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DE102004004177B4 - Process for producing thin layers and its use - Google Patents

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DE102004004177B4
DE102004004177B4 DE200410004177 DE102004004177A DE102004004177B4 DE 102004004177 B4 DE102004004177 B4 DE 102004004177B4 DE 200410004177 DE200410004177 DE 200410004177 DE 102004004177 A DE102004004177 A DE 102004004177A DE 102004004177 B4 DE102004004177 B4 DE 102004004177B4
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Germany
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substrate
carbon
gas
layer
range
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German (de)
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Claus Dr. Hammerl
Götz Dipl.-Phys. Thorwarth
Bernd Dr. Schey
Marcus Dr. Kuhn
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AXYNTEC DUENNSCHICHTTECHNIK GM
Axyntec Duennschichttechnik GmbH
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AXYNTEC DUENNSCHICHTTECHNIK GM
Axyntec Duennschichttechnik GmbH
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Abstract

Verfahren zur Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) einer Dicke d mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrens mit den Verfahrenschritten
– Bereitstellen eines Substrates
– Reinigen des Substrates mittels eines Plasmaätzprozesses
– Heizen des Substrates auf eine Prozesstemperatur, wobei die Prozesstemperatur in dem Bereich zwischen 50 °C und 300 °C liegt
– Bereitstellen einer Prozessatmosphäre aus einem kohlenstoffhaltigen Gasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem Trägergas, wobei der 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 Pa und 10 Pa liegt
– Abscheiden einer kohlenstoffhaltigen Schicht aus der Gasphase auf dem Substrat
– Erzeugen eines Ionenstromes mittels einer Plasmaentladung und Anlegens einer negativen, gepulsten Spannung U an das Substrat, wobei die Spannung in einem Bereich von –0,5 kV bis –30 kV, die Wiederholrate der Spannungspulse zwischen 50 Hz und 5000 Hz, die Pulslänge zwischen 0,5...
Method for producing diamond-like carbon layers (DLC layers) of thickness d by means of an ion-supported deposition method using the method steps
- Providing a substrate
- Cleaning the substrate by means of a plasma etching process
- Heating the substrate to a process temperature, wherein the process temperature is in the range between 50 ° C and 300 ° C.
- Providing a process atmosphere of a carbon-containing gas mixture of at least one carbon-containing gas and a carrier gas, wherein the base pressure of the process in a range between 1 · 10 -4 Pa and 1 · 10 -1 Pa, and the working pressure in a range between 1 · 10th -2 Pa and 10 Pa
- Depositing a carbon-containing layer of the gas phase on the substrate
Generating an ion current by means of a plasma discharge and applying a negative, pulsed voltage U to the substrate, wherein the voltage in a range from -0.5 kV to -30 kV, the repetition rate of the voltage pulses between 50 Hz and 5000 Hz, the pulse length between 0.5 ...

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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 der DE 198 26 259 sind verschiedene Beispiele von C-MeC Multilagenstrukturen angegeben, die mittels einem Plasma-CVD-Verfahren hergestellt wurden. Wobei z.B. das Metall (Me) in der Metallcarbid-Schicht (MeC) Wolfram, Chrom oder Titan sein kann und die Kohlenstoffschicht aus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H) besteht. Die Notwendigkeit die beiden Einzelschichtsysteme in getrennten Gasräumen herstellen zu müssen macht dieses Verfahren jedoch unbrauchbar für eine industrielle Fertigung.In the DE 198 26 259 various examples of C-MeC multilayer structures prepared by a plasma CVD method are given. Whereby, for example, the metal (Me) in the metal carbide layer (MeC) may be tungsten, chromium or titanium and the carbon layer consists of amorphous hydrogen-containing carbon (aC: H). However, the need to manufacture the two single-layer systems in separate gas spaces renders this process unsuitable for industrial production.

Auch in der EP 0 971 048 wird eine Me-C:H Schicht und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht beschrieben. Jedoch ist das in der EP 0 971 048 beschriebene Verfahren eine Kombination aus herkömmlichem PVD-Verfahren, wie DC-Magnetronsputtern oder Bogenverdampfen und plasmaaktiviertem CVD-Verfahren, indem durch gepulste Gleichspannung am Substrat ein Plasma gezündet wird.Also in the EP 0 971 048 For example, a Me-C: H layer and a method for producing such a layer will be described. However, that is in the EP 0 971 048 described method a combination of conventional PVD method, such as DC magnetron sputtering or arc evaporation and plasma-enhanced CVD method by a plasma is ignited by pulsed DC voltage to the substrate.

