DE102004004177A1 - Producing controlled hardness diamond-like carbon layers on substrates, e.g. machine parts or implants, by ion-supported deposition from mixture of carbon-containing gas and carrier gas - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC) mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrens.The The invention relates to a method for producing diamond-like Carbon films (DLC) by means of an ion-based deposition process.
Es ist allgemein bekannt, verschiedenste Substratmaterialien mit dünnen Filmen aus diamantartigem Kohlenstoff zu beschichten. Diamantartige Kohlenstoffschichten sind Schichten aus amorphem, wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H), die eine große Härte und hohe Elastizität, einen guten Korrosionsschutz, eine hohe chemische Beständigkeit, sehr geringen Reibungskoeffizienten und eine glatte Oberflächenmorphologie aufweisen können. Diese Eigenschaften machen die DLC-Schichten attraktiv für industrielle Applikationen wie z.B. als reibarme und verschleißfeste Schichten bei hohen mechanischen Belastungen. Beispiele für potentielle tribologische Anwendungen von DLC-Schichten sind die Beschichtung von Antriebskomponenten wie Verzahnungen oder Wellen und die Beschichtung von Press- und Gussformen für die Umformtechnik. Ihre gute Biokompatibilität lässt zudem auch auf einen Einsatz im medizinischen Bereich, z.B. als Beschichtung für Endoprothesen im Verankerungs- oder Gelenkbereich und andere Implantate schließen.It is well known, a variety of substrate materials with thin films to coat from diamond-like carbon. Diamond-like carbon layers are layers of amorphous, hydrogen-containing carbon (a-C: H), the one big one Hardness and high elasticity, a good corrosion protection, a high chemical resistance, very low coefficient of friction and a smooth surface morphology can have. These properties make the DLC coatings attractive for industrial use Applications such as as low-friction and wear-resistant layers at high mechanical loads. Examples of potential tribological Applications of DLC coatings are the coating of drive components such as gears or shafts and the coating of press and Molds for the forming technique. Their good biocompatibility also allows for a use in the medical field, e.g. as a coating for endoprostheses in the anchoring or joint area and other implants.
Reine DLC-Schichten können heute trotz ihrer grundsätzlich hervorragenden Eigenschaften auf Grund ihrer hohen Eigenspannung, ihrer schlechten Haftung vor allem beispielsweise auf Stahlsubstraten, und ihrer geringen thermischen Stabilität insbesondere als Verschleißschutz nur mit geringen, für viele Anwendungen unzureichenden Schichtdicken abgeschieden werden oder erfordern aber aufwendig vorbereitete, z.B. mit Haftvermittlerschichten versehene, Substrate oder auch spezielle Dotierungen. Für viele Applikationen verbleibt daher nur die Möglichkeit anstelle einer einfachen DLC-Schicht nur mehrlagige Schichtsysteme abzuscheiden, was aber einerseits zu einer geringeren Härte und andererseits zu einem deutlich aufwendigeren Prozess führt.Pure DLC layers can today in spite of their fundamentals excellent properties due to their high residual stress, their poor adhesion especially on steel substrates, for example, and their low thermal stability, especially as wear protection only with low, for many Applications are deposited inadequate layer thicknesses or but require elaborately prepared, e.g. with adhesive layers provided, substrates or special dopants. For many Applications therefore only have the option instead of a simple one DLC layer only multilayer coating systems deposit, but on the one hand to a lower hardness and on the other hand leads to a much more complex process.
In
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Auch
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Nachteilig bei allen bekannten Verfahren ist jedoch, dass die Prozesse sehr empfindlich auch auf kleinste Änderungen der Randbedingungen reagieren und damit die Ergebnisse, also die Schichten, teilweise unterschiedliche Eigenschaften, wie z.B. unterschiedliche Schichtdicken, Härte oder Haftfestigkeit aufweisen. Die Reproduzierbarkeit der Schichteigenschaften ist in jedem Fall eine hohe Herausforderung. Ein Nachteil, den PVD-Verfahren mit sich bringen, liegt in dem prozessbedingt auftretenden, stark gerichteten Teilchenübertrag. Das abzuscheidende Material verlässt das Target senkrecht zur Targetoberfläche. Komplexe dreidimensionale Werkstücke müssen daher in jedem Fall aufwendig durch das Beschichtungsplasma bewegt werden, um homogen beschichtet zu werden. Damit ergibt sich auch eine geringe dynamische Beschichtungsrate, die für die Wirtschaftlichkeit eines Prozesses jedoch entscheidend ist.adversely however, in all known methods, the processes are very sensitive to even the smallest changes the boundary conditions react and thus the results, so the Layers, partially different properties, e.g. different Layer thickness, hardness or adhesive strength. The reproducibility of the layer properties is in any case a high challenge. A disadvantage, the PVD method bring along, is in the process occurring occurring, strong directed particle transfer. The material to be deposited leaves the target perpendicular to the target surface. Complex three-dimensional workpieces must therefore in any case be moved through the coating plasma consuming, to be homogeneously coated. This results in a low dynamic coating rate, which is responsible for the economy Process, however, is crucial.
