WO2004097064A2 - Verfahren und vorrichtungen zur spannungsreduzierung in dünnen schichten - Google Patents

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Günter Reisse
Dirk Rost
Steffen Weissmantel
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Reisse Guenter
Dirk Rost
Steffen Weissmantel
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment
    • C23C14/5813—Thermal treatment using lasers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for reducing stress in thin layers according to the preambles of claims 1, 8 and 9.
  • the bodies are heated with the layers. With this heating, the stresses that occur during the layer deposition in the layers and between the bodies and the layers are reduced or eliminated.
  • the voltage is reduced by long-term thermal annealing.
  • a disadvantage here is the heating of not only the layer but also the body, so that properties of the body can also change. Another disadvantage is the time required for this.
  • the surface is irradiated with electromagnetic radiation in the near infrared range, which has its essential active component in the wavelength range between 0.8 ⁇ m and 1.5 ⁇ m, with a high power density.
  • Beam sources are emitters that radiate the object across the surface.
  • the material of a surface layer is heated to a treatment temperature which is predetermined as a function of the material parameters. This is a long-term tempering, whereby the base body of the object is also heated.
  • the object of the invention specified in claims 1, 8 and 9 is to produce largely stress-free thin layers on a substrate.
  • the methods and devices according to the invention are characterized in particular by the fact that largely stress-free thin layers and multilayer systems can be deposited on a substrate.
  • the at least one layer or sub-layer deposited on a substrate is alternated with the layer formation process or during the layer formation process with a pulsed laser beam as an annealing pulse or with a plurality of pulsed laser beams of different wavelengths and pulse durations each with short interruptions in the coating process or the layer formation process predetermined energy fluence and pulse repetition frequency irradiated as tempering pulses.
  • These are preferably layers which are formed by depositing at least one preferably pulsed particle stream on a substrate in vacuo.
  • the solution according to the invention offers the advantage that the for the voltage reduction required high temperatures due to the pulse radiation only briefly in the range of a few microseconds and because of the low energy dissipation by heat conduction preferably only in a layer surface area of small thickness.
  • Another advantage is the significantly shorter total time for the production of largely stress-free layers, since the time-consuming heating and subsequent cooling of the substrates, including the layers deposited thereon, required in the usual tempering process to reduce stress is eliminated.
  • Laser beam ablation of a target with pulsed laser beams can advantageously be used to generate a pulsed energetic particle stream for layer formation on the substrate.
  • the layer growing on the substrate to reduce the layer voltage is irradiated either by switching the beam path with the laser beam used for ablation alternating with the layer-forming pulsed particle streams or the laser annealing of the growing layer is carried out to reduce the layer voltage with the help of a second pulsed laser beam alternating or synchronous with the layer-forming pulsed particle streams.
  • a simple implementation of a device for carrying out the method with only one laser results, so that thin and largely stress-free layers on a substrate can be produced economically.
  • the layers for voltage reduction can also be irradiated synchronously with the pulsed particle streams and with a different laser wavelength and laser pulse duration, which can lead to a more effective voltage reduction depending on the layer material.
  • the use of a plurality of lasers with different wavelengths, pulse durations and energy fluence is also provided, the pulsed laser beams of which are aimed at the substrate or serially at substrate regions with predetermined temporal pulse intervals or a predetermined degree of pulse overlap.
  • the pulse duration and the energy fluence of the laser beam pulses directed onto the substrate are selected such that the substrate is not thermally damaged despite the short-term high temperatures in the layer surface area and no material is removed from the layers that have already been deposited.
  • the pulse duration is typically in the range up to a few 10 ns.
  • This procedure can also effectively reduce the stresses on layers on low-melting and temperature-sensitive substrates.
  • the layers are formed from pulsed particle streams on a substrate, which are formed by Removing a material from a target by means of laser beams incident and pulsed onto the target surface and directed onto the substrate.
