CH693035A5

CH693035A5 - Manufacture of metal-coating target from single-phase metal alloy involves casting the target or pulverizing intermetallic alloy compound and molding target thermomechanically

Info

Publication number: CH693035A5
Application number: CH02889/97A
Authority: CH
Inventors: Hans Braendle; Erich Bergmann
Original assignee: Unaxis Balzers Ag
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 2003-01-31

Abstract

The target (2, 3) is cast, or an intermetallic alloy compound is pulverized and the target is molded thermomechanically.

Description

       

  



  Die vorliegende Erfindung betrifft,
 - nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Targets aus einer Metall-Legierung, wobei die Legierung im Target im Wesentlichen in einer einzigen Phase vorliegt;
 - nach Anspruch 4, ein nach dem erwähnten Verfahren hergestelltes Target;
 - nach Anspruch 5, eine Verwendung des Targets. 



  Definition; Unter dem Begriff "Phase" ist im Folgenden "kristallografische Phase" zu verstehen. 



  Oxide von Metall-Legierungen werden üblicherweise durch reaktives Sputterbeschichten, Elektronenstrahl-Verdampfungsbeschichten, ion plating oder durch CVD-Verfahren als Beschichtungen abgeschieden. Versucht man, Oxide von Metall-Legierungen mit kathodischer Bogenverdampfung abzuscheiden, so ergeben sich zahlreiche Probleme. Es gelingt nicht, die Bewegung des oder der Kathodenpunkte mit den bekannten Mitteln, wie mit Magnetfeldern, zu kontrollieren, wie dies bei der Beschichtungsabscheidung von reinen Metall-Legierungen und von leitenden Nitriden gelingt. Grund hierfür ist die bekannte starke Änderung der Sekundärelektronenemission mit Änderung der Targetoberflächen-Oxidation, die zu einer Hysterese des Kathodenoberflächen-Zustandes führt. 



  Im Weiteren sind die genannten Probleme bei der Legierungs-Oxid-Beschichtung auch gekennzeichnet durch Festbrennen der Bogen an gewissen Targetstellen, was zu erhöhter Spritzeremis sion führt, die zu stöchiometrisch unkontrollierter, ja gar metallischer Spritzerablagerung führt. 



  Es besteht ein grosses fertigungstechnisches Interesse an Verfahren für das Beschichten von Werkstücken mit Schichten von isolierenden Legierungsoxiden, insbesondere von stöchiometrischen, da diese, wie beispielsweise aus der EP-A-0 513 662, entsprechend der US-PS 5 310 607 derselben Anmelderin, bekannt, hohe Härten aufweisen. 



  Gemäss diesen Schriften werden Hartstoffschichten vorgeschlagen, welche im Wesentlichen durch Legierungsmischkristall-Oxide, im Speziellen durch (Al,Cr)2O3 gebildet sind. 



  Aus der reaktiven Kathodenzerstäubungstechnik ist es bekannt, die Vergiftung des metallischen Targets mit nichtleitenden Reaktionsproduktschichten, insbesondere hier interessierend, mit elektrisch isolierenden Oxidschichten, durch eine Reaktivgasregelung zu kontrollieren. Bei kathodischer Bogenverdampfung hat sich ein solches Vorgehen als kontraproduktiv herausgestellt. Ein Absenken des Sauerstoff-Partialdruckes und damit eine Prozessführung hin gegen den metallischen Mode erhöht nämlich beim Bogenentladungsverdampfen die Einbrenngefahr und damit die Gefahr von Spritzeremissionen und die Sprunghaftigkeit der Brennfleck- bzw. Kathodenfusspunkt-Bewegung über grosse Sprungdistanzen an der Targetoberfläche. 



  Beim kathodischen reaktiven Bogenverdampfen zur Herstellung von Nitridbeschichtungen wird das Arbeiten in einer Atmosphäre mit Stickstoffüberfluss empfohlen. Überträgt man diese Idee auf die Oxidbeschichtung der hier primär interessierenden Art, nämlich primär auf Legierungs-Oxid-Beschichtungen, aber auch genereller auf Bogenverdampfungsbeschichten mit isolierenden Schichten, wie z.B. mit nicht leitenden Metalloxidschichten, so führt dies nicht zum Erfolg, da bei einer Oxidbelegung des Targets bzw. Belegung mit nicht leitender Schicht die Bogenentladung häufig zusammenbricht und auf Grund der Vergiftungsisolation durch die bekannten Zündmechanismen nicht mehr zuverlässig zu zünden ist. 



  Bestehen die erwähnten Probleme schon beim Beschichten von Werkstücken mit Oxiden reiner Metalle mittels kathodischer Bogenverdampfung, so sind die Probleme noch wesentlich ausgeprägter, wenn Oxide von Metallegierungen bogenverdampft werden sollen. Die Verschärfung der Probleme bei Legierungsverdampfen gegenüber Metallverdampfen an sich sind auch aus der Nitridbeschichtungstechnik bekannt. Hierzu sei verwiesen auf O. Knotek, F. Löffler, H.-J. Scholl; Surf. & Coat. Techn. 45 (1991) 53. 



