suitable source heating laser can be selected to match the source material, in order to be able to provide particularly good heating and thermal evaporation and / or sublimation of the source material.
  • the process chamber on an inside of the chamber wall has at least one beam catcher for at least partially absorbing reflected laser light, in particular laser light reflected on the crucible surface of the source crucible and / or on the surface of the source material , wherein the beam catcher is arranged in a spatial plane which the light beam and the surface normal to the crucible surface of the source crucible and / or to the source surface of the source material, and is arranged on a section of the chamber wall opposite the beam angle of the coupling section.
  • the laser light When the laser light is irradiated onto the source crucible or the source material, it may happen that the laser light is reflected on the crucible surface and / or the source surface. This reflection mostly takes place at least essentially in accordance with the law of reflection.
  • This beam catcher can be used in particular to prevent reflected laser light directly hitting the chamber wall from heating up the chamber wall.
  • the beam trap can prevent the generation of a further heat source by heating the chamber wall.
  • the beam catcher can also be actively cooled for this purpose. Contamination in the coating atmosphere due to outgassing and / or evaporation from a point in the chamber wall that is heated or heated by reflected laser light can be reduced in this way or even completely prevented. The purity of the material layer produced on the substrate can be further increased in this way.
  • the source holder has two or more, in particular three, preferably six, source materials, each preferably received in a source crucible, the source material being heatable with a separate light beam and laser light is thermally evaporable and / or sublimable and the source materials are preferably different.
  • the source holder has two or more, in particular three, preferably six, source materials, each preferably received in a source crucible, the source material being heatable with a separate light beam and laser light is thermally evaporable and / or sublimable and the source materials are preferably different.
  • multiple, preferably different, source materials can be provided with a single source holder. More than six source materials, for example twelve source materials, are also conceivable here. On the one hand, this allows sequential execution and generation of material layers with different layer materials.
  • each individual source material or each individual source crucible can be heated by a separate laser light beam and can be thermally evaporated and / or sublimed.
  • the separate light beams can either come from different source heating lasers or also from a single source heating laser, the light beam of which is split up, for example, by beam splitters and fed to the individual source materials.
  • the individual separate light beams for the individual source crucibles or source materials have at least different intensities, preferably adjustable and controllable by means of corresponding setting elements.
  • Light beams with different wavelengths, for example to increase the absorption of the laser light by the individual source materials, can also be provided.
  • the coupling device has a common coupling section for guiding at least two of the separate light beams into the process volume.
  • the two separate light beams can be introduced into the process volume through a common vacuum flange.
  • a construction of the process chamber, in particular the chamber wall for enclosing the process volume, can be simplified in this way.
  • the two separate light beams are directed into the process volume via a common coupling window.
  • separate coupling windows for the separate light beams are provided on the coupling section.
  • a coating device can be further developed in such a way that the coupling device has at least two separate coupling sections for guiding at least one of the separate light beams into the process volume, in particular the room planes, each of which is the light beam that passes through one of the separate inputs - Coupling sections is guided into the process volume, and span the surface normal to the crucible surface of the corresponding source crucible and / or to the source surface of the corresponding source material, enclose an angle less than 180 °, preferably between 90 ° and 150 °, particularly preferably of 120 °.
  • in particular means that if more than two separate light beams are provided, a plurality of these light beams can also be guided through a common coupling section, and all light beams can be directed into the process volume through at least two coupling sections.
  • a source holder with six source crucibles or source materials that three of these source materials are arranged on the source holder at a 120 ° distance from one another as a triple.
  • Each source material of this source material triple is heated up with a separate light beam and thermally evaporated and / or sublimated, the light beams for a source material triple each preferably being guided into the process volume in a common coupling section.
  • a triple bundle of light rays is provided for each of the source material triples, which come from a common coupling section, the two coupling sections thus present being arranged spaced apart from one another in the chamber wall of the process chamber.
  • a coating device can also be designed in such a way that at least one of the light beams, preferably all light beams, have a focus area, the light beam in the focus area having a minimal extent perpendicular to a light direction of the light beam, the focus area also in the Process volume is arranged between the coupling section and the corresponding source material or the corresponding source crucible.
  • Such focusing of the light beam in a focus area basically enables the largest possible expansion of the light beam at the coupling section, in particular at a coupling window of the coupling section.
  • a low load on the coupling-in section when the laser light from the source heating laser is passed through can be provided in this way, the focus area at the same time being chosen such that good heating and thermal evaporation and / or sublimation of the source material, in particular through optimal illumination a source surface of the source material can be ensured.
  • the light beam after the source material or the source crucible is increasingly extended with increasing distance from the source material or the source crucible.
  • the energy density of the light beam becomes ever lower. Damage, in particular undesired damage, to the chamber wall, such as can occur behind the source material or the source crucible as seen in a focus area from the coupling section, if these are missing, can be reliably avoided in this way.
  • a coating device can be further developed such that the focus areas of at least two of the light beams overlap, in particular completely or at least substantially completely overlap, the coupling device preferably having a common coupling section for guiding these at least two light beams into the process volume.
  • the focal area of the light beam is in particular the area in which the energy density, ie the light energy per unit area, of the light beam is at a maximum. In particular, this energy density can be so high that there is a risk of damage to the material and / or elements of the coating device.
  • a spatial proximity of the two light beams, which is necessary for such a collapse of the focus areas for two separate light beams, can be provided particularly easily by guiding the two light beams through the same coupling section into the process volume.
  • a coating device can particularly preferably be developed in such a way that the process chamber has at least one heating laser diaphragm with an aperture opening, the heating laser diaphragm being arranged in the process volume such that the focus area of at least one of the light beams coincides with the aperture opening or at least essentially coincides.
  • a heating laser diaphragm can preferably be formed from a light-tight and / or material-tight diaphragm material.
  • the heating laser diaphragm Due to the arrangement of the heating laser diaphragm with its diaphragm opening at the focus area of the at least one light beam, the heating laser diaphragm itself is also between the coupling section and the source holder or the source material. rial and a corresponding source crucible. Provision can preferably be made for the heating laser diaphragm to be designed or arranged at least substantially perpendicularly to the light direction of the light beam.
  • the heating laser diaphragm Arranging the heating laser diaphragm in such a way that the focus area at least one of the light beams coincides with the diaphragm opening of the heating laser diaphragm or at least essentially coincides with the fact that the heating laser diaphragm has no or at least essentially no influence on the light beam.
  • source material which has been evaporated and / or sublimed by the light beam from the source heating laser and which is propagated in the direction of the coupling section is collected by the heating laser diaphragm. Since the heating laser diaphragm is arranged between the source holder and the coupling section, the evaporated or sublimed source material is deposited on the heating laser diaphragm or at least essentially deposited.
  • the heating laser diaphragm when viewed from the source holder, completely or at least substantially completely covers the coupling section.
  • a prevention or at least a significant reduction in the deposition of source material on the coupling section, in particular a coupling window of the coupling section, can be provided in this way.
  • An extension of the service life, a reduction in a susceptibility to maintenance or an extension of maintenance cycles with regard to the coupling section can be provided in this way.
  • a coating device can particularly preferably be developed in such a way that the aperture opening is introduced into the heating laser aperture by the laser light from the source heating laser.
  • the aperture opening is burned into the heating laser aperture or the material of the heating laser aperture is melted locally by the laser light from the source heating laser in order to to create the aperture.
  • the local arrangement of the diaphragm opening in the heating laser diaphragm can be particularly easily adapted in this way to the location of the focus area of the light beam.
  • An ideal size of the aperture, adapted to the focus area of the light beam, can also be provided in a particularly simple manner in this way.
  • the process chamber has at least one thermocouple for determining a temperature of the at least one source material and / or the corresponding source crucible, in particular the at least one thermocouple and / or the source holder having a movable fastening section for moving the Thermocouple between a measuring position in which it contacts the source material and / or the corresponding source crucible and a release position in which it is arranged for movement of the source holder and / or for moving the source holder to reversibly provide an end position of the source holder, in which the at least one thermocouple contacts the source material and / or the corresponding source crucible in its measuring position.
  • thermocouple can, in particular, provide a measurement of a temperature of the source material or of the source crucible and thus at least indirectly of the source material.
  • This temperature measurement value can in particular also be used, for example, to control and / or regulate the source heating laser, preferably with regard to an intensity of the source heating laser.
  • Constant coating conditions in a coating device according to the invention in particular with regard to the provision of vaporized and / or sublimed source material, can be provided particularly easily in this way.
  • the at least one thermocouple is preferably arranged movably in the process chamber, for example provided via a fastening section.
  • thermocouples can rest resiliently on the respective source materials or source crucibles.
  • the thermocouple By moving the thermocouple between a measuring position, contacting the source material or the source crucible, and a release position, arranged remotely with respect to the source material or the source crucible, it can in particular be provided that the source holder itself also moves without hindrance from the thermocouples can be.
  • the above-described exchange of the source holder analogous to the substrate holder can be made particularly simple in this way, in particular without being impeded by the thermocouples.
  • the source holder with arranged source materials which in turn are preferably accommodated in source crucibles, can also be arranged to be movable in the process volume.
  • the source holder in a substantially fixed position, preferably the measuring position, of the thermocouples, the source holder can be moved into an end position by lowering it towards the thermocouple, the thermocouple being in particular spring-loaded on the source material in this end position of the source holder and / or rests on the source crucible.
  • the replacement of the source holder described above can be made particularly simple, analogous to the substrate holder, in particular without being impeded by the thermocouples.
  • a coating device can also be designed such that the coupling device has at least one further coupling section in the chamber wall for guiding laser light from a substrate heating laser into the process volume, the laser light being present at least in sections as a light beam and through the laser light in the process volume the
  • the substrate material of the substrate can be heated, in particular can be heated directly by direct irradiation, the laser light preferably being adapted to the substrate material and / or an intensity of 0.01 W to 50 kW and / or a wavelength of 10 6 m to 10 4 m.
  • a substrate heating as can be provided by the light beam of the substrate heating laser, enables the substrate itself to be one of the hottest places in the process volume in addition to the source material. Generating a coating of the substrate with a layer material of special purity can be provided in this way.
  • a heated substrate also enables a particularly uniform growth of the material layer, since the evaporated layer material can draw kinetic energy from the heated substrate in order to be distributed as evenly as possible on the substrate surface.
  • a laser with a longer wavelength than the source heating laser is preferably used as the substrate heating laser, since the substrates mostly used accordingly have different absorption properties than the source materials.
  • a long-wave laser of, for example, a wavelength of 10 pm can be used for a substrate that is a ceramic and / or even an oxide. In the case of transparent substrates that are visible, the use of a CO 2 laser as a substrate heating laser has proven to be particularly advantageous.
  • the gas system has a process gas supply for supplying a process gas into the process volume and a pump system for generating a negative pressure in the process volume, the pump system comprising a magnetically mounted turbopump.
  • a process gas supply to the gas system makes it possible, in particular, to provide a special process gas for the coating atmosphere in the process volume.
  • all gaseous substances can be used as process gas.
  • any residual gas that remains in the process volume when low pressures in the range of 10 3 mbar or less are provided is understood as the process gas provided by the gas system.
  • a gas comprising molecular oxygen and / or ozone can be used as the process gas for the production of oxides.
  • a desired production of nitrides as layer material of the material layer may require the use of NH 3 or molecular nitrogen, in particular, for example, also ionized nitrogen.
  • the pump system can in turn provide a wide range of pressures in the coating atmosphere.
  • a pressure for example, a range from 10 1 ° mbar to 1 mbar can be generated by the pump system.
  • Known pump systems according to the prior art have, in particular, a variable slide valve between the process volume of the process chamber and a lubricated turbopump, the suction power of the pump system and thus the pressure in the process volume being provided in particular by an opening state of the slide valve.
  • This has the disadvantage that the total volume of the process volume is increased by the slide valve, which can make it particularly difficult to reach particularly low pressures, in particular in the lower region of the high vacuum or even in the ultra-high vacuum or lower.
  • the pump system is therefore improved in that a magnetically levitated turbopump is provided, which is preferably arranged in the pump system directly after the process volume.
  • This direct arrangement is made possible in particular by the fact that no lubricants are required due to the magnetic bearing in this turbopump, which means that when the turbopump is switched off, even in the event of a fault, such as a power failure, the turbopump can remain part of the process volume without it - contaminate it with diffusing lubricant.
  • a sucking opening of this magnetically levitated turbopump can be adapted in relation to the process volume and can be made particularly large. The volume to be pumped can thereby be reduced overall, making it easier to reach deep pressure ranges.
  • Additional fore pumps upstream of the second turbopump can also be provided for operation, for example a scroll or root pump, preferably a diaphragm pump.
  • this lubricated turbopump is only used for backing, it can be made significantly smaller than the turbopump used in the prior art. In total, pressures of up to 10 10 mbar and less can be provided in this way.
  • the slide valve described above can prevent the damaging diffusion of lubricant from the second turbopump into the process volume.
  • the two turbopumps are therefore connected in series and preferably run continuously.
  • the pressure control for the coating atmosphere can now not be achieved by varying a valve with a variable opening located in front of the large turbopump, but by varying the speed of the large turbopump.
  • This speed can be set precisely in the range of 20% to 100% (+/- 0.01%) in commercially available turbopumps and allows fine regulation of the pump output in the range corresponding to a factor of 10 in the pressure that can be provided.
  • the pressure in the range of a factor 2 can be controlled by the inflow of process gas controlled by, for example, a mass flow controller be specified and then finely adjusted using the speed control of the magnetically levitated turbopump.
  • This speed control can be provided much more precisely and reproducibly by the frequency specification with which it works with today's microprocessor electronics than a mechanical control via the slide valve according to the prior art.
  • the pressure level of the coating atmosphere in the interior of the process volume is preferably no longer controlled via the position of the slide valve but rather via the rotational frequency of the magnetically mounted turbopump, taking into account the supply rate of process gas through the process gas supply. This enables a pressure level in the process volume that is even more precise and, in particular, easier to set than in the prior art.
  • the invention thus also relates to a coating device for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material, comprising a process chamber with a process volume for receiving a substrate holder for the stationary arrangement of the substrate in the process volume, the process chamber having a chamber wall at least substantially completely enclosing the process volume, a gas system fluidly communicating with the process volume for generating a coating atmosphere in the process volume, further comprising a pump system for generating a negative pressure in the process volume, the pump system comprising a magnetically mounted turbopump in the pump system is arranged directly after the process volume.
  • the pump system can be developed as described above. With the aid of such a pump system, the coatings described above can be deposited onto the substrates with less contamination.
  • a process chamber for a coating device for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material is characterized in that the process chamber is designed for use in a coating device according to the first aspect of the invention.
  • a process chamber according to the second aspect of the invention is intended for use in a coating device according to the first aspect of the invention.
  • a process chamber according to the invention according to the second aspect of the invention can be used in or of or with a coating device according to the first aspect of the invention.
  • a process chamber according to the second aspect of the invention can preferably have at least one, in particular several, preferably all, features which have already been described above with reference to a process chamber of a coating device according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • the object is achieved by a method for coating a substrate made of a substrate material with at least one material layer made of a layer material in a coating device according to the first aspect of the invention.
  • a method according to the invention is characterized in that for the at least partial provision of the layer material, a source material is used which is heated by continuous or at least substantially continuous laser light from a source heating laser and below a plasma generation threshold of the source len material is thermally evaporated and / or sublimed.
  • a method according to the invention according to the third aspect of the invention is carried out in a coating device according to the first aspect of the invention.
  • a source material is used which is heated by continuous or at least substantially continuous laser light from a source heating laser of the coating device and thermally evaporates below a plasma generation threshold of the source material and / or is sublimated.
  • the continuous or at least substantially continuous irradiation of the laser light onto the source material can in particular provide that a temperature of the source material fluctuates by less than 30%, preferably by less than 10%. This in turn can provide a continuous or at least substantially continuous evaporation rate and / or sublimation rate of source material.
  • This laser light is preferably coupled into a process volume of the coating device via a coupling device or its coupling section, as a result of which electrical devices for heating the source material inside the process volume can be dispensed with. All restrictions that are caused by such electrical components inside the process volume, for example with regard to the choice of one used Process gases and / or a pressure level of the coating atmosphere can be prevented in this way.
  • the source material is directly heated by the laser light and thermally evaporated and / or sublimated by directly irradiating the laser light onto a source surface of the source material.
  • a particularly good transmission of energy from the laser light of the source heating laser into the source material, in particular, for example, without an intermediate heating of a source crucible holding the corresponding source material, can thus be provided.
  • This also ensures that the source surface is one of the hottest points in the process volume. In this way, a purity of the source material can be provided over the entire coating process.
  • the method according to the invention can also be designed such that the substrate material of the substrate is heated by laser light from a substrate heating laser, in particular is heated directly by direct irradiation, preferably using laser light which is designed to match the substrate material and / or has an intensity of 0 , 01 W to 50 kW and / or has a wavelength of 10 6 m to 10 4 m.
  • substrate heating as provided by the light beam from laser light of the substrate heating laser, enables the substrate material to be heated analogously to the source material, without having to have electrical components in the process volume, with all of them advantages already described with regard to the heating of the source material. It can also be provided that in addition to the source material, the substrate itself can be formed as one of the hottest places in the process volume. Generating a coating of the substrate with a A layer material of special purity can be provided in this way.
  • a heated substrate also enables a particularly uniform growth of the material layer, since the evaporated layer material can extract kinetic energy from the heated substrate in order to be distributed as evenly as possible on the substrate surface.
  • a laser with a longer wavelength than the source heating laser is preferably used as the substrate heating laser, since the substrates mostly used accordingly have different absorption properties than the source materials.
  • a long-wave laser of, for example, a wavelength of 10 pm can be used for a substrate that is a ceramic and / or even an oxide.
  • a CO2 laser can be used as the substrate heating laser, for example, for substrate materials that are transparent.
  • the gas system of the coating device in the process volume provides a coating atmosphere with a pressure between 10 10 mbar and 1 mbar, preferably less than 10 3 mbar.
  • the use of laser light for heating and thermal evaporation and / or sublimation of the source material means that electrical devices for heating the source material inside the process volume can be dispensed with.