Die US 6,572,935 stellt auf die DLC-Beschichtung von Kunsstoffen wie PMMA und damit auf eine Beschichtung bei niedrigen Substrattemperaturen ab.The US 6,572,935 focuses on the DLC coating of plastics such as PMMA and thus on a coating at low substrate temperatures.

Beschrieben wird ein Verfahren zur Bildung einer haftenden, optisch transparenten, kratzfesten, diamantartigen Beschichtung auf einem Substrat mit den Schritten:

  • – Anlegen einer negativ gepulsten Spannung an das Substrat in der Höhe zwischen 100 und 1000 V mit einer Pulsbreite von 20 μs
  • – Einbringen des negativ vorgespannten Substrates in ein Plasma, das Ionen mit C und H und B Anteil enthält, wobei die Ionen auf die Oberfläche des Substrates beschleunigt werden und dort eine optisch transparente, kratzfeste, diamantartige Schicht mit 4–8 Prozent Bor bilden.
A method is described for forming an adherent, optically transparent, scratch-resistant, diamond-like coating on a substrate with the steps:
  • - Applying a negative pulsed voltage to the substrate in the height between 100 and 1000 V with a pulse width of 20 microseconds
  • - Introducing the negatively biased substrate in a plasma containing ions with C and H and B content, wherein the ions are accelerated to the surface of the substrate and form there an optically transparent, scratch-resistant, diamond-like layer with 4-8 percent boron.

Das Verfahren wird bei einer Substrattemperatur von 0–200°C, bei einem Basisdruck von 1,3·10–4 Pa und bei einem Arbeitsdruck zwischen 0,04 und 0,93 Pa durchgeführt. Dieses Verfahren führt zu DLC-Schichten mit einer Härte zwischen 27 und 29 GPa mit einer Dicke von 100 bis 300 nm bei einer Abscheidegeschwindigkeit zwischen 0,02 und 0,05 nm/s.The process is carried out at a substrate temperature of 0-200 ° C, at a base pressure of 1.3 · 10 -4 Pa and at a working pressure between 0.04 and 0.93 Pa. This process results in DLC layers having a hardness between 27 and 29 GPa with a thickness of 100 to 300 nm at a deposition rate between 0.02 and 0.05 nm / s.

Die WO 00/75394 stellt auf eine Verbesserung der Schichthaftung einer DLC-Schicht auf einem Substrat ab und offenbart ein Verfahren zur mindestens teilweisen Beschichtung eines Substrates in einer Vakuumkammer mit den Schritten:

  • – Reinigen des Substrates mittels Beschuß mit Ionen eines inerten Gases
  • – Einlassen eines Precursors der die Elemente C, H, Si und N enthält in die Vakuumkammer
  • – Ausbilden eines Plasmas aus dem Precursor und Abscheiden einer Schicht aus den Plasmakomponenten auf dem zwischen 0,2 und 1,2 kV negativ vorgespannten Substrat
WO 00/75394 is directed to an improvement in the layer adhesion of a DLC layer on a substrate and discloses a method for at least partially coating a substrate in a vacuum chamber, comprising the steps of:
  • - Cleaning the substrate by bombardment with ions of an inert gas
  • - Admitting a precursor containing the elements C, H, Si and N in the vacuum chamber
  • - Forming a plasma from the precursor and depositing a layer of the plasma components on the 0.2 to 1.2 kV negatively biased substrate

Die Frequenz der DC Biasspannung kann zwischen 30 und 1000 Hz variieren. Hergestellt werden nach diesem Verfahren u.a. Si-N dotierte DLC Schichten mit einer Härte von 15,8 GPa und Multilayerschichten mit einer Gesamtdicke von 2,5 μm und einer Härte von 21,4 GPa die auch DLC-Schichten enthalten. Die WO 00/75394 stellt in ihren sämtlichen Ausführungsformen auf die Haftung der DLC Schicht bzw. der Multilayerschichten ab für die mittels Scratchtest eine Haftung besser als 22 N gemessen wird und welche durch die Si-N Dotierung der DLC-Schicht verbessert wird.The frequency of the DC bias voltage can vary between 30 and 1000 Hz. Si-N doped DLC layers with a hardness of 15.8 GPa and multilayer layers with a total thickness of 2.5 μm and a hardness of 21.4 GPa, which also contain DLC layers, are produced by this process. In all its embodiments, WO 00/75394 is based on the adhesion of the DLC layer or the multilayer layers for which the adhesion is better than 22 N by means of a scratch test and which is improved by the Si-N doping of the DLC layer.