Darüber hinaus ist die Targetpositionierung, -dimensionierung sowie der -betrieb ebenfalls sehr kompliziert, um beispielsweise einen räumlich und stöchiometrisch gleichmäßigen Targetabtrag bei Sputter- oder Arc-Kathoden zu gewährleisten. Ein Abtrag von Feststofftargets bringt zudem auch immer die Gefahr von Droplets (Feststofftröpfchen) mit sich, die nur durch aufwendige Filtertechniken völlig unterbunden werden können. Ein weiterer Nachteil bei fast allen konventionellen PVD- wie CVD-Verfahren sind die notwendig hohen Prozesstemperaturen bei der Abscheidung von Verschleißschutzschichten, die oft weit über 200 °C liegen. Damit ist eine Beschichtung von temperatursensitiven Materialien nicht möglich.Furthermore is the target positioning, dimensioning and operation also very complicated, for example, a spatial and stoichiometric uniform target removal to ensure sputtering or arc cathodes. A removal of solids targets also always brings the risk of droplets (solid droplets) with them, which are completely prevented only by elaborate filter techniques can be. Another disadvantage with almost all conventional PVD such as CVD methods are the necessary high process temperatures during deposition wear protection layers, often far beyond 200 ° C lie. This is a coating of temperature-sensitive materials not possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von diamantartigen Kohlenstoffschichten zur Verfügung zu stellen.task The invention is an economical process for the production of diamond-like carbon layers.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.These Task is carried out according to the invention the subject of the independent Claim 1 solved. Advantageous developments emerge from the subclaims.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren – Anspruch 1 – zur Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) einer Dicke d mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrens mit seinen Verfahrenschritten wird ein Substrat bereitgestellt: Dieses Substrat kann z.B. ein beliebig geformtes Stahlsubstrat (z.B.: Kaltarbeitsstahl 1.2379 (X155CrVMol2-1), Edelstahl 1.4305 (X 8 CrNiS 18 9), Schnellarbeitsstahl 1.3343 (5 6-5-2), Wälzlagerstahl 1.3505 (100Cr6)) sein, wie es beispielsweise für Komponenten in der Antriebstechnik oder für Umformwerkzeuge in der Kunststoff- oder Metallbearbeitung benutzt wird. Es kann auch aus einer anderen Metalllegierung auf Titan-, Magnesium-, Aluminium- oder Kobaltbasis sowie aus Glas, Silizium oder aus einem keramischen Material sein.In the method according to the invention - claim 1 - for producing diamond-like carbon layers (DLC layers) of a thickness d by means of an ion-based deposition method with its process steps, a substrate is provided: This substrate may, for example, an arbitrarily shaped steel substrate (eg: cold work steel 1.2379 (X155CrVMol2-1), stainless steel 1.4305 (X 8 CrNiS 18 9), high speed steel 1.3343 (5 6-5-2), bearing steel 1.3505 (100Cr6)), as for example for components in drive technology or used for forming tools in plastics or metalworking. It may also be of another titanium, magnesium, aluminum or cobalt based metal alloy, as well as of glass, silicon or of a ceramic material.