  • the corresponding pressure of the coating atmosphere in particular also over a wide range, in particular between 10 1 ° mbar and 1 mbar, can be adjusted to the layer material to be produced.
  • a particularly versatile and suitable coating atmosphere, in particular with regard to its pressure level, can be provided in this way.
  • the pressure level can preferably be set to an average free path length of the thermally evaporated and / or sublimed source materials in the process volume, for example a pressure level of approximately 10 3 mbar with a distance of 60 mm between the source surfaces of the source materials and the substrate to be coated .
  • This has the further advantage that vapor deposition of the coupling section, in particular, for example, an occupancy of the entry window, is additionally reduced, since source material particles are scattered several times on the process gas before reaching the coupling section or the entry window and are therefore no longer concentrated but directed Impact homogeneously across the entire inside of the chamber wall of the process chamber or be pumped out of the process chamber together with the process gas.
  • a method according to the invention can be designed such that the gas system of the coating device in the process volume provides a coating atmosphere with a gaseous substance adapted to the layer material of the material layer as the process gas, in particular with molecular oxygen and / or ozone and / or nitrogen and / or gaseous - gene selenium compounds and / or gaseous sulfur compounds as process gas.
  • a corresponding choice of a process gas can favor or even make it possible to produce some layer materials for material layers for coating the substrate.
  • molecular oxygen and / or ozone as part of the process gas can make it possible to generate oxides as the layer material of the material layer, since the oxidation processes required to form the oxides require this oxygen, which can be provided by molecular oxygen and / or ozone.
  • nitrides as layer material can be made possible by providing nitrogen, both molecular nitrogen and ionized nitrogen.
  • Gaseous selenium compounds and / or sulfur compounds are highly reactive process gases that can be used, for example, in the manufacture of solar cells.
  • highly reactive and aggressive process gases too, it is advantageous that by using light rays from a source heating laser for heating and thermal evaporation and / or sublimation of the source material onto electrical components inside the process volume, and thus the highly reactive process gases of the coating exposed atmosphere, can be dispensed with.
  • an oxide with a perovskite structure in particular an oxide with a perovskite structure doped with at least one doping element, is produced as the layer material, the oxide comprising a first metal element and a second metal element , wherein the first metal element and the second metal element, in particular also the at least one doping element, are provided as source material, preferably in a source crucible, and molecular oxygen and / or ozone are used as process gas in the coating atmosphere .
  • all solid and liquid elements, compounds and substance mixtures can be produced as a layer material by a method according to the invention.
  • a method according to the invention makes it possible to produce material layers with epitaxially oriented, crystalline solids as layer material.
  • the first metal element may comprise strontium
  • the second metal element may comprise titanium
  • the doping element may comprise niobium
  • a strontium titanate doped with niobium with strontium as the first metal element, titanium as the second metal element and niobium as the doping element can be produced as the oxide.
  • Perovskite structure can be provided only with difficulty, a modulated and / or variable doping with PLD as a coating method being impossible or at least essentially impossible.
  • a method according to the invention such an oxide with a perovskite structure can be produced as a layer material, in particular also with a variable doping.
  • all of the components of the layer to be deposited can even be volatile, so that the process is arbitrarily close to equilibrium, ie at the point at which material is deposited on the surface in the first place. starts, can be driven.
  • layers made of pure elements eg graphene
  • compounds such as boron nitride
  • the first nucleation should take place as slowly as possible so that the individual two-dimensional crystals that result from them are as large as possible will.
  • a method according to the invention in particular through the use of a method according to the invention in a coating device according to the invention, can provide any material in principle, such as, for example, an oxide with a perovskite structure, as a layer material for coating a substrate Doping of this material or oxide, preferably also variable and / or modulated doping, can be made possible.
  • a special example of such an oxide is, for example, strontium titanate, in particular with a modulated niobium doping.
  • the object is achieved by a substrate coated with at least one material layer, comprising the substrate made of a substrate material which is coated with at least one material layer made of a layer material.
  • a coated substrate according to the invention is characterized in that the substrate coated with at least one material layer is produced in a coating device according to the first aspect of the invention and / or using a method according to the third aspect of the invention.
  • a coated substrate according to the fourth aspect of the invention is thus produced using a coating device according to the first aspect of the invention and / or using a method for coating a substrate according to the third aspect of the invention.
  • Fig. 1 shows a coating device according to the invention
  • the coating device 1 shows the essential external structure of a coating device 1 according to the invention, which is designed to carry out a method according to the invention.
  • the coating device 1 according to the invention thus has, in particular, a process chamber 10, preferably a process chamber according to the invention zesshunt 10, which forms the heart of the system.
  • the coating process takes place inside the process chamber 10, not visible in this figure.
  • a possible internal structure of a process chamber 10, in particular the process volume 12 (not shown) is shown in FIG. 2.
  • a gas system 30 provides a coating atmosphere 40 (not shown) in the interior of the process chamber 10.
  • the gas system 30 has, in particular, a process gas feed 32 through which a process gas 42 can be directed into the interior of the process chamber 10.
  • a pump system 34 in particular having a magnetically levitated turbopump 36 arranged directly after the process chamber, generates the necessary pressure level in the interior of the process chamber 10.
  • pressure levels over a wide range of pressures can be provided by a pump system according to the invention, for example with a pressure between 10 10 mbar and 1 mbar, preferably less than 10 3 mbar.
  • the source material 66 (not shown) can be heated by light rays 86 from laser light 84 of a source heating laser 80 and thermally vaporized and / or sublimated.
  • the at least one source heating laser 80 is in particular an element of the coating device 1 according to the invention.
  • this laser light 84 shown here split into three light beams 86, can be guided into the interior of the process chamber 10.
  • a substrate heating laser 82 is shown, by means of which, likewise coupled in via a coupling section 20 of the coupling device 18, a substrate 52 (not shown) can be heated in the interior of the process chamber 10.
  • externally supplied laser light 84 it can be provided, in particular, that electrical components can be dispensed with at least essentially inside the process chamber 10. Restrictions which are caused by these electrical components, as are required, for example, in the case of MBE, with regard to a pressure of the coating atmosphere 40 or a choice of the process gas 42 can be avoided in this way in a coating device 1 according to the invention.
  • coating atmospheres 40 with the wide pressure range from 10 10 mbar to 1 mbar already mentioned above can be used, at least essentially without limitation also highly corrosive process gases 42 such as molecular oxygen and / or ozone and / or nitrogen and / or gaseous selenium compounds and / or gaseous sulfur compounds can be used.
  • highly corrosive process gases 42 such as molecular oxygen and / or ozone and / or nitrogen and / or gaseous selenium compounds and / or gaseous sulfur compounds can be used.
  • the process chamber 10 in particular the chamber wall 14 thereof, forms the process volume 12 in which the coating atmosphere 40, consisting of a process gas 42 is arranged with a certain pressure level.
  • the chamber wall 14 can, as shown here, be designed in multiple layers, as a result of which a cooling shield is formed within the process chamber 10 or the vacuum, which can be filled with liquid nitrogen during operation and thus cooled to about 77 K. As in the prior art of the MBE, this cooling shield forms a thermal shield and, by freezing out contaminants, reduces the partial pressures of unwanted elements and compounds in the residual gas or the coating atmosphere 40.
  • the inside 16 of the chamber wall 14 encloses the process volume 12 at least substantially completely, with passages through the chamber wall 14 for limiting and maintaining the coating atmosphere 40 in the process volume 12 being closed and sealed.
  • a substrate holder 50 with a substrate 52 is arranged in the interior of the process volume 12.
  • a source holder 60 is arranged in the interior of the process volume 12, which, as shown, can hold a plurality of source jars 62 with preferably different source materials 66.
  • suitable source materials 66 can also be arranged in the source holder 60 without a source crucible 62, for example in rod-shaped and / or rod-shaped configurations.
  • the source heating laser 80 of the coating device 1 is also shown, the three light beams 86 of laser light 84 of which are assigned to the individual source materials 66 in the source crucibles 62 and preferably irradiate them directly and immediately in order to heat them up and evaporate them thermally and / or to sublimate.
  • the source heating laser 80 is designed for the continuous or at least essentially continuous provision of laser light 84. This makes it possible to radiate the respective laser light 84 continuously or at least essentially continuously onto the corresponding source material 66, in particular in order to provide a particularly constant and controllable or controllable energy input of the laser light 84 into the corresponding source material 66. A constant and / or controllable and controllable temperature of the respective source material 66 and thus a consequent evaporation rate and / or sublimation rate can be made possible in this way.
  • an energy of the laser light 84 of the source heating laser 80 is set such that a plasma generation threshold of the source material 66 by the laser light 84 is not reached. In other words, no plasma is generated when the laser light 84 strikes the source material 66. A purely thermal evaporation and / or sublimation of the respective source material 66 can thereby be ensured.
  • the substrate holder 50 and the source holder 60 can preferably be arranged directly opposite one another, as a result of which particularly good vaporization and / or sublimation of the source material 66 or vapor deposition of the source material 66 onto the substrate 52 can take place.
  • an intensity and / or wavelength of the respective laser light 84 can preferably be adapted to the corresponding source material 66 in order to further improve the heating and in particular the thermal evaporation and / or sublimation of the respective source material 66.
  • Parameters of the laser light 84 can be, for example, an intensity of 0.01 W to 50 kW and / or a wavelength of 10 8 m to 10 5 m.
  • the light beams 86 can also have a focus area 90 which, as shown, can preferably also overlap for the individual light beams 86.
  • a heating laser diaphragm 100 with a diaphragm opening 102 is arranged to match this overlapping focus area 90. It can in turn preferably be provided here that the aperture 102 has been introduced into the heating laser aperture 100 by the light beam 86 from the source heating laser 80 itself.
  • the heating laser diaphragm 100 can be arranged between the source holder 60 and the coupling section 20 of the coupling device 18, as a result of which the vaporized and / or sub limited source material 66 can be reduced to the coupling section 20 or even completely avoided.
  • FIG. 3 This arrangement is also shown in FIG. 3, in which the three light beams 86 can be recognized even better by laser light 84.
  • FIG. 3 clearly shows that the three light beams 86 can be introduced into the process volume 12 or into the coating atmosphere 40 through a common coupling section 20 of the coupling device 18.
  • the direct path between the source holder 60 and the coupling section 20 up to the small area of the diaphragm opening 102 is covered by the heating laser diaphragm 100 through the heating laser diaphragm 100. Evaporated and / or sublimed material of the source material 66 is thus completely or at least substantially completely deposited on the heating laser diaphragm 100 and does not reach the coupling section 20.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment in which, in contrast to FIG. 3, six different positions for source materials 66 are now provided on the source holder 60, of which, however, only three are occupied with source material 66 in source jars 62 in the illustration shown.
  • the coupling device 18 having two coupling sections 20 which are separate from one another (not shown).
  • each of these triples of light rays 86 from laser light 84 of the source heating laser 80 in turn has a common focus area 90, at which the aperture 102 of a heating laser aperture 100 is arranged accordingly.
  • the substrate 52 in the substrate holder 50 can again be arranged opposite and parallel to the source materials 66 in the source holder 60 and can also be coated with a wide range of different source materials 66.
  • a substrate 52 according to the invention which is coated with at least one material layer 56 (cf. FIG. 8).
  • the two coupling sections 20 of the coupling device 18 can preferably be arranged such that the spatial planes 114 (not shown), each of which is the light beam 86 which is guided into the process volume 12 through one of the separate coupling sections 20, and span the surface normals 112 to the crucible surface 64 of the corresponding source crucible 62 and / or to the source surface 68 of the source material 66 in the corresponding source crucible 62, enclose an angle of less than 180 °, preferably between 90 ° and 150 °, particularly preferably of 120 ° .
  • a source crucible 62 with an arranged source material 66 is also shown schematically in FIG. 5.
  • a light beam 86 from a laser light 84 is introduced into the process volume 12 such that it is directed onto the source surface 68 of the source material 66 or at an angle of incidence 110, in particular an angle of incidence 110 of between 30 ° and 70 °, preferably 50 °. , if expanded accordingly, hits a crucible surface 64 of the source crucible 62.
  • the laser light 84 is reflected, as indicated by dashed lines in FIG. 5.
  • a beam catcher 22 is arranged on an inner side 16 of the chamber wall 14.
  • the location of the beam catcher 22 is particularly preferably in a spatial plane 114 which is spanned by the surface normal 112 and the light direction 88 of the laser light 86. Furthermore, the location is determined in accordance with the angle of incidence 110, which is at least essentially also the angle of reflection.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the light beam 86 on laser light 84, coming from the source heating laser 80, again in the spatial plane 114, which has already been described in FIG. 5. It is particularly clearly visible that perpendicular to the light direction 88 the light beam 86 has its smallest extent at the focus area 90.
  • the heating laser diaphragm 100 is arranged with its diaphragm opening 102 at this focus area 90.
  • Source material 66 which evaporates and / or sublimates through the irradiated laser light 84, is thus almost completely intercepted by the heating laser diaphragm 100 and therefore cannot reach the coupling section 20 of the coupling device 18.
  • a service life of the coupling section 20, in particular a coupling window as part of the coupling section 20, can be extended in this way.
  • FIG. 7 shows possible configurations of source crucibles 62 in a source holder 60.
  • the two source crucibles 62 are each filled with a different source material 66, one of the source materials 66 being directly and directly through a light beam 86 from laser light 84 from a source heating element.
  • sers 80 is irradiated, heated and thermally evaporated and / or sublimed.
  • a temperature of the respective source material 66 can be determined by a thermocouple 70 in its measuring position 72.
  • the thermocouples 70 can have a movable fastening section 76, as a result of which the thermocouples 70 can be moved from their measuring position 72 into a release position 74.
  • FIG. 8 now shows an alternative embodiment of source crucibles 62 and source material 66 arranged therein. In contrast to the source crucibles shown in FIG. 7, these source crucibles 62 in FIG. 8 are formed with a greater depth. A correspondingly larger amount of source material 66 can be arranged in these alternative source crucibles 62.
  • FIG. 8 Also shown in FIG. 8 is a shutter diaphragm 24 with which, as shown in dashed lines, vaporized and / or sublimed source material 66 can be intercepted and thereby vapor deposition of the substrate material 54 of the substrate 52 can be switched on or off.
  • the layer material 58 of the material layer 56 which is produced in a coating device 1 according to the invention (not shown) or by a method according to the invention on the substrate material 54 of the substrate 52, can be controlled particularly well and stoichiometrically in this way.
  • a substrate heating laser 82 is shown in FIG. 8, by means of which the substrate 52 can be heated or heated.
  • the source heating laser 80 with a light beam 86 of laser light 84 and a heating laser diaphragm 100 with a diaphragm opening 102 are also shown.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung (1) zum Be- schichten eines Substrats (52) aus einem Substratmaterial (54) mit zumindest ei- ner Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58). Auch betrifft die vorlie- gende Erfindung eine Prozesskammer (10) für eine Beschichtungsvorrichtung (1) zum Beschichten eines Substrats (52) aus einem Substratmaterial (54) mit zumin- dest einer Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats (52) aus einem Substratmaterial (54) mit zumindest einer Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58) in einer Beschichtungsvorrichtung (1). Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Substrat (52) beschichtetet mit zumindest einer Material- schicht (56), aufweisend das Substrat (52) aus einem Substratmaterial (54), das mit zumindest einer Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58) beschich- tet ist.

Description

Beschichtunqsvor chtunq, Prozesskammer, sowie Verfahren zum Beschichten eines Substrats und Substrat beschichtet mit zumindest einer Materialschicht
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats aus einem Substratmaterial mit zumindest einer Materialschicht aus einem Schichtmaterial, aufweisend eine Prozesskammer mit einem Prozess- volumen zur Aufnahme eines Substrathalters zum ortsfesten Anordnen des Sub- strats im Prozessvolumen, wobei die Prozesskammer eine Kammerwandung zum wenigstens im Wesentlichen vollständigen Umschließen des Prozessvolumens aufweist, ein mit dem Prozessvolumen fluidkommunizierend verbundenes Gassys- tem zum Erzeugen einer Beschichtungsatmosphäre im Prozessvolumen, einen im Prozessvolumen angeordneten Quellenhalter mit zumindest einem Quellenmateri- al, das Quellenmaterial bevorzugt aufgenommen in einem Quellentiegel, wobei ferner der Quellenhalter und der Substrathalter derart relativ zueinander angeord- net sind, dass thermisch verdampftes und/oder sublimiertes Quellenmaterial auf dem Substrat anlagerbar ist zum wenigstens teilweisen Bilden des Schichtmateri- als der Materialschicht. Auch betrifft die vorliegende Erfindung eine Prozesskam- mer für eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats aus ei- nem Substratmaterial mit zumindest einer Materialschicht aus einem Schichtmate- rial. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats aus einem Substratmaterial mit zumindest einer Materialschicht aus ei- nem Schichtmaterial in einer Beschichtungsvorrichtung. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Substrat beschichtet mit zumindest einer Materialschicht, aufweisend das Substrat aus Substratmaterial, das mit zumindest einer Material- schicht aus einem Schichtmaterial beschichtet ist. Ein Beschichten eines Substrats aus einem Substratmaterial mit einer Material- schicht aus einem Schichtmaterial ist im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Beispielsweise können derartige Beschichtungsvorgänge bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen eingesetzt werden. Auch andere elektrische bzw. elekt- ronische Bauteile, wie zum Beispiel Solarzellen, können unter Verwendung derar- tiger Beschichtungsvorgänge in Beschichtungsvorrichtungen durchgeführt werden. Darüber hinaus können weitere Produkte, beispielsweise Spiegel- und/oder Strahl teiler zur Verwendung in der Lasertechnik, unter Verwendung einer Beschich- tungsvorrichtung bzw. eines Beschichtungsvorgangs produziert werden.
Bekannte Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäß dem Stand der Technik, die in Beschichtungsvorrichtungen durchgeführt werden können, sind beispielsweise MBE (molecular beam expitaxy) und PLD (pulsed laser deposition). Diese unterschiedlichen Verfahren weisen jeweils spezifische Vor- und Nachteile auf.
