DE102008009035A1

DE102008009035A1 - Formwerkzeug

Info

Publication number: DE102008009035A1
Application number: DE102008009035A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Kobe Ito; Kenji Kobe Yamamoto
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2008-09-11
Also published as: TWI369336B; JP5102516B2; KR20080081827A; KR100918158B1; TW200916418A; JP2008214154A; US20080220109A1

Abstract

Ein Formwerkzeug weist eine Basisoberfläche auf, die durch ein Ätzverfahren zur Entfernung eines verschlissenen DLC-Films kann aufgerauht wird. Das Formwerkzeug ist mit einem Zwischenfilm, der eine Basisoberfläche des Formwerkzeugs beschichtet, und einem diamantartigen Kohlenstofffilm, der den Zwischenfilm beschichtet, ausgestattet. Der Zwischenfilm ist aus einem Material gebildet, das eine Zusammensetzung aufweist, die durch (Cr<SUB>1-a</SUB>Si<y</SUB>) dargestellt wird, welche den Bedingungen genügt, die durch die Ungleichungen 0,5 <= a <= 0,95, 0 <= x <= 0,2 und 0 <= y <= 0,5 ausgedrückt werden, wobei a die Atomprozent von Si, x die Atomprozent von B und y die Atomprozent von C sind, wobei ein Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa eingesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Formwerkzeug zum Formen einer Glaslinse oder eines Harzformteils.
Ein Harzformwerkzeug, das eine Basisoberfläche aufweist, die mit einem Kohlenstofffilm mit einer Diamantstruktur beschichtet ist, ist in JP-A 2005-342922 beschrieben. Dieses bekannte Harzformwerkzeug kann Formteile ohne die Verwendung irgendeines Formschmiermittels formen. Der Ausdruck „Kohlenstofffilm mit einer Diamantstruktur" ist zu dem Ausdruck „diamantartiger Kohlenstofffilm" synonym. Nachstehend wird ein Kohlenstofffilm mit einer Diamantstruktur als „DLC-Film (diamantartiger Kohlenstofffilm)" bezeichnet.
Die Dauerbeständigkeit eines Formwerkzeugs mit einer Basisoberfläche, die mit einem DLC-Film beschichtet ist, ist höher als diejenige eines Formwerkzeugs mit einer unbeschichteten Basisoberfläche. Da jedoch die Dauerbeständigkeit eines DLC-Films beschränkt ist, müssen periodisch Wartungsarbeiten durchgeführt werden, um einen verschlissenen bzw. abgenutzten DLC-Film zu entfernen und die Basisoberfläche mit einem neuen DLC-Film zu beschichten, so dass die Lebensdauer des Formwerkzeugs verlängert wird.
Der DLC-Film wird mit einem Ätzverfahren, wie z. B. einem Gleichstromglühentladungsätzverfahren, entfernt. Das Gleichstromglühentladungsverfahren ätzt häufig nicht nur den DLC-Film, sondern auch die Basisoberfläche des Formwerkzeugs. Folglich ist es möglich, dass die Basisoberfläche des Formwerkzeugs aufgrund des selektiven Ätzens von Komponenten des Materials des Formwerkzeugs aufgerauht wird.
Wenn ein DLC-Film auf der so aufgerauhten Basisoberfläche des Formwerkzeugs abgeschieden wird, weist die Oberfläche des DLC-Films zwangsläufig eine raue Oberfläche auf. Daher muss die Rauhigkeit der aufgerauhten Basisoberfläche des Formwerkzeugs vor dem Beschichten mit einem DLC-Film eingestellt werden, was viel Zeit erfordert und hohe Kosten mit sich bringt. Ein Formwerkzeug zum Formen einer Glaslinse oder eines Harzformteils muss insbesondere eine Basisoberfläche mit einer hervorragenden Glätte aufweisen. Daher erfordert die Einstellung der Oberflächenrauhigkeit der Basisoberfläche des Formwerkzeugs viel Zeit und bringt hohe Kosten mit sich.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme gemacht und es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Formwerkzeug mit einer Basisoberfläche bereitzustellen, die mit einem DLC-Film beschichtet ist und durch ein Ätzverfahren zur Entfernung des DLC-Films kaum aufgerauht wird.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Formwerkzeug, das mit einem Zwischenfilm, der eine Basisoberfläche des Formwerkzeugs beschichtet, und einem DLC-Film, der den Zwischenfilm beschichtet, ausgestattet ist, wobei der Zwischenfilm aus einem Material gebildet ist, das eine Zusammensetzung aufweist, die durch (Cr_1-aSi_a) (B_xC_yN_1-x-y) dargestellt wird, welche den Bedingungen genügt, die durch die Ungleichungen 0,5 ≤ a ≤ 0,95 (1) 0 ≤ x ≤ 0,2 (2) 0 ≤ y ≤ 0,5 (3)ausgedrückt werden, wobei a die Atomprozent von Si, x die Atomprozent von B und y die Atomprozent von C sind, wobei ein Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa eingesetzt wird.
In dem Formwerkzeug gemäß diesem Aspekt kann der Zwischenfilm eine Dicke zwischen 20 und 1000 nm aufweisen.