  Grundsätzlich wäre der Einsatz des kathodischen Bogenverdampfens für die Herstellung insbeson-dere von Metalloxidschichten und insbesondere   von Schichten von Legierungsoxiden ausserordentlich wünschenswert, u.a. weil das kathodische Bogenverdampfen wirtschaftlich zu hohen Beschichtungsraten führt. Grundsätzlich wäre auch eine Verbesserung der Prozessstabilisierung von reaktiven Bogenverdampfungs-Beschichtungsprozessen mit isolierenden Schichten wünschenswert. 



  Es ist erwünscht zu ermöglichen, Werkstücke insbesondere mit Metalloxiden und insbesondere auch mit Oxiden von Metall-Legierungen, aber auch generell mit isolierenden Schichten ab elektrisch leitenden Targets, stöchiometrisch kontrolliert, zu beschichten, und dies unter Ausnützung der dem kathodischen Bogenverdampfen eigenen Vorteile, wie z.B. seiner hohen Beschichtungsrate. 



  Die vorliegende Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, ein Verfahren vorzuschlagen, Targets aus einer Metall-Legierung herzustellen, wobei die Legierung im Target im Wesentlichen in einer einzigen Phase vorliegt. 



  Ein solches Verfahren zeichnet sich nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aus. 



  Überraschenderweise ergibt sich nämlich, dass durch den Einsatz einphasiger Targets, im Gegensatz zu mehrphasigen, sich die Kathodenfusspunkte auf dem Target sehr viel regelmässiger bewegen, wodurch Einbrennen gänzlich vermieden wird und wodurch die Spritzerdichte drastisch reduziert wird. 



  Obwohl in einigen Fällen eine beschränkte Menge anderer Phasen im Target nicht störend ist, sollte ihr Anteil 30% bzw. vorzugsweise 10% nicht übersteigen. 



  Wie nachfolgend noch anhand der Beispiele erläutert werden wird, hat sich weiter gezeigt, dass sich generell das Kathodenpunktverhalten beim reaktiven Bogenverdampfen elektrisch leitender Targets, insbesondere von Metalltargets, und Ablegen eines elektrisch isolierenden Reaktionsproduktes als Schicht in zwei charakteristische Bereiche unterteilen lässt. Es kann generell ein Bereich mit relativ geringem Reaktivgas-Partialdruck und einigen wenigen Kathodenpunkten, welche relativ grossflächig über die Kathoden- bzw. Targetoberfläche springen, und ein zweiter Bereich relativ hohen Reaktivgas-Partialdruckes klar unterschieden werden, bei welchem viele Kathodenpunkte sich wesentlich schneller und/oder kleinräumiger auf der Kathoden- bzw. Targetoberfläche bewegen. 



  Dem Wortlaut von Anspruch 2 folgend, hat sich bis zum heutigen Zeitpunkt insbesondere die Anwendung der vorerwähnten Verfahren auf Aluminium/Chromlegierungen ausgezeichnet bewährt. 



  Gemäss Wortlaut von Anspruch 3 wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Legierung mit mindestens 5at% Chrom, vorzugsweise mit 10 bis 50at% Chrom erstellt, welch letztere sich, gemäss der vorerwähnten EP-A-0 513 662, von ihren Schichteigenschaften her betrachtet, ausgezeichnet für die Beschichtung mit einer Hartstoffschicht beispielsweise von spanabhebenden Werkzeugen eignet. 



  Die erfindungsgemässe Verwendung zeichnet sich nach dem Kennzeichen von Anspruch 5 aus, bevorzugte Ausführungsformen nach den Ansprüchen 6 bis 10. 



  Die Haftung einer Metall-Legierungs-Oxidschicht, insbesondere einer (Al,Cr)2O3-Schicht, wird auf Hartmetall- oder Keramikkörpern, wie sie für den Einsatz von spanabhebenden Werkzeugen eingesetzt werden, wesentlich erhöht und reproduzierbarer, wenn eine metallische Zwischenschicht eingesetzt wird. Es wird bevorzugterweise eine metallische Zwischenschicht einer Metall/Chromlegierung nichtreaktiv, aber mit kathodischem Bogenverdampfen auf das Werkstück abgelegt, wobei auch hier ein Target eingesetzt wird, woran die Metall/Chromlegierung, mindestens vornehmlich, in einer einzigen Phase vorliegt. 



  Die Schichtabfolge wird im selben Beschichtungsrezipienten durch sequentielles Aufschalten der Bogenentladung auf die im Allgemeinen unterschiedlichen Targets erzeugt, wobei für das Abscheiden der Metall-Legierungs-Oxidschicht das Reaktivgas Sauerstoff in die Behandlungsatmosphäre eingelassen wird. 



  Wie erwähnt wurde, wird das Ablegen nicht leitender Metall-Legierungs-Oxidschichten im Sinne einer Prozessstabilisierung dadurch wesentlich erleichtert, dass der oben erwähnte "Viel- Brennpunktbereich" ausgenützt wird. 



  Dieser Bereich wird für Beschichtungsverfahren ausgenützt, bei denen elektrisch leitende Targets in einer Reaktivgasatmosphäre bogenentladungsverdampft werden und eine Beschichtung abgelegt wird aus einem Reaktionsprodukt, welches elektrisch nicht oder zumindest schlechter leitet als das verdampfte Targetmaterial. 



  Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Beispielen und Figuren erläutert. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine Beschichtungsanlage, schematisch; 
   Fig. 2 qualitativ die Abhängigkeiten von Brennspannung UB und Sauerstoff-Partialdruck po2 vom Sauerstoff-Massefluss ._mo2 bzw. Axial-Magnetfeld B. 
 


 1. Verwendete Anlagenkonfiguration 
 



  In Fig. 1 bedeutet 1 eine zylindrische Vakuumbeschichtungskammer, welche durch die Pumpöffnung 23 evakuiert werden kann. Darin angeordnet sind die Kathoden 2 und 3, die in Form von Scheiben am Deckel und Boden der Anlage mittels Isolatoren elektrisch isoliert befestigt sind. Sie sind je mit einer Kühltasche 2 min  bzw. 3 min  ausgestattet, um durch ein zirkulierendes Kühlmittel die anfallende Verlustwärme abführen zu können. Jede der beiden Kathoden ist mit dem negativen Pol der Strom quelle 18 verbunden, deren positiver Pol je an eine der die beiden Kathoden umgebenden ringförmigen (also als Anoden geschalteten) Scheiben 4 geführt ist, welche die Elektronen aus der Gasentladung wieder abführen. 



  Vorteilhafterweise ist jede Kathode ausserdem mit einem sogenannten Zündfinger 15 (nur derjenige für die obere Kathode ist gezeichnet) ausgerüstet, welcher mittels einer vakuumdicht durch die Kammerwand hindurchgeführten Betätigungsvorrichtung 16 in Pfeilrichtung bewegt werden kann, sodass man die Kathode mit dem Zündfinger berühren oder diesen von ihr entfernen kann. Der dabei fliessende Strom wird durch einen Widerstand 17 auf einige 10 A begrenzt. Der beim Abheben des Zündfingers von der Kathode entstehende unterbrechungsfunke entwickelt sich dann zum ersten der für die Verdampfung benötigten Kathodenpunkte. 



  Die beiden Kathoden 2 und 3 sind mit je einem zylinderförmigen, isoliert montierten Blech 19 umgeben, die ein Abwandern der Kathodenpunkte an die zylindrische Seitenwand der Kathode verhindern und so die Bewegung derselben auf die Stirnfläche der Kathoden beschränken. 



  Weiter sind Spulen 13 und 14 vorhanden - sie können als Helmholtz-Paar geschaltet sein - welche bewirken, dass schon bei kleiner Feldstärke von etwa 10 Gauss ein Erhöhen der Plasmadichte und ein Erhöhen der gegenseitigen Beschichtungsrate der beiden Kathoden bei konstantem Bogenstrom eintritt. 



  In der Beschichtungskammer sind ferner Substrathalter 5 drehbar angeordnet, welche mit einem Antrieb 6 verbunden sind, um so durch eine Rotationsbewegung eine gleichmässigere Beschichtung zu erhalten. An den Substrathaltern 5 sind die Einzelhalter 8 bis 12 befestigt. 


 2. Auswirkungen der Targetausbildung 
 



  Durch Heissschmieden wurde ein Target A mit dem Durchmesser 240 mm und einer Dicke von 20 mm aus einem Pulvergemisch hergestellt. Das Pulver setzte sich aus elementarem Al und elementarem Cr in einem Mischungsverhältnis von 55 Gew.-% Al zu 45 Gew.-% Cr zusammen. Nach mechanischer Nachbearbeitung der Target-Oberfläche war diese regelmässig durchsetzt mit kleinen Ausbrüchen in Grössenordnung einiger zehntel mm. Ein kleiner Abschnitt des so hergestellten Targetmaterials wurde abgetrennt. Seine Phasenzusammensetzung wurde mit einem Röntgendiffraktometer bestimmt. Das Spektrum entsprach einer Überlagerung des Spektrums der kubisch flächenzentrierten Phase des Aluminiums und der kubisch raumzentrierten Phase des Chroms. 



  Nun wurde Target B mit den gleichen Massen wie Target A ebenfalls durch Heissschmieden hergestellt, diesmal aber aus einem Pulver einer Legierung. Die Legierung setzte sich aus 55 Gew.-% Al und 45 Gew.-% Cr zusammen und wurde vorgängig durch Vakuumschmelzen hergestellt und unter Schutzgas auf eine Korngrösse einiger zehntel mm gemahlen. Danach wurde dieses Pulver heiss isostatisch gepresst. Ein kleiner Abschnitt des so hergestellten Targetmaterials wurde abgetrennt. Seine Phasenzusammensetzung wurde mit einem Röntgendiffraktometer bestimmt. Das Spektrum entsprach einer Mischung von  gamma -Phasen, wie sie für Al-Cr-Legierungen charakteristisch ist (s. M. Hansen: Constitution of binary alloys, McGrawhill 1958). 



  An einer Anlage gemäss Fig. 1, jedoch nur mit einer einzigen Kathode, wurden nacheinander die Targets A und B eingebaut. Als Anode 4 diente dabei ein Kupferring, etwas grösser als die Kathode bemessen und diesbezüglich konzentrisch angeordnet. Es wurden folgende Entladungsbedingungen gewählt: 
 Bogenstrom: 400 A
 Totaldruck: 2 . 10<-><3> mbar Argon 



  Mithilfe der Magnetspulen 13 wurde ein Magnetfeld über der Targetoberfläche angelegt, das im Wesentlichen radial nach aussen verläuft, wie in Fig. 1 bei B dargestellt. 