Die Haftungsproblematik, die bei allen gängigen Verfahren ausschließlich über die Einbringung einer zwischen Substrat und DLC-Schicht gelagerten Haftvermittlerschicht bspw. aus Ti, Cr oder Si gelöst wird, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf technisch relevanten Substraten, wie einigen Stahlsorten, allein schon durch die hohe Teilchenenergie in der Anfangsphase des Prozesses gelöst werden. Dadurch erfolgt eine Implantation von Ionen sowie ein Ionenmischen von abgeschiedener Schicht und Substratmaterial am Interface, was in vielen Substraten zu einer verbesserten Haftung führt. Darüber hinaus kann durch einen reinen Implantationsschritt, der dem Beschichtungsprozess in-situ noch vorgeschaltet werden kann, die Werkstückoberfläche auf die nachfolgende Beschichtung chemisch oder mechanisch vorbereitet werden (Pretreatment). Auf manchen Substraten kann sowohl der Pretreatment- als auch der Ionenmischvorgang zudem unter Verwendung von zusätzlichen Elementen neben C und H erfolgen, wie bspw. O, N oder Si. Durch den hochenergetischen Teilchenbeschuss in der Pretreatment- und Ionenmischphase des Prozesses kann auch ein graduierter Übergang von Substratmaterial zum Schichtmaterial aufgebaut werden. Eigenschaften wie die thermische Stabilität und die optische Transmission können ebenfalls über Dotierung mit Elementen wie O oder Si gelöst werden. Letztere bspw. auf Werte von über 90 %.The Liability problem, which in all common procedures exclusively on the Introduction of a bonding agent layer stored between substrate and DLC layer for example, is dissolved from Ti, Cr or Si, can in the inventive method technically relevant substrates, such as some steel grades, alone already by the high particle energy in the initial phase of the process solved become. This results in an implantation of ions and ion mixing of deposited layer and substrate material on the interface, which leads to improved adhesion in many substrates. Furthermore can by a pure implantation step, the coating process In-situ still can be preceded, the workpiece surface on the subsequent coating chemically or mechanically prepared (Pretreatment). On some substrates, both the pretreatment and also the ion mixing process also using additional Elements next to C and H take place, such as O, N or Si. By the high-energy particle bombardment in the pretreatment and Ion mixing phase of the process can also be a graded transition be constructed from substrate material to the layer material. properties like the thermal stability and the optical transmission can also over Doping be solved with elements such as O or Si. The latter, for example, on Values of over 90%.
Vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess muß die Oberfläche des Substrates gereinigt werden. Nach der Vorreinigung unter Atmosphärendruck mit z.B. alkoholischen (Isopropanol), ketonischen oder aldehydischen (Aceton) oder wässrigen Lösungen (auf alkalischer Basis) wird das Substrat in die Vakuumkammer eingebracht und dort bei einem Basisdruck zwischen 1·10-4 bis 1·10-1 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 in die Vakuumkammer eingelassen und eine Plasmaentladung über eine Mikrowellen- (z. B. 2,45 GHz) oder Hoch/-Radiofrequenz (z.B. 13,56 MHz) gezündet. Um bei der nachfolgenden Beschichtung die Schichthaftung weiter zu verbessern und Schichtspannungen zu reduzieren, kann das Substrat über eine externe Heizung (i. a. Strahlungsheizung) und/oder die eingebrachte Plasmaleistung auf Temperaturen bis zu 300°C gebracht werden. In der besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens verbleibt die Temperatur unter 200°C, um Material schonend auch temperatursensitive Substrate zu beschichten. Diese im Vergleich zu konventionellen PVD- oder CVD-Verfahren niedrigen Behandlungstemperaturen werden durch die hohen bis sehr hohen Teilchenenergien (1 bis 30 keV) des Verfahrens im Plasma ermöglicht.Before the actual coating process, the surface of the substrate must be cleaned. After the prepurification under atmospheric pressure with, for example, alcoholic (isopropanol), ketonic or aldehydic (acetone) or aqueous solutions (on an alkaline basis), the substrate is introduced into the vacuum chamber and there at a base pressure between 1 × 10 -4 to 1 × 10 -1 Pa and a working pressure between 1 × 10 -2 to 10 Pa exposed to a noble gas ion bombardment. To generate the noble gas ions, eg Ar (+ n) (n> = 1), noble gas is introduced into the vacuum chamber and a plasma discharge via a microwave (eg 2.45 GHz) or high / radio frequency (eg 13, 56 MHz) ignited. In order to further improve the layer adhesion during the subsequent coating and to reduce layer stresses, the substrate can be brought to temperatures of up to 300 ° C. by means of an external heater (generally radiant heating) and / or the plasma power introduced. In the particularly advantageous embodiment of the method, the temperature remains below 200 ° C to gently coat material and temperature-sensitive substrates. These low treatment temperatures compared to conventional PVD or CVD processes are made possible by the high to very high particle energies (1 to 30 keV) of the process in the plasma.
