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    • 专利摘要:
    ZurHerstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten)einer Dicke d mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrens mitseinen Verfahrensschritten wird ein Substrat bereitgestellt. Das Substratwird in die Vakuumkammer eingebracht und einem Edelgasionenbeschussausgesetzt. Als Ausgangsmaterialien (Precursor) zur Herstellungvon a-C:H-Schichten könnendie unterschiedlichsten gasförmigenoder flüssigen Kohlenwasserstoffeeingesetzt werden. Zur Synthese der diamantartigen Kohlenstoffschichtenwird eine Prozessatmosphäreaus mindestens einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas verwendet. EinePlasmaquelle wird gezündet.Die Anregung der Gasmoleküledurch die elektromagnetische Strahlung führt zu einer Aufspaltung derBindungen der Prozessgase, wodurch es zur Erzeugung eines Plasmas mithohen Anteilen an reaktiven ionisierten Atomen, Molekülen und/oderMolekülclusternkommt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird in einem gepulstenModus eine negative Hochspannung im Bereich von -0,5 bis -30 kVan das leitfähigeWerkstückbzw. bei isolierenden Substraten an dem dahinter angeordneten leitfähigen Substrathalter angelegt.Die wachsende Schicht auf dem Substrat, das beliebig geformt seinkann, wird somit von den positiv geladenen und auf das Werkstück beschleunigtenIonen aus dem Plasma beschossen. Der Beschuss mit den hochenergetischenIonen führtzu einer Verdichtung des abgeschiedenen Materials, zu einer Modifikationdes H-Gehalts der Schicht sowie einer ...
    公开号:DE102004004177A1
    申请号:DE200410004177
    申请日:2004-01-28
    公开日:2005-09-01
    发明作者:Claus Dr. Hammerl；Marcus Dr. Kuhn；Bernd Dr. Schey；Götz Dipl.-Phys. Thorwarth
    申请人:AXYNTEC DUENNSCHICHTTECHNIK GM；Axyntec Duennschichttechnik GmbH；
    IPC主号:C23C16-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung diamantartigerKohlenstoffschichten (DLC) mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrens.
    [0002] Esist allgemein bekannt, verschiedenste Substratmaterialien mit dünnen Filmenaus diamantartigem Kohlenstoff zu beschichten. Diamantartige Kohlenstoffschichtensind Schichten aus amorphem, wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H),die eine großeHärte undhohe Elastizität,einen guten Korrosionsschutz, eine hohe chemische Beständigkeit, sehrgeringen Reibungskoeffizienten und eine glatte Oberflächenmorphologieaufweisen können.Diese Eigenschaften machen die DLC-Schichten attraktiv für industrielleApplikationen wie z.B. als reibarme und verschleißfeste Schichtenbei hohen mechanischen Belastungen. Beispiele für potentielle tribologischeAnwendungen von DLC-Schichten sind die Beschichtung von Antriebskomponentenwie Verzahnungen oder Wellen und die Beschichtung von Press- undGussformen fürdie Umformtechnik. Ihre gute Biokompatibilität lässt zudem auch auf einen Einsatzim medizinischen Bereich, z.B. als Beschichtung für Endoprothesenim Verankerungs- oder Gelenkbereich und andere Implantate schließen.
    [0003] ReineDLC-Schichten könnenheute trotz ihrer grundsätzlichhervorragenden Eigenschaften auf Grund ihrer hohen Eigenspannung,ihrer schlechten Haftung vor allem beispielsweise auf Stahlsubstraten,und ihrer geringen thermischen Stabilität insbesondere als Verschleißschutznur mit geringen, für vieleAnwendungen unzureichenden Schichtdicken abgeschieden werden odererfordern aber aufwendig vorbereitete, z.B. mit Haftvermittlerschichtenversehene, Substrate oder auch spezielle Dotierungen. Für vieleApplikationen verbleibt daher nur die Möglichkeit anstelle einer einfachenDLC-Schicht nur mehrlagige Schichtsysteme abzuscheiden, was aber einerseitszu einer geringeren Härteund andererseits zu einem deutlich aufwendigeren Prozess führt.
