Laserpulsabscheidung dünner Schichten

Seit 25 Jahren wird im Laserinstitut der Hochschule Mittweida das Verfahren der Laserpulsabscheidung (Pulsed Laser Deposition - PLD) für die Erzeugung dünner Schichten untersucht und für spezielle Applikationen eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird ein Festkörpertarget durch die Einwirkung eines fokussierten gepulsten Laserstrahles ablatiert und der entstehende Targetteilchenstrom zur Schichtbildung auf den entsprechend angeordneten Substraten genutzt. Um eine effektive Nutzung des Targetmaterials und die erforderlichen Beschichtungsflächen bei ausreichender Schichtdickenhomogenität sowie die Beschichtung auf dreidimensionalen Objekten zu erreichen, werden Relativbewegungen sowohl zwischen Laserstrahl und Target als auch zwischen Targetteilchenstrom und Substrat realisiert.

Die Schichtbildung findet dabei im Hochvakuum oder in einem reaktiven Hintergrundgas statt. Zur Reinigung der Substrate vor dem Beschichtungsprozess und zum zusätzlichen Einbringen von Impuls und Energie in die aufwachsenden Schichten sowie zu einem eventuell erforderlichen Stöchiometrieausgleich einer leicht flüchtigen Komponente einer Verbindung, kann zusätzlich ein Ionenstrahl aus einer Ionenquelle auf die aufwachsenden Schichten gerichtet werden.

Vorteilhaft ist es, den Schichtbildungsprozess mit Hilfe eines in-situ Ellipsometers zu kontrollieren. Eine dem entsprechende von uns entwickelte und eingesetzte Beschichtungsapparatur ist in Abbildung 1 dargestellt.

Folgende Merkmale des PLD-Verfahrens sind besonders hervorzuheben:

• Der ablatierte Teilchenstrom erreicht mit zunehmender Energiefluenz der Targetlaserpulse hohe mittlere kinetische Energien (siehe zum Beispiel Abb. 2) und Ionisierungsgrade bis nahe eins.
• Die Stöchiometrie der Targets bleibt in den Schichten erhalten; bei leicht flüchtigen Komponenten kommt es im Vergleich zu anderen Verfahren nur zu einer geringen Unterstöchiometrie.
• Die mit kurzen Laserpulsen erreichbaren hohen Teilchenstromdichten bewirken ein nahezu zweidimensionales Schichtwachstum und infolgedessen frühzeitig geschlossene Schichten mit sehr geringer Oberflächenrauhigkeit.
• Da die mittlere Schichtdickenzunahme pro Puls kleiner als eine Monolage ist, können ultradünne Schichten mit exakt vorgegebener Schichtdicke erzeugt werden.
• Mit den gegenwärtig verfügbaren Lasern sind Schichtaufwachsraten bis zu einigen hundert Nanometern pro Minute möglich.
• Mit einer Laserbestrahlung der abgeschiedenen Schicht ist eine effektive Entspannung möglich, so dass Schichtdicken von über 10µm erreicht werden können.

Ein Nachteil des Verfahrens bestand bisher in der Bildung von Partikulaten bzw. Droplets am Target, die in die Schichten mit eingebaut und die Eigenschaften der Schichten überwiegend negativ beeinflusst haben.

Durch Verwendung geeigneter inhomogener Magnetfelder zwischen Target und Substrat ist es uns jedoch aufgrund des hohen Ionisierungsgrades ohne Verringerung der Schichtaufwachsrate nun möglich, nur den ionisierten Teilchenstromanteil zur Schichtbildung zu nutzen und die schwereren Partikulate bzw. Droplets auszublenden.

1. Laserstrahleinkopplung mit Fokussierlinse
2. kühl- und heizbarer Substrathalter
3. Targetposition
4. Ionenquelle
5. in-situ-Ellipsometer
6. Turbomolekularpumpe

In unserem Institut wurde das PLD-Verfahren zur Abscheidung von Oxidschichten (Y₂O₃, HfO₂ und ZrO₂) mit hoher Packungsdichte und hoher Laserzerstörschwelle für optische Anwendungen sowie von diamantartigen amorphen Kohlenstoffschichten (DLC) mit nahezu Diamanthärte und phasenreinen kubischen Bornitridschichten (c-BN) für den Verschleißschutz hochbeanspruchter Funktionsflächen von Werkzeugen eingesetzt.

Durch Variation der Abscheideparameter können Dichte- bzw. Brechzahlunterschiede bei Oxiden sowie Phasenänderungen bei BN (h-BN, c-BN) und Kohlenstoff (diamantartig bis graphitartig) erreicht werden, so dass auch die Erzeugung von Mehrschichtsysteme aus einem Material mit alternierenden Eigenschaften möglich ist.