So ist ein großer Vorteil der MBE, dass eine hohe stöchiometrische Kontrolle der produzierten Materialschicht und insbesondere deren Schichtmaterial bereitge- stellt werden kann. So können beispielsweise in der MBE sogar Materialschichten erzeugt werden, bei denen das Schichtmaterial eine modulierte, das heißt insbe- sondere über die Schichtdicke veränderliche, Dotierung aufweist. Auch eine hohe Reinheit der erzeugten Materialschichten ist eine Eigenschaft der MBE. In der MBE werden ein oder mehrere Quellenmaterialien thermisch zumeist durch eine elektrische Heizung verdampft und/oder sublimiert und auf einem Substrat abge- schieden. Durch eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der zur Verdampfung und/oder Sublimation verwendeten Oberfläche der Quellenmaterialien, beispiels- weise durch eine entsprechende Auswahl eines Quellentiegels, ist ferner in der MBE eine hohe Skalierbarkeit von kleinen bis zu sehr großen Substratflächen be- reitstellbar. Der oben bereits erwähnte Einsatz einer elektrischen Heizung für das thermische Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials führt bei der MBE jedoch auch zu Nachteilen. So ist insbesondere bei einer Beschichtungsatmosphäre, in der korrosive Gase wie beispielsweise Sauerstoff oder Ozon vorhanden sind, eine Druckbegrenzung von maximal 105 mbar, zumeist sogar kleiner als 106 mbar zu beachten. Dies ist insbesondere beispielsweise dadurch begründet, dass durch die korrosiven Gase bei höheren Drücken die im Prozessvolumen vorhandenen elektrischen Elemente, insbesondere Elemente der Heizung des Quellenmaterials und/oder des Substrats, korrodiert werden und versagen können. An diesen elektrischen Elementen lagert sich ferner unvermeidlich auch verdampftes und/oder sublimiertes Quellenmaterial ab, wodurch diese Elemente ebenfalls be- einträchtigt werden können, bis hin zu einer völligen Zerstörung der entsprechen- den elektrischen Komponente, beispielsweise durch einen Kurzschluss.
Bei der PLD hingegen wird das Quellenmaterial durch extrem kurze und hoch- energetische Laserimpulse ablatiert, das heißt derart schnell verdampft, dass sich ein Plasma aus dem Quellenmaterial bildet. Dabei können beispielsweise Puls- dauern von 10 ns - 50 ns bei einer Wiederholungsfrequenz von 1 - 25 pro Sekun- de und Energiedichten von 10 MW/cm2 durch die verwendeten Laser bereitgestellt werden. Die durch das explosionsartige Verdampfen bei der Ablation entstehen- den Wolken aus Quellenmaterial weisen im Mittel eine hohe kinetische Energie der Teilchen auf, wobei die maximalen Geschwindigkeiten der explosionsartig verdampften Quellenmaterialteilchen zumeist senkrecht zur Quellenoberfläche auftreten. Durch diese hohen Geschwindigkeiten sind auch höhere Drücke in der Beschichtungsatmosphäre im Prozessvolumen möglich, insbesondere bis hin zu einem Bereich von 1 mbar. Diese hohen Drücke sind oftmals sogar nötig, um die schnellen Quellenmaterialteilchen abzubremsen und so zum einen eine Beschädi- gung des Substrats und zum anderen grundsätzlich eine Anlagerung des Quel- lenmaterials auf dem Substrat zu ermöglichen. Durch die Vermeidung von elektri- sehen Komponenten im Innern des Prozessvolumens sind weitere Einschränkun- gen für das Prozessgas bei der PLD zumindest im Wesentlichen nicht vorhanden.
Allerdings kann bei der PLD eine weitestgehende Kontrolle der Stöchiometrie der wachsenden Materialschicht auf dem Substrat, wie sie bei der MBE vorhanden ist, nicht oder nur sehr eingeschränkt bereitgestellt werden. So ist bei der PLD die Stöchiometrie der Materialschicht bzw. des Schichtmaterials durch die Stöchio- metrie der verwendeten Materialquelle zumindest im Wesentlichen, zuzüglich le- diglich eventueller Reaktionen mit einem Prozessgas der Beschichtungsat- mosphäre, festgelegt. Insbesondere beispielsweise ist die oben in Bezug auf die MBE beschriebene Modulation einer Dotierung als Teil des Schichtmaterials nicht möglich. Nachteilig ist ferner, dass für die oben beschriebene Ablation des Quel- lenmaterials durch die Laserpulse eine hohe Laserenergiedichte nötig ist. Diese kann zumeist nur mit einer geringen Ortsausdehnung am Quellenmaterial erzeugt werden, so dass eine Skalierung dieses Verfahrens auf große Flächen nicht ohne weiteres möglich ist. Großflächige Beschichtungen unter Verwendung der PLD werden gemäß dem Stand der Technik zumeist durch ein Abrastern einer Oberflä- che des Substrats bereitgestellt. Auch sind Beschichtungsatmosphären mit gerin- gen Drücken, beispielsweise kleiner 104 mbar, bei PLD oftmals unvorteilhaft, da sonst das ablatierte Quellenmaterial vor dem Erreichen des Substrats nicht genü- gend durch Stöße mit dem Prozessgas abgebremst werden kann.
Zusammenfassend stehen mit der MBE und der PLD im Stand der Technik zwei Verfahren zur Verfügung, die jeweils für spezielle Beschichtungsvorgänge vorteil- haft sind. Jedoch können bestimmte gewünschte Materialschichten ein Schichtma- terial beziehungsweise eine Schichtmaterialzusammensetzung erfordern, deren Erzeugung durch keines der beiden Verfahren ausreichend zugänglich ist. So be- nötigen beispielsweise viele Oxide als Schichtmaterial eine korrosive Beschich- tungsatmosphäre, bevorzugt aufweisend molekularen Sauerstoff und/oder Ozon. Um diese Oxide sicher hersteilen zu können, ist ein möglichst hoher Druck der Beschichtungsatmosphäre, insbesondere ein Druck von beispielsweise 10 3 mbar, vorteilhaft. Dieser Druckbereich ist jedoch, wie oben beschrieben, für die MBE gemäß dem Stand der Technik nicht oder nur sehr eingeschränkt zugänglich. Gleichzeitig sollen diese Oxide unter hoher stöchiometrischer Kontrolle erzeugt werden können, insbesondere beispielsweise auch mit einer modulierten Dotie- rung. Dies jedoch ist wiederum, wie oben beschrieben, bei der PLD nicht möglich, die im entsprechend passenden Druckbereich durchgeführt werden könnte.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die beschriebenen Nachteile der Beschichtungsvorrichtungen bzw. Verfahren zum Beschichten eines Substrats zumindest teilweise zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats bereitzustellen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise eine hohe stöchiometrische Kontrolle bei bevorzugt gleichzeitiger weitgehend freier Wahl einer Beschichtungsatmosphäre, bevorzugt sowohl hin- sichtlich des verwendeten Prozessgases als auch des Drucks der Beschichtungs- atmosphäre, bereitgestellt werden kann.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Ansprüche der vorliegenden Erfindung ge- löst. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats mit den Merkmalen des unabhängigen An- spruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Prozesskammer für eine Be- schichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 16. Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten ei- nes Substrats mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 17. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Substrat beschichtetet mit zumindest einer Ma- terialschicht mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 23. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale, Details und Vorteile einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung auch in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Prozesskammer, einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie einem erfindungsgemäßen beschichteten Substrat und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der einzelnen Erfindungsaspekte stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats aus einem Substrat- material mit zumindest einer Materialschicht aus einem Schichtmaterial, aufwei- send eine Prozesskammer mit einem Prozessvolumen zur Aufnahme eines Sub- strathalters zum ortsfesten Anordnen des Substrats im Prozessvolumen, wobei die Prozesskammer eine Kammerwandung zum wenigstens im Wesentlichen voll- ständigen Umschließen des Prozessvolumens aufweist, ein mit dem Prozessvo- lumen fluidkommunizierend verbundenes Gassystem zum Erzeugen einer Be- schichtungsatmosphäre im Prozessvolumen, einen im Prozessvolumen angeord- neten Quellenhalter mit zumindest einem Quellenmaterial, das Quellenmaterial bevorzugt aufgenommen in einem Quellentiegel, wobei ferner der Quellenhalter und der Substrathalter derart relativ zueinander angeordnet sind, dass thermisch verdampftes und/oder sublimiertes Quellenmaterial auf dem Substrat anlagerbar ist zum wenigstens teilweisen Bilden des Schichtmaterials der Materialschicht, ferner aufweisend einen Quellenheizlaser. Eine erfindungsgemäße Beschich- tungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Quellenheizlaser zum kon- tinuierlichen oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Bereitstellen von Laserlicht ausgebildet ist, und die Prozesskammer eine Einkoppelvorrichtung mit zumindest einem Einkoppelabschnitt in der Kammerwandung zum Leiten von La- serlicht eines Quellenheizlasers in das Prozessvolumen aufweist, wobei das La- serlicht im Prozessvolumen zumindest abschnittsweise als Lichtstrahl vorliegt und das Quellenmaterial durch das Laserlicht aufheizbar und unterhalb einer Plasma- erzeugungsschwelle des Quellenmaterials thermisch verdampfbar und/oder sub- limierbar ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Substrathalter dazu ausgebildet sein kann, mehrere Substrate zu halten, und/oder, dass die Beschichtungsvorrichtung dazu ausgebildet sein kann mehrere Substrathalter mit einem oder mehreren Substra- ten zu halten. Hierbei kann die Beschichtungsvorrichtung für das gleichzeitige be- schichten mehrerer Substrate verwendet werden.
Durch eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung kann ein Substrat aus einem Substratmaterial mit zumindest einer Materialschicht aus einem Schichtma- terial bedampft bzw. beschichtet werden. Eine erfindungsgemäße Beschichtungs- vorrichtung weist eine Prozesskammer auf, in der das Beschichten des Substrats vorgenommen werden kann. Ein Inneres der Prozesskammer wird im Wesentli- chen durch ein Prozessvolumen gebildet, das wiederum wenigstens im Wesentli- chen vollständig durch eine Kammerwandung umschlossen ist. Zumindest im We- sentlichen umschlossen im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere, dass die Kammerwandung bevorzugt lediglich Öffnungen und/oder Durchführungen auf- weist, die ihrerseits vollständig verschließbar sind.
Wie in der MBE weit verbreitet, kann die Kammerwandung mehrlagig ausgeführt sein, und z.B. einen gas- oder flüssigkeitsgekühlten Mantel beinhalten, um mög- lichst geringe Restverunreinigungen im Prozessvolumen zu erreichen. Auch be- sonders niedrige Drücke der Beschichtungsatmosphäre können auf diese Weise erreicht werden. Als Kühlmittel sind technische Kühlmittel wie beispielsweise Wasser, Alkohole, flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium einsetzbar.
Ein abgeschlossenes Prozessvolumen, insbesondere zum Bereitstellen einer be- vorzugt Steuer- und/oder regelbaren Beschichtungsatmosphäre, kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Die Beschichtungsatmosphäre selbst wird durch ein mit dem Prozessvolumen fluidkommunizierend verbundenem Gassystem der er- findungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung erzeugt. Eine Beschichtungsatmosphäre im Sinne der Erfindung zeichnet sich insbesonde- re durch die Parameter des verwendeten Prozessgases für die Beschichtungsat- mosphäre und dessen Druck aus. Durch den Druck der Beschichtungsatmosphäre kann beispielsweise eine mittlere freie Weglänge der im Zuge des Beschichtens des Substrats verdampften und/oder sublimierten Quellenmaterialien eingestellt werden.
Darüber hinaus kann das verwendete Prozessgas ebenfalls entsprechend der zu erzeugenden Materialschicht bzw. deren Schichtmaterial ausgewählt werden. Bei- spielsweise kann zur Erzeugung von Oxiden ein Prozessgas verwendet werden, das molekularen Sauerstoff und/oder Ozon enthält, wodurch die für das Bilden der Oxide nötigen Oxidationsvorgänge ermöglicht werden können. Entsprechend kann das Prozessgas das zur Bildung von Nitriden benötigte Element Stickstoff bereit- steilen.
Im Prozessvolumen selbst ist das zu beschichtende Substrat angeordnet, insbe- sondere aufgenommen und gehalten durch einen Substrathalter. Der Substrathal- ter ist insgesamt ortsfest im Prozessvolumen angeordnet. Im Sinne der Erfindung umfasst eine derartige ortsfeste Anordnung insbesondere, dass der Substrathalter darüber hinaus als Ganzes rotierbar und/oder, falls vorhanden, auch einzelne
Substrate auf dem Substrathalter rotierbar vorgesehen sein können, wodurch eine weitere Verbesserung einer Homogenität der auf dem jeweiligen Substrat erzeug- ten Materialschicht bereitgestellt werden kann. Relativ zum Substrathalter ist ein Quellenhalter angeordnet, der wiederum zumindest ein Quellenmaterial aufweist. Das Quellenmaterial wiederum kann bevorzugt in einem Quellentiegel aufgenom- men sein. Eine besonders große Auswahlmöglichkeit an einsetzbaren Quellenma- terialien kann dadurch bereitgestellt werden. Bevorzugt können der Quellenhalter und der Substrathalter parallel und/oder einander direkt gegenüber zueinander angeordnet sein, wodurch die Quellenoberfläche des Quellenmaterials und die Substratoberfläche ebenfalls direkt einander gegenüber und/oder bevorzugt paral- lel zueinander angeordnet werden können.
Im Sinne der Erfindung kann insbesondere alternativ oder zusätzlich zu einer Auf- nahme des Quellenmaterials in einem Quellentiegel ein Quellenelement einge- setzt werden, bei dem das Quellenmaterial selbst zur Anordnung und/oder Befes- tigung des Quellenmaterials im Quellenhalter verwendet werden kann. So kann beispielsweise das Quellenmaterial stabförmig und/oder stangenartig ausgebildet sein, wobei ein erstes Ende dieses Stabes aufgeheizt und dadurch thermisch ver- dampft und/oder sublimiert wird, und der Stab an seiner Mantelfläche und/oder seinem entgegengesetzten zweiten Ende im Quellenhalter angeordnet und/oder fixiert ist. Dies kann insbesondere bei Quellenmaterialien mit einer schlechten Wärmeleitung realisiert werden, da hierbei das erste Ende des Stabes sublimiert und sogar aufgeschmolzen beziehungsweise verflüssigt werden kann, wobei gleichzeitig der restliche Stab kalt und fest bleibt. Besonders hohe Standzeiten, also Zeiten ohne notwendige Quellenwechsel, können auf diese Weise bereitge- stellt werden.
Ein besonders gutes und insbesondere gleichmäßiges Beschichten des Substrats mit dem thermisch verdampften und/oder sublimierten Quellenmaterial kann dadurch bereitgestellt werden. Mögliche Abstände zwischen dem Quellenhalter und dem Substrathalter sind beispielsweise 20 bis 200 mm, bevorzugt 60 mm. Zwischen dem Quellenhalter bzw. den einzelnen Quellenmaterialien und/oder Quellentiegeln und dem Substrat können auch Shutterblenden angeordnet sein, um verdampftes und/oder sublimiertes Quellenmaterial einer Quelle bzw. eines Quellentiegels gezielt und insbesondere gesteuert und/oder geregelt gegenüber dem Substrat abzuschatten. Dies ermöglicht insbesondere die gewünschte hohe stöchiometrische Kontrolle bei der Erzeugung des Schichtmaterials der Material- schicht. Besonders bevorzugt kann ferner vorgesehen sein, dass der Quellenhalter und der Substrathalter zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Zumin- dest im Wesentlichen identisch kann insbesondere eine Größenausdehnung des Quellenhalters und des Substrathalters umfassen. Auf diese Weise kann auch be- reitgestellt werden, dass eine Austauschbarkeit des Substrathalters, wie es bei- spielsweise bei der MBE grundsätzlich bekannt ist, auch für den Quellenhalter an- gewandt werden kann. So kann beispielsweise eine Austausch- und/oder Nach- füllquelle mit einem eigenen Quellenhalter in einem separaten Vorhaltevolumen bereitgestellt werden, das vom Prozessvolumen nur durch ein Schiebeventil ge- trennt ist.
Eine Atmosphäre im Vorhaltevolumen kann unabhängig vom Prozessvolumen eingestellt sein beziehungsweise werden, wobei bevorzugt das Vorhaltevolumen ebenfalls mit der Beschichtungsatmosphäre gefüllt ist. Ein Austausch der Quellen bzw. des Quellenhalters kann auf diese Weise durchgeführt werden, ohne dass ein vollständiges Brechen und erneutes Herstellen der Beschichtungsatmosphäre nötig ist.
Erfindungswesentlich ist bei der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung vorgesehen, dass für ein Aufheizen und thermisches Verdampfen und/oder Subli- mieren des Quellenmaterials ein Laserlicht eines Quellenheizlasers verwendet wird. Für diesen Zweck weist die erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung ei- nen Quellenheizlaser auf. Der Quellenheizlaser als Teil der Beschichtungsvorrich- tung selbst kann direkt nahe der Prozesskammer aufgestellt oder sogar direkt an ihr angeordnet werden, wobei ferner der Quellenheizlaser bevorzugt auch entfernt von der Prozesskammer aufgestellt werden und nur das nötige Laserlicht des Quellenheizlasers zur Prozesskammer geleitet werden. Insbesondere weist die Prozesskammer der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung eine Einkop- pelvorrichtung mit zumindest einem Einkoppelabschnitt auf, um ein Leiten des La- serlichts des Quellenheizlasers in das Prozessvolumen zu ermöglichen. Der Ein- koppelabschnitt ist dafür in der Kammerwandung der Prozesskammer angeordnet. Der Einkoppelabschnitt kann beispielsweise ein Einkoppelfenster, bevorzugt aus Quarzglas, aufweisen. Auch eine Durchführung, beispielsweise von Glasfasern, als Einkoppelabschnitt ist denkbar.