  • the laser beam pulses of at least one laser with a predetermined wavelength become alternating with a predetermined time delay to the particle stream pulses impinging on the substrate or in synchronism with the particle stream pulses or alternating with a predetermined time delay to a predetermined sequence of particle stream pulses or in synchronism with a pulse of successive sequences of particle stream pulses , Pulse duration and energy fluence directed as tempering pulses to reduce the voltage of the layer on the layer or on areas of the layer. This can be done by two embodiments.
  • pulsed laser beams from a laser are applied by means of a device which controls the beam direction and the energy fluence in a predetermined sequence and with a predetermined number of pulses, either with a high energy fluence to generate the particle flow pulses on the target surface or with a lower energy fluence as tempering pulses either on the layer or on regions of the Layer directed.
  • the pulsed laser beams can be applied to serial or selectable areas of the layer.
  • pulsed laser beams from a first laser for generating the particle current pulses to the substrate onto the target surface and pulsed laser beams from at least one second laser with different wavelength, pulse duration and energy fluence as well as predetermined temporal pulse intervals or predetermined pulse overlap degree are applied as tempering pulses either to the layer or regions of the layer directed.
  • pulse duration and the energy fluence of the laser beams are selected and set such that the layers which have already been deposited are not thermally stressed and damaged and no material is removed from this layer which has already been deposited.
  • Two KrF excimer laser beams with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 30 ns are used for laser pulse deposition and for voltage reduction in amorphous diamond-like carbon layers with up to 90% sp3 bonding components on silicon and hard metal substrates.
  • Focused laser beams with an energy fluence of 5 to 20 T / cm 2 and a pulse Repetition frequency of 1 to 50 Hz directed and moved so that these laser beams are guided over the target in a spiral or in a dot pattern at a constant vector speed.
  • Laser beams with an energy fluence of 0.1 to 1 J / cm 2 and a pulse repetition frequency of 1 to 50 Hz are directed onto the substrate.
  • the layer growing up with growth rates of 1 to 100 nm / min is irradiated either simultaneously or in the case of larger substrate areas, lateral areas of the layer after each increase in sub-layer thickness from 150 to 300 nm to reduce tension with 1000 to 5000 tempering pulses.
  • Two KrF excimer laser beams with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 30 ns are used for laser pulse deposition and for voltage reduction of almost phase-pure, polycrystalline and cubic boron nitride layers on silicon and hard metal substrates.
  • Focused laser beams with an energy fluence of 20 to 60 J / cm 2 and a pulse repetition frequency of 1 to 50 Hz are directed and moved in such a way that these laser beams are guided over the target in a spiral or point pattern at a constant vector speed.
  • Laser beams with an energy fluence of 0.1 to 2 J / cm 2 and a pulse repetition frequency of 1 to 50 Hz are directed onto the substrate.
  • the layer growing up with growth rates of 1 to 100 nm / min is irradiated either simultaneously or in the case of larger substrate areas, lateral areas of the layer after each increase in sub-layer thickness from 500 to 1000 nm in order to reduce the stress with 1000 to 10000 tempering pulses.
  • a device for carrying out the method consists of a laser for generating pulsed laser beams, an evacuable processing chamber with at least one window for the coupling of laser beams and at least fastening devices for a target and a substrate.
  • a device which is both pivotably mounted and coupled to at least one drive for pivoting is arranged in the processing chamber and in the beam path of the laser beams coupled in via the window.
  • the pulsed laser beams can either hit the target surface to generate the particle streams or the Substrate surface are directed as annealing pulses.
  • outside of the processing chamber and in the beam path of the laser beams there is a device which is both pivotally mounted and coupled to at least one drive for pivoting.
  • the pulsed laser beams can thus be directed as annealing pulses either through a first window of the processing chamber onto the target surface for generating the particle streams or through a second window of the processing chamber onto the substrate surface.
