DE19522331A1

DE19522331A1 - Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes, Anlage hierfür sowie Verfahren zum Betrieb einer kathodischen Bogenentladung und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE19522331A1
Application number: DE19522331A
Authority: DE
Inventors: Hans Braendle; Erich Bergmann
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: US6702931B2; CH688863A5; JPH0849066A; DE19522331B4; JP3828181B2; US6602390B1; US20030209424A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft:

- nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ein Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes mit einem Oxid einer Metall-Legierung, dies aus einem Metall-Legierungs target;
- nach dem Oberbegriff von Anspruch 6 ein Verfahren zur Herstellung eines Targets aus einer Metall-Legierung, wobei die Legierung im Target im wesentlichen in einer einzigen Phase vorliegt;
- nach Anspruch 10 eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens nach Anspruch 1, jedoch für elektrisch leiten de Targets generell;
- nach dem Oberbegriff von Anspruch 11 eine Beschichtungs anlage für kathodisches Bogenverdampfen mit einem mit einem Sauerstoffvorrat verbundenen Gaseinlaß in den Vakuumrezipienten und mit mindestens einem Verdampfungs target aus einer Metall-Legierung;
- nach Anspruch 14 eine bevorzugte Ausführungsvariante der Anlage nach Anspruch 11, jedoch mit einem elektrisch leitenden Target generell;
- nach Anspruch 15 ein Verfahren zum Betrieb einer katho dischen Bogenentladung;
- nach Anspruch 16 eine Verwendung des genannten Betriebs verfahrens.

Definition

Unter dem Begriff "Phase" ist im folgenden "kristallografische Phase" zu verstehen.

Oxide von Metall-Legierungen werden üblicherweise durch reak tives Sputterbeschichten, Elektronenstrahl-Verdampfungsbe schichten, ion plating oder durch CVD-Verfahren als Beschich tungen abgeschieden. Versucht man, Oxide von Metall-Legierun gen 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 Beschich tungsabscheidung von reinen Metall-Legierungen und von leiten den Nitriden gelingt. Grund hierfür ist die bekannte starke Änderung der Sekundärelektronenemission mit Änderung der Targetoberflächen-Oxidation, die zu einer Hysterese des Katho denoberflächen-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 stöchiome trischen, da diese, wie beispielsweise aus der EP-A-0 513 662, entsprechend der US-Anmeldung 07/744 532 derselben Anmelderin, bekannt, hohe Harten aufweisen.

Gemäß diesen Schriften werden Hartstoffschichten vorgeschla gen, 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 nicht leitenden Reaktionsproduktschichten, insbesondere hier interessierend, mit elektrisch isolierenden Oxidschichten, durch eine Reaktiv gasregelung zu kontrollieren. Bei kathodischer Bogenverdamp fung hat sich ein solches Vorgehen als kontraproduktiv her ausgestellt. Ein Absenken des Sauerstoff-Partialdruckes und damit eine Prozeßführung hin gegen den metallischen Mode erhöht nämlich beim Bogenentladungsverdampfen die Einbrennge fahr und damit die Gefahr von Spritzeremissionen und die Sprunghaftigkeit der Brennfleck- bzw. Kathodenfußpunkt-Bewe gung 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 nichtleitenden Metalloxidschichten, so führt dies nicht zum Erfolg, da bei einer Oxidbelegung des Targets bzw. Belegung mit nichtleitender Schicht die Bogenent ladung häufig zusammenbricht und aufgrund der Vergiftungsiso lation durch die bekannten Zündmechanismen nicht mehr zuver lässig zu zünden ist.

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

Aus der JP 5 106 022 ist es bekannt, ein Ti-Al-Target durch Ionenplattieren mittels einer Vacuum-Bogenentladung zu ver dampfen und eine TiAlN-Schicht auf eine metallische Fläche abzulegen.

In "Cathodic arc evaporation in thin film technology" J. Vys kocil et. al, J. Vac. Sci. Technol. A 10(4), July/August 1992, page 1740 ist kathodisches Bogenverdampfen beschrieben.

