DE102006019808A1

DE102006019808A1 - Verfahren zur Ausbildung von Oberflächenschichten auf elektrisch leitenden Substraten

Info

Publication number: DE102006019808A1
Application number: DE200610019808
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr.habil. Herrmann; Grit Dipl.-Ing. FU Michael; Jochen Dr.-Ing. Schilm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Oberflächenschichten auf Substraten, wobei die ausgebildeten Oberflächenschichten mit diamantähnlichem Kohlenstoff gebildet sind. Die Substrate sind dabei elektrisch leitend und aus oder zumindest auch mit einem Carbid gebildet. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausbildung von Oberflächenschichten auf elektrisch leitenden Substraten, die mit einem Carbid gebildet sind, aus diamantähnlichem Kohlenstoff kostengünstig und auch auf konturierten Oberflächen zu ermöglichen. Bei der Erfindung wird ein Substrat elektrisch als eine Elektrode geschaltet. Zur Ausbildung der Oberflächenschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) erfolgt eine elektrochemische Zersetzung des Carbids in Kohlenstoff und ein Oxid des carbidbildenden Metalls. Hierfür ist in einem Abstand zum Substrat eine Gegenelektrode angeordnet und im Spalt zwischen Elektrode und Gegenelektrode ein geeigneter Elektrolyt vorhanden. Bei Einsatz einer Gleichspannung für die elektrochemische Zersetzung ist das Substrat als Anode und die Gegenelektrode als Kathode geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Oberflächenschichten auf Substraten, wobei die ausgebildeten Oberflächenschichten mit diamantähnlichem Kohlenstoff gebildet sind. Die Substrate sind dabei elektrisch leitend und aus oder zumindest auch mit einem Carbid gebildet.
Die Ausbildung solcher Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff erfolgt häufig mittels Vakuumbeschichtungstechnik, mit den damit verbundenen Nachteilen, wie z.B. die hohen Kosten und dem dafür erforderlichen hohen Zeitaufwand.
Außerdem ist es bekannt solche Schichten durch thermische Behandlung mittels Laserstrahlung (ESK) auszubilden.
Untersuchungen zur elektrochemischen Korrosion von SiC sind von I. Lauermann u.a.; J. Electrochem. Soc. Vol. 144; (1997); S. 73–80 beschrieben. Dabei wird für Untersuchungen an SiC-Einkristallen davon ausgegangen, dass diese Prozesse durch folgende Gleichungen bestimmt sind: SiC(s)+4H₂O(l)→SiO₂(s)+8H⁺(aq)+CO₂(g)+8e^– E⁰ = –0,433 V (1)und SiC(s)+3H₂O(l)→SiO₂(s)+6H⁺(aq)+CO(g)+6e^– E⁰ = –0,542 V (2).
Eine Bildung von Kohlenstoff und auch eine solche Schichtausbildung konnte so nicht erwartet warden.
Die bekannten Lösungen sind jedoch häufig nicht ohne weiteres einsetzbar und es ist besonders schwierig und aufwändig konturierte Oberflächen von Körpern oder anderen Substraten mit solchen Schichten zu versehen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Ausbildung von Oberflächenschichten auf elektrisch leitenden Substraten, die mit einem Carbid gebildet sind, aus diamantähnlichen Kohlenstoff kostengünstig und auch auf konturierten Oberflächen, zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Bei der Erfindung wird ein Substrat elektrisch als eine Elektrode geschaltet. Das Substrat ist dabei mit einem Carbid, das elektrisch leitend ist, gebildet. Das Substrat kann aber auch vollständig aus einem solchen Carbid gebildet oder auch mit einer solchen Beschichtung versehen sein. Zur Ausbildung der Oberflächenschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) erfolgt eine elektrochemische Zersetzung des Carbids in Kohlenstoff und ein Oxid des carbidbildenden Metalls. Hierfür ist in einem Abstand zum Substrat eine Gegenelektrode angeordnet und im Spalt zwischen Elektrode und Gegenelektrode ein geeigneter Elektrolyt vorhanden.
Bei Einsatz einer Gleichspannung für die elektrochemische Zersetzung ist das Substrat als Anode und die Gegenelektrode als Kathode geschaltet.
Das Carbid kann SiC, ein Übergangsmetallcarbid oder auch ein Komposit aus SiC und Übergangsmetallcarbid sein. Bevorzugt sollten gesinterte Carbide eingesetzt werden. Es können Carbide der Übergangsmetalle Ti, W, Zr, Hf, V oder Cr eingesetzt werden.
