DE19522331B4

DE19522331B4 - Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes, Anlage hierfür sowie Verfahren zum Betrieb einer kathodischen Bogenentladung und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE19522331B4
Application number: DE19522331A
Authority: DE
Inventors: Hans Brändle; Erich Bergmann
Original assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: US20030209424A1; US6702931B2; DE19522331A1; JP3828181B2; CH688863A5; JPH0849066A; US6602390B1

Abstract

Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes mit einem Oxid einer Metalllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass mittels kathodischen Bogenverdampfens die Legierung von einem Target in einer Atmosphäre mit Sauerstoff verdampft wird, wobei die Legierung zu mindestens 70 at% in einer einzigen kristallografischen Phase vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes mit einem Oxid einer Metall-Legierung, dies aus einem Metall-Legierungstarget; eine Beschichtungsanlage für kathodisches Bogenverdampfen mit einem mit einem Sauerstoffvorrat verbundenen Gaseinlass in den Vakuumrezipienten und mit mindestens einem Verdampfungstarget aus einer Metall-Legierung; ein Verfahren zum Betrieb einer kathodischen Bogenentladung; sowie eine Verwendung des genannten Betriebsverfahrens.
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 Spritzeremission 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 0 513 662 A1 , entsprechend der US 5 310 607 A1 derselben Anmelderin, bekannt, hohe Härten aufweisen.
Gemäß diesen Schriften werden Hartstoffschichten vorgeschlagen, welche im Wesentlichen durch Legierungsmischkristalloxide, 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 nichtleitenden Metalloxidschichten, so führt dies nicht zum Erfolg, da bei einer Oxidbelegung des Targets bzw. Belegung mit nichtleitender Schicht die Bogenentladung häufig zusammenbricht und aufgrund 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 Metalllegierungen bogenverdampft werden sollen. Die Ver schärfung 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.
EP 0 361 265 A1 offenbart ein kathodisches Lichtbogenverdampfungsverfahren, bei welchem Oxide unterschiedlicher Legierungen reaktiv in einer Sauerstoffatmosphäre abgeschieden werden.
Die Herstellung eines Targets ist in EP 0 614 997 A1 offenbart.
Die Herstellung von Hartschichten aus Mischkristallen aus Aluminiumoxid und Chromoxid zum Beschichten eines Werkstückes ist in EP 0 513 662 A1 offenbart.
Aus der JP 5 106 022 A1 ist es bekannt, ein Ti-Al-Target durch Ionenplattieren mittels einer Vakuum-Bogenentladung zu verdampfen und eine TiAlN-Schicht auf eine metallische Fläche abzuscheiden.
In "Cathodic arc evaporation in thin film technology" J. Vyskocil et. al, J. Vac. Sci. Technol. A 10(4), Juli/August 1992, S. 1740 ist kathodisches Bogenverdampfen beschrieben.
In "Effects of target microstructure an aluminium alloy sputtered thin film properties" R. S. Bailey, J. Vac. Sci. Technol. A 10(4), Juli/August 1992, S. 1701 sind gesputterte Schichten angesprochen.
Bezüglich kathodischem Bogenverdampfen mit selber bedampfter Kathode sei auf die EP 0 285 745 A1 verwiesen, entsprechend der US 4 919 968 A1 .
Aus der EP 513 662 A1 , entsprechend der US 5 310 607 A1 , ist Oxidbeschichten mittels Tiegel-Verdampfens bekannt.
Grundsätzlich wäre der Einsatz des kathodischen Bogenverdampfens für die Herstellung insbesondere von Metalloxidschichten und insbesondere von Schichten von Legierungs oxiden 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 Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter all ihren Aspekten, 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.
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 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 gemäß Anspruch 1 und 4 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 Abscheiden 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.
Es hat sich gezeigt, dass die Ausnützung des zweitgenannten Bereiches gemäß Wortlaut von Anspruch 2 die Bildung von Spritzern praktisch vollständig unterbindet.
Dabei wird vorzugsweise der genannte "Viel-Brennpunktbereich" optimal ausgenützt, d. h. der Prozessarbeitspunkt unmittelbar bei Reaktivgas-Partialdrücken gewählt, bei welchen die Bogenentladung abbrechen würde, so dass, wenigstens nahezu, maximal viele Kathodenpunkte brennen.
Die Stabilisierung des Prozessarbeitspunktes kann durch Beobachtung und Steuerung, aber bevorzugterweise durch eine Regelung vorgenommen werden, wobei in Anspruch 3 bevorzugterweise eingesetzte Beobachtungsgrößen bzw., bei der Regelung, gemessene Regelgrößen sowie bevorzugterweise eingesetzte gestellte Größen bei der Steuerung (Open Loop) bzw. regeltechnisch gestellte Stellgrößen bei einem Regelkreis spezifiziert sind.