In "Effects of target microstructure on aluminium alloy sput tered thin film properties" R. S. Bailey, J. Vac. Sci. Tech nol. A 10(4), July/August 1992, page 1701 sind gesputterte Schichten angesprochen.

Bezüglich kathodischem Bogenverdampfen mit selber bedampfter Kathode sei auf die EP-A-0 285 745 verwiesen, entsprechend der US-A-4 919 968.

Aus der EP-A-513 662, entsprechend der US 5 310 607 ist Oxid beschichten mittels Tiegel-Verdampfens bekannt.

Grundsätzlich wäre der Einsatz des kathodischen Bogenverdamp fens für die Herstellung insbesondere von Metalloxidschichten und insbesondere von Schichten von Legierungsoxiden außer ordentlich wünschenswert, u. a. weil das kathodische Bogenver dampfen wirtschaftlich zu hohen Beschichtungsraten führt. Grundsätzlich wäre auch eine Verbesserung der Prozeßstabili sierung von reaktiven Bogenverdampfungs-Beschichtungsprozessen mit isolierenden Schichten wünschenswert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter all ihren Aspekten, zu ermöglichen, Werkstücke insbesondere mit Metall oxiden und insbesondere auch mit Oxiden von Metall-Legierun gen, aber auch generell mit isolierenden Schichten ab elek trisch leitenden Targets, stöchiometrisch kontrolliert, zu be schichten, und dies unter Ausnützung der dem kathodischen Bogenverdampfen eigenen Vorteile, wie z. B. seiner hohen Be schichtungsrate.

Dies wird, zum Beschichten mittels eines Oxides einer Metall- Legierung, durch Vorgehen nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erreicht.

Überraschenderweise ergibt sich, daß durch den Einsatz ein phasiger Targets, im Gegensatz zu mehrphasigen, sich die Ka thodenfußpunkte auf dem Target sehr viel regelmäßiger bewe gen, 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, gemäß Wort laut von Anspruch 5, 30% bzw. vorzugsweise 10% nicht überstei gen.

Wie nachfolgend noch anhand der Beispiele erläutert werden wird, hat sich weiter gezeigt, daß sich generell das Katho denpunktverhalten 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-Partial druck und einigen wenigen Kathodenpunkten, welche relativ großflächig über die Kathoden- bzw. Targetoberfläche sprin gen, und ein zweiter Bereich relativ hohen Reaktivgas-Parti aldruckes klar unterschieden werden, bei welchem viele Katho denpunkte sich wesentlich schneller und/oder kleinräumiger auf der Kathoden- bzw. Targetoberfläche bewegen.

Es hat sich gezeigt, daß die Ausnützung des zweitgenannten Bereiches gemäß Wortlaut von Anspruch 2 die Bildung von Spritzern praktisch vollständig unterbindet.

Dabei wird, dem Wortlaut von Anspruch 3 folgend, vorzugsweise der genannte "Viel-Brennpunktbereich" optimal ausgenützt, d. h. der Prozeßarbeitspunkt unmittelbar bei Reaktivgas-Partial drücken gewählt, bei welchen die Bogenentladung abbrechen wür de.

Die Stabilisierung des Prozeßarbeitspunktes kann durch Be obachtung und Steuerung, aber bevorzugterweise durch eine Regelung vorgenommen werden, wobei bevorzugterweise eingesetz te Beobachtungsgrößen bzw., bei der Regelung, gemessene Re gelgrößen in Anspruch 4 spezifiziert sind sowie bevorzugter weise eingesetzte gestellte Größen bei der Steuerung (open loop) bzw. regeltechnisch gestellte Stellgrößen bei einem Regelkreis.

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

Ein solches Verfahren zeichnet sich nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 6 aus.

Dem Wortlaut von Anspruch 7 folgend, hat sich bis zum heutigen Zeitpunkt insbesondere die Anwendung der vorerwähnten Verfah ren auf Aluminium/Chromlegierungen ausgezeichnet bewährt.