Als Ausgangsmaterialien (Precursor) zur Herstellung von a-C:H-Schichten können die unterschiedlichsten gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffe mit oder ohne Wasserstoffsubstituenten (Si, F, B, N, O, Metalle), sowie auch kohlenstoffhaltige Feststoffe (z.B. Graphit), die dann über Feststoffquellen wie Vakuumverdampferlichtbogen oder Sputterkathoden in die Gas-/Sublimationsphase gebracht werden, eingesetzt werden. Zur Synthese der diamantartigen Kohlenstoffschichten wird eine Prozessatmosphäre aus mindestens einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas, wie Methan oder Acetylen bzw. schweren Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise den Aromaten Benzol (C6H6), Methylbenzol (C7H8) oder Trimethylbenzol (C9H12) und Ar, N, CO, oder CO2 oder Gemischen davon verwendet, wobei der Basisdruck während des 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 Bereich zwischen 1·10-2 Pa und 10 Pa, vorteilhafterweise bei 1 Pa liegt. Das Prozessgas wird bis zum Arbeitsdruck in die Prozesskammer eingeführt und am Zündpunkt (1·10-2 Pa – 1 Pa) wird die Plasmaquelle bei einer Leistung von 200 bis 1400 W, vorteilhafterweise 600 W, gezündet. Die Anregung der Gasmoleküle durch die elektromagnetische Strahlung führt zu einer Aufspaltung der Bindungen der Prozessgase, wodurch es zur Erzeugung eines Plasmas mit hohen Anteilen an reaktiven ionisierten Atomen, Molekülen und/oder Molekülclustern kommt. Das Plasma breitet sich über Diffusion in der Prozesskammer aus. Die Reaktivität des Plasmas ermöglicht alleine schon die Abscheidung einer Schicht auf dem allseitig vom Plasma umgebenen Substrat. Das Plasma kann zudem noch Einfluss auf die energetischen Zustände der Oberfläche der zu beschichtenden Substrate nehmen.As starting materials (precursor) for the preparation of aC: H layers can be a variety of gaseous or liquid hydrocarbons with or without hydrogen substituents (Si, F, B, N, O, metals), as well as carbonaceous solids (eg graphite), which then Solid source sources such as vacuum evaporator arc or sputtering cathodes are placed in the gas / sublimation phase, can be used. To synthesize the diamond-like carbon layers is a process atmosphere of at least one hydrocarbon-containing gas, such as methane or acetylene or heavy hydrocarbons such as the aromatic benzene (C 6 H 6 ), methylbenzene (C 7 H 8 ) or trimethylbenzene (C 9 H 12 ) and Ar, N, CO, or CO 2 or mixtures thereof, wherein the base pressure during the deposition process in a range between 1 · 10 -4 Pa and 1 · 10 -1 Pa, advantageously at 5 · 10 -3 Pa and the working pressure in a range between 1 × 10 -2 Pa and 10 Pa, advantageously at 1 Pa. The process gas is introduced to the working pressure in the process chamber and at the ignition point (1 · 10 -2 Pa - 1 Pa), the plasma source at a power of 200 to 1400 W, advantageously 600 W ignited. The excitation of the gas molecules by the electromagnetic radiation leads to a splitting of the bonds of the process gases, whereby it comes to the generation of a plasma with high proportions of reactive ionized atoms, molecules and / or molecular clusters. The plasma spreads via diffusion in the process chamber. The reactivity of the plasma alone already allows the deposition of a layer on the substrate surrounded on all sides by the plasma. In addition, the plasma can still influence the energetic states of the surface of the substrates to be coated.
Ohne das Anlegen einer Hochspannung an das Substrat ist jedoch bei der Verwendung von Kohlenwasserstoffen nur eine Abscheidung von weichen Polymerfilmen möglich (Plasmapolymerisation). Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird in einem gepulsten Modus eine negative Hochspannung im Bereich von -0,5 bis -30 kV an das leitfähige Werkstück bzw. bei isolierenden Substraten dem dahinter angeordneten leitfähigen Substrathalter, angelegt. Die wachsende Schicht auf dem Substrat, das beliebig geformt sein kann, wird somit von den positiv geladenen und auf das Werkstück beschleunigten Ionen aus dem Plasma beschossen. Durch die hohe elektrische Spannung, die an den Werkstücken anliegt, werden die geladenen Teilchen immer senkrecht zu den Äquipotentialflächen und damit der Werkstückoberfläche beschleunigt. Somit ist ein Beschuss von allen Seiten gleichermaßen gewährleistet. Der Beschuss mit den hochenergetischen Ionen führt zu einer Verdichtung des abgeschiedenen Materials, zu einer Modifikation des H-Gehalts der Schicht sowie einer Modifikation der Bindungszustände in der Schicht (Hybridisierungen) und damit zu einer größeren Härte.Without the application of a high voltage to the substrate, however, only a deposition of soft polymer films is possible when using hydrocarbons (plasma polymerization). In the method described here, in a pulsed mode, a negative high voltage in the range from -0.5 to -30 kV is applied to the conductive workpiece or, in the case of insulating substrates, to the conductive substrate holder arranged behind it. The growing layer on the substrate, which can be arbitrarily shaped, is thus bombarded by the positively charged and accelerated to the workpiece ions from the plasma. By the high elek As a result of the stress applied to the workpieces, the charged particles are always accelerated perpendicular to the equipotential surfaces and thus the workpiece surface. Thus, an attack from all sides is equally guaranteed. The bombardment with the high-energy ions leads to a densification of the deposited material, to a modification of the H-content of the layer as well as a modification of the bonding states in the layer (hybridizations) and thus to a greater hardness.
