DE3140611C2

DE3140611C2 -

Info

Publication number: DE3140611C2
Application number: DE3140611T
Authority: DE
Inventors: James W. Patten; Ronald D. Moss; Edwin D. Richland Wash. Us Mcclanahan
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1980-03-21
Filing date: 1981-03-13
Publication date: 1990-01-11
Also published as: US4336118A; CA1156968A; JPH0317903B2; GB2083505A; GB2083505B; WO1981002694A1; EP0048732A1; DE3140611T1; US4468437A; JPS57500434A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialabscheidung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Abscheidungs- und Beschichtungstechniken, bei denen entlang einer Sehlinie abgeschieden wird, sind für die Industrie sehr nützlich. Im makroskopischen Maßstab ermöglichen diese Techniken die gleichmäßige Abscheidung eines dünnen Films oder eines Überzugs auf einer Oberfläche. Außerdem ermögli chen Verfahren zur physikalischen Dampfabscheidung, wie beispielsweise Aufstäubungsverfahren, Aufdampfverfahren und ähnliche Techniken, bei denen entlang einer Sehlinie abgeschieden wird, die Abscheidung von festen Überzügen direkt aus dem Dampfzustand. Die sich ergebenden Überzüge haben mikroskopische Charakteristiken, die mit anderen Mitteln nicht erreichbar sind. Verfahren zur physikalischen Dampfabscheidung und insbesondere Aufstäubungsverfahren ermöglichen auch die Abscheidung von Filmen und Überzügen auf einer tatsächlich unbestimmten Vielzahl von Materialien. Derartige Überzüge können amorph oder kristallin, metal lisch oder nichtmetallisch sein. Sie können auch gleichmäßig aus nicht im Gleichgewicht befindlichen Verbindungen oder Vereinigungen von Elementen in Proportionen zusammengesetzt sein, die normalerweise im Gleichgewichtszustand eine nicht gleichmäßige Zusammensetzung oder Struktur bilden, wenn sie durch andere Techniken abgeschieden werden.

Im allgemeinen werden bei der physikalischen Dampfab scheidung einige Mechanismen angewendet, um Atome des Überzugsmaterials von einer Quelle oder einem Target mit einer Energie auszulösen, die ausreicht, daß die Atome entlang einer Sehlinie zur Oberfläche eines Sub strates gelangen, um dort abgeschieden zu werden. Die physikalische Dampfabscheidung schließt Aufstäubungsverfahren Dampfabscheidungsverfahren, Verfahren zur Ionenplattie rung und die Abscheidung durch einen neutralisierten Ionenstrahl ein. Gewöhnlich beinhaltet sie nicht Ver fahren zur chemischen Dampfabscheidung, Verfahren zum Elektroplattieren oder Techniken, bei denen Überzüge rasch verfestigt werden. Bei dem Verfahren zur Ionen plattierung handelt es sich um eine Änderung sowohl des Aufstäubungsverfahrens als auch des Dampfabscheidungs verfahrens, die die Ionisierung der Atome im Dampf ein schließt, woraufhin ein Teil der ionisierten Atome durch ein elektrisches Feld zum Substrat gezogen werden. Die Hauptcharakteristik dieser Techniken besteht darin, daß sie den Zugang eines Bereiches der Materialquelle entlang einer Sehlinie zur zu beschichtenden Oberfläche verwenden. Das Konzept des Zugangs entlang einer Seh linie wird beim Ionenplattieren geringfügig erweitert. Dieses Verfahren verändert die Flugbahnen der ionisier ten Atome des Überzugsmaterials geringfügig, um es zu ermöglichen, daß ein Teil des Materials auf Bereiche eines Substrates aufgebracht wird, die nicht auf einer echten Sehlinie von der Quelle liegen. Bei all diesen Techniken handelt es sich jedoch im wesentlichen um Abscheidungsverfahren, bei denen entlang der Sehlinie abgeschieden wird, deren Überzüge im allgemeinen in derselben Weise durch Mechanismen beeinflußt werden, die bei der Abscheidung entlang der Sehlinie Defekte erzeugen. Bei der geometrischen Abschattung handelt es sich um einen derartigen Mechanismus, der säulenförmige Wachstumsdefekte erzeugt, wie dies später beschrieben und gezeigt werden wird.

Da das Aufstäubungsverfahren das Bedeutendste der gegenwärtig bekannten Verfahren zur physikalischen Dampfabscheidung ist und für die anderen Verfahren repräsentativ ist, kon zentrieren sich die folgenden Erörterungen auf Abschei dungen durch dieses Verfahren. Die im folgenden erörter ten Prinzipien und Probleme sind jedoch gleichermaßen auf alle Techniken zur physikalischen Dampfabscheidung und auf andere Verfahren anwendbar, bei denen entlang einer Sehlinie abgeschieden wird.

Durch Kathodenstäubung bzw. durch Aufstäuben ausgelöste Atome, die im allgemeinen in der Richtung des Substrates emittiert werden, werden als ein Film oder ein Überzug auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden. Wenn das Substrat und das Target zueinander ausgerichtete paralle le Platten sind und wenn der minimale Winkel eines Adatom einfalls groß ist, besitzt der gesamte Überzug eine gleichmäßig hohe Qualität. Wenn jedoch das Sub strat in bezug auf das Target einen Winkel aufweist, groß ist, breiter ist als das Target oder eine drei dimensionale Oberfläche mit Bereichen aufweist, die gegenüber dem Target einen Winkel aufweisen, weist we nigstens ein Bereich des Überzuges eine schlechte Quali tät auf. Dieses Problem ist ausführlicher in den Fig. 2, 5a bis 5c und 14a bis 14f dargestellt.

Es wurde experimentell ermittelt, daß der Einfallswin kel des Nettoflusses zur Substratoberfläche die Quali tät des sich ergebenden Überzuges stark beeinflußt. Als Hauptmechanismus, durch den Strukturen mit säulenför migen Wachstumsdefekten, die durch offene Grenzen ge trennt sind, ausgebildet werden, wurde die geometrische Abschattung herausgefunden. Der artige Strukturen weisen im allgemeinen einen verminderten Korrosionswiderstand und andere örtliche Verschlechterungen der Eigenschaften des Überzuges auf. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in dem Artikel "The Influence of Surface Topography and Angle of Adatom Incidence on Growth Structure in Sputtered Chromium", von J. W. Patten, Thin Solid Films Vol. 63, 1979, Seiten 121-129 beschrieben. Zur Sache gehörige Aspekte dieser Ergebnisse werden in Zusammenhang mit den Fig. 5a bis 5c und 14a bis 14f nachfolgend erörtert.

Es wäre wünschenswert, wenn durch ein Verfahren, bei dem entlang einer Sehlinie abgeschieden wird, abgeschiedene Überzüge und insbesondere durch ein Verfahren zur physi kalischen Dampfabscheidung abgeschiedene Überzüge ohne durch geometrische Abschattungen bewirkte Defekte und insbesondere ohne säulenförmige Wachstumsstrukturen und offene Lücken oder Grenzen zwischen derartigen Strukturen hergestellt werden könnten. Die offenen Grenzen ver schlechtern die mechanischen Eigenschaften, die elektro nischen Eigenschaften und andere physikalische Eigen schaften der Überzüge und beeinträchtigen daher ihre Nützlichkeit bei Anwendungen im Ingenieurwesen. Bei spielsweise können solche Überzüge nicht verhindern, daß fremde Substanzen, insbesondere korrosive Flüssigkeiten, in die Oberfläche eindringen. Sie sind außerdem empfind licher gegenüber mechanischen Störungen als Überzüge, die solche Defekte nicht aufweisen. Die Oberflächen der artiger Überzüge sind auch oft rauh. Alle diese Merkmale wirken sich bei der Herstellung von Schutzüberzügen, die auf Substrate, wie beispielsweise auf Meeres-Gasturbinen flügel und -schaufeln aufgebracht werden, in hohem Maße nachteilig aus.

Es wurden verschiedene Techniken angewendet, um das Wachs tum von säulenförmigen Defekten in derartigen Überzügen zu beseitigen. Bei einem Versuch wird das Substrat ge dreht, wenn das Material darauf abgeschieden wird. Diese Technik führt zu einem gleichmäßigen, mittelmäßigen, bzw. zweitklassigen Überzug, der noch säulenförmige Wachstumsdefekte enthält. Es wurde ein weiterer Versuch unternommen, die statischen geometrischen Abmessungen des Targets oder des Substrates oder von beiden so handzu haben, daß überall auf dem Substrat gleichmäßig unter einem rechten Winkel abgeschieden wird. Dies ist in den Fig. 5 und 5a der US-PS 40 38 171 dargestellt. Durch dieses Verfahren ist es jedoch nicht möglich, durch geometrische Abschattungen entstandene Defekte in einer befriedigenden Weise zu eliminieren.

Bei einer weiteren Technik wird das Substrat nach der Beschichtung erhitzt, um die thermische Diffusion des abgeschiedenen Materials in seitlicher Richtung zu vergrößern, um die Defekte "zu heilen" und um dadurch die Porosität des Überzugs zu vermindern. Wenn jedoch in einer ausreichenden Weise erhitzt wird, bei spielsweise auf eine Temperatur von etwa 80° des Kelvin-Schmelzpunktes eines Materials, wie beispiels weise einer durch Aufstäuben aufgebrachten Kupferlegie rung, um eine seitliche Verteilung der Materialien zu ermöglichen, wird gleichzeitig ermöglicht, daß die abgeschiedenen Materialien sich in im Gleichgewicht be findliche Kristallite verschiedener Phasen trennen bzw. absondern. Je heißer die Hitzebehandlung ist oder je länger sie dauert, desto größer ist die Neigung in Richtung auf das Gleichgewicht. Phasentrennungen ver mindern sowohl die strukturelle Homogenität als auch die Homogenität der Zusammensetzung des gesamten Über zuges, nicht nur in den Bereichen, die säulenförmige Wachstumsdefekte aufweisen, sondern auch in den Berei chen, die eine geschlossene Mikrostruktur einer hohen Qualität aufweisen. Es wird daher einer der Haupt zwecke der physikalischen Dampfabscheidung, nämlich die Erzeugung einer nicht im Gleichgewicht befindlichen homogenen Überzugsstruktur und Zusammensetzung beseitigt.

Ein weiteres Problem bei der Hitzebehandlung besteht darin, daß durch sie die Korngröße in dem Überzug ver größert werden kann. Die Nachteile, die sich aus inhomo genen Strukturen oder Zusammensetzungen, oder aus gro ßen Korngrößen ergeben können, sind Fachleuten geläufig. Eine weitere Schwierigkeit, die sich bei einer Hitze behandlung ergibt, ist in der Verschlechterung der Haft fähigkeit des Überzugs an dem Substrat zu sehen. Wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates und des Überzuges sehr verschieden sind, kann es an dem Übergang zu einem Bruch kommen. Außerdem ist eine Diffusion von Material in vertikaler Richtung vom Übergang weg wahrscheinlich, durch die Lücken am Über gang oder in einigen Fällen spröde oder brüchige Phasen auftreten können. Beide Erscheinungen schwächen die Haftfähigkeit des Überzugs an dem Substrat.

Bei einer verwandten Technik wird bei einer erhöhten Temperatur abgeschieden, so daß eine ausreichend große seitliche Verteilung eintritt, wenn der Überzug abge schieden wird. Dadurch soll ein dichter Überzug erzeugt werden. Es ergeben sich jedoch dieselben Nachteile, die oben bereits beschrieben wurden.

Eine mechanische Bearbeitung des Überzugs, wie bei spielsweise Kugelstrahlen in Verbindung mit einer Hitze behandlung macht es möglich, daß etwas tiefere Tempera turen angewendet werden. Durch das Kugelstrahlen kann jedoch die Haftfähigkeit des Überzuges an dem Substrat ebenfalls verschlechtert werden, insbesondere wenn sich der Elastizitätsmodul des Substrates beträchtlich von dem Elastizitätsmodul des Überzuges unterscheidet. Dann kann näm lich an dem Übergang ein Bruch auftreten. Im Falle von sehr brüchigen Überzügen ist ein Sandstrahlen nicht möglich, ohne daß der Überzug bricht.

Selbst wenn man die Abscheidung eines ersten Materials auf in hohem Maße gereinigten Oberflächen eines Stiftes, der sich dreht, mit einer nachfolgenden Abscheidung einer obersten Schicht aus einem anderen Material und einer nachfolgenden Hitzebehandlung kombiniert, können Defekte, die durch geometrische Abschattungen bedingt sind und säulenartige Wachstumsdefekte beinhalten, nicht eliminiert werden. Gemäß der Fig. 18 bleiben sehr viele Lücken oder Adern, von denen sich einige über mehr als die Hälfte der Dicke des Überzuges erstrecken, übrig. Wenn ein Teil des Überzuges sich während des Gebrauchs ab nützt, werden derartige Lücken freigelegt.