Gemäß Wortlaut von Anspruch 8 wird in einer bevorzugten Aus führungsform eine Hartstoffschicht der erwähnten Legierung mit mindestens 5 at% Chrom, vorzugsweise mit 10 bis 50 at% Chrom abgeschieden, welch letztere sich, gemäß der vorerwähnten EP- A-0 513 662, von ihren Schichteigenschaften her betrachtet, ausgezeichnet beispielsweise für die Beschichtung von span abhebenden Werkzeugen eignet.

Die Haftung der erwähnten Metall-Legierungs-Oxidschicht, ins besondere der (Al,Cr)₂O₃-Schicht, wird auf Hartmetall- oder Keramikkörpern, wie sie für den Einsatz von spanabhebenden Werkzeugen eingesetzt werden, dadurch wesentlich erhöht und reproduzierbarer, daß dem Wortlaut von Anspruch 9 folgend vorgegangen wird. Dabei wird bevorzugterweise die erwähnte Zwischenschicht einer Metall/Chromlegierung nichtreaktiv, aber ebenfalls mit kathodischem Bogenverdampfen auf das Werkstück abgelegt, wobei auch hier bevorzugterweise ein Target einge setzt wird, woran die Metall/Chromlegierung, mindestens vor nehmlich, 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 nichtleitender Metall- Legierungs-Oxidschichten im Sinne einer Prozeßstabilisierung dadurch wesentlich erleichtert, daß der oben erwähnte "Viel- Brennpunktbereich" ausgenützt wird.

Gemäß Wortlaut von Anspruch 10 läßt sich aber dieser Bereich generell für Beschichtungsverfahren ausnützen, bei denen elek trisch leitende Targets in einer Reaktivgasatmosphäre bogen entladungsverdampft werden und eine Beschichtung abgelegt wird aus einem Reaktionsprodukt, welches elektrisch nicht oder zumindest schlechter leitet als das verdampfte Targetmaterial.

Eine Beschichtungsanlage für kathodisches Bogenverdampfen mit einem mit einem Sauerstoffvorrat verbundenen Gaseinlaß in den Vakuumrezipienten und mit mindestens einem Verdampfungstarget zeichnet sich, um die obgenannte Aufgabe anlagetechnisch zu lösen, nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 11 aus.

Bevorzugte Ausführungsvarianten dieser Anlage sind in den Ansprüchen 12 bis 14 spezifiziert.

Wie erwähnt, kann an der erwähnten Anlage ein zweites Target vorgesehen sein, insbesondere mit einer Metall/Chromlegierung, vorzugsweise vornehmlich einphasig vorliegend, um nebst der Metall-Legierungs-Oxidschicht eine haftvermittelnde Zwischen schicht am Werkstück abzulegen.

Bezüglich Anspruch 14 ist folgendes anzumerken: Weil erfin dungsgemäß erkannt wurde, daß generell beim Beschichten mit elektrisch schlechter als das Targetmaterial leitenden Schich ten ein reaktiver Bogenverdampfungsprozeß vorteilhafterweise im erwähnten Viel-Brennpunktbereich stabilisiert wird, richtet sich Anspruch 14 auf eine Anlage, bei der generell ein elek trisch leitendes Target vorgesehen ist, bevorzugterweise aus genützte Steuer- bzw. Regelgrößen spezifiziert sind, wobei insbesondere auf die Ausnützung des Entladestrom-Frequenz spektrums hingewiesen sei, als gemessene Regelgröße oder - in einer Steuerung - als beobachtete Größe, eine Größe, welche signifikant ist für die Charakteristika auftretender Kathoden punkte und ihrer Bewegung.

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

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anlage, schematisch;

Fig. 2 qualitativ die Abhängigkeiten von Brennspannung U_B und Sauerstoff-Partialdruck p₀₂ vom Sauerstoff-Mas sefluß m₀₂ bzw. Axial-Magnetfeld B.

