DE102018211387A1 - Wear protection layer arrangement and component with wear protection layer arrangement - Google Patents

Wear protection layer arrangement and component with wear protection layer arrangement Download PDF

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Abstract

Bei einer Verschleißschutzschichtanordnung (10) mit einem Substrat (11), einer auf dem Substrat ausgebildeten Haftvermittlerschicht (12) und wenigstens einer nach außen abschließenden Schutzschicht (15), die als amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht ausgebildet ist, ist vorgesehen, dass ein substratseitiger Bereich (15') der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15) mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist, und ein außenseitiger Bereich (15") undotiert bleibt. Zwischen der Haftvermittlerschicht (12) und der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15) können zwei Übergangsschichten (13, 14) ausgebildet sein, die durchgehend mit Silizium als Dotierstoff dotiert sein können. Die Übergangsschichten (13, 14) können jeweils eine im Vergleich zum substratseitigen Bereich (15') der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15) niedrigere Silizium-Dotierung aufweisen.

Figure DE102018211387A1_0000
In the case of a wear protection layer arrangement (10) with a substrate (11), an adhesion promoter layer (12) formed on the substrate and at least one protective layer (15) which closes outwards and is designed as an amorphous hydrogen-containing carbon layer, it is provided that a region on the substrate side (15 ') of the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15) is doped with silicon as a dopant, and an outside area (15 ") remains undoped. Between the adhesion promoter layer (12) and the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15) there can be two transition layers The transition layers (13, 14) can each have a lower silicon doping than the substrate-side region (15 ') of the amorphous carbon layer (15) ,
Figure DE102018211387A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschichtanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ferner ein Bauteil nach Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschichtanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a wear protection layer arrangement according to the preamble of claim 1 and further to a component according to claim 9 and a method for producing a wear protection layer arrangement according to the preamble of claim 10.

Stand der TechnikState of the art

Bauteile, die hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt sind, wie dies insbesondere bei Komponenten von Hochdruckeinspritzsystemen (Common-Rail-Injektoren) der Fall ist, werden serienmäßig mit Verschleißschutzschichten versehen. Als Verschleißschutzschichten kommen dazu amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schichten zum Einsatz, die mittels plasmaunterstützter Abscheidungsverfahren auf den Bauteilen aufgebracht werden und eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 350° C aufweisen.Components that are exposed to high temperatures and high pressures, as is the case in particular with components of high-pressure injection systems (common rail injectors), are provided with wear protection layers as standard. Amorphous hydrogen-containing carbon layers are used as wear protection layers, which are applied to the components by means of plasma-assisted deposition processes and have a temperature resistance of up to approximately 350 ° C.

Grundlagenforschungsergebnisse (vgl. [1] S.S. Camargo, Jr, A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, R. Carius, F. Finger „Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C:H films“, Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 ; und [2] A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, S.S. Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer „Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H films“, Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 ) hinsichtlich Wachstum und Charakterisierung dünner Kohlenstoff-Schichten weisen daraufhin, dass eine Silizium-Dotierung von dünnen amorphen Kohlenstoff-Schichten zwar die thermische Beständigkeit zu höheren Temperaturen hin steigert, sich allerdings dadurch die Verschleißbeständigkeit solcher Kohlenstoff-Schichten drastisch verschlechtert.Basic research results (cf. [1] SS Camargo, Jr, AL Baia Neto, RA Santos, FL Freire, Jr, R. Carius, F. Finger "Improved high-temperature stability of Si incorporated aC: H films", Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 ; and [2] AL Baia Neto, RA Santos, FL Freire, Jr, SS Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer "Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard aC: H films", Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 ) with regard to growth and characterization of thin carbon layers indicate that silicon doping of thin amorphous carbon layers increases the thermal resistance to higher temperatures, but drastically worsens the wear resistance of such carbon layers.