Dem Wortlaut von Anspruch 5 folgend, hat sich bis zum heutigen Zeitpunkt insbesondere die Anwendung der vorerwähnten Verfahren auf Aluminium/Chromlegierungen ausgezeichnet bewährt.
Gemäß Wortlaut von Anspruch 6 und 7 wird in einer bevorzugten Ausführungsform 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 0 513 662 A1 , von ihren Schichteigenschaften her betrachtet, ausgezeichnet beispielsweise für die Beschichtung von spanabhebenden Werkzeugen eignet.
Die Haftung der erwähnten Metall-Legierungs-Oxidschicht, insbesondere 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 8 folgend vorgegangen wird. Dabei wird bevorzugterweise die erwähnte Zwischenschicht einer Metall/Chromlegierung nichtreaktiv, aber ebenfalls mit kathodischem Bogenverdampfen auf dem Werkstück abgeschieden, wobei auch hier bevorzugterweise ein Target eingesetzt wird, wobei 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 Abscheiden nichtleitender Metall-Legierungs-Oxidschichten im Sinne einer Prozessstabilisierung dadurch wesentlich erleichtert, dass der oben erwähnte "Viel-Brennpunktbereich" ausgenützt wird.
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 9 aus.
Bevorzugte Ausführungsvarianten dieser Anlage sind in den Ansprüchen 10 und 11 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 Zwischenschicht am Werkstück abzuscheiden.
Bezüglich Anspruch 9 ist Folgendes anzumerken: Weil erfindungsgemäß erkannt wurde, dass generell beim Beschichten mit elektrisch schlechter als das Targetmaterial leitenden Schichten ein reaktiver Bogenverdampfungsprozess vorteilhafterweise im erwähnten Viel-Brennpunktbereich stabilisiert wird, richtet sich Anspruch 9 auf eine Anlage, bei der generell ein elektrisch leitendes Target vorgesehen ist, bevorzugterweise ausgenützte Steuer- bzw. Regelgrößen spezifiziert sind, wobei insbesondere auf die Ausnützung des Entladestrom-Frequenzspektrums hingewiesen sei und als gemessene Regelgröße oder – in einer Steuerung – als beobachtete Größe, eine Größe erfasst wird, welche signifikant ist für die Charakteristika auftretender Kathodenpunkte und ihrer Bewegung.
Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Beispielen und Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Anlage, schematisch;
2 qualitativ die Abhängigkeiten von Brennspannung U_B und Sauerstoff-Partialdruck p_O2 vom Sauerstoff-Massefluss m_O2 bzw. Axial-Magnetfeld B.
1. Verwendete Anlagenkonfiguration
In 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' bzw. 3' ausgestattet, um durch ein zirkulierendes Kühlmittel die anfallende Verlustwärme abführen zu können. Jede der beiden Kathoden ist mit dem negativen Pol der Stromquelle 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, so dass man die Kathode 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 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 Targetoberfläche 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 γ-Phasen, wie sie für Al-Cr-Legierungen charakteristisch ist (s. M. Hansen: Constitution of binary alloys, McGrawhill 1958).
An einer Anlage gemäß 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 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 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 Bereich von 10 bis 100 m/sec. Nach dem Betrieb von ungefähr einer Stunde zeigte Target B keine unregelmäßige Oberflächenstruktur, und im Bereich 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 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 2 ist qualitativ die Abhängigkeit der Bogenbrennspannung U_B von dem in die Anlage gemäß 1 pro Zeiteinheit eingelassenen Sauerstoff-Massefluss m_O2 dargestellt, ebenso wie die Abhängigkeit des Sauerstoff-Partialdruckes p_O2, 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 unveränderten Argondruckes und des Sauerstoff-Partialdruckes p_O2 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^–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 2 möglichst nahe dem kritischen Punkt 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 U_B, so dass in 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 2 gezeigte qualitative Charakteristik bezüglich Brennspannung bei nun konstant gehaltenem 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 Regelgröße 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 gemessene Regelgröße aufgenommen und mindestens eine der folgenden Größen in steuerndem oder regelndem Sinne gestellt: – Massefluss m_O2, – Feldstärke des Feldes B.
c) Es wird das Frequenzspektrum S_ω des Bogenstromes I_B gemäß 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, 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 erreicht, wenn der Prozessarbeitspunkt P gemäß 2 möglichst nahe an der dem kritischen Sauerstofffluss f₂ entsprechenden Kippstelle eingestellt wird.