 Es wurde Folgendes festgestellt: 
 



  Bei Target A, also dem zweiphasigen Target, brannten sich die Kathodenfusspunkte in Abständen von einigen Sekunden jeweils für ungefähr 1 sec, manchmal sogar wesentlich länger, an einer Stelle der Targetoberfläche fest. Dauerte die Verweilzeit eines Kathodenfusspunktes über ca. 5 sec, wurde der Prozess manuell abgebrochen, um eine starke lokale Überhitzung des Targets zu vermeiden. Mittels einer Spiegelreflexkamera wurde die Bewegung der Kathodenfusspunkte als Funktion der Kameraverschlusszeit festgehalten. Bei Verschlusszeiten von 1/15 sec und länger waren im Mittel fünf Kathodenfusspunkte sichtbar. Die mittlere Geschwindigkeit derjenigen Kathodenfusspunkte, die sich nicht an einer Stelle festsetzten, betrug nur ca. 1 m/sec. 



  Nach einer Betriebsdauer von ca. einer Stunde war der Boden der Anlage im Bereich C gemäss Fig. 1 übersät von erstarrten Teilen aus Targetmaterial. Die maximale Grösse dieser Auswürfe war ca. 2 mm. Zudem wies Target A eine sehr poröse Oberfläche auf; eine nachträgliche REM-Analyse zeigte immer noch eine zweiphasige Oberfläche. 



  Bei Target B war das Festbrennen der Kathodenfusspunkte für maximal einige zehntel Sekunden selten, d.h. höchstens alle 5 min einmal. Die Brennpunktbewegung war also wesentlich gleichförmiger als bei Target A und auch wesentlich schneller. 



  Die Geschwindigkeit der Kathodenfusspunkte bzw. Brennpunkte konnte mit der zur Verfügung stehenden Kameraverschlusszeit von max. 1/60 sec nicht bestimmt werden. Die Geschwindigkeit liegt vermutlich im Bereiche von 10 bis 100 m/sec. Nach dem Betrieb von ungefähr einer Stunde zeigte Target B keine unregelmässige Oberflächenstruktur, und im Bereiche C der Anlage waren Spritzer kaum erkennbar. 


 Folgerung: 
 



  Bereits ohne Führung des Bogenverdampfungsprozesses in Reaktivgasatmosphäre ergibt sich, für Verdampfen von Metall-Legierungen, dass sich von einem einphasigen Target wesentlich besseres Kathodenpunktverhalten ergibt als bei Verdampfen eines zwei- oder mehrphasigen Targets. 



  Somit wurden im Weiteren die Versuche mit einphasigen Legierungstargets weitergeführt. 


 3. Einfluss der Prozessführung 
 



  Die Anlage gemäss Fig. 1, jedoch nur mit einer Kathode, wurde mit einem Target gemäss B mit Durchmesser 250 mm bestückt. Folgende Betriebsbedingungen wurden eingestellt: 
<tb><TABLE> Columns=2 
<tb>Head Col 1: Bogenstrom: 
<tb>Head Col 2: 150 A
<tb><SEP>Argondruck:<SEP>0,18 . 10<-><3> mbar
<tb><SEP>Magnetfeld gemäss B von Fig. 1:<CEL AL=L>ca. 40 Gauss. 
<tb></TABLE> 


 Sauerstofffluss-Abhängigkeit 
 



  In Fig. 2 ist qualitativ die Abhängigkeit der Bogenbrennspannung UB von dem in die Anlage gemäss Fig. 1 pro Zeiteinheit eingelassenen Sauerstoff-Massefluss ._mo2 dargestellt, ebenso wie die Abhängigkeit des Sauerstoff-Partialdruckes p02, Letztere strichpunktiert dargestellt. Bis zu einem kritischen Fluss f1 bleibt die Brennspannung UB konstant. Bei den gewählten Bedingungen betrug sie 38 V. Bei weiterer Erhöhung des Flusses ._mo2 steigt die Bogenspannung UB stetig an. Bei einem zweiten kritischen Fluss f2 erlischt die Entladung, und es stellt sich die Leerlaufspannung des Generators ein, entsprechend UBO, im vorliegenden Falle von 60 V. 



  Da der Gesamtdruck, welcher im Wesentlichen die Summe des unveränderten Argondruckes und des Sauerstoff-Partialdruckes p02 ist, bleibt Letzterer bis zum kritischen Fluss f1 konstant, mithin auch der Sauerstoff-Partialdruck p02. Dabei ist der Sauerstoff-Partialdruck p02 verschwindend klein. Über dem kritischen Fluss f1 steigt auch der Sauerstoff-Partialdruck stetig an und betrug im vorliegenden Falle beim kritischen Fluss f2 0,6 . 10<-><3> mbar. 