Die DE 69605280 offenbart die Abscheidung einer diamantartigen Kohlenstoffschicht in großem Umfang und bei niederem Druck mittels einer „umhüllenden" Plasmaionenabscheidung. Das Plasma wird vorzugsweise mittels einer Elektronenquelle – wie z.B. einem Heizfaden oder einer Hohlkathode- und einer Spannung zwischen Heizfaden und Reaktorwand erzeugt. Hierdurch werden die Elektronen in Richtung Kammerwand beschleunigt und treten auf Ihrem Weg mit dem Prozessgas im Reaktor in Wechselwirkung. Die so entstehenden Ionen werden auf das wiederum negativ (0–3kV) vorgespannte Substrat gelenkt und dort abgeschieden. Es werden verschiedene Metalle, wie M-2 Werkzeugstahl, 304 Edelstahl oder KFZ-Kolben aus einer AL-390 Legierung beschichtet. Es wird jedoch keinerlei Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und Schichteigenschaften, wie die Schichthärte gelehrt.The DE 69605280 discloses the deposition of a diamond-like carbon layer on a large scale and at low pressure by means of an "enveloping" plasma ion deposition The plasma is preferably generated by means of an electron source such as a filament or a hollow cathode and a voltage between filament and reactor wall In the direction of the chamber wall, they accelerate and interact with the process gas in the reactor on their way, and the resulting ions are directed to and deposited on the negative (0-3kV) substrate, which is made up of various metals such as M-2 tool steel, 304 stainless steel or AL-390 alloy automotive pistons, however, no relationship between process parameters and layer properties, such as layer hardness, is taught.

Die DE 69812092 betrifft das Gebiet der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) zur Herstellung dünner diamantähnlicher Kohlenstoffschichten vor allem auf spitzen oder gewinkelten Oberflächen, wie Nadelspitzen, oder Rasierklingenschneiden. Wobei die Erfindung explizit auf die Abscheidung unter Niedrigenergie (100–1000V) Ionenbeschuß zur Ausbildung einer dichten, dünnen a-C:H Schicht auf einem Substrat ohne ein Stengelwachstum abstellt.The DE 69812092 relates to the field of chemical vapor deposition (CVD) for the production of thin diamond-like carbon layers, especially on pointed or angled surfaces, such as needle points, or razor blade cutting. The invention is explicitly directed to deposition under low energy (100-1000V) ion bombardment to form a dense, thin aC: H layer on a substrate without stem growth.

Die DE 19826259 betrifft ein Verfahren zum Vakuumbeschichten eines Substrates mit einem Plasma-CVD-Verfahren, wobei die an das Substrat angelegte Spannung unabhängig von dem Beschichtungsplasma erzeugt wird und die Substratspannung während der Abscheidung variiert wird.The DE 19826259 relates to a method of vacuum deposition of a substrate by a plasma CVD method, wherein the voltage applied to the substrate is generated independently of the coating plasma and the substrate voltage is varied during the deposition.

