[go: up one dir, main page]

FI123716B - Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition - Google Patents

Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition Download PDF

Info

Publication number
FI123716B
FI123716B FI20075138A FI20075138A FI123716B FI 123716 B FI123716 B FI 123716B FI 20075138 A FI20075138 A FI 20075138A FI 20075138 A FI20075138 A FI 20075138A FI 123716 B FI123716 B FI 123716B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
coating
laser
carbon nitride
coated
plasma
Prior art date
Application number
FI20075138A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20075138A0 (en
FI20075138L (en
Inventor
Jari Ruuttu
Reijo Lappalainen
Vesa Myllymaeki
Juha Maekitalo
Lasse Pulli
Original Assignee
Picodeon Ltd Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FI20060182A external-priority patent/FI20060182A7/en
Priority claimed from FI20060181A external-priority patent/FI20060181A7/en
Priority claimed from FI20060177A external-priority patent/FI20060177L/en
Priority claimed from FI20060178A external-priority patent/FI20060178L/en
Application filed by Picodeon Ltd Oy filed Critical Picodeon Ltd Oy
Priority to FI20075138A priority Critical patent/FI123716B/en
Publication of FI20075138A0 publication Critical patent/FI20075138A0/en
Publication of FI20075138L publication Critical patent/FI20075138L/en
Application granted granted Critical
Publication of FI123716B publication Critical patent/FI123716B/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/28Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641Nitrides
    • C23C14/0658Carbon nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0664Carbonitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

Menetelmä tuotteen tietyn pinnan hiilinitridillä pinnoittamiseksi laserkasva-tuksen avullaA method of coating a given surface of a product with carbon nitride by laser cultivation

Keksinnön ala 5 Keksintö liittyy yleisesti menetelmään suuria pinta-aloja käsittävien tuotteiden pinnoittamiseksi hiilinitridillä ultralyhyen pulssilaserkasvatuksen avulla. Keksintö liittyy myös menetelmän avulla tuotettuihin tuotteisiin. Keksinnöllä on monta edullista vaikutusta kuten suuri pinnoitteen tuottoaste, erinomaiset pinnoiteominaisuudet ja alhaiset valmistuskustannukset.FIELD OF THE INVENTION The invention relates generally to a method for coating large surface area products with carbon nitride by ultra short pulse laser cultivation. The invention also relates to products produced by the process. The invention has many beneficial effects such as high coating yield, excellent coating properties and low manufacturing costs.

10 Taustaa10 Background

Hiilinitridi (Karbonitridi)Carbonitride (Carbonitride)

Hiilinitridimateriaalit ovat olleet huomattavan kokeellisen ja teoreettisen huomion keskipisteenä sen jälkeen kun Cohen ja hänen kollegansa ehdottivat, että β-03Ν4, 15 hiilinitridimateriaalilla, vastaten β- Si3N4:ää, tulisi olla timanttiin verrattava kovuus. Tätä seuranneet laskelmat ovat osoittaneet, että muilla kiteisillä C3N4 aineilla pitäisi olla vastaava tai suurempi stabiilius kuin P-C3N4:llä, ja monien näistä rakenteista pitäisi olla melko kovia. C3N4 -rakenteet sisältävät α-, β-, kuutiohilaista-, pseudo-kuutiohilaista- ja grafuttista hiilinitridiä. Lisäksi C2N2:tä, vaikkakin käsittää erilai-20 sen kemiallisen rakenteen, kutsutaan hiilinitridiksi.Carbon nitride materials have been the focus of considerable experimental and theoretical attention since Cohen and colleagues suggested that β-03Ν4, 15 carbon nitride materials, corresponding to β-Si3N4, should have a hardness comparable to diamond. Subsequent calculations have shown that other crystalline C3N4 agents should have equivalent or greater stability than P-C3N4, and many of these structures should be quite hard. The C3N4 structures contain α, β, cubic lattice, pseudo cubic lattice and graphene carbon nitride. In addition, C2N2, although having a different chemical structure, is called carbon nitride.

Paikallinen rakenneominaisuus, joka erottaa potentiaalisesti superkovat ja-tiheät C3N4 -rakenteet alhaisemman tiheyden pehmeämmästä materiaalista on hiilen yh- •2 teensovitus (coordination): kovat materiaalit vaativat tetraedristä tai sp -sidoksella £2 25 varustettua hiiltä C3N4 -verkossa, kun taas sp2-sidottu hiili johtaa paljon pehmeäm- c3 piin materiaaleihin. Tämä sp3-sidoksilla varustetun hiilen vaatimus kovassa hiilinit- i o ridissä on täysin vertailukelpoinen amorfisen timantinkaltaisen hiilen (DLC) tapa- i g uksen kanssa, kts. Hu et ai, Physical Rewiev B, voi 57,1997, number 6, pages 3185- x 3188, Nitrogen-driven sp3 to sp2 transformation in carbon nitride materials.The local structural feature that separates the potentially super-superficial and dense C3N4 structures from the lower density softer material is carbon coordination; hard materials require tetrahedral or sp-bonded carbon in the C3N4 network, while sp2 carbon leads to much softer c3 silicon materials. This requirement for sp3-bonded carbon in hard carbon ionide is fully comparable to that of amorphous diamond-like carbon (DLC), see Hu et al., Physical Rewiev B, Vol. 57,1997, number 6, pages 3185- x 3188 , Nitrogen-driven sp3 to sp2 Transformation in carbon nitride materials.

£ 30 co Erilaisten timanttipinnoitteiden tapaan myös hiilinitridipinnoitteet omaavat erin- rC omaiset kulumis- ia naarmuuntumattomuusominaisuudet. Lisäksi hiilinitridimateri- o ^ aalit ovat korroosioresistenttejä ja voivat toimia sähköisinä eristäjinä, optisina pin noitteina ja, ennen kaikkea, termisenä vastuksena vastaavia DLC-pinnoitteita pa-35 remmin.£ 30 co Like all diamond coatings, carbon nitride coatings have excellent wear and scratch resistance properties. In addition, carbon nitride materials are corrosion resistant and can act as electrical insulators, optical coatings and, most importantly, as a thermal resistor better than corresponding DLC coatings.

22

Vaikka hyviä tuloksia voidaan jo saavuttaa amorfisilla CNX -rakenteilla, tulokset ylikorostuvat, kun typpisisältö ja täten hiilinitridin kiteisyys realisoituu ohutkal-vo/pinnoiterakenteessa.Although good results can already be obtained with amorphous CNX structures, the results are over-emphasized when the nitrogen content and thus the crystallinity of carbon nitride is realized in the thin film / coating structure.

5 Yleensä näissä tutkimuksissa tuotetut materiaalit ovat olleet amorfisia typpisisällön ollessa alle 50%, t.s. ei C3N4-rakenteita.In general, the materials produced in these studies have been amorphous with nitrogen contents below 50%, i.e. no C3N4 structures.

Helpomman saatavuutensa ansiosta amorfiset CNX -materiaalit ovat jo löytäneet laajemman sovelluskentän. Ne ovat mm. eniten käytetty materiaali kovalevyjen sulo ojapäällyksissä, Widlow et ai, Brazilian Journal of Physics, 2000,voi 30, n:o 3, Recent Progress in the synthesis and characterization of amorphous and crystalline carbon nitride coatings. Tämänlaisia kalvoja tuotetaan sputteroimalla grafiittia puhtaassa typessä, jolloin tuloksena syntyvät kalvot sisältävät amorfista hiilinitridiä, jonka kulumiskestävyys on monta kertaa olemassa olevia pinnoitteita parempi.Thanks to their easier availability, amorphous CNX materials have already found a broader application field. They are e.g. the most used material for Sulo trench coatings for hardboards, Widlow et al., Brazilian Journal of Physics, 2000, Vol. 30, No. 3, Recent Progress in Synthesis and Characterization of Amorphous and Crystalline Carbon Nitride Coatings. Such films are produced by sputtering graphite in pure nitrogen, whereby the resulting films contain amorphous carbon nitride, which has many times better wear resistance than existing coatings.

1515

Muut yritykset hiilinitridipinnoitteiden tuottamiseksi on tehty laserkasvatuksella, induktiivisesti kytketyn plasman kemiallisen höyrykasvatuksen, solvotermisen menetelmän sekä orgaanisen nesteen sähkösaostamisen avulla. Useimmissa raporteissa mainitaan nukleaatio ja amorfisen CNX - ohuiden kiinteiden kalvojen (thin solid 20 films) aikaansaaminen. Yleisesti ottaen näissä tutkimuksissa tuotetut materiaalit ovat olleet amorfisia alle 50% typpisisällöllä, t.s. ei C3N4-rakenteita.Other attempts to produce carbon nitride coatings have been made by laser cultivation, chemical vapor cultivation of inductively coupled plasma, solvothermic process and electrical precipitation of organic liquid. Most reports mention nucleation and the generation of amorphous CNX thin films (thin solid 20 Films). In general, the materials produced in these studies have been amorphous with less than 50% nitrogen content, i.e. no C3N4 structures.

Laserkasvatus 25 Viime vuosina laserteknologian huomattava kehitys on tarjonnut välineet tehokkuudeltaan erittäin suurten laserjärjestelmien kehittämiseen, jotka järjestelmät perustu-£2 vat puolijohdekuituihin täten tukien ns. kylmäablaatiomenetelmien kehitystä.Laser Education 25 In recent years, significant advances in laser technology have provided tools for the development of ultra-high efficiency laser systems based on semiconductor fibers, thus supporting the so-called. development of cold ablation methods.

δδ

CvJCVJ

o Esillä olevan hakemuksen prioriteettipäivänä puhtaasti kuituinen diodipumpattu g 30 puolijohdelaser kilpailee lamppupumpatun kanssa, joilla molemmilla on piirre, jos- x sa lasersäde johdetaan aluksi kuituun ja sen jälkeen välitetään työskentelyn kohtee- seen. Mainitut kuitulaserjärjestelmät ovat ainoita, joita käytetään teollisen mitta-co kaavan laserkasvatussovelluksissa.On the priority date of the present application, a purely fibrous diode pumped g 30 semiconductor laser competes with a lamp pump, both of which have the feature of first directing the laser beam into the fiber and then transmitting it to the target. Said fiber laser systems are the only ones used in industrial scale co-laser applications.

δ o £3 35 Viimeisimmät kuitulaserien kuidut kuten myös niistä seuraava alhainen säteily teho näyttävät rajoittavan höyrystyksessä/ablaatiossa höyrystyksen/ablaation kohteina käytettävien materiaalien valintaa. Alumiinin höyrystämistä/ablaatiota voidaan edistää pieni-pulssisen tehon kautta, kun taas höyrystämisen/ablaation kannalta haas- 3 teellisemmat aineet kuten kupari, volframi jne. tarvitsevat enemmän pulssitehoa. Sama pätee tilanteeseen, jossa uusia yhdisteitä oli tarkoitus tuottaa samoilla perinteisillä tekniikoilla. Mainittavia esimerkkejä ovat mm. timantin suora valmistaminen hiilestä (grafiitista) tai alumiinioksidin (alumina) tuottaminen suoraan alumii-5 nista ja hapesta sopivan laserkasvatuksen jälkitilan höyryvaiheen reaktion kautta.δ o £ 3 35 Recent fiber laser fibers, as well as the resulting low radiation power, seem to limit the choice of materials to be used for vaporization / ablation. Evaporation / ablation of aluminum can be promoted through low-pulse power, whereas substances more challenging for vaporization / ablation, such as copper, tungsten, etc., require more pulse power. The same applies to the situation where new compounds were to be produced using the same traditional techniques. Notable examples include e.g. direct production of diamond from carbon (graphite) or production of alumina (alumina) directly from aluminum and oxygen through the vapor phase reaction of a suitable laser culture post-production space.

Toisaalta yksi merkittävimmistä esteistä kuitulaserteknologian edistyksen välittämisessä näyttää olevan kuidun kyky sietää suuritehoisia laserpulsseja kuitua hajottamatta tai lasersäteen laatua huonontamatta.On the other hand, one of the major obstacles to transmitting advances in fiber laser technology seems to be the ability of the fiber to withstand high-power laser pulses without breaking the fiber or degrading the quality of the laser beam.

1010

Uutta kylmäablaatiota hyödynnettäessä esiintyi pinnoitteeseen assosioitavia niin kvalitatiivisia kuin tuotantonopeuteenkin liittyviä ongelmia, lähestymistavan ohut-kalvotuotantoon kuten myös leikkaamiseen/urittamiseen/uurtamiseen jne. ollessa keskittymistä lasertehon kasvattamiseen ja lasersäteen pistekoon pienentämiseen 15 kohteessa. Suurin osa tehonkasvusta kuitenkin kului kohinaan. Laadulliset ja tuo-tantonopeuteen liittyvät ongelmat jäivät silti jäljelle, vaikka osa laservalmistajista ratkaisivat lasertehoon liittyvän ongelman. Pinnoitteen/ohutkalvon tyyppinäytteitä sekä myös leikkaamista/urittamista/uurtamista jne. voitiin tuottaa vain alhaisilla toistonopeuksilla, kapeilla skannausleveyksillä ja pitkällä työstöajalla, sellaisenaan 20 teollisen hyödyntämiskelpoisuuden ulkopuolella korostuen erityisesti suurten kappaleiden osalta.Utilizing the new cold ablation, there were qualitative as well as production rate problems associated with the coating, with an approach to thin film production as well as cutting / grooving / grooving, etc. focusing on increasing laser power and reducing laser beam spot size in 15 destinations. However, most of the power increase was spent on noise. Quality and production rate problems still persisted, although some laser manufacturers solved the problem of laser power. Coating / thin film type samples as well as cutting / grooving / grooving etc. could only be produced at low reproduction speeds, narrow scan widths and long machining times, as such outside the 20 industrial applicability, with particular emphasis on large pieces.