    [0004] Inder DE 198 26 259 sindverschiedene Beispiele von C-MeC Multilagenstrukturen angegeben, diemittels einem Plasma-CVD-Verfahrenhergestellt wurden. Wobei z.B. das Metall (Me) in der Metallcarbid-Schicht(MeC) Wolfram, Chrom oder Titan sein kann und die Kohlenstoffschichtaus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H) besteht. Die Notwendigkeitdie beiden Einzelschichtsysteme in getrennten Gasräumen herstellenzu müssenmacht dieses Verfahren jedoch unbrauchbar für eine industrielle Fertigung.
    [0005] Auchin der EP 0 971 048 wirdeine Me-C:H Schicht und ein Verfahren zur Herstellung einer solchenSchicht beschrieben. Jedoch ist das in der EP 0 971 048 beschriebene Verfahreneine Kombination aus herkömmlichemPVD-Verfahren, wie DC-Magnetronsputternoder Bogenverdampfen und plasmaaktiviertem CVD-Verfahren, indemdurch gepulste Gleichspannung am Substrat ein Plasma gezündet wird.
    [0006] Nachteiligbei allen bekannten Verfahren ist jedoch, dass die Prozesse sehrempfindlich auch auf kleinste Änderungender Randbedingungen reagieren und damit die Ergebnisse, also dieSchichten, teilweise unterschiedliche Eigenschaften, wie z.B. unterschiedlicheSchichtdicken, Härteoder Haftfestigkeit aufweisen. Die Reproduzierbarkeit der Schichteigenschaftenist in jedem Fall eine hohe Herausforderung. Ein Nachteil, den PVD-Verfahrenmit sich bringen, liegt in dem prozessbedingt auftretenden, starkgerichteten Teilchenübertrag.Das abzuscheidende Material verlässtdas Target senkrecht zur Targetoberfläche. Komplexe dreidimensionale Werkstücke müssen daherin jedem Fall aufwendig durch das Beschichtungsplasma bewegt werden,um homogen beschichtet zu werden. Damit ergibt sich auch eine geringedynamische Beschichtungsrate, die für die Wirtschaftlichkeit einesProzesses jedoch entscheidend ist.
    [0007] Darüber hinausist die Targetpositionierung, -dimensionierung sowie der -betriebebenfalls sehr kompliziert, um beispielsweise einen räumlich und stöchiometrischgleichmäßigen Targetabtragbei Sputter- oder Arc-Kathoden zu gewährleisten. Ein Abtrag von Feststofftargetsbringt zudem auch immer die Gefahr von Droplets (Feststofftröpfchen)mit sich, die nur durch aufwendige Filtertechniken völlig unterbundenwerden können.Ein weiterer Nachteil bei fast allen konventionellen PVD- wie CVD-Verfahrensind die notwendig hohen Prozesstemperaturen bei der Abscheidungvon Verschleißschutzschichten,die oft weit über200 °C liegen.Damit ist eine Beschichtung von temperatursensitiven Materialiennicht möglich.
    [0008] Aufgabeder Erfindung ist es, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellungvon diamantartigen Kohlenstoffschichten zur Verfügung zu stellen.
    [0009] DieseAufgabe wird gemäß der Erfindung durchden Gegenstand des unabhängigenAnspruches 1 gelöst.Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    [0010] Indem erfindungsgemäßen Verfahren – Anspruch1 – zurHerstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) einerDicke d mittels eines ionengestütztenAbscheideverfahrens mit seinen Verfahrenschritten wird ein Substratbereitgestellt: Dieses Substrat kann z.B. ein beliebig geformtesStahlsubstrat (z.B.: Kaltarbeitsstahl 1.2379 (X155CrVMol2-1), Edelstahl1.4305 (X 8 CrNiS 18 9), Schnellarbeitsstahl 1.3343 (5 6-5-2), Wälzlagerstahl 1.3505(100Cr6)) sein, wie es beispielsweise für Komponenten in der Antriebstechnikoder fürUmformwerkzeuge in der Kunststoff- oder Metallbearbeitung benutzt wird.Es kann auch aus einer anderen Metalllegierung auf Titan-, Magnesium-,Aluminium- oderKobaltbasis sowie aus Glas, Silizium oder aus einem keramischenMaterial sein.