Offenbarungepiphany

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Verschleißschutzschichtanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie eine erweiterte Temperaturbeständigkeit bis etwa 500° C bei praktisch unvermindert hoher Verschleißbeständigkeit aufweist. Dazu ist vorgesehen, dass ein substratseitiger Bereich der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist, und ein außenseitiger Bereich undotiert bleibt. Durch die selektive Silizium-Dotierung des substratseitigen Bereichs der amorphen Kohlenstoff-Schicht kann das dort eingebaute Silizium Sauerstoff, der über sich bei erhöhter Temperatur erweiternde Hohlräume in der Netzwerkstruktur eindiffundiert, zu Siliziumoxid-Verbindungen binden, wodurch sich dort eine Diffusionsbarriere für Sauerstoff ausbildet, welche ein Oxidieren der darunterliegenden Haftvermittlerschicht aus Chrom mit daraus resultierender Rissbildung zwischen Haftvermittlerschicht und amorpher Kohlenstoff-Schicht und zumindest teilweiser Enthaftung der letzteren verhindert; indem der obere Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht undotiert, also frei von Silizium als Dotierstoff, bleibt, bildet sich in diesem substratseitigen Bereich ein „reines“ Kohlenwasserstoffnetzwerk mit seinem spezifischen Mikrogefüge und mithin seiner charakteristischen Härte bzw. Verschleißfestigkeit aus.The wear protection layer arrangement with the characterizing features of claim 1 has the advantage that it has an extended temperature resistance up to about 500 ° C with practically undiminished high wear resistance. For this purpose, it is provided that a region on the substrate side of the amorphous hydrogen-containing carbon layer is doped with silicon as a dopant, and an outer region remains undoped. Due to the selective silicon doping of the area of the amorphous carbon layer on the substrate side, the silicon oxygen built in there, which diffuses into the network structure via cavities that expand at elevated temperatures, can bind to silicon oxide compounds, thereby forming a diffusion barrier for oxygen, which prevents oxidation of the underlying adhesion promoter layer made of chromium with resulting crack formation between the adhesion promoter layer and the amorphous carbon layer and at least partial delamination of the latter; As the upper area of the amorphous carbon layer remains undoped, ie free of silicon as a dopant, a "pure" hydrocarbon network with its specific microstructure and therefore its characteristic hardness and wear resistance is formed in this substrate-side area.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.Further advantageous developments and refinements of the invention result from the measures listed in the subclaims.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, mit welcher eine konstant hohe Qualität hinsichtlich der Verschleißfestigkeit erzielbar ist, besteht darin, dass der substratseitige Bereich der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht ein Silizium-Dotierungsprofil aufweist, das so eingestellt ist, dass es in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu Netzwerkkonstituenten der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht liegt. Dabei umfasst das Silizium-Dotierungsprofil ausgehend von einer Grenzfläche der Kohlenstoff-Schicht einen ansteigenden Profilabschnitt zunehmender Siliziumkonzentration, einen Plateau-Bereich mit einer etwa konstant verlaufenden Maximal-Konzentration des Silizium-Dotierstoffs, und einen abfallenden Profilabschnitt mit einer auf Nullniveau absinkenden Silizium-Konzentration. Das Erreichen des Nullniveaus definiert das Ende des substratseitigen Bereichs und zugleich den Beginn des außenseitigen Bereichs der amorphen Kohlenstoff-Schicht.A preferred development of the invention, with which a consistently high quality with regard to wear resistance can be achieved, is that the substrate-side region of the amorphous hydrogen-containing carbon layer has a silicon doping profile which is set in such a way that it is in a concentration value range from 1 to 20 at .-% in relation to network constituents of the amorphous hydrogen-containing carbon layer. Starting from an interface of the carbon layer, the silicon doping profile comprises an increasing profile section of increasing silicon concentration, a plateau area with an approximately constant maximum concentration of the silicon dopant, and a falling profile section with a silicon concentration falling to zero level. Reaching the zero level defines the end of the substrate-side area and at the same time the beginning of the outside area of the amorphous carbon layer.

Versuchsreihen haben gezeigt, dass es zweckmäßig ist, wenn die Dicke des mit Silizium dotierten substratseitigen Bereichs der amorphen Kohlenstoff-Schicht etwa 20 bis 80 %, vorzugsweise etwa 50 %, der Schichtdicke der Kohlenstoff-Schicht beträgt.Test series have shown that it is expedient if the thickness of the region of the amorphous carbon layer doped with silicon on the substrate is approximately 20 to 80%, preferably approximately 50%, of the layer thickness of the carbon layer.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, mit welcher eine besonders hohe Verschleißfestigkeit der Verschleißschutzschichtanordnung mit einer Schichthärte der amorphen Kohlenstoff-Schicht von ungefähr 35 GPa bei etwa 500° C erzielbar ist, ist wenigstens eine Übergangsschicht vorgesehen, welche zwischen der Haftvermittlerschicht und der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Übergangsschicht durchgehend mit Silizium als Dotierstoff dotiert sein kann. Dabei weist die wenigstens eine Übergangsschicht eine im Vergleich zum substratseitigen Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht niedrigere Silizium-Dotierung auf, um einen „fließend“ verlaufenden Dotierungsübergang zum substratseitigen Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht zu bewirken.According to one embodiment of the invention, with which a particularly high wear resistance of the wear protection layer arrangement can be achieved with a layer hardness of the amorphous carbon layer of approximately 35 GPa at approximately 500 ° C., at least one transition layer is provided which is between the adhesion promoter layer and the amorphous hydrogen-containing carbon layer. Layer is formed, wherein the at least one transition layer can be continuously doped with silicon as a dopant. The at least one transition layer has a lower silicon doping compared to the substrate-side region of the amorphous carbon layer in order to “flow” cause doping transition to the substrate-side region of the amorphous carbon layer.