Das Formwerkzeug gemäß diesem Aspekt weist eine Basisoberfläche auf, die durch ein Ätzverfahren zur Entfernung des DLC-Films kaum aufgerauht werden kann. Daher muss die Basisoberfläche des Formwerkzeugs vor dem Abscheiden eines neuen DLC-Films auf der Basisoberfläche nicht durch ein Oberflächenrauhigkeitseinstellverfahren verarbeitet werden.
Die vorstehend genannte und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, worin:
1 eine graphische Darstellung ist, die vergleichend die Variation der jeweiligen Werte der durchschnittlichen Mittellinienrauhigkeit Ra von Proben in Beispielen der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen mit der zur Abscheidung eines Films verwendeten Vorspannung zeigt,
2 eine graphische Darstellung ist, die vergleichend die Variation der jeweiligen Werte der Härte von Proben in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel mit der zur Abscheidung eines Films verwendeten Vorspannung zeigt, und
3 eine typische Schnittansicht eines Hartmetalls oder eines Silizium(Si)-Wafers ist, das bzw. der mit einer ersten und einer zweiten Schicht beschichtet ist.
Ein Formwerkzeug in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist mit einem Zwischenfilm, der eine Basisoberfläche des Formwerkzeugs beschichtet, und einem DLC-Film, der den Zwischenfilm beschichtet, ausgestattet. Der Zwischenfilm ist aus einem Material gebildet, das eine Zusammensetzung aufweist, die durch (Cr_1-aSi_a) (B_xC_yN_1-x-y) dargestellt wird, welche den Bedingungen genügt, die durch die Ungleichungen 0,5 ≤ a ≤ 0,95 (1) 0 ≤ x ≤ 0,2 (2) 0 ≤ y ≤ 0,5 (3)ausgedrückt werden, wobei a die Atomprozent von Si, x die Atomprozent von B und y die Atomprozent von C sind, wobei ein Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa eingesetzt wird.
Der Zwischenfilm ist ein Schutzfilm zum Schützen der Basisoberfläche des Formwerkzeugs während eines DLC-Film-Entfernungsverfahrens zur Entfernung des DLC-Films. Folglich dient der Zwischenfilm als Barriereschicht zum Verhindern eines Ätzens der Basisoberfläche des Formwerkzeugs, wenn der DLC-Film durch ein Ätzverfahren entfernt wird. Daher kann die Basisoberfläche des Formwerkzeugs kaum geätzt werden und das Aufrauhen der Basisoberfläche durch Ätzen kann verhindert werden.
Folglich wird die Basisoberfläche des Formwerkzeugs in der Ausführungsform durch Ätzen kaum aufgerauht, wenn der DLC-Film durch ein Ätzverfahren entfernt wird, und folglich muss die Oberflächenrauhigkeit der Basisoberfläche vor dem Abscheiden eines neuen DLC-Films auf dem Formwerkzeug nicht eingestellt werden.
Die Basisoberfläche des Formwerkzeugs muss eine hervorragende Glätte aufweisen und sie weist eine große Härte auf, so dass Formwerkzeuge mit einer hervorragenden Oberflächenqualität effizient hergestellt werden. Wenn die Verhinderung des Ätzens der Basisoberfläche des Formwerkzeugs nur der Zweck des Zwischenfilms ist, kann der Zwischenfilm jedweder Film sein, der – sofern er einen Barriereeffekt aufweist – eine Zusammensetzung aufweist, die den vorstehend genannten Bedingungen, die von dem Zwischenfilm der vorliegenden Erfin dung erfüllt werden müssen, nicht genügt. Die Glätte des DLC-Films, nämlich der Formoberfläche des Formwerkzeugs, ist nicht zufrieden stellend, wenn die Oberfläche des Zwischenfilms nicht zufrieden stellend ist. Die Härte der Formoberfläche des Formwerkzeugs ist gering, wenn die Härte des Zwischenfilms gering ist. Daher muss der Zwischenfilm zusätzlich zu einem Barriereeffekt eine hervorragende Oberflächenglätte aufweisen und er weist eine große Härte auf. Die Zusammensetzung der Zwischenschicht wird unter Berücksichtigung dieser Anforderungen festgelegt. Der Zwischenfilm der vorliegenden Erfindung weist zusätzlich zu einem Barriereeffekt eine hervorragende Oberflächenglätte auf und er weist eine große Härte auf.
Der Zwischenfilm des Formwerkzeugs weist eine hervorragende Oberflächenglätte und Verschleißfestigkeit auf und er weist aufgrund dessen Filmzusammensetzung und dessen Filmbildungsbedingungen, wie z. B. dem Prozessgasdruck für ein Zwischenfilmbildungsverfahren, eine große Härte auf. Daher weist die Oberfläche des DLC-Films eine hervorragende Oberflächenglätte auf und die Formoberfläche des Formwerkzeugs weist eine große Härte und eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf.
Die Oberflächenglätte des DLC-Films ist von derjenigen des Zwischenfilms, der unter dem DLC-Film liegt, abhängig. Je höher die Oberflächenglätte des Zwischenfilms ist, desto höher ist die Oberflächenglätte des DLC-Films, der über dem Zwischenfilm liegt. Der Zwischenfilm des Formwerkzeugs weist eine Oberfläche mit einer hervorragenden Oberflächenglätte auf und somit weist der DLC-Film des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche mit einer hervorragenden Oberflächenglätte auf; d. h. die Formoberfläche des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung weist eine hervorragende Glätte auf.