1. Verwendete Anlagenkonfiguration

In Fig. 1 bedeutet 1 eine zylindrische Vakuumbeschichtungs kammer, 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′ bzw. 3′ ausgestattet, um durch ein zirkulieren des 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 ge schalteten) Scheiben 4 geführt ist, welche die Elektronen aus der Gasentladung wieder abführen.

Vorteilhafterweise ist jede Kathode außerdem mit einem soge nannten 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, so daß man die Katho de mit dem Zündfinger berühren oder diesen von ihr entfernen kann. Der dabei fließende Strom wird durch einen Widerstand 17 auf einige 10A begrenzt. Der beim Abheben des Zündfingers von der Kathode entstehende Unterbrechungsfunke entwickelt sich dann zum ersten der für die Verdampfung benötigten Katho denpunkte.

Die beiden Kathoden 2 und 3 sind mit je einem zylinderförmi gen, 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 Helm holtz-Paar geschaltet sein -, welche bewirken, daß schon bei kleiner Feldstärke von etwa 10 Gauß ein Erhöhen der Plasma dichte und ein Erhöhen der gegenseitigen Beschichtungsrate der beiden Kathoden bei konstantem Bogenstrom eintritt.

In der Beschichtungskammer sind ferner Substrathalter 5 dreh bar angeordnet, welche mit einem Antrieb 6 verbunden sind, um so durch eine Rotationsbewegung eine gleichmäßigere Beschich tung zu erhalten. An den Substrathaltern 5 sind die Einzel halter 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 herge stellt. Das Pulver setzte sich aus elementarem Al und elemen tarem 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 Aus brüchen in Größenordnung einiger zehntel mm. Ein kleiner Abschnitt des so hergestellten Targetmaterials wurde abge trennt. Seine Phasenzusammensetzung wurde mit einem Röntgen diffraktometer bestimmt. Das Spektrum entsprach einer Überla gerung 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 eben falls 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 Vakuum schmelzen hergestellt und unter Schutzgas auf eine Korngröße einiger zehntel mm gemahlen. Danach wurde dieses Pulver heiß isostatisch gepreßt. Ein kleiner Abschnitt des so hergestell ten Targetmaterials wurde abgetrennt. Seine Phasenzusammen setzung wurde mit einem Röntgendiffraktometer bestimmt. Das Spektrum entsprach einer Mischung von γ-Phasen, wie sie für Al-Cr-Legierungen charakteristisch ist (s. M. Hansen: Consti tution 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

Mit Hilfe 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 Kamera verschlußzeit 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 unre gelmäßige Oberflächenstruktur, und im Bereiche C der Anlage waren Spritzer kaum erkennbar.

Folgerung

Bereits ohne Führung des Bogenverdampfungsprozesses in Reak tivgasatmosphäre ergibt sich, für Verdampfen von Metall-Legie rungen, daß sich von einem einphasigen Target wesentlich bes seres Kathodenpunktverhalten ergibt als bei Verdampfen eines zwei- oder mehrphasigen Targets.

Somit wurden im weiteren die Versuche mit einphasigen Legie rungstargets 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:

Bogenstrom: 150 A
Argondruck: 0,18 · 10^-3 mbar
Magnetfeld gemäß B von Fig. 1: ca. 40 Gauß.

Sauerstofffluß-Abhängigkeit

In Fig. 2 ist qualitativ die Abhängigkeit der Bogenbrennspan nung U_B von dem in die Anlage gemäß Fig. 1 pro Zeiteinheit eingelassenen Sauerstoff-Massefluß m_O2 dargestellt, ebenso wie die Abhängigkeit des Sauerstoff-Partialdruckes p₀₂, letztere strichpunktiert dargestellt. Bis zu einem kritischen Fluß f₁ bleibt die Brennspannung U_B konstant. Bei den gewählten Bedingungen betrug sie 38 V. Bei weiterer Erhöhung des Flusses m_O2 steigt die Bogenspannung U_B stetig an. Bei einem zweiten kritischen Fluß f₂ erlischt die Entladung, und es stellt sich die Leerlaufspannung des Generators ein, entsprechend U_BO, im vorliegenden Falle von 60 V.