    [0011] DieHaftungsproblematik, die bei allen gängigen Verfahren ausschließlich über dieEinbringung einer zwischen Substrat und DLC-Schicht gelagerten Haftvermittlerschichtbspw. aus Ti, Cr oder Si gelöst wird,kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftechnisch relevanten Substraten, wie einigen Stahlsorten, alleinschon durch die hohe Teilchenenergie in der Anfangsphase des Prozessesgelöstwerden. Dadurch erfolgt eine Implantation von Ionen sowie ein Ionenmischenvon abgeschiedener Schicht und Substratmaterial am Interface, wasin vielen Substraten zu einer verbesserten Haftung führt. Darüber hinauskann durch einen reinen Implantationsschritt, der dem Beschichtungsprozessin-situ noch vorgeschaltet werden kann, die Werkstückoberfläche auf dienachfolgende Beschichtung chemisch oder mechanisch vorbereitet werden(Pretreatment). Auf manchen Substraten kann sowohl der Pretreatment- alsauch der Ionenmischvorgang zudem unter Verwendung von zusätzlichenElementen neben C und H erfolgen, wie bspw. O, N oder Si. Durchden hochenergetischen Teilchenbeschuss in der Pretreatment- undIonenmischphase des Prozesses kann auch ein graduierter Übergangvon Substratmaterial zum Schichtmaterial aufgebaut werden. Eigenschaftenwie die thermische Stabilitätund die optische Transmission könnenebenfalls überDotierung mit Elementen wie O oder Si gelöst werden. Letztere bspw. aufWerte von über90 %.
    [0012] Vordem eigentlichen Beschichtungsprozess muß die Oberfläche desSubstrates gereinigt werden. Nach der Vorreinigung unter Atmosphärendruck mitz.B. alkoholischen (Isopropanol), ketonischen oder aldehydischen(Aceton) oder wässrigenLösungen(auf alkalischer Basis) wird das Substrat in die Vakuumkammer eingebrachtund dort bei einem Basisdruck zwischen 1·10-4 bis1·10-1 Pa und einem Arbeitsdruck zwischen 1·10-2 bis 10 Pa einem Edelgasionenbeschuss ausgesetzt.Zur Erzeugung der Edelgasionen, z.B. Ar(+n)(n>=1), wird Edelgas indie Vakuumkammer eingelassen und eine Plasmaentladung über eineMikrowellen- (z. B. 2,45 GHz) oder Hoch/-Radiofrequenz (z.B. 13,56MHz) gezündet. Umbei der nachfolgenden Beschichtung die Schichthaftung weiter zuverbessern und Schichtspannungen zu reduzieren, kann das Substrat über eineexterne Heizung (i. a. Strahlungsheizung) und/oder die eingebrachtePlasmaleistung auf Temperaturen bis zu 300°C gebracht werden. In der besondersvorteilhaften Ausführungdes Verfahrens verbleibt die Temperatur unter 200°C, um Materialschonend auch temperatursensitive Substrate zu beschichten. Diese imVergleich zu konventionellen PVD- oder CVD-Verfahren niedrigen Behandlungstemperaturenwerden durch die hohen bis sehr hohen Teilchenenergien (1 bis 30keV) des Verfahrens im Plasma ermöglicht.