Obwohl der DLC-Film eine große Härte aufweist, weist die Formoberfläche des Formwerkzeugs keine ausreichend große Härte auf, wenn der Zwischenfilm eine geringe Härte aufweist. Da der Zwischenfilm des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung eine große Härte aufweist, weist die Formoberfläche des Formwerkzeugs eine große Härte und eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf.
Das Formwerkzeug der vorliegenden Erfindung weist eine hervorragende Oberflächenglätte und Verschleißfestigkeit sowie eine große Härte auf, die Basisoberfläche des Formwerkzeugs wird durch ein Ätzverfahren zum Entfernen eines verschlissenen DLC-Films kaum aufgerauht und somit ist die Oberflächenrauhigkeitseinstellung der Basisoberfläche des Formwerkzeugs vor dem Abscheiden eines neuen DLC-Films nicht erforderlich. Folglich kann das Aufrauhen der Basisoberfläche des Formwerkzeugs durch das Ätzverfahren zur Entfernung des verschlissenen DLC-Films verhindert werden.
Die numerischen Bedingungen, die in der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, werden nachstehend beschrieben.
Der Zwischenfilm wird in einer amorphen Struktur abgeschieden und weist eine glatte Oberfläche auf, wenn der Si-Gehalt a (Atom-%) des Zwischenfilms 0,5 Atom-% oder mehr beträgt. Daher beträgt die Untergrenze des Si-Gehalts a 0,5 Atom-%. Der Zwischenfilm wird isolierend, die Abscheidung des Zwischenfilms und des DLC-Films ist schwierig und die Haftung des Zwischenfilms an der Basisoberfläche des Formwerkzeugs ist gering, wenn der Si-Gehalt a hoch ist. Daher beträgt die Obergrenze des Si-Gehalts a 0,95 Atom-%. Folglich muss die Zusammensetzung des Zwischenfilms 0,5 ≤ a ≤ 0,95, vorzugsweise 0,7 ≤ a ≤ 0,9 genügen.
Chrom (Cr) erhöht die Härte des Zwischenfilms. Obwohl es von Cr verschiedene Metallelemente gibt, welche die Härte des Zwischenfilms erhöhen können, ist Cr bei der Unterdrückung der Verschlechterung des Zwischenfilms und des DLC-Films während eines Formverfahrens zum Formen von Glas durch Erhöhen der Härte besonders effektiv. Daher wird Cr verwendet.
Bor (B) und Cr gehen eine Bindung ein, so dass eine CrB-Verbindung erzeugt wird. Die CrB-Verbindung erhöht die Härte des Zwischenfilms. Ein Zwischenfilm mit einem hohen B-Gehalt ist spröde. Daher beträgt der B-Gehalt des Zwischenfilms 0,2 Atom-% oder weniger, vorzugsweise 0,1 Atom-% oder weniger.
Kohlenstoff (C) und Cr gehen eine Bindung ein, so dass eine CrC-Verbindung erzeugt wird. Die CrC-Verbindung erhöht die Härte des Zwischenfilms. Ein Zwischenfilm mit einem hohen C-Gehalt ist spröde. Daher beträgt der C-Gehalt des Zwischenfilms 0,5 Atom-% oder weniger, vorzugsweise 0,3 Atom-% oder weniger.
Stickstoff (N) und Cr gehen eine Bindung ein, so dass ein hartes Nitrid erzeugt wird. Die Nitride sind zur Erhöhung der Härte des Zwischenfilms besonders effektiv und somit ist N ein essentielles Element. Stickstoff (N) ist erforderlich, um CrN und SiN zu bilden und um den Zwischenfilm in einer amorphen Struktur abzuscheiden. Der Zwischenfilm mit einer amorphen Struktur weist eine glatte Oberfläche auf. Ein bevorzugter N-Gehalt 1-x-y (Atom-%) des Zwischenfilms liegt zwischen 0,3 und 1,0 Atom-%, mehr bevorzugt zwischen 0,5 und 0,7 Atom-%.
Folglich ist der Zwischenfilm aus einem Material gebildet, das eine Zusammensetzung aufweist, die durch (Cr_1-aSi_a) (B_xC_yN_1-x-y) dargestellt wird, welche den Bedingungen genügt, die durch die Ungleichungen (1), (2) und (3) ausgedrückt werden.