Mikäli pulssin energiasisältö pidetään vakiona, pulssiteho kasvaa pulssikeston lyhentyessä, mikä huomattavasti pahentaa ongelmaa. Ongelmat ovat merkittäviä jopa 25 nanosekunti-pulssilasereilla, vaikka niitä ei sellaisenaan käytetä kylmäablaatiome-netelmissä. Pulssin keston vähentyminen edelleen femto- tai jopa attosekuntiluok-” kaan tekee ongelmasta lähes ratkaisemattoman. Esimerkiksi pikosekuntilaserjärjes- ^ telmässä pulssiajan ollessa 10-15 ps pulssienergian tulisi olla 5 pj per 10-30 pm 0 kohta, kun laserin kokonaisteho on 100 W ja toistonopeus 20 MHz. Esillä olevan g 30 keksinnön prioriteettipäivänä sellaista kuitua, joka kestäisi mainitun pulssin, ei ollut 1 kirjoittajan tiedossa.If the energy content of the pulse is kept constant, the pulse power increases as the pulse duration becomes shorter, which greatly aggravates the problem. The problems are significant with pulse lasers up to 25 nanoseconds, although they are not used as such in cold ablation methods. A further reduction in pulse duration to the femto or even attosecond range makes the problem almost unsolvable. For example, in a picosecond laser system, with a pulse time of 10-15 ps, the pulse energy should be 5 µs per 10-30 µm 0 for a total laser power of 100 W and a repetition rate of 20 MHz. At the date of priority of the present g 30, the fiber that would withstand said pulse was not known to the writer.

CLCL

g Tuotantonopeus on suoraan verrannollinen toistonopeuteen tai -taajuuteen. Toisaal- lÖ ta tunnetuissa peilikalvoskannereissa (galvanoskannerit tai tyypiltään edestakaisin § värähtelevät skannerit), jotka suorittavat toimintajaksonsa edestakaisen liikkeen ka- 35 rakterisoimana, peilin pysäyttäminen toimintajakson kummassakin päässä on jokseenkin ongelmallista kuten myös käännöspisteeseen ja tähän liittyvään hetkelliseen pysähtymiseen liittyvä kiihdyttäminen sekä hidastaminen, jotka kaikki rajoittavat 4 peilin käyttökelpoisuutta skannerina sekä erityisesti myös skannausleveyttä. Mikäli tuotantonopeuksia pyritään kasvattamaan toistonopeutta nostamalla, kiihdyttäminen ja hidastaminen aiheuttavat joko kapean skannausvälin tai säteilyn epätasaisen jakauman ja siten plasman kohteessa, kun säteily osuu kohteeseen kiihtyvän ja/tai 5 hidastuvan peilin kautta.g The output speed is directly proportional to the playback speed or frequency. On the other hand, in known mirror film scanners (galvanic scanners or reciprocating-type scanners) that perform their duty cycle as characterized by a reciprocating motion, stopping the mirror at each end of the duty cycle is somewhat problematic, as well as stopping and turning 4 the usefulness of the mirror as a scanner and especially the scan width. If production rates are to be increased by increasing the reproduction speed, acceleration and deceleration will cause either a narrow scan interval or an uneven distribution of radiation, and thus plasma, when the radiation hits the target through an accelerating and / or 5 decelerating mirror.

Jos pinnoitteen/kalvon tuotantonopeutta yritetään kasvattaa yksinkertaisesti nostamalla pulssien toistonopeutta, nykyiset edellä mainitut skannerit ohjaavat pulssit kohtioalueen limittyvään osaan jo kHz-alueen alhaisilla pulssin toistonopeuksilla 10 kontrolloimattomaan tapaan. Huonoimmillaan kyseinen lähestymistapa johtaa hiukkasten irtoamiseen kohtiomateriaalista plasman sijaan tai ainakin hiukkasten muodostumiseen plasmassa. Kun useita peräkkäisiä laserpulsseja ohjataan samaan koh-tiomateriaalin paikkaan, kumulatiivinen efekti näyttää murentavan kohtiomateriaa-lia epätasaisesti ja saattaa johtaa kohtiomateriaalin lämpiämiseen kadottaen täten 15 kylmäablaation edut.If an attempt is made to increase the coating / film production rate by simply increasing the pulse repetition rate, the current above-mentioned scanners direct the pulses to the overlapping portion of the target area at low kHz pulse repetition rates in 10 uncontrolled ways. At its worst, this approach results in the release of particles from the target material instead of plasma, or at least the formation of particles in plasma. When multiple consecutive laser pulses are applied to the same target material location, the cumulative effect appears to unevenly crush the target material and may result in heating of the target material, thereby losing the benefits of cold ablation.

Sama ongelma esiintyy myös nanosekuntiluokan lasereissa ongelman ollessa luonnollisesti jopa vakavampi pitkäkestoisten, korkeaenergisten pulssien takia. Tällöin tapahtuu aina kohtiomateriaalin lämpenemistä, materiaalin lämpötilan noustessa 20 arvoon n. 5000 K. Täten jopa yksittäinen nanosekuntiluokan pulssi murentaa koh-tiomateriaalia radikaalisti edellä mainittujen ongelmien kera.The same problem occurs with nanosecond lasers, while the problem is naturally even more severe because of the long-lasting, high-energy pulses. Thus, there is always a warming of the target material, with the temperature of the material rising to about 5000 K at 20, thus even a single nanosecond pulse radically erodes the target material with the above-mentioned problems.

Tunnetuissa tekniikoissa kohtio ei saata ainoastaan kulua epätasaisesti, mutta se saattaa myös fragmentoitua helposti ja huonontaa plasman laatua. Täten kyseisellä 25 plasmalla pinnoitettava pinta myös kärsii plasman haitallisista vaikutuksista. Pinta saattaa sisältää palasia, plasma ei jakaudu tasaisesti kyseistä pinnoitetta muodos-” taakseen jne, mikä on ongelmallista tarkkuutta vaativassa operaatiossa, mutta ei cm välttämättä esimerkiksi maalissa tai pigmentissä olettaen, että viat pysyvät kyseisen 0 sovelluksen tietyn rajan alapuolella.In the prior art, not only can the target be drawn unevenly, but it can also easily fragment and impair plasma quality. Thus, the surface to be coated with said plasma also suffers from the adverse effects of plasma. The surface may contain lumps, the plasma may not be uniformly distributed to form the coating, etc., which is problematic in operation requiring precision, but may not be cm, for example in paint or pigment, assuming that defects remain below a certain limit in that application.

8 30 1 Nykyiset menetelmät kuluttavat kohteen yhden käyttökerran aikana, joten sama kohtio ei ole saatavilla myöhempää saman pinnan käyttämistä varten. Ongelmaa on co pyritty ratkaisemaan hyödyntämällä vain kohteen neitseellistä pintaa liikuttamalla kohtiomateriaalia ja/tai sädekohtaa vastaavasti.8 30 1 Current methods consume an object in one application, so the same target is not available for later use on the same surface. The problem has been co-solved by utilizing only the virgin surface of the object by moving the target material and / or the radius respectively.

Koneistamisessa tai työstöön liittyvissä sovelluksissa jäljelle jäänyt materiaali tai debris sisältäen joitakin palasia saattaa myös tehdä leikkauslinjasta epätasaisen ja siten epäsopivan kuten esimerkiksi vuonohjaus-porausten (flow-control drilling) o «In machining or machining applications, residual material or debris, including some pieces, may also make the cutting line uneven and thus unsuitable, such as flow-control drilling o «

CM 3JCM 3J

5 yhteydessä voisi käydä. Pinnalle voi muodostua myös kumpuileva ulkomuoto vapautuneiden palasten ansiosta, mikä ei esim. tiettyjä puolijohteita valmistettaessa ole välttämättä tarkoituksenmukaista.5 could happen. The surface may also have a wavy appearance due to the release of fragments, which may not be appropriate, for example, in the manufacture of certain semiconductors.

5 Edestakaisin liikkuvat peili-kalvoskannerit lisäksi synnyttävät hitausvoimia, jotka kuormittavat rakennetta itseään sekä myös laakereita, joihin peili kiinnitetään ja/tai jotka aikaansaavat peilin liikkumisen. Tämänlainen inertia saattaa pikku hiljaa löysentää peilin kiinnitystä, erityisesti jos kyseinen peili toimii mahdollisten toiminta-asetusten äärialueella, ja saattaa johtaa asetusten vaeltamiseen pitkässä juoksussa, 10 mikä voidaan nähdä tuotelaadun epätasaisesta toistettavuudesta. Pysähdysten kuten myös liikkeen suunnan ja tähän liittyvien nopeuden muutosten takia kyseisellä peili-kalvo skannerilla on varsin rajoitettu skannausleveys kasvatuksessa ja plasman tuotannossa käytettäväksi. Efektiivinen toimintajakso on suhteellisen lyhyt verrattuna koko sykliin, vaikkakin operaatio on joka tapauksessa melko hidas. Peili-15 kalvoskannereita hyödyntävän järjestelmän tuottavuuden kasvattamisnäkökulmasta plasman tuotantonopeus on ehdollisesti hidas, skannausleveys kapea, toiminta epävarmaa pitkällä aikavälillä, mikä johtaa myös tilanteeseen, jossa erittäin suurella todennäköisyydellä sekaannutaan ei-toivottujen hiukkasten emissioon plasman suhteen ja tämän kautta tuotteisiin, jotka ovat plasman kanssa tekemisissä laitteiston 20 ja/tai pinnoitteen kautta.In addition, the reciprocating mirror-film scanners generate inertia forces that load the structure itself as well as the bearings to which the mirror is attached and / or cause the mirror to move. This kind of inertia may gradually quieten the attachment of the mirror, especially if the mirror is operating in the extreme range of possible operating settings, and may lead to long wandering of the settings, which can be seen in the uneven reproducibility of the product quality. Due to the stops, as well as the direction of movement and related changes in speed, this mirror-film scanner has a very limited scanning width for use in cultivation and plasma production. The effective duty cycle is relatively short compared to the full cycle, although the operation is in any case quite slow. From the viewpoint of increasing the productivity of the system using mirror-15 membrane scanners, the plasma production rate is conditionally slow, narrow scan width, operation uncertain in the long run, which also results in a very high likelihood of interfering with undesired particle emission with plasma 20 and / or coating.

Keksinnön yhteenvetoSummary of the Invention

Suuria pintoja sisältävien tuotteiden pinnoitusteknologioille on suurta tarvetta.There is a great need for coating technologies for products with large surfaces.

Tuotteen elinikää tulisi kasvattaa ja ylläpitokustannuksia laskea, kestävän kehityk- 25 sen ollessa lähtökohtana. Suurten tuotepintojen pinnoitteilla, erityisesti yhtenäisillä „ pinnoitteilla, tulisi olla yksi tai useampi seuraavista, ratkaisemattomiksi ongelmiksi o jääneistä, ominaisuuksista: erinomaiset optiset ominaisuudet, kemiallinen ja/tai ku- i2. lumiskestävyys, terminen kestävyys ja johtavuus, naarmuuntumat- o ή tomuusommaisuudet, erinomainen pinnoitteen tarttuvuus, sähköinen johtavuus sekä ° 30 tribologiset ominaisuudet.Product life should be increased and maintenance costs reduced, starting from the point of view of sustainable development. Coatings on large product surfaces, particularly uniform coatings, should have one or more of the following properties, which remain unresolved problems: excellent optical properties, chemical and / or chemical properties. snow resistance, thermal resistance and conductivity, anti-scratch properties, excellent coating adhesion, electrical conductivity, and 3030 tribological properties.

CCCC

CLCL

oo Hiilinitridimateriaalit sisältävät useita näistä ominaisuuksista, mutta menetelmiä ίο hiilinitridipinnoitteiden, erityisesti suurten pintojen C3N4-pinnoitteiden, valmistami- § seksi ei ole olemassa.oo Carbon nitride materials contain many of these properties, but there are no methods of making carbon nitride coatings, especially large surface C3N4 coatings.

CVJCVJ

Niin viimeaikaiset korkean teknologian pinnoitusmenetelmät kuin nykyiset laser-kasvatukseen joko nanosekunti- tai kylmäablaatioalueella (piko-, femtosekunti- 35 6 laserit) liittyvät pinnoitetekniikatkaan eivät kykene tarjoamaan yhtäkään käyttökelpoista menetelmää suuria pintoja käsittävien tuotteiden pinnoittamiseksi teollisessa mittakaavassa. Nykyiset CVD- ja PVD-pinnoiteteknologiat vaativat korkea-tyhjöolosuhteita tehden pinnoitusprosessista eräluonteisen ja täten epäsopivan 5 useimpien nykyisten tuotteiden teollisen mittakaavan pinnoittamiseen. Lisäksi välimatka päällystettävän materiaalin ja ablaatio-pinnoitemateriaalin välillä on pitkä, tyypillisesti yli 50cm, tehden pinnoituskammioista suuria ja tyhjöpumppausjaksois-ta aikaa ja energiaa kuluttavia. Mainitut suuri-tilavuuksiset tyhjöön saatetut kammiot myös saastuvat helposti pinnoitemateriaaleista pinnoitusprosessin itsensä aikana, 10 vaatien j atkuvia j a aikaa vieviä puhdi stusprosessej a.Recent high-tech coating methods, as well as current coating techniques associated with laser cultivation in either the nanosecond or cold ablation (peak, femtosecond) lasers, are unable to provide any useful method for coating large surface products on an industrial scale. Current CVD and PVD coating technologies require high-vacuum conditions, making the coating process batch-like and thus unsuitable for most industrial scale coating of current products. In addition, the distance between the material being coated and the ablation coating material is long, typically over 50 cm, making the coating chambers large and vacuum pumping time consuming and energy consuming. Said high-volume vacuum chambers are also readily contaminated with the coating materials during the coating process itself, requiring continuous and time-consuming cleaning processes.

Kun pinnoitteen tuotantonopeutta yritetään nykyisissä laseravusteisissa pinnoitusmenetelmissä kasvattaa, toteutuu erilaisia vikoja kuten mikroreikiä, kasvanut pinta-karheus, vähentyneet tai kadonneet optiset ominaisuudet, pienhiukkaset pinnoite-15 pinnalla, pienhiukkaset pintarakenteessa aiheuttaen käytäviä korroosiolle, vähentynyt pinnan yhdenmuotoisuus, vähentynyt adheesio, epätyydyttävä pinnan paksuus sekä tribologiset ominaisuudet jne.Attempts to increase the coating production rate in current laser assisted coating methods result in various defects such as micropores, increased surface roughness, reduced or lost optical properties, fine particles on the coating surface, fine particles in the surface structure, causing corrosivity, features etc.

Mikäli soveltuvaa, kohtiomateriaalin pintaa erodoidaan tavalla, jossa vain koh-20 tiomateriaalin ulointa kerrosta voidaan käyttää pinnoitetarkoituksiin, loput materiaalista haaskataan tai se täytyy alistaa uudelleenprosessoinnille ennen uudelleenkäyttöä. Esillä olevan keksinnön tarkoitusperänä onkin ratkaista tai ainakin lieventää tunnettujen tekniikoiden ongelmia.If appropriate, the surface of the target material is eroded in such a way that only the outermost layer of the target material can be used for coating purposes, the remainder of the material is wasted or must be subjected to reprocessing before reuse. The object of the present invention is therefore to solve or at least alleviate the problems of the prior art.