Es besteht daher weiterhin das Bedürfnis nach einem Verfahren zur physikalischen Dampfabscheidung, durch das es möglich ist, säulenförmige Wachstumsdefekte zu vermeiden, ohne daß mechanische oder thermische Be handlungen erforderlich sind. Für viele Zwecke würde es wenigstens wünschenswert sein, einen Überzug zu erhalten, in den Lücken oder Adern sich nicht durch den gesamten Überzug erstrecken. Dies würde bedeuten, daß die Lücken oder Adern auf einen Teil der Dicke des Überzuges beschränkt sind. Noch besser wäre es, wenn derartige Lücken oder Adern auf einen Bereich beschränkt wären, der etwa der Höhe der Unebenheiten entspricht durch die sie bewirkt werden. Am wünschenswertesten wäre es jedoch, ein Abscheidungsverfahren anzugeben, durch das Überzüge mit extrem hohen Qualitäten hergestellt werden können, die im wesentlichen nicht durch geome trische Abschattungen beeinträchtigt sind.

Es wurde eine Vielzahl Aufstäubungsverfahren vorgeschlagen, deren Aufgaben darin bestehen, spezielle Charakteristiken des Überzugs zu erhalten. Beispielsweise wird in der US-PS 30 21 271 vorgeschlagen, das Substrat mit Ionen zu bombardieren, um eine gesteuerte bzw. kontrollierte Entfernung bzw. Abtragung des abgeschiedenen Materials zu bewirken, um die Gesamtabscheidungsmenge unter einem vorgegebenen kritischen Wert zu halten. Der Zweck be stand darin, eher monokristalline Überzüge aufzuwachsen, als polykristalline Überzüge, die kleine Kristallite auf weisen, die durch hohe Abscheidungsgeschwindigkeiten entstehen. Gemäß der US-PS 37 36 242 wird durch ein Aufstäubungsverfahren Material entfernt, um die kristalline Phasenstruktur zu steuern und um auf diese Weise den Widerstandskoeffi zienten und den Temperaturkoeffizienten des abgeschie denen Filmes zu kontrollieren. Gemäß der US-PS 40 36 723 wird während der Abscheidung durch Aufstäubungsvorgänger unter verschiedenen Winkeln Material abgetragen, um ein anfängliches bevorzugtes Ätzen der Kristallformgrenzen in polykristallinen Substraten zu vermeiden und um da durch eine glatte isolierende Schicht auf einem Sub strat zu bilden. In der US-PS 40 38 171 ist eine Aufstäubungs einrichtung zur Abscheidung mit hohen Raten beschrieben, bei der das Substrat während des Betriebs negativ vorge spannt werden kann. In einer derartigen Einrichtung kann, wenn dies gewünscht wird, durch einen Aufstäubungsvorgang auch Material abgetragen werden. In jeder der voranstehend erwähnten Patentschriften sind die Oberflächen des Sub strates und der Quelle für das durch Abstäuben abzutra gende Material parallel zueinander ausgerichtet und weisen annähernd dieselben seitlichen Abmessungen auf. In diesen Patentschriften wird im wesentlichen das gesamte Material nahezu senkrecht zur Substratoberfläche abgeschieden. Das Problem der geometrischen Abschattung tritt daher bei diesen Patentschriften nicht auf.

In der US-PS 40 06 070 ist eine Einrichtung beschrieben, mit deren Hilfe durch Abstäuben Metalloxidfilme auf Sub stratoberflächen einer großen seitlichen Abmessung, wie beispielsweise auf Windschutzscheiben eines Fahr zeuges, aufgebracht werden können. Die Einrichtung weist mehrere seitlich voneinander beabstandete Materialquellen auf, die während der Abscheidung entlang des Substrates seitlich hin- und herbewegt werden. Die Amplitude der Hin- und Herbewegung reicht aus, um zu bewirken, daß das Ma terial im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche abgeschieden wird. Die Probleme der geometri schen Abschattung werden jedoch nicht angesprochen. Ob wohl die Windschutzscheiben gebogen sind, können die Quellen in den gebogenen Bereichen der Oberfläche ver mindert werden. Unterhalb der Räume zwischen den Quellen treten jedoch auf Substratbereichen geometrische Abschattungen auf. Es wird kein Versuch unternommen, die Auswirkungen der geome trischen Abschattung in dem sich ergebenden Film zu mi nimalisieren. Durch die Hin- und Herbewegung der Quellen während der Abscheidung werden schadhafte Bereiche des Überzuges lediglich zugedeckt.

Es wurden weitere Versuche unternommen, die bei der Herstellung von Überzügen hoher Qualität entstehende, Probleme zu lösen. Derartige Versuche sind in ASME Gas Turbine Division Paper 74-GT-100, "Initial Work on the Application of Protective Coatings to Marine Gas Turbine Components by High Rate Sputterung" von E.D. McClanahan et al, 30. März bis 4. April 1974, und in der Veröffentlichung Tokyo Joint Gas Turbine Congress Paper No. 64, "Recent Developments in the Application of High-Rate Sputtering Technology to the Formation of Hot Corrosion Resistant Metallic Coatings", Tokyo 1977, J. W. Patten, 22. bis 27. Mai 1977 be schrieben. In der ersten Veröffentlichung sind Überzüge auf kleinen planaren Oberflächen sowohl in aufgestäubtem Zustand als auch nach Hitzebehandlung beschrieben. Bei einigen der Experimente wurde das Substrat auf -30 bis -50 Volt Gleichspannung vorgespannt. Es wurde herausgefunden, daß dies eine Auswirkung auf die Grobkörnigkeit der säulen förmigen Kornstruktur hat. Änderungen der Abscheidungstempe ratur ergaben jedoch ähnliche Auswirkungen und der relative Beitrag jedes Parameters wurde nicht bestimmt. In der zweiten Veröffentlichung ist die Integrität von auf dreidi mensionalen Turbinenkomponenten durch Aufstäuben hergestell ten Überzügen beschrieben. Dabei wurden die Untersuchungen sowohl vor als auch nach einer Hitzebehandlung vorgenommen. Außerdem sind auch Überzüge beschrieben, bei deren Herstel lung das Substrat gedreht wurde. Es ist jedoch kein Hinweis auf eine Vorspannung des Substrates enthalten. Außerdem gehen aus der zweiten Veröffentlichung nicht die Vorteile hervor, die sich aus der Eliminierung von säulenförmigen Wachstumsdefekten, die durch geometrische Abschattungen bedingt sind, durch eine Handhabung des Abscheidungsverfah rens statt einem Zurückgreifen auf Hitzebehandlungen vor der Abscheidung ergeben. Schließlich ist in keiner der Veröf fentlichungen weder der Mechanismus, durch den säulenförmige Wachstumsdefekte gebildet werden, noch ein Verfahren beschrieben, durch das die Ausbildung oder Ausbreitung dieser Defekte verhindert werden kann.

Aus den US-PS 36 28 994 und 36 39 151 sind Ionenplattie rungsverfahren bekannt. Bei dieser Technik wird das Materi al, zwar auch in Bereichen, die nahezu senkrecht zu einer Sichtlinie vom Target liegen, dicker und mit einer besseren Qualität abgeschieden und in anderen Bereichen unter einem kleinen Einfallswinkel, dünner und fehlerhaft abgeschieden. Dabei wird jedoch das abgeschiedene Material durch Rückstäu ben nur augenblicklich entfernt und dann als ein Ergebnis von Kollisionen mit Hintergrundgasen in der Abscheidungsvor richtung erneut abgeschieden. Die erneute Abscheidung des Materials bewirkt, daß infolge der geometrischen Abschattung unerwünschte Defekte eingebracht werden. Tatsächlich wird bei diesem Verfahren kein abgeschiedenes Material wirksam entfernt, wie dies bei der gezielten Materialabtragung der Fall wäre. Vielmehr wird dieses Material nur umherbewegt.

Dies bedeutet, daß bei diesen bekannten Verfahren eine Wolke des Hintergrundgases allein oder in Kombination mit einem Rückstäubungsverfahren verwendet wird, um den Fluß des Materials bei seiner Abscheidung willkürlich zu verteilen. Dies führt zu einer Abscheidung einer Schicht mit einer gleichmäßigen Dicke. Defekte, die auf die geometrische Abschattung zurückzuführen sind, werden jedoch nicht beseitigt, obwohl sie in einem gewissen Ausmaße durch die willkürliche Verteilung verdeckt werden können. Bei der US-PS 36 29 151 besteht zusätzlich ein Problem darin, daß das Substrat auf Temperaturen erhitzt wird, bei denen die Charakteristiken des Beschichtungsmaterials in dem Zustand, wie es abgeschieden wurde, zerstört werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Materialabscheidung anzugeben. mit dem von säulenförmigen Wachstumsdefekten freie nicht poröse Materialschichten homogener Mikrostruktur nach Zusammensetzung sowie sehr feiner Korngröße, insbesondere bei relativ kleinen Tempera turen, beispielsweise kleiner als das 0,6-fache der absoluten Schmelztemperatur des abzuscheidenden Materials, auf Substraten mit guter Haftfähigkeit abgeschieden werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann ten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran sprüchen.

Die vorliegende Erfindung zieht einen Vorteil aus der Tatsache, daß derselbe Mechanismus bei der Abscheidung entlang einer Sehlinie, der in einem ersten Bereich einer Substratoberfläche eine Abscheidung einer hohen Quali tät erzeugt und in einem zweiten Bereich eine schad hafte Abscheidung erzeugt, verwendet werden kann, um die schadhafte Abscheidung relativ dünner als die Ab scheidungen der hohen Qualität zu halten. Sowohl die gewünschten Abscheidungscharakteristiken von durch Sputtern und durch andere Verfahren zur physikalischen Dampfabscheidung erzeugten Überzügen und die nicht ge wünschten säulenförmigen Wachstumsdefekte in derartigen Überzügen werden eliminiert, wenn das überzogene Sub strat einer Hitzebehandlung oder einer mechanischen Behandlung nach der Abscheidung unterworfen wird oder wenn die Abscheidung bei ausreichend hohen Temperaturen ausgeführt wird, um zu bewirken daß eine Hitzebe handlung während der Abscheidung wirksam eintritt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verminderung oder Eliminierung von säulenförmigen Wachstumsdefekten ohne derartige Behandlungen, so daß die gewünschten Abscheidungscharakteristiken erhalten bleiben.

Nach der Abscheidung kann noch eine Hitzebehandlung er folgen oder die Abscheidung kann bei einer hohen Tempera tur ausgeführt werden, wenn dies aus anderen Gründen ge wünscht wird, die beispielsweise die Verminderung von Spannungen im Substrat betreffen. Diese Techniken sind aber nicht erforderlich, um die durch geometrische Abschattungen bewirkten Defekte zu vermindern. Die Er findung betrifft ein Verfahren, bei dem entlang einer Sehlinie abgeschieden wird, bei dem ein Betrag eines Überzugsmaterials nicht gleichmäßig auf einer Substrat oberfläche derart abgeschieden wird, daß ein größerer Teil des Materials auf einem ersten Bereich unter einem nahezu senkrechten Einfallswinkel abgeschieden wird und daß ein kleinerer Teil auf einem zweiten Bereich unter einem spitzen Winkel abgeschieden wird, bei dem ein kleinerer Betrag des abgeschiedenen Materials gleich mäßig entlang der Oberfläche entfernt wird und bei dem die voranstehend beschriebenen Schritte in einem Bereich, der an den ersten Bereich angrenzt oder mit diesem über lappt, wiederholt werden. In einem ersten Bereich der Oberfläche unter einen nahezu senkrechten Winkel abge schiedenes Material sammelt sich schneller an als Ma terial, das unter kleineren oder spitzeren Winkeln in einem zweiten Bereich der Oberfläche abgeschieden wird. Unter einem nahezu senkrechten Winkel in dem ersten Bereich abgeschiedenes Material ist durch geometrische Abschattungen relativ wenig beeinträchtigt, während bei zunehmend spitzen Winkeln abgeschiedenes Material in steigendem Maße durch geometrische Abschattungen beein trächtigt wird. Durch das gleichmäßige Entfernen von Material von der Oberfläche wird viel von dem Material entfernt, das in dem zweiten Bereich abgeschieden wurde, während ein größerer Teil des besseren bzw. gewünschteren Materials in dem ersten Bereich verbleibt. Dieses Ma terial des ersten Bereichs weist vorzugsweise eine ge schlossene, nicht poröse Mikrostruktur auf, die im wesentlichen frei von säulenförmigen Wachstumsdefekten ist. Nach dem Verfahrensschritt in dem Material ent fernt wird, kann die Orientierung zwischen dem Substrat und der Quelle verändert werden und die Schritte der nicht gleichmäßigen Abscheidung und des gleichmäßigen Entfernens werden wiederholt, so daß das wünschenswertere Material auf einen anderen Bereich der Oberfläche aufge bracht wird, wobei das wünschenswertere Material in dem ersten Bereich erhalten wird. Nachdem die Schritte des Abscheidens von sich fortschreitend ändernden Richtungen und des gleichmäßigen Entfernens in einer ausreichenden Weise wiederholt wurden, ist die gesamte Oberfläche mit Material beschichtet. Die Defekte des Überzugs, die durch geometrische Abschattungen entstehen, können in speziellen Grenzen gehalten werden, um den Erfordernissen spezieller Anwendungen des beschichteten Substrates gerecht zu werden. Säulenförmige Wachstumsdefekte kön nen vollständig eliminiert werden, um Überzüge höchster Qualität zu erhalten. Außerdem kann der sich ergebende Überzug alle Qualitäten des ursprünglich abgeschiedenen Materials aufweisen. Diese Qualitäten müssen nicht da durch geopfert werden, daß das Substrat nach der Ab scheidung einer Hitzebehandlung oder einer mechanischen Behandlung unterworfen wird, um durch geometrische Ab schattung bedingte Defekte auszuheilen.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestal tungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Trioden-Aufstäubungseinrichtung, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ver wendet werden kann, wobei der Querschnitt ei nes zylindrischen Substrates vergrößert dargestellt ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung von Bereichen des Targets und des Substrates der Fig. 1;