Der Zwischenfilm des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung wird sowohl durch eine Filmbildungsbedingung als auch durch die Zusammensetzung festgelegt. Der Prozessgasdruck zum Abscheiden des Zwischenfilms liegt zwischen 0,2 und 0,5 Pa. Der Zwischenfilm weist eine hervorragende Oberflächenglätte und eine große Härte auf, wenn der Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa liegt. Die Härte und die Oberflächenglätte des Zwischenfilms sind niedrig, wenn der Prozessgasdruck über 0,5 Pa liegt. Ein Plasma für eine Filmabscheidung ist instabil und es ist möglich, dass der Zwischenfilm nicht abgeschieden werden kann, wenn der Prozessgasdruck unter 0,2 Pa liegt. Daher liegt ein bevorzugter Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,4 Pa.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenrauhigkeit Ra der Formoberfläche des Formwerkzeugs 3 nm oder weniger beträgt, wenn das Formwerkzeug zum Formen einer Linse mit einer glatten Oberfläche vorgesehen ist. Die Glätte sogar der Oberfläche des Zwischenfilms mit einer amorphen Struktur ist nicht zufrieden stellend und die Oberflächenrauhigkeit Ra der Formoberfläche des Formwerkzeugs beträgt nicht 3 nm oder weniger, wenn die Dicke des Zwischenfilms über 1000 nm beträgt. Der Schutzeffekt des Zwischenfilms ist gering und der Zwischenfilm kann durch das DLC-Filmentfernungsverfahren entfernt werden, wenn die Dicke des Zwischenfilms unter 20 nm liegt. Wenn der Zwischenfilm entfernt wird, muss ein neuer Zwischenfilm auf dem Formwerkzeug abgeschieden werden. Daher ist es bevorzugt, dass die Dicke des Zwischenfilms zwischen 20 und 1000 nm liegt.
Wie es vorstehend erwähnt worden ist, wird die Basisoberfläche des herkömmlichen Formwerkzeugs durch das Ätzverfahren zur Entfernung des DLC-Films aufgerauht und somit muss die Oberflächenrauhigkeit der Basisoberfläche vor dem Abscheiden eines neuen DLC-Films eingestellt werden. Die Einstellung der Oberflächenrauhigkeit erfordert viel Zeit und ist teuer. Die Formoberfläche eines Formwerkzeugs zum Formen einer Glaslinse oder eines Harzformteils muss insbesondere eine ganz hervorragende Oberflächenglätte aufweisen. Daher erfordert die Einstellung der Oberflächenrauhigkeit der Basisoberfläche eines solchen Formwerkzeugs besonders viel Zeit und führt zu besonders hohen Kosten. Die Basisoberfläche des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung wird durch das Ätzverfahren zum Ent fernen des DLC-Films kaum aufgerauht und somit muss die Oberflächenrauhigkeit der Basisoberfläche des Formwerkzeugs vor dem Abscheiden eines neuen DLC-Films nicht eingestellt werden. Folglich kann das Formwerkzeug der vorliegenden Erfindung besonders effektiv auf das Formen einer Glaslinse oder eines Harzformteils angewandt werden.
Die Entfernung des verschlissenen DLC-Films und die Abscheidung eines neuen DLC-Films werden mit den folgenden Verfahren durchgeführt. Der verschlissene DLC-Film wird durch ein Gleichstromglühentladungsätzverfahren entfernt. Das Gleichstromglühentladungsätzverfahren nutzt eine Vorspannung von 400 V, einen Prozessgasdruck von 4 Pa, eine Umgebungsatmosphäre, die 50% Ar und 50% N₂ enthält, und eine Ätzzeit von 4 Stunden. Nachdem der DLC-Film durch das Gleichstromglühentladungsätzverfahren entfernt worden ist und die Oberfläche des Zwischenfilms freigelegt worden ist, wird die Oberfläche des Zwischenfilms einheitlich ohne Aufrauhen der Oberfläche des Zwischenfilms geätzt. Ein neuer Zwischenfilm muss nicht abgeschieden werden, mit der Maßgabe, dass das Gleichstromglühentladungsätzverfahren nach dem Freilegen der Oberfläche des Zwischenfilms abgeschlossen ist. Ein neuer DLC-Film wird nach dem derartigen Entfernen des verschlissenen DLC-Films abgeschieden. Wenn der Zwischenfilm übermäßig geätzt wird und die Basisoberfläche des Formwerkzeugs durch einen falschen Ätzvorgang, wie z. B. durch die Fortsetzung des Gleichstromglühentladungsätzverfahrens über eine vorgegebene Ätzzeit hinaus, freigelegt wird, muss die Oberflächenrauhigkeit der Basisoberfläche des Formwerkzeugs eingestellt werden und ein neuer Zwischenfilm muss vor dem Abscheiden eines neuen DLC-Films abgeschieden werden. Daher ist es erforderlich, dass das Gleichstromglühentladungsverfahren überwacht wird, um ein übermäßiges Ätzen der Basisoberfläche des Formwerkzeugs durch einen falschen Ätzvorgang zu verhindern. Ein übermäßiges Ätzen der Basisoberfläche des Formwerkzeugs rauht die Basisoberfläche auf, da die Komponenten der Basisoberfläche des Formwerkzeugs selektiv geätzt werden. Wenn das Formwerkzeug aus einem Stahl mit SKD-Qualität, der Co enthält, hergestellt ist, wird durch selektives Ätzen Co aus der Basisoberfläche entfernt.