Da der Gesamtdruck, welcher im wesentlichen die Summe des un veränderten Argondruckes und des Sauerstoff-Partialdruckes p₀₂ ist, bleibt letzterer bis zum kritischen Fluß f₁ konstant, mithin auch der Sauerstoff-Partialdruck p_O2. Dabei ist der Sauerstoff-Partialdruck p_O2 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^-3mbar.

Beobachtung der Bogenentladung ergibt einen wesentlichen Un terschied 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-Verdampfungs prozesses 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 Prozeßar beitspunktes P genügen.

Magnetfeldabhängigkeit

Mit derselben Anordnung wurde auch der Einfluß des Magnetfel des B untersucht. Grundsätzlich handelt es sich dabei um ein axiales Magnetfeld, dessen Flußlinien zur Targetoberfläche senkrecht stehen. Mit zunehmendem Magnetfeld B steigt die Bogenspannung U_B, so daß in Fig. 2 anstelle des Sauerstoff- Masseflusses m_O2 auf der x-Achse bezüglich der Bogenspannung U_B 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 gehal tenem Sauerstoff-Massefluß m_O2.

Für die Prozeßarbeitspunkt-Steuerung. bzw. -Regelung ergeben sich nun daraus folgende Möglichkeiten:

a) Es wird der Sauerstoff-Partialdruck p_O2 als beobachtete Größe oder, in einem Regelkreis, als gemessene Regel größe erfaßt und mindestens eine folgender Größen im steuernden oder im regelnden Sinne gestellt:
- - Massefluß m_O2 des Sauerstoffes,
- - Brennspannung U_B,
- - Feldstärke B.
b) Es wird die Brennspannung U_B beobachtet oder als gemesse ne Regelgröße aufgenommen und mindestens eine der fol genden Größen in steuerndem oder regelndem Sinne ge stellt:
- - Massefluß m_O2,
- - Feldstärke des Feldes B.
c) Es wird das Frequenzspektrum S_ω des Bogenstromes I_B ge mäß 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 beispiels weise die Überwachung der Amplitude einer Frequenzspek trumslinie im genannten Stromspektrum darüber Auskunft, wie häufig die Kathodenpunkte mit der der erwähnten Spek trallinie entsprechenden Häufigkeit springen. Um das Kathodenpunktverhalten zu stellen, so daß 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 er reicht, wenn der Prozeßarbeitspunkt P gemäß Fig. 2 möglichst nahe an der dem kritischen Sauerstofffluß f₂ entsprechenden Kippstelle eingestellt wird.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes mit einem Oxid einer Metall-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß mittels kathodischen Bogenverdampfens ein Target in einer Atmosphäre mit Sauerstoff verdampft wird, woran die Legierung, mindestens im wesentlichen, in einer einzigen kristallogra fischen Phase vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung in einem Bereich des Sauerstoff-Partial druckes und/oder in einem Bereich der Feldstarke eines mit wesentlicher Komponente in Bogenentladungsrichtung angelegten Magnetfeldes betrieben wird, in welchem mindestens zehn Katho denpunkte brennen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung im einen und/oder anderen Bereich so be trieben wird, daß, wenigstens nahezu, maximal viele Kathoden punkte brennen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) der Sauerstoff-Partialdruck während des Beschichtungs prozesses beobachtet wird und Abweichungen von einem SOLL-Partialdruck minimalisiert werden durch Stellen mindestens einer der folgenden Größen:
- - Sauerstoff-Massefluß,
- - Bogenbrennspannung,
- - Feldstärke eines zur Targetfläche im wesentlichen senkrechten Magnetfeldes oder daß
b) die Brennspannung beobachtet wird und Abweichungen von einer SOLL-Brennspannung durch Stellen mindestens einer der folgenden Größen minimalisiert wird:
- - Sauerstoff-Massefluß,
- - genanntes Magnetfeld oder daß
c) das Frequenzspektrum des Entladestromes beobachtet wird und Abweichungen charakteristischer Komponenten des Spek trums von SOLL-Charakteristika durch Stellen mindestens einer der folgenden Größen minimalisiert wird:
- - Brennspannung,
- - Sauerstoff-Massefluß,
- - genanntes Magnetfeld,