Als Elektrolyt kann vorteilhaft eine Base eingesetzt werden, deren pH-Wert möglichst größer als 8 sein sollte. Dies kann beispielsweise KOH oder NaOH sein. Es kann auch ein Salz, z.B. ein Carbonat, darin gelöst sein.
Als Elektrolyt kann aber auch eine Säure eingesetzt werden, in der HF, ein gelöstes Fluorid und/oder ein Salz enthalten sein sollte.
Dadurch ist es möglich das elektrochemisch zersetzte Oxid im Elektrolyten zu lösen, so dass Kohlenstoff als weiteres Zersetzungsprodukt für die Ausbildung der gewünschten Oberflächenschicht zur Verfügung steht. Dabei ist es vorteilhaft den Elektrolyten im Spalt zwischen Elektrode und Gegenelektrode strömen zu lassen, um frischen Elektrolyten ohne gelöstes Oxid nach und Elektrolyt mit gelöstem Oxid abzuführen.
Bei der elektrochemischen Zersetzung sollte mit einer elektrischen Stromdichte oberhalb von 0,5 μA/cm² und bei einer elektrischen Spannung größer als 100 mV gearbeitet werden.
Die Bildungsrate kann erhöht werden, indem die elektrochemische Zersetzung bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird. Hierbei sollte die Temperatur bevorzugt oberhalb 150°C, besonders bevorzugt im Bereich 250°C gehalten sein. Dabei kann auch ein gegenüber der Umgebung erhöhter Druck eingehalten sein. Unter diesen Bedingungen kann sich das Oxid direkt lösen, so dass z.B. kein HF oder ein Fluorid dem Elektrolyten zugegeben werden müsste.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es aber auch möglich die elektrochemische Zersetzung gleichzeitig an einer Gegenelektrode vorzunehmen, so dass auch dort eine Ausbildung einer Oberflächenschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff zu verzeichnen ist. Dabei sollte auch die Gegenelektrode mit einem Carbid gebildet sein und die elektrochemische Zersetzung mit elektrischer Wechselspannung durchgeführt werden.
Durch eine geeignete Gestaltung der Gegenelektrode kann gezielt Einfluss auf die auszubildende Oberflächenschicht genommen werden. So kann der Abstand zwischen Elektrodenoberfläche und Gegenelektrode über die Fläche variiert sein, um so eine lokal unter schiedliche Schichtdicke der Oberflächenschicht zu erhalten. Es kann aber auch mit einer entsprechend an die jeweilige Oberfläche des Substrates, auf der die Oberflächenschicht ausgebildet werden soll, angepassten komplementären Oberflächenkontur einer Gegenelektrode, eine gleichmäßige Schichtdicke erhalten werden.
Mit einer strukturierten Gegenelektrode kann auch eine strukturierte Oberflächenschicht auf der jeweiligen Oberfläche eines Substrates erreicht werden. So lassen sich Oberflächenbereiche ohne oder mit reduzierter Schichtdicke einer Oberflächenschicht ausbilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch vorteilhaft an Substraten durchgeführt werden, die zumindest ein Teil eines montierten Bauteils sind. Es kann also eine Art Nachbearbeitung auch bei Bauteilen, die bereits im Einsatz waren, erfolgen. Solche Bauteile können beispielsweise Dichtungen sein, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend ausgebaut werden müssen. Die einzelnen Teile sollten dabei lediglich so elektrisch isoliert sein, dass ein elektrischer Stromfluss möglichst nur zwischen dem Oberflächenbereich auf dem die Ausbildung der Oberflächenschicht erreicht werden soll und einer Gegenelektrode über einen Elektrolyten erfolgt.
Bei der Oberflächenschichtausbildung kann ein Verhältnis von Kohlenstoff in sp₃-Modifikation zur sp₂-Modifikation zwischen 10 und 60%, bevorzugt zwischen 20 und 60% erreicht werden.
Es kann eine Bildungsrate im Bereich zwischen 1 und 100 μμm/min erreicht werden.
Für ein Substrat aus SiC kann davon ausgegangen werden, dass die elektrochemische Zersetzung von C und SiO₂ nach SiC(s)+2H₂O(l)→SiO₂(s)+C+4H⁺(aq)+4e^– E⁰ = –1,07 V (3)erfolgt.
Bei einem Substrat aus SSiC 15 wurde eine elektrochemische Zersetzung bei einer elektrischen Spannung von 1.000 mV (bezogen auf eine Ag/AgCl-Referenzelektrode) und einer elektrischen Stromdichte von 6,6·10^–4 mA/cm² über einen Zeitraum von 35.000 s auf einer Fläche mit einem Durchmesser von 17 mm durchgeführt. Als Elektrolyt wurde 1 N NaOH mit 1 N Na₂CO₃ eingesetzt.