Ein harter Film bzw. Hartstofffilm mit einem hervorragenden Schmiervermögen und einer hervorragenden Verschleißfestigkeit in einer wässrigen Umgebung, der in JP-A 2004-292835 genannt ist, weist eine Zusammensetzung auf, die durch (M_1-xSi_x) (C_1-dN_d) dargestellt wird, welche den Ungleichungen 0,45 ≤ x ≤ 0,95 und 0 ≤ d ≤ 1 genügt, wobei M mindestens eines von Elementen der Gruppen 3A, 4A, 5A und 6A und Al ist. Die Zusammensetzung eines der harten Filme bzw. Hartstofffilme, die in JP-A 2004-292835 genannt sind, der Cr als M enthält, ist mit derjenigen des Zwischenfilms des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung identisch. Dieser bekannte harte Film bzw. Hartstofffilm soll jedoch das Schmiervermögen und die Verschleißfestigkeit eines Gleitelements einer Vorrichtung, bei der Wasser als Arbeitsmedium eingesetzt wird, verbessern, und ist nicht zur Verwendung auf einem Formwerkzeug vorgesehen. Daher findet sich keinerlei Diskussion bezüglich der Oberflächenglätte und Mittel zur Bereitstellung einer glatten Oberfläche, die bei einem Formwerkzeug erforderlich ist. Daher ist die Anwendung dieses bekannten harten Films bzw. Hartstofffilms auf Elemente, die ein hervorragendes Schmiervermögen und eine hervorragende Verschleißfestigkeit in einer wässrigen Umgebung aufweisen müssen, und auf Elemente, die eine große Härte aufweisen müssen, offensichtlich, und dieser bekannte harte Film bzw. Hartstofffilm ist für solche Anwendungen geeignet. Die Anwendung dieses bekannten harten Films bzw. Hartstofffilms auf ein Formwerkzeug, das eine große Härte und eine hervorragende Oberflächenglätte aufweisen muss, ist jedoch nicht offensichtlich. Es ist noch viel weniger wahrscheinlich, in Betracht zu ziehen, diesen bekannten harten Film bzw. Hartstofffilm als den Zwischenfilm zu verwenden, der zwischen der Basisoberfläche des Formwerkzeugs und dem DLC-Film gebildet werden soll. Selbst wenn die Anwendung dieses bekannten harten Films bzw. Hartstofffilms auf den Zwischenfilm in Betracht gezogen wird, kann ein Formwerkzeug wie das Formwerkzeug der vorliegenden Erfindung, das eine große Härte und eine hervorragende Oberflächenglätte aufweist, nicht einfach durch Ersetzen des Zwischenfilms durch diesen bekannten harten Film bzw. Hartstofffilm oder durch einfaches Hinzufügen dieses bekannten harten Films bzw. Hartstofffilms zu dem Formwerkzeug bereitgestellt werden. Die Zusammensetzung des Zwischenfilms des Formwerkzeugs der vorliegenden Erfindung ist im Hinblick auf die Härte, die Haftung und die Oberflächenglätte festgelegt und der Zwischenfilm wird bei einer festgelegten Filmbildungsbedingung abgeschieden, nämlich bei einem Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa. Folglich ergibt sich die vorliegende Erfindung nicht auf der Basis der Erfindungen, die in JP-A 2005-342922 und JP-A 2004-292835 beschrieben sind.
Beispiele
Es werden Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele beschrieben.
Beispiel 1
Filme, die jeweils die in der Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, wurden durch ein gleichzeitiges Zweimaterial-Sputterverfahren durch ein Sputtersystem, das mit einem in einer Sputterkammer angeordneten Sputtertarget ausgestattet war, abgeschieden. Ein Substrat mit Spiegelglanzfinish aus Hartmetall wurde als Basis zur Herstellung von Proben für eine Zusammensetzungsanalyse und einen Hafttest verwendet. Das Substrat wurde in der Sputterkammer angeordnet und die Sputterkammer wurde auf einen Druck von 1 × 10^–3 Pa oder weniger evakuiert. Das bei etwa 400°C erhitzte Substrat wurde durch ein Sputterreinigungsverfahren unter Verwendung von Ar-Ionen gereinigt. Es wurde ein Sputtertarget mit einem Durchmesser von 6 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) verwendet. Die dem Target, das Cr oder Cr und B enthielt, zugeführte Leistung wurde in einem Bereich zwischen 0,5 und 3,0 kW variiert, und die dem Target, das Si enthielt, zugeführte Leistung wurde in einem Bereich zwischen 0,5 und 2 kW variiert, um die Zusammensetzung eines abgeschiedenen Films einzustellen. Ein Mischgas, das 65 Teile Ar und 35 Teile N₂ enthielt, oder ein Mischgas, das Ar, N₂ und CH₄ enthielt, wurde zur Filmabscheidung verwendet. Der Druck des Gases in der Sputterkammer wurde auf 0,2 Pa eingestellt. Eine festgelegte Vorspannung von –50 V wurde zur Filmabscheidung an das Substrat angelegt. Alle Filme wurden in der festgelegten Dicke von etwa 600 nm gebildet. Der Druck von 0,2 Pa liegt innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 0,5 Pa, der durch die vorliegende Erfindung festgelegt ist.