  Beobachtung der Bogenentladung ergibt einen wesentlichen Unterschied im Bereich I, unterhalb des kritischen Flusses f1, und II, oberhalb des erwähnten kritischen Flusses f1: Bis zu f1 ist die Entladung charakterisiert von wenigen, d.h. zwei bis fünf, selten und relativ langsam springenden Kathodenpunkten auf der Targetoberfläche, ein Verhalten, wie es für Metall-oder Nitrid-Targets typisch ist. Im Bereich II geht die Entladung in ein feines und zunehmend feiner werdendes Netzwerk einer grossen und grösser werdenden Zahl von etwa 40 bis 100 Kathodenpunkten über, die sich sehr viel schneller auf der Targetoberfläche bewegen. 



  Durch den Betrieb des reaktiven Bogenentladungs-Verdampfungsprozesses im Bereich II, und insbesondere möglichst nahe am kritischen Punkt entsprechend f2, wird eine homogene, spritzerfreie Aluminium/Chromoxid-Beschichtung erzielt. Der Betrieb des Prozesses entsprechend dem Punkt P von Fig. 2 möglichst nahe dem kritischen Punkte f2 bedingt aber eine geregelte Arbeitspunktstabilisierung. Werden die Bedingungen bezüglich Naheliegens von P am kritischen Wert f2 gelockert, kann in gewissen Fällen eine Steuerung des Prozessarbeitspunktes P genügen. 


 Magnetfeldabhängigkeit 
 



  Mit derselben Anordnung wurde auch der Einfluss des Magnetfeldes B untersucht. Grundsätzlich handelt es sich dabei um ein axiales Magnetfeld, dessen Flusslinien zur Targetoberfläche senkrecht stehen. Mit zunehmendem Magnetfeld B steigt die Bogenspannung UB, sodass in Fig. 2 anstelle des Sauerstoff-Masseflusses ._mo2 auf der x-Achse bezüglich der Bogenspannung UB auch die Stärke des Magnetfeldes B abgetragen werden kann. Es resultiert dann wiederum die in Fig. 2 gezeigte qualitative Charakteristik bezüglich Brennspannung bei nun konstant gehaltenem Sauerstoff-Massefluss ._mo2. 



  Für die Prozessarbeitspunkt-Steuerung bzw. -Regelung ergeben sich nun daraus folgende Möglichkeiten:
 a) Es wird der Sauerstoff-Partialdruck p02 als beobachtete Grösse oder, in einem Regelkreis, als gemessene Regelgrösse erfasst und mindestens eine folgender Grössen im steuernden oder im regelnden Sinne gestellt:
 - Massefluss ._mo2 des Sauerstoffes,
 - Brennspannung UB,
 - Feldstärke B.
 b) Es wird die Brennspannung UB beobachtet oder als gemessene Regelgrösse aufgenommen und mindestens eine der fol genden Grössen in steuerndem oder regelndem Sinne gestellt:
 - Massefluss ._mo2
 - Feldstärke des Feldes B.
 c) Es wird das Frequenzspektrum S omega  des Bogenstromes IB gemäss Fig. 1 analysiert, beispielsweise die Amplitude einer Stromspektrallinie bei gegebener Frequenz.

   Weil sich die Kathodenpunktbewegungen und insbesondere deren Sprunghäufigkeit und -geschwindigkeit im Frequenzspektrum des Entladungsstromes widerspiegeln, ergibt beispielsweise die Überwachung der Amplitude einer Frequenzspektrumslinie im genannten Stromspektrum darüber Auskunft, wie häufig die Kathodenpunkte mit der der erwähnten Spektrallinie entsprechenden Häufigkeit springen. Um das Kathodenpunktverhalten zu stellen, sodass Kathodenpunkte mit der genannten der überwachten Frequenz entsprechenden Häufigkeit springen, wird wiederum mindestens eine der Grössen
 - Brennspannung,
 - Sauerstofffluss,
 - Magnetfeldstärke
 gestellt. 



  Wie erwähnt wurde, werden optimale Prozessbedingungen erreicht, wenn der Prozessarbeitspunkt P gemäss Fig. 2 möglichst nahe an der dem kritischen Sauerstofffluss f2 entsprechenden Kippstelle eingestellt wird.



  



  The present invention relates to
 - According to the preamble of claim 1, a method for producing a target from a metal alloy, the alloy being present in the target essentially in a single phase;
 - according to claim 4, a target produced by said method;
 - According to claim 5, use of the target.



  Definition; In the following, the term “phase” is to be understood as “crystallographic phase”.



  Oxides of metal alloys are usually deposited as coatings by reactive sputter coating, electron beam evaporation coating, ion plating or by CVD processes. Attempting to separate oxides from metal alloys with cathodic arc evaporation leads to numerous problems. It is not possible to control the movement of the cathode point (s) with the known means, such as with magnetic fields, as is possible with the coating deposition of pure metal alloys and of conductive nitrides. The reason for this is the known strong change in the secondary electron emission with a change in the target surface oxidation, which leads to a hysteresis of the cathode surface state.



  Furthermore, the problems mentioned in the alloy-oxide coating are also characterized by the sheets sticking to certain target locations, which leads to increased spray emission, which leads to stoichiometrically uncontrolled, even metallic, spray deposits.