  • the energy fluence and pulse number control of the laser beam and the control of the drive are coupled to one another in such a way that laser beam pulses alternate with the predefined energy fluence and with a predefined time delay
  • Particle flows from the target or alternately and with a predetermined time delay to a predetermined particle flow pulse sequence are directed as annealing pulses onto the substrate or regions of the substrate.
  • the processing chamber has two windows for coupling two laser beams from two lasers. The laser beams of the first
  • Lasers are aimed at the target for ablation of the particle streams.
  • the laser beams of the second laser as tempering pulses are directed onto the substrate surface and thus the layer.
  • the energy fluence and pulse number control of the first laser and the control of the second laser are coupled to one another and can be coordinated with one another in such a way that laser beam pulses with a predetermined energy fluence alternate as well as with a predetermined time delay to the particle streams from the target or synchronously with the Streams of ponds or both alternately and with a predetermined time delay to a predetermined particle stream pulse sequence or synchronously with a pulse of successive particle stream pulse sequences are directed as annealing pulses onto the layer or regions of the layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten. Dazu wird vorteilhafterweise die auf einem Substrat abgeschiedene wenigstens eine Schicht oder Subschicht während kurzzeitiger Unterbrechungen des Beschichtungsprozesses oder die auf einem Substrat aufwachsende Schicht alternierend zum Schichtbildungsprozess oder während des Schichtbildungsprozesses mit einem gepulsten Laserstrahl als Temperpuls oder mit mehreren gepulsten Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge und Pulsdauer mit jeweils vorgegebener Energiefluenz und Pulswiederholfrequenz als Temperpulse bestrahlt. Dabei handelt es sich bevorzugt um solche Schichten, die durch Ablagerung von wenigstens einem vorzugsweise gepulsten Teilchenstrom auf einem Substrat im Vakuum gebildet werden. Bei der Beschichtung größerer Substrate erfolgt die Bestrahlung von lateralen Bereichen der Schicht. Die erfindungsgemäße Lösung bietet den besonderen Vorteil, dass die für den Spannungs­abbau erforderlichen hohen Temperaturen durch die Pulsbestrahlung nur kurzzeitig im Bereich von wenigen Mikrosekunden und wegen der geringen Energiedissipation durch Wärmeleitung vorzugsweise nur in einem Schichtoberflächenbereich geringer Dicke erzeugt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtungen zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 8 und 9.
Bei bekannten Verfahren und Anordnungen zur Spannungsreduzierung von aufgebrachten Schichten werden die Körper mit den Schichten erwärmt. Mit dieser Erwärmung werden die bei der Schichtabscheidung auftretenden Spannungen in den Schichten und zwischen den Körpern und den Schichten reduziert bis aufgehoben. Dabei erfolgt die Spannungsreduzierung durch ein thermisches Langzeittempern. Nachteilig ist dabei die Erwärmung nicht nur der Schicht sondern auch der Körper, so dass sich auch Eigenschaften der Körper verändern können. Ein weiterer Nachteil stellt der dafür notwendige Zeitaufwand dar.