Fig. 3 einen horizontalen Querschnitt einer Trio den-Abstäubungseinrichtung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei in der Ein richtung mehrere Turbinenschaufeln als Substrate befestigt sind;

Fig. 4 einen vertikalen Querschnitt der Einrich tung der Fig. 3;

Fig. 5a, 5b und 5c weitere vergrößerte Darstellungen von Bereichen des Substrates der Fig. 2, wie sie nach einer nicht gleichmäßigen Abscheidung in Erscheinung treten;

Fig. 6a, 6b und 6c die Substratbereiche der Fig. 5a, 5b und 5c, nachdem ein Betrag A des zuvor abgeschiedenen Materials gleich mäßig entfernt wurde;

Fig. 7a, 7b und 7c den Verfahrensschritt zur Abschei dung von Material auf die Oberflächenbe reiche des Substrates der Fig. 6a, 6b und 6c, wobei die Abscheidung unter einem anderen Winkel erfolgt;

Fig. 8a bis 8f Darstellungen eines Targets und eines zylindrischen Substrates zur Erläuterung der Schritte eines ersten Ausführungs beispiels der Erfindung, bei dem die Ver fahrensschritte aufeinanderfolgend ausge führt werden;

Fig. 9 ein entsprechend der Fig. 8f beschichtetes Substrat, wobei während des Schrittes der Fig. 8c weniger Material entfernt wurde, um einen Überzug mit einer hohen Qualität für etwas geringere Anforderungen zu schaffen;

Fig. l0a und 10b zwei Verfahrensschritte des in den Fig. 8a bis 8f dargestellten Verfahrens, wobei zwei Targets zur Abscheidung auf dem Substrat verwendet werden;

Fig. 11a bis 11e den Fig. 8a bis 8f ähnliche Darstellun gen, die die Schritte eines zweiten Aus führungsbeispieles der Erfindung zeigen, bei dem die Schritte des Verfahrens gleich zeitig ausgeführt werden;

Fig. 12 eine der Fig. 11a ähnliche Darstellung, wobei bei der gleichzeitigen Abscheidung auf dem Substrat zwei Targets verwendet werden;

Fig. 13a bis 13d Verfahrensschritte des ersten Aus führungsbeispieles der Erfindung, die verwendet werden, um ein Substrat mit großen seitlichen Abmessungen zu be schichten;

Fig. 14a eine optische Photomikrographie in einer 30,5-fachen Vergrößerung, die einen Quer schnitt eines zylindrischen Stiftes nach der nicht-gleichmäßigen Abscheidung ent sprechend der Fig. 8b zeigt;

Fig. 14b bis 14e optische Photomikrographien in einer 500-fachen Vergrößerung, die Bereiche des Stiftes und des Überzuges der Fig. 14a unter im Uhrzeigersinn fortschreitenden Winkeln von 0°, 60°, 80°, und 100° zeigen;

Fig. 14f eine mit dem Abtastelektronenmikroskop in einer 2000-fachen Vergrößerung aufge nommene Mikrophotographie der Oberfläche des Bereiches des Überzuges, der in der Fig. 14e dargestellt ist;

Fig. 15a bis 15e optische Photomikrographien des Quer schnittes eines zylindrischen Stiftes, nach dem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem gleichmäßig Material entfernt wird, wie dies in der Fig. 8c dargestellt ist, wobei die Darstellungen den Darstellungen der Fig. 14a bis 14e entsprechen;

Fig. 16 eine optische Photomikrographie in einer 32-fachen Vergrößerung des Querschnittes eines zylindrischen Stiftes nach der er findungsgemäßen Beschichtung;

Fig. 16a und 16b optische Photomikrographien in einer 500-fachen und 1050-fachen Vergrößerung eines der Fig. 16 ähnlichen Stiftes nach einer Hitzebehandlung, wobei bei der Fig. 16b geätzt wurde, um die Mikrostruktur zu vergrößern;

Fig. 17a und 17b optische Photomikrographien eines Querschnittes eines zylindrischen Stiftes, der dem Stift der Fig. 16 ähnlich ist, nach der erfindungsgemäßen Beschichtung, wobei aber nachfolgend keine Hitzebehandlungen vorgenommen wurden und wobei die Darstel lungen den Fig. 16a und 16b entsprechen;

Fig. 18 eine optische Photomikrographie in einer 850-fachen Vergrößerung eines Querschnitts eines zylindrischen Stiftes nach der Ab scheidung, wobei der Stift gleichzeitig ge dreht wurde und zum Ausheilen von säulen förmigen Wachstumsdefekten nachfolgend einer Hitzebehandlung unterworfen wurde.

Fig. 19 eine optische Photomikrographie des Überzugs der Fig. 16 in einer 1000-fachen Vergrößerung;

Fig. 20 und 21 optische Photomikrographien eines Quer schnitts eines Teiles einer Turbinen schaufel in einer 500-fachen Vergrößerung, wobei die Schaufel erfindungsgemäß beschich tet ist, ohne daß die Oberfläche zuvor be handelt wurde, wobei die Schaufel gemäß Fig. 20 as-poliert und die Schaufel gemäß Fig. 21 geätzt ist, um die Mikrostruktur und die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche zu vergrößern und

Fig. 22 eine optische Photomikrographie des Quer schnitts eines Stiftes in einer 500-fachen Vergrößerung, wobei der Stift erfindungs gemäß beschichtet ist, um eine feinere Kornstruktur als bei Fig. 17a zu erhalten

Im allgemeinen kann jede Kollimationslinien- oder Sehli nien-Abscheidungsvorrichtung verwendet werden, oder zur Verwendung abgeändert werden, um die vorliegende Erfindung auszuführen. Ein erforderliches Element ist eine eine Abscheidungseinrichtung bildende Quelle, durch die Material entlang einer Kollimationslinie bzw. einer Sehlinie nicht gleichmäßig auf einer Substratoberfläche abgeschieden werden kann. Dem Prinzip nach kann jede physikalische Dampfabscheidungseinrichtung als Abschei dungseinrichtung verwendet werden, die diese Forderungen erfüllt. Ein zweites Element, das zur Ausführung der Er findung erforderlich ist, ist eine Einrichtung zum an nähernd gleichmäßigen Entfernen von Material entlang der Substratoberfläche. Beispielsweise kann als eine geeignete Einrichtung zum gleichmäßigen Entfernen eine Aufbestäubungseinrichtung verwendet werden. Schließ lich wird eine Einrichtung zur Veränderung der Position bzw. Orientierung des Substrates in bezug auf die Quelle benötigt, um Material auf der Substratoberfläche von verschiedenen Winkeln abscheiden zu können. Die Einrichtung zur Veränderung der Position kann verschiedene Formen aufweisen, die von der Geometrie der zu beschichteten Substratoberfläche abhängen. Für dreidimensionale Sub strate, die kleiner sind als die Quelle, kann eine Ein richtung zur Veränderung der Position eine Vorrichtung zum Drehen des Substrates, eine Vorrichtung zur winkeli gen Bewegung der Quelle um ein festes Substrat oder eine Vorrichtung, mit deren Hilfe abwechselnd von mehreren Quellen abgeschieden werden kann, die unter verschiedenen Winkeln um das Substrat angeordnet sind, umfassen. Für Substratoberflächen mit relativ großen seitlichen Ab messungen, wie beispielweise planare Oberflächen, kann als Einrichtung zum Verändern der Position eine Vorrich tung, mit der entweder das Substrat oder die Quellen in Bezug aufeinander seitlich bewegt werden können, oder eine Vorrichtung verwendet werden, die seitlich entlang dem Substrat angeordnet ist und mit der nacheinander von verschiedenen Richtungen bzw. Bahnen abgeschieden werden kann.

Die Fig. 1 zeigt ein Trioden-Aufstäubungssystem. Das System enthält eine Vakuumkammer 20, ein Substrat 22, das auf einem nicht dargestellten Substrathalter befestigt ist eine Quelle oder ein Target 24, eine thermische Emis sionskathode 26, eine Anode 28 und Atome 30 eines iner ten Gases, bei dem es sich beispielsweise um Argon han deln kann. Die nicht dargestellte Einrichtung zur Ver änderung der Position kann entweder mit dem Substrat 22 oder mit der Quelle 24 verbunden werden, wie dies im folgenden beschrieben werden wird. Die Kathode wird durch einer Energieversorgungsquelle 32 erhitzt, wo durch bewirkt wird, daß sie Elektronen 34 emittiert. Die Kathode ist in bezug auf die Anode durch eine Plasma- Energieversorgungsquelle 36 negativ vorgespannt, um die Elektronen von der Kathode weg zu beschleunigen und einen Strom durch das inerte Gas zu erzeugen. Die Elek tronen ionisieren die Atome 30 des inerten Gases und erzeugen positive Ionen 31. Das Target ist durch eine Target-Energieversorgungsquelle 38 negativ vorgespannt, um zu bewirken, daß die Argonionen angezogen werden. Die Ionen treffen auf der Oberfläche des Targets mit einer Ener gie auf, die ausreicht, um Atome 35 des Targets mit ei ner hohen Geschwindigkeit herauszulösen oder abzustäuben. Die herausgelösten Atome des Targets verlassen die Oberfläche eines ebenen Targets mit einer annähernd cosinusförmigen räumlichen Verteilung. Viele der her ausgelösten Atome werden auf dem Substrat abgeschieden. Die restlichen Atome werden an den Innenflächen der Vakuumkammer abgeschieden. Die auf dem Substrat abge schiedenen Atome können teilweise durch Abstäuben entfernt werden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß die Spannungsversorgung 39 des Substrates so betrieben wird, daß das Substrat negativ vorgespannt wird, um zu bewirken, daß positive Ionen des inerten Gases das Sub strat bombardieren.

In der US-PS 40 06 070 ist eine Vorrichtung beschrieben, die verwendet werden kann, um Filme oder Schichten auf annähernd planaren Oberflächen abzuscheiden die große seitliche Ausmaße aufweisen. Eine derartige Vorrichtung kann zur Ausführung der vorliegenden Erfindung dadurch mo difiziert werden, daß eine Einrichtung zum Entfernen von abgeschiedenem Material vorgesehen wird. Eine derartige Einrichtung zum Entfernen von abgeschiedenem Material wird in der genannten US-PS dadurch vorgesehen, daß eine Spannungsquelle 39 elektrisch mit dem Substrat in der in der Fig. 1 dargestellten Weise verbunden wird, um das Substrat negativ vorzuspannen, um von diesem Atome zu entfernen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel für eine geeignete Einrichtung zum erfindungsgemäßen Beschichten von drei dimensionalen Substraten. Eine weitere geeignete Vorrich tung ist in der US-PS 40 38 171 beschrieben. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Einrichtung weist eine im all gemeinen zylindrische Vakuumkammer 120 auf, die eine Mehrzahl von Substraten enthält, die so angeordnet sind, daß sie durch Winkel voneinander getrennt bzw. beabstan det sind. Bei den Substraten handelt es sich beispiels weise um Meeres-Gasturbinenschaufeln 122 a-g. Zwei Targets 124 a und 124 b, die die Form von großen kreisförmigen Scheiben aufweisen, sind oberhalb und unterhalb der Sub strate angeordnet. Eine beheizte, ringförmige faden- bzw. drahtförmige Kathode 126 dient als Elektronenquelle.

Eine ringförmige Anode 128 umgibt das obere Target 124 a. Eine Reihe von Substratstationen 130 a-g sind radial bzw. strahlenförmig um die Vakuumkammer herum angordnet.

Die Substratstationen, für die die Station 130 a typisch ist, weisen jeweils eine zylindrische Welle 140 auf die sich von einer Riemenscheibe 144 aus die außerhalb der Kammer vorgesehen ist, durch eine drehbare Dichtung 142 und eine verschiebbare Abschirmung 145 zu einer Substrat halte- bzw. -einspanneinrichtung 146 innerhalb der Kammer erstreckt. Eine verschiebbare Abschirmung 148 umgibt die Halteeinrichtung und einen Bereich der Turbinenschaufel, um zu verhindern, daß darauf Material abgeschieden wird. Die Riemenscheibe ist durch einen Riemen mit einem Servo motor 150 verbunden, durch den das Substrat gedreht wer den kann.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Einrichtung ist mit einer Reihe von Energieversorgungsquellen im wesentli chen auf die in der Fig. 1 dargestellte Weise verbunden. Eine Quelle 132 für die Kathode ist zur Erzeugung von Elektronen, die in die Vakuumkammer 120 durch einen ring förmigen Durchgang 134 hineinfließen können, der das un tere Target 124 b umgibt, mit der Kathode verbunden. Eine Plasma-Quelle 136 ist zwischen die Kathode und die Anode geschaltet, so daß die durch die Kathode erzeugten Elek tronen von der Kathode weg beschleunigt werden. Die nega tive Spannungsleitung einer Quelle 139 zum Vorspannen ist mit jedem der Substrate durch die jeweiligen Substratsta tionen verbunden, um die Substrate negativ vorzuspannen. Es finden zwei Target-Energieversorgungsquellen 138 a und 138 b Verwendung. Dabei ist jeweils eine Quelle mit einem Target verbunden, um die Targets unabhängig voneinander vorzuspannen.