Die Zusammensetzung des Films, der auf dem Substrat abgeschieden worden ist, wurde mittels EDX unter Verwendung eines SEM (Modell S-3500 N, Hitachi) analysiert. Die Härte des Films wurde mit einer Nanoeindrücktechnik unter Verwendung des TRIBOSCOPE (HYSITRON), das mit einem Berkovich-Eindrückkörper, nämlich einem Diamantpyramide-Eindrückkörper, ausgestattet war, gemessen. Eine Belastung-Entlastung-Kurve wurde unter Verwendung einer Messbelastung von 1000 μN erhalten und die Härte wurde berechnet. Ein Abtastbereich von 2 μm × 2 μm in der Oberfläche einer Probe wurde mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) zur dreidimensionalen Messung von Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung von Nanometern abgetastet, um die Oberflächenrauhigkeit Ra zu berechnen. Die Kristallstruktur einer Probe, die durch Beschichten der Oberfläche eines Hartmetallsubstrats mit einem Film gebildet worden ist, wurde unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers (XRD) bestimmt. Bei der Röntgenbeugungsanalyse war der Winkel 20 = 30° bis 50°. Es wurde entschieden, dass die Oberfläche des Substrats mit einem kristallinen Film beschichtet war, wenn gebeugte Strahlen, die von denjenigen verschieden waren, die von dem Substrat stammten, nachgewiesen wurden. Es wurde entschieden, dass die Oberfläche des Substrats mit einem Film mit amorpher Struktur beschichtet war, wenn jedwede gebeugte Strahlen, die von denjenigen verschieden waren, die von dem Substrat stammten, nicht nachgewiesen wurden.
Die Ergebnisse der Analyse der Zusammensetzung jedes der Filme, die gemessene Härte jedes der Filme, die gemessene Oberflächenrauhigkeit Ra jedes der Filme und die bestimmte Kristallstruktur einer Probe, die durch Beschichten der Oberfläche eines Hartmetallsubstrats mit einem Film gebildet worden ist, sind in der Tabelle 1 gezeigt. Der zum Abscheiden der in der Tabelle 1 gezeigten Probenfilme verwendete Prozessgasdruck betrug 0,2 Pa, was in dem Bereich von 0,2 bis 0,5 Pa liegt, der durch die vorliegende Erfindung festgelegt wird. Jeder der Probenfilme Nr. 4 bis 6, 14 und 16 weist eine Zusammensetzung auf, die den Bedingungen der Zusammensetzung des Zwischenfilms der vorliegenden Erfindung genügt. Jeder der Probenfilme Nr. 1 bis 3, 7, 15, 17 und 18 weist eine Zusammensetzung auf, die den Bedingungen des Zwischenfilms der vorliegenden Erfindung nicht genügt. Einige der Probenfilme, die eine Zusammensetzung aufweisen, die den Bedingungen des Zwischenfilms der vorliegenden Erfindung nicht genügt, weisen eine kristalline Struktur, eine große Oberflächenrauhigkeit Ra, eine geringe Oberflächenglätte und eine geringe Härte auf. Die Probenfilme, die den Bedingungen des Zwischenfilms der vorliegenden Erfindung genügen, weisen eine amorphe Struktur, eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit Ra, eine hervorragende Oberflächenglätte und eine große Härte auf.
Die Oberfläche einer Beschichtungsstruktur, die durch Beschichten des Probenfilms mit einem DLC-Film gebildet worden ist, nämlich die Oberfläche des DLC-Films, wies eine große Oberflächenrauhigkeit Ra und eine geringe Oberflächenglätte auf, wenn der Probenfilm eine geringe Oberflächenglätte oder eine geringe Oberflächenrauhigkeit Ra aufwies, und sie wies eine hervorragende Oberflächenglätte auf, wenn der Probenfilm eine hohe Oberflächenglätte aufwies. Die Beschichtungsstruktur wies eine geringe Härte auf, wenn der Probenfilm eine geringe Härte aufwies, oder sie wies eine große Härte auf, wenn der Probenfilm eine große Härte aufwies. Wenn der Probenfilm bezüglich der Oberflächenglätte hervorragend war und eine große Härte aufwies, wies die Oberfläche der Beschichtungsstruktur, nämlich die Oberfläche des DLC-Films, der auf dem Probenfilm angeordnet war, eine geringe Oberflächenrauhigkeit Ra, eine hervorragende Oberflächenglätte und eine große Härte auf.
Beispiel 2
Probenfilme mit einer Zusammensetzung, die durch (Cr_0,1Si_0,9)N dargestellt wird, wurden auf Substraten gebildet. Die Abhängigkeit der Oberflächenrauhigkeit und der Härte der Filme von den Filmabscheidungsbedingungen wurde untersucht. Der Probenfilm wurde auf einem Hartmetallsubstrat mit Spiegelglanzfinish gebildet, um eine Probe für die Analyse der Zusammensetzung des Probenfilms und zur Messung der Haftung des Probenfilms an dem Substrat zu erhalten. Das Substrat wurde in einer Sputterkammer angeordnet und dann wurde die Sputterkammer auf 1 × 10^–3 Pa oder weniger evakuiert. Das Substrat wurde bei etwa 400°C erhitzt und die Oberfläche des Substrats wurde durch ein Sputterreinigungsverfahren unter Verwendung von Ar-Ionen gereinigt. Ein Mischgas, das 65 Teile Ar und 35 Teile N₂ enthielt, wurde zur Filmabscheidung verwendet. Drücke im Bereich von 0,2 bis 0,6 Pa wurden verwendet. Vorspannungen im Bereich von 0 bis –200 V wurden an die Substrate ange legt. Die Probenfilme wurden in einer festgelegten Dicke von etwa 600 nm gebildet. Die Zusammensetzung jedes der Probenfilme erfüllte die Bedingungen bezüglich der Zusammensetzung des Zwischenfilms der vorliegenden Erfindung.