    [0013] AlsAusgangsmaterialien (Precursor) zur Herstellung von a-C:H-Schichten können dieunterschiedlichsten gasförmigenoder flüssigenKohlenwasserstoffe mit oder ohne Wasserstoffsubstituenten (Si, F,B, N, O, Metalle), sowie auch kohlenstoffhaltige Feststoffe (z.B.Graphit), die dann überFeststoffquellen wie Vakuumverdampferlichtbogen oder Sputterkathodenin die Gas-/Sublimationsphase gebracht werden, eingesetzt werden.Zur Synthese der diamantartigen Kohlenstoffschichten wird eine Prozessatmosphäre aus mindestenseinem kohlenwasserstoffhaltigen Gas, wie Methan oder Acetylen bzw. schwerenKohlenwasserstoffen wie beispielsweise den Aromaten Benzol (C6H6), Methylbenzol(C7H8) oder Trimethylbenzol(C9H12) und Ar,N, CO, oder CO2 oder Gemischen davon verwendet,wobei der Basisdruck währenddes Abscheideverfahrens in einem Bereich zwischen 1·10-4 Pa und 1·10-1 Pa,vorteilhafterweise bei 5·10-3 Pa und der Arbeitsdruck in einem Bereichzwischen 1·10-2 Pa und 10 Pa, vorteilhafterweise bei 1Pa liegt. Das Prozessgas wird bis zum Arbeitsdruck in die Prozesskammereingeführt undam Zündpunkt(1·10-2 Pa – 1Pa) wird die Plasmaquelle bei einer Leistung von 200 bis 1400 W,vorteilhafterweise 600 W, gezündet.Die Anregung der Gasmoleküledurch die elektromagnetische Strahlung führt zu einer Aufspaltung derBindungen der Prozessgase, wodurch es zur Erzeugung eines Plasmasmit hohen Anteilen an reaktiven ionisierten Atomen, Molekülen und/oderMolekülclusternkommt. Das Plasma breitet sich überDiffusion in der Prozesskammer aus. Die Reaktivität des Plasmasermöglichtalleine schon die Abscheidung einer Schicht auf dem allseitig vomPlasma umgebenen Substrat. Das Plasma kann zudem noch Einfluss aufdie energetischen Zuständeder Oberflächeder zu beschichtenden Substrate nehmen.
    [0014] Ohnedas Anlegen einer Hochspannung an das Substrat ist jedoch bei derVerwendung von Kohlenwasserstoffen nur eine Abscheidung von weichen Polymerfilmenmöglich(Plasmapolymerisation). Bei dem hier beschriebenen Verfahren wirdin einem gepulsten Modus eine negative Hochspannung im Bereich von-0,5 bis -30 kV an das leitfähigeWerkstück bzw.bei isolierenden Substraten dem dahinter angeordneten leitfähigen Substrathalter,angelegt. Die wachsende Schicht auf dem Substrat, das beliebig geformtsein kann, wird somit von den positiv geladenen und auf das Werkstück beschleunigtenIonen aus dem Plasma beschossen. Durch die hohe elektrische Spannung,die an den Werkstückenanliegt, werden die geladenen Teilchen immer senkrecht zu den Äquipotentialflächen unddamit der Werkstückoberfläche beschleunigt.Somit ist ein Beschuss von allen Seiten gleichermaßen gewährleistet.Der Beschuss mit den hochenergetischen Ionen führt zu einer Verdichtung desabgeschiedenen Materials, zu einer Modifikation des H-Gehalts derSchicht sowie einer Modifikation der Bindungszustände in der Schicht(Hybridisierungen) und damit zu einer größeren Härte.
    [0015] Durchdie hohe Energie der Ionen kann gegenüber herkömmlichen Abscheideverfahrenwie z.B. den Sputter- oder Vakuumbogenbeschichtungsverfahren oderden CVD-Verfahren die Abscheiderate erhöht werden und dennoch die notwendigehohe Härteerzielt werden, wobei die Prozesstemperatur, wie erwähnt kleinergleich 200°Cgehalten wird. Entscheidend dafürist, dass die fürmehr abgeschiedenes Schichtvolumen angebotene Teilchenenergie gesteigertwird, also (FU/d), wobei F: Fluenz U: Spannung d: Schichtdicke ist, konstant gehalten wird.
    [0016] Dieskann durch die geeignete Prozessführung bei dem hier beschriebenenVerfahren erfolgen.
    [0017] Diegrößten Abscheideratenbei gleichzeitig hohen Härtenkonnte bei Zündungeines Ar Plasmas unter Zuführungvon Methylbenzol erreicht werden. Die Verwendung anderer Gasspezieswie CH4 oder N2 oderauch einem Gasgemisch mit Ar oder CO2 führte auchzu diamantartigen Kohlenstoffschichten jedoch mit geringerer Aufwachsrateoder geringeren Härten.Die deutlich geringere Abscheiderate bei der Verwendung von leichtenKohlenwasserstoffen wie Methan oder Acetylen als Kohlenstofflieferant,ist auf das ungünstigereC:H-Verhältnisbzw. den höheren Anteilan freien H-Radikalen bei Verwendung dieser Precursoren zurückzuführen. Eswird in diesem Fall sowohl weniger C zur Abscheidung und gleichzeitig mehrreaktive H+-Ionen freigesetzt, so dass eszu einer höheren Ätzrate kommt.In Summe stellt sich damit fürharte Schichten eine geringe Abscheiderate von max. 1 μm/h ein.