25 Keksinnön ensimmäisenä tavoitteena on järjestää uusi menetelmä ratkaisemaan ongelma, jossa tuotteen tietty pinta pinnoitetaan hiilinitridillä pulssilaserkasvatuksen £2 avulla niin, että yhdenmukainen pinnoitettava pinta-ala käsittää ainakin 0.2 dm .It is a first object of the invention to provide a new method for solving a problem in which a specific surface of a product is coated with carbon nitride by pulsed laser cultivation £ 2 so that the uniform surface to be coated comprises at least 0.2 dm.

δδ

CMCM

o Tämän keksinnön kolmantena tavoitteena on järjestää ainakin uusi menetelmä ja/tai g 30 tähän liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma, jossa tuotetaan käytännössä hiilinitri- x dikohteesta, jota on tarkoitus käyttää erilaisten tuotteiden pinnoittamiseen, sellaista hienolaatuista plasmaa, ettei kohtiomateriaali muodosta plasmaan minkäänlaisia co pienhiukkaspalasia joko ollenkaan, ts. plasma on puhdasta plasmaa, tai palaset, mi- rC käli olemassa, ovat harvinaisia ja ainakin kooltaan pienempiä kuin kasvatussyvyys, ^ 35 johon plasma kasvatuksella luodaan mainitusta kohteesta.A third object of the present invention is to provide at least a new method and / or g related devices for solving the problem of practically producing fine quality plasma from a carbon trix target to be used for coating various products such that the target material does not form any small particles of co , i.e., plasma is pure plasma, or fragments, where mC, if present, are rare and at least smaller in size than the cultivation depth at which plasma cultivation is created from said subject.

Tämän keksinnön neljäntenä tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän liittyvät välineet ratkaisemaan se, miten tuotteen yhdenmukainen pinta voi 7 daan pinnoittaa hienolaatuisella plasmalla ilman pienhiukkaspalasia, jotka ovat suurempia kooltaan kuin kasvatussyvyys, johon plasma luodaan kasvatuksen avulla mainitusta kohteesta, ts. kuinka päällystetään substraatteja puhtaalla plasmalla, joka on peräisin käytännössä hiilinitridimateriaalista.It is a fourth object of the present invention to provide at least a novel method and / or related means for solving how a uniform surface of a product can be coated with fine quality plasma without fine particle size larger than the growth depth into which plasma is created by cultivation from said subject, i.e. substrates with pure plasma derived from a virtually carbon nitride material.

5 Tämän keksinnön viidentenä tavoitteena on järjestää pinnoitteen hyvä kiinnittyminen tuotteen yhdenmukaiselle pinnalle mainitun puhtaan plasman avulla siten, että kineettisen energian tuhlaaminen pienhiukkaspalasiin vähenee rajoittamalla niiden olemassaolo tai koko alle kasvatussyvyyden. Samanaikaisesti vain vähäisessä mää-10 rin esiintyvät pienhiukkaspalaset eivät muodosta viileitä pintoja, jotka saattaisivat vaikuttaa plasmapilven homogeenisyyteen kiteytymis- (nucleation) ja kondensaa-tiosidonnaisten ilmiöiden kautta.A fifth object of the present invention is to provide a good adhesion of the coating to the uniform surface of the product by means of said clean plasma such that the waste of kinetic energy on the fine particle particles is reduced by limiting their existence or size below the growth depth. At the same time, the presence of only small particles of fine particles does not form cool surfaces which could affect the homogeneity of the plasma cloud through crystallization and condensation-related phenomena.

Keksinnön kuudentena tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän 15 liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma laajan skannausleveyden tarjoamiseksi yhtaikaisesti plasman hienojakoisen laadun kanssa sekä leveän pinnoitusleveyden tarjoamiseksi jopa suurille tuoterungoille teollisella tavalla.It is a sixth object of the invention to provide at least a novel method and / or means for solving the problem of providing a wide scanning width simultaneously with finely divided plasma quality and of providing a wide coating width even for large product bodies in an industrial manner.

Keksinnön seitsemäntenä tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän 20 liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma miten tuottaa korkea toistonopeus teollisen mittakaavan sovelluksissa käytettäväksi keksinnön edellä mainittujen tavoitteiden mukaisesti.A seventh object of the invention is to provide at least a new method and / or means related thereto to solve the problem of providing high repetition rate in industrial scale applications for use in accordance with the aforementioned objects of the invention.

Keksinnön kahdeksantena tavoitteena on tuottaa ainakin uusi menetelmä ja/tai tähän 25 liittyvät välineet ratkaisemaan ongelma, jossa järjestetään hienolaatuista plasmaa yhdenmukaisten tuotepintojen päällystämiseksi ja tavoitteiden 1-7 mukaisten tuot-£2 teiden valmistamista varten, mutta jossa silti säästetään kohtiomateriaalia pinnoi- c3 tusvaiheissa käytettäväksi tuottaen samanlaatuisia pinnoitteita/ohutkalvoja niitä tar- i o vittaessa.It is an eighth object of the invention to provide at least a novel method and / or related means for solving the problem of providing fine plasma for coating uniform product surfaces and for producing products according to Objectives 1-7, while still retaining target material for use in coating steps. similar coatings / thin films when required.

S 30 x Keksinnön eräänä muuna tavoitteena on moisen menetelmän ja välineiden käyttä- minen edellä mainittujen tavoitteiden mukaisesti ratkaisemaan ongelma miten kyl-co mätyöstää ja/tai -päällystää pintoja pinnoitettuja tuotteita varten.It is another object of the invention to use such a method and means in accordance with the foregoing objectives to solve the problem of cold working and / or coating surfaces for coated products.

LOLO

o ^ 35 Esillä oleva keksintö perustuu yllättävään löydökseen, jonka mukaan suuria pintoja käsittävien erilaisten tuotteiden pinnat voidaan pinnoittaa teollisilla tuotantonopeuk-silla ja erinomaisilla, yleisesti hiilinitridien useisiin yhteisiin teknisiin piirteisiin liittyvillä, ominaisuuksilla hiilinitridiä käyttämällä. Hiilinitridimateriaalina edulli 8 sesti käytetään C3N4Hx-kohtiomateriaalia, mutta muitakaan hiilinitridimateriaaleja tai hi ilipohj aisia kohtio materiaaleja ei ole tarkoitus jättää huomioimatta.The present invention is based on the surprising finding that the surfaces of various products comprising large surfaces can be coated at industrial production speeds and with excellent properties, generally related to several common technicalities of carbon nitrides, using carbon nitride. C3N4Hx target material is preferably used as the carbon nitride material, but other carbon nitride or carbon based target materials are not to be ignored.

Lisäksi esillä oleva menetelmä saavuttaa hiilinitridikohtiomateriaalien osalta säästä-5 väisen käyttöasteen, koska niitä ablatoidaan tavalla, joka toteuttaa jo käytössä olleen materiaalin uudelleenkäyttöä hyvälaatuiset pinnoitustulokset säilyttäen. Esillä oleva keksintö saavuttaa lisäksi erilaisten tuotteiden pintojen pinnoittamisen alhaisissa tyhjöolosuhteissa samanaikaisesti hyvät pinnoiteominaisuudet tarjoten. Lisäksi vaaditut pinnoituskammiotilavuudet ovat dramaattisesti pienempiä kuin kilpailevissa 10 menetelmissä. Nämä piirteet laskevat dramaattisesti kokonaislaitteiston hintaa sekä kasvattavat pinnoitteen tuotantonopeutta. Monissa edullisissa tapauksissa pinnoitus-laitteisto voidaan asentaa tuotantolinjaan online-tyyliin.In addition, the present process achieves a cost-effective utilization rate for carbon nitride target materials by ablating them in a manner that provides reuse of the material already in use while maintaining good coating results. The present invention further achieves coating of different products under low vacuum conditions while providing good coating properties. In addition, the coating chamber volumes required are dramatically smaller than in competing methods. These features dramatically reduce the cost of overall hardware and increase coating production speed. In many advantageous cases, the coating hardware can be installed on a production line in an online style.

Pinnoitteen kasvatusnopeudet 20W USPLD-laitteella ovat 2 mmVmin. Kun laserin 15 teho kasvatetaan arvoon 80 W, USPLD-pinnoituksen kasvatusnopeus nousee sen mukaisesti arvoon 8mm3/min. Keksinnön mukaisesti kasvatusnopeuden kasvua voidaan nyt täysin hyödyntää korkealaatuiseen pinnoitetuotantoon.Coating growth rates on a 20W USPLD are 2 mmVmin. When the power of the laser 15 is increased to 80 W, the growth rate of the USPLD coating accordingly increases to 8mm3 / min. According to the invention, the increase in growth rate can now be fully utilized for high quality coating production.

Tässä patenttihakemuksessa termi “pinnoitus” (coating) tarkoittaa minkä tahansa 20 paksuisen materiaalin muodostamista substraatille. Pinnoitus saattaa siten myös merkitä ohuiden kalvojen tuottamista esim. paksuudella < 1 pm.In this patent application, the term "coating" refers to the formation of any material of 20 thickness on a substrate. Thus, coating may also involve producing thin films, e.g., with a thickness of <1 µm.

Keksinnön eri suoritusmuotoja voidaan sopivilta osin yhdistellä.The various embodiments of the invention may be conveniently combined.

Alan ammattilaiset voivat luettuaan ja ymmärrettyään keksinnön tietää monta eri tapaa modifioida keksinnölle esitettyjä suoritusmuotoja kuitenkaan jättämättä kek-25 sinnön suoja-alaa, joka ei rajoitu ainoastaan esitettyihin suoritusmuotoihin, jotka onThose skilled in the art, having read and understood the invention, will know many different ways of modifying embodiments of the invention without departing from the scope of the invention, which is not limited to the embodiments disclosed, which are:

COC/O

g esitetty esimerkkeinä keksinnön suoritusmuodoista.g is exemplified by embodiments of the invention.

C\JC \ J

i 1^ o g Kuvioti 1 ^ o g Patterns

XX

£ Keksinnön kuvatut ja muut edut tulevat selväksi seuraavan yksityiskohtaisen kuvako 30 uksen avulla viitaten kuvioihin, joissa:The described and other advantages of the invention will be apparent from the following detailed description with reference to the figures, in which:

LOLO

o Kuvio 1. esittää esimerkinomaista galvanoskannerikokoonpanoa, jota hyödyn-Figure 1 shows an exemplary galvanic scanner assembly utilized

C\JC \ J

netään tekniikan tason kylmäablaatiopinnoitteen/ohutkalvon tuotannossa sekä koneistamisessa ja muissa työstöön liittyvissä sovelluksissa. Galvanoskannerien lu- 9 kumäärä lasersäteen ohjaamisessa vaihtelee, mutta tyypillisesti käytetään yhtä gal-vanoskanneria,prior art cold-ablation coating / thin-film production as well as machining and other machining applications. The number of galvanic scanners in laser beam control varies, but typically one gal van scanner is used,

Kuvio 2. havainnollistaa ITO-pinnoitetta polykarbonaattilevyllä (-100 mm x 5 30 mm) tekniikan tason värähtelevää peiliä (galvoskanneri) hyödyntäen tuotettuna eri ITO-ohutkalvon paksuuksilla (30 nm, 60 nm ja 90 nm),Figure 2 illustrates an ITO coating on a polycarbonate sheet (-100 mm x 5 30 mm) using a prior art oscillating mirror (head scanner) produced at various ITO thin film thicknesses (30 nm, 60 nm and 90 nm),

Kuvio 3. esittää tilannetta, jossa tekniikan tason galvanometrinen skanneri on käytössä lasersäteen skannaamisessa skannausnopeudella noin 1 m/s, mikä johtaa voimakkaasti limittyviin (overlap) pulsseihin toistotaajuudella 2 MHz, 10Figure 3 illustrates a situation where a prior art galvanometric scanner is used to scan a laser beam at a scan rate of about 1 m / s, resulting in highly overlapping pulses at a repetition frequency of 2 MHz,

Kuvio 4. esittää mahdollista, keksinnön mukaan pinnoitettua tuotetta,Figure 4 shows a possible product coated according to the invention,

Kuvio 5. esittää yhtä mahdollista turbiiniskanneripeiliä, jota käytetään keksinnön mukaisessa menetelmässä, 15Figure 5 shows one possible turbine scanner mirror used in the method of the invention, 15

Kuvio 6. esittää kasvattavan säteen liikettä, joka saavutetaan kuvion 5 kunkin peilin avulla,Figure 6 shows the movement of the magnifying beam achieved by each mirror of Figure 5;

Kuvio 7. esittää säteenohjausta yhden mahdollisen pyörivän, keksinnön mukai-20 sesti käytettävän, skannerin kautta,Figure 7 illustrates beam guidance through one possible rotary scanner used in accordance with the invention,

Kuvio 8. esittää säteenohjausta yhden mahdollisen pyörivän, keksinnön mukaisesti käytettävän, skannerin kautta, 25 Kuvio 9. esittää säteenohjausta yhden mahdollisen pyörivän, keksinnön mukai-„ sesti käytettävän, skannerin kautta, δFigure 8 shows beam control through one possible rotary scanner used in accordance with the invention, Figure 9 shows beam control through one possible rotary scanner used in accordance with the invention, δ

CvJCVJ

isL Kuvio 10. esittää mahdollista, keksinnön mukaan pinnoitettua, näytetuubia,isL Figure 10 shows a sample tube coated according to the invention,

OO

COC/O

30 Kuvio 11. esittää mahdollista, keksinnön mukaan pinnoitettua, viilaa tai raspia,Figure 11 shows a possible file or rasp, coated according to the invention,

CCCC

Q_ oo Kuvio 12. esittää mahdollista, keksinnön mukaan pinnoitettua, auton sylinteriä,Fig. 12 shows a possible car cylinder, coated according to the invention,

LOLO

r».r ».