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. 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.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. In addition, the target positioning, dimensioning and operation also very complicated, for example, a spatially and stoichiometric uniform target removal at 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 (S 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 inventive method - claim 1 - to Production of diamond-like carbon layers (DLC layers) Thickness d by means of an ion-based deposition method its process steps provide a substrate. This substrate may e.g. an arbitrarily shaped steel substrate (e.g. Cold work steel 1.2379 (X155CrVMol2-1), stainless steel 1.4305 (X 8 CrNiS 18 9), high-speed steel 1.3343 (S 6-5-2), bearing steel 1.3505 (100Cr6)) such as for components in drive technology or for Forming tools used in plastics or metalworking. It can also be made of another metal alloy on titanium, magnesium, Aluminum or Cobalt base and glass, silicon or ceramic Be 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 problem of adhesion, which is solved in all conventional processes exclusively by the introduction of a bonding agent layer stored between substrate and DLC layer, for example, from Ti, Cr or Si, in the inventive method on technically relevant substrates, such as some steel grades alone by the high particle energy to be solved in the initial phase of the process. This results in implantation of ions and ion mixing of deposited layer and substrate material at the interface, resulting in improved adhesion in many substrates. In addition, the workpiece surface can be prepared chemically or mechanically for the subsequent coating (pretreatment) by a pure implantation step, which can still be preceded in situ by the coating process. On some substrates, both the pretreatment and the ion mixing process can also be done using additional elements besides C and H, such as O, N or Si. Due to the high energy particle bombardment in the pretreatment and ion mixing phase of the process, a graded transition from substrate material to layer material can also be established. Properties such as thermal stability and optical transmission can also be solved by doping with elements such as O or Si. The latter, for example, to 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, welche vor weiteren Verfahrenschritten bis zu einem Druck zwischen 1·10–4 bis 1·10–1 Pa evakuiert wird (Basisdruck). 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. Hierbei ergibt sich in der Vakuumkammer ein Druck zwischen 1·10–2 bis 10 Pa (Arbeitsdruck beim Subtsratreinigungprozess durch Edelgasionenbeschuss) in dem das Substrat einem Edelgasionenbeschuss ausgesetzt wird.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, which before further process steps up to a pressure between 1 · 10 -4 to 1 · 10 -1 Pa is evacuated (base pressure). To generate the noble gas ions, for example 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. This results in the vacuum chamber, a pressure between 1 × 10 -2 to 10 Pa (working pressure at Subtsratreinigungprozess by inert gas ion bombardment) in which the substrate is exposed to a noble gas ion bombardment.

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.Around in the subsequent coating, the layer adhesion on improve and reduce layer stresses, the substrate can be over a external heating (ia radiant heating) and / or the introduced Plasma power can be brought to temperatures up to 300 ° C. In the particular advantageous embodiment of the process, the temperature remains below 200 ° C to material gentle also to coat temperature-sensitive substrates. These in comparison to conventional PVD or CVD processes low treatment temperatures are due to the high to very high particle energies (1 to 30 keV) of the method 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 (C7HB) 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.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, 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 B ) 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.

Das Plasma kann zudem noch Einfluss auf die energetischen Zustände der Oberfläche der zu beschichtenden Substrate nehmen.The Plasma can also influence the energetic states of the plasma surface take 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 However, the application of a high voltage to the substrate is in the Use of hydrocarbons only deposition of soft polymer films possible (Plasma). In the method described here is in a pulsed mode, a negative high voltage in the range of -0.5 to -30 kV the conductive one Workpiece or for insulating substrates, the conductive substrate holder arranged behind it, created. The growing layer on the substrate, shaped arbitrarily can thus be from the positively charged and accelerated to the workpiece Bombarded ions from the plasma. Due to the high electrical voltage, the on the workpieces is applied, the charged particles are always perpendicular to the equipotential surfaces and thus accelerating the workpiece surface. Thus, an attack from all sides is equally guaranteed. The bombardment with the high - energy ions leads to a compression 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 Abscheidegeschwindigkeit 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,
konstant gehalten wird.The high energy of the ions can be compared to conventional deposition methods such as the sputtering or vacuum arc coating method or the CVD method, the deposition rate can be increased and still the necessary high hardness can be achieved, the process temperature, as mentioned, less than or equal to 200 ° C. The decisive factor is that the particle energy offered for more deposited layer volumes is increased, ie (FU / d), where
F:
fluence
U:
tension
d:
Layer thickness is,
is kept constant.

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 Abscheidegeschwindigkeiten 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.The highest deposition rates with simultaneously high hardness could be achieved by ignition of an Ar plasma with the addition of methylbenzene. 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.

Die deutlich geringere Abscheidegeschwindigkeit 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 Abscheidegeschwindigkeit von max. 1 μm/h ein.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 sum, 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 about 0.5-50 μs, advantageously 1 μs.