Erfindungsgemäß ist der Quellenheizlaser zum kontinuierlichen oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Bereitstellen von Laserlicht ausgebildet. Ein konti- nuierliches oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliches Bereitstellen im Sin- ne der Erfindung kann beispielsweise ein ununterbrochenes Aussenden von La- serlicht über Zeitintervalle von wenigen Mikrosekunden oder länger, bevorzugt Mil- lisekunden oder länger, umfassen. Dies ermöglicht, den Quellenheizlaser derart zu betreiben, dass das Laserlicht kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich auf das Quellenmaterial einstrahlt. Besonders bevorzugt wird der Quellenheizlaser somit nicht gepulst, also mit hohen Laserenergien und/oder Län- gen der Laserpulse im Nanosekundenbereich, betrieben. Ein besonders gleich- bleibender und Steuer- oder regelbarer Energieeintrag des Laserlichts in das Quel- lenmaterial kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Eine gleichbleibende und/oder Steuer- und regelbare Temperatur des Quellenmaterials und damit eine daraus folgende Verdampfungsrate und/oder Sublimationsrate kann auf diese Weise ermöglicht werden. Insbesondere liegt im Sinne der Erfindung ein kontinu- ierliches oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliches Bereitstellen auch dann vor, wenn zwar das Bereitstellen von Laserlicht aus einer wiederholten Abfolge von Aussendephasen und Pausephasen besteht, ein Verhältnis der zeitlichen Längen dieser Phasen jedoch derart eingestellt ist, dass sich die oben angegebe- ne gleichbleibende Temperatur des Quellenmaterials einstellt. Hierbei wird im Sin- ne der Erfindung eine Temperatur des Quellenmaterials als gleichbleibend ange- sehen, wenn diese in einen Zeitraum, der mehrere Aussendephasen und Pause- phasen umfasst, um weniger als 30%, bevorzugt um weniger als 10%, schwankt. Darüber hinaus ist eine Energie des Laserlichts des Quellenheizlasers derart ein- gestellt, dass eine Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials durch das Laserlicht nicht erreicht wird. Mit anderen Worten wird beim Auftreffen des Laser- lichts auf das Quellenmaterial kein Plasma erzeugt, da die durch das Laserlicht bereitgestellte und auf das Quellenmaterial einwirkende Energie dafür nicht aus- reicht. Ein rein thermisches Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmateri- als, welches unterhalb der Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials er- folgt, kann dadurch sichergestellt werden. Insbesondere kann für verschiedene Quellenmaterialien mit einer jeweils materialspezifischen Plasmaerzeugungs- schwelle auch das entsprechend ausgebildete Laserlicht beziehungsweise ein entsprechend ausgebildeter Quellenheizlaser in einer erfindungsgemäßen Be- schichtungsvorrichtung eingesetzt werden.
Durch das Aufheizen und insbesondere thermische Verdampfen und/oder Subli mieren des Quellenmaterials durch das Laserlicht sind keine oder zumindest im Wesentlichen keine elektrischen Bauteile im Prozessvolumen der Prozesskammer nötig. Einschränkungen hinsichtlich einer Art und eines Drucks des verwendeten Prozessgases können somit bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrich- tung vermieden werden. Der verwendete Druck der Beschichtungsatmosphäre ist somit im Wesentlichen nur durch die freie Weglänge der thermisch verdampften und/oder sublimierten Materialteilchen des Quellenmaterials begrenzt bezie- hungsweise passend für eine gewünschte beziehungsweise erforderliche freie Weglänge einstellbar, um ein Erreichen des Substrats durch das Quellenmaterial sicherzustellen. Bei einem Abstand zwischen dem Substrat und dem Quellenhalter von 60 mm führt dies zu einem noch realisierbaren Druck der Beschichtungsat- mosphäre von etwa 103 mbar.
Wie oben beschrieben wird das Quellenmaterial in einem Quellenhalter angeord- net bereitgestellt. Auch mehrere, bevorzugt verschiedene Quellenmaterialien sind möglich, wobei jedes dieser Quellenmaterialien mit den oben bereits beschriebe- nen Shutterblenden für eine entsprechende Beschichtung des Substrats zu- und weggeschaltet werden kann. Eine hohe Kontrolle einer Stöchiometrie der erzeug- ten Materialschicht bzw. des Schichtmaterials kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Gleichzeitig überträgt sich eine hohe Quellenreinheit, auf die Reinheit des Schichtmaterials der erzeugten Materialschicht auf dem Substrat. Eine hohe Quel- lenreinheit kann beispielsweise durch bereits hochreine Quellenmaterialien, insbe- sondere durch das Verwenden von Quellentiegeln zur Aufnahme dieser Quellen- materialien, bereitgestellt werden. Bevorzugt sind die Shutterblenden insbesonde- re derart angeordnet, dass das Einstrahlen des Laserlichts auf den entsprechen- den Quellentiegel und/oder das entsprechende Quellenmaterial durch die Shutter- blende nicht oder zumindest im Wesentlichen nicht blockiert wird, insbesondere in keiner der Positionen der Shutterblende.
Zusammenfassend kann somit bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvor- richtung eine hohe stöchiometrische Kontrolle bei gleichzeitig freier oder zumin- dest wenig eingeschränkter Auswahl der Parameter der Beschichtungsatmosphä- re bereitgestellt werden. Insgesamt können dadurch als Schichtmaterial beispiels weise Oxide besonders gut und in hoher Reinheit bei gleichzeitiger guter Kontrolle der Stöchiometrie erzeugt werden, wobei insbesondere auch eine Dotierung, ins- besondere modulierte Dotierung, dieser Oxide durch eine erfindungsgemäße Be- schichtungsvorrichtung ermöglicht werden kann.
Besonders bevorzugt kann bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrich- tung vorgesehen sein, dass das Quellenmaterial durch ein direktes Einstrahlen des Laserlichts auf eine Quellenoberfläche des Quellenmaterials unmittelbar durch das Laserlicht aufheizbar und thermisch verdampfbar und/oder sublimierbar ist.
Mit anderen Worten, es wird das Laserlicht des Quellenheizlasers derart in das Prozessvolumen der Beschichtungsvorrichtung geleitet, dass es auf eine Quellen- oberfläche des Quellenmaterials trifft. Eine direkte Energieübertragung aus dem Laserlicht auf das Quellenmaterial, oh- ne beispielsweise den Umweg über ein dazwischengeschaltetes Aufheizen weite- rer Elemente, insbesondere beispielsweise eines Quellentiegels, kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Die Quellenoberfläche des Quellenmaterials wird damit zumindest im Wesentlichen zu einem Ort im gesamten Prozessvolumen mit der höchsten Temperatur, wodurch eine gleichbleibend hohe Reinheit des Quel- lenmaterials bereitgestellt werden kann. Dies ist dadurch begründet, da sich Pro- zessgas und/oder verdampftes beziehungsweise sublimiertes Material im Pro- zessvolumen bevorzugt an kälteren Orten abscheidet, wodurch eben eine heiße Quellenoberfläche keine oder nur unwesentliche Kontaminationen erleiden muss.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung vor- gesehen sein, dass der Lichtstrahl mit einer Flächennormalen zu einer Tiegelober- fläche des Quellentiegels mit Quellenmaterial und/oder mit einer Flächennormalen zu einer Quellenoberfläche des Quellenmaterials einen Einstrahlwinkel zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 70°, bevorzugt 50°, einschließt. Bei einem Einstrahlwinkel von 0°, das heißt ein senkrechtes Auftreffen des Laserlichts auf die Tiegeloberfläche und/oder die Quellenoberfläche, kann eine besonders hohe Energiedichte am Einstrahlpunkt beziehungsweise auf der gesamten Ein- strahlfläche bereitgestellt werden.
Ein besonders guter Energieübertrag zwischen dem Laserlicht und dem Quellen- material ist die Folge. Gleichzeitig kann jedoch das wie oben beschriebene vorteil- hafte Anordnen des Substrats direkt gegenüber dem Quellenmaterial in diesem Fall nicht erfolgen. Darüber hinaus kann auch eine bei einem Einstrahlwinkel von 0° mögliche Rückreflexion des Laserlichts Instabilitäten der Laserquelle verursa- chen.
Ein besonders großer Einstrahlwinkel führt zu einem flachen, bei 90° sogar zu ei- nem streifenden, Auftreffen des Laserlichts auf die Quellenoberfläche, wodurch sich die Energie des Laserlichts auf eine größere Fläche des Quellenmaterials verteilt und somit der Energieübertrag pro Flächeneinheit abnimmt. Ein Einstrahl winkel zwischen 30° und 70°, bevorzugt ein Einstrahlwinkel von 50°, stellen gute Kompromisse der eingangs beschriebenen Extremwerte dar, bei denen eine gute Übertragung der Energie des Laserlichts auf das Quellenmaterial und gleichzeitig eine bevorzugte relative Anordnung des Quellenhalters und des Substrathalters bereitgestellt werden kann. Forschungsresultate zum Laserschweißen legen dar- über hinaus nahe, dass Einfallswinkel zwischen 30° und 70° auch zu einer ver- besserten Absorption des Laserlichts durch metallische Oberflächen führen.
Auch kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung dahingehend aus- gebildet sein, dass eine Intensität und/oder eine Wellenlänge des Laserlichts an das entsprechende Quellenmaterial angepasst ausgebildet ist, wobei bevorzugt das Laserlicht eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wellenlänge von 108 m bis 105 m aufweist. Ein angepasstes Ausbilden der Intensität und/oder der Wellenlänge des Laserlichts an das Quellenmaterial kann beispielsweise unter Berücksichtigung des Dampfdrucks und/oder des Absorptionsverhaltens des Quel- lenmaterials durchgeführt werden. So wird ein Quellenmaterial mit einem höheren Dampfdruck eine geringere Laserlichtleistung bzw. -Intensität benötigen, als ein Quellenmaterial mit einem geringeren Dampfdruck. Auch können Quellenmateria- lien, die eine hohe Absorptionsfähigkeit aufweisen, durch eine geringere Intensität an Laserlicht aufgeheizt und thermisch verdampft und/oder sublimiert werden, als Quellenmaterialien, bei denen beispielsweise eine hohe Reflektivität eine Absorp- tionsfähigkeit des Quellenmaterials vermindert.
Das Absorptionsverhalten des Quellenmaterials kann insbesondere auch eine Ab- hängigkeit einer eingestrahlten Wellenlänge aufweisen, wobei dies wiederum durch eine entsprechende Wahl einer Wellenlänge des Laserlichts des Quellen- heizlasers berücksichtigt werden kann. Insgesamt kann in dieser bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung somit angepasst an das Quellenmaterial ein passender Quellenheizlaser ausgewählt werden, um ein besonders gutes Aufheizen und thermisches Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials bereitstellen zu können.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung vor- gesehen sein, dass die Prozesskammer an einer Innenseite der Kammerwandung zumindest einen Strahlfänger zum wenigstens teilweisen Absorbieren von reflek- tiertem Laserlicht, insbesondere von an der Tiegeloberfläche des Quellentiegels und/oder an der Oberfläche des Quellenmaterials reflektiertem Laserlicht, auf- weist, wobei der Strahlfänger in einer Raumebene, welche der Lichtstrahl und die Flächennormale zur Tiegeloberfläche des Quellentiegels und/oder zur Quellen- oberfläche des Quellenmaterials aufspannen, und an einem entsprechend dem Einstrahlwinkel des Einkoppelabschnitts gegenüberliegenden Abschnitt der Kam- merwandung angeordnet ist.
Bei einem Einstrahlen des Laserlichts auf den Quellentiegel bzw. das Quellenma- terial kann es Vorkommen, dass das Laserlicht an der Tiegeloberfläche und/oder der Quellenoberfläche reflektiert wird. Dieses Reflektieren erfolgt zumeist zumin- dest im Wesentlichen entsprechend dem Reflexionsgesetz. In dieser Ausgestal- tungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung ist daher vorgese- hen, in der Raumebene, die durch die Flächennormale zur Tiegeloberfläche bzw. zur Quellenoberfläche und dem Einstrahlwinkel des Laserlichts aufgespannt wird, in einem Raumbereich entsprechend dem Einstrahlwinkel gegenüber des Einkop- pelabschnitts an der Kammerwandung einen Strahlfänger anzuordnen. Durch die- sen Strahlfänger kann insbesondere verhindert werden, dass direkt auf die Kam- merwandung auftreffendes reflektiertes Laserlicht ein Aufheizen der Kammerwan- dung bewirkt.
Mit anderen Worten kann durch den Strahlfänger eine Erzeugung einer weiteren Wärmequelle durch ein Aufheizen der Kammerwandung verhindert werden. Be- sonders bevorzugt kann für diesen Zweck der Strahlfänger auch aktiv gekühlt werden. Verunreinigungen in der Beschichtungsatmosphäre durch ein Ausgasen und/oder Abdampfen von einer durch reflektiertes Laserlicht erwärmten bezie- hungsweise aufgeheizten Stelle der Kammerwandung können auf diese Weise vermindert werden oder sogar komplett verhindert werden. Eine Reinheit der er- zeugten Materialschicht auf dem Substrat kann auf diese Weise weiter gesteigert werden.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung vor- gesehen sein, dass der Quellenhalter zwei oder mehr, insbesondere drei, bevor- zugt sechs, Quellenmaterialien aufweist, jeweils bevorzugt aufgenommen in einem Quellentiegel, wobei das Quellenmaterial mit einem separaten Lichtstrahl an La- serlicht aufheizbar und thermisch verdampfbar und/oder sublimierbar ist und wo- bei bevorzugt die Quellenmaterialien unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann insbesondere bereitgestellt werden, dass mit einem einzigen Quellenhalter mehre- re, bevorzugt unterschiedliche, Quellenmaterialien bereitgestellt werden können. Auch mehr als sechs Quellenmaterialien, beispielsweise zwölf Quellenmaterialien, sind hierbei denkbar. Dadurch kann zum einen eine sequentielle Durchführung und Erzeugung von Materialschichten mit unterschiedlichen Schichtmaterialien ermöglicht werden. Auch bei einem gleichzeitigen Aufheizen und thermischen Verdampfen und/oder Sublimieren verschiedener Quellenmaterialien, bevorzugt bereitgestellt in einzelnen Quellentiegeln, können Schichtmaterialien mit ver- schiedensten Zusammensetzungen erzeugt werden, beispielsweise gesteuert und/oder geregelt durch die oben bereits beschriebenen Shutterblenden. Insbe- sondere ist vorgesehen, dass jedes einzelne Quellenmaterial beziehungsweise jeder einzelne Quellentiegel von einem separaten Laserlichtstrahl aufheizbar und thermisch verdampfbar und/oder sublimierbar ist. Die separaten Lichtstrahlen können entweder von verschiedenen Quellenheizlasern oder aber auch von einem einzelnen Quellenheizlaser kommen, dessen Lichtstrahl beispielsweise durch Strahlteiler aufgeteilt und den einzelnen Quellenmaterialien zugeführt wird. Bevor- zugt kann hierbei vorgesehen sein, dass die einzelnen separaten Lichtstrahlen für die einzelnen Quellentiegel bzw. Quellenmaterialien zumindest unterschiedliche, bevorzugt durch entsprechende Einstellelemente regel- und steuerbare, Intensitä ten aufweisen. Auch Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, zum Bei- spiel zur Steigerung der Absorption des Laserlichts durch die einzelnen Quellen- materialien, können vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrich- tung kann vorgesehen sein, dass die Einkoppelvorrichtung einen gemeinsamen Einkoppelabschnitt zum Leiten von zumindest zwei der separaten Lichtstrahlen in das Prozessvolumen aufweist. Auf diese Weise kann beispielsweise ermöglicht werden, dass die zwei separaten Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Vaku- umflansch in das Prozessvolumen eingeleitet werden. Eine Konstruktion der Pro- zesskammer, insbesondere der Kammerwandung zum Umschließen des Pro- zessvolumens, kann auf diese Weise vereinfacht werden. Hierbei kann insbeson- dere vorgesehen sein, dass die beiden separaten Lichtstrahlen über ein gemein- sames Einkoppelfenster in das Prozessvolumen geleitet werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass am Einkoppelabschnitt getrennte Einkoppelfenster für die separaten Lichtstrahlen vorgesehen sind.
Alternativ oder zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Einkoppelvorrichtung zumindest zwei getrennte Einkoppelabschnitte zum Leiten von jeweils wenigstens einem der sepa- raten Lichtstrahlen in das Prozessvolumen aufweist, wobei insbesondere die Raumebenen, welche jeweils der Lichtstrahl, der durch einen der getrennten Ein- koppelabschnitte in das Prozessvolumen geleitet ist, und die Flächennormale zur Tiegeloberfläche des entsprechenden Quellentiegels und/oder zur Quellenoberflä- che des entsprechenden Quellenmaterials aufspannen, einen Winkel kleiner 180°, bevorzugt zwischen 90° und 150°, besonders bevorzugt von 120° einschließen. Alternativ oder zusätzlich im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere, dass bei einer Bereitstellung von mehr als zwei separaten Lichtstrahlen auch mehrere die- ser Lichtstrahlen einen gemeinsamen Einkoppelabschnitt, insgesamt alle Licht strahlen durch zumindest zwei Einkoppelabschnitte in das Prozessvolumen gelei- tet werden können. Eine noch größere Gestaltungsfreiheit bei der Planung und Konstruktion einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung kann dadurch bereitgestellt werden.
So kann beispielsweise in einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfin- dungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung bei einem Quellenhalter mit sechs Quellentiegeln beziehungsweise Quellenmaterialien vorgesehen sein, dass jeweils drei dieser Quellenmaterialien auf dem Quellenhalter zueinander in 120° Abstand als Tripel angeordnet sind. Jedes Quellenmaterial dieser Quellenmaterialtripel wird mit einem separaten Lichtstrahlen aufgeheizt und thermisch verdampft und/oder sublimiert, wobei die Lichtstrahlen für ein Quellenmaterialtripel jeweils bevorzugt in einem gemeinsamen Einkoppelabschnitt in das Prozessvolumen geleitet sind.