Die Quelle für die Kathode weist einen Wechselspannungs bereich von 0 bis 10 Volt auf. Die Plasma-Quelle weist einen Gleichspannungsbereich von 0 bis 75 Volt auf und wird betrieben, um die Kathode auf ein Potential von etwa -50 Volt Gleichspannung in bezug auf die Anode vorzu spannen. Die Quelle für das Target weist einen Gleich spannungsbereich von 0 bis -3 Kilovolt auf und wird bei der Abscheidung typischerweise zwischen -2,0 und -2,4 Ki lovolt betrieben. Die Quelle zum Vorspannen weist einen Gleichspannungsbereich von 0 bis 500 Volt auf. Sie wird typischerweise beim Entfernen von Material so betrieben, daß jedes Substrat auf eine Gleichspannung von -35 bis -300 Volt vorgespannt wird. Weitere Einrichtungen der verwendeten Vorrichtung, wie beispielsweise die Kühlung, die Erzeugung der Hochfrequenz und die damit verbun dene Aufstäubungsform und die Ausbildung des Plasmas betref fen, ergeben sich aus der US-PS 40 38 171 und werden daher nicht weiter erläutert. Im folgenden wird der Be trieb der oben beschriebenen Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

Die chemische Zusammensetzung des Targets und des Sub strates hängen im wesentlichen von der Auswahl ab. Sie sind nur durch die eigene Kompatibilität der beim Aufstäuben verwendeten Materialien und durch die beabsichtig te Verwendung des sich ergebenden beschichteten Sub strates beschränkt, wie dies bekannt ist. In der Ta belle 1 der Veröffentlichung "State-of-the-Art for High-Rate Sputter Deposition", Proceedings of the Workshop on Alternatives for Cadmium Electroplating in Metal Finishing, EPA 560/2/79-003, Seiten 423-464, März 1979 (zu erhalten durch National Technical Infor mation Service, U.S. Department of Commerce) sind Bei spiele für Materialien angegeben, die durch Aufstäuben mit hohen Geschwindigkeiten abgeschieden wurden.

Vor dem Abscheiden von Material auf einem Substrat werden das Substrat und Aufstäubungseinrichtung gereinigt. Für jede Substrat gibt es ein eigenes Reinigungsverfahren. Bevor das Substrat in der Abscheideeinrichtung angeordnet wird, werden die inneren Oberflächen der Einrichtung durch Entfetten im Tridampf und durch Ultraschall ge reinigt. Nach dem Zusammenbau wird die Vakuumkammer eva kuiert. Es wird dann Krypton oder ein anderes Sputter gas zugefügt, um den Druck auf 0,4 Pa. anzuheben. Dann wird eine thermische Entladung zwischen der Kathode und der Anode gezündet, um ein Plasma zu erzeugen. Die Substratoberfläche wird dann durch Ätzung des Substrates mit Ionen gereinigt. Das Ätzen wird in der Aufstäubungseinrichtung der Fig. 3 und 4 dadurch bewerk stelligt, daß das Substrat auf typischerweise -100 Volt Gleichspannung 5 bis 10 Minuten lang bei einer Stromdich te von etwa 5 Milliampere pro cm negativ vorgespannt wird. Dadurch wird bewirkt, daß die positiven Ionen in dem Plasma das Substrat bombardieren und eine kleine Menge von Material von dem Substrat entfernen. Um eine Kathodenzerstäubung bzw. eine Materialabtragung von dem Target zum Substrat zu bewirken, wird die Spannung am Target etwa 15 bis 60 Minuten lang auf einen Bereich von -2000 bis -2400 Volt bei einer Stromdichte von 20 Milliampee pro cm angehoben. Dies erfolgt in Abhängig keit von dem Substrat, den verwendeten Beschichtungsma terialien und der gewünschten Abscheidungsgeschwindigkeit.

Beim ersten Verfahrensschritt der Erfindung wird Mate rial ungleichmäßig auf dem Substrat abgeschieden. Dieses Material wird von dem Target oder der Quelle entlang einer Sehlinie in Richtung auf die Substratoberfläche emittiert. Wenn das Material auf der Substratoberfläche auftrifft, verbindet es sich mit dem Material des Sub strates. Die Qualität des Überzugs bzw. der Schicht ändert sich infolge der geometrischen Abschattung von einem Be reich zum andern. Die ungleichmäßige Abscheidung vergrö ßert die Ansammlung von Schichten hoher Qualität und ver mindert gleichzeitig die Ansammlung von Schichten gerin gerer Qualität. In den folgenden Absätzen wird dies näher erläutert.

Die Fig. 2 zeigt einen Bereich einer Substratoberfläche 22 ohne Beschichtung 40 und einen Bereich des Targets 24. Kleine Segmente des Substrates sind mit R₁, R₂ und R₃ bezeichnet. Kleine Bereiche des Targets sind mit S₁, S₂ und S₃ bezeichnet.

Jeder Targetbereich S₁, S₂ und S₃ wirkt im wesentlichen wie eine Punktquelle, die herausgelöste Atome in einem Strahlungsstrom emittiert. Der von dem ersten Bereich S₁ ausgehende Strahlungsstrom weist einen ersten Be reich F₁ auf, der im wesentlichen senkrecht von der Targetoberfläche emittiert wird. Außerdem weist der erste Bereich S₁ einen zweiten Bereich F₂ auf, der un ter einem spitzen Winkel von der Oberfläche emittiert wird. Der Strahlungsbereich F₁ wird auf einem ersten Be reich R₁ des Substrates unter einem im wesentlichen senk rechten Einfallswinkel a₁ abgeschieden. Der Strahlungs bereich S₂ wird auf einem Bereich, der ei nen zweiten Bereich R₂ des Substrates einschließt unter einem spitzen oder leicht berührenden Einfallswinkel a₂ abge schieden.

Gleichzeitig emittiert ein zweiter Targetbereich S₂ einen Fluß mit dritten und vierten Flußbereichen F₃ und F₄ unter spitzen Winkeln zur Oberfläche des Targets. Der Flußbereich S₃ wird in einem Bereich abgeschieden, der den Substratbereich R₁ umfaßt. Die Abscheidung er folgt unter einem spitzen Winkel zur Tangente des Substrats in diesem Bereich. Der Flußbereich F₃ addiert sich vektoriell zurm Beitrag Flußbereiches F₁ in diesem Bereich. In einer ähnlichen Weise wird der Fluß bereich F₄ auf einem Bereich abgeschieden, der den Substratbereich R₂ umfaßt. Die Abscheidung erfolgt eben falls unter einem spitzen Winkel. Der Flußbereich addiert sich vektoriell zum Flußbereich F₂.

Es ergibt sich, daß der Bereich R₃ zwischen den Bereichen R₁ und R₂ auch Material von den Targetbereichen S₁ (Flußbereich F₅) und S₂ (Flußbereich F₆ unter Einfalls winkeln empfängt, die von der Entfernung von dem jewei ligen Targetbereich und von der jeweiligen Orientierung zu dem jeweiligen Targetbereich abhängen. Beispielsweise ergibt sich für den Fluß F₅ der Winkel a₃. In einer ähn lichen Weise emittiert ein weiterer Targetbereich S₃ Material (Flußbereiche F₇ und F₈), das unter verschie denen Winkeln auf den Substratbereichen R₁, R₂ und R₃ abgeschieden wird.

Es ergibt sich folglich, daß bei Substratbereich wie beispielsweise dem Bereich R₁, die innerhalb des Targetumfangs und parallel zum Target angeordnet sind, wobei das Target und das Substrat kleiner sind als der Abstand zwischen ihnen, das Material, das annähernd senkrecht zur Oberfläche auftrifft, in einem sehr viel größeren Umfang abgeschieden wird als das Material, das unter spitzeren Winkeln einfällt. Für Substratbereiche, die nicht parallel zum Target verlaufen, wie beispielsweise die Bereiche R₂ und R₃, oder für Bereiche die sich jen seits des Targetumfangs erstrecken, wie dies im Falle von großen planaren Oberflächen eintreten kann oder für sehr große Targets, ergibt sich, daß das unter spitzeren Winkeln eintreffende Material an Bedeutung gewinnt. Es ergbt sich, daß auf einigen Bereichen, wie bei beispielsweise den Bereichen R₁ und R₃ Überzüge schlechtere Quali tät abgeschieden werden als auf anderen Bereich, wie beispielsweise dem Bereich R₁

Die Bereiche R₁, R₂ und R₃ sind in den Fig. 5a, 5b und 5c in vergrößertem Maßstab dargestellt. In der Fig. 5a verläuft der Bereich R₁ im wesentlichen senkrecht zu dem Netto- bzw. Gesamtfluß, der durch den Pfeil 42 bezeich net ist. Es ergibt sich daher, daß eine Unebenheit 44, bei der es sich um ein fremdes Partikel oder um einen Defekt in der Substratoberfläche handeln kann, für den einfallenden Fluß wenig, wenn überhaupt eine Abschattung bewirkt. Aufgestaubte Atome werden im wesentlichen gleich mäßig um die gesamte Unebenheit 44 herum abgeschieden. In der Fig. 5c fällt der durch den Pfeil 46 bezeichnete Nettofluß unter einem kleineren oder spitzen Winkel zur Tangente der Oberfläche des Bereiches R₂ ein. Eine in dem Bereich R₂ vorhandene Unebenheit 48 bewirkt daher für den Fluß 46 an ihrer dem Fluß 46 abgewandten Seite 49 eine Abschattung. Wenn sich aufgestäubte Atome ansam meln, um einen Überzug auf dem Bereich R₂ zu bilden, bil det sich im Schatten der Unebenheit eine Lücke oder Ader 50. Wenn der Einfallswinkel des Nettoflusses ausreichend klein oder spitz ist, setzen sich derartige Lücken auch dann fort, wenn die Dicke des Überzugs die Höhe der Unebenheit überschreitet. Eine benachbarte Unebenheit 48 a bildet eine zweite Lücke 50 a. Derartige Lücken bil den die Grenzen einer Aufwachssäule 51. In der Fig. 5b fällt der durch den Pfeil 52 bezeichnete Nettofluß unter einem nicht senkrechten Winkel zur Tangente der Oberfläche des Bereiches R₃ ein, wobei der Winkel grö ßer ist (weniger spitz) als der in der Fig. 5c darge stellte Einfallswinkel. Eine Unebenheit 54 in dem Be reich R₃ bildet daher eine kleinere Abschattung an ihrer dem Fluß abgewandten Seite 55 als sie durch die Uneben heit 48 bedingt wird. Obwohl sich im Schatten der Un ebenheit 54 eine Lücke 56 ausbildet, ist diese kleiner als die Lücke 50 und kann infolge einer Oberflächen beweglichkeit in der Abscheidung durch die Anhäufung von Material in dem Bereich R₃ zusammengedrückt werden, so daß sie sich nicht durch den gesamten Überzug bis zur Oberfläche fortsetzt.

Die Fig. 14a bis 14c zeigen die Mikrostruktur von Be reichen eines zylindrischen Stiftes auf dem durch einen Aufstäubungsvorgang in der im Zusammenhang mit den Fig. 5a, 5b und 5c beschriebenen Weise ein Überzug aufgebracht wurde. Auf jeder Photomikrographie sind jedoch eine große Anzahl von Unebenheiten vorhanden, die unsichtbar sind, weil sie gewöhnlich zu klein sind, um durch ein optisches Mikroskop aufgelöst werden zu können. In der Fig. 14b besitzt der Überzug eine geschlossene, nicht poröse Mikrostruktur, die auf die Abwesenheit von geo metrischen Abschattungen zurückzuführen ist. Im Gegen satz dazu weist der Überzug der Fig. 14e und 14f eine offene, poröse Mikrostruktur mit säulenförmigen Wachs tumsformationen auf, die durch mehrere Lücken bzw. Adern oder offene Grenzlinien voneinander getrennt sind, die sich von der Substratoberfläche zur Ober fläche des Überzugs erstrecken. Eine derartige Mikro struktur ist charakteristisch für eine beträchtliche geometrische Abschattung. In der Fig. 14d ist die Mikrostruktur des Überzugs noch stark durch eine geo metrische Abschattung beeinflußt. Es treten noch säulenförmige Wachstumsdefekte auf. Sie sind jedoch nicht so sichtbar. In der Fig. 14c ist der Überzug durch geometrische Abschattung noch etwas beeinträchtigt, wie sich dies durch Furchen bemerkbar macht, die unter ei nem Winkel zur Substratoberfläche verlaufen. Anderer seits aber besitzt der Überzug eine relativ geschlos sene Mikrostruktur.