Durch die hohe Energie der Ionen kann gegenüber herkömmlichen Abscheideverfahren wie z.B. den Sputter- oder Vakuumbogenbeschichtungsverfahren oder den CVD-Verfahren die Abscheiderate erhöht werden und dennoch die notwendige hohe Härte erzielt werden, wobei die Prozesstemperatur, wie erwähnt kleiner gleich 200°C gehalten wird. Entscheidend dafür ist, dass die für mehr abgeschiedenes Schichtvolumen angebotene Teilchenenergie gesteigert wird, also (FU/d), wobei
- F:
- Fluenz
- U:
- Spannung
- d:
- Schichtdicke ist,
- F:
- fluence
- U:
- tension
- d:
- Layer thickness is,
Dies kann durch die geeignete Prozessführung bei dem hier beschriebenen Verfahren erfolgen.This can by the appropriate litigation in the case described here Procedure done.
Die größten Abscheideraten bei gleichzeitig hohen Härten konnte bei Zündung eines Ar Plasmas unter Zuführung von Methylbenzol erreicht werden. Die Verwendung anderer Gasspezies wie CH4 oder N2 oder auch einem Gasgemisch mit Ar oder CO2 führte auch zu diamantartigen Kohlenstoffschichten jedoch mit geringerer Aufwachsrate oder geringeren Härten. Die deutlich geringere Abscheiderate bei der Verwendung von leichten Kohlenwasserstoffen wie Methan oder Acetylen als Kohlenstofflieferant, ist auf das ungünstigere C:H-Verhältnis bzw. den höheren Anteil an freien H-Radikalen bei Verwendung dieser Precursoren zurückzuführen. Es wird in diesem Fall sowohl weniger C zur Abscheidung und gleichzeitig mehr reaktive H+-Ionen freigesetzt, so dass es zu einer höheren Ätzrate kommt. In Summe stellt sich damit für harte Schichten eine geringe Abscheiderate von max. 1 μm/h ein.The highest deposition rates with simultaneous high hardness could be achieved by ignition of an Ar plasma with methylbenzene feed. The use of other gas species such as CH 4 or N 2 or even a gas mixture with Ar or CO 2 also led to diamond-like carbon layers but with lower growth rate or lower hardness. The significantly lower deposition rate when using light hydrocarbons such as methane or acetylene as a carbon source is due to the less favorable C: H ratio or the higher proportion of free H radicals when using these precursors. In this case, both less C is released for deposition and at the same time more reactive H + ions, so that there is a higher etch rate. In total, this results in a low deposition rate of max. 1 μm / h.
Herkömmliche Plasma-CVD-Verfahren können aus verfahrenstechnischen Gründen nur geringe Teilchenenergien aus dem Plasma anbieten. Beim Einsatz von schweren Kohlenwasserstoffen als Precursoren ist daher nur eine Abscheidung weicher Polymerfilme möglich, da der entscheidende Parameter der Teilchenenergie deutlich zu gering ist und damit nur wenig Energie während der Abscheidung in der Schicht deponiert werden kann, die aber für die notwendige Modifikation der Bindungsverhältnisse, Aufbrechen von Ketten und Ringen sowie Hybridisierung, benötigt wird. Eine Hochratenabscheidung von harten a-C:H-Schichten aus dieser Art von Precursoren ist daher mit konventionellen Plasma-CVD-Verfahren nicht möglich.conventional Plasma CVD methods can for procedural reasons offer only small particle energies from the plasma. When used of heavy hydrocarbons as precursors is therefore only one Deposition of soft polymer films possible because the decisive Parameter of particle energy is clearly too low and therefore only little energy during the deposit can be deposited in the layer, but for the necessary Modification of the bonding conditions, Breaking chains and rings as well as hybridization is needed. High rate deposition of hard a-C: H layers from this type of precursor is therefore not possible with conventional plasma CVD methods.