In weiteren bekannten Verfahren und Anordnungen werden deshalb nur die Schichten erwärmt, wobei aber auch eine Erwärmung des Grundkörpers erfolgt. Eine derartige Lösung ist unter anderem in der DE 101 08 926 Cl (Wärmebehandlungsverfahren und -anordnung für Metallgegenstände) veröffentlicht. Dazu wird die Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung im Bereich des nahen Infrarot, die ihren wesentlichen Wirkanteil im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm hat, mit hoher Leistungsdichte bestrahlt. Strahlquellen sind Emitter, die den Gegenstand flächig bestrahlen. Das Material einer Oberflächenschicht wird auf eine in Abhängigkeit von den Materialparametern vorbestimmte Behandlungstemperatur erwärmt. Dabei handelt es sich um ein Langzeittempern, wobei auch der Grundkörper des Gegenstandes mit erwärmt wird. Der in den Patentansprüchen 1, 8 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitestgehend spannungsfreie dünne Schichten auf einem Substrat zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 8 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass auf einem Substrat weitestgehend spannungsfreie dünne Schichten und Mehrschichtsysteme abgeschieden werden können. Dazu wird die auf einem Substrat abgeschiedene wenigstens eine Schicht oder Subschicht während kurzzeitiger Unterbrechungen des Beschichtungsprozesses oder die auf einem Substrat aufwachsen- de Schicht alternierend zum Schichtbildungsprozess oder während des Schichtbildungsprozesses mit einem gepulsten Laserstrahl als Temperpuls oder mit mehreren gepulsten Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge und Pulsdauer mit jeweils vorgegebener Energiefluenz und Pulswiederholfrequenz als Temperpulse bestrahlt. Dabei handelt es sich bevorzugt um solche Schichten, die durch Ablagerung von wenigstens einem vorzugsweise gepulsten Teilchenstrom auf einem Substrat im Vakuum gebildet werden. Bei der Beschichtung größerer Substrate erfolgt die Bestrahlung von lateralen Bereichen der Schicht, um die erforderliche Energiefluenz zu erreichen. Im Vergleich zu den bekannten thermischen Temperverfahren zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten, die ein kontinuierliches Aufheizen des gesamten Substrat- Schichtsystems auf hohe Temperaturen von üblicherweise größer 600 °C im Zeitbereich von wenigstens einigen 10 Minuten erfordern, bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass die für den Spannungsabbau erforderiichen hohen Temperaturen durch die Pulsbestrahlung nur kurzzeitig im Bereich von wenigen Mikrosekunden und wegen der geringen Energiedissipation durch Wärmeleitung vorzugsweise nur in einem Schicht- oberflächenbereich geringer Dicke erzeugt werden.
Das führt vorteilhafterweise dazu, dass eine geringe bis keine thermische Belastung des Substrates gegeben ist. Bei Mehrschichtsystemen werden die darunter liegenden Schichten thermisch wenig bis nicht belastet. Damit können auch thermisch wenig belastbare temperaturempfindliche Substrate unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen mit weitestgehend spannungsfreien dünnen Schichten versehen werden.
Ein weiterer Vorteil ist die wesentlich geringere Gesamtzeit für die Erzeugung weitestgehend spannungsfreier Schichten, da die beim üblichen Temperprozess zur Spannungsreduzierung erforderliche zeitaufwändige Erwärmung und nachfolgende Abkühlung der Substrate einschließlich der darauf abgeschiedenen Schichten entfällt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Für die Erzeugung eines gepulsten energetischen Teilchenstromes für die Schichtbildung auf dem Substrat kann vorteilhaft die Laserstrahlablation eines Targets mit gepulsten Laserstrahlen eingesetzt werden. Nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 2, 3 und 4 wird die auf dem Substrat aufwachsende Schicht zur Reduzierung der Schichtspannung entweder durch Umschalten des Strahlweges mit dem zur Ablation eingesetztem Laserstrahl alternierend zu den schichtbildenden pulsförmigen Teilchenströmen bestrahlt oder die Lasertemperung der aufwachsenden Schicht zur Reduzierung der Schichtspannung erfolgt mit Hilfe eines zweiten gepulsten Laserstrahls alternierend oder synchron mit den schichtbildenden pulsförmigen Teilchenströmen. Im erstem Fall ergibt sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine einfache Realisierung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit nur einem Laser, so dass dünne und weitestgehend spannungsfreie Schichten auf einem Substrat ökonomisch günstig herstellbar sind. Im zweiten Fall können nach Weiterbildung des Patentanspruchs 4 die Schichten zur Spannungsreduzierung auch synchron mit den gepulsten Teilchenströmen und mit einer anderen Laserwellenlänge und Laserpulsdauer bestrahlt werden, was in Abhängigkeit vom Schichtmaterial zu einer effektiveren Spannungsreduzierung führen kann. Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ist auch der Einsatz mehrerer Laser mit unterschiedlicher Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz vorgesehen, deren gepulste Laserstrahlen mit vorgegebenen zeitlichen Pulsabständen oder vorgegebenem Pulsüberlappungsgrad als Temperpulse auf das Substrat oder seriell auf Substratbereiche ge- richtet sind. Dieses aufwändigere Verfahren zur Spannungsreduzierung bietet den Vorteil, dass neben der rein thermischen Anregung auch ganz bestimmte Gitter- schwingungszustände und Platzwechselvorgänge im Schichtmaterial angeregt werden können, das zur weiteren Spannungsreduzierung in der Schicht fuhrt.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 wird die Pulsdauer und die Energiefluenz der auf das Substrat gerichteten Laserstrahlpulse so gewählt, dass das Substrat trotz der kurzzeitig erreichbaren hohen Temperaturen im Schichtoberflächenbereich thermisch nicht geschädigt wird und auch kein Materialabtrag von den bereits abgeschiedenen Schichten erfolgt. Die Pulsdauer liegt typischerweise im Bereich bis zu einigen 10 ns.