§ Kuvio 13a. esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta kohtiomateriaalin skannauk- C\j 35 sesta ja ablaatiosta pyörivän skannerin (turbiiniskanneri) avulla,Figure 13a. illustrates an exemplary scanning and ablation of a target material according to the invention by means of a rotary scanner (turbine scanner),

Kuvio 13b. esittää esimerkinomaista osaa kuvion 13a kohtiomateriaalista, 10Figure 13b. shows an exemplary portion of the target material of Figure 13a, 10

Kuvio 13c. esittää esimerkinomaista kasvatettua aluetta kuvion 13b kohtiomateri-aalista, 5 Kuvio 14a. esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta kohtiomateriaalin skannauk-sesta ja ablaatiota turbiiniskannerin (pyörivä skanneri) avulla,Figure 13c. shows an exemplary grown area of the target material of Figure 13b, Figure 14a. illustrates an example of target material scanning and ablation using a turbine scanner (rotary scanner) according to the invention,

Kuvio 15a. havainnollistaa plasmaan liittyviä tunnettujen tekniikoiden ongelmia, 10 Kuvio 15b. havainnollistaa plasmaan liittyviä tunnettujen tekniikoiden ongelmia.Figure 15a. illustrates problems with prior art plasma-related techniques, Figure 15b. illustrates problems with prior art plasma technologies.

Keksinnön suoritusmuotojen yksityiskohtainen kuvausDetailed Description of Embodiments of the Invention

Keksinnön mukaisesti järjestetään menetelmä tuotteen tietyn pinnan hiilinitridillä 15 pinnoittamiseksi laserkasvatuksen avulla, jossa menetelmässä pinnoitettava yhden-mukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,2 dm ja pinnoittaminen suoritetaan kohdistamalla kohtioon laserpulsseja, jotka ovat riittävän lyhyitä kylmäablaation aiheuttamiseksi kohtiossa ja missä pulssitaajuus on vähintään 1 MHz, jolle menetelmälle on tunnusomaista, että pulssilasersäde skannataan pyörivän optisen skannerin avulla, 20 joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi, jolloin pulssilasersäteen skannausnopeus kohtion pinnalla on suurempi kuin 10 m/s.According to the invention there is provided a method of coating a given surface of a product with carbon nitride 15 by laser culturing, wherein the uniform surface area to be coated comprises at least 0.2 dm and is applied by targeting laser pulses short enough to cause cold ablation at the target characterized in that the pulsed laser beam is scanned by means of a rotating optical scanner, each scanner including at least one mirror for reflecting said laser beam, wherein the scanning speed of the pulsed laser beam at the target surface is greater than 10 m / s.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti hiilinitridimateriaalilla tarkoitetaan tässä kaikkia CNX-materiaaleja, edullisesti C3N4 tai C2N2-materiaaleja ja edullisim-25 min C3N4-materiaaleja. Pinnoite saattaa sisältää pieniä määriä vetyä, typpi-hiilisuhteen täten ollessa lähellä 4:3.According to one embodiment of the invention, the carbon nitride material herein refers to all CNX materials, preferably C3N4 or C2N2 materials, and most preferably 25 minutes to C3N4 materials. The coating may contain small amounts of hydrogen, thus having a nitrogen to carbon ratio of about 4: 3.

COC/O

° Kohtiomateriaali edullisesti sisältää C3N4- materiaalia esim grafiittisessa muodossa, o Tämänlainen grafiittinen materiaali sisältää aina vaihtelevan mutta pienen määrän g 30 vetyä. Täten myös tässä typpi-hiilisuhde ei ole tarkalleen mutta osapuilleen 4:3.Preferably, the target material contains C3N4 material, e.g. in graphite form, o Such graphite material always contains a variable but small amount of g 30 hydrogen. Thus, here too, the nitrogen-carbon ratio is not exactly but approximately 4: 3.

x Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan pinnoitestökiömetriaa säädetään suorit- tamalla pinnoitus typpiatmosfäärissä.According to an embodiment of the invention, the coating test electrometry is controlled by carrying out the coating in a nitrogen atmosphere.

COC/O

COC/O

rC Tuotteilla tarkoitetaan tässä ilman rajoittavaa tarkoitusta tuotteita esim. rakennus- ^ 35 käyttöön kokonaisuudessaan, sisä- ja koristetarkoituksiin, koneisiin, ajoneuvojen osiin esim. autoissa, kuorma-autoissa, moottoripyörissä ja traktoreissa, lentokoneisiin kuten lentokoneen propulsioon, laivoihin, veneisiin, juniin, kiskoihin, työkaluihin, lääketieteellisiin tuotteisiin, elektronisiin laitteisiin ja niiden koteloihin, erilai- 11 siin kivi- ja keramiikkatuotteisiin, kuitupohjaisiin tuotteisiin, lasipohjaisiin tuotteisiin, muovipohjaisiin tuotteisiin, valaistukseen, tietokoneiden kovalevyihin, profiileihin, kehyksiin, komponenttiosiin, prosessivälineistöön, laakereihin, sähköisiin eristimiin, putkiin ja säiliöihin eri teollisuuden aloilla kuten kemian teollisuudessa, 5 sähkövoima- ja energiateollisuudessa, aurinkokennoihin, ledeihin, avaruusaluksiin, puhtaisiin metalliin, muoviin ja levyihin, sotilassovelluksiin, ilmanvaihtoon, kaivostoimintaan, ruuveihin, vesiputkiin, poriin ja niiden osiin jne.rC Products are to be understood, without limitation, to be used in, for example, construction, as a whole, 35 interior, decoration, machinery, vehicle parts such as cars, trucks, motorcycles and tractors, aircraft such as aircraft propulsion, ships, boats, trains, rails , tools, medical products, electronic devices and their cases, various stone and ceramic products, fiber-based products, glass-based products, plastic-based products, lighting, computer hard drives, profiles, frames, component parts, insulating materials, process equipments, tanks in various industrial sectors such as the chemical industry, 5 electric power and energy industries, solar cells, leds, spacecraft, pure metals, plastics and plates, military applications, ventilation, mining, screws, water pipes, Pori and their parts, etc.

Ultralyhyt laserpulssikasvatus lyhennetään usein USPLD (Ultra Short Laser Pulsed 10 Deposition). Mainittua kasvatusta kutsutaan myös kylmäablaatioksi, jossa yksi tunnusomaisista piirteistä on se, ettei esim. toisin kuin kilpailevien nanosekunttilaseri-en tapauksessa lämmön siirtymistä tapahdu altistetulta kohtioalueelta tämän ympäristöön, laserpulssienergioiden ollessa silti tarpeeksi suuria ylittämään kohtiomateri-aalin ablaatioraja-arvon. Pulssinpituudet ovat tyypillisesti alle 50 ps, esim. 5-30 ps, 15 ts. ulralyhyitä, kylmäablaation ollessa saavutettavissa pikosekunti-, femtosekunti- ja attosekunti -pulssilasereilla. Kohteesta laserkasvatuksen avulla höyrystetty materiaali kasvatetaan substraatille, jota pidetään lähellä huoneenlämpötilaa. Silti plasman lämpötila saavuttaa 1.000.000 K altistetulla kohtioalueella. Plasman nopeus on ylivoimainen, jopa saavuttaen 100.000 m/s, ja täten saavutetaan parempi ennuste tuo-20 tetun pinnoitteen/ohutkalvon riittävälle kiinnittymiselle.Ultra Short Laser Pulsed 10 Deposition is often abbreviated as USPLD. Said cultivation is also referred to as cold ablation, where one of the features is that, unlike competing nanosecond lasers, for example, heat transfer from the exposed target area to this environment does not occur, with laser pulse energies still high enough to exceed the target material ablation threshold. Pulse lengths are typically less than 50 ps, e.g., 5-30 ps, i.e., ultralight, with cold ablation at picosecond, femtosecond, and attosecond pulse lasers. The material vaporized from the subject by laser cultivation is grown on a substrate held near room temperature. Still, the plasma temperature reaches 1,000,000 K in the exposed target area. Plasma velocity is overwhelming, even reaching 100,000 m / s, thereby achieving a better prediction of sufficient adhesion of the produced coating / thin film.

Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0.5 dm . Yhä eräässä toisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmu-kainen pinta-ala käsittää ainakin 1.0 dm . Keksintö suoriintuu helposti myös yli 0.5 25 m :n yhdenmukaisia pinnoitettuja pintoja käsittävien tuotteiden pinnoittamisesta, kuten 1 m :n pinnoista ja suuremmista. Sillä prosessi on erityisen edullinen suurten £2 pintojen korkealaatuisella plasmalla pinnoittamisessa, se kohtaa alipalvellut tai ko- ° konaan palvelematta jääneet useiden erilaisten lasituotteiden markkinat.In another embodiment of the invention, said uniform surface area comprises at least 0.5 dm. In yet another embodiment, said uniform surface area comprises at least 1.0 dm. The invention is also readily accomplished by coating products with uniform coated surfaces greater than 0.5 m, such as those of 1 m and larger. Because the process is particularly advantageous for coating large £ 2 surfaces with high-quality plasma, it faces an under-served or completely unserved market for a wide variety of glass products.

i^.i ^.

cp g 30 Teollisissa sovelluksissa on tärkeää saavuttaa laserkäsittelyn korkea tehokkuus, x Kylmäablaatiossa laserpulssien intensiteetin tulee ylittää ennalta määrätty raja-arvo kylmäablaatioilmiön edistämiseksi. Tämä raja-arvo riippuu kohtiomateraalista. co Korkean käsittelytehokkuuden ja siten teollisen tuottavuuden saavuttamiseksi puisit sien toistonopeuden tulee olla korkea, esim. 1 MHz, edullisesti yli 2 MHz ja mielui-cp g 30 In industrial applications, it is important to achieve high efficiency in laser processing, x In cold ablation, the intensity of laser pulses must exceed a predetermined threshold to promote the phenomenon of cold ablation. This limit depends on the target material. In order to achieve high processing efficiency and thus industrial productivity, the playback speed of wood should be high, e.g., 1 MHz, preferably above 2 MHz, and preferably

OO

^ 35 ten yli 5 MHz. Aiemmin mainitusti on edullista olla ohjaamatta useita pulsseja koh- tiomateriaalin samaan paikkaan, koska tämä aiheuttaa kohtiomateriaalissa kumuloituvan efektin, hiukkaskasvatuksen johtaessa huonolaatuiseen plasmaan ja täten huonolaatuisiin pinnoitteisiin ja ohutkalvoihin, kohtiomateriaalin ei-toivottuun ku- 12 lumiseen, kohtiomateriaalin mahdollisen lämpiämiseen jne. Siksi käsittelyn korkean tehokkuuden saavuttamiseksi on myös tarpeellista järjestää lasersäteelle korkea skannausnopeus. Keksinnön mukaisesti säteen nopeuden kohteen pinnalla tulisi yleisesti ottaen olla suurempi kuin 10 m/s tehokkaan käsittelyn aikaansaamiseksi, ja 5 edullisesti suurempi kuin 50 m/s ja edullisemmin suurempi kuin 100 m/s, jopa nopeuksia kuten 2000 m/s. Värähtelevään peiliin perustuvissa optisissa skannereissa hitausmomentti kuitenkin estää saavuttamasta riittävän korkeaa kulmanopeutta peilille. Vastaanotettu lasersäde kohtiopinnalla on siten nopeudeltaan vain muutama m/s, kuvion 1 havainnollistaessa esimerkkiä kyseisestä värähtelevästä peilistä, jota 10 kutsutaan myös galvanoskanneriksi.^ 35 over 5 MHz. As previously mentioned, it is preferable not to direct multiple pulses to the same location of the target material, since this causes a cumulative effect in the target material, with particle growth leading to poor quality plasma and thus poor quality and high heat treatment of the target material. in order to achieve this, it is also necessary to provide a high scanning speed for the laser beam. In accordance with the invention, the beam velocity at the target surface should generally be greater than 10 m / s for effective processing, and preferably greater than 50 m / s, and more preferably greater than 100 m / s, even at speeds such as 2000 m / s. However, in optical scanners based on a vibrating mirror, the moment of inertia prevents the mirror from reaching a sufficiently high angular velocity. The received laser beam on the target surface is thus only a few m / s in speed, illustrating in Figure 1 an example of such a vibrating mirror, also called a galvanic scanner.

Kun nykyiset galvanoskannereita hyödyntävät pinnoitusmenetelmät voivat tuottaa enintään 10 cm:n skannausleveyksiä, mieluumminkin vähemmän, esillä oleva keksintö saavuttaa myös paljon laajemmat skannausleveydet kuten 30 cm ja jopa yli 1 15 metri yhtaikaisesti erinomaisten pinnoiteominaisuuksien ja tuotantonopeuksien kanssa.While current plating methods utilizing galvanic scanners can produce scanning widths of up to 10 cm, preferably less, the present invention also achieves much wider scanning widths such as 30 cm and even more than 1 15 meters with excellent coating properties and production speeds.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan pyörivä optinen skanneri tässä tarkoittaa skannereita, jotka sisältävät ainakin yhden peilin lasersäteen heijastamiseksi. Tä-20 mänlainen skanneri ja sen sovelluksia kuvataan patenttihakemuksessa FI20065867. Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaan pyörivä optinen skanneri käsittää ainakin kolme peiliä lasersäteen heijastamiseksi. Keksinnön yhdessä suoritusmuodossa hyödynnetään polygonaalista prismaa, joka on esitetty kuviossa 5. Tässä polygonaa-lisella prismalla on pinnat 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ja 28. Nuoli 20 merkitsee, että 25 prismaa voidaan pyörittää akselinsa 19 ympäri, joka akseli on prisman symmetria-akseli. Kun kuvion 5 prismat pinnat ovat peilipintoja, edullisesti vinoja (oblique) £2 skannausviivan aikaansaamiseksi, järjestettynä niin, että jokainen pinta vuorollaan ° vaihtaa, heijastuksen suhteen, säteilyn tulosuuntaa peilipinnalla prismaa akselinsa i o ympäri pyöritettäessä, prisma soveltuu keksinnön suoritusmuodon mukaiseen mene- i g 30 telmään, säteilyn lähetyslinjaltaan, osana pyörivää skanneria kuten turbiiniskanne- x ria. Kuvio 5 esittää 8 pintaa, mutta pintoja saattaa olla huomattavasti enemmän, jopa tusinoittain tai sadoittain. Kuvio 5 myöskin esittää, että peilit ovat samassa vi-co nossa kulmassa akseliin nähden, mutta erityisesti useamman peilin sisältävässä suori? ritusmuodossa mainittu kulma saattaa askeleittain vaihdella niin, että tietyn vaihte- o ^ 35 luvälin sisällä askeltaen tietty askellettu siirtymä työskentelypisteessä saavutetaan kohteessa, mitä on havainnollistettu kuviossa 6 muiden asioiden lisäksi. Keksinnön eri suoritusmuotoja ei rajoiteta erilaisiin turbiiniskanneripeilijärjestelyihin koskien esimerkiksi lasersädettä heijastavien peilien kokoa, muotoa ja lukumäärää.According to one embodiment of the invention, a rotating optical scanner here refers to scanners comprising at least one mirror for reflecting a laser beam. A Tä-20 scanner and its applications are described in patent application FI20065867. According to another embodiment of the invention, the rotating optical scanner comprises at least three mirrors for reflecting the laser beam. In one embodiment of the invention, the polygonal prism shown in Figure 5 is utilized. Here, the polygonal prism has surfaces 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 and 28. The arrow 20 indicates that the 25 prism can be rotated about its axis 19 which the axis is the prism axis of symmetry. When the prismatic surfaces of Fig. 5 are mirror surfaces, preferably oblique, to provide a scanning line of θ2, arranged so that each surface alternates, with respect to reflection, the direction of radiation incident on the mirror surface as the prism rotates about its axis. , its radiation transmission line, as part of a rotating scanner such as a turbine scanner. Figure 5 shows 8 surfaces, but there may be considerably more surfaces, even dozens or hundreds. Figure 5 also shows that the mirrors are at the same angle vi-co with respect to the axis, but especially with more mirrors containing? in an embodiment, said angle may vary step by step so that within a certain gear range, a certain stepped transition at the working point is achieved at the target, as illustrated in Figure 6, among other things. Various embodiments of the invention are not limited to various turbine scanner mirror arrangements regarding, for example, the size, shape and number of mirrors reflecting a laser beam.