    [0018] HerkömmlichePlasma-CVD-Verfahren könnenaus verfahrenstechnischen Gründennur geringe Teilchenenergien aus dem Plasma anbieten. Beim Einsatzvon schweren Kohlenwasserstoffen als Precursoren ist daher nur eineAbscheidung weicher Polymerfilme möglich, da der entscheidendeParameter der Teilchenenergie deutlich zu gering ist und damit nurwenig Energie währendder Abscheidung in der Schicht deponiert werden kann, die aber für die notwendigeModifikation der Bindungsverhältnisse,Aufbrechen von Ketten und Ringen sowie Hybridisierung, benötigt wird.Eine Hochratenabscheidung von harten a-C:H-Schichten aus dieser Art von Precursorenist daher mit konventionellen Plasma-CVD-Verfahren nicht möglich.
    [0019] DieFrequenz der Hochspannungspulse kann bei dem hier beschriebenenVerfahren zwischen 50 Hz und 5000 Hz eingestellt werden, vorteilhafterweisewerden 2000 Hz verwendet, wobei die steigende Flanke der Pulse vorteilhafterweise130 ns lang ist und die Dauer der Pulse ca. 0,5 – 50 μs beträgt, vorteilhafterweise 1 μs.
    [0020] DerIonenbeschuss lässtsich durch eine Ionenfluenz F in der Einheit [Teilchen/cm2] ausdrücken. TypischeAbscheideraten fürDLC Schichten liegen bei diesem Verfahren zwischen 0,5 μm/h und 5 μm/h. Wobeider Vorteil dieses Verfahrens vor allem in der Hochratenabscheidung,d.h. größer 2 μm/h liegt.
    [0021] Überraschenderweisekonnte ein Zusammenhang zwischen der pro abgeschiedenem Schichtvolumenangebotenen Teilchenenergie Ein, die sichaus der Fluenz F der Ionen, der angelegten Pulsspannung U und derSchichtdicke d zu: Ei n = F·U/dergibtund der Schichthärtegefunden werden. Die Schichthärtewurde dabei dynamisch mit Hilfe eines Nanoindenters nach dem Prinzipvon Oliver und Pharr mit einer Berkovich-Diamantspitze ermittelt. Dies erlaubtnun die reproduzierbare Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichtenmit einer Härtein einem Intervall von 1 bis 30 GPa. Je nach Applikation solcherKohlenstoffschichten sind verschiedene Härten notwendig, da mit derHärte auchandere Eigenschaften wie z.B. die Abriebfestigkeit etc. verbunden sind.Es ist daher fürdie wirtschaftliche Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichtenunabdingbar, das Verfahren zur Herstellung solcher Schichten schnellund zuverlässigauf die jeweiligen Anforderung anpassen zu können und somit auch eine Abscheidungharter Schichten mit hohen Raten bei moderaten Beschichtungstemperaturenzu realisieren.
    [0022] Ineinem vorteilhaften Verfahren – Anspruch 2 – wird dasSubstrat vor der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Schicht miteinem Ionenimplantationsschritt (Pretreatment) vorbehandelt. DieserzusätzlicheVerfahrensschritt erhöhtu. a. die Haftung der Schicht auf dem Substrat.
    [0023] Ineinem weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 3 – wird mitdem Bereitstellen einer Prozessatmosphäre aus einem kohlenstoffhaltigenGasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigen Gas und einemTrägergasdarüberhinaus auch ein Dotiergas bereitgestellt. Dies hat vor allem beiApplikationen im Bereich der Halbleiterelektronik den Vorteil, dassder Käuferder nach diesem Verfahren hergestellten Schichten ein Ausgangsmaterialmit einer homogenen Grunddotierung für seine weiteren, eigenen Prozesseerhält.Für mechanischeoder optische Anwendungen bspw. im Bereich des Automobilbaus oderder Optik, können über dieDotierungen fürdiese Anwendungen notwendige Eigenschaften wie Reibwert oder Transparenzapplikationskonform eingestellt werden.