Durch diese Verfahrensweise können auch die Spannungen von Schichten auf niedrigschmelzenden und temperaturempfindlichen Substraten wirkungsvoll reduziert werden.
Spannungsreduzierungen in diamantartigen Kohlenstoffschichten und kubischen Bornitridschichten sind in den Weiterbildungen der Patentansprüche 6 und 7 aufgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
Verfahren und Vorrichtungen zur Spannungsreduzierung dünner Schichten aus Teilchen, die durch Abtragen eines Materials von einem Target mittels auf die Targetoberfläche einfallenden und gepulsten Laserstrahlen ablauert und auf der Oberfläche eines Substrats abgeschieden werden, werden nachfolgend zusammen näher erläutert.
In einem Verfahren zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten werden die Schichten aus gepulsten Teilchenströmen auf einem Substrat gebildet, die durch Abtragen eines Materials von einem Target mittels auf die Targetoberfläche einfallenden und gepulsten Laserstrahlen erzeugt und auf das Substrat gerichtet werden. Alternierend mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den auf das Substrat auftreffenden Teilchenstrompulsen oder synchron mit den Teilchenstrompulsen oder alter- nierend mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Folge von Teilchenstrompulsen oder synchron mit einem Puls von aufeinanderfolgenden Folgen von Teilchenstrompulsen werden die Laserstrahlpulse wenigstens eines Lasers mit vorgegebener Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz als Temperpulse zur Spannungsreduzierung der Schicht auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet. Das kann durch zwei Ausführungsformen erfolgen. In einer ersten Ausführungsform werden gepulste Laserstrahlen eines Lasers mittels einer die Strahlrichtung und die Energiefluenz steuernden Einrichtung in vorgegebener Reihenfolge und mit vorgegebener Pulszahl entweder mit hoher Energiefluenz zur Erzeugung der Teilchenstrompulse auf die Targetoberfläche oder mit niedrigerer Energiefluenz als Temperpulse entweder auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet. Dabei können seriell oder wählbare Bereiche der Schicht mit den gepulsten Laserstrahlen beaufschlagt werden. In einer zweiten Ausführungsform werden gepulste Laserstrahlen eines ersten Lasers zur Erzeugung der Teilchenstrompulse zum Substrat auf die Targetoberfläche und gepulste Laserstrahlen wenigstens eines zweiten Lasers mit unterschiedlicher Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz sowie vorgegebenen zeitlichen Pulsabständen oder vorgegebenem Pulsüberlappungsgrad als Temperpulse entweder auf die Schicht oder Bereiche der Schicht gerichtet. Dabei wird weiterhin bei Abscheidung einer Schicht bestehend aus einer Schichtfolge von Subschichten sichergestellt, dass die Pulsdauer und die Energiefluenz der Laserstrahlen so gewählt und eingestellt werden, dass die bereits abgeschiedenen Schichten thermisch nicht belastet und beschädigt werden und kein Materialabtrag von dieser bereits abgeschiedenen Schicht erfolgt. Zur Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung in amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten mit bis zu 90% sp3 -Bindungsanteilen auf Silizium- und Hartmetall- Substraten werden zwei KrF-Excimerlaserstrahlen mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns eingesetzt. Auf das Target werden fokussierte Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 5 bis 20 T/cm2 und einer Puls- wiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt, dass diese Laserstrahlen spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt werden. Auf das Substrat werden Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 1 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz gerichtet. Die mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min aufwachsende Schicht wird entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen werden laterale Bereiche der Schicht nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 150 bis 300 nm zur Spannungsreduzierung mit 1000 bis 5000 Temperpulsen