1313

Turbiiniskannerin rakenne, kuvio 5, sisältää ainakin 2 peiliä, edullisesti enemmän kuin 6 peiliä, esim. 8 peiliä (21-28), jotka on sijoitettu symmetrisesti keskiakselin 19 ympärille. Kun prisma 21 turbiiniskannerissa pyörii 20 keskiakselin 19 ympäri, 5 peilit ohjaavat pisteestä 29 heijastunutta säteilyä, esim. lasersädettä, tarkasti viivan malliselle alueelle, aina aloittaen yhdestä ja samasta suunnasta (kuvio 6). Turbiiniskannerin peilirakenne saattaa olla kallistamaton (kuvio 7) tai tiettyyn kulmaan kallistettu, esim. kuviot 8 ja 9. Turbiiniskannerin kokoja mittasuhteet voidaan vapaasti valita. Yhdessä edullisessa pinnoitusmenetelmän suoritusmuodossa sillä on ympä-10 rysmitta 30 cm, läpimitta 12 cm ja korkeus 5 cm.The structure of the turbine scanner, Fig. 5, includes at least 2 mirrors, preferably more than 6 mirrors, e.g. 8 mirrors (21-28) disposed symmetrically about the central axis 19. As the prism 21 in the turbine scanner rotates 20 about the central axis 19, the mirrors 5 direct the radiation reflected from the point 29, e.g., a laser beam, precisely to the line pattern, always starting from the same direction (Figure 6). The mirror structure of the turbine scanner may be inclined (Fig. 7) or inclined at a certain angle, e.g. Figs. 8 and 9. The dimensions of the turbine scanner may be freely selected. In one preferred embodiment of the coating method, it has a circumference of 30 cm, a diameter of 12 cm and a height of 5 cm.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa on edullista, että turbiinin peilit 21-28 sijoitetaan edullisesti vinoihin kulmiin keskiakseliin 19 nähden, koska tällöin lasersäde 15 helposti ohjautuu skannerijärjestelmään.In one embodiment of the invention, it is preferable that the turbine mirrors 21-28 are preferably angled with respect to the central axis 19, since the laser beam 15 is then easily guided to the scanner system.

Keksinnön suoritusmuodon (kuvio 5) mukaan käytetyssä turbiiniskannerissa peilit 21-29 voivat poiketa toisistaan tavalla, jossa yhden pyörimisliikkeen kierroksen aikana skannataan yhtä monta viivan muotoista aluetta (kuvio 6) kuin mitä peilejä on 20 21-28.In the turbine scanner used according to an embodiment of the invention (Fig. 5), the mirrors 21-29 may differ from each other in such a way that as many lines in the form of a line (Fig. 6) are scanned during one revolution of rotation as there are mirrors 21-28.

Keksinnön mukaisesti pinnoitettava pinta voi käsittää tuotteen pinnan kokonaan tai vain osan siitä.According to the invention, the surface to be coated may comprise all or part of the surface of the product.

25 Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa laserkasvatus suoritetaan 10'1 - 10' 12 atmosfäärin suuruisessa tyhjössä. Korkean tyhjön olosuhteet vaativat melko pitkiä £2 pumppausaikoja ja siten pidentyneitä pinnoitteiden tuotantoaikoja. Tiettyjen higher end -tuotteiden suhteen tämä ei ole niin iso ongelma, mutta esimerkiksi erityisesti i o suurempia pintoja käsittävien kulutushyödykkeiden osalta näin ehdottomasti on.In a preferred embodiment of the invention, laser cultivation is performed in a vacuum of 10'1 to 10'12 atmospheres. High vacuum conditions require fairly long pumping times of £ 2 and thus longer coating production times. This is not a big problem with certain higher end products, but it is definitely the case, for example, with consumer products with larger surfaces.

i g 30 Mikäli esimerkiksi uudet kulumista ja naarmuja kestävät pinnoitteet, kemiallisesti x inertit pinnoitteet, tribologiset pinnoitteet, lämpökestävät ja/tai lämpöä johtavat pin- noitteet, sähköä johtavat pinnoitteet ja mahdollisesti yhtaikaisesti erinomaiset lä- c8 pinäkyvyydet otetaan huomioon, mainituille tuotteille ei yksinkertaisesti ole ole- rC massa pinnoitusmenetelmiä, ei teknologisesta tai taloudellisesta näkökulmasta tar es ^ 35 kasteltuna.ig 30 If, for example, new abrasion and scratch resistant coatings, chemically inert coatings, tribological coatings, heat-resistant and / or heat-conductive coatings, electrically conductive coatings, and possibly simultaneously excellent c8 coatings are considered, these products simply do not rC mass of coating methods, not from a technological or economic point of view, when wet.

Täten keksinnön erityisen edullisessa suoritusmuodossa laserkasvatus suoritetaan 10'1 - 10'4 :n atmosfäärin tyhjössä. Keksinnön mukaisesti erinomaisia pinnoi 14 te/ohutkalvo-ominaisuuksia voidaan saavuttaa jo alhaisisssa atmosfääreissä dramaattisesti lyhentyneisiin prosessointiaikoihin ja parantuneeseen teolliseen käyttökelpoisuuteen j ohtaen.Thus, in a particularly preferred embodiment of the invention, laser cultivation is performed in a vacuum of 10 to 1 to 10 to 4 atmospheres. According to the invention, excellent coatings of 14 te / thin film can be achieved even in low atmospheres, with dramatically reduced processing times and improved industrial usability.

5 Keksinnön mukaan on mahdollista suorittaa pinnoittaminen tavalla, jossa kohtioma-teriaalin ja mainitun yhdenmukaisen päällystettävän pinta-alueen välinen etäisyys on alle 25 cm, edullisesti alle 15 cm ja edullisimmin alle 10 cm. Tällöin saadaan aikaan radikaalisti tilavuudeltaan pienentyneiden pinnoituskammioiden kehittäminen, tehden pinnoitustuotantolinjojen kokonaishinnasta alhaisemman ja lyhentäen 10 edelleen tyhjöpumppaukseen tarvittavaa aikaa.According to the invention, it is possible to carry out the coating in such a way that the distance between the target material and said uniform surface area to be coated is less than 25 cm, preferably less than 15 cm, and most preferably less than 10 cm. Thereby, the development of radially reduced volume coating chambers is achieved, reducing the total cost of coating production lines and further reducing the time required for vacuum pumping.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kohtiomateriaalin ablatoitu pinta voidaan toistamiseen ablatoida virheistä vapaan pinnoitteen tuottamiseksi. Useimpien nykyisten pinnoiteteknologioiden tapauksessa kohtiomateriaali kuluu epätasaisesti 15 tavalla, jossa altistettua aluetta ei voida uudelleenkäyttää kasvatukseen ja se täytyy siten hylätä tai lähettää regeneroitavaksi tietyn käytön jälkeen. Ongelma on pyritty ratkaisemaan kehittämällä erilaisia tekniikoita jatkuvasti uuden, ei-ablatoidun kohtiomateriaalin syöttämiseksi pinnoitustarkoituksiin esim. liikuttamalla kohtiomateri-aalia x/y-akselien suhteen tai pyörittämällä sylinterimäistä kohtiomateriaalia. Esillä 20 oleva keksintö saa aikaan yhtäaikaisesti erinomaiset pinnoiteominaisuudet ja tuotan-tonopeudet kuten myös kohtiomateriaalin käytön tavalla, jossa hyvälaatuinen plasma säilyttää ominaisuutensa oleellisesti koko kohtiomateriaalipalasen käyttämisen kautta. Edullisesti yli 50% yksittäisen kohtiomateriaalin painosta kulutetaan keksinnön mukaisen hyvälaatuisen plasman tuottamiseen. Hyvälaatuisella plasmalla tar-25 koitetaan tässä plasmaa, joka on suunnattu virheistä vapaiden pinnoitteiden ja ohutkalvojen tuottamiseen, plasmapilven hyvälaatuisuuden säilyessä korkeilla pulssitaa-£2 juuksilla ja kasvatusnopeuksilla. Osa näistä ominaisuuksista kuvataan alla.In a preferred embodiment of the invention, the ablated surface of the target material can be repeatedly ablated to produce a defect-free coating. For most current coating technologies, the target material is unevenly consumed in a manner where the exposed area cannot be reused for cultivation and thus must be rejected or sent for regeneration after a given use. An attempt has been made to solve the problem by continuously developing various techniques for feeding new non-ablated target material for coating purposes, e.g. by moving the target material relative to the x / y axes or by rotating the cylindrical target material. The present invention simultaneously provides excellent coating properties and production rates as well as the use of a target material in a manner in which good quality plasma retains its properties through the use of substantially all of the target target material. Preferably, more than 50% by weight of the single target material is consumed to produce good quality plasma according to the invention. Good quality plasma herein refers to plasma directed to producing defect-free coatings and thin films, while maintaining the good quality of the plasma cloud at high pulse rates and growth rates. Some of these features are described below.

δδ

CvJCVJ

o Vaikkakin esillä olevassa keksinnössä suositaan hiilinitridimateriaalien käyttämistä g 30 kohtiomateriaalina, toisessa suoritusmuodossa keksintö soveltuu myös tiettyjen hii- x linitridipinnoitteiden tuottamiseen ablatoimalla grafiittia tai pyrohiiltä (pyrocarbon) erilaisissa typpeä sisältävissä atmosfääreissä.While the present invention favors the use of carbon nitride materials as g 30 target material, in another embodiment, the invention is also applicable to the production of certain carbon linitride coatings by ablation of graphite or pyrocarbon in various nitrogen-containing atmospheres.

00 00 rC Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan tuotetun pinnoitteen keskimääräinen pin- ^ 35 takarheus yhdenmukaisella pinta-alueella on vähemmän kuin 100 nm skannattuna lpm2:n alueelta AFM-mikroskoopilla. Edullisemmin keskimääräinen pintakarheus on vähemmän kuin 30 nm. Keskimääräisellä pintakarheudella tarkoitetaan tässä keskimääräistä poikkeamaa sopivalla menetelmällä, esim. AFM:ssä tai profiilimitta- 15 rissa saatavissa olevalla menetelmällä, sovitetusta keskilinjan keskiarvokäyrästä. Pintakarheus vaikuttaa mm. kuluma- ja naarmuuntumattomuusominaisuuksiin, tri-bologisiin ominaisuuksiin kuten myös keksinnön mukaan pinnoitettujen tuotteiden pinnoitteiden läpikuultavuuteen.The coating produced in accordance with one embodiment of the invention has an average surface roughness of less than 100 nm when scanned from 1pm2 on an AFM microscope. More preferably, the average surface roughness is less than 30 nm. Mean surface roughness herein is defined as the mean deviation from the centerline curve fitted by a suitable method, such as that obtainable in an AFM or profile meter. The surface roughness affects e.g. abrasion and scratch resistance properties, the tribological properties as well as the translucency of the coatings of the products coated according to the invention.

55

Yhä, keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tuotetun pinnoitteen optinen läpäisevyys mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei ole vähemmän kuin 88%, edullisesti ei vähempää kuin 90% ja edullisimmin ei vähempää kuin 92%. Se voi jopa olla suurempi kuin 98%.Still, in a preferred embodiment of the invention, the coating produced has an optical transmittance of at least 88%, preferably not less than 90%, and most preferably not less than 92% of said uniform surface area. It can even be higher than 98%.

10 Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa tuotettu pinnoite mainitulla yhden-muotoisella pinta-alalla sisältää vähemmän kuin yhden mikroreiän (pinhole) per 1 mm , edullisesti vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 cm ja mieluiten ei mikro-reikiä lainkaan mainitulla yhdemukaisella pinta-alalla. Mikroreikä on reikä, joka menee pinnoitteen läpi tai oleellisesti sen läpi. Pikkuruiset reiät tarjoavat alustan 15 alunperin pinnoitetun materiaalin eroosiolle esim. kemiallisten ja ympäristötekijöiden kautta. Yksittäinen mikroreikä esim. kemiallisessa reaktorissa tai putkessa, lääketieteellisessä implantissa, avaruusaluksessa, ajoneuvojen erilaisissa osissa ja niiden mekaanisissa osissa tai edelleen metallirakenteessa tai sisärakenteessa johtaa helposti dramaattisesti lyhentyneeseen mainitun tuotteen elinikään.In another embodiment of the invention, the coating produced in said one-shaped surface area contains less than one pinhole per 1 mm, preferably less than one micro-hole per 1 cm, and preferably no micro-holes in said uniform surface area. A micro-hole is a hole that passes through or substantially through the coating. The tiny holes provide a platform for the erosion of the originally coated material, for example through chemical and environmental factors. A single micro-hole, e.g., in a chemical reactor or tube, a medical implant, a spacecraft, various parts of vehicles and their mechanical parts, or further in a metal structure or interior, can easily lead to a dramatically reduced service life of said product.