Der Ionenbeschuss lässt sich durch eine Ionenfluenz F in der Einheit [Teilchen/cm2] ausdrücken. Typische Abscheidegeschwindigkeiten 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: Ein = F·U/dergibt und der Schichthärte gefunden werden. Die Schichthärte wurde dabei dynamisch mit Hilfe eines Nanoindenters nach dem Prinzip von Oliver und Pharr mit einer Berkovich-Diamantspitze ermittelt. Dies erlaubt nun die reproduzierbare Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten mit einer Härte in einem Intervall von 1 bis 30 GPa. Je nach Applikation solcher Kohlenstoffschichten sind verschiedene Härten notwendig, da mit der Härte auch andere Eigenschaften wie z.B. die Abriebfestigkeit etc. verbunden sind. Es ist daher für die wirtschaftliche Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten unabdingbar, das Verfahren zur Herstellung solcher Schichten schnell und zuverlässig auf die jeweiligen Anforderung anpassen zu können und somit auch eine Abscheidung harter Schichten mit hohen Raten bei moderaten Beschichtungstemperaturen zu realisieren.Surprisingly, it was possible to establish a relationship between the particle energy E in offered per deposited layer volume, which is composed of the fluence F of the ions, the applied pulse voltage U and the layer thickness d: e in = F · U / d results and the layer hardness are found. The layer hardness was determined dynamically with the help of a nanoindenter based on the principle of Oliver and Pharr with a Berkovich diamond tip. This now allows the reproducible production of diamond-like carbon layers with a hardness in an interval of 1 to 30 GPa. Depending on the application of such carbon layers, different hardnesses are necessary since other properties such as abrasion resistance, etc. are also associated with the hardness. It is therefore indispensable for the economical production of diamond-like carbon layers to be able to adapt the method for producing such layers quickly and reliably to the respective requirement and thus also to realize deposition of hard layers with high rates at moderate coating temperatures.

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 et al 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 Another advantageous method - claim 3 - is with providing a process atmosphere of a carbonaceous Gas mixture of at least one carbon-containing gas and a carrier gas about that also provided a doping gas. This is especially true Applications in the field of semiconductor electronics have the advantage that the buyer the layers produced by this method a starting material with a homogeneous basic funding for his further own processes receives. For mechanical or optical applications, for example in the field of automotive engineering or the optics, can over the Dopings for These applications require properties such as coefficient of friction or transparency be adjusted 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 (C7H8) 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 process - 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 7 H 8 ) or trimethylbenzene (C 9 H 12 ), or another heavy CH compound. All these substances are industrially easy to produce and are suitable - in addition to their egg property as a carbon dispenser - therefore especially 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), Kohlenmonoxid (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 – 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, X155CrVMol2-1/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 – Anspruch 12 –.In further advantageous methods, the substrate - claim 9 - of steel, magnesium, a titanium or aluminum alloy, a cobalt or cobalt-chromium alloy, silicon, glass or ceramic. To increase, for example, the service life of forming or cutting tools, bearing components such as balls or housings, or of drive components such as shafts and gears, usually made of steels such as 100Cr6 / 52100, X155CrVMol2-1 / 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 - claim 12 -.

In weiteren vorteilhaften Verfahren – Anspruch 10 – 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 10 - 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 11 – 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 Abscheidegeschwindigkeit besonders wirtschaftlich.In further advantageous method - claim 11 - applies the ion current at each point of the substrate almost perpendicular to the substrate surface on. Due to the high electrical voltage of -0.5 kV to -30 kV, the on the workpieces is applied, the positively charged particles are always perpendicular to the equipotential surfaces and thus accelerating the workpiece surface. Thus, a uniform shelling guaranteed from all sides. Especially when coating complex three-dimensional objects, such as. Forming tools, gears, Waves or hip implants, is a uniform surface coating without the workpiece to have to move and the high deposition rate particularly economical.

Ein Ausführungsbeispiel einer Messreihe zu dem überraschenderweise gefundenen Zusammenhang von Schichthärte und Ein wird im folgenden anhand der Zeichnung näher veranschaulicht. Es zeigtOne embodiment a series of measurements to the surprising found connection of layer hardness and A will be in the following closer to the drawing illustrated. It shows

1 Entwicklung der Schichthärte in Abhängigkeit von der pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie. 1 Development of the layer hardness as a function of the particle energy introduced per volume.