bestrahlt. Zur Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung von nahezu phasenreinen, polykristallinen und kubischen Bornitrid- Schichten auf Silizium- und Hartmetall- Substraten werden zwei KrF-Excimerlaserstrahlen mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns eingesetzt. Auf das Target werden fokussierte Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 20 bis 60 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt, dass diese Laserstrahlen spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt werden. Auf das Substrat werden Laserstrahlen mit einer Energiefluenz von 0,1 bis 2 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz gerichtet. Die mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min aufwachsende Schicht wird entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen werden laterale Bereiche der Schicht nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 500 bis 1000 nm zur Spannungsreduzierung mit 1000 bis 10000 Temperpulsen bestrahlt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlen, einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mit wenigstens einem Fenster für die Einkopplung von Laserstrahlen und mindestens Befestigungseinrichtungen für ein Target und ein Substrat.
In einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung ist in der Bearbeitungskammer und im Strahlengang der über das Fenster eingekoppelten Laserstrahlen eine sowohl schwenkbar gelagerte als auch mit mindestens einem Antrieb zum Schwenken gekoppelte Einrichtung angeordnet. Dadurch können die gepulsten Laserstrahlen entweder auf die Targetoberfläche zur Erzeugung der Teilchenströme oder auf die Substratoberfläche als Temperpulse gerichtet werden. In einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung befindet sich außerhalb der Bearbeitungskammer und im Strahlengang der Laserstrahlen eine sowohl schwenkbar gelagerte als auch mit mindestens einem Antrieb zum Schwenken gekoppelte Einrichtung. Damit können die gepulsten Laserstrahlen entweder durch ein erstes Fenster der Bearbeitungskammer auf die Targetoberfläche zur Erzeugung der Teilchenströme oder durch ein zweites Fenster der Bearbeitungskammer auf die Substratoberfläche als Temperpulse gerichtet werden. Die Energiefluenz- und Pulszahl-Steuerung des Laserstrahls und die Steuerung des Antriebs sind so miteinander gekoppelt, dass Laserstrahl-Pulse mit vorgegebener Energiefluenz alternierend und mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den
Teilchenströmen vom Target oder alternierend und mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Teilchenstrompulsfolge als Temperpulse auf das Substrat oder Bereiche des Substrats gerichtet sind. In einer weiteren Ausführungsform weist die Bearbeitungskammer zwei Fenster zur Einkopplung von zwei Laserstrahlen zweier Laser auf. Die Laserstrahlen des ersten
Lasers sind auf das Target zur Ablation der Teilchenströme gerichtet. Die Laserstrahlen des zweiten Lasers als Temperpulse sind auf die Substratoberfläche und damit die Schicht geführt. Die Energiefluenz- und Pulszahl-Steuerung des ersten Lasers und die Steuerung des zweiten Lasers sind so miteinander gekoppelt und aufeinander ab- stimmbar, dass Laserstrahl-Pulse mit vorgegebener Energiefluenz sowohl alternierend als auch mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den Teilchenströmen vom Target oder synchron mit den Teichenströmen oder sowohl alternierend als auch mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Teilchenstrompulsfolge oder synchron mit einem Puls von aufeinanderfolgenden Teilchenstrompulsfolgen als Temperpulse auf die Schicht oder Bereiche der Schicht gerichtet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten, die durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD-Abscheidung) oder durch Flüssigphasenabscheidung oder durch Ablagerung eines Teilchenstromes auf einem Substrat gebildet werden, der durch kontinuierliche oder gepulste Verdampfung und/oder Zerstäubung oder durch kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlabtrag eines Targets erzeugt und/oder als kontinuierlicher oder gepulster Ionen- oder Plasmastrahl auf die Substrate gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem oder alternierend zum