20 Siten toisessa edullisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala päällystetään tavalla, jossa ensimmäiset 50% mainitusta pinnoitteesta mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei sisällä mitään hiukkasia, joiden läpimitta ylittää 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm. Mikäli pinnoitevalmistusprosessin varhaiset vaiheet tuottavat mikrometri-kokoluokan hiukkasia, mainitut hiukkaset 25 saattavat avata korroosiokäytäviä tuotetun pinnoitteen seuraavissa kerroksissa. Li-Thus, in another preferred embodiment, said uniform surface is coated in a manner wherein the first 50% of said coating in said uniform surface does not contain any particles having a diameter greater than 1000 nm, preferably 100 nm and most preferably 30 nm. If the early stages of the coating manufacturing process produce micrometer-sized particles, said particles may open up corrosion passages in subsequent layers of the produced coating. Li-

COC/O

g säksi hiukkasten epäsäännöllisten muotojen takia on erittäin vaikeaa tiivistää ky- ^ seisten hiukkasten alapuolinen pinta. Lisäksi mainitut hiukkaset kasvattavat pinnan 9 karheutta oleellisesti. Nykyinen menetelmä mahdollistaa jopa tässä yhteydessä kas-Because of the irregular shape of the particles, it is very difficult to seal the surface below the particles. Furthermore, said particles substantially increase the roughness of the surface 9. Even in this context, the current method allows for increased

COC/O

0 vaneen eliniän ja alentuneet ylläpitokustannukset erilaisille tuotteille.0 life expectancy and reduced maintenance costs for various products.

CCCC

30 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan kuitutuotteen mainittu yhdenmukainen co pinta päällystetään vain yhdellä pinnoitteella. Keksinnön toisen suoritusmuodon rC mukaan tuotteen mainittu yhdenmukainen pinta päällystetään monikerroksisella ^ pinnoitteella. Useampi pinnoite voidaan tuottaa eri syistä. Yksi syistä saattaa olla tiettyjen pinnoitteiden päällystettävään tuotteeseen tarttumisen parantaminen val-35 niistämällä ensimmäinen erä pinnoitetta, joka tarttuu paremmin pintaan ja omaa ominaisuudet, jotka edesauttavat seuraavaa pinnoitekerrosta tarttumaan mainittuun 16 kerrokseen paremmin kuin pintaan itseensä. Lisäksi monikerroksinen pinnoite saattaa sisältää useita toiminteita, jotka eivät ole mahdollisia ilman kyseistä rakennetta. Esillä oleva keksintö saa aikaan useiden pinnoitteiden tuotannon yksittäisessä pin-noituskammiossa tai vierekkäisissä kammioissa.According to one embodiment of the invention, said uniform surface co of the fibrous product is coated with only one coating. According to another embodiment of the invention, said uniform surface of the article is coated with a multilayer coating. Several coatings can be produced for various reasons. One of the reasons may be to improve the adhesion of certain coatings to the product to be coated by preparing a first batch of coating which adheres better to the surface and has properties that facilitate the next coating layer to adhere to said 16 layers better than the surface itself. In addition, a multilayer coating may contain multiple functions that are not possible without such a structure. The present invention provides the production of multiple coatings in a single coating chamber or in adjacent chambers.

5 Esillä oleva keksintö lisäksi aikaansaa komposiittipinnoitteiden tuottamisen tuotteen pinnalle ablatoimalla samanaikaisesti yhtä komposiittimateriaalikohtiota sisältäen hiilinitridiä tai hiilinitridikohteen lisäksi yhtä tai useampaa kohtiomateriaalia käsittäen yhden tai useamman aineen. Eräs edullinen lisämateriaali sisältää metallia kuten titaania. Joissakin tapauksissa on keksinnön mukaisesti edullista lisätä pieni 10 määrä ydintymisaineita kuten Ni, Pt, Re, Rh tai Cr. Komposiitit saattavat sisältää myös polymeerejä kuten Teflonia tai silikonia.The present invention further provides the production of composite coatings on a product surface by simultaneously ablating one composite material target containing carbon nitride or one or more target materials in addition to the carbon nitride target comprising one or more agents. A preferred additional material includes a metal such as titanium. In some cases, it is preferred according to the invention to add a small amount of nucleating agents such as Ni, Pt, Re, Rh or Cr. Composites may also contain polymers such as Teflon or silicone.

Keksinnön mukaisesti mainitun pinnoitteen paksuus tuotteen yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 nm ja 20 pm, edullisesti välillä 100 nm ja 5 pm. Pinnoitepak-suuksia ei saa rajoittaa näihin, sillä esillä oleva keksintö saa aikaan toisaalta mole-15 kyylitason pinnoitteiden sekä toisaalta erittäin paksujen pinnoitteiden kuten 100 pm ja enemmän, valmistamisen.According to the invention, the thickness of said coating on the uniform surface of the product is between 20 nm and 20 µm, preferably between 100 nm and 5 µm. The coating thicknesses should not be limited to these, since the present invention provides for the production of Mole-15 waxy coatings on the one hand and very thick coatings such as 100 µm and more on the other hand.

Esillä oleva keksintö lisäksi aikaansaa 3D-rakenteiden valmistamisen hyödyntämällä tuotekomponenttia rakennustelineenä mainitun 3D-rakenteen kasvattamiseksi.The present invention further provides the fabrication of 3D structures by utilizing a product component as a scaffold to increase said 3D structure.

Keksinnön mukaisesti järjestetään myös hiilinitridillä pinnoitettu tuote käsittäen 20 tietyn laserkasvatuksen avulla pinnoitetun pinnan, jossa yhdenmukainen pinnoitettu 'j pinta-ala käsittää ainakin 0.2 dm ja jossa pinnoitus on suoritettu ultralyhyellä puls-silaserkasvatuksella niin, että pulssimainen lasersäde skannataan pyörivän optisen skannerin avulla, joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin mainitun lasersäteen „ heijastamiseksi. Näillä tuotteilla saavutettavat edut on kuvattu yksityiskohtaisem- S 25 min aiemmassa menetelmän kuvauksessa.According to the invention there is also provided a carbon nitride coated product comprising a surface coated with 20 specific laser cultures, wherein the uniform coated surface area is at least 0.2 dm and the coating is performed by ultra short pulsed laser scattering such that a pulsed laser beam is scanned by a rotating optical scanner at least one mirror to reflect said laser beam. The advantages of these products have been described in more detail in the 25 minutes earlier description of the process.

CMCM

|L| L

o ^ Keksinnön eräässä edullisemmassa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pin- f—^ ry ta-ala käsittää ainakin 0.5 dm . Yhä eräässä edullisemmassa suoritusmuodossa mai-£ nittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 1.0 dm . Keksintö suoriintuu helpos- oo 30 ti myös yli 0.5 m2 :n yhdenmukaisia pinnoitettuja pintoja käsittävien tuotteiden pin- m noittamisesta, kuten 1 m :n pinnoista ja suuremmista.In a more preferred embodiment of the invention, said uniform surface area comprises at least 0.5 dm. In a more preferred embodiment, said uniform surface area comprises at least 1.0 dm. The invention also facilitates the coating of products having uniform coated surfaces of greater than 0.5 m2, such as those of 1 m and larger.

o oo o

Erään keksinnön suoritusmuodon mukaan tuotetun pinnoitteen keskimääräinen pin-takarheus mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla on pienempi kuin 100 nm skan-35 naituna 1 pm2 alueelta AFM (Atomic Force Microscope) -mikroskoopilla. Edulli- 17 semmin yhdenmukainen pinta-karheus on vähemmän kuin 30 nm. Keskimääräisellä pintakarheudella tarkoitetaan tässä keskimääräistä poikkeamaa sopivalla menetelmällä, esim. A F Missä tai profiilimittarissa saatavissa olevalla menetelmällä, sovitetusta keskilinjan keskiarvokäyrästä. Pintakarheus vaikuttaa mm. kuluma- ja naar-5 muuntumisominaisuuksiin, tribologisiin ominaisuuksiin kuten myös keksinnön mukaan pinnoitettujen metallituotteiden pinnoitteiden läpikuultavuuteen.According to one embodiment of the invention, the coating produced has an average surface roughness of less than 100 nm at a scanning area of about 1 pm2 in a uniform surface area under an AFM (Atomic Force Microscope) microscope. More preferably, the uniform surface roughness is less than 30 nm. Mean surface roughness is herein defined as the mean deviation from a fitted centerline mean curve by a suitable method, e.g., A F M or by a profile gauge. The surface roughness affects e.g. wear and female-5 conversion properties, tribological properties as well as the translucency of coatings of the metal products coated according to the invention.

Yhä, keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tuotetun pinnoitteen optinen läpäisevyys mainitulla yhdenmukaisella pinta-alalla ei ole vähemmän kuin 88%, edul-10 lisesti ei vähempää kuin 90% ja edullisimmin ei vähempää kuin 92%. Se voi jopa olla suurempi kuin 98%.Still, in a preferred embodiment of the invention, the coating produced has an optical permeability of at least 88%, preferably not less than 90%, and most preferably not less than 92% of said uniform surface area. It can even be higher than 98%.

Keksinnön toisessa suoritusmuodossa tuotettu pinnoite mainitulla yhdenmuotoisella pinta-alalla sisältää vähemmän kuin yhden mikroreiän (pinhole) per 1 mm , edulli-15 sesti vähemmän kuin yhden mikroreiän per 1 cm ja mieluiten ei mikroreikiä lainkaan mainitulla yhdemukaisella pinta-alalla.In another embodiment of the invention, the coating produced in said uniform surface area contains less than one pinhole per 1 mm, preferably less than one micropore per 1 cm, and preferably no micro holes in said uniform surface area.

Yhä toisessa suoritusmuodossa mainittu yhdenmukainen pinta-ala päällystetään tavalla, jossa ensimmäiset 50% mainitusta pinnoitteesta mainitulla yhdenmukaisella 20 pinta-alalla ei sisällä mitään hiukkasia, joiden läpimitta ylittää 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm.In yet another embodiment, said uniform surface area is coated in such a way that the first 50% of said coating area in said uniform surface area does not contain any particles having a diameter greater than 1000 nm, preferably 100 nm and most preferably 30 nm.

Keksinnön mukaisen hiilinitridillä pinnoitetun tuotteen pinnoite voi sisältää lähes mitä tahansa hiilinitridityyppiä. Edullisesti hiilinitridi sisältää C2N2 tai C3N4:ää, edul-25 lisimmin C3N4:ää. Tässä tapauksessa saattaa olla edullista käyttää grafiittista pinnoitetta tietyissä ratkaisuissa ja kiteistä ratkaisua eräissä toisissa ratkaisuissa. Grafiitti-nen C3N4 tavallisesti sisältää pieniä määriä vetyä. Kiteinen hiilinitridi saattaa sisälsi tää yhden kidemuodon tai näiden sekoituksia. Mainitut muodot sisältävät α-, β-, o kuutiohilaisen ja pseudokuutiohilaisen muodon. Hiilinitridillä voidaan tässä yhtey- g 30 dessä tarkoittaa myös näiden kaikkien kiteisten ja grafiittisten muotojen erilaisia x sekoituksia ja metallikomposiitteja.The coating of the carbon nitride coated product of the invention may contain almost any type of carbon nitride. Preferably, the carbon nitride contains C2N2 or C3N4, most preferably C3N4. In this case, it may be advantageous to use a graphite coating for certain solutions and a crystalline solution for some other solutions. C3N4 graphite usually contains small amounts of hydrogen. The crystalline carbon nitride may contain one crystalline form or mixtures thereof. Said forms include the α-, β-, o-cube lattice and pseudocube lattice forms. Carbon nitride, as used herein, may also mean various mixtures of x and metal composites of all crystalline and graphitic forms.

Q.Q.

00 0000 00

LOLO

1^ o o1 ^ o o

C\JC \ J

1818

Erityisen edulliset keksinnön suoritusmuodot sisältävät hiilinitridiä a- ja/tai β-kiteisessä muodossa, joko puhtaassa muodossa tai toistensa tai eri metallien suhteen komposiittina.Particularly preferred embodiments of the invention include carbon nitride in an α and / or β crystalline form, either in pure form or as a composite with respect to each other or to different metals.

5 Keksinnön toisen edullisen suoritusmuodon mukaan tuotteen mainittu yhdenmukainen pinta päällystetään monikerroksisella pinnoitteella. Toisen edullisen suoritusmuodon mukaan mainittu tuotteen yhdenmukainen pinta päällystetään yhdellä pin-noitekerroksella.According to another preferred embodiment of the invention, said uniform surface of the product is coated with a multilayer coating. According to another preferred embodiment, said uniform surface of the product is coated with a single coating layer.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti mainitun pinnoitteen pak-10 suus tuotteen yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 nm ja 20 pm, edullisesti välillä 100 nm ja 5 pm. Keksinnöllä saavutetaan myös hiilinitridillä pinnoitetut tuotteet, jotka sisältävät yhden tai useamman atomitason pinnoitteita sekä paksuja pinnoitteita ylittäen 100pm, esim. 1 mm. Esillä oleva keksintö lisäksi aikaansaa 3D-rakenteiden valmistamisen hyödyntämällä pinnoitettua komponenttia rakennusteli-15 neenä 3D-rakenteen kasvattamiseksi.According to a preferred embodiment of the invention, the thickness of said coating on the uniform surface of the product is between 20 nm and 20 µm, preferably between 100 nm and 5 µm. The invention also provides carbon nitride-coated products containing one or more atomic-level coatings and thick coatings in excess of 100 µm, e.g. 1 mm. The present invention further provides the fabrication of 3D structures by utilizing a coated component as a scaffold to increase the 3D structure.