Claims

Verfahren zur Ausbildung von Oberflächenschichten auf einem elektrisch leitenden Substrat, das mit einem Carbid gebildet ist, bei dem das Substrat elektrisch als eine Elektrode geschaltet ist und mittels einer weiteren in einem Abstand dazu angeordneten Gegenelektrode über einen Elektrolyten elektrochemisch eine Zersetzung des Carbids in Kohlenstoff und ein Oxid des carbidbildenden Metalls erfolgt und das Oxid im Elektrolyten gelöst wird, so dass auf dem Substrat eine mit diamantähnlichem Kohlenstoff gebildete Oberflächenschicht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode als Anode und die Gegenelektrode als Kathode geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratwerkstoff SiC, ein Übergangsmetallcarbid oder ein Komposit mit SiC und einem Übergangsmetallcarbid eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsmetallcarbid, das ausgewählt ist, aus Ti, W, Zr, Hf, V und Cr als Substrat eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt eine Base eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt eine Säure eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Säure, als Elektrolyt, HF, ein in der Säure lösliches Fluorid und/oder ein Salz enthalten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Base als Elektrolyt ein gelöstes Salz enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyt, in dem als Salz ein Carbonat enthalten ist, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein basischer Elektrolyt mit einem pH-Wert größer als 8 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt mit gelöstem Oxid ab- und Elektrolyt ohne gelöstes Oxid im Spalt zwischen Elektrode und Gegenelektrode als Strömung nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Zersetzung mit einer elektrischen Stromdichte oberhalb 0,5 μA/cm² gearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Zersetzung mit elektrischer Spannung größer als 100 mV gearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zersetzung bei einer Temperatur oberhalb 150°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden mit einem elektrisch leitenden Carbid gebildet sind und die elektrochemische Zersetzung mit elektrischer Wechselspannung durchgeführt wird, so dass Oberflächenschichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf beiden Oberflächen der Elektroden als Substrate ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine strukturierte Oberflächenschicht an einem Substrat mit einer entsprechend geometrisch strukturierten Gegenelektrode ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflächenschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff ein Verhältnis von Kohlenstoff in sp₃-Modifikation zu sp₂-Modifikation zwischen 10 bis 60% ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht an einem Substrat, das zumindest ein Teil eines Bauteils ist, durchgeführt wird.