  There is great manufacturing interest in methods for coating workpieces with layers of insulating alloy oxides, in particular stoichiometric ones, since these are known, for example from EP-A-0 513 662, corresponding to US Pat. No. 5,310,607 by the same applicant , have high hardness.



  According to these documents, hard material layers are proposed which are essentially formed by alloy mixed crystal oxides, in particular by (Al, Cr) 2O3.



  It is known from reactive cathode sputtering technology to control the poisoning of the metallic target with non-conductive reaction product layers, in particular here of interest, with electrically insulating oxide layers, by means of a reactive gas control. In the case of cathodic arc evaporation, such a procedure has proven to be counterproductive. A lowering of the oxygen partial pressure and thus a process control against the metallic fashion increases the risk of burn-in during arc discharge evaporation and thus the risk of splash emissions and the volatility of the focal spot or cathode base movement over large jump distances on the target surface.



  When using cathodic reactive arc evaporation to produce nitride coatings, working in an atmosphere with an excess of nitrogen is recommended. If one transfers this idea to the oxide coating of the type of primary interest here, namely primarily to alloy-oxide coatings, but also more generally to arc evaporation coatings with insulating layers, e.g. with non-conductive metal oxide layers, this does not lead to success, since if the target is coated with oxide or coated with a non-conductive layer, the arc often breaks down and can no longer be reliably ignited due to the poisoning insulation by the known ignition mechanisms.



  If the problems mentioned already exist when coating workpieces with oxides of pure metals by means of cathodic arc evaporation, the problems are even more pronounced if oxides of metal alloys are to be vaporized by arc. The exacerbation of problems with alloy evaporation compared to metal evaporation per se is also known from nitride coating technology. Please refer to O. Knotek, F. Löffler, H.-J. Scholl; Surf. & Coat. Techn. 45 (1991) 53.



  In principle, the use of cathodic arc evaporation for the production of metal oxide layers in particular, and especially layers of alloy oxides, would be extremely desirable, among other things. because cathodic arc evaporation economically leads to high coating rates. In principle, it would also be desirable to improve the process stabilization of reactive arc vapor deposition coating processes with insulating layers.



  It is desirable to enable workpieces to be coated in a stoichiometrically controlled manner, in particular with metal oxides and in particular also with oxides of metal alloys, but also generally with insulating layers from electrically conductive targets, and this taking advantage of the advantages inherent in cathodic arc evaporation, e.g. its high coating rate.



  The object of the present invention is now to propose a method for producing targets from a metal alloy, the alloy being present in the target essentially in a single phase.



  Such a method is characterized in accordance with the characterizing part of claim 1.



  Surprisingly, it turns out that the use of single-phase targets, in contrast to multi-phase ones, means that the cathode base points on the target move much more regularly, as a result of which baking is completely avoided and the spatter density is drastically reduced.



  Although in some cases a limited amount of other phases in the target is not disturbing, their proportion should not exceed 30% or preferably 10%.



  As will be explained below with reference to the examples, it has further been shown that the cathode point behavior during reactive arc evaporation of electrically conductive targets, in particular metal targets, and depositing an electrically insulating reaction product as a layer can be divided into two characteristic areas. In general, a region with a relatively low reactive gas partial pressure and a few cathode points, which jump over the cathode or target surface over a relatively large area, and a second region with a relatively high reactive gas partial pressure, in which many cathode points are much faster and / or move smaller on the cathode or target surface.



  Following the wording of claim 2, the use of the above-mentioned processes on aluminum / chromium alloys has proven particularly successful up to the present time.



  According to the wording of claim 3, in a preferred embodiment, the alloy is produced with at least 5% chromium, preferably with 10 to 50% chromium, which, according to the aforementioned EP-A-0 513 662, is excellent for its layer properties the coating with a hard material layer, for example of cutting tools, is suitable.



  The use according to the invention is characterized by the characterizing part of claim 5, preferred embodiments according to claims 6 to 10.



  The adhesion of a metal alloy oxide layer, in particular an (Al, Cr) 2O3 layer, is significantly increased and more reproducible on hard metal or ceramic bodies, such as are used for the use of cutting tools, if a metallic intermediate layer is used. A metallic intermediate layer of a metal / chromium alloy is preferably deposited on the workpiece in a non-reactive manner, but with cathodic arc evaporation, a target also being used here, on which the metal / chromium alloy is present, at least primarily, in a single phase.



  The layer sequence is generated in the same coating recipient by sequentially switching the arc discharge onto the generally different targets, the reactive gas oxygen being let into the treatment atmosphere for the deposition of the metal alloy oxide layer.



  As has been mentioned, the deposition of non-conductive metal alloy oxide layers in the sense of process stabilization is made considerably easier by the fact that the above-mentioned “multi-focus area” is used.



  This area is used for coating processes in which electrically conductive targets are arc-vaporized in a reactive gas atmosphere and a coating is deposited from a reaction product which does not conduct electrically or at least poorly than the evaporated target material.



  The invention is subsequently explained, for example, using examples and figures.



  Show it:
 
   1 shows a coating system, schematically;
   2 qualitatively shows the dependencies between the operating voltage UB and the oxygen partial pressure po2 on the oxygen mass flow ._mo2 or the axial magnetic field B.
 