Claims

Verfahren zum Beschichten mindestens eines Werkstückes mit einem Oxid einer Metalllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass mittels kathodischen Bogenverdampfens die Legierung von einem Target in einer Atmosphäre mit Sauerstoff verdampft wird, wobei die Legierung zu mindestens 70 at% in einer einzigen kristallografischen Phase vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenentladung in einem Bereich des Sauerstoff-partialdruckes und/oder in einem Bereich der Feldstärke eines Magnetfeldes, das in mindestens einer Komponente parallel zur Bogenentladungsrichtung ist, betrieben wird, in welchem mindestens zehn Kathodenpunkte brennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Sauerstoff-Partialdruck während des Beschichtungsprozesses beobachtet wird und Abweichungen von einem SOLL-Partialdruck minimalisiert werden durch Stellen mindestens einer der folgenden Größen: – Sauerstoff-Massefluss, – Bogenbrennspannung, – Feldstärke eines Magnetfeldes, das in mindestens einer Komponente parallel zur Bogenentladungsrichtung ist, oder dass b) die Brennspannung beobachtet wird und Abweichungen von einer SOLL-Brennspannung durch Stellen mindestens einer der folgenden Größen minimalisiert werden: – Sauerstoff-Massefluss – genanntes Magnetfeld, oder dass c) das Frequenzspektrum des Entladestromes beobachtet wird und Abweichungen charakteristischer Komponenten des Spektrums von SOLL-Charakteristika durch Stellen mindestens einer der folgenden Größen minimalisiert werden: – Brennspannung, – Sauerstoff-Massefluss – genanntes Magnetfeld, wobei der Vergleich der beobachteten Größe mit einem entsprechenden SOLL-Wert und das Stellen automatisch mittels eines Prozessarbeitspunkt-Regelkreises erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target aus einer Legierung verdampft wird, die zu mindestens 90 at% in der einen kristallografischen Phase vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target aus einer Aluminium/Chromlegierung verdampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target aus einer Legierung verdampft wird, die mindestens 5 at% Chrom enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target aus einer Legierung verdampft wird, die 10 at% bis 50 at% Chrom enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxid einer Aluminium/Chromlegierung abgeschieden wird und dass zur Erhöhung der Haftung der abgeschiedenen Schicht, insbesondere auf Hartmetall- oder Keramikkörpern, eine metallische Zwischenschicht als Haftschicht vorgesehen wird.
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 Metalllegierung, die zu mindestens 70 at% in einer einzigen kristallografischen Phase vorliegt, besteht, wobei eine Prozessarbeitspunkt-Einstellung vorgesehen ist mit a) einer Messeinrichtung für den O₂-Partialdruck und einer Stellgliedanordnung für mindestens eine der folgenden Größen: – Sauerstoff-Massefluss – Bogenbrennspannung – Feldstärke eines Magnetfeldes mit mindestens einer Komponente senkrecht zur Targetoberfläche 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 Bogenstromes 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.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Target aus einer Aluminium/Chromlegierung besteht.
Anlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 90 at% der Legierung im Target in der einen kristallografischen Phase vorliegt.
Verfahren zum Betrieb einer kathodischen Bogenentladung, bei welchem Material bogenverdampft und mit mindestens einem Anteil eines Gases zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, 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 mehr Fußpunkten brennt als unter einem kritischen Wert von Partialdruck und/oder Magnetfeldstärke bei sonst gleich eingestellten Entladungsparametern und wobei als Material ein Target aus einer Metalllegierung, die zu mindestens 70 at% in einer einzigen kristallografischen Phase vorliegt, verwendet wird.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 12 für die Beschichtung mittels kathodischen Bogenverdampfens.