In 1 ist die Abhängigkeit der Schichthärte in Abhängigkeit von der pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie gezeigt. Die gestrichelt eingezeichnete Linie dient nur der besseren Anschaulichkeit. F ist die mittels Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) ermittelte Ionenfluenz, U ist die Pulsspannung und d die gesamte Schichtdicke. Es ist zu erkennen, dass mit höherer pro Volumen eingebrachter Teilchenenergie die Schichthärte zunimmt, bis sie schließlich ein Maximum erreicht. Wird die pro Volumen eingebrachte Teilchenenergie weiter erhöht, so nimmt die Härte der Schicht wieder ab. Korrespondierende Bestimmungen des Wasserstoffgehaltes der gemessenen Schichten zeigen, dass in dem Bereich 1 der 1, also vor dem Härtemaximum, eine Erhöhung der pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie zu einer Erniedrigung des Wasserstoffgehaltes und einem Ausbilden neuer C-C Bindungen führt. Bei diesen Bindungen handelt es sich sowohl um sp2 aber auch um sp3 Bindungen. Letztere führen zur Erhöhung der Schichthärte. Im Bereich 2 der 1, also nach dem Härtemaximum, führt die Erhöhung der pro Volumen eingebrachten Teilchenenergie zu einer Zerstörung der sp3 Bindungen, die dann umgewandelt in sp2 Bindungen wiederum zu einer Erniedrigung der Härte führen.In 1 is the dependence of Schichthär te as a function of the particle energy introduced per volume. The dashed line is only for better clarity. F is the ion fluence determined by Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), U is the pulse voltage and d is the total layer thickness. It can be seen that with higher per volume of introduced particle energy, the layer hardness increases until it finally reaches a maximum. If the particle energy introduced per volume is further increased, the hardness of the layer decreases again. Corresponding determinations of the hydrogen content of the measured layers show that in the range 1 of the 1 Thus, before the maximum hardness, an increase in the particle energy introduced per volume leads to a decrease in the hydrogen content and formation of new CC bonds. These bonds are both sp 2 and sp 3 bonds. The latter lead to an increase in the layer hardness. In the area 2 of the 1 , ie after the maximum hardness, the increase in the particle energy introduced per volume leads to a destruction of the sp 3 bonds, which then converted into sp 2 bonds again lead to a reduction in hardness.

Um die maximal für eine gegebene Arbeitsgaszusammensetzung (Kohlenwasserstoffe und weitere Trägergase) erzielbare Härte bei steigender Abscheidegeschwindigkeit zu erhalten, muss gleichzeitig mit der Abscheidegeschwindigkeitssteigerung 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 deposition rate increase and the deposited energy per layer volume must be increased, which is equivalent to the constant hold of the E in parameter.