Die durchschnittliche Abscheidungsgeschwindigkeit liegt typischer weise in einem Bereich von 0,0025 bis 0,25 cm Dicke pro Stunde, parallel zum Adatomfluß gemessen. Es wirken jedoch drei Mechanismen zusammen, die für eine nicht gleichmäßige Abscheidung von Material auf dem Substrat sorgen, so daß die Abscheidungen schlechterer Qualität dünner bleiben als die Abscheidungen bessere Qualität. Zum ersten ändert sich die Quantität der aufgestäubten Atome, die einen Bereich der Substratoberfläche errei chen, umgekehrt proportional zur Entfernung dieses Ober flächenbereiches von dem Target. In der Fig. 2 verläuft der Fluß F₂ daher über eine größere Entfernung als der Fluß F₁. Er ist daher winkelmäßig mehr verteilt, wenn er auf dem Bereich R₂ auftritt, als der Fluß F₁ wenn er auf dem Bereich R₁ auftritt. Zum zweiten erzeugt eine vorgegebene auf eine Oberfläche einfallende Fluß dichte einen Überzug, dessen senkrecht zur Oberfläche gemessene Dicke proportional zu dem Sinus des Einfalls winkels des Flusses zur Oberflächentangente ist. Es ist daher F₁ × sinus a₁ größer als F₂ × sinus a₂ Dies gilt auch dann noch, wenn die Größen der Flüsse F₁ und F₂ gleich sind. Zum dritten wurden unter der Annahme, daß aufgestäubte Atome das Target unter einer annähernd cosinusförmigen oder einer ähnlichen räum lichen Verteilung verlassen, mehr Atome, die auf einem besonderen Bereich des Substrates landen, nahezu senk recht von dem Target abgestrahlt als unter einem spitzen Winkel von der Targetoberfläche abgestrahlt wur den. In derselben Entfernung von dem Bereich S₁ über steigt daher die Größe des Flusses F₁ die Größe des Flusses F₂. Es ergibt sich, daß sich an Bereichen der Oberfläche, die näher am Target angeordnet sind oder im wesentlichen parallel zum Target verlaufen, mehr aufgestaubte Atome ansammeln, als an Bereichen der Ober fläche, die weiter vom Target entfernt sind oder nicht parallel zum Target verlaufen.

Es wird daher bei einer ebenen oder konvexen Quelle und einem Substrat mit großen seitlichen Abmessungen, das zur Quelle ausgerichtet ist, wie dies in der US-PS 40 06 070 dargestellt ist, Material nicht gleichmäßig auf der Substratoberfläche abgeschieden, wie dies in der Fig. 13a dargestellt ist. Wenn man auf dreidimensionalen Substraten abscheidet, deren Größe relativ kleiner ist als die Größe der Quelle, ergibt sich eine nicht-gleich mäßige Abscheidung prinzipiell als Resultat der geome trischen Form des Substrates. Die Nicht-Gleichmäßigkeit der Abscheidung kann jedoch im letzteren Falle durch eine Veränderung der Form der Quelle vergrößert werden. Es kann beispielsweise eine konvexe Quelle anstatt einer ebenen Quelle verwendet werden.

Der nächste Verfahrensschritt, der in den Fig. 6a bis 6c dargestellt ist, beinhaltet eine annähernd gleich mäßige Entfernung von auf der Substratoberfläche abge schiedenem Material. In einer Abstäubungseinrichtung wird eine gleichmäßige Entfernung dadurch bewerkstelligt, daß das Substrat negativ vorgespannt wird. Das elektri sche Feld zieht Ionen von dem Plasma in Richtung auf das Substrat an. Diese Ionen bombardieren die Oberfläche des Überzuges. Atome des Überzuges werden auf diese Weise von dem Überzug annähernd gleichmäßig entlang der Oberfläche des Substrates herausgeschlagen.

Die Entfernung wird so gesteuert, daß wenigstens ein Teil des dicksten Bereiches des in dem ersten Schritt gebildeten Überzuges verbleibt. Der Anteil des ent fernten abgeschiedenen Materials kann über einen weiten Bereich variiert werden und wird prinzipiell durch die beabsichtigte Verwendung des beschichteten Substrates und in geringerem Ausmaß durch Kostenerwägungen be stimmt.

Im nächsten Verfahrensschritt wird die relative An ordnung der Quelle und des Substrates verändert, so daß Material auf dem Substrat von einem anderen Winkel ab geschieden werden kann, wie dies in den Fig. 7a bis 7c dargestellt ist. Wie dies bereits zuvor beschrieben wur de, kann eine derartige Bewegung dadurch bewerkstelligt werden, daß das Substrat bewegt wird, daß das Target bewegt wird oder daß von einem anderen Target aufgestäubt wird. Der Betrag, um den die relative Position verändert wird, wird durch den Anteil des entfernten Materials bestimmt. Je größer der entfernte Anteil ist, umso klei ner ist der Bereich des verbleibenden Materials und um so kleiner sind daher die stufenweisen Veränderungen der relativen Position zwischen aufeinanderfolgenden Ab scheide- und Entfernungsschritten.

Das Verfahren wird dadurch fortgeführt, daß die voran gehend beschriebenen Schritte solange wiederholt werden, bis die gesamte Oberfläche, die beschichtet werden soll, beschichtet wurde. Die voranstehend beschriebenen Schritte können der Reihe nach und wiederholt ausgeführt werden, bis das Substrat völlig durch sich seitlich überlappende Schichten von Überzugsmaterial bedeckt ist. Die vorangehenden Schritte können auch gleichzeitig aus geführt werden, so daß sowohl eine Abscheidung als auch eine Entfernung auftritt, während die relative Position des Targets und des Substrates ununterbrochen verändert werden, bis das Substrat völlig durch eine oder mehrere benachbarte Schichten des Überzugsmaterials beschichtet ist.

Bei dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 wird ein zylindrischer Stift aus einer Speziallegierung aufeinanderfolgend mit Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium (CoCrAlY) beschichtet. Beim Ausführungsbeispiel 2 wird ein derartiger Stift dadurch beschichtet, daß die Schritte gleichzeitig ausgeführt werden. Beim Ausfüh rungsbeispiel 3 wird eine große ebene Platte dadurch be schichtet, daß die Schritte aufeinanderfolgend ausge führt werden.

Ausführunqsbeispiel 1: Verfahren, bei dem die Schritte aufeinanderfolgend ausgeführt werden

Gemäß Fig. 8a wird ein Stift 200 aus einer Speziallegie rung gereinigt und in der Einrichtung der Fig. 3 und 4 zur Abscheidung eines Überzuges von einem oberen Target 124 a aus CoCrAlY angeordnet. Die Einrichtung wird evaku iert und mit Argongas gefüllt, bis ein Druck von 0,4 Pa. erreicht ist. Die Quelle 32 für die Kathode und die Plasma-Quelle 36 (Fig. 1) werden auf eine Wechselspannung von 6 bis 8 Volt und eine Gleich spannung von -50 Volt eingestellt, daß eine thermionische Entladung zwischen der Kathode und der Anode gezündet wird, wodurch ein Plasma in der Vakuumkammer erzeugt wird. Die Targetspannung V _t wird auf null eingestellt und die Substratspannung V _s wird auf -100 Volt Gleich spannung eingestellt, um das Substrat mit Argonionen etwa 10 Minuten lang bei einer Stromdichte von 5 Milli ampère pro cm zu ätzen. Am Ende dieser Zeitspanne wird die Spannung V _t an dem oberen Target 124 a auf -100 Volt Gleichspannung eingestellt. Durch die negative Vorspan nung des Targets werden Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium Atome von dem Target herausgelöst bzw. gesputtert. Ein Teil dieser Atome landet auf dem Stift, wird aber sogleich wieder gesputtert und sammelt sich daher an dem Stift nicht an. Die Spannung V _t wird dann schrittweise in Zeitintervallen von 1 bis 3 Minuten und in Schritten von etwa l00 Volt auf -2000 Volt Gleichspannung vergrößert.

Wenn die Spannung am Target vergrößert wird, steigt die Aufstäubungsgeschwindigkeit schrittweise an, bis genügend Material emitiert wird und sich Material an dem Substrat ansammelt, obwohl von dem Substrat Material abgestäubt bzw. heraus gelöst wird. Die Substratspannung V _s wird dann auf 0 Volt vermindert, um eine Abscheidung mit hohen Geschwindigkeiten einzu leiten. Wenn die Targetspannung weiter angehoben wird, wird Material beschleunigt ab geschieden. Wenn die Targetspannung V₂ -2000 Volt be trägt, beträgt die Abscheidungsgeschwindigkeit etwa 0,0025 cm pro Stunde bei einer Stromdichte von 10 Milliampère pro cm². Ein Überzug einer nicht-gleichmäßigen Dicke bildet sich entlang der oberen Fläche 202 und der Seitenflächen 204 und 205 des Substrates aus, wie dies in den Fig. 8b und 14a dargestellt ist. Einiges Material wird auch auf der unteren Fläche 206 des Stiftes abgeschieden, die sich außerhalb der Sehlinie des Targets befindet. Dies ge schieht dadurch, daß einige der emittierten Targetatome am Gas zurückgestreut werden.

Infolge der nicht-gleichmäßigen Abscheidung sind zahl reiche Bereiche des Überzugs 201 in der in den Fig. 5a bis 5c und 14b bis 14e dargestellten Weise ausgebildet. Der Überzug ist am dicksten (etwa 0,0025 cm) entlang der oberen Fläche 202 des Stiftes und wird fortschreitend dünner (etwa 0,0005 bis 0,001 cm), wenn man entlang der Seitenflächen 204, 205 des Stiftes fortschreitet. Am dünnsten wird der Überzug an der unteren Fläche 206 (Fig. 8b) des Stiftes (etwa 0,00001 cm). In der Fig. 14b weist der dicke Überzug 201 a auf dem ersten Bereich 202 eine geschlossene, nicht-poröse Mikrostruktur auf. Dies rührt daher, daß die Abscheidung nahezu senkrecht zur Substratoberfläche erfolgt, wie dies durch den Pfeil 226 angedeutet ist. Im Gegensatz dazu weist der dünne Überzug 201 b im zweiten Bereich 204 c (Fig. 14e) eine offene, hoch poröse Mikrostruktur auf. Offene Lücken oder Risse 228 trennen Pfeiler bzw. Säulen 230, die sich von der Sub stratoberfläche zur Oberfläche des Überzugs erstrecken. Der Winkel der Risse entspricht etwa dem Winkel des durch den Pfeil 232 angedeuteten Atomflusses. Die Oberfläche des Überzuges im Bereich 204 c ist in hohem Maße unregel mäßig, wie dies in der Fig. 14f dargestellt ist. In der Fig. 14d weist der etwas dickere Überzug 201 c im dritten Bereich 204 b eine mit Furchen versehene säulen förmige Wachstums-Mikrostruktur auf. Der Winkel der Furchen verläuft parallel zum durch den Pfeil 234 angedeuteten Fluß. Die Furchen oder Lücke sind im Überzug des Bereiches 204 b nicht so sichtbar wie sie dies im Bereich 204 c sind. Sie sind aber doch vorhanden. Im vierten Bereich 204 a ist, wie dies in der Fig. 14c dargestellt ist, der Überzug 204 d noch dicker. Seine Mikro struktur ist noch weniger durch geometrische Abschattungen beeinträchtigt. Sie zeigt aber noch keine Furchen, die parallel zum Pfeil 236 verlaufen, der die Richtung des Nettoflusses im vierten Bereich anzeigt.

Im nächsten Schritt, der in der Fig. 8c dargestellt ist, wird die Spannung V _s des Substrates so eingestellt, daß sie oberhalb des Plasmapotentials liegt. Beispielsweise wird die Spannung auf -250 Volt Gleichspannung einge stellt. Die Targetspannung V _t wird auf null vermindert. Dieser Schritt bewirkt, daß Plasmaionen die gesamte Oberfläche des Substrates bombardieren, um Atome des Überzugs herauszulösen. Auf diese Weise wird ein Betrag des Überzugsmaterials 212 gleichmäßig von dem Substrat entfernt. Dieser Schritt dauert an, bis ausreichend viel Material entfernt wurde, um defekte Bereiche des Überzugszugs zu entfernen. Der entfernte Betrag wird dadurch ge steuert, daß entweder die Dauer des Herauslösens von Ato men aus dem Überzug oder die Geschwindigkeit dieses Vor gangs gesteuert wird, die sich mit der Substratspannung V _s und dem Strom I _s, oder mit beiden ändert. Um ein schnelleres Herauslösen zu bewirken, können noch grö ßere Substratvorspannungen oder Ströme verwendet werden. Andere Betrachtungen, wie beispielsweise das Vermeiden einer Überhitzung setzen dem Betrag der Geschwindigkeit des Herauslösens obere Grenzen.

Es sollte wenigstens der Bereich des Überzugs, der eine offene Mikrostruktur mit sichtbaren Wachstumsdefekten aufweist, wie dies in der Fig. 14e dargestellt ist, entfernt werden. Wie viel mehr Material ent fernt wird, hängt von Abwägungen ab, die bezüglich der gewünschten Qualität des überzuges und der Kosten angestellt werden. Der spezielle Betrag, der entfernt werden muß, wird empirisch für jeden verschiedenen An wendungsfall des beschichteten Substrates ermittelt.