daß vorzugsweise die beobachtete Größe, der Vergleich mit einem entsprechenden SOLL-Wert und das Stellen automatisch mittels eines Prozeßarbeitspunkt-Regelkreises erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Legierung zu mindestens 70 at%, vorzugs weise zu mindestens 90 at% in der einen Phase vorliegt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Targets aus einer Metall- Legierung, wobei die Legierung im Target im wesentlichen in einer einzigen Phase vorliegt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß es gegossen wird oder eine intermetallische Legierungsverbindung pulverisiert und das Target thermomecha nisch geformt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Legierung eine Aluminium/Chromlegierung ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Legierung mindestens 5 at% Chrom, vor zugsweise 10 at% bis 50 at% Chrom umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Oxid einer Aluminium/Chromlegierung abgeschieden wird und daß zur Erhöhung der Haftung der ab geschiedenen Schicht, insbesondere auf Hartmetall- oder Kera mikkörpern, eine metallische Zwischenschicht als Haftschicht vorgesehen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zum Bogenver dampfen nicht nur von Legierungen, mindestens im wesentlichen in einer einzigen Phase vorliegend, sondern von elektrisch leitenden Targets, vorzugsweise in einer Reaktivgas-, vorzugs weise Sauerstoff-Atmosphäre, zum Werkstückbeschichten mit einer Schicht, welche elektrisch schlechter leitet als das verdampfte Targetmaterial.

11. Beschichtungsanlage für kathodisches Bogenverdampfen mit einem mit einem Sauerstoffvorrat verbundenen Gaseinlaß in den Vakuumrezipienten und mit mindestens einem Verdampfungstarget, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einer Metall-Le gierung, im wesentlichen in einer einzigen Phase, besteht.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einer Aluminium/Chromlegierung besteht.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens 70 at%, vorzugsweise mindestens 90 at% der Legierung am Target in der einen Phase vorliegt.

14. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Target auch aus einem anderen, elektrisch leitenden Material als einer im wesentlichen einphasigen Metall-Legierung beste hen kann und ein Prozeßarbeitspunkt vorgesehen ist mit

a) Meßeinrichtung für den O₂-Partialdruck und einer Stell gliedanordnung für mindestens eine der folgenden Größen:
- - Sauerstoff-Massefluß,
- - Bogenbrennspannung,
- - Feldstärke eines Magnetfeldes senkrecht zur Target oberfläche oder
b) einer Messeinrichtung für die Bogenbrennspannung und eine Stellgliedanordnung für mindestens eine der folgenden Größen:
- - Sauerstoff-Massefluß,
- - das genannte Magnetfeld oder daß
c) eine Analyseanordnung für das Frequenzspektrum des Bo genstromes vorgesehen ist und eine Stellgliedanordnung für mindestens eine der folgenden Größen:
- - Bogenbrennspannung,
- - Sauerstoff-Massefluß,
- - das genannte Magnetfeld,
wobei vorzugsweise ausgangsseitig der Messeinrichtung das Meßsignal auf eine Vergleichseinheit geführt ist, deren Ausgangssignal auf die Stellgliedanordnung in regelndem Sinne wirkt.

15. Verfahren zum Betrieb einer kathodischen Bogenentladung, bei welchem Material bogenverdampft und mit mindestens einem Anteil eines Gases zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekenn zeichnet, daß der Partialdruck des oder eines Gasanteiles so gestellt wird und/oder ein mindestens in einer Komponente parallel zur Bogenentladungsrichtung erzeugtes Magnetfeld mit solcher Feldstärke erzeugt wird, daß die Entladung mit we sentlich mehr Fußpunkten brennt als unter einem kritischen Wert von Partialdruck und/oder Magnetfeldstärke bei sonst gleichen eingestellten Entladungsparametern.

16. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 15 für die Be schichtung mittels kathodischen Bogenverdampfens.