    [0024] Ineinem weiteren vorteilhaften Verfahren Anspruch 4 – ist daskohlenstoffhaltige Gas Kohlenstoff (C), Methan (CH4,Acetylen (C2H2),ein Aromat wie Benzol (C6H6),Methylbenzol (C2H8)oder Trimethylbenzol (C9H12),oder eine andere schwere C-H-Verbindung. All diese Stoffe sind großindustriell leichtherzustellen und eignen sich – nebenihrer Eigenschaft als Kohlenstoffspender – daher besonders für ein wirtschaftlichesBeschichtungsverfahren.
    [0025] Ineinem weiteren vorteilhaften verfahren – Anspruch 5 und 6 – wird alsTrägergasein Edelgas wie z.B. Argon (Ar), oder ein Gas wie Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2),Kohlenmoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2)und als Dotiergas Silan, Silazan oder Siloxan, insbesondere SiH4, HMDS, HMDSO und Derivate, oder Fluor-Precursorenwie Hexafluorbenzol, Fluorbenzol, Tetrafluorethylen, Hexafluorethan,und andere Fluorokohlenwasserstoffe, oder metallorganische Precursorenoder eine Kombination aus diesen Träger- und/oder Dotiergasen verwendet.Der Vorteil bei der Verwendung von gasförmigen oder flüssigen Precursorenliegt darin, dass die notwendigen Dotierungselemente damit homogenim Gasraum zur Verfügungstehen und nicht wie bei Feststoffquellen stark gerichtet aus derQuelle strömen.
    [0026] Ineinem weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 7 – wird daskohlenstoffhaltige Gasgemisch überelektromagnetische Wechselfelder ionisiert. Dieses Verfahren hatden Vorteil, dass die zur Ionisierung einzubringende Energie sehrleicht auf die jeweilige Gasspezies anzupassen ist.
    [0027] Ineinem weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 8 – wird daskohlenstoffhaltige Gasgemisch zusätzlich über eine Vakuumbogenentladung odereinen Ionenabtrag in den Plasmazustand überführt. Dieses Verfahren eignetsich insbesondere bei der Verwendung von Kohlenstofffeststoffen,wie z.B. Graphit, der dann überVakuumverdampferlichtbogen oder Sputterkathoden in die Gas/Sublimationsphasegebracht wird. Hierdurch kann zusätzlich Kohlenstoff zur Verfügung gestelltwerden, um beispielsweise das C:H-Verhältnis weiter zu erhöhen. Auch wennhier von einem zusätzlichenVerfahrenschritt die Rede ist, soll die ausschließliche Verwendung vonKohlenstofffeststoffen zur Bereitstellung der kohlenstoffhaltigenProzessatmosphärenicht ausgeschlossen werden.
    [0028] Inweiteren vorteilhaften Verfahren ist das Substrat – Anspruch9 und 10 – ausStahl, Magnesium, einer Titan- oder Aluminiumlegierung, einer Kobalt-oder Kobalt-Chrom-Legierung,Silizium, Glas oder Keramik. Um bspw. die Standzeiten von Umform-oder Schneidwerkzeugen, von Lagerkomponenten wie Kugeln oder Gehäusen, oderauch von Antriebskomponenten wie Wellen und Zahnräder zu erhöhen, die üblicherweiseaus Stählenwie z.B. 100Cr6/52100, X155CrVMo12-1/D2, X8CrNiS189/303 oder 42CrMoS4 sind,ist es von Vorteil, die Stahlwaren mit reibarmen und harten Verschleißschutzschichtenwie z.B. DLC-Schichten zu versehen. Aber auch für optische Komponenten z.B. Brillengläser, Linsenund Fenster füroptische Systeme, oder auch fürgroßtechnischeAnwendungen wie fürFenstergläseretc. wird eine verschleißfesteund chemisch inerte Oberfläche,wie sie DLC-Schichten bilden, von vielen Industriezweigen gefordert.Eine Erhöhungder Langzeitstabilitätgewinnt vor allem auch in der Medizin auf dem Gebiet der Humanimplantateaufgrund der stetig wachsenden Lebenserwartung der Bevölkerungimmer mehr an Bedeutung. Besonders vorteilhaft ist es daher mitdem erfindungsgemäßen Verfahrenauch typischerweise für Implantategenutzte Materialien, wie Titanlegierungen (z.B. TiAl6V4, TiAl6Nb7, TiNi), CoCr-Legierungen, medizinischeStähle(z.B. 316L) oder keramische Werkstücke (z.B. Al2O3) zu beschichten.