Die Oberflächenrauhigkeit und die Härte jedes der Probenfilme wurden mit den gleichen Verfahren wie denjenigen gemessen, die zur Messung der Probenfilme im Beispiel 1 eingesetzt worden sind. Die Messergebnisse sind in den 1 und 2 gezeigt. Die 1 zeigt die Abhängigkeit der Oberflächenrauhigkeit von der Vorspannung für Prozessgasdrücke. Die 2 zeigt die Abhängigkeit der Härte von der Vorspannung für Prozessgasdrücke. Wie es aus den 1 und 2 offensichtlich ist, war die Oberfläche des Probenfilms nicht zufrieden stellend glatt und die Härte war gering, wenn nicht eine hohe Vorspannung an das Substrat angelegt wurde, wenn der Prozessgasdruck 0,6 Pa betrug. Die Oberflächenrauhigkeit Ra betrug 1,5 nm oder weniger und die Härte betrug 20 GPa oder mehr und die Probenfilme wiesen eine glatte Oberfläche und eine große Härte auf, selbst wenn keinerlei Vorspannung an das Substrat angelegt wurde, wenn der Prozessgasdruck 0,5 Pa oder weniger betrug.
Die Oberfläche einer Beschichtungsstruktur, die durch Beschichten des Probenfilms mit einem DLC-Film gebildet worden ist, nämlich die Oberfläche des DLC-Films, wies eine große Oberflächenrauhigkeit Ra und eine geringe Oberflächenglätte auf, wenn der Probenfilm eine geringe Oberflächenglätte aufwies. Die Beschichtungsstruktur, die durch Abscheiden des DLC-Films auf dem Probenfilm mit einer geringen Härte gebildet worden ist, wies eine geringe Härte auf. Die Oberfläche der Beschichtungsstruktur, nämlich die Oberfläche des DLC-Films, wies eine geringe Oberflächenrauhigkeit Ra und eine hervorragende Oberflächenglätte auf, und die Beschichtungsstruktur wies eine große Härte auf, wenn der Probenfilm eine hervorragende Oberflächenglätte und eine große Härte aufwies.
Beispiel 3
Zwischenfilme (erste Schicht) aus CrSiN, die jeweils eine Dicke zwischen 10 und 1500 nm aufwiesen, wurden auf Substraten gebildet, und ein DLC-Film (zweite Schicht) mit einer Dicke von 1000 nm wurde auf jedem der Zwischenfilme gebildet, um Proben für eine Haftungsbewertung und eine Oberflächenrauhigkeitsmessung zu erhalten. Hartmetallsubstrate mit Spiegelglanzfinish wurden zur Bildung der Proben für eine Haftungsbewertung verwendet. Si-Substrate wurden zur Bildung der Proben für eine Oberflächenrauhigkeitsmessung verwendet. Das Substrat wurde in der Sputterkammer angeordnet und die Sputterkammer wurde auf einen Druck von 1 × 10^–3 Pa oder weniger evakuiert. Das bei etwa 400°C erhitzte Substrat wurde durch ein Sputterreinigungsverfahren unter Verwendung von Ar-Ionen gereinigt.
Es wurde ein Sputtertarget mit einem Durchmesser von 6 Zoll verwendet. Für eine Filmabscheidung wurde eine Leistung von 0,2 kW an das Cr-Target angelegt und eine Leistung von 2,0 kW wurde an das Si-Target angelegt. Ein Mischgas, das 65 Teile Ar und 35 Teile N₂ enthielt, wurde zur Filmabscheidung verwendet. Der Druck des Gases in der Sputterkammer wurde auf 0,2 Pa eingestellt. Für eine Filmabscheidung wurde eine Vorspannung von –100 V an das Substrat angelegt. Die so abgeschiedenen Zwischenfilme wiesen eine Zusammensetzung auf, die durch (Cr_0,1Si_0,9)N dargestellt wird, und die Zusammensetzung jedes der Probenzwischenfilme erfüllte die Bedingungen bezüglich der Zusammensetzung des Zwischenfilms der vorliegenden Erfindung, die im Anspruch 1 angegeben sind.
Ein Target mit einem Durchmesser von 6 Zoll wurde verwendet und eine Leistung von 1,0 kW wurde an das Target zur Abscheidung des DLC-Films angelegt. Ein Mischgas, das 90 Teile Ar und 10 Teile CH₄ enthielt, wurde zur Filmabscheidung verwendet. Der Prozessgasdruck wurde auf 0,6 Pa eingestellt und eine Vorspannung von –50 V wurde verwendet. DLC-Filme wurden in einer festgelegten Dicke von 1000 nm gebildet. Die 3 zeigt eine Beschichtungsstruktur, die durch Abscheiden des DLC-Films (zweite Schicht) auf dem Zwischenfilm (erste Schicht) gebildet worden ist. Alle Beschichtungsstrukturen erfüllten die durch die vorliegende Erfindung festgelegten Bedingungen, die im Anspruch 1 angegeben sind. Einige der Beschichtungsstrukturen erfüllen die in Anspruch 2 angegebenen Bedingungen nicht und andere erfüllen diese.