Esimerkkejäexamples

Esimerkki tunnetun tekniikan ongelmien demonstroimiseksi - lasertekniikkaExample of Demonstrating Problems of the Prior Art - Laser Technology

Kuvio 2 havainnollistaa ITO-pinnoitetta polykarbonaattilevyllä (-100 mm x 30 mm) tekniikan tason optista skanneria, nimittäin värähtelevää peiliä (galvoskanneri) 20 hyödyntäen tuotettuna eri ITO-ohutkalvon paksuuksilla (30 nm, 60 nm ja 90 nm). Vaikkakin ITO-pinnoitetta ei kasvateta metallisubstraatille, kuvio selvästi demonstroi joitakin värähtelevän peilin käyttöön optisena skannerina liittyviä ongelmia £2 erityisesti ultralyhyen pulssilaserkasvatuksen (USPLD) tapauksessa, mutta myös c3 laseravusteisissa pinnoituksissa yleensä. Sillä värähtelevä peili muuttaa pyörimis- o 25 suuntaansa päätyasennoissaan ja hitausmomentin takia, peilin kulmanopeus ei ole g vakio ääriasentojen lähellä. Värähtelevän liikkeen takia peili jatkuvasti jarruttaa ja x pysähtyy ennen uutta kiihdyttämistä, aiheuttaen täten kohtiomateriaalin epäsäännöl- lisen käsittelyn skannatun alueen reunoilla. Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, tämä co muuntuu huonolaatuiseksi plasmaksi, joka käsittää hiukkasia erityisesti skannatun rC 30 alueen reunoilla, ja lopulta huonolaatuiseksi ja nähtävästi epätasaiseksi pinnoitustu- ^ lokseksi.Figure 2 illustrates an ITO coating on a polycarbonate sheet (-100 mm x 30 mm) using a prior art optical scanner, namely a vibrating mirror (head scanner) 20, produced at various ITO thin film thicknesses (30 nm, 60 nm and 90 nm). Although the ITO coating is not applied to the metal substrate, the pattern clearly demonstrates some of the problems associated with the use of a vibrating mirror as an optical scanner, especially in ultra short pulse laser (USPLD) but also in c3 laser assisted coatings in general. Because the oscillating mirror changes its direction of rotation 25 in its end positions and due to the moment of inertia, the angular velocity of the mirror is not constant g near the extreme positions. Because of the oscillatory motion, the mirror is constantly braking and x stops before being re-accelerated, thereby causing irregular treatment of the target material at the edges of the scanned area. As can be seen in Figure 2, this ω converts to poor quality plasma comprising particles, particularly at the edges of the scanned rC 30 region, and ultimately to poor quality and apparently uneven coating results.

Pinnoitusparametrit on valittu demonstroimaan kasvatetun materiaalin epätasaista jakaumaa käytetyn skannerin luonteen vuoksi. Mikäli parametrit valitaan sopivasti, 19 kalvon laatua voidaan parantaa, jolloin ongelmista tulee näkymättömiä, muttei olemattomia.The coating parameters are chosen to demonstrate the uneven distribution of the grown material due to the nature of the scanner used. If parameters are appropriately selected, the quality of the 19 films can be improved, whereby problems become invisible but non-existent.

Esimerkki tunnetun tekniikan ongelmien demonstroimiseksi - lasertekniikka 5 Perinteisesti galvanoskannereita käytetään lasersäteen skannaamiseen tyypillisesti maksiminopeudella n. 2-3 m/s, käytännössä n. 1 m/s. Tämä tarkoittaa, että jopa 40-60 pulssia limittyy toistonopeudella 2 MHz (kuvio 3).Example of Demonstrating Problems of the Prior Art - Laser Technology 5 Traditionally, galvanic scanners are typically used to scan a laser beam at a maximum speed of about 2-3 m / s, in practice about 1 m / s. This means that up to 40 to 60 pulses overlap at a repetition rate of 2 MHz (Figure 3).

Esimerkki tunnetun tekniikan ongelmien demonstroimiseksi - lasertekniikka 10Example of Demonstration of Prior Art Problems - Laser Technology 10

Plasmaan liittyviä laatuongelmia demonstroidaan kuvioissa 15a ja 15b, jotka ilmentävät tunnettujen tekniikoiden mukaista plasman luomista. Laserpulssi 1114 osuu kohtiopintaan 1111. Sillä pulssi on pitkä, syvyys h ja säteen läpimitta d ovat samaa suuruusluokkaa, pulssin 1114 lämmön lämmittäessä myös pintaa osumapistealueel-15 la, mutta myös pinnan 1111 alla syvemmällä kuin syvyys h. Rakenne saa osaksensa termisen sokin ja syntyy jännitteitä, jotka purkautuessaan tuottavat palasia merkittynä F:llä. Sillä plasma voi tässä esimerkissä olla kohtalaisen huonoa laadultaan, molekyylejä sekä niiden rykelmiä näyttää esiintyvän, mitä indikoidaan pienillä pisteillä 1115, kuten suhteessa viitteeseen numeraalin 1115 kohdalla, jossa on ytimiä 20 (nuclei) tai samanlaisten rakenteiden rykelmiä kuviossa 15b demonstroiduista kaasuista 1116 muodostuneina. ”o”-kirjaimet demonstroivat hiukkasia, joita voi muodostua ja kasvaa kondensaation ja/tai kasautumisen (agglomeration) myötä. Vapautuneet palaset saattavat myös kasvaa kondensaation ja/tai kasautumisen ansiosta, mikä indikoidaan kaarevilla nuolilla pisteistä F:ään ja o:sta F:ään. Kaarevat nuolet 25 indikoivat myös vaihesiirtymiä plasmasta 1113 kaasuun 1116 ja edelleen hiukkasiinPlasma quality problems are demonstrated in Figures 15a and 15b, which illustrate the creation of plasma according to prior art. The laser pulse 1114 hits the target surface 1111. It has a long pulse, the depth h and the beam diameter d are of the same order, while the heat of the pulse 1114 also heats the surface in the hit point area 15a, but also below the surface 1111 deeper than the depth h. , which, when disassembled, produce pieces marked with an F. Because plasma in this example may be of relatively poor quality, the molecules as well as their clusters appear to be indicated by small dots 1115, such as with reference to numeral 1115 having nuclei 20 or clusters of similar structures formed from gases 1116 shown in Figure 15b. The letters "o" show particles that can be formed and grown by condensation and / or agglomeration. The liberated pieces may also increase due to condensation and / or accumulation, indicated by curved arrows from dots to F and from o to F. Curved arrows 25 also indicate phase shifts from plasma 1113 to gas 1116 and further to particles

COC/O

g 1115 sekä kooltaan kasvaneisiin hiukkasiin 1117. Sillä kasvatuspilvi kuviossa 15b ^ voi sisältää palasia F sekä myös höyryistä ja kaasuista rakentuneita hiukkasia huo- 9 non plasman tuotannon takia, plasma ei ole jatkuva plasma-alue ja siten sen laadun-g 1115 as well as particles of size 1117. Because the growth cloud in Fig. 15b may contain fragments F as well as particles formed by vapors and gases due to poor plasma production, plasma is not a continuous area of plasma and hence its quality.

COC/O

o vaihtelua voidaan tavata yksittäisen pulssipilven sisällä. Koostumus- ja rakennevir- | 30 heiden syvyyden h alla sekä myös syntyvien syvyysvaihteluiden (kuvio 15 a) takia, ^ kuvion 15b kohtiopinta 1111 ei ole enää käytettävissä useampia kasvatuksia varten, ” ja kohtio näin haaskataan, vaikkakin siinä olisi jonkin verran materiaalia jäljellä, o ^ Tämänlaiset ongelmat ovat yleisiä nanosekuntiluokan lasereissa yleisesti, sekä ny kyisissä pikosekuntilasereissa, jos ne hyödyntävät tekniikan tason skannereita.o Variation can be observed within a single pulse cloud. Composition and structural streams 30b below and also due to the resulting depth variations (Fig. 15a), the target surface 1111 of Fig. 15b is no longer available for multiple increments, "and the target is thus wasted, even if some material remains, o Such problems are common in the nanosecond class. lasers in general, as well as current picosecond lasers if they utilize state-of-the-art scanners.

35 Keksinnön esimerkki -1 2035 Example -1 20 of the Invention

Kuvio 13a demonstroi kohtiomateriaalia, jota ablatoidaan pikosekunttialueen pulssi-laserilla hyödyntäen pyörivää skanneria, jonka nopeus saa aikaan kohtiomateriaalin ablaation vähäisellä vierekkäisten pulssien limittymisellä välttäen tekniikan tason 5 galvanoskannereihin liittyvät ongelmat. Kuvio 13b näyttää suurennetun kuvan abla-toidun materiaalin yhdestä osasta, esittäen selvästi tasaisen ja kontrolloidun materiaalin ablaation niin x- kuin y-akseleilla ja täten korkealaatuisen, hiukkasvapaan plasman ja lisäksi korkealaatuisten ohutkalvojen sekä pinnoitteiden syntymisen. Kuvio 13c demonstroi yhtä esimerkkiä yhdellä tai muutamalla pulssilla saavutetun 10 yksittäisen ablaatiopisteen mahdollisista x- ja y-dimensioista. Tässä voidaan selkeästi nähdä, että keksintö saa aikaan materiaalin ablaation tavalla, jossa ablatoidun pisteen leveys on aina runsaasti ablatoidun pistealueen syvyyttä suurempi. Teoreettisesti mahdolliset hiukkaset (jos niitä syntyisi) voisivat nyt olla maksimikooltaan pisteensyvyyttä vastaavia. Pyörivä skanneri saa nyt aikaan hyvälaatuisen, hiukkas-15 vapaan plasman tuotannon erinomaisella tuotantonopeudella, samanaikaisesti laajalla skannausnopeudella, ollen erityisen edullinen substraateille, jotka käsittävät suuria päällystettäviä pinta-alueita. Lisäksi kuviot 13a, 13b ja 13c selvästi esittävät, että toisin kuin nykyisissä tekniikoissa, jo ablatoitu kohtiomateriaalin alue voidaan abla-toida uutta, korkealuokkaisen plasman sukupolvea varten - täten radikaalisti pin-20 noitteen/ohutkalvon kokonaistuotantokustannuksia vähentäen.Figure 13a demonstrates a target material ablated by a picosecond pulse laser utilizing a rotary scanner whose speed causes the target material to be ablated with a slight overlap of adjacent pulses, avoiding the problems of prior art galvanic scanners. Figure 13b shows an enlarged view of one portion of the Ablated material, clearly showing the smooth and controlled ablation of the material on both the x and y axes, thereby generating high quality, particle-free plasma as well as high quality thin films and coatings. Figure 13c demonstrates one example of the possible x and y dimensions of 10 individual ablation points achieved with one or a few pulses. It can be clearly seen here that the invention results in the ablation of the material in such a way that the width of the ablated dot is always much greater than the depth of the ablated dot region. Theoretically, any particles (if any) could now be of maximum point size. The rotary scanner now provides good quality, particle-15 free plasma production at an excellent production rate, at the same time a wide scan rate, being particularly advantageous for substrates comprising large surface areas to be coated. In addition, Figures 13a, 13b and 13c clearly show that, unlike current techniques, an already ablated target material region can be ablated for a new generation of high-quality plasma, thereby radically reducing the total cost of production of a pin-20 film / thin film.

Keksinnön esimerkki - 2Example of the Invention - 2

Kuvio 14 esittelee esimerkin, jossa pinnoitus suoritetaan hyödyntämällä pikosekunt-25 ti-USPLD-laseria ja skannaamalla laserpulsseja turbiiniskannerilla. Tässä skannaus-nopeus on 30 m/s, laserpisteen leveyden ollessa 30 pm. Tässä esimerkissä vierek-£2 käisten pulssien välillä on 1/3 limitys.Figure 14 illustrates an example of plating utilizing a picosecond ti-USPLD laser and scanning laser pulses with a turbine scanner. Here, the scanning speed is 30 m / s with a laser spot width of 30 µm. In this example, there is 1/3 overlap between the pulses of adjacent £ 2.

δ c\j i 1^ oδ c \ j i 1 ^ o

COC/O

oo

XX

cccc

CLCL

COC/O

COC/O

δ o o C\l 21δ o o C \ l 21

Keksinnön esimerkkejä - pinnoitetut tuotteetExamples of the Invention - Coated Products

Seuraavat näytteet kasvatettiin erilaisille metallisubstraateille hyödyntämällä ultra-lyhyttä pulssilaserkasvatusta (USPLD) pikosekuntiluokan laserilla arvolla 1064 nm 5 (X-lase, 20-80 W). Substraattilämpötilaa vaihdeltiin välillä huoneenlämpötila - 400 °C ja kohtiolämpötilaa huoneenlämpötilasta arvoon 700 °C. Sintrattua grafiitista C3N4Hx (Carbodeon Ltd Oy) -kohtiomateriaalia käytettiin pinnoitussovelluksissa. Typpiatmosfääriä hyödynnettäessä typen paine vaihteli alueella 10'4 - 10'1 mbar. Skannerina hyödynnettiin pyörivää peiliskanneria, joka kykeni säätämään säteen 10 nopeutta kohteen pinnalla välillä 1 - 350 m/s. Hyödynnetyt toistonopeudet vaihteli-vat välillä 1-30 MHz, selvästi demonstroiden sekä skannerin että korkeiden toisto-nopeuksien tärkeyttä korkealaatuisten pinnoitteiden tuottamisessa teollisella tavalla. Kasvatetut kalvot kuvattiin konfokaalisen mikroskoopin, FTIR- ja Raman -spektroskopian, AFM:n, optisen läpäisevyyden mittausten, ESEM:n ja joissakin 15 tapauksissa sähköisten mittausten (Kuopion yliopisto, Suomi; ORC, Tampere, Suomi ja Corelase Oy, Tampere, Suomi) avulla. Käytetyt pistekoot vaihtelivat välillä 20 - 45 pm. Kulumistestit suoritettiin hyödyntämällä pin-on-disk -menetelmää (Kuopion yliopisto, Suomi); testit suoritettiin huoneenlämmössä 22 °C ja 50 % (AD-pinnoitteet) tai 25 % (muut) -suhteellisissa kosteuksissa (ilman voitelua) 20 kuormien ollessa välillä 10-125 g käyttämällä karkaistusta teräksestä tehtyä palloa (AISI 420), läpimitaltaan 6 mm, tappina (pin). AD-pinnoitteille pyörimisnopeus oli 300 - 600 rpm ja linsseille 1 rpm. Kaikki pinnoitteet omasivat erinomaiset kulumis-ja tarttumisominaisuudet.The following samples were grown on various metal substrates using ultra-short pulse laser cultivation (USPLD) with a picosecond laser at 1064 nm δ (X-glass, 20-80 W). The substrate temperature was varied between room temperature and 400 ° C and the target temperature from room temperature to 700 ° C. C3N4Hx sintered graphite (Carbodeon Ltd Oy) target material was used for coating applications. When utilizing a nitrogen atmosphere, the nitrogen pressure ranged from 10'4 to 10'1 mbar. As a scanner, a rotating mirror scanner was used, which was able to adjust the speed of the beam 10 at the target surface from 1 to 350 m / s. Utilized reproduction rates ranged from 1-30 MHz, clearly demonstrating the importance of both scanner and high reproduction speeds for producing high quality coatings in an industrial manner. The grown slides were imaged by confocal microscopy, FTIR and Raman spectroscopy, AFM, optical transmission measurements, ESEM and in some cases by electronic measurements (University of Kuopio, Finland; ORC, Tampere, Finland and Corelase Oy, Tampere, Finland). . Spot sizes used ranged from 20 to 45 µm. The wear tests were performed using the pin-on-disk method (University of Kuopio, Finland); tests were conducted at room temperature at 22 ° C and 50% (AD coatings) or 25% (others) relative humidity (without lubrication) with loads between 10-125 g using hardened steel ball (AISI 420), 6 mm diameter, as a pin (PIN). For AD coatings the rotation speed was 300-600 rpm and for lenses 1 rpm. All coatings have excellent abrasion and adhesion properties.