Die Frequenz der Hochspannungspulse kann bei dem hier beschriebenen Verfahren zwischen 50 Hz und 5000 Hz eingestellt werden, vorteilhafterweise werden 2000 Hz verwendet, wobei die steigende Flanke der Pulse vorteilhafterweise 130 ns lang ist und die Dauer der Pulse ca. 0,5 – 50 μs beträgt, vorteilhafterweise 1 μs.The Frequency of the high voltage pulses may be as described herein Method can be set between 50 Hz and 5000 Hz, advantageously 2000 Hz are used, the rising edge of the pulses advantageously 130 ns long and the duration of the pulses is approximately 0.5-50 μs, advantageously 1 μs.
Der Ionenbeschuss lässt sich durch eine Ionenfluenz F in der Einheit [Teilchen/cm2] ausdrücken. Typische Abscheideraten für DLC Schichten liegen bei diesem Verfahren zwischen 0,5 μm/h und 5 μm/h. Wobei der Vorteil dieses Verfahrens vor allem in der Hochratenabscheidung, d.h. größer 2 μm/h liegt.The ion bombardment can be expressed by an ion fluence F in the unit [particle / cm 2 ]. Typical deposition rates for DLC layers in this process are between 0.5 μm / h and 5 μm / h. The advantage of this method is above all in the high-rate deposition, ie greater than 2 μm / h.
Überraschenderweise
konnte ein Zusammenhang zwischen der pro abgeschiedenem Schichtvolumen
angebotenen Teilchenenergie Ein, die sich
aus der Fluenz F der Ionen, der angelegten Pulsspannung U und der
Schichtdicke d zu:
In einem vorteilhaften Verfahren – Anspruch 2 – wird das Substrat vor der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Schicht mit einem Ionenimplantationsschritt (Pretreatment) vorbehandelt. Dieser zusätzliche Verfahrensschritt erhöht u. a. die Haftung der Schicht auf dem Substrat.In an advantageous method - claim 2 - is the Substrate prior to deposition of the carbonaceous layer with pretreated with an ion implantation step (pretreatment). This additional Process step increased u. a. the adhesion of the layer to the substrate.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 3 – wird mit dem Bereitstellen einer Prozessatmosphäre aus einem kohlenstoffhaltigen Gasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem Trägergas darüber hinaus auch ein Dotiergas bereitgestellt. Dies hat vor allem bei Applikationen im Bereich der Halbleiterelektronik den Vorteil, dass der Käufer der nach diesem Verfahren hergestellten Schichten ein Ausgangsmaterial mit einer homogenen Grunddotierung für seine weiteren, eigenen Prozesse erhält. Für mechanische oder optische Anwendungen bspw. im Bereich des Automobilbaus oder der Optik, können über die Dotierungen für diese Anwendungen notwendige Eigenschaften wie Reibwert oder Transparenz applikationskonform eingestellt werden.In a further advantageous method - claim 3 - is also with the provision of a process atmosphere of a carbon-containing gas mixture of at least one carbon-containing gas and a carrier gas also Doping gas provided. This has the advantage, above all in applications in the field of semiconductor electronics, that the purchaser of the layers produced by this process receives a starting material with a homogeneous base doping for his further own processes. For mechanical or optical applications, for example in the field of automotive engineering or optics, it is possible to set properties that are necessary for these applications, such as coefficient of friction or transparency, in accordance with the application.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren Anspruch 4 – ist das kohlenstoffhaltige 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 leicht herzustellen und eignen sich – neben ihrer Eigenschaft als Kohlenstoffspender – daher besonders für ein wirtschaftliches Beschichtungsverfahren.In a further advantageous method claim 4 - the carbonaceous gas is carbon (C), methane (CH 4 , acetylene (C 2 H 2 ), an aromatic such as benzene (C 6 H 6 ), methylbenzene (C 2 H 8 ) or trimethylbenzene (C 9 H 12 ), or another heavy CH compound, all of which are industrially easy to produce and, in addition to being carbon donors, are therefore particularly suitable for an economical coating process.