Die Haftung der Beschichtungsstrukturen, die jeweils durch Abscheiden des DLC-Films auf dem Zwischenfilm gebildet worden sind, an dem Substrat wurde bewertet. Die Haftung wurde durch einen Kratztest unter Verwendung eines Diamant-Eindrückkörpers mit einer runden Spitze mit einem Radius von 200 μm bewertet. Die Bedingungen für den Kratztest waren eine Belastung im Bereich von 0 bis 1000 N, eine Kratzgeschwindigkeit von 1,0 cm/min und eine Belastungsrate von 100 N/min. Die kritische Belastung Lc1, die in dem Moment ausgeübt wurde, als sich die Beschichtungsstruktur abzulösen begann, wurde gemessen. Die Haftung wurde als die kritische Belastung Lc1 bewertet. Die Oberflächenrauhigkeit der DLC-Filme wurde mit dem gleichen Verfahren gemessen, das bei der Messung der Oberflächenrauhigkeit der Probenfilme im Beispiel 1 eingesetzt worden ist.

Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Messung der Haftung der Filme und der Oberflächenrauhigkeit der DLC-Filme. Wie es aus der Tabelle 2 offensichtlich ist, wies der DLC-Film eine geringe Oberflächenrauhigkeit Ra und eine hervorragende Oberflächenglätte auf, wies jedoch eine geringe Lc1 und eine geringe Haftung auf, wenn die Dicke des Zwischenfilms (erste Schicht) 10 nm betrug. Der DLC-Film wies eine große Oberflächenrauhigkeit Ra, eine ge ringe Oberflächenglätte, eine geringe Lc1 und eine geringe Haftung auf, wenn die Dicke des Zwischenfilms (erste Schicht) 1500 nm beträgt. Der DLC-Film wies eine geringe Oberflächenrauhigkeit Ra, eine hervorragende Oberflächenglätte, eine große Lc1 und eine hervorragende Haftung auf, wenn die Dicke des Zwischenfilms (erste Schicht) im Bereich von 20 bis 1000 nm liegt. Tabelle 1

Probe Nr.	Zusammensetzung					Härte (GPa)	Oberflächenrauhigkeit Ra (nm)	Struktur
	1-a	a	x	y	1-x-y
	Cr	Si	B	C	N
1	1	0	0	0	1	14,3	3,54	kristallin
2	0,93	0,07	0	0	1	16	3,32	kristallin
3	0,56	0,44	0	0	1	16,7	3,21	kristallin
4	0,47	0,53	0	0	1	21,1	0,35	amorph
5	0,25	0,75	0	0	1	22	0,54	amorph
6	0,1	0,9	0	0	1	22	0,22	amorph
7	0	1	0	0	1	21	3,11	kristallin
14	0,1	0,9	0	0,36	0,64	19,2	0,22	amorph
15	0,1	0,9	0	1	0	16	3,76	kristallin
16	0,1	0,9	0,15	0,24	0,61	20,5	0,45	amorph
17	0,1	0,9	0,25	0	0,75	16	3,12	kristallin
18	0,1	0,9	0	0,53	0,47	17	3,56	kristallin

Tabelle 2

Probe Nr.	Dicke der ersten Schicht (nm)	Haftung Lc1 (N)	Oberflächenrauhigkeit Ra (nm)
1	10	25	0,45
2	25	77	0,48
3	100	71	0,53
4	400	70	0,66
5	900	66	0,87
6	1500	28	3,45

Das Formwerkzeug der vorliegenden Erfindung weist eine Basisoberfläche auf, die durch ein Ätzverfahren zur Entfernung des DLC-Films kaum aufgerauht wird. Daher muss die Basisoberfläche des Formwerkzeugs nicht durch ein Oberflächenrauhigkeitseinstellverfahren aufgerauht werden, bevor ein neuer DLC-Film auf der Basisoberfläche abgeschieden wird. Folglich kann der verschlissene DLC-Film leicht entfernt werden und ein neuer DLC-Film kann in einer kurzen Zeit abgeschieden werden, und somit können die Kosten der Entfernung des verschlissenen DLC-Films und der Abscheidung eines neuen DLC-Films vermindert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-342922 A [0002, 0033]
- JP 2004-292835 A [0033, 0033, 0033]

Claims

Formwerkzeug, das mit einem Zwischenfilm, der eine Basisoberfläche des Formwerkzeugs beschichtet, und einem diamantartigen Kohlenstofffilm, der den Zwischenfilm beschichtet, ausgestattet ist, wobei der Zwischenfilm aus einem Material gebildet ist, das eine Zusammensetzung aufweist, die durch (Cr_1-aSi_a) (B_xC_yN_1-x-y) dargestellt wird, welche den Bedingungen genügt, die durch die Ungleichungen 0,5 ≤ a ≤ 0,95 (1) 0 ≤ x ≤ 0,2 (2) 0 ≤ y ≤ 0,5 (3)ausgedrückt werden, wobei a die Atomprozent von Si, x die Atomprozent von B und y die Atomprozent von C sind, wobei ein Prozessgasdruck zwischen 0,2 und 0,5 Pa eingesetzt wird.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenfilm eine Dicke zwischen 20 und 1000 nm aufweist.