 1. Plant configuration used
 



  In Fig. 1, 1 means a cylindrical vacuum coating chamber which can be evacuated through the pump opening 23. Arranged therein are the cathodes 2 and 3, which are fastened in the form of disks to the lid and bottom of the system in an electrically insulated manner by means of insulators. They are each equipped with a cooling bag for 2 minutes or 3 minutes in order to be able to dissipate the heat generated by a circulating coolant. Each of the two cathodes is connected to the negative pole of the current source 18, the positive pole of which is guided to one of the ring-shaped disks 4 surrounding the two cathodes (that is, switched as anodes), which remove the electrons from the gas discharge again.



  Each cathode is also advantageously equipped with a so-called ignition finger 15 (only the one for the upper cathode is shown), which can be moved in the direction of the arrow by means of an actuating device 16 which is guided through the chamber wall in a vacuum-tight manner, so that one touches the cathode with or from the ignition finger can remove. The current flowing is limited to a few 10 A by a resistor 17. The interrupt spark which arises when the ignition finger is lifted off the cathode then develops into the first of the cathode points required for the evaporation.



  The two cathodes 2 and 3 are each surrounded by a cylindrical, insulated sheet 19, which prevent the cathode points from migrating to the cylindrical side wall of the cathode and thus restrict their movement to the end face of the cathodes.



  Coils 13 and 14 are also present - they can be connected as a Helmholtz pair - which have the effect that an increase in the plasma density and an increase in the mutual coating rate of the two cathodes occurs at a constant arc current even with a small field strength of approximately 10 gauss.



  Furthermore, substrate holders 5 are rotatably arranged in the coating chamber, which are connected to a drive 6, so as to obtain a more uniform coating by means of a rotational movement. The individual holders 8 to 12 are attached to the substrate holders 5.


 2. Effects of target training
 



  A target A with a diameter of 240 mm and a thickness of 20 mm was produced from a powder mixture by hot forging. The powder was composed of elemental Al and elemental Cr in a mixing ratio of 55% by weight Al to 45% by weight Cr. After the target surface had been mechanically reworked, it was regularly interspersed with small cutouts of the order of a few tenths of a mm. A small section of the target material so produced was separated. Its phase composition was determined with an X-ray diffractometer. The spectrum corresponded to a superimposition of the spectrum of the face-centered cubic phase of the aluminum and the body-centered cubic phase of the chrome.



  Now target B with the same mass as target A was also manufactured by hot forging, but this time from a powder of an alloy. The alloy was composed of 55% by weight of Al and 45% by weight of Cr and was previously produced by vacuum melting and ground to a grain size of a few tenths of a millimeter under protective gas. This powder was then hot isostatically pressed. A small section of the target material so produced was separated. Its phase composition was determined with an X-ray diffractometer. The spectrum corresponded to a mixture of gamma phases, which is characteristic of Al-Cr alloys (see M. Hansen: Constitution of binary alloys, McGrawhill 1958).



  Targets A and B were installed in succession on a system according to FIG. 1, but only with a single cathode. A copper ring was used as the anode 4, somewhat larger than the cathode and arranged concentrically in this regard. The following discharge conditions were chosen:
 Arc current: 400 A.
 Total pressure: 2. 10 <-> <3> mbar argon



  With the aid of the magnetic coils 13, a magnetic field was applied above the target surface, which runs essentially radially outwards, as shown at B in FIG. 1.


 The following was found:
 



  In the case of target A, that is to say the two-phase target, the cathode base points burned at intervals of a few seconds in each case for approximately 1 second, sometimes even considerably longer, at one point on the target surface. If the dwell time of a cathode base lasted over approx. 5 seconds, the process was stopped manually in order to avoid strong local overheating of the target. The movement of the cathode base points was recorded as a function of the camera shutter speed by means of an SLR camera. At shutter speeds of 1/15 sec and longer, five cathode base points were visible on average. The average speed of those cathode base points that did not get stuck at one point was only about 1 m / sec.



  After an operating time of approximately one hour, the bottom of the system in area C according to FIG. 1 was strewn with solidified parts made of target material. The maximum size of these ejections was about 2 mm. In addition, Target A had a very porous surface; a subsequent SEM analysis still showed a two-phase surface.



  With target B, the cathode foot spots were rare for a maximum of a few tenths of a second, i.e. at most once every 5 min. The focus movement was therefore much more uniform than with target A and also much faster.



  The speed of the cathode base or focal points could be increased with the available camera shutter speed of max. 1/60 sec cannot be determined. The speed is probably in the range of 10 to 100 m / sec. After operating for about an hour, Target B showed no irregular surface structure, and splashes were hardly noticeable in area C of the system.


 conclusion:
 



  Even without guiding the arc evaporation process in a reactive gas atmosphere, the evaporation of metal alloys results in much better cathode point behavior from a single-phase target than when evaporating a two-phase or multi-phase target.



  Thus, the tests with single-phase alloy targets were continued.