Die Auswirkungen des Schrittes, bei dem Material ent fernt wird, auf durch geometrische Abschattungen be dingte Defekte sind in den Fig. 6a bis 6c dargestellt. In der Fig. 6a vermindert die Entfernung eines Teils A die Dicke des überzuges im Bereich R ₁. Es bleibt aber ein Überzug einer beträchtlichen Dicke übrig. In der Fig. 6b wird im Bereich R ₃ durch die Entfernung des Teils A der größte Teil, aber nicht der gesamte Überzug entfernt. Es werden daher die relativen Anteile der nicht gleichmäßig abgeschiedenen Überzüge der Bereiche R ₁ und R ₃ beträchtlich vergrößert. Die Lücke 56 und da mit in Verbindung stehende Defekte im Bereich R ₃, die durch eine geometrische Abschattung bedingt sind, werden nahezu eliminiert. In der Fig. 6c weist der Bereich R ₂ einen abgeschiedenen Überzug auf, der dünner ist als der zu entfernende Teil A. Es wird daher der gesamte Überzug vollkommen entfernt und gleichzeitig werden die Lücken 50, 50 a, die pfeilerförmige Struktur 51 und alle anderen Defekte, die durch geometrische Abschattungen bedingt sind, entfernt.

Die Ergebnisse des gleichmäßigen Entfernens sind aus führlicher in den Fig. 15a bis 15e dargestellt. In der Fig. 15b bleibt ein Hauptbereich des Überzuges 201 im ersten Bereich 202 zurück. Im Gegensatz dazu wird der Überzug in dem Bereich 204 c völlig entfernt, wie dies in der Fig. 15e dargestellt ist. In der Fig. 15d werden die dünneren Teile des Überzugs im dritten Bereich 204 b entfernt, während die dickeren Teile auf eine dünne Schicht vermindert werden. In der Fig. 15c bleibt eine etwas dickere Überzugsschicht in dem vierten Bereich 204 a zurück. Gemäß der Fig. 15e wird alles Material, das die am meisten ausgeprägten säulenförmigen Wachstumsdefekte aufweist, aus dem zweiten Bereich 204 c entfernt. In ei ner ähnlichen Weise wird nahezu das gesamte mit Furchen versehene Überzugsmaterial des dritten Bereichs 204 b ent fernt, wobei eine Überzugsgrenze 211 gemäß den Fig. 15a und 15d zurückbleibt. Rechts von der Grenze bleibt kein Überzug übrig. Links von der Grenze bleibt nur der Rand des Überzugs 201 c übrig. Selbst in dem Bereich 204 a (Fig. 15c) wird die Dicke des Überzugsmaterials beträchtlich vermindert im Verhältnis zur Dicke des Überzugs in dem ersten Bereich 202. Wenn man die Fig. 14b und 14c mit den Fig. 15b und 15c jeweils vergleicht, sind die Ver hältnisse 201 a zu 201 d der Überzugsdicken in diesen Be reichen um einen Wert vermindert, der in einem Bereich von etwa 1/2 bis 1/3 liegt.

Nach dem Verfahrensschritt des gleichmäßigen Entfernens verbleibt von dem Überzug 201 nur ein Kammbereich 210 oben auf dem Stift, wie dies in der Fig. 8c dargestellt ist. Der Stift wird dann um einen Winkel 214 gedreht, so daß die Substratfläche an der Grenze 213 des Kammbereiches 210 annähernd parallel zum Ziel 24a (senkrecht zum näch sten Fluß) liegt, wie dies in der Fig. 8d dargestellt ist. Dann werden die Targetspannung V _t und die Substrat spannung V _s jeweils schrittweise auf -2000 Volt bzw. null Volt in der voranstehend bereits beschriebenen Weise ein gestellt. Es wird dabei Überzugsmaterial in derselben Weise wie der erste Überzug in dem ersten Verfahrens schritt gemäß Fig. 8b abgeschieden. Dabei erfolgt die Abscheidung aber aus einem anderen Winkel, um einen zwei ten Überzug 215 zu bilden, der winkelmäßig gegenüber dem Kammbereich 210 verschoben ist.

Die Auswirkungen auf die Qualität des Überzuges infolge des Drehens und des zweiten Abscheidens unter einem an deren Winkel sind in den Fig. 7a bis 7c dargestellt. Der neue Einfallswinkel des nächsten Flusses, der durch den Pfeil 58 dargestellt ist, verschiebt die Neigung zur Ausbildung von Formationen infolge von geometrischen Abschattungen vom Bereich R ₃ in Richtung auf den Bereich R ₁. Eine Unebenheit 61 an der Oberfläche des ersten Über zuges bewirkt eine Abschattung, die die Ausbildung einer neuen Lücke 63 zur Ursache hat. Es wird daher ein Überzug einer schlechten Qualität, der den Überzügen der Fig. 5c und 14e vergleichbar ist, den Bereich R ₁ der Fig. 7a hinzugefügt. Der Rest des darunterliegenden ersten Über zugs weist jedoch eine relativ gute Qualität auf und ist dick genug, um einen nachfolgenden Verfahrensschritt, bei dem Material entfernt wird, zu überstehen. Ein Überzug einer mittleren Qualität wird dem Bereich R ₃ der Fig. 7b oberhalb des Restes des ersten Überzugs dieses Bereiches hinzugefügt. Der Rest der Lücke 56 bewirkt jedoch eine ab schattende Seite für eine neue Lücke 56 a. Diese Lücke und andere neue Lücken, wie beispielsweise die Lücke 60, die durch eine neue Unebenheit 62 hervorgerufen wird, erstrecken sich nicht bis zur Oberfläche des Substrates. Im Bereich R ₂ der Fig. 7c wird eine Abscheidungsschicht einer hohen Qualität gebildet, die der Schicht der Fig. 5a entspricht. Um die Unebenheiten 48 und 48 a bilden sich keine Abschattungen und daher auch keine Lücken aus.

In der Fig. 8e wird der Schritt zum gleichmäßigen Ent fernen von Material der Fig. 8c wiederholt. Es wird wieder ein Teil A entfernt, wie dies durch die unterbro chenen Linien 64 in den Fig. 7a bis 7c dargestellt ist. Nach dem Entfernen eines solchen Teiles A verbleibt ein zweiter Kammbereich 216 des Überzuges, der einen Teil des Kammbereiches 210 überlappt.

Die Schritte des Abscheidens, des Entfernens und Drehens werden dann wiederholt, bis der gesamte Stift überzogen ist, wie dies in den Fig. 8f und 16 dargestellt ist. Wenn ein dickerer Überzug gewünscht wird, kann das Ver fahren während zusätzlicher Umdrehungen des Stiftes fort gesetzt werden.

Wenn ein Überzug mit einer etwas geringeren Qualität für die beabsichtigten Verwendungszwecke des Stiftes aus reicht, kann das Entfernen auf die Kammbereiche 212 des Überzugs beschränkt werden, wie dies in der Fig. 8c dargestellt ist. In der Fig. 9 ermöglicht die größere Breite des Kammbereiches 212, daß das Substrat um einen Winkel 218 gedreht wird, der etwas größer ist als der Winkel 214 (Fig. 8d), bevor ein zweites Mal abgeschieden wird. Dadurch wird eine völlige Beschichtung des Stiftes mit weniger Wiederholungen der Anzahl der Verfahrens schritte ermöglicht, als dies bei der Bildung des Über zugs gemäß der Fig. 8f der Fall ist.

In einer ähnlichen Weise ermöglicht es gemäß der Fig. 10a die Verwendung eines zweiten Targets 124 b, das an der Seite des Substrates angeordnet ist, die dem Target 124 a gegenüberliegt, daß das Substrat mit der Hälfte der Ver fahrensschritte beschichtet werden kann, die bei der Verwendung nur eines Targets erforderlich sind. Fig. 10a zeigt einen Stift in dem Zustand, der auf die erste Ab scheidung und den ersten Verfahrensschritt zum Entfernen von Material folgt. In diesem Zustand weist der Stift dann Bereiche 220 und 222 auf, die dem Kammbereich 212 in Fig. 8c entsprechen. Nach der Drehung des Stiftes um einen Winkel 224 und nach dem zweiten Abscheidungs schritt und dem zweiten Schritt zum Entfernen von Ma terial ist der gesamte Stift überzogen, wie dies in der Fig. l0b dargestellt ist.

Wenn gleichzeitig von zwei Targets abgeschieden wird, ist es aus zwei Gründen erforderlich, sorgfältig die von jedem Target abgeschiedenen Anteile zu kontrollieren. Erstens sollten die von jedem Target abgeschiedenen An teile relativ gleich sein, damit das Endprodukt einen Überzug einer im wesentlicher gleichmäßigen Dicke auf weist. Zweitens müssen die abgeschiedenen Anteile ge steuert werden, um zu vermeiden, daß sich zuviel Material an den Seitenflächen 204 und 205 ansammelt. Die zusammen an diesen Flächen durch beide Targets abgeschiedenen An teile dürfen nicht den zu entfernenden Anteil über schreiten, da sonst nicht der gesamte Überzug der schlech testen Qualität entfernt wird. Der empirisch bestimmte Anteil, der zu entfernen ist, entspricht daher dem maximalen Anteil, der durch beide Targets abgeschieden werden kann. Auf jeden Fall darf der gemeinsam durch beide Targets an den Seitenflächen abgeschiedene Anteil nicht den Anteil übersteigen, der an der oberen Fläche 202 und an der unteren Fläche 206 abgeschieden wurde. Dies macht einen größeren Grad der Nichtgleichmäßigkeit der Abscheidung erforderlich, als dies bei der Verwendung nur eines Targets der Fall ist. Vorzugsweise werden daher zwei planare Targets nur zur Beschichtung von Substraten verwendet, deren Durchmesser etwa der Breite des Targets oder größer ist. Zur Abscheidung von zwei Targets auf ein Substrat mit kleineren Abmessungen kann die Nicht gleichmäßigkeit der Abscheidung dadurch vergrößert werden, daß die Geometrie des Targets verändert wird. Beispiels weise kann ein Target mit einer konvexen Form verwendet werden.

Bei einer weiteren Abänderung dieses Verfahrens ist es möglich, abwechselnd an den beiden Targets abzuscheiden Zunächst wird Material nicht gleichmäßig von dem Target 183 a abgeschieden. Darauf folgt ein Schritt zur gleich mäßigen Entfernung. Dann wird Material von dem Target 138 b abgeschieden, woraufhin ein Schritt zur gleich mäßigen Entfernung folgt. Durch dieses Verfahren wird das oben beschriebene Problem vermieden, das entstehen kann, wenn gleichzeitig von zwei Targets abgeschieden wird.

Die Targets müssen nicht an gegenüberliegenden Seiten des Substrates angeordnet sein. Das zweite Target kann auch neben dem ersten Target angeordnet sein, so daß auf dem Substrat von einer unterschiedlichen Richtung abgeschieden wird, wie dies durch die Pfeile 58 in den Fig. 7a, 7b und 7c dargestellt ist. Durch die Verwendung mehrerer Targets ist es auf diese Weise möglich, ab wechselnd von jedem Target aus abzuscheiden, um alle möglichen Richtungen zwischen dem Substrat und dem Target einzustellen, ohne das Substrat oder das Target körperlich zu bewegen.

Ausführungsbeispiel 2: Verfahren, bei dem die Schritte gleichzeitig ausgeführt werden

Dieses in den Fig. 11a bis 11e dargestellte Verfahren entspricht im wesentlichen dem zuvor beschriebenen Ver fahren. Jedoch werden die Schritte zur Abscheidung, zum Entfernen von Material und zur Drehung gleichzeitig aus geführt.

Die Drehung des Stiftes beginnt während des Ätzens.Der Stift wird vorzugsweise nicht schrittweise, sondern ununterbrochen gedreht. Nach dem Ätzen wird die Spannung V _s auf einem Wert von -100 Volt Gleichspannung gehalten und die Target spannung V _t wird schrittweise auf Werte erhöht, die zwischen -2000 und -2400 Volt Gleichspannung liegen Wenn jedoch die Abscheidegeschwindigkeit, Abstäubegeschwindigkeit überschreitet, wird die Substratspannung V _s nicht auf null verringert. Stattdessen wird die Spannung V _s einen Wert eingestellt, der in einem Bereich von etwa -35 bis -100 Volt Gleichspannung liegt, um eine konstante Geschwindigkeit R beim Entfernen von Material zu bewirken, der dem Betrag des Materials entspricht, das entfernt werden muß, um eine ausgewählte Qualität des Überzugs zu erreichen. Typischerweise beträgt die Spannung V _s -50 Volt.

Es wird alles ursprünglich auf dem Stift abgeschiedene Material entfernt, bis die Abscheidegeschwindigkeit D an der oberen Seite 202 die Entfernungsgeschwindigkeit R überschreitet. Die Ab scheidegeschwindigkeit D steigt weiter an, wenn die Spannung V _t an steigt. Die Entfernungsgeschwindigkeit R bleibt konstant. Wenn die Spannung V _t beispielsweise auf -2000 Volt ansteigt, wird eine Abscheidegeschwindigkeit D _n = D-R bewirkt. Es wird dann ununterbrochen Material mit einer solchen Geschwindigkeit auf dem Stift entlang der oberen Fläche 202, die dem Target gegenüberliegt, abgeschieden, wenn sich der Stift im Uhr zeigersinn dreht, wie dies durch die Pfeile 250, 252, 254 und 256 in den Fig. 11a bis 11d jeweils dargestellt ist.