Schichtbildungsprozess oder während des Schichtbildungsprozesses auf dem Substrat ein gepulster Laserstrahl oder mehrere gepulste Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge und Pulsdauer mit jeweils vorgegebener Energiefluenz und Pulswiederholfrequenz und vorgegebenem zeitlichen Pulsabstand als Temperpulse zur Spannungsreduzierung der Schicht auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung der Laserstrahlablation mit gepulsten Laserstrahlen zum Targetabtrag und zur Erzeugung eines gepulsten energetischen Teilchenstroms für die Schichtbildung auf dem Substrat die Laserstrahlpulse wenigstens eines Lasers mit vorgegebener Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz sowie Pulswiederholfrequenz alternierend mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den Teilchenstrompulsen oder synchron mit den Teilchenstrompulsen oder alternierend mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Teilchenstrompulsfolge oder synchron mit einem Puls von aufeinanderfolgenden Teilchenstrompulsfolgen als Temperpulse zur Spannungsreduzierung der Schicht auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet werden.
3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass gepulste Laserstrahlen eines Lasers mittels einer die Strahlrichtung und die Energiefluenz steuernden Einrichtung in vorgegebener Reihenfolge und mit vorgegebener Pulszahl entweder mit hoher Energiefluenz zur Erzeugung der Teilchenstrompulse auf die Targetoberfläche oder mit niedrigerer Energiefluenz als
Temperpulse entweder auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet werden.
4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass gepulste Laserstrahlen eines ersten Lasers zur Erzeugung der Teilchenstrompulse zum Substrat auf die Targetoberfläche und gepulste Laserstrahlen wenigstens eines zweiten Lasers mit unterschiedlicher Wellenlänge, Pulsdauer und Energiefluenz sowie vorgegebenen zeitlichen Pulsabständen oder vorgegebenem Pulsüberlappungsgrad als Temperpulse entweder auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichtet werden.
5. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer und die Energiefluenz der auf die Schicht oder auf Bereiche der Schicht gerichteten Laserstrahlen so gewählt und eingestellt werden, dass das Substrat und/oder bereits abgeschiedene Schichten thermisch nicht belastet und beschädigt werden und kein Materialabtrag von der bereits abgeschiedenen Schicht erfolgt.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung in amorphen diamantartigen Kohlenstoffschichten mit bis zu 90% sp3 -Bindungsanteilen auf Silizium- und Hartmetall-Substraten wenigstens ein KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns eingesetzt werden, dass auf das Target fokussierte Laserstrahlen eines Lasers mit einer Energiefluenz von 5 bis 20 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt werden, dass diese Laserstrahlen spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt werden und dass auf das Substrat Laserstrahlen des anderen Lasers mit einer Energiefluenz von 0, 1 bis 1 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz gerichtet werden, so dass die mit Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min aufwachsende Schicht entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen Bereiche der Schicht nach jeweils einer
Subschichtdickenzunahme von 150 bis 300 nm zur Spannungsreduzierung mit 1000 bis 5000 Temperpulsen bestrahlt wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Laserpulsabscheidung und zur Spannungsreduzierung von nahezu phasenreinen, polykristallinen und kubischen Bornitrid- Schichten auf Silizium- und Hartmetall- Substraten wenigstens ein KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 30 ns eingesetzt werden, dass auf das Target fokussierte Laserstrahlen eines Lasers mit einer Energiefluenz von 20 bis 60 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz so gerichtet und bewegt werden, dass diese Laserstrahlen spiral- oder in einem Raster punktförmig mit konstanter Vektorgeschwindigkeit über das Target geführt werden und dass auf das Substrat Laserstrahlen des anderen Lasers mit einer Energiefluenz von 0, 1 bis 2 J/cm2 und einer Pulswiederholfrequenz von 1 bis 50 Hz gerichtet werden, so dass die mit