Mit anderen Worten, es ist für jedes der Quellenmaterialtripel ein Dreierbündel an Lichtstrahlen vorgesehen, die von einem gemeinsamen Einkoppelabschnitt kom- men, wobei die beiden somit vorhandenen Einkoppelabschnitte voneinander be- abstandet in der Kammerwandung der Prozesskammer angeordnet sind. Durch ein winkliges Anordnen dieser Einkoppelabschnitte zueinander derart, dass die von den einzelnen Lichtstrahlen und den Flächennormalen der jeweiligen Quel- lenoberflächen aufgespannten Raumebenen in einem Winkel kleiner als 180°, be- vorzugt in 120°, zueinander angeordnet sind, kann insbesondere verhindert wer- den, dass eine Reflexion von Lichtstrahlen eines der Einkoppelabschnitte zum an- deren Einkoppelabschnitt erfolgt. Auf diese Weise kann insbesondere auch eine Anordnung eines entsprechenden Strahlfängers für entsprechend reflektierte Lichtstrahlen am entsprechenden Ort der Kammerwandung ermöglicht werden. Auch kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung dahingehend aus- gebildet sein, dass zumindest einer der Lichtstrahlen, bevorzugt alle Lichtstrahlen, einen Fokusbereich aufweisen, wobei der Lichtstrahl im Fokusbereich eine mini- male Ausdehnung senkrecht zu einer Lichtrichtung des Lichtstrahls aufweist, wo- bei ferner der Fokusbereich im Prozessvolumen zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem entsprechenden Quellenmaterial beziehungsweise dem entsprechendem Quellentiegel angeordnet ist. Eine derartige Fokussierung des Lichtstrahls in ei- nem Fokusbereich ermöglicht grundsätzlich eine möglichst große Ausdehnung des Lichtstrahls am Einkoppelabschnitt, insbesondere an einem Einkoppelfenster des Einkoppelabschnitts. Eine niedrige Belastung des Einkoppelabschnitts beim Durchleiten des Laserlicht des Quellenheizlasers kann auf diese Weise bereitge- stellt werden, wobei gleichzeitig der Fokusbereich derart gewählt sein kann, dass ein gutes Aufheizen und thermisches Verdampfen und/oder Sublimieren des Quel- lenmaterials, insbesondere durch eine optimale Ausleuchtung einer Quellenober- fläche des Quellenmaterials, sichergestellt werden kann.
Durch eine Anordnung des Fokusbereichs zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem Quellenmaterial beziehungsweise dem Quellentiegel kann ferner bereitge- stellt werden, dass der Lichtstrahl nach dem Quellenmaterial beziehungsweise dem Quellentiegel mit zunehmendem Abstand zum Quellenmaterial beziehungs- weise zum Quellentiegel immer ausgedehnter ist. Mit anderen Worten wird mit zu- nehmendem Abstand hinter dem Quellenmaterial beziehungsweise dem Quellen- tiegel die Energiedichte des Lichtstrahls immer geringer. Eine Beschädigung, ins- besondere eine ungewollte Beschädigung, der Kammerwandung, wie es bei ei- nem Fokusbereich vom Einkoppelabschnitt aus gesehen hinter dem Quellenmate- rial beziehungsweise dem Quellentiegel auftreten kann, wenn diese fehlen, kann auf diese Weise sicher vermieden werden.
Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung dahinge- hend weiterentwickelt sein, dass die Fokusbereiche von zumindest zwei der Licht- strahlen überlappen, insbesondere vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig überlappen, wobei bevorzugt die Einkoppelvorrichtung einen gemein- samen Einkoppelabschnitt zum Leiten dieser zumindest zwei Lichtstrahlen in das Prozessvolumen aufweist. Der Fokalbereich des Lichtstrahls ist insbesondere der- jenige Bereich, in dem die Energiedichte, das heißt die Lichtenergie pro Flächen- einheit, des Lichtstrahls maximal ist. Insbesondere kann diese Energiedichte der- art hoch sein, dass eine Gefährdung einer Beschädigung von Material und/oder von Elementen der Beschichtungsvorrichtung vorliegt.
Durch ein Zusammenfallen bzw. Überlappen der Fokusbereiche von zumindest zwei der Lichtstrahlen sind diese mit anderen Worten konfokal ausgebildet.
Dadurch kann insbesondere bereitgestellt werden, dass eine Anzahl dieser Orte mit hoher Energiedichte der Lichtstrahlen minimiert wird. Eine Verringerung der Gefährdung von Material der Beschichtungsvorrichtung kann auf diese Weise be- reitgestellt werden. Eine räumliche Nähe der beiden Lichtstrahlen, die für ein der- artiges Zusammenfallen der Fokusbereiche für zwei separate Lichtstrahlen not- wendig ist, kann durch ein Leiten der beiden Lichtstrahlen durch denselben Ein- koppelabschnitt in das Prozessvolumen besonders einfach bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung da- hingehend weiterentwickelt sein, dass die Prozesskammer zumindest eine Heizla- serblende mit einer Blendenöffnung aufweist, wobei die Heizlaserblende derart im Prozessvolumen angeordnet ist, dass der Fokusbereich zumindest eines der Lichtstrahlen mit der Blendenöffnung zusammenfällt oder zumindest im Wesentli- chen zusammenfällt. Bevorzugt kann eine derartige Heizlaserblende aus einem lichtdichten und/oder materialdichten Blendenmaterial ausgebildet sein.
Durch die Anordnung der Heizlaserblende mit ihrer Blendenöffnung am Fokusbe- reich des zumindest einen Lichtstrahls ist die Heizlaserblende selbst ebenfalls zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem Quellenhalter bzw. dem Quellenmate- rial und einem entsprechenden Quellentiegel angeordnet. Bevorzugt kann vorge- sehen sein, dass die Heizlaserblende zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Lichtrichtung des Lichtstrahls ausgebildet beziehungsweise angeordnet ist.
Durch eine Anordnung der Heizlaserblende derart, dass der Fokusbereich zumin- dest eines der Lichtstrahlen mit der Blendenöffnung der Heizlaserblende zusam- menfällt oder zumindest im Wesentlichen zusammenfällt kann sichergestellt wer- den, dass durch die Heizlaserblende keine oder zumindest im Wesentlichen keine Beeinflussung des Lichtstrahls erfolgt. Gleichzeitig kann bereitgestellt werden, dass Quellenmaterial, das durch den Lichtstrahl des Quellenheizlasers verdampft und/oder sublimiert wurde, und das in Richtung des Einkoppelabschnitts propa- giert, durch die Heizlaserblende aufgefangen wird. Da die Heizlaserblende zwi- schen dem Quellenhalter und dem Einkoppelabschnitt angeordnet ist, wird das verdampfte beziehungsweise sublimierte Quellenmaterial auf der Heizlaserblende abgelagert oder zumindest im Wesentlichen abgelagert.
Bevorzugt kann daher vorgesehen sein, dass die Heizlaserblende vom Quellen- halter aus gesehen den Einkoppelabschnitt völlig oder zumindest im Wesentlichen völlig verdeckt. Eine Verhinderung oder zumindest eine deutliche Verminderung der Abscheidung von Quellenmaterial auf dem Einkoppelabschnitt, insbesondere einem Einkoppelfenster des Einkoppelabschnitts, kann auf diese Weise bereitge- stellt werden. Eine Verlängerung der Lebensdauer, eine Verminderung einer War- tungsanfälligkeit bzw. eine Verlängerung von Wartungszyklen hinsichtlich des Ein- koppelabschnitts kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung derart weiterentwickelt sein, dass die Blendenöffnung durch das Laserlicht des Quellenheizlasers in die Heizlaserblende eingebracht ist. Mit anderen Worten wird durch das Laserlicht des Quellenheizlasers die Blendenöffnung in die Heizlaser- blende gebrannt bzw. das Material der Heizlaserblende lokal aufgeschmolzen, um die Blendenöffnung zu erzeugen. Dies bringt zwei wesentliche Vorteile mit sich.
So kann zum einen die örtliche Anordnung der Blendenöffnung in der Heizlaser- blende auf diese Weise besonders einfach an den Ort des Fokusbereichs des Lichtstrahls angepasst werden. Auch eine ideale Größe der Blendenöffnung, an- gepasst an den Fokusbereich des Lichtstrahls, kann auf diese Weise besonders einfach bereitgestellt werden.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Prozesskammer zumindest ein Thermoelement zum Ermitteln einer Temperatur des zumindest einen Quellenmaterials und/oder des entsprechenden Quellentiegels aufweist, wobei insbesondere das zumindest eine Thermoelement und/oder der Quellenhalter einen beweglichen Befestigungsabschnitt aufweist, zum Bewegen des Thermoelements zwischen einer Messposition, in der es das Quellenmaterial und/oder den entsprechenden Quellentiegel kontaktiert, und einer Freigabeposition, in der es für eine Bewegung des Quellenhalters entfernt von diesem angeordnet ist, und/oder zum Bewegen des Quellenhalters zum reversib- len Bereitstellen einer Endposition des Quellenhalters, in welcher das zumindest eine Thermoelement in seiner Messposition das Quellenmaterial und/oder den entsprechenden Quellentiegel kontaktiert.
Durch ein derartiges Thermoelement kann insbesondere eine Messung einer Temperatur des Quellenmaterials beziehungsweise des Quellentiegels und damit zumindest indirekt des Quellenmaterials bereitgestellt werden. Dieser Tempera- turmesswert kann insbesondere beispielsweise auch für eine Steuerung und/oder Regelung des Quellenheizlasers, bevorzugt hinsichtlich einer Intensität des Quel- lenheizlasers, verwendet werden. Gleichbleibende Beschichtungsbedingungen in einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung, insbesondere hinsichtlich einer Bereitstellung von verdampftem und/oder sublimiertem Quellenmaterial, können auf diese Weise besonders einfach bereitgestellt werden. Bevorzugt ist das zumindest eine Thermoelement bewegbar in der Prozesskam- mer angeordnet, beispielsweise bereitgestellt über einen Befestigungsabschnitt.
So können beispielsweise die Thermoelemente federnd an den jeweiligen Quel- lenmaterialien beziehungsweise Quellentiegeln anliegen. Durch ein Bewegen des Thermoelements zwischen einer Messposition, kontaktierend am Quellenmaterial beziehungsweise am Quellentiegel, und einer Freigabeposition, entfernt angeord- net in Bezug auf das Quellenmaterial beziehungsweise den Quellentiegel, kann insbesondere bereitgestellt werden, das der Quellenhalter selbst ebenfalls und ohne Behinderung durch die Thermoelemente bewegt werden kann. Der oben be- schriebene Austausch des Quellenhalters analog zum Substrathalter kann auf diese Weise besonders einfach ermöglicht werden, insbesondere ohne Behinde- rung durch die Thermoelemente.
Alternativ oder zusätzlich kann auch der Quellenhalter mit angeordneten Quellen- materialien, diese wiederum bevorzugt aufgenommen in Quellentiegeln, im Pro- zessvolumen bewegbar angeordnet sein. Auf diese Weise kann beim Transfer des Quellenhalters, bei im Wesentlichen fester Position, bevorzugt der Messposition, der Thermoelemente, der Quellenhalter in eine Endposition durch ein Absenken zum Thermoelement hin bewegt werden, wobei in dieser Endposition des Quel- lenhalters das Thermoelement insbesondere gefedert am Quellenmaterial und/oder am Quellentiegel anliegt. Auch in dieser Ausgestaltungsform kann der oben beschriebene Austausch des Quellenhalters analog zum Substrathalter be- sonders einfach ermöglicht werden, insbesondere ohne Behinderung durch die Thermoelemente.
Auch kann eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung dahingehend aus- gebildet sein, dass die Einkoppelvorrichtung zumindest einen weiteren Einkoppel- abschnitt in der Kammerwandung zum Leiten von Laserlicht eines Substratheizla- sers in das Prozessvolumen aufweist, wobei das Laserlicht im Prozessvolumen zumindest abschnittsweise als Lichtstrahl vorliegt und durch das Laserlicht das Substratmaterial des Substrats aufheizbar ist, insbesondere durch direktes Ein- strahlen unmittelbar aufheizbar ist, wobei bevorzugt das Laserlicht dem Substrat- material angepasst ausgebildet ist und/oder eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wellenlänge von 106 m bis 104 m aufweist.
Eine Substratheizung, wie sie durch den Lichtstrahl des Substratheizlasers bereit- gestellt werden kann, ermöglicht, dass neben dem Quellenmaterial das Substrat selbst einen der heißesten Orte im Prozessvolumen bildet. Ein Erzeugen einer Beschichtung des Substrats mit einem Schichtmaterial von besonderer Reinheit kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Ein geheiztes Substrat ermöglicht darüber hinaus auch ein besonders gleichmäßiges Wachstum der Materialschicht, da das aufgedampfte Schichtmaterial dem aufgeheizten Substrat kinetische Ener- gie entziehen kann, um sich möglichst gleichmäßig auf der Substratoberfläche zu verteilen. Bevorzugt wird als Substratheizlaser ein Laser mit einer größeren Wel- lenlänge als der Quellenheizlaser verwendet, da die zumeist verwendeten Sub- strate entsprechend andere Absorptionseigenschaften aufweisen als die Quellen- materialien. So kann beispielsweise für ein Substrat, das eine Keramik und/oder selbst ein Oxid ist, ein langwelliger Laser von beispielsweise einer Wellenlänge von 10 pm eingesetzt werden. Bei im Sichtbaren transparenten Substraten hat sich eine Verwendung eines C02-Lasers als Substratheizlaser als besonders vor- teilhaft herausgestellt.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung vor- gesehen sein, dass das Gassystem eine Prozessgaszuführung zum Zuführen ei- nes Prozessgases in das Prozessvolumen und ein Pumpensystem zum Erzeugen eines Unterdrucks im Prozessvolumen aufweist, wobei das Pumpensystem eine magnetgelagerte Turbopumpe umfasst. Durch eine derartige Prozessgaszufüh- rung des Gassystems ist insbesondere ein Bereitstellen eines speziellen Prozess- gases für die Beschichtungsatmosphäre im Prozessvolumen ermöglichbar. Grundsätzlich und prinzipiell sind alle gasförmigen Stoffe als Prozessgas einsetz- bar. Insbesondere wird im Sinne der Erfindung auch jegliches Restgas, das bei einem Bereitstellen von niedrigen Drücken im Bereich von 103 mbar oder geringer im Prozessvolumen verbleibt, als durch das Gassystem bereitgestelltes Prozess- gas verstanden.
Als Prozessgas kann beispielsweise zur Herstellung von Oxiden ein Gas umfas- send molekularen Sauerstoff und/oder Ozon verwendet werden.
Ein gewünschtes Erzeugen von Nitriden als Schichtmaterial der Materialschicht kann hingegen einen Einsatz von NH3 oder molekularem Stickstoff, insbesondere beispielsweise auch ionisiertem Stickstoff, erfordern.
Auch weitere Prozessgase, beispielsweise für eine selenhaltige und/oder schwe- felhaltige Beschichtungsatmosphäre, sind denkbar.
Durch das Pumpensystem wiederum kann eine große Bandbreite an Drücken der Beschichtungsatmosphäre bereitgestellt werden. Als Druck kann beispielsweise ein Bereich von 10 1° mbar bis 1 mbar durch das Pumpensystem erzeugt werden.
Bekannte Pumpensysteme gemäß dem Stand der Technik weisen insbesondere zwischen dem Prozessvolumen der Prozesskammer und einer schmiergelagerten Turbopumpe ein variables Schieberventil auf, wobei insbesondere durch einen Öffnungszustand des Schieberventils ein Einstellen der Saugleistung des Pum- pensystems und damit des Drucks im Prozessvolumen bereitgestellt wird. Dies hat den Nachteil, dass durch das Schieberventil das Gesamtvolumen des Prozessvo- lumens erhöht wird, wodurch ein Erreichen von besonders tiefen Drücken, insbe- sondere im unteren Bereich des Hochvakuums oder gar im Ultrahochvakuum oder tiefer, erschwert werden kann. Erfindungsgemäß wird das Pumpensystem daher dahingehend verbessert, dass eine magnetgelagerte Turbopumpe vorgesehen ist, die bevorzugt im Pumpensys- tem direkt anschließend an das Prozessvolumen angeordnet ist. Dieses direkte Anordnen wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass durch die magnetische La- gerung in dieser Turbopumpe keine Schmiermittel nötig sind, wodurch bei einer Abschaltung der Turbopumpe, auch in einem Fehlerfall wie zum Beispiel einem Stromausfall, die Turbopumpe Teil des Prozessvolumens bleiben kann, ohne die- ses durch diffundierendes Schmiermittel zu kontaminieren. Eine Säugöffnung dieser magnetgelagerten Turbopumpe kann in Bezug auf das Prozessvolumen angepasst und besonders groß ausgebildet sein. Das zu pum- pende Volumen kann dadurch insgesamt verkleinert werden, wodurch ein Errei- chen tiefer Druckbereiche vereinfacht werden kann. Erst anschließend an die magnetgelagerte Turbopumpe kann ein, entsprechend dem Kompressionsverhältnis der magnetgelagerten Turbopumpe wesentlich klei- neres, Schieberventil vorgesehen sein, das nun jedoch nur noch zum vollständi gen Verschließen oder Freigeben vorgesehen ist. Da eine magnetgelagerte Turbopumpe hinsichtlich des erreichbaren Druckniveaus abhängig vom bereitgestellten Vordruck eingeschränkt ist, ist anschließend an das Schieberventil eine weitere, schmiergelagerte Turbopumpe angeordnet, um einen entsprechend niedrigen Startdruck für die magnetgelagerte Turbopumpe zu er- zeugen.
Für den Betrieb können auch weitere, der zweiten Turbopumpe vorgeschaltete Vorpumpen vorgesehen sein, beispielsweise eine Scroll- oder Rootspumpe, be- vorzugt eine Membranpumpe. Da diese schmiergelagerte Turbopumpe nur zum Vorpumpen eingesetzt wird, kann sie jedoch deutlich kleiner ausgebildet sein, als die im Stand der Technik verwendete Turbopumpe. Insgesamt können auf diese Weise Drücke bis zu einem Bereich von 10 10 mbar und geringer bereitgestellt werden.