Durch die Entfernung von Material wird verhindert, daß Material entlang der unteren Fläche 206 und der Seiten flächen 204 und 205 hinzugefügt wird. Das Überzugsmaterial wird daher nur an einer Seite des Stiftes abgeschieden, die dem Target gegenüberliegt. Wenn der Stift nicht ro tieren würde, würde das Profil des Überzugs so aussehen, wie dies in den Fig. 8c und 15a bis e dargestellt ist. Die Drehung des Stiftes bewirkt jedoch, daß der zuerst abgeschiedene Überzugsbereich 258 sich fortschreitend auf der Sichtlinie zum Target herausdreht, wie dies in den Fig. 11a bis c dargestellt ist. Es wird dann kein wei teres Material auf dem Bereich 258 abgeschieden. Das Entfernen von Material dauert jedoch an, um Material mit der Geschwindigkeit R zu entfernen. Auf diese Weise wird die Dicke des Überzugsbereiches 258 fortwährend vermindert, wenn sich der Stift dreht. Wenn die Entfernungsgeschwindigkeit R zu groß ist, wird das Überzugsmaterial des Bereichs 258 völlig ent fernt, bevor der Bereich 258 zurück in die Sichtlinie zum Target gedreht wird.

Es muß daher die Netto-Abscheidegeschwindigkeit D _N die Entfernungs geschwindigkeit R überschreiten. Wenn ein Target zur Abscheidung verwendet wird, macht es diese Beschränkung erforderlich, daß die Abscheidegeschwindigkeit die Entfernungsgeschwindigkeit um das Doppelte überschreitet, d. h. es muß: D < 2R gelten. Mit anderen Worten muß die durchschnittliche Reemissionsgeschwindigkeit kleiner sein als 50%, damit ein Substrat mit einem Target über zogen werden kann, wenn die Verfahrensschritte gleich zeitig angewendet werden. Ein wirtschaftliches Beschichten macht jedoch kleinere Entfernungsgeschwindigkeiten erforderlich, deren Maximum wahrscheinlich im Bereich von 30 bis 40% liegt. Gleichzeitig muß die Entfernungsrate hoch genug sein, um die Entwicklung von Überzügen zu vermeiden, die an den Seitenflächen 204 und 205 säulenförmige Wachstumsdefekte aufweisen.

Durch das Entfernen von Material in der Zeit, in der der Bereich 258 sich außerhalb einer Sehlinie zum Target 124 a befindet, wird die Abscheidung von Material einer schlechten Qualität unter einem spitzen Winkel an der Seitenfläche 204 vermieden. Wenn sich der Stift dreht, wird Material an den Seitenflächen 209 oben auf dem zuvor abgeschiedenen Material mit der höheren Qualität nahezu senkrecht zur Substratoberfläche entlang der oberen Seite 202 abgeschieden. Das Material mit der höheren Qualität wird später wieder freigelegt wenn das an der Fläche 204 abgeschiedene Material der schlechteren Qualität entfernt ist. Diese Erscheinung ist durch einen Winkel 264 zwischen der vorderen Kante oder Grenze 260 des Bereiches 258 und einer Bezugsanzeigeeinrichtung 262 zur Anzeige der Drehung an einem festen Bereich des Sub strates erläutert. Fortschreitend von den in den Fig. 11a bis 11c dargestellten Zuständen weicht die vordere Kante fortschreitend zurück, weil Material entfernt wird, so daß der Winkel 264 kleiner wird. Zu der Zeit, zu der der Stift eine volle Umdrehung gemacht hat, wie dies in der Fig. 11d durch den Pfeil 256 dargestellt ist, wird das, was von dem Bereich 258 übrig geblieben ist, durch neues Überzugsmaterial bedeckt, wenn dieser Bereich zu einer Sehlinie zum Target zurückkehrt. Folglich hört die vordere Kante 260 auf zurückzuweichen.

Gemäß Fig. 11a wird jedoch der Überzugsbereich 266, der zwischen der oberen Fläche 202 und der Seitenfläche 205 abgeschieden ist, nicht entfernt, bevor er bedeckt wird. Wenn zuviel Material auf dem Bereich 266 unter einem spitzen Winkel abgeschieden wird, können sich infolge der geometrischen Abschattung Defekte ausbilden, die säulenförmige Wachstumsdefekte aufweisen und die durch den Abstäubungsvorgang zum Entfernen von Material nicht ent fernt werden. Solche Defekte führen zur Schwächung im Überzug, die dadurch nicht hinreichend behoben werden können, daß sie nachfolgend mit einem Überzugsmaterial einer höheren Qualität bedeckt werden. Die Defekte neigen dazu, sich in dem Material der höheren Qualität fortzu setzen, so daß sie noch an der Oberfläche erscheinen. Die Entfernungsgeschwindigkeit R muß daher groß genug sein, um die Ansammlung von Materialabscheidungen zu verhindern, die unter einem sehr spitzen Winkel einfallen.

Im allgemeinen wird die Entfernungsgeschwindigkeit R für eine vor- gegebene Abscheidungsgeschwindigkeit D empirisch bestimmt. Sie hängt von der Endqualität des gewünschten Überzugs ab. Wenn der Überzug für eine besondere Anwendungsform eine Mikro struktur mit zu vielen Öffnungen oder Furchen aufweist, wird die Entfernungsgeschwindigkeit dadurch vergrößert, daß die negative Substratvorspannung vergrößert wird. Wenn eine Mikrostruktur mit mehr Öffnungen ausreicht, kann die Entfernungsgeschwindigkeit verkleinert werden. Dadurch wird er möglicht, daß der Überzug schneller, d.h. während weni ger Umdrehungen abgeschieden wird. Es wurde herausge funden, daß CoCrAlY-Überzüge einer sehr hohen Qualität auf Stiften, die aus einer Speziallegierung bestehen, oder auf Turbinenteilen, die aus einer Speziallegierung bestehen, erhalten werden, wenn die Substratspannung V _s -50 Volt beträgt und wenn die Targetspannung V _t -2000 Volt beträgt. Durch diese Parameter wird eine Entfernungsgeschwindigkeit erzeugt, die in einem Bereich von 10 bis 20% liegt. Höhere Überzüge mit einer noch höheren Qualität, wie beispielsweise für optische Überzüge oder für Halbleiter überzüge, kann eine höhere Entfernungsgeschwindigkeit, beispiels weise von 25 bis 30%, angewendet werden.

Die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Verwendung mehrerer Targets kann auch bei diesem Beispiel angewendet werden. Die Entfernung von Material durch einen Abstäubungsvorgang wird gleichzeitig mit der Abscheidung ausgeführt. Die Abscheidung wird aber durch verschiedene Targets nacheinander, beispiels weise aufeinanderfolgend, ausgeführt.

Ausführungsbeispiel 3: Beschichten großer Oberflächen

Große Oberflächen können entweder durch das erfindungs gemäße Verfahren, bei dem die Abscheidung und die Ent fernung aufeinander erfolgen, oder durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Schritte gleich zeitig erfolgen, ausgeführt werden. Wie dies oben be reits angeführt wurde, kann eine Einrichtung verwendet werden, die derjenigen ähnlich ist, die in der US-PS 4 006 070 beschrieben ist, die aber dahingehend abgeändert ist, daß das Substrat negativ vorgespannt werden kann. Im Zusanunenhang mit dem Ausführungsbeispiel 3 wird im folgenden nur das Verfahren beschrieben, bei dem die Schritte aufeinanderfolgend ausgeführt werden.

In den Fig. 13a bis 13d ist ein großes planares Substrat 300 unter mehreren planaren Targets 302, 304 und 306 angeordnet. Der Betrieb der Aufstäubungseinrichtung wird in einer Weise eingeleitet, die bereits im Zusammenhang mit den vorangehenden Beispielen beschrieben wurde.

Beim ersten in der Fig. 13a dargestellten Schritt wird Material von jedem Target auf der Oberfläche des Sub strates abgeschieden, um erste Überzüge 308 und 310 mit einer nicht-gleichmäßigen Dicke abzuscheiden, die jeweils mittig zu seitlich voneinander beabstandeten Positionen P ₁ und P ₂ angeordnet sind. Der Mittelbereich 312 jedes Überzugs wird direkt unter jedem Target aus gebildet. Er ist relativ dick und weist eine hohe Qua lität auf, weil der Einfallswinkel des Flusses 314, der derartige Mittelbereiche bildet, nahezu senkrecht verläuft und wegen seiner Nähe zum nächsten Target. Unter dem Raum zwischen den Targets werden die Endberei che 316 jedes Überzugs fortschreitend dünner und bezüg lich der Qualität schlechter als die Mittelbereiche, weil der Einfallswinkel des Flusses 318, der diese End bereiche bewirkt, abnimmt (zunehmend spitzer wird), wo durch geometrische Abschattungen bewirkt werden. Die Größe des Flusses 318 der auf die Endbereiche einfällt, nimmt auch ab, wenn der Einfallswinkel abnimmt und wenn die Entfernung von den Targets zunimmt.

Beim nächsten Schritt wird die Abscheidung beendet und Überzugsmaterial wird gleichmäßig von der Substratober fläche durch Abstäuben entfernt. Nach dem Entfernen weist der Überzug im wesentlichen die in der Fig. 13b darge stellte Form auf. Die Dicke des Mittelbereiches 312 ist vermindert, während die Endbereiche 316 entfernt sind. Auf diese Weise sind die Abscheidungen der schlech teren Qualität, die Defekte enthalten, die durch geome trische Abschattungen bedingt sind, eliminiert oder we nigstens auf ein annehmbares Minimum für besondere An wendungsfälle vermindert.

Nach dem Schritt zum Entfernen von Material werden die Targets 302, 304 und 306 seitlich relativ zum Substrat zu einer Position Q ₁ verschoben, die zwischen den Posi tionen P ₁ und P ₂ liegt. Es wird dann wieder Material auf der Substratoberfläche abgeschieden, um zweite Über züge 318, 320 und 322 zu erzeugen, wie dies in der Fig. 13c dargestellt ist. Die Mittelbereiche 324 mit der höchsten Qualität der zweiten Überzüge lie gen unmittelbar unter den Targets und bedecken die Be reiche des Substrates, die durch den vorangehenden Schritt zum Entfernen der Endbereiche 316 freigelegt wurden. Die zweiten Überzüge weisen Endbereiche 326 auf, die auf den vorher abgeschiedenen Mittelbereichen 312 liegen.

Die Endbereiche 326 können, wie dies in der Fig. 13d dargestellt ist, durch Wiederholen des gleichmäßigen Ent fernungsschrittes beseitigt werden. Durch die Entfernung der Endbereiche 326 werden die Mittelbereiche 312 wieder freigelegt und wird die Dicke des Mittelbereichs 324 vermindert. Der sich ergebende Überzug bedeckt die ge samte Substratoberfläche bis zu einer nahezu gleichmä ßigen Tiefe und weist eine Mikrostruktur einer hohen Qualität auf.

Die Qualität des sich ergebenden Überzuges kann dadurch verbessert werden, daß mehr Material während jedes Schrittes zum Entfernen von Material entfernt wird und daß die Targets in seitlicher Richtung um kleinere Bereiche vor den nachfolgenden Abscheidungsschritten ver schoben werden.

Die Abscheidung, das Entfernen von Material und die seit liche fortschreitende Bewegung oder Schwingung der Targets können gleichzeitig erfolgen, um, wenn dies gewünscht wird, die diskreten Übergänge zwischen jedem Überzug zu vermei den oder zu vermindern.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie dies oben bereits erläutert wurde, haben Überzüge, die durch physikalische Dampfabscheidung erzeugt wurden, eine Anzahl von in hohem Maße wünschenswerten und nütz lichen Eigenschaften. Diese dem als abgeschiedenen Material eigene Charakteristiken beinhalten einen hohen Grad der Homogenität der Struktur und der Zusammensetzung, eine feine Korngrenze und eine sehr hohe Haftung zwischen dem Überzug und dem Substrat. Diese wünschenswerten Charakteristiken ergeben sich primär aus der Tatsache, daß bei einer derartigen Abscheidung direkt von einem Dampfzustand zu einem festen Zustand überge gangen wird, um Überzüge zu bilden, die eine nicht im Gleichgewicht befindliche Zusammensetzung oder Struktur aufweisen.

Durch bekannte Abscheidungsverfahren konnten Überzüge erzeugt werden, die durch geometrische Abschattung be dingte säulenförmige Wachstumsgrenzen und Grenzdefekte aufwiesen. Diese Defekte bewirken eine mit Öffnungen versehene, poröse oder gefurchte Mikrostruktur, wie sie in den Fig. 14c bis 14e dargestellt ist. Derartige De fekte stellen ebenfalls eine nicht im Gleichgewicht be findliche Charakteristik dar, obwohl diese unerwünscht ist. Bekannte Verfahren zur Verminderung von durch geo metrische Abschattungen bedingten Effekten, wie bei spielsweise die Hitzebehandlung oder die Drehung während der Abscheidung oder eine Kombination dieser Verfahren können derartige Defekte nicht beseitigen, wie dies in Fig. 18 dargestellt ist. Sie beeinträchtigen auch die wünschenswerten Charakteristiken der abgeschiedenen Überzüge.