25 Esimerkki 1 ” Ruostumattomasta teräksestä tehty luuruuvi pinnoitettiin ablatoimalla kuumapuris- tettua C3N4Hx:aa pulssin toistonopeudella 20 MHz, pulssienergialla 5 pj, pulssipi-o tuudella 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisellä etäisyydellä g 30 10 mm. Tyhjötaso oli 10'5 atmosfääriä pinnoitusprosessin aikana. Pinnoitteen pak- x suudeksi mitattiin 1 pm ja keskimääräinen pintakarheus määriteltiin alle 3 nm:ksi 1 pm2 :n alueelta AFM-mikroskoopilla skannattuna. Miltään mitatulta hiilinitridipin-co noitteen alueelta ei löydetty mikroreikiä.Example 1 “A stainless steel bone screw was coated by ablating hot-pressed C3N4Hx at a pulse repetition rate of 20 MHz, a pulse energy of 5 µs, a pulse hold of 20 ps, and a distance of g 30 to 10 mm from the target material. The vacuum level was 10'5 atmospheres during the coating process. The thickness of the coating was measured at 1 µm and the average surface roughness was determined to be less than 3 nm in the 1 µm area as scanned by the AFM microscope. No micro-holes were found in any of the measured areas of the carbon nitride co-binder.

LOLO

n- o ^ 35 Esimerkki 2Example 2

Kromimetallilla pinnoitettu raspi pinnoitettiin ablatoimalla sintrattua C3N4HX-materiaalia pulssin toistonopeudella 6 MHz, pulssienergialla 5 pj, pulssipituudella 22 24 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisellä etäisyydellä 5 cm. Tyhjötaso oli 10'4 atmosfääriä pinnoitusprosessin aikana. Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen pinnoite. Hiilinitridipinnoitteen paksuudeksi mitattiin 390 nm ja keskimääräinen pintakarheus määritettiin alle 2 nm:ksi 1 pm2 :n alueelta AFM-5 mikroskoopilla skannattuna. Miltään mitatulta hiilinitridipinnoitteen (C3N4) alueelta ei löydetty mikroreikiä.The chromium metal-coated rasp was coated by ablating the C3N4HX sintered material at a pulse repetition rate of 6 MHz, a pulse energy of 5 µm, a pulse length of 22 to 24 ps, and a distance of 5 cm between the target material and the surface to be coated. The vacuum level was 10'4 atmospheres during the coating process. The process resulted in a uniform coating. The thickness of the carbon nitride coating was measured at 390 nm and the average surface roughness was determined to be less than 2 nm in the 1 pm2 area as scanned by AFM-5 microscope. No micro-holes were found in any measured area of carbon nitride coating (C3N4).

Esimerkki 3 10 Metallinen moottoriventtiili kuvion 12 mukaisesti pinnoitettiin hiilinitridillä abla-toimalla sintrattua C3N4Hx-materiaalia pulssin toistonopeudella 4 MHz, pulssiener-gialla 5 pj, pulssipituudella 24 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisellä etäisyydellä 3 cm. Typen paine vaihteli alueella 10'4 - 10'1 mbar. Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen C3N4-pinnoite. Hiilinitridipinnoitteen paksuudeksi 15 mitattiin 500 nm ja keskimääräinen pintakarheus määritettiin alle 2 nm:ksi 1 pm2 :n alueelta AFM-mikroskoopilla skannattuna. Miltään mitatulta hiilinitridipinnoitteen (C3N4) alueelta ei löydetty mikroreikiä.Example 3 A metal motor valve as shown in Figure 12 was coated with carbon nitride on C3N4Hx material sintered with Abla at a pulse repetition rate of 4 MHz, a pulse energy of 5 µm, a pulse length of 24 ps, and a distance of 3 cm between the target material and the surface to be coated. Nitrogen pressure ranged from 10'4 to 10'1 mbar. The process resulted in a uniform C3N4 coating. The thickness of the carbon nitride coating was measured at 500 nm and the average surface roughness was determined to be less than 2 nm in the 1 pm2 area as scanned by the AFM microscope. No micro-holes were found in any measured area of carbon nitride coating (C3N4).

Esimerkki 4 20Example 4 20

Kuvion 10 mukainen laboratiolasiputki pinnoitettiin ablatoimalla sintrattua, grafiit-tista hiilinitridi (C3N4Hx, Carbodeon Ltd Oy) -kohtiomateriaalia pulssin toistonopeudella 2 MHz, pulssienergialla 5 pj, pulssipituudella 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välisellä etäisyydellä 15 mm. Lasimateriaali esilämmitettiin 25 n. 120 °C :een. Tyhjötaso oli 10'5 atmosfääriä pinnoitusprosessin aikana. Prosessin tuloksena oli yhdenmukainen C3N4-pinnoite, jonka paksuus oli 19 nm. Miltään mi-” tatulta pinnoitteen alueelta ei löydetty mikroreikiä.The laboratory glass tube of Figure 10 was coated by ablating sintered graphite carbon nitride (C3N4Hx, Carbodeon Ltd Oy) target material at a pulse repetition rate of 2 MHz, a pulse energy of 5 µm, a pulse length of 15 mm and a distance between the target material and the surface to be coated. The glass material was preheated to about 120 ° C. The vacuum level was 10'5 atmospheres during the coating process. The process resulted in a uniform C3N4 coating having a thickness of 19 nm. No micro-holes were found in any measured coating area.

δδ

(M(M

c5 Esimerkki 5 8 30 i Polykarbonaattilevy alaltaan 10 mm x 25 mm pinnoitettiin ablatoimalla kuumapu- ristettua C3N4HX :ta pulssin toistonopeuden ollessal Mhz, pulssienergian ollessa 5 co pj, pulssin pituuden ollessa 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan h? välisen etäisyyden ollessa 65 mm. Typpipaine vaihteli alueella 10'4 - 10'1 mbar.c5 Example 5 8 30 i A polycarbonate sheet of 10 mm x 25 mm was plated by ablating C3N4HX, hot extruded, at a pulse repetition rate of Mhz, a pulse energy of 5 cp, a pulse length of 20 ps, and the target material and surface to be coated? with a distance of 65 mm. Nitrogen pressure ranged from 10'4 to 10'1 mbar.

^ 35 Pinnoitteen paksuudeksi mitattiin 100 nm. Pinnoitteen keskimääräisen pintakarheu- den määritettiin olevan alle 3 nm 1 pm :n alueelta skannattuna ÄFM -mikroskoopin avulla. Millään mitatulla hiilinitridipinnoitteen alueella ei havaittu mikroreikiä.The coating thickness was measured at 100 nm. The average surface roughness of the coating was determined to be less than 3 nm when scanned by the 1 µM microscope. No micropores were observed in any of the measured areas of the carbon nitride coating.

2323

Esimerkki 6Example 6

Kuvion 4 mukainen kiillotettu graniittilaatta käsittäen 100 mm x 100 mm pinnoitet-5 tiin ablatoimalla grafiittista hiilinitridiä toistonopeuden ollessa 4 Mhz typpiatmo-sfäärissä typen paineen vaihdellessa välillä 10'4 - 10'1 mbar. Käytetty pulssienergia oli 5 pj, pulssin pituus 20 ps sekä kohtiomateriaalin ja pinnoitettavan pinnan välinen etäisyys 40 mm. Tyhjötaso pidettiin 10'5 :n atmosfäärin tyhjössä ennen pinnoi-tusprosessia. Pinnoitteen paksuus oli n.l pm ja keskimääräisen pintakarheuden λ 10 määritettiin olevan alle 10 nm 1 pm :n alueelta skannattuna AFM -mikroskoopin avulla.The polished granite slab of Figure 4 comprising 100 mm x 100 mm was plated by ablating graphite carbon nitride at a repetition rate of 4 Mhz in a nitrogen atmosphere with nitrogen pressure ranging from 10'4 to 10'1 mbar. The pulse energy used was 5 µs, the pulse length was 20 ps, and the distance between the target material and the surface to be coated was 40 mm. The vacuum level was maintained in a vacuum of 10-5 atmospheres prior to the coating process. The coating thickness was about 1 µm and the mean surface roughness λ 10 was determined to be less than 10 nm when scanned from the 1 µm region using an AFM microscope.

co δ c\j N- oco δ c \ j N- o

COC/O

oo

XX

cccc

CLCL

COC/O

COC/O

δ o oδ o o

C\JC \ J

Claims (7)

1. Menetelmä tuotteen tietyn pinnan hiilinitridillä pinnoittamiseksi laserkasva-tuksen avulla, jossa menetelmässä pinnoitettava yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 0,2 dm2 ja pinnoittaminen suoritetaan kohdistamalla kohtioon laserpulsseja, 5 jotka ovat riittävän lyhyitä kylmäablaation aiheuttamiseksi kohtiossa ja missä puls-sitaajuus on vähintään 1 MHz, tunnettu siitä, että pulssilasersäde skannataan pyörivän optisen skannerin avulla, joka skanneri sisältää ainakin yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi, jolloin pulssilasersäteen skannausnopeus kohtion pinnalla on suurempi kuin 10 m/s.A method of coating a given surface of a product with carbon nitride by laser culturing, wherein the uniform surface to be coated comprises at least 0.2 dm 2 and is applied by targeting laser pulses 5 short enough to cause cold ablation at the target and having a pulse rate of at least 1 MHz. characterized in that the pulsed laser beam is scanned by means of a rotating optical scanner comprising at least one mirror for reflecting said laser beam, wherein the scanning speed of the pulsed laser beam at the target surface is greater than 10 m / s. 2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmu kainen pinta-ala käsittää ainakin 0,5 dm2.A method according to claim 1, characterized in that said uniform surface area comprises at least 0.5 dm 2. 3. Vaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu yhdenmukainen pinta-ala käsittää ainakin 1,0 dm2.A method according to claims 1-2, characterized in that said uniform surface area comprises at least 1.0 dm 2. 4. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mai-15 nittu laserkasvatus suoritetaan 10'7 Pa - 10 kPa paineessa.Method according to one of the preceding claims, characterized in that said laser cultivation is carried out at a pressure of 10 to 7 kPa. 5. Vaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu laserkasvatus suoritetaan 10 Pa - 10 kPa paineessa.Method according to claim 4, characterized in that said laser cultivation is carried out at a pressure of 10 Pa to 10 kPa. 6. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koh-tiomateriaalin ja mainitun yhdenmukaisen, pinnoitettavan pinta-alan välinen etäi- 20 syys on alle 25 cm, edullisesti alle 15 cm ja edullisimmin alle 10 cm.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the target material and said uniform surface to be coated is less than 25 cm, preferably less than 15 cm, and most preferably less than 10 cm. 7. Jonkin edellisen vaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maini- „ tun pinnoitteen paksuus tuotteen yhdenmukaisella pinnalla on välillä 20 nm ja 20 o μηι, edullisesti välillä 100 nm ja 5 pm. i^. cp CO o X X Q. CO CO LO 1^ o o C\JMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of said coating on the uniform surface of the product is between 20 nm and 20 ° μηι, preferably between 100 nm and 5 µm. i ^. cp CO o X X Q. CO CO LO 1 ^ o o C \ J
FI20075138A 2006-02-23 2007-02-23 Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition FI123716B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20075138A FI123716B (en) 2006-02-23 2007-02-23 Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition

Applications Claiming Priority (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20060182A FI20060182A7 (en) 2005-07-13 2006-02-23 Surface treatment technology and surface treatment equipment related to ablation technology
FI20060181A FI20060181A7 (en) 2006-02-23 2006-02-23 The method produces surfaces and material using laser ablation
FI20060181 2006-02-23
FI20060178 2006-02-23
FI20060177 2006-02-23
FI20060177A FI20060177L (en) 2006-02-23 2006-02-23 The method produces good quality surfaces and a product with a good quality surface
FI20060178A FI20060178L (en) 2006-02-23 2006-02-23 Coating method
FI20060182 2006-02-23
FI20075138A FI123716B (en) 2006-02-23 2007-02-23 Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition
FI20075138 2007-02-23

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20075138A0 FI20075138A0 (en) 2007-02-23
FI20075138L FI20075138L (en) 2007-08-24
FI123716B true FI123716B (en) 2013-09-30

Family

ID=37832286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20075138A FI123716B (en) 2006-02-23 2007-02-23 Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI123716B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI20075138A0 (en) 2007-02-23
FI20075138L (en) 2007-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101389440B (en) Coating with carbonitride and products coated with carbonitride
JP5237124B2 (en) Coating using carbon nitride and products coated with carbon nitride
JP5237125B2 (en) Coatings on metal substrates and coated products
CN101437644B (en) Coating method
JP2009527645A5 (en)
JP2009527644A5 (en)
RU2467850C2 (en) Carbon nitride coat and article with such coat
KR20090004885A (en) Method for producing surfaces and materials by laser ablation
FI123716B (en) Method of coating a particular surface of a product with carbon nitride by laser deposition
FI124523B (en) Coating on a metal substrate and coated metallic product
FI124357B (en) Coating of a stone substrate or ceramic substrate and coated stone product or ceramic product
FI124359B (en) Coating of a plastic substrate and coated plastic product
FI124358B (en) Coating on a glass substrate and coated glass product
FI124360B (en) Coating on a fiber substrate and coated fiber product
FI124524B (en) Apparatus and method for producing a semiconductor
侯清润 et al. Pulsed Laser Deposition of Boron Carbon Nitride Coatings
Olszyna et al. Super‐Hard Carbon Layers Produced on the Al2O3/Al2O3+ x% SiC (whiskers) Ceramic Cutting Edges

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 123716

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

MM Patent lapsed