Durch das oben beschriebene Schieberventil kann im Fehlerfall das schädliche Diffundieren von Schmiermittel der zweiten Turbopumpe ins Prozessvolumen ver- hindert werden. Die beiden Turbopumpen sind somit hintereinandergeschaltet und laufen bevorzugt kontinuierlich.
So lange kein Beschichtungsprozess stattfindet, läuft zumindest die große, mag- netgelagerte Turbopumpe mit voller Drehzahl, und das Schieberventil zwischen den Pumpen ist geöffnet. Es ist hierbei sogar möglich, die kleine schmiergelagerte Turbopumpe durchgehend bei 20% der Nenndrehzahl zu betreiben, ohne dass der insgesamt bereitstellbare Enddruck im Prozessvolumen kompromittiert wird.
Während des Beschichtungsprozesses kann die Druckregelung für die Beschich- tungsatmosphäre nun nicht durch die Variation eines vor der großen Turbopumpe befindlichen Ventils mit variabler Öffnung erreicht werden, sondern durch eine Drehzahlvariation der großen Turbopumpe.
Diese Drehzahl kann bei handelsüblichen Turbopumpen im Bereich von 20% bis 100% präzise (+/-0.01 %) eingestellt werden und erlaubt eine feine Regelung der Pumpleistung im Bereich entsprechend etwa einem Faktor 10 im bereitstellbaren Druck.
Für eine Einstellung eines bestimmten Prozessdrucks eines Prozessgases als Be- schichtungsatmosphäre kann also durch den durch beispielsweise einen Massen- flußregler gesteuerten Zufluß an Prozessgas der Druck im Bereich eines Faktors 2 vorgegeben werden und dann mittels der Drehzahlregelung der magnetgelagerten Turbopumpe fein nachgeregelt werden.
Diese Drehzahlregelung kann durch die Frequenzvorgabe mit der sie arbeitet mit heutiger Mikroprozessorelektronik sehr viel genauer und reproduzierbarer bereit- gestellt werden als eine mechanische Regelung über das Schieberventil gemäß dem Stand der Technik. Mit anderen Worten erfolgt eine Steuerung des Druckni- veaus der Beschichtungsatmosphäre im Inneren des Prozessvolumens bevorzugt nicht mehr über die Stellung des Schieberventils sondern über die Rotationsfre- quenz der magnetgelagerten Turbopumpe unter Berücksichtigung der Zuführrate an Prozessgas durch die Prozessgaszuführung. Dies ermöglicht ein im Vergleich zum Stand der Technik noch genaueres und insbesondere einfacher einstellbare- res Druckniveau im Prozessvolumen.
Die Erfindung betrifft somit auch eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Substrats aus einem Substratmaterial mit zumindest einer Materialschicht aus einem Schichtmaterial, aufweisend eine Prozesskammer mit einem Prozess- volumen zur Aufnahme eines Substrathalters zum ortsfesten Anordnen des Sub- strats im Prozessvolumen, wobei die Prozesskammer eine Kammerwandung zum wenigstens im Wesentlichen vollständigen Umschließen des Prozessvolumens aufweist, ein mit dem Prozessvolumen fluidkommunizierend verbundenes Gassys- tem zum Erzeugen einer Beschichtungsatmosphäre im Prozessvolumen, ferner aufweisend ein Pumpensystem zum Erzeugen eines Unterdrucks im Prozessvo- lumen aufweist, wobei das Pumpensystem eine magnetgelagerte Turbopumpe umfasst, die im Pumpensystem direkt anschließend an das Prozessvolumen an- geordnet ist.
Das Pumpensystem kann wie vorgehend beschrieben weitergebildet werden. Mit tels eines solchen Pumpensystems können die vorstehend beschriebenen Be- schichtungen mit weniger Verunreinigungen auf die Substrate abgelagert werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Prozesskammer für eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten eines Sub- strats aus einem Substratmaterial mit zumindest einer Materialschicht aus einem Schichtmaterial. Eine erfindungsgemäße Prozesskammer ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die Prozesskammer für einen Einsatz in einer Beschichtungsvor- richtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Eine erfindungs- gemäße Prozesskammer nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist für einen Einsatz in einer Beschichtungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfin- dung vorgesehen. Mit anderen Worten kann eine erfindungsgemäße Prozess- kammer gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung in beziehungsweise von be- ziehungsweise mit einer Beschichtungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung verwendet werden. Somit können sämtliche Vorteile und Merkmale, die voranstehend in Bezug auf eine Beschichtungsvorrichtung gemäß dem ersten As pekt der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, auch in Verbindung mit Prozesskammer für eine Beschichtungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Prozesskammer ge- mäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bevorzugt zumindest eines, insbesondere mehrere, bevorzugt alle, Merkmale aufweisen, die voranstehend bereits in Bezug auf eine Prozesskammer einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Ver- fahren zum Beschichten eines Substrats aus einem Substratmaterial mit zumin- dest einer Materialschicht aus einem Schichtmaterial in einer Beschichtungsvor- richtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Ein erfindungsgemäßes Verfah- ren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur zumindest teilweisen Bereitstellung des Schichtmaterials ein Quellenmaterial verwendet wird, welches durch kontinuierli- ches oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliches Laserlicht eines Quellen- heizlasers aufgeheizt und unterhalb einer Plasmaerzeugungsschwelle des Quel- lenmaterials thermisch verdampft und/oder sublimiert wird. Ein erfindungsgemä- ßes Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird in einer Beschich- tungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt. Somit können sämtliche Vorteile, die voranstehend in Verbindung mit einer Beschich- tungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, auch in Verbindung mit einem Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß können diese Vorteile dadurch bereitgestellt werden, dass zur zumindest teilweisen Bereitstellung des Schichtmaterials ein Quellenmaterial ver- wendet wird, welches durch kontinuierliches oder zumindest im Wesentlichen kon- tinuierliches Laserlicht eines Quellenheizlasers der Beschichtungsvorrichtung auf- geheizt und unterhalb einer Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials thermisch verdampft und/oder sublimiert wird. Durch das kontinuierliche oder zu- mindest im Wesentlichen kontinuierliche Einstrahlen des Laserlichts auf das Quel- lenmaterial kann insbesondere bereitgestellt werden, dass eine Temperatur des Quellenmaterials um weniger als 30%, bevorzugt um weniger als 10%, schwankt. Dadurch kann wiederum eine kontinuierliche oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Verdampfungsrate und/oder Sublimationsrate an Quellenmaterial bereitgestellt werden. Durch Einsatz von Laserlicht mit einer Energie unterhalb ei- ner Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials kann ferner ein rein thermi- sches Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials, welches unterhalb der Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials erfolgt, sichergestellt wer- den. Dieses Laserlicht wird bevorzugt über eine Einkoppelvorrichtung bzw. deren Einkoppelabschnitt in ein Prozessvolumen der Beschichtungsvorrichtung einge- koppelt, wodurch auf elektrische Vorrichtungen zum Aufheizen des Quellenmate- rials im Inneren des Prozessvolumens verzichtet werden kann. Sämtliche Ein- schränkungen, die durch derartige elektrische Bauteile im Inneren des Prozessvo- lumens bedingt sind, beispielsweise hinsichtlich einer Wahl eines verwendeten Prozessgases und/oder eines Druckniveaus der Beschichtungsatmosphäre, kön- nen auf diese Weise verhindert werden.
Besonders bevorzugt kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Quellenmaterial durch ein direktes Einstrahlen des Laserlichts auf eine Quellenoberfläche des Quellenmaterials unmittelbar durch das Laserlicht aufge- heizt und thermisch verdampft und/oder sublimiert wird. Eine besonders gute Übertragung von Energie aus dem Laserlicht des Quellenheizlasers in das Quel- lenmaterial, insbesondere beispielsweise ohne ein zwischengeschaltetes Aufhei- zen eines das entsprechende Quellenmaterial aufnehmenden Quellentiegels, kann somit bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann zudem sichergestellt wer- den, dass die Quellenoberfläche einer der heißesten Punkte im Prozessvolumen darstellt. Auf diese Weise kann eine Reinheit des Quellenmaterials über den ge- samten Beschichtungsprozess bereitgestellt werden.
Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass durch Laserlicht eines Substratheizlasers das Substratmaterial des Substrats auf- geheizt wird, insbesondere durch direktes Einstrahlen unmittelbar aufgeheizt wird, wobei bevorzugt Laserlicht verwendet wird, das dem Substratmaterial angepasst ausgebildet ist und/oder eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wel- lenlänge von 106 m bis 104 m aufweist.
Eine Substratheizung, wie sie durch den Lichtstrahl aus Laserlicht des Sub- stratheizlasers bereitgestellt wird, ermöglicht in einem erfindungsgemäßen Verfah- ren, dass analog zum Quellenmaterial auch das Substratmaterial aufgeheizt wer- den kann, ohne dass elektrische Bauteile im Prozessvolumen vorhanden sein müssen, mit allen in Bezug auf die Heizung des Quellenmaterials bereits be- schriebenen Vorteilen. Auch kann bereitgestellt werden, dass neben dem Quel- lenmaterial das Substrat selbst als einer der heißesten Orte im Prozessvolumen ausgebildet werden kann. Ein Erzeugen einer Beschichtung des Substrats mit ei- nem Schichtmaterial von besonderer Reinheit kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Ein geheiztes Substrat ermöglicht darüber hinaus auch ein besonders gleichmäßi- ges Wachstum der Materialschicht, da das aufgedampfte Schichtmaterial dem aufgeheizten Substrat kinetische Energie entziehen kann, um sich möglichst gleichmäßig auf der Substratoberfläche zu verteilen.
Bevorzugt wird als Substratheizlaser ein Laser mit einer größeren Wellenlänge als der Quellenheizlaser verwendet, da die zumeist verwendeten Substrate entspre- chend andere Absorptionseigenschaften aufweisen als die Quellenmaterialien. So kann beispielsweise für ein Substrat, das eine Keramik und/oder selbst ein Oxid ist, ein langwelliger Laser von beispielsweise einer Wellenlänge von 10 pm einge- setzt werden. Insbesondere kann beispielsweise für im Sichtbaren transparente Substratmaterialien ein CO2-Laser als Substratheizlaser eingesetzt werden.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass durch das Gassystem der Beschichtungsvorrichtung im Prozessvolumen eine Be- schichtungsatmosphäre mit einem Druck zwischen 10 10 mbar und 1 mbar, bevor- zugt kleiner 103 mbar, bereitgestellt wird.
Wie oben beschrieben, kann durch den Einsatz von Laserlicht zum Aufheizen und thermischen Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials auf elektri sche Vorrichtungen zum Aufheizen des Quellenmaterials im Inneren des Prozess- volumens verzichtet werden. Auf diese Weise ist es möglich, unabhängig und je nach gewünschtem herzustellenden Schichtmaterial eine Beschichtungsat- mosphäre im Prozessvolumen zu erzeugen, wobei insbesondere auch der ent- sprechende Druck der Beschichtungsatmosphäre über einen weiten Bereich, ins- besondere zwischen 10 1° mbar und 1 mbar, passend auf das zu erzeugende Schichtmaterial eingestellt werden kann. Eine besonders vielseitige und ange- passte Beschichtungsatmosphäre, insbesondere hinsichtlich ihres Druckniveaus kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Bevorzugt kann beispielsweise das Druckniveau auf eine mittlere freie Weglänge der thermisch verdampften und/oder sublimierten Quellenmaterialien im Prozess- volumen eingestellt werden, zum Beispiel ein Druckniveau von etwa 103 mbar bei einer Entfernung zwischen den Quellenoberflächen der Quellenmaterialien und dem zu beschichtenden Substrat von 60 mm. Dies hat den weiteren Vorteil, dass ein Bedampfen des Einkoppelabschnitts, ins- besondere beispielsweise eine Belegung der Eintrittsfenster, zusätzlich reduziert wird, da Quellmaterialteilchen vor dem Erreichen des Einkoppelabschnitts bezie- hungsweise des Eintrittsfensters mehrfach am Prozessgas gestreut werden und damit nicht mehr konzentriert gerichtet, sondern homogen über die gesamte In- nenseite der Kammerwandung der Prozesskammer gemittelt dort auftreffen oder auch zusammen mit dem Prozessgas aus der Prozesskammer abgepumpt wer- den.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass das Gassystem der Beschichtungsvorrichtung im Prozessvolumen eine Beschichtungsatmosphäre mit einem an das Schichtmaterial der Materialschicht angepassten gasförmigen Stoff als Prozessgas bereitgestellt wird, insbesondere mit molekularem Sauerstoff und/oder Ozon und/oder Stickstoff und/oder gasförmi- gen Selenverbindungen und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen als Pro- zessgas.
Grundsätzlich und prinzipiell kommen als Prozessgas alle gasförmigen Stoffe in Betracht. Insbesondere wird im Sinne der Erfindung auch jegliches Restgas, das bei einem Bereitstellen von niedrigen Drücken im Bereich von 103 mbar oder ge- ringer im Prozessvolumen verbleibt, als durch das Gassystem bereitgestelltes Prozessgas verstanden.
Durch eine entsprechende Wahl eines Prozessgases kann eine Herstellung von einigen Schichtmaterialien für Materialschichten zum Beschichten des Substrats begünstigt oder sogar erst ermöglicht werden. So kann beispielsweise molekularer Sauerstoff und/oder Ozon als Teil des Prozessgases ermöglichen, Oxide als Schichtmaterial der Materialschicht zu erzeugen, da die zur Bildung der Oxide nö- tigen Oxidationsprozesse diesen Sauerstoff benötigen, der durch molekularen Sauerstoff und/oder Ozon bereitgestellt werden kann.
Analog kann durch eine Bereitstellung von Stickstoff, sowohl molekularem Stick stoff als auch ionisiertem Stickstoff, eine Bildung von Nitriden als Schichtmaterial ermöglicht werden. Gasförmige Selenverbindungen und/oder Schwefelverbindun- gen stellen hochreaktive Prozessgase dar, die beispielsweise bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt werden können. Auch für diese hochreaktiven und ag- gressiven Prozessgase ist es vorteilhaft, dass durch die Verwendung von Licht strahlen eines Quellenheizlasers für das Aufheizen und thermische Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials auf elektrische Bauteile im Inneren des Prozessvolumens, und damit den hochreaktiven Prozessgasen der Beschich- tungsatmosphäre ausgesetzt, verzichtet werden kann.
Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass als Schichtmaterial ein Oxid mit Perowskit-Struktur, insbesondere ein mit zumindest einem Dotierungselement dotiertes Oxid mit Perowskit-Struktur, er- zeugt wird, das Oxid umfassend ein erstes Metallelement und ein zweites Me- tallelement, wobei das erste Metallelement und das zweite Metallelement, insbe- sondere auch das zumindest eine Dotierungselement, als Quellenmaterial bereit- gestellt werden, bevorzugt in jeweils einem Quellentiegel bereitgestellt werden, und molekularer Sauerstoff und/oder Ozon als Prozessgas in der Beschichtungs- atmosphäre verwendet werden. Insgesamt kommen grundsätzlich als Quellmaterial für die Materialsynthese mit- tels thermischer Laserverdampfung alle festen oder flüssigen Elemente und Stoffe in Betracht, wobei die Verdampfung auch als Sublimation aus der festen Phase erfolgen kann, und wobei gleichzeitig für das eingesetzte Prozessgas alle gasför- migen Stoffe verwendet werden können.
Ferner können durch ein erfindungsgemäßes Verfahren somit als Schichtmaterial prinzipiell alle festen und flüssigen Elemente, Verbindungen und Stoffgemische erzeugt werden. Insbesondere ist durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mög- lich, Materialschichten mit epitaktisch orientierten, kristallinen Festkörpern als Schichtmaterial herzustellen.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann das erste Metallelement bspw. Strontium umfassen, das zweite Metallelement kann bspw. Titan umfassen und, falls verwendet kann das Dotierungselement Niob umfassen.
Insbesondere kann als Oxid ein mit Niob dotiertes Strontiumtitanat mit Strontium als erstem Metallelement, Titan als zweitem Metallelement und Niob als Dotie- rungselement erzeugt werden.
Komplexe Oxide wie Strontiumtitanat sind mittels MBE besonders schwierig her- zustellen. Dies ist insbesondere darin begründet, dass als Beschichtungsat- mosphäre zumeist ein Prozessgas benötigt wird, durch das Oxidationsprozesse, die zur Bildung der Oxide nötig sind, erfolgen können, beispielsweise Sauerstoff und/oder Ozon. In PLD sind derartige Oxide mit Perowskit-Struktur als Schichtma- terialien zwar grundsätzlich herstellbar, allerdings ist es durch die Ablation, die das Kernstück der PLD darstellt, oftmals nicht möglich, die speziell gewünschte Stöch- iometrie des jeweiligen Oxids bereitzustellen. Dies ist insbesondere darin begründet, da hierfür oftmals ein Überangebot einer volatileren Komponente des Oxids benötigt wird. Insbesondere kann mit PLD, wie oben bereits beschrieben, auch eine Dotierung eines derartigen Oxids mit
Perowskit-Struktur nur schwer bereitgestellt werden, wobei eine modulierte und/oder variable Dotierung mit PLD als Beschichtungsverfahren unmöglich oder zumindest im Wesentlichen unmöglich ist. Durch den Einsatz eines erfindungsge- mäßen Verfahrens kann ein derartiges Oxid mit Perowskit-Struktur als Schichtma- terial erzeugt werden, insbesondere auch mit einer veränderlichen Dotierung.