11
Bereich zunehmender HärteArea increasing hardness
22
Bereich abnehmender HärteArea decreasing hardness

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) einer Dicke d mittels eines ionengestützten Abscheideverfahrens mit den Verfahrenschritten – Bereitstellen eines Substrates – Reinigen des Substrates mittels eines Plasmaätzprozesses – Heizen des Substrates auf eine Prozesstemperatur, wobei die Prozesstemperatur in dem Bereich zwischen 50 °C und 300 °C liegt – Bereitstellen einer Prozessatmosphäre aus einem kohlenstoffhaltigen Gasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem Trägergas, wobei der 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 Pa und 10 Pa liegt – Abscheiden einer kohlenstoffhaltigen Schicht aus der Gasphase auf dem Substrat – Erzeugen eines Ionenstromes mittels einer Plasmaentladung und Anlegens einer negativen, gepulsten Spannung U an das Substrat, wobei die Spannung in einem Bereich von –0,5 kV bis –30 kV, die Wiederholrate der Spannungspulse zwischen 50 Hz und 5000 Hz, die Pulslänge zwischen 0,5 μs und 50 μs und der Ionenstrom zu einer Ionenfluenz F auf dem Substrat führt dadurch gekennzeichnet, dass die Härte H der diamantartigen Kohlenstoffschicht in einem Bereich von 1 GPa bis 30 GPa über den aus den Prozessparametern F, U, d gebildeten Parameter Ein = F·U/d bei einer Abscheidegeschwindigkeit der Schicht zwischen 0,5 μm/h und 5 μm/h eingestellt wird.Method for producing diamond-like carbon layers (DLC layers) of thickness d by means of an ion-supported deposition method with the method steps - Providing a substrate - Cleaning the substrate by means of a plasma etching process - Heating the substrate to a process temperature, wherein the process temperature in the range between 50 ° C and 300 ° C - providing a process atmosphere of a carbon-containing gas mixture of at least one carbon-containing gas and a carrier gas, wherein the base pressure of the process in a range between 1 · 10 -4 Pa and 1 · 10 -1 Pa, and the working pressure in a range between 1 x 10 -2 Pa and 10 Pa; depositing a carbonaceous layer from the gaseous phase on the substrate; generating an ionic current by means of a plasma discharge and applying a negative, pulsed voltage U to the substrate, the voltage being in a range of -0 , 5 kV to -30 kV, ie e repetition rate of the voltage pulses between 50 Hz and 5000 Hz, the pulse length between 0.5 .mu.s and 50 .mu.s and the ion current to an ion fluence F on the substrate characterized in that the hardness H of the diamond-like carbon layer in a range of 1 GPa to 30 GPa is set via the parameter E in = F · U / d formed from the process parameters F, U, d at a deposition rate of the layer between 0.5 μm / h and 5 μm / h. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat vor der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Schicht mit einem Ionenimplantationsschritt vorbehandelt wird.Method according to claim 1, characterized that the substrate before deposition of the carbonaceous layer is pretreated with an ion implantation step. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Bereitstellen einer Prozessatmosphäre aus einem kohlenstoffhaltigen Gasgemisch aus mindestens einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem Trägergas auch mindestens ein Dotiergas bereitgestellt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that with the provision of a process atmosphere of a carbonaceous Gas mixture of at least one carbon-containing gas and a carrier gas also at least one doping gas is provided. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dasss als kohlenstoffhaltiges Gas Kohlenstoff (C), Methan (CH4), Acetylen (C2H2), ein Aromat wie Benzol (C6H6), Methylbenzol (C7H8) oder Trimethylbenzol (C9H12) oder eine andere schwere C-H-Verbindung verwendet wird.Process according to one of claims 1 to 3, characterized in that as the carbonaceous gas carbon (C), methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), an aromatic such as benzene (C 6 H 6 ), methylbenzene (C 7 H 8 ) or trimethylbenzene (C 9 H 12 ) or another heavy CH compound is used. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Dotiergas ein Silan, Silazan oder Siloxan, insbesondere SiH4, HMDS, HMDSO und Derivate, Fluor-Precursoren wie Hexafluorbenzol, Fluorbenzol, Tetrafluorethylen, Hexafluorethan, und andere Fluorokohlenwasserstoffe, metallorganische Precursoren oder eine Kombination aus diesen oder Träger- und diesen Dotiergasen verwendet wird.A method according to claim 3, characterized in that the doping gas is a silane, silazane or siloxane, in particular SiH 4 , HMDS, HMDSO and derivatives, fluorine precursors such as hexafluorobenzene, fluorobenzene, tetrafluoroethylene, hexafluoroethane, and other fluorohydrocarbons, organometallic precursors or a combination thereof or carrier and these doping gases is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas ein Edelgas wie z.B. Argon (Ar), oder Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2) verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a noble gas such as argon (Ar), or nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ) is used as the carrier gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gasgemisch über elektromagnetische Wechselfelder ionisiert wird.Method according to one of Claims 1 to 6, characterized that the carbon-containing gas mixture ionizes via alternating electromagnetic fields becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gasgemisch zusätzlich über eine Vakuumbogenentladung oder einen Ionenabtrag in den Plasmazustand überführt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the carbon-containing gas mixture additionally via a vacuum arc discharge or an ion removal is transferred to the plasma state. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat Stahl, Magnesium, eine Titan- oder Aluminiumlegierung, eine Kobalt- oder Kobalt-Chrom-Legierung, Silizium, Glas oder Keramik verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized that as a substrate steel, magnesium, a titanium or aluminum alloy, a Cobalt or cobalt-chromium alloy, silicon, glass or ceramic is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur unter 200 °C gehalten wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized that the process temperature is kept below 200 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrom an jeder Stelle des Substrates nahezu senkrecht auf die Substratoberfläche beschleunigt wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized that the ionic current at each point of the substrate is almost vertical on the substrate surface is accelerated. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Beschichtung einer Komponente aus dem Automobil- oder Maschinenbau, der Antriebs-, Lager- oder Motorentechnik, eines Werkzeugs zur Umformung, Zerspanung oder sonstigen Materialbearbeitung, einer Komponente der pharmazeutischen oder chemischen Industrie, eines medizinischen Implantats oder einer optischen Komponente.Use of a method according to one of claims 1 to 11 for coating a component of the automotive or mechanical engineering, the Drive, bearing or engine technology, a tool for forming, Machining or other material processing, a component the pharmaceutical or chemical industry, a medical Implant or an optical component.
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