In einem weiteren vorteilhaften verfahren – Anspruch 5 und 6 – wird als Trägergas ein 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-Precursoren wie Hexafluorbenzol, Fluorbenzol, Tetrafluorethylen, Hexafluorethan, und andere Fluorokohlenwasserstoffe, oder metallorganische Precursoren oder eine Kombination aus diesen Träger- und/oder Dotiergasen verwendet. Der Vorteil bei der Verwendung von gasförmigen oder flüssigen Precursoren liegt darin, dass die notwendigen Dotierungselemente damit homogen im Gasraum zur Verfügung stehen und nicht wie bei Feststoffquellen stark gerichtet aus der Quelle strömen.In a further advantageous method - claim 5 and 6 - is as a carrier gas, a noble gas such as argon (Ar), or a gas such as nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ) and as doping silane, silazane or siloxane, in particular SiH 4 , HMDS, HMDSO and derivatives, or fluorine precursors such as hexafluorobenzene, fluorobenzene, tetrafluoroethylene, hexafluoroethane, and other fluorohydrocarbons, or organometallic precursors or a combination of these carrier and / or doping gases used , The advantage of using gaseous or liquid precursors is that the necessary doping elements are therefore available homogeneously in the gas space and do not flow from the source in a highly directional manner, as in the case of solid sources.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 7 – wird das kohlenstoffhaltige Gasgemisch über elektromagnetische Wechselfelder ionisiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die zur Ionisierung einzubringende Energie sehr leicht auf die jeweilige Gasspezies anzupassen ist.In a further advantageous method - claim 7 - is the carbonaceous gas mixture over Electromagnetic alternating fields ionized. This procedure has the advantage that the energy to be introduced for ionization is very easy to adapt to the respective gas species.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 8 – wird das kohlenstoffhaltige Gasgemisch zusätzlich über eine Vakuumbogenentladung oder einen Ionenabtrag in den Plasmazustand überführt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Kohlenstofffeststoffen, wie z.B. Graphit, der dann über Vakuumverdampferlichtbogen oder Sputterkathoden in die Gas/Sublimationsphase gebracht wird. Hierdurch kann zusätzlich Kohlenstoff zur Verfügung gestellt werden, um beispielsweise das C:H-Verhältnis weiter zu erhöhen. Auch wenn hier von einem zusätzlichen Verfahrenschritt die Rede ist, soll die ausschließliche Verwendung von Kohlenstofffeststoffen zur Bereitstellung der kohlenstoffhaltigen Prozessatmosphäre nicht ausgeschlossen werden.In a further advantageous method - claim 8 - is the carbon-containing gas mixture additionally via a vacuum arc discharge or transferred a Ionenabtrag in the plasma state. This method is suitable especially when using carbon solids, such as. Graphite, then over Vacuum evaporator arc or sputtering cathodes in the gas / sublimation phase is brought. In this way, additional carbon can be made available for example, to further increase the C: H ratio. Even if here from an additional Procedural step, the exclusive use of Carbon solids to provide the carbonaceous process atmosphere not be excluded.
In weiteren vorteilhaften Verfahren ist das Substrat – Anspruch 9 und 10 – aus Stahl, 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, oder auch von Antriebskomponenten wie Wellen und Zahnräder zu erhöhen, die üblicherweise aus Stählen wie z.B. 100Cr6/52100, X155CrVMo12-1/D2, X8CrNiS189/303 oder 42CrMoS4 sind, ist es von Vorteil, die Stahlwaren mit reibarmen und harten Verschleißschutzschichten wie z.B. DLC-Schichten zu versehen. Aber auch für optische Komponenten z.B. Brillengläser, Linsen und Fenster für optische Systeme, oder auch für großtechnische Anwendungen wie für Fenstergläser etc. wird eine verschleißfeste und chemisch inerte Oberfläche, wie sie DLC-Schichten bilden, von vielen Industriezweigen gefordert. Eine Erhöhung der Langzeitstabilität gewinnt vor allem auch in der Medizin auf dem Gebiet der Humanimplantate aufgrund der stetig wachsenden Lebenserwartung der Bevölkerung immer mehr an Bedeutung. Besonders vorteilhaft ist es daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch typischerweise für Implantate genutzte Materialien, wie Titanlegierungen (z.B. TiAl6V4, TiAl6Nb7, TiNi), CoCr-Legierungen, medizinische Stähle (z.B. 316L) oder keramische Werkstücke (z.B. Al2O3) zu beschichten.In further advantageous methods, the substrate - claim 9 and 10 - of steel, magnesium, a titanium or aluminum alloy, a cobalt or cobalt-chromium alloy, silicon, glass or ceramic. For example, to increase the service life of forming or cutting tools, of bearing components such as balls or housings, or of drive components such as shafts and gears, usually made of steels such as 100Cr6 / 52100, X155CrVMo12-1 / D2, X8CrNiS189 / 303 or 42CrMoS4 It is advantageous to provide the steel products with low friction and hard wear protection layers such as DLC coatings. But also for optical components such as lenses, lenses and windows for optical systems, or for large-scale applications such as window glass, etc., a wear-resistant and chemically inert surface, as they form DLC layers, required by many industries. An increase in long-term stability is becoming increasingly important, especially in medicine in the field of human implants due to the ever-increasing life expectancy of the population. It is therefore particularly advantageous with the inventive method also typically used for implants materials, such as titanium alloys (eg TiAl 6 V 4 , TiAl 6 Nb 7 , TiNi), CoCr alloys, medical steels (eg 316L) or ceramic workpieces (eg Al 2 O 3 ) to coat.
In weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 11 – wird die Prozesstemperatur unter 200 °C gehalten. Insbesondere bei Substraten die schon eine bestimmte Vorbehandlung erhalten haben, wie beispielsweise gehärtete Stähle, kann eine zu hohe Substrattemperatur bei der Beschichtung grundlegende Eigenschaften des Substrates, wie z.B. die Härte, Duktilität oder auch Bruchfestigkeit durch Phasenumwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen nachteilig verändern. Unterhalb von 200 °C ist die Gefahr solcher Prozesse sehr gering, so dass die ursprünglichen Eigenschaften des Substrates als Kerneigenschaften erhalten bleiben aber die Oberflächeneigenschaften and die jeweiligen Einsatzanforderungen angepasst und damit nachhaltig verbessert werden können.In Another advantageous method - claim 11 - is the Process temperature kept below 200 ° C. Especially with substrates that already have a certain pretreatment obtained, such as hardened steels, may be too high a substrate temperature in coating basic properties of the substrate, such as. the hardness, ductility or breaking strength by phase transformations and / or microstructural transformations disadvantageous change. Below 200 ° C the risk of such processes is very low, leaving the original ones Properties of the substrate are retained as core properties but the surface properties adapted to the respective application requirements and thus sustainable can be improved.
In weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 12 – trifft der Ionenstrom an jeder Stelle des Substrates nahezu senkrecht auf die Substratoberfläche auf. Durch die hohe elektrische Spannung von -0,5 kV bis -30 kV, die an den Werkstücken anliegt, werden die positiv geladenen Teilchen immer senkrecht zu den Äquipotentialflächen und damit der Werkstückoberfläche beschleunigt. Somit ist ein gleichmäßiger Beschuss von allen Seiten gewährleistet. Insbesondere bei der Beschichtung komplexer dreidimensionaler Objekte, wie z.B. Umformwerkzeugen, Zahnrädern, Wellen oder Hüftimplantaten, ist eine gleichmäßige Oberflächenbeschichtung ohne das Werkstück bewegen zu müssen und der hohen Abscheiderate besonders wirtschaftlich.In further advantageous methods - claim 12 - the ion current strikes the substrate surface almost perpendicularly at any point on the substrate. Due to the high electrical voltage of -0.5 kV to -30 kV, which is applied to the workpieces, the positively charged particles are always accelerated perpendicular to the equipotential surfaces and thus the workpiece surface. Thus, a uniform fire is guaranteed from all sides. Especially when coating komple xer three-dimensional objects, such as forming tools, gears, shafts or hip implants, is a uniform surface coating without having to move the workpiece and the high deposition rate is particularly economical.
Ein Ausführungsbeispiel einer Messreihe zu dem überraschenderweise gefundenen Zusammenhang von Schichthärte und Ein wird im folgenden anhand der Zeichnung näher veranschaulicht. Es zeigtAn exemplary embodiment of a series of measurements on the surprisingly found relationship between layer hardness and E in is illustrated in more detail below with reference to the drawing. It shows
In
Um die maximal für eine gegebene Arbeitsgaszusammensetzung (Kohlenwasserstoffe und weitere Trägergase) erzielbare Härte bei steigender Abscheiderate zu erhalten, muss gleichzeitig mit der Abscheideratensteigerung auch die pro Schichtvolumen deponierte Energie erhöht werden, was gleichbedeutend mit dem konstant halten des Ein-Parameters ist.In order to obtain the maximum achievable for a given working gas composition (hydrocarbons and other carrier gases) hardness with increasing deposition rate, simultaneously with the Abscheideratensteigerung and the deposited per shift volume energy must be increased, which is synonymous with the constant hold of the E in parameter.
- 11
- Bereich zunehmender HärteArea increasing hardness
- 22
- Bereich abnehmender HärteArea decreasing hardness
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