Dies ist insbesondere dadurch begründet, dass zum einen durch das thermische Verdampfen und/oder Sublimieren der Quellenmaterialien mit variabler Tempera- tur, und einem eventuellen Zu- beziehungsweise Wegschalten der einzelnen Quel- lenmaterialien durch entsprechende Shutterblenden, die nötige Kontrolle über die Stöchiometrie bei der Erzeugung der Materialschicht bereitgestellt werden kann. Zum anderen kann gleichzeitig durch den Einsatz von Lichtstrahlen eines Quel- lenheizlasers zum Aufheizen und thermischen Verdampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials auf elektrische Komponenten im Prozessvolumen und damit der Beschichtungsatmosphäre ausgesetzt verzichtet werden, wodurch Einschrän- kungen bei der Wahl der Parameter der Beschichtungsatmosphäre zumindest wei- testgehend vermieden werden können und diese somit ideal auf das herzustellen- de Oxid angepasst gewählt und eingestellt werden kann, sowohl hinsichtlich eines verwendeten Prozessgases als auch eines eingesetzten Druckniveaus. Darüber hinaus kann unter absorptionskontrollierten Bedingungen gewachsen werden, bei denen sich aus einem Überangebot der volatilen Komponente der abzuscheiden- den Verbindung bei endlicher Desorption die optimale Materialzusammensetzung selbstjustierend ergibt. Statt einer kann es auch mehrere volatile Komponenten geben, die nicht nur Elemente, sondern auch Verbindungen umfassen können. Insbesondere können sogar alle Komponenten der abzuscheidenden Schicht vola- til sein, sodass der Prozess beliebig nahe am Gleichgewicht, d.h. an dem Punkt, bei dem überhaupt erst eine Abscheidung von Material auf der Oberfläche be- ginnt, gefahren werden kann. Dies ist interessant für Schichten aus reinen Ele- menten (z.B. Graphen) oder Verbindungen (sogenannte 2D-Materialien wie z.B. Bornitrid), bei denen die erste Keimbildung (Nukleation) möglichst langsam erfol- gen soll, damit die einzelnen daraus entstehenden zweidimensionalen Kristalle möglichst groß werden.
Zusammenfassend kann somit durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbe- sondere durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erfin- dungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung, ein prinzipiell beliebiges Material wie zum Beispiel ein Oxid mit Perowskit-Struktur als Schichtmaterial zur Beschichtung eines Substrats bereitgestellt werden, wobei insbesondere auch eine Dotierung dieses Materials beziehungsweise Oxids, bevorzugt auch eine variable und/oder modulierte Dotierung, ermöglicht werden kann. Ein besonderes Beispiel eines derartigen Oxids stellt beispielsweise Strontiumtitanat dar, insbesondere mit einer modulierten Niobdotierung.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Substrat beschichtetet mit zumindest einer Materialschicht, aufweisend das Sub- strat aus einem Substratmaterial, das mit zumindest einer Materialschicht aus ei- nem Schichtmaterial beschichtet ist. Ein erfindungsgemäßes beschichtetes Sub- strat ist dadurch gekennzeichnet, dass das mit zumindest einer Materialschicht beschichtete Substrat in einer Beschichtungsvorrichtung gemäß dem ersten As pekt der Erfindung und/oder unter Verwendung eines Verfahrens gemäß dem drit ten Aspekt der Erfindung hergestellt ist. Eine Herstellung eines erfindungsgemä- ßen beschichteten Substrats gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung erfolgt so- mit unter Verwendung einer Beschichtungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder unter Verwendung eines Verfahrens zum Beschichten ei- nes Substrats gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. Somit können sämtliche Vorteile und Merkmale, die voranstehend in Bezug auf eine Beschichtungsvorrich- tung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beziehungsweise in Bezug auf ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ausführlich beschrieben wor- den sind, auch in Verbindung mit einem beschichteten Substrat gemäß dem vier- ten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden in Bezug auf Figuren beschrieben. Elemente mit gleicher Funktions- und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigt schema- tisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung
Fig. 2 eine Prozesskammer einer erfindungsgemäßen Beschich- tungsvorrichtung,
Fig. 3 eine erste Ausgestaltungsform einer Lasereinstrahlung,
Fig. 4 eine zweite Ausgestaltungsform einer Lasereinstrahlung,
Fig. 5 eine dritte Ausgestaltungsform einer Lasereinstrahlung,
Fig. 6 einen Lichtstrahl mit einer Heizstrahlblende,
Fig. 7 einen Quellenhalter, und
Fig. 8 eine spezielle Quellentiegelausgestaltung.
Fig. 1 zeigt den wesentlichen äußeren Aufbau einer erfindungsgemäßen Be- schichtungsvorrichtung 1 , die zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfah- rens ausgebildet ist. So weist die erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung 1 insbesondere eine Prozesskammer 10, bevorzugt eine erfindungsgemäße Pro- zesskammer 10, auf, die das Herzstück der Anlage bildet. Im Inneren der Pro- zesskammer 10 findet der Beschichtungsvorgang statt, in dieser Abbildung nicht sichtbar. Ein möglicher innerer Aufbau einer insbesondere erfindungsgemäßen Prozesskammer 10 beziehungsweise des Prozessvolumens 12 (nicht mit abgebil- det) ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Gassystem 30 sorgt für eine Beschichtungsat- mosphäre 40 (nicht mit abgebildet) im Inneren der Prozesskammer 10. Dazu weist das Gassystem 30 insbesondere eine Prozessgaszuführung 32 auf, durch die ein Prozessgas 42 ins Innere der Prozesskammer 10 geleitet werden kann. Ein Pum- pensystem 34, insbesondere aufweisend eine direkt anschließend an die Pro- zesskammer angeordnete magnetgelagerte Turbopumpe 36, erzeugt das nötige Druckniveau im Inneren der Prozesskammer 10. Bevorzugt können insbesondere Druckniveaus über einen weiten Bereich an Drücken durch ein erfindungsgemä- ßes Pumpensystem bereitgestellt werden, beispielsweise mit einem Druck zwi- schen 10 10 mbar und 1 mbar, bevorzugt kleiner 103 mbar.
Erfindungswesentlich ist bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1 vorgesehen, dass das Quellenmaterial 66 (nicht mit abgebildet) durch Lichtstrah- len 86 aus Laserlicht 84 eines Quellenheizlasers 80 aufgeheizt und thermisch ver- dampft und/oder sublimiert werden kann. Der zumindest eine Quellenheizlaser 80 ist insbesondere ein Element der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1. Über einen Einkoppelabschnitt 20 einer Einkoppelvorrichtung 18 kann dieses La- serlicht 84, hier gezeigt aufgespaltet in drei Lichtstrahlen 86, ins Innere der Pro- zesskammer 10 geleitet werden.
Ferner ist ein Substratheizlaser 82 gezeigt, durch den, ebenfalls eingekoppelt über einen Einkoppelabschnitt 20 der Einkoppelvorrichtung 18, im Inneren der Pro- zesskammer 10 ein Substrat 52 (nicht mit abgebildet) aufgeheizt werden kann. Durch die Verwendung von extern zugeführtem Laserlicht 84 kann insbesondere bereitgestellt werden, dass im Innern der Prozesskammer 10 zumindest im We- sentlichen auf elektrische Bauteile verzichtet werden kann. Einschränkungen, die durch diese elektrischen Bauelemente, wie sie beispiels- weise bei MBE benötigt sind, hinsichtlich eines Drucks der Beschichtungsat- mosphäre 40 bzw. einer Wahl des Prozessgases 42 bedingt sind, können auf die- se Weise bei einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1 vermieden werden. So können beispielsweise Beschichtungsatmosphären 40 mit dem oben bereits aufgeführten weiten Druckbereich von 10 10 mbar bis 1 mbar eingesetzt werden, wobei zumindest im Wesentlichen ohne Beschränkung auch hoch korro- sive Prozessgase 42 wie beispielsweise molekularer Sauerstoff und/oder Ozon und/oder Stickstoff und/oder gasförmige Selenverbindungen und/oder gasförmige Schwefelverbindungen verwendet werden können. Dies ermöglicht beispielsweise eine Bereitstellung von Oxiden mit Perowskit-Struktur auch und insbesondere mit modulierter Dotierung, zum Beispiel Strontiumtitanat mit einer modulierten Niob- Dotierung.
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Aufbau im Inneren der Prozesskammer 10 und da- mit des Prozessvolumens 12 einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1. Die Prozesskammer 10, insbesondere deren Kammerwandung 14, bildet das Prozessvolumen 12, in dem die Beschichtungsatmosphäre 40, bestehend aus ei- nem Prozessgas 42 mit einem bestimmten Druckniveau, angeordnet ist.
Die Kammerwandung 14 kann, wie hier gezeigt, mehrlagig ausgeführt sein, wodurch innerhalb der Prozesskammer 10 beziehungsweise des Vakuums ein Kühlschild gebildet wird, das im Betrieb mit zum Beispiel Flüssigstickstoff befüllt und damit auf etwa 77 K gekühlt werden kann. Dieses Kühlschild bildet, wie im Stand der Technik der MBE, eine thermische Abschirmung und reduziert durch Ausfrieren von Verunreinigungen die Partialdrücke von ungewollten Elementen und Verbindungen im Restgas bzw. der Beschichtungsatmosphäre 40. Die Innenseite 16 der Kammerwandung 14 umschließt das Prozessvolumen 12 zumindest im Wesentlichen vollständig, wobei Durchführungen durch die Kam- merwandung 14 zum Begrenzen und Halten der Beschichtungsatmosphäre 40 im Prozessvolumen 12 geschlossen und abgedichtet sind. Im Inneren des Prozess- volumens 12 ist ein Substrathalter 50 mit einem Substrat 52 angeordnet. Ferner ist im Inneren des Prozessvolumens 12 ein Quellenhalter 60 angeordnet, der, wie gezeigt, mehrere Quellentiegel 62 mit bevorzugt verschiedenen Quellenmateria- lien 66 halten kann. In alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltungsformen einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1 , in Fig. 2 nicht dargestellt, kön- nen geeignete Quellenmaterialien 66 auch ohne Quellentiegel 62 im Quellenhalter 60 angeordnet sein, beispielsweise in stab- und/oder stangenförmigen Ausgestal- tungen.
Gezeigt ist ferner der Quellenheizlaser 80 der erfindungsgemäßen Beschich- tungsvorrichtung 1 , dessen drei Lichtstrahlen 86 an Laserlicht 84 den einzelnen Quellenmaterialien 66 in den Quellentiegeln 62 zugeordnet sind und diese bevor- zugt direkt und unmittelbar bestrahlen, um diese aufzuheizen und thermisch zu verdampfen und/oder zu sublimieren.
Hierbei ist der Quellenheizlaser 80 zum kontinuierlichen oder zumindest im We- sentlichen kontinuierlichen Bereitstellen von Laserlicht 84 ausgebildet. Dies er- möglicht, das jeweilige Laserlicht 84 kontinuierlich oder zumindest im Wesentli- chen kontinuierlich auf das entsprechende Quellenmaterial 66 einzustrahlen, ins- besondere um einen besonders gleichbleibenden und Steuer- oder regelbaren Energieeintrag des Laserlichts 84 in das entsprechende Quellenmaterial 66 be- reitzustellen. Eine gleichbleibende und/oder Steuer- und regelbare Temperatur des jeweiligen Quellenmaterials 66 und damit eine daraus folgende Verdampfungsrate und/oder Sublimationsrate kann auf diese Weise ermöglicht werden. Darüber hin- aus ist eine Energie des Laserlichts 84 des Quellenheizlasers 80 derart eingestellt, dass eine Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials 66 durch das Laser- licht 84 nicht erreicht wird. Mit anderen Worten wird beim Auftreffen des Laser- lichts 84 auf das Quellenmaterial 66 kein Plasma erzeugt. Ein rein thermisches Verdampfen und/oder Sublimieren des jeweiligen Quellenmaterials 66 kann dadurch sichergestellt werden.
Bevorzugt können, wie dargestellt, der Substrathalter 50 und der Quellenhalter 60 einander direkt gegenüber angeordnet sein, wodurch ein besonders gutes Ver- dampfen und/oder Sublimieren des Quellenmaterials 66 bzw. Aufdampfen des Quellenmaterials 66 auf das Substrat 52 erfolgen kann.
Darüber hinaus kann bevorzugt eine Intensität und/oder Wellenlänge des jeweil i- gen Laserlichts 84 für das entsprechende Quellenmaterial 66 angepasst ausgebil- det sein, um das Aufheizen und insbesondere das thermische Verdampfen und/oder Sublimieren des jeweiligen Quellenmaterials 66 weiter zu verbessern. Parameter des Laserlichts 84 können beispielsweise eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wellenlänge von 108 m bis 105 m sein.
Eine besonders gute Anpassung des jeweils eingesetzten Laserlichts 84 auf das entsprechende Quellenmaterial 66 kann dadurch bereitgestellt werden. Die Licht- strahlen 86 können darüber hinaus einen Fokusbereich 90 aufweisen, der, wie dargestellt, für die einzelnen Lichtstrahlen 86 bevorzugt auch überlappen kann. Angepasst an diesen überlappenden Fokusbereich 90 ist eine Heizlaserblende 100 mit einer Blendenöffnung 102 angeordnet. Hierbei kann bevorzugt wiederum vorgesehen sein, dass die Blendenöffnung 102 vom Lichtstrahl 86 des Quellenheizlasers 80 selbst in die Heizlaserblende 100 eingebracht worden ist. Wie deutlich sichtbar, kann die Heizlaserblende 100 zwi- schen dem Quellenhalter 60 und dem Einkoppelabschnitt 20 der Einkoppelvorrich- tung 18 angeordnet sein, wodurch ein Auftreffen vom verdampften und/oder sub- limierten Quellenmaterial 66 auf den Einkoppelabschnitt 20 verringert oder sogar vollständig vermieden werden kann.
Diese Anordnung ist ferner auch in Fig. 3 gezeigt, in der die drei Lichtstrahlen 86 an Laserlicht 84 noch besser erkennbar sind. Darüber hinaus ist in Fig. 3 deutlich erkennbar, dass die drei Lichtstrahlen 86 durch einen gemeinsame Einkoppelab- schnitt 20 der Einkoppelvorrichtung 18 ins Prozessvolumen 12 bzw. in die Be- schichtungsatmosphäre 40 eingeleitet werden können. Auch ist deutlich erkenn- bar, dass durch die Heizlaserblende 100 der direkte Weg zwischen dem Quellen- halter 60 und dem Einkoppelabschnitt 20 bis auf den kleinen Bereich der Blen- denöffnung 102 durch die Heizlaserblende 100 abgedeckt ist. Verdampftes und/oder sublimiertes Material des Quellenmaterials 66 wird somit vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig auf der Heizlaserblende 100 angelagert und gelangt nicht bis zum Einkoppelabschnitt 20.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform, in der nun auf dem Quellenhalter 60 im Gegensatz zu Fig. 3 sechs verschiedene Positionen für Quellenmaterialien 66 vorgesehen sind, von denen in der gezeigten Abbildung jedoch nur drei mit Quellenmaterial 66 in Quellentiegeln 62 belegt sind. Zur Bestrahlung der Quellen- tiegel 62 jeweils mit einem separaten Lichtstrahl 86 an Laserlicht 84 ist nun vorge- sehen, dass diese Lichtstrahlen 86 von zwei verschiedenen Seiten her auf den Quellenhalter 60 einstrahlen. Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass die Ein- koppelvorrichtung 18 zwei voneinander getrennte Einkoppelabschnitte 20 aufweist (nicht mit abgebildet).
Jedes dieser Tripel an Lichtstrahlen 86 aus Laserlicht 84 des Quellenheizlasers 80 weist wiederum einen gemeinsamen Fokusbereich 90 auf, an dem entsprechend jeweils wieder die Blendenöffnung 102 einer Heizlaserblende 100 angeordnet ist. Insgesamt kann auf diese Weise das Substrat 52 im Substrathalter 50 wieder ge- genüber und parallel zu den Quellenmaterialien 66 im Quellenhalter 60 angeord- net werden und darüber hinaus mit einer großen Bandbreite an verschiedenen Quellenmaterialien 66 beschichtet werden. Insbesondere kann unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1 und/oder unter Einsatz ei- nes erfindungsgemäßen Verfahrens ein erfindungsgemäßes Substrat 52, welches mit zumindest einer Materialschicht 56 beschichtet ist (vgl. Fig. 8) hergestellt wer- den. Wie dargestellt, können die beiden Einkoppelabschnitte 20 der Einkoppelvorrich- tung 18 bevorzugt derart angeordnet sein, dass die Raumebenen 114 (nicht mit abgebildet), welche jeweils der Lichtstrahl 86, der durch einen der getrennten Ein- koppelabschnitte 20 in das Prozessvolumen 12 geleitet ist, und die Flächennorma- le 112 zur Tiegeloberfläche 64 des entsprechenden Quellentiegels 62 und/oder zur Quellenoberfläche 68 des Quellenmaterials 66 im entsprechenden Quellentie- gel 62 aufspannen, einen Winkel kleiner 180°, bevorzugt zwischen 90° und 150°, besonders bevorzugt von 120° einschließen.
Zur besseren Übersicht ist nur eine Tiegeloberfläche 64 beziehungsweise eine Quellenoberfläche 66 sowie nur eine der Flächennormalen 112 abgebildet. Ein
Reflektieren eines Lichtstrahls 86 aus einem Einkoppelabschnitt 20 kommend zum anderen Einkoppelabschnitt 20 kann dadurch vermieden werden.
In Fig. 5 ist schematisch ebenfalls ein Quellentiegel 62 mit angeordnetem Quel- lenmaterial 66 gezeigt. Ein Lichtstrahl 86 eines Laserlichts 84 ist derart ins Pro- zessvolumen 12 eingeleitet, dass er unter einem Einstrahlwinkel 110, insbesonde- re einem Einstrahlwinkel 110 zwischen 30° und 70°, bevorzugt 50°, auf die Quel- lenoberfläche 68 des Quellenmaterials 66 bzw., wenn entsprechend aufgeweitet, auf eine Tiegeloberfläche 64 des Quellentiegels 62 trifft. Wie in Bezug auf Fig. 4 bereits beschrieben, kann es Vorkommen, dass das Laserlicht 84 reflektiert wird, wie es in Fig. 5 gestrichelt angedeutet ist.