    [0029] Inweiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 11 – wird dieProzesstemperatur unter 200 °C gehalten.Insbesondere bei Substraten die schon eine bestimmte Vorbehandlungerhalten haben, wie beispielsweise gehärtete Stähle, kann eine zu hohe Substrattemperaturbei der Beschichtung grundlegende Eigenschaften des Substrates,wie z.B. die Härte,Duktilitätoder auch Bruchfestigkeit durch Phasenumwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen nachteiligverändern.Unterhalb von 200 °Cist die Gefahr solcher Prozesse sehr gering, so dass die ursprünglichenEigenschaften des Substrates als Kerneigenschaften erhalten bleibenaber die Oberflächeneigenschaftenand die jeweiligen Einsatzanforderungen angepasst und damit nachhaltigverbessert werden können.
    [0030] Inweiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 12 – trifftder Ionenstrom an jeder Stelle des Substrates nahezu senkrecht aufdie Substratoberflächeauf. Durch die hohe elektrische Spannung von -0,5 kV bis -30 kV,die an den Werkstückenanliegt, werden die positiv geladenen Teilchen immer senkrecht zuden Äquipotentialflächen unddamit der Werkstückoberfläche beschleunigt.Somit ist ein gleichmäßiger Beschussvon allen Seiten gewährleistet.Insbesondere bei der Beschichtung komplexer dreidimensionaler Objekte,wie z.B. Umformwerkzeugen, Zahnrädern,Wellen oder Hüftimplantaten,ist eine gleichmäßige Oberflächenbeschichtung ohnedas Werkstückbewegen zu müssenund der hohen Abscheiderate besonders wirtschaftlich.
    [0031] EinAusführungsbeispieleiner Messreihe zu dem überraschenderweisegefundenen Zusammenhang von Schichthärte und Ein wirdim folgenden anhand der Zeichnung näher veranschaulicht. Es zeigt
    [0032] 1 Entwicklungder Schichthärtein Abhängigkeitvon der pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie.
    [0033] In 1 istdie Abhängigkeitder Schichthärtein Abhängigkeitvon der pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie gezeigt. Die gestrichelteingezeichnete Linie dient nur der besseren Anschaulichkeit. F istdie mittels Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) ermittelteIonenfluenz, U ist die Pulsspannung und d die gesamte Schichtdicke.Es ist zu erkennen, dass mit höhererpro Volumen eingebrachter Teilchenenergie die Schichthärte zunimmt,bis sie schließlichein Maximum erreicht. Wird die pro Volumen eingebrachte Teilchenenergieweiter erhöht,so nimmt die Härteder Schicht wieder ab. Korrespondierende Bestimmungen des Wasserstoffgehaltes dergemessenen Schichten zeigen, dass in dem Bereich 1 der 1,also vor dem Härtemaximum,eine Erhöhungder pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie zu einer Erniedrigungdes Wasserstoffgehaltes und einem Ausbilden neuer C-C Bindungenführt. Beidiesen Bindungen handelt es sich sowohl um sp2 aberauch um sp3 Bindungen. Letztere führen zurErhöhungder Schichthärte.Im Bereich 2 der 1, also nach dem Härtemaximum,führt dieErhöhung derpro Volumen eingebrachten Teilchenenergie zu einer Zerstörung dersp3 Bindungen, die dann umgewandelt insp2 Bindungen wiederum zu einer Erniedrigungder Härteführen.
    [0034] Umdie maximal füreine gegebene Arbeitsgaszusammensetzung (Kohlenwasserstoffe undweitere Trägergase)erzielbare Härtebei steigender Abscheiderate zu erhalten, muss gleichzeitig mitder Abscheideratensteigerung auch die pro Schichtvolumen deponierteEnergie erhöhtwerden, was gleichbedeutend mit dem konstant halten des Ein-Parameters ist.