 3. Influence of litigation
 



  1, but only with a cathode, was equipped with a target according to B with a diameter of 250 mm. The following operating conditions have been set:
<tb> <TABLE> Columns = 2
<tb> Head Col 1: arc current:
<tb> Head Col 2: 150 A
<tb> <SEP> Argon pressure: <SEP> 0.18. 10 <-> <3> mbar
<tb> <SEP> magnetic field according to B of Fig. 1: <CEL AL = L> approx. 40 gauss.
<Tb> </ TABLE>


 Oxygen flow dependency
 



  2 shows qualitatively the dependence of the arc burning voltage UB on the oxygen mass flow ._mo2 let into the system according to FIG. 1 per unit of time, as well as the dependence of the oxygen partial pressure p02, the latter being shown in dash-dot lines. The burning voltage UB remains constant up to a critical flow f1. Under the selected conditions, it was 38 V. As the flux ._mo2 is increased further, the arc voltage UB rises steadily. In the case of a second critical flow f2, the discharge ceases and the generator opens circuit voltage, corresponding to UBO, in the present case 60 V.



  Since the total pressure, which is essentially the sum of the unchanged argon pressure and the oxygen partial pressure p02, the latter remains constant up to the critical flow f1, and consequently also the oxygen partial pressure p02. The oxygen partial pressure p02 is negligible. The oxygen partial pressure also rises steadily above the critical flow f1 and in the present case was 0.6 at the critical flow f2. 10 <-> <3> mbar.



  Observation of the arc discharge shows a significant difference in the area I, below the critical flow f1, and II, above the mentioned critical flow f1: Up to f1, the discharge is characterized by a few, i.e. two to five, rarely and relatively slowly jumping cathode points on the target surface, a behavior that is typical for metal or nitride targets. In area II the discharge turns into a fine and increasingly fine network of a large and increasing number of about 40 to 100 cathode points, which move much faster on the target surface.



  By operating the reactive arc discharge evaporation process in area II, and in particular as close as possible to the critical point corresponding to f2, a homogeneous, spatter-free aluminum / chromium oxide coating is achieved. The operation of the process in accordance with point P of FIG. 2 as close as possible to critical point f2, however, requires regulated operating point stabilization. If the conditions regarding the obviousness of P at the critical value f2 are relaxed, a control of the process operating point P can suffice in certain cases.


 magnetic field dependence
 



  The influence of the magnetic field B was also examined with the same arrangement. Basically, it is an axial magnetic field, the flux lines of which are perpendicular to the target surface. With increasing magnetic field B, the arc voltage UB increases, so that in FIG. 2 the strength of the magnetic field B can also be plotted on the x-axis instead of the oxygen mass flow ._mo2 with respect to the arc voltage UB. The qualitative characteristic shown in FIG. 2 with regard to the operating voltage then results, with the oxygen mass flow ._mo2 now kept constant.



  The following options result for the process operating point control or regulation:
 a) The oxygen partial pressure p02 is recorded as an observed variable or, in a control loop, as a measured control variable and at least one of the following variables is set in the controlling or regulating sense:
 - mass flow ._mo2 of oxygen,
 - burning voltage UB,
 - field strength B.
 b) The operating voltage UB is observed or recorded as a measured controlled variable and at least one of the following variables is set in a controlling or regulating sense:
 - mass flow ._mo2
 - field strength of field B.
 c) The frequency spectrum S omega of the arc current IB according to FIG. 1 is analyzed, for example the amplitude of a current spectral line at a given frequency.

   Because the cathode point movements and, in particular, their frequency and jump speed are reflected in the frequency spectrum of the discharge current, monitoring the amplitude of a frequency spectrum line in the current spectrum, for example, provides information about how often the cathode points jump with the frequency corresponding to the spectral line mentioned. In order to set the cathode point behavior so that cathode points jump with the abovementioned frequency corresponding to the monitored frequency, at least one of the variables is again used
 - burning voltage,
 - oxygen flow,
 - magnetic field strength
 posed.



  As has been mentioned, optimal process conditions are achieved if the process operating point P according to FIG. 2 is set as close as possible to the tipping point corresponding to the critical oxygen flow f2.

Claims

1. A method for producing a target from a metal alloy, the alloy being present in the target essentially in a single phase, characterized in that it is cast or an intermetallic alloy compound is pulverized and the target is thermomechanically shaped.

2. The method according to claim 1, characterized in that the alloy is an aluminum / chrome alloy.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the alloy comprises at least 5at% chromium, preferably 10at% to 50at% chromium.

4. Target, produced by the method according to one of claims 1-3.

5. Use of the target according to claim 4 in a reactive gas atmosphere, for coating a workpiece with a layer which is less electrically conductive than the material of the target.

6th

Use according to claim 5, characterized in that the reactive gas atmosphere contains oxygen.

7. Use according to claim 6, characterized in that an oxide of an aluminum / chromium alloy is deposited and a metallic intermediate layer is provided as an adhesive layer to increase the adhesion of the deposited layer on the workpiece.

8. Use according to claim 7, characterized in that the workpiece consists of hard metal or ceramic.

9. Use according to claim 5, in which material is arc-evaporated and reacted with at least a portion of the reactive gas atmosphere.

10th

Use according to claim 9, characterized in that the partial pressure of at least one reactive gas portion of the reactive gas atmosphere is set and / or that a magnetic field generated in at least one component parallel to the arc discharge direction is generated with such a field strength that the discharge burns with significantly more base points than this is the case if the partial pressure falls below a critical value or the magnetic field is below a critical value, with otherwise identical discharge parameters.