Aufwachsraten von 1 bis 100 nm/min aufwachsende Schicht entweder gleichzeitig oder bei größeren Substratflächen Bereiche der Schicht nach jeweils einer Subschichtdickenzunahme von 500 bis 1000 nm zur Spannungsreduzierung mit 1000 bis 10000 Temperpulsen bestrahlt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 mit mindestens einem Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlen, einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mit wenigstens einem Fenster für die Einkopplung von Laserstrahlen und mindestens Befestigungseinrichtungen für ein Target und ein
Substrat zur Herstellung einer Schicht aus Teilchenströmen, die durch Materialablation vom Target mittels der auf die Targetoberfläche einfallenden gepulsten Laserstrahlen erzeugt und auf dem Substrat abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bearbeitungskammer und im Strahlengang der über das Fenster eingekoppelten Laserstrahlen eine sowohl schwenkbar gelagerte als auch mit mindestens einem Antrieb zum Schwenken gekoppelte Einrichtung so angeordnet ist, dass die gepulsten Laserstrahlen entweder auf die Targetoberfläche zur Erzeugung der Teilchenströme oder auf die Substratoberfläche als Temperpulse gerichtet werden oder dass außerhalb der Bearbeitungskammer und im Strahlengang der Laserstrahlen eine sowohl schwenkbar gelagerte als auch mit mindestens einem Antrieb zum Schwenken gekoppelte Einrichtung so angeordnet ist, dass die gepulsten Laserstrahlen entweder durch ein erstes Fenster auf die Targetoberfläche zur Erzeugung der Teilchenströme oder durch ein zweites Fenster auf die Substratoberfläche als Temperpulse gerichtet werden, und dass die Energiefluenz- und Pulszahl- Steuerung des Laserstrahls und die Steuerung des Antriebs so miteinander gekoppelt sind, dass Laserstrahl-Pulse mit vorgegebener Energiefluenz alternierend und mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den Teichenströmen vom Target oder alternierend und mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Teilchenstrompulsfolge als Temperpulse auf die Schicht oder Bereiche der Schicht des Substrats gerichtet sind.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 mit einem ersten und einem zweiten Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlen, einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mit Fenstern für die Einkopplung der Laserstrahlen des ersten Lasers und des zweiten Lasers und mindestens Befestigungseinrichtungen für ein Target und ein Substrat zur Herstellung einer Schicht aus Teilchenströmen, die durch Materialablation vom Target mittels der auf die Targetoberfläche einfallenden gepulsten Laserstrahlen des ersten Lasers erzeugt und auf dem Substrat abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Target und das Substrat in der Bearbeitungskammer und ein Fenster der Bearbeitungskammer für die Einkopplung der Laserstrahlen des zweiten Lasers so angeordnet sind, dass die Laserstrahlen des zweiten Lasers als Temperpulse auf die Substratoberfläche gerichtet sind, und dass die Energiefluenz- und Pulszahl-Steuerung des ersten Laser und die Steuerung des zweiten Laser so miteinander gekoppelt und aufeinander abstimmbar sind, dass Laserstrahl- Pulse mit vorgegebener Energiefluenz sowohl alternierend als auch mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zu den Teilchenströmen vom Target oder synchron mit den Teichenströmen oder sowohl alternierend als auch mit einer vorgegebenen
Zeitverzögerung zu einer vorgegebenen Teilchenstrompulsfolge oder synchron mit einem Puls von aufeinanderfolgenden Teilchenstrompulsfolgen als Temperpulse auf die Schicht oder Bereiche der Schicht des Substrats gerichtet sind.
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