Die Fig. 16, 16a, 16b, 17a und 17b zeigen durch Aufstäuben gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschiedene CoCrAlY Überzüge 350 und 360. Wenn sie ursprünglich bei etwa 700 °C abgeschieden werden, weisen die Überzüge 350 und 360 eine geschlossene, nicht-poröse Mikrostruktur entlang der gesamten Oberfläche des Stiftes auf.

In den Fig. 17a und 17b weist der Überzug 360 eine ge schlossene, nicht-poröse Mikrostruktur in allen Bereichen der dreidimensionalen Substratoberfläche auf, ohne daß er durch Hitze behandelt wurde. Die Mikrostruktur ist in allen Bereichen der Oberfläche der Schaufeln bzw. Schnei den frei von säulenförmigen Wachstumsdefekten. Die Korn größe beträgt im Durchschnitt weniger als etwa 1 µm im Durchmesser und 5 µm in der Länge. Die Größe der Klammer 362 beträgt etwa 5 µm. Die Mikrostruktur ist hinab bis zu einer durchschnittlichen Zweiphasen-Korngröße von etwa 1 µm Durchmesser homogen. Die Haftung des Überzugs am Substrat entspricht der Haftung von abgeschiedenen Überzügen. Der Überzug ist frei von Zerklüftungen oder Grenzdiffusionen, die sich aus einer thermischen oder mechanischen Behandlung ergeben. Für aufgestäubten Über züge ist die Haftfähigkeit gewöhnlich groß genug, so daß, wenn irgendeine Trennung zwischen dem Überzug und dem Substrat eintritt, sie nicht an dem Übergang 364 erfolgt. Vielmehr würde sie in einem schwächeren Bereich des Körpers des Substrates oder des Überzuges auf treten.

Der Überzug 350 der Fig. 16a und 16b wurde ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschieden.

Durch eine Hitzebehandlung des Stiftes bei 1050° C wer den jedoch die Korngröße und die Durchschnittslänge der den Grad der Homogenität anzeigenden Zweiphasen-Korn strukturen auf 10 µm im Durchmesser oder mehr vergrößer 05862 00070 552 001000280000000200012000285910575100040 0002003140611 00004 05743t, wie dies allgemein durch die 25 µm-Klammer 352 angezeigt ist. Die Haftfähigkeit des Überzugs am Substrat wird wahr scheinlich ebenso etwas vermindert als ein Ergebnis von durch die Hitzebehandlung am Übergang 354 bedingten Brüchen oder Grenzdiffusionen.

Ein nach bekannten Verfahren abgeschiedener Überzug wird einem gemäß der vorliegenden Erfindung abge schiedenen Überzug gegenübergestellt (Fig. 18 und 19). Der Stift der Fig. 18 wurde vor dem Sputtern geätzt, um den CoCrAlY-Überzug 370 mit einer möglichst sauberen Oberfläche 372 zu versehen. Durch diese Technik konnten die Lücken oder Adern 374 und damit verbundene säulen förmige Wachstumsstrukturen verringert werden und es konnte bewirkt werden, daß diese Lücken 374 senkrecht zur Substratoberfläche wuchsen. Sie konnten aber nicht eliminiert werden. Durch Sputtern wurde aus dem CoCrAlY Überzug ein oberster Überzug 376 aus Platin aufgebracht. Dann wurde der Stift durch Hitze bei einer Temperatur von 1050° C behandelt. Die Hitzebehandlung bewirkte, daß der Platinüberzug sich in einer ausreichenden Weise in seitlicher Richtung verteilte, um die Oberfläche des Überzuges zu verschließen. Er verschloß jedoch nicht die Lücken in der CoCrAlY-Schicht. Wenn die oberste Platinschicht sich während des Gebrauchs abnützt, kann die Schicht 370 die Oberfläche 372 nicht mehr vor korrosiven Mitteln schützen, die den Überzug durch die restlichen Lücken durchqueren können. Im Gegensatz dazu ist der gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschie dene, etwas dünnere, hitzebehandelte CoCrAlY-Überzug 380, der in der Fig. 19 dargestellt ist, völlig frei von Lücken. Selbst ohne eine obere Platinschicht bildet der Überzug 380 für die Oberfläche des Stiftes einen sehr länger andauernden Schutz als der Überzug 370.

Es ist auch ersichtlich, daß die Reinigung der Substrat oberfläche vor der Abscheidung nicht verantwortlich ist für die Beseitigung von säulenförmigen Wachstumsdefekten. Die Fig. 20 und 21 zeigen denselben Teil eines CoCrAlY Überzuges 390, der auf ein Substrat 392 einer Turbinen schaufel aufgebracht ist. Gemäß der Fig. 20 ist der Teil poliert. Gemäß der Fig. 21 wurde der Teil chemisch geätzt, um seine Mikrostruktur zu vergrößern. Die Oberfläche 392 der Turbinenschaufel wurde vor der Abscheidung weder gereinigt noch geätzt. Es verblieben daher viele Uneben heiten auf der Oberfläche, die bei der Abscheidung des Überzuges mit bekannten Techniken die Ausbildung eines säulenförmigen Wachstums fördern würden. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß der Überzug 390 frei von säulen förmigen Wachstumsdefekten ist. Die erfindungsgemäße Ab scheidung verhinderte ein Wachsen solcher Defekte trotz der schmutzigen Oberfläche.

Wie sich aus der Fig. 22 ergibt, sind Überzüge möglich, die eine noch größere Qualität aufweisen als die in den Fig. 16a, 16b, 17a und 17b dargestellten Überzüge. Die Fig. 22 zeigt einen Teil eines zylindrischen Stiftes, der bei etwa 500° C gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet und geätzt wurde, um die CoCrAlY-Mikrostruk tur zu vergrößern. Der Überzug 400 ist frei von irgend welchen durch geometrische Abschattungen bedingten säulen förmigen Wachstumsdefekten, Furchen oder Grobkörnigkeiten der Mikrostruktur. Die durchschnittliche Korngröße (etwa 0,1 µm) ist infolge der tieferen Abscheidungstempe ratur extrem klein. Überzüge dieser Qualität sind nicht nur im Zusammenhang mit metallurgischen Anwendungen, sondern auch bei Anwendungen auf optischen Gebieten oder auf Halbleitergebieten nützlich. Die Korngröße kann durch Verminderung der Abscheidungstemperatur, das Hin zufügen von Diffusionsverzögerern oder -hemmstoffen und andere bekannte Techniken zur Verminderung der Korngröße vermindert werden, ohne daß geometrische Wachstumsde fekte erzeugt werden.

Obwohl die dargestellten und beschriebenen Beispiele me tallische Überzüge betreffen, die auf Metallsubstraten abgeschieden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Sie ist in allen Bereichen anwendbar, in denen eine Abscheidung entlang einer Sicht linie verwendet wird. Sie ist insbesondere im Zusammen hang mit Techniken zur physikalischen Dampfabscheidung anwendbar, für die das Aufstäuben nur ein Beispiel ist. Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit all den zahlreichen Kombinationen von Materialien anwendbar, die als Substrat und Schichtmaterialien verwendet werden können. Die Erfindung ist daher bei jeder Anwendung der Abscheidung entlang einer Sehlinie nützlich, bei der es wünschenswert ist, durch geometrische Abschattung be dingte Defekte zu beschränken oder zu eliminieren, ohne daß die eigenen Qualitäten der abgeschiedenen Überzüge verschlechtert bzw. geopfert werden. Die vorliegende Er findung ist auch dort nützlich, wo nachfolgend eine Hitzebehandlung angewendet wird. Beispielsweise kann es wichtiger sein, innere Spannungen des Überzuges oder Substrates zu verringern, als die Charakteristiken des Überzuges so beizubehalten, wie sie bei der Abscheidung vorhanden waren. Die vorliegende Erfindung macht eine Hitzebehandlung vor der Abscheidung oder eine Abscheidung bei hohen Temperaturen als Mittel zur Beseitigung von durch geometrische Abschattungen bedingten Abscheidungs defekten unnötig. Derartige Defekte werden während des Abscheidungsprozesses selbst eliminiert.

Claims

1. Verfahren zum Abscheiden einer ersten Materialmenge auf der Oberfläche eines Substrates (22) von einer von der Oberfläche des Substrates (22) entfernten Quelle (24) entlang einer Sehlinie, bei dem von der Oberfläche des Substrates (22) Material wieder entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf einem ersten Bereich (R₁) der Oberfläche des Substrates (22) die erste Materialmenge mit einer ersten Abscheidungscharakteristik im wesentlichen fehlerfrei abgeschieden wird (Fig. 5a), daß
b) auf einem zweiten Bereich (R ₂) der Oberfläche des Substrates (22) eine zweite Materialmenge mit einer zweiten Abscheidungscharakteristik, die durch geometrische Abschattung an Unebenheiten (48, 48 a) entstehende säulenförmige Wachstumsdefekte (50, 50 a) enthält, abgeschieden wird (Fig. 5c), daß
c) die Dicke der zweiten Materialmenge kleiner ist als die Dicke der ersten Materialmenge, daß
d) von dem ersten (R ₁) und zweiten (R ₂) Bereich eine Teilmenge (A) der abgeschiedenen ersten und zweiten Materialmenge entfernt wird (Fig. 6a, c), und daß
e) die Dicke der entfernten Teilmenge (A) kleiner als die Dicke der ersten Materialmenge und höchstens so groß wie die Dicke der zweiten Materialmenge ist, so daß die säulenförmigen Wachstumsdefekte (50, 50 a) des zweiten Bereiches (R ₂) verringert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem dritten Bereich (R ₃) der Oberfläche des Substrates (22) eine dritte Materialmenge mit einer dritten Abscheidungscharakteristik, die weniger durch geometrische Abschattung an Unebenheiten (54) entstehende säulenförmige Defekte (56) enthält als die zweite Materiaimenge, abgeschieden wird, daß die Dicke der dritten Materialmenge kleiner ais die Dicke der ersten Materialmenge und größer als die Dicke der zweiten Materialmenge ist (Fig. 5b), daß die Teilmenge (A) auch von der dritten Materialmenge entfernt wird, und daß die Dicke der Teilmenge (A) nicht kleiner ist als dle Dicke der etwa auf dem zweiten Bereich (R ₂) abgeschiedenen zweiten Materialmenge.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilmenge (A) nicht kleiner ist als die Dicke der dritten Materialmenge, so daß im wesentlichen alle säulenförmigen Defekte des zweiten (R ₂) und dritten (R ₃) Bereiches entfernt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilmenge (A) kleiner ist als die Dicke der dritten Materialmenge, so daß ein Teil der dritten Materialmenge auf dem dritten Bereich (R ₃) bestehen bleibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, durch gekennzeichnet, daß von einer Quelle abgeschieden wird, die sich in bezug auf das Substrat (22) in einer anderen Position derart befindet, daß von ihr eine Materialmenge mit der ersten Abscheidungscharakteristik auf dem zweiten Bereich (R ₂) abgeschieden wird (Fig. 7a-c).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (a, b und d) aufein anderfolgend ausgeführt werden, die Position des Sub strats (22) in bezug auf die Quelle (24) verändert wird und die Schritte (a, b und d) aufeinanderfolgend wiederholt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Teilmenge (A) gleichzeitig mit der Abscheidung der ersten und zweiten Materialmenge ausgeführt wird, daß die erste Materialmenge mit einer ersten Abscheidungsgeschwindig keit abgeschieden wird, da die zweite Materialmenge mit einer zweiten Abscheidungsgeschwindigkeit abgeschie den wird und daß die Teilmenge mit einer Geschwindig keit entfernt wird, die kleiner ist als die erste Abscheidungsgeschwindigkeit und die ausreicht, zu ver hindern, daß sich Material in dem zweiten Bereich (R ₂) ansammelt, aber nicht ausreicht zu verhindern, daß sich Material in dem ersten Bereich (R ₁) ansammelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Substrats (22) in bezug auf die Quelle (24) gleichzeitig verändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (R ₁) und zweite (R ₂) Bereich teilweise üherlappen und daß die entfernte Teil menge (A) so eingestellt wird, daß im wesentlichen die zweite Materialmenge entfernt wird, bevor sie durch die erste Materialmenge überdeckt wird, so daß sich an den Stellen, an denen der erste (R ₁) und zweite (R ₂) Bereich überlappen, nur eine erste Materialmenge ansammelt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (24) zwei Teil quellen aufweist, die entlang der Oberfläche des Substrats (22) voneinander oder aufeinanderfolgend emittiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meterialmenge auf dem ersten Bereich (R ₁) unter einem ersten Winkel (α ₁) zwischen der Oberflächentangente des Substrats (22) und der Flußrichtung abgeschieden wird, daß die zweite Materialmenge auf dem zweiten Bereich (R ₂) unter einem zweiten Winkel (α ₂) zwischen der Oberflächentangente des Substrats (22) und der Flußrichtung abgeschieden wird, wobei der zweite Winkel (α ₂) kleiner als der erste Winkel (α ₁) ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Winkel bei ungefähr 90° gehalten wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmengen durch eine Abstäubungsoperation aufgetragen werden und daß die Teilmenge (A) durch eine weitere Abstäubungsoperation entfernt wird.