    1 Bereichzunehmender Härte 2 Bereichabnehmender Härte
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Verfahren zur Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten(DLC-Schichten) einer Dicke d mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrensmit den Verfahrenschritten – Bereitstellen eines Substrates – Reinigendes Substrates mittels eines Plasmaätzprozesses – Heizendes Substrates auf eine Prozesstemperatur, wobei die Prozesstemperaturin dem Bereich zwischen 50 °Cund 300 °Cliegt – Bereitstelleneiner Prozessatmosphäreaus einem kohlenstoffhaltigen Gasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigenGas und einem Trägergas, wobeider Basisdruck des Verfahrens in einem Bereich zwischen 1·10-4 Pa und 1·10-1 Pa,und der Arbeitsdruck in einem Bereich zwischen 1·10-2 Paund 10 Pa liegt – Abscheideneiner kohlenstoffhaltigen Schicht aus der Gasphase auf dem Substrat – Erzeugeneines Ionenstromes mittels einer Plasmaentladung und dem Anlegeneiner negativen, gepulsten Spannung U an das Substrat, wobei die Spannungin einem Bereich von -0,5 kV bis -30 kV, die Wiederholrate der Spannungspulsezwischen 50 Hz und 5000 Hz, die Pulslänge zwischen 0,5 μs und 50 μs und derIonenstrom zu einer Ionenfluenz F auf dem Substrat führt dadurchgekennzeichnet, dass die Härte H der diamantartigen Kohlenstoffschichtin einem Bereich von 1 GPa bis 30 GPa über den aus den ProzessparameternF, U, d gebildeter. Parameter Ein = F·U/d einstellbarist und die Abscheiderate der Schicht zwischen 0, 5 μm/h und 5 μm/h liegt.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat vor der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Schichtmit einem Ionenimplantationsschritt vorbehandelt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet,dass mit dem Bereitstellen einer Prozessatmosphäre aus einem kohlenstoffhaltigenGasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigen Gas und einemTrägergasauch mindestens ein Dotiergas bereitgestellt wird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,dass das kohlenstoffhaltige Gas Kohlenstoff (C), Methan (CH4), Acetylen (C2H2), ein Aromat wie Benzol (C6H6), Methylbenzol (C7H8) oder Trimethylbenzol (C9H12) oder eine andere schwere C-H-Verbindungist.
    [5] Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet,dass als Dotiergas Silan, Silazan oder Siloxan, insbesondere SiH4, HMDS, HMDSO und Derivate, Fluor-Precursorenwie HexafluorBenzol, Fluorbenzol, Tetrafluorethylen, Hexafluorethan,und andere Fluorokohlenwaasserstoffe, metallorganische Precursorenoder eine Kombination aus Träger- und/oderdiesen Dotiergasen verwendet wird.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet,dass das verwendete Trägergasein Edelgas wie z.B. Argon (Ar), oder Stickstoff (N2),Sauerstoff (O2), Kohlenmonoxid (CO), oder Kohlendioxid(CO2) ist.
    [7] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet,dass das kohlenstoffhaltige Gasgemisch über elektromagnetische Wechselfelder ionisiertwird.
    [8] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet,dass das kohlenstoffhaltige Gasgemisch zusätzlich über eine Vakuumbogenentladungoder einen Ionenabtrag in den Plasmazustand überführt wird.
    [9] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat Stahl, Magnesium, eine Titan- oder Aluminiumlegierung, eineKobalt- oder Kobalt-Chrom-Legierung, Silizium, Glas oder Keramikist.
    [10] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat eine Komponente aus dem Automobil- oder Maschinenbau,der Antriebs-, Lager- oder Motorentechnik, ein Werkzeug zur Umformung,Zerspanung oder sonstigen Materialbearbeitung, eine Komponente derpharmazeutischen oder chemischen Industrie, ein medizinisches Implantatoder eine optische Komponente ist.
    [11] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet,dass die Prozesstemperatur unter 200 °C gehalten wird.
    [12] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet,dass der Ionenstrom an jeder Stelle des Substrates nahezu senkreichtauf die Substratoberflächeauftrifft.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004004177B4|2006-03-02|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-01| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-08-31| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410004177|DE102004004177B4|2004-01-28|2004-01-28|Verfahren zur Herstellung dünner Schichten sowie dessen Verwendung|DE200410004177| DE102004004177B4|2004-01-28|2004-01-28|Verfahren zur Herstellung dünner Schichten sowie dessen Verwendung|
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