Um ein Aufheizen einer Kammerwandung 14 durch das reflektierte Laserlicht 84 zu verhindern, ist auf einer Innenseite 16 der Kammerwandung 14 ein Strahlfän- ger 22 angeordnet. Der Anordnungsort des Strahlfängers 22 liegt insbesondere bevorzugt in einer Raumebene 114, die durch die Flächennormale 112 und die Lichtrichtung 88 des Laserlichts 86 aufgespannt wird. Ferner ist der Anordnungs- ort entsprechend dem Einstrahlwinkel 110, der zumindest im Wesentlichen auch der Reflexionswinkel ist, festgelegt. Durch den Strahlfänger 22, der auch gekühlt ausgebildet sein kann, kann ein Aufheizen der Kammerwandung 14 und dadurch eine mögliche Verunreinigungsquelle im Inneren des Prozessvolumens 12 ver- mieden werden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Lichtstrahls 86 an Laserlicht 84, kommend vom Quellenheizlaser 80, wiederum in der Raumebene 114, die bereits in Fig. 5 beschrieben wurde. Besonders deutlich sichtbar ist, dass senkrecht zur Lichtrichtung 88 der Lichtstrahl 86 am Fokusbereich 90 seine geringste Ausdeh- nung aufweist. Entsprechend ist die Heizlaserblende 100 mit ihrer Blendenöffnung 102 an diesem Fokusbereich 90 angeordnet. Quellenmaterial 66, das durch das eingestrahlte Laserlicht 84 verdampft und/oder sublimiert, wird somit fast vollstän- dig von der Heizlaserblende 100 abgefangen und kann somit den Einkoppelab- schnitt 20 der Einkoppelvorrichtung 18 nicht erreichen. Eine Lebensdauer des Einkoppelabschnitts 20, insbesondere einem Einkoppelfenster als Teil des Ein- koppelabschnitts 20, kann auf diese Weise verlängert werden.
In Fig. 7 sind mögliche Ausgestaltungsformen von Quellentiegel 62 in einem Quel- lenhalter 60 gezeigt. Die beiden Quellentiegel 62 sind jeweils mit einem verschie- denen Quellenmaterial 66 gefüllt, wobei eines der Quellenmaterialien 66 direkt und unmittelbar durch einen Lichtstrahl 86 von Laserlicht 84 eines Quellenheizla- sers 80 bestrahlt, aufgeheizt und thermisch verdampft und/oder sublimiert wird. Eine Temperatur des jeweiligen Quellenmaterials 66 kann durch ein Thermoele- ment 70 in seiner Messposition 72 ermittelt werden. Für eine Bewegung, bei- spielsweise einen Austausch, des Quellenhalters 60 können die Thermoelemente 70 einen bewegbaren Befestigungsabschnitt 76 aufweisen, wodurch die Thermo- elemente 70 aus ihrer Messposition 72 in eine Freigabeposition 74 verfahren wer- den können. Eine Behinderung einer Bewegung des Quellenhalters 60 durch die Thermoelemente 70 kann auf diese Weise vermieden werden. Alternativ oder zu- sätzlich kann auch ein Mechanismus vorgesehen sein, bei dem die Thermoele- mente 70 fest, beziehungsweise im Wesentlichen fest in der Messposition 72 be- festigt sind, und der lösbare Kontakt zu den Unterseiten der Quellentiegel 62 durch Absenken bzw. Anheben des Quellenhalters 60 bei einem Transfer erreicht wird (nicht mit abgebildet). Fig. 8 zeigt nun eine alternative Ausgestaltungsform von Quellentiegeln 62 und darin angeordneten Quellenmaterial 66. Im Gegensatz zu den in Fig. 7 gezeigten Quellentiegeln sind diese Quellentiegel 62 in Fig. 8 mit größerer Tiefe ausgebildet. Eine entsprechend größere Menge an Quellenmaterial 66 kann in diesen alternati ven Quellentiegeln 62 angeordnet sein.
Ebenfalls in Fig. 8 abgebildet ist eine Shutterblende 24, mit der, wie gestrichelt dargestellt, verdampftes und/oder sublimiertes Quellenmaterial 66 abgefangen und dadurch ein Bedampfen des Substratmaterials 54 des Substrats 52 ein- bzw. abgeschaltet werden kann. Das Schichtmaterial 58 der Materialschicht 56, die in einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung 1 (nicht mit abgebildet) bzw. durch ein erfindungsgemäßes Verfahren auf dem Substratmaterial 54 des Sub- strats 52 erzeugt wird, kann auf diese Weise besonders gut und stöchiometrisch genau kontrolliert werden. Ferner ist in Fig. 8 ein Substratheizlaser 82 gezeigt, durch den das Substrat 52 erwärmt bzw. aufgeheizt werden kann. Darüber hinaus ist auch wiederum der Quellenheizlaser 80 mit einem Lichtstrahl 86 an Laserlicht 84 und eine Heizlaserblende 100 mit Blendenöffnung 102 gezeigt.
Bezugszeichenliste
1 Beschichtungsvorrichtung
10 Prozesskammer
12 Prozessvolumen
14 Kammerwandung
16 Innenseite
18 Einkoppelvorrichtung
20 Einkoppelabschnitt
22 Strahlfänger
24 Shutterblende
30 Gassystem
32 Prozessgaszuführung
34 Pumpensystem
36 Turbopumpe
40 Beschichtungsatmosphäre
42 Prozessgas
50 Substrathalter
52 Substrat
54 Substratmaterial
56 Materialschicht
58 Schichtmaterial
60 Quellenhalter
62 Quellentiegel 64 Tiegeloberfläche
66 Quellenmaterial
68 Quellenoberfläche 70 Thermoelement
72 Messposition
74 Freigabeposition
76 Befestigungsabschnitt 80 Quellenheizlaser
82 Substratheizlaser
84 Laserlicht
86 Lichtstrahl
88 Lichtrichtung
90 Fokusbereich
100 Fleizlaserblende
102 Blendenöffnung 1 10 Einstrahlwinkel 1 12 Flächennormale 114 Raumebene

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtungsvorrichtung (1 ) zum Beschichten eines Substrats (52) aus einem Substratmaterial (54) mit zumindest einer Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58), aufweisend eine Prozesskammer (10) mit ei- nem Prozessvolumen (12) zur Aufnahme eines Substrathalters (50) zum ortsfesten Anordnen des Substrats (52) im Prozessvolumen (12), wobei die Prozesskammer (10) eine Kammerwandung (14) zum wenigstens im We- sentlichen vollständigen Umschließen des Prozessvolumens (12) aufweist, ein mit dem Prozessvolumen (12) fluidkommunizierend verbundenes Gas- system (30) zum Erzeugen einer Beschichtungsatmosphäre (40) im Pro- zessvolumen (12), einen im Prozessvolumen (12) angeordneten Quellen- halter (60) mit zumindest einem Quellenmaterial (66), das Quellenmaterial (66) bevorzugt aufgenommen in einem Quellentiegel (62), wobei ferner der Quellenhalter (60) und der Substrathalter (50) derart relativ zueinander an- geordnet sind, dass thermisch verdampftes und/oder sublimiertes Quellen- material (66) auf dem Substrat (52) anlagerbar ist zum wenigstens teilwei- sen Bilden des Schichtmaterials (58) der Materialschicht (56), ferner auf- weisend einen Quellenheizlaser (80),
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Quellenheizlaser (80) zum kontinuierliche oder zumindest im Wesentli- chen kontinuierlichen Bereitstellen von Laserlicht (84) ausgebildet ist, und die Prozesskammer (10) eine Einkoppelvorrichtung (18) mit zumindest ei- nem Einkoppelabschnitt (20) in der Kammerwandung (14) zum Leiten von Laserlicht (84) eines Quellenheizlasers (80) in das Prozessvolumen (12) aufweist, wobei das Laserlicht (84) im Prozessvolumen (12) zumindest ab- schnittsweise als Lichtstrahl (86) vorliegt und das Quellenmaterial (66) durch das Laserlicht (84) aufheizbar und unterhalb einer Plasmaerzeu- gungsschwelle des Quellenmaterials (66) thermisch verdampfbar und/oder sublimierbar ist.
2. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Quellenmaterial (66) durch ein direktes Einstrahlen des Laserlichts (84) auf eine Quellenoberfläche (68) des Quellenmaterials (66) unmittelbar durch das Laserlicht (84) aufheizbar und thermisch verdampfbar und/oder sublimierbar ist.
3. Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Lichtstrahl (86) mit einer Flächennormalen (112) zu einer Tiegeloberflä- che (64) des Quellentiegels (62) mit Quellenmaterial (66) und/oder mit einer Flächennormalen (112) zu einer Quellenoberfläche (68) des Quellenmateri- als (66) einen Einstrahlwinkel (110) zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 70°, bevorzugt 50°, einschließt.
4. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
eine Intensität und/oder eine Wellenlänge des Laserlichts (84) an das ent- sprechende Quellenmaterial (66) angepasst ausgebildet ist, wobei bevor- zugt das Laserlicht (84) eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wellenlänge von 108 m bis 105 m aufweist.
5. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Prozesskammer (10) an einer Innenseite (16) der Kammerwandung (14) zumindest einen Strahlfänger (22) zum wenigstens teilweisen Absorbieren von reflektiertem Laserlicht (84), insbesondere von an der Tiegeloberfläche (64) des Quellentiegels (62) und/oder an der Quellenoberfläche (68) des Quellenmaterials (66) reflektiertem Laserlicht (84), aufweist, wobei der Strahlfänger (22) in einer Raumebene (114), welche der Lichtstrahl (86) und die Flächennormale (112) zur Tiegeloberfläche (64) des Quellentiegels (62) und/oder zur Quellenoberfläche (68) des Quellenmaterials (66) aufspannen, und an einem entsprechend dem Einstrahlwinkel (110) dem Einkoppelab- schnitt (20) gegenüberliegenden Abschnitt der Kammerwandung (14) an- geordnet ist
6. Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Quellenhalter (60) zwei oder mehr, insbesondere drei, bevorzugt sechs, Quellenmaterialien (66) aufweist, jeweils bevorzugt aufgenommen in einem Quellentiegel (62), wobei jedes Quellenmaterial (66) mit einem separaten Lichtstrahl (86) an Laserlicht (84) aufheizbar und thermisch verdampfbar und/oder sublimierbar ist und wobei die Quellenmaterialien (66) bevorzugt unterschiedlich sind.
7. Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Einkoppelvorrichtung (18) einen gemeinsamen Einkoppelabschnitt (20) zum Leiten von zumindest zwei der separaten Lichtstrahlen (86) in das Pro- zessvolumen (12) aufweist.
8. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Einkoppelvorrichtung (18) zumindest zwei getrennte Einkoppelabschnit- te (20) zum Leiten von jeweils wenigstens einem der separaten Lichtstrah- len (86) in das Prozessvolumen (12) aufweist, wobei insbesondere die Raumebenen (114), welche jeweils der Lichtstrahl (86), der durch einen der getrennten Einkoppelabschnitte (20) in das Prozessvolumen (12) geleitet ist, und die Flächennormale (112) zur Tiegeloberfläche (64) des entspre- chenden Quellentiegels (62) und/oder zur Quellenoberfläche (68) des ent- sprechenden Quellenmaterials (66) aufspannen, einen Winkel kleiner 180°, bevorzugt zwischen 90° und 150°, besonders bevorzugt von 120° ein- schließen.
9. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
zumindest einer der Lichtstrahlen (86), bevorzugt alle Lichtstrahlen (86), ei- nen Fokusbereich (90) aufweisen, wobei der Lichtstrahl (86) im Fokusbe- reich (90) eine minimale Ausdehnung senkrecht zu einer Lichtrichtung (88) des Lichtstrahls (86) aufweist, wobei ferner der Fokusbereich (90) im Pro- zessvolumen (12) zwischen dem Einkoppelabschnitt (20) und dem entspre- chenden Quellenmaterial (66) beziehungsweise dem entsprechendem Quellentiegel (62) angeordnet ist.
10. Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Fokusbereiche (90) von zumindest zwei der Lichtstrahlen (86) überlap- pen, insbesondere vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig überlappen, wobei bevorzugt die Einkoppelvorrichtung (18) einen gemein- samen Einkoppelabschnitt (20) zum Leiten dieser zumindest zwei Licht strahlen (86) in das Prozessvolumen (12) aufweist.
11. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Prozesskammer (10) zumindest eine Heizlaserblende (100) mit einer Blendenöffnung (102) aufweist, wobei die Heizlaserblende (100) derart im Prozessvolumen (12) angeordnet ist, dass der Fokusbereich (90) zumindest eines der Lichtstrahlen (86) mit der Blendenöffnung (102) zusammenfällt oder zumindest im Wesentlichen zusammenfällt.
12. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 11 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Blendenöffnung (102) durch das Laserlicht (84) des Quellenheizlasers (80) in die Heizlaserblende (100) eingebracht ist.
13. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Prozesskammer (10) zumindest ein Thermoelement (70) zum Ermitteln einer Temperatur des zumindest einen Quellenmaterials (66) und/oder des entsprechenden Quellentiegels (62) aufweist, wobei insbesondere das zu- mindest eine Thermoelement (70) und/oder der Quellenhalter (60) einen beweglichen Befestigungsabschnitt (76) aufweist, zum Bewegen des Ther- moelements (70) zwischen einer Messposition (72), in der es das Quellen- material (66) und/oder den entsprechenden Quellentiegel (62) kontaktiert, und einer Freigabeposition (74), in der es für eine Bewegung des Quellen- halters (60) entfernt von diesem angeordnet ist, und/oder zum Bewegen des Quellenhalters (60) zum reversiblen Bereitstellen einer Endposition des Quellenhalters (60), in welcher das zumindest eine Thermoelement (70) in seiner Messposition (76) das Quellenmaterial (66) und/oder den entspre- chenden Quellentiegel (62) kontaktiert.
14. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Einkoppelvorrichtung (18) zumindest einen weiteren Einkoppelabschnitt (20) in der Kammerwandung (14) zum Leiten von Laserlicht (84) eines Sub- stratheizlasers (82) in das Prozessvolumen (12) aufweist, wobei das Laser- licht (84) im Prozessvolumen (12) zumindest abschnittsweise als Lichtstrahl
(86) vorliegt und durch das Laserlicht (84) das Substratmaterial (54) des Substrats (52) aufheizbar ist, insbesondere durch direktes Einstrahlen un- mittelbar aufheizbar ist, wobei bevorzugt das Laserlicht (84) dem Substrat- material (54) angepasst ausgebildet ist und/oder eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wellenlänge von 106 m bis 104 m aufweist.
15. Beschichtungsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprü- che,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Gassystem (30) eine Prozessgaszuführung (32) zum Zuführen eines
Prozessgases (42) in das Prozessvolumen (12) und ein Pumpensystem (34) zum Erzeugen eines Unterdrucks im Prozessvolumen (12) aufweist, wobei das Pumpensystem (34) eine magnetgelagerte Turbopumpe (36) umfasst.
16. Prozesskammer (10) für eine Beschichtungsvorrichtung (1 ) zum Beschich- ten eines Substrats (52) aus einem Substratmaterial (54) mit zumindest ei- ner Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58),
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Prozesskammer (10) für einen Einsatz in einer Beschichtungsvorrich- tung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.
17. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (52) aus einem Substratmate- rial (54) mit zumindest einer Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58) in einer Beschichtungsvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorangegan- genen Ansprüche 1 bis 15,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
zur zumindest teilweisen Bereitstellung des Schichtmaterials (58) ein Quel- lenmaterial (66) verwendet wird, welches durch kontinuierliches oder zu- mindest im Wesentlichen kontinuierliches Laserlicht (84) eines Quellenheiz- lasers (80) aufgeheizt und unterhalb einer Plasmaerzeugungsschwelle des Quellenmaterials (66) thermisch verdampft und/oder sublimiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Quellenmaterial (66) durch ein direktes Einstrahlen des Laserlichts (84) auf eine Quellenoberfläche (68) des Quellenmaterials (66) unmittelbar durch das Laserlicht (84) aufgeheizt und thermisch verdampft und/oder sub- limiert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
durch Laserlicht (84) eines Substratheizlasers (82) das Substratmaterial (54) des Substrats (52) aufgeheizt wird, insbesondere durch direktes Ein- strahlen unmittelbar aufgeheizt wird, wobei bevorzugt Laserlicht (84) ver- wendet wird, das dem Substratmaterial (54) angepasst ausgebildet ist und/oder eine Intensität von 0,01 W bis 50 kW und/oder eine Wellenlänge von 106 m bis 104 m aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 17 bis 19,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
durch das Gassystem (30) der Beschichtungsvorrichtung (1) im Prozessvo- lumen (12) eine Beschichtungsatmosphäre (40) mit einem Druck zwischen 1010 mbar und 1 mbar, bevorzugt kleiner 103 mbar, bereitgestellt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 17 bis 20,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
durch das Gassystem (30) der Beschichtungsvorrichtung (1) im Prozessvo- lumen (12) eine Beschichtungsatmosphäre (40) mit einem an das Schicht- material (58) der Materialschicht (56) angepassten gasförmigen Stoff als Prozessgas (42) bereitgestellt wird, insbesondere mit molekularem Sauer- stoff und/oder Ozon und/oder Stickstoff und/oder gasförmigen Selenverbin- dungen und/oder gasförmigen Schwefelverbindungen als Prozessgas.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
als Schichtmaterial (58) ein Oxid mit Perowskit-Struktur, insbesondere ein mit zumindest einem Dotierungselement dotiertes Oxid mit Perowskit- Struktur, erzeugt wird, das Oxid umfassend ein erstes Metallelement und ein zweites Metallelement, wobei das erste Metallelement und das zweite Metallelement, insbesondere auch das zumindest eine Dotierungselement, als Quellenmaterial (66) bereitgestellt werden, bevorzugt in jeweils einem Quellentiegel (62) bereitgestellt werden, und molekularer Sauerstoff und/oder Ozon als Prozessgas (42) in der Beschichtungsatmosphäre (40) verwendet werden, wobei insbesondere als Oxid ein mit Niob dotiertes Strontiumtitanat mit Strontium als erstem Metallelement, Titan als zweitem Metallelement und Niob als Dotierungselement erzeugt wird. Substrat (52) beschichtetet mit zumindest einer Materialschicht (56), auf- weisend das Substrat (52) aus einem Substratmaterial (54), das mit zumin- dest einer Materialschicht (56) aus einem Schichtmaterial (58) beschichtet ist,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das mit zumindest einer Materialschicht (56) beschichtete Substrat (52) in einer Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen An- sprüche 1 bis 15 und/oder unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche 17 bis 22 hergestellt ist.
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