Eine dazu alternative Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass zwei aufeinanderfolgende Übergangsschichten zwischen der Haftvermittlerschicht und der amorphen Kohlenstoff-Schicht ausgebildet sind, wobei die an die amorphe Kohlenstoff-Schicht angrenzende Übergangsschicht eine zumindest gleich große oder etwas höhere Silizium-Dotierungskonzentration im Vergleich zur darunterliegenden und an die Haftvermittlerschicht angrenzenden Übergangsschicht aufweist. Dadurch ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine hinsichtlich der Schichtdicke breitere Diffusionsbarriere für von außen eindiffundierenden Sauerstoff.An alternative embodiment of the invention can consist in that two successive transition layers are formed between the adhesion promoter layer and the amorphous carbon layer, the transition layer adjoining the amorphous carbon layer having an at least the same or slightly higher silicon doping concentration compared to the one below and has a transition layer adjacent to the adhesion promoter layer. In this embodiment, this results in a diffusion barrier for oxygen diffusing in from the outside in terms of the layer thickness.

Ein Bauteil mit einer derartigen Verschleißschutzschichtanordnung eignet sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen und Drücken und ist mithin als Komponente eines Hochdruckeinspritzsystems, insbesondere als Injektor, geeignet.A component with such a wear protection layer arrangement is suitable for use at high temperatures and pressures and is therefore suitable as a component of a high-pressure injection system, in particular as an injector.

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschichtanordnung, wobei auf einem Substrat eine Haftvermittlerschicht ausgebildet wird und danach unmittelbar oder mittelbar wenigstens eine amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht als Schutzschicht erzeugt wird, ist vorgesehen, dass beim Erzeugen der wenigstens einen amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht ein substratseitiger Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht mit Silizium als Dotierstoff dotiert wird und ein außenseitiger Bereich der amorphen Kohlenstoff-Schicht undotiert ausgebildet wird. Dabei wird der substratseitige Bereich mit einem Silizium-Dotierungsprofil ausgebildet, das derart gewählt wird, dass das Dotierungsprofil in einem Plateau in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu beim Erzeugen der amorphen Kohlenstoff-Schicht verwendeten Prozessgasen liegt, wodurch eine reproduzierbar hohe Fertigungsqualität erzielbar ist. Für das Dotierungsprofil werden ausgehend von einer Grenzfläche der Kohlenstoff-Schicht ein ansteigender Profilabschnitt zunehmender Silizium-Konzentration, ein Plateau-Bereich mit einer etwa konstant verlaufenden Silizium-Maximalkonzentration, und ein abfallender Profilabschnitt mit einer etwa auf Nullniveau absinkenden Silizium-Konzentration im substratseitigen Bereich ausgebildet. Die Erzeugung der amorphen Kohlenstoff-Schicht wird mittels plasmainduzierter Abscheidung (PECVD: „plasma enhanced chemical vapor deposition“) durchgeführt, wobei auf einer oder mehreren dünnen Schicht(en), die entweder die Haftvermittlerschicht aus einem Metall wie z.B. Chrom oder eine bzw. mehrere auf der Haftvermittlerschicht aufgebrachte Übergangsschicht(en) sein kann/können, die amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht durch Wachstum ausgebildet wird.In a method for producing a wear protection layer arrangement, wherein an adhesion promoter layer is formed on a substrate and then at least one amorphous hydrogen-containing carbon layer is produced directly or indirectly as a protective layer, it is provided that when the at least one amorphous hydrogen-containing carbon layer is produced, a region on the substrate side the amorphous carbon layer is doped with silicon as a dopant and an outside region of the amorphous carbon layer is formed undoped. The region on the substrate side is formed with a silicon doping profile, which is selected such that the doping profile in a plateau lies in a concentration range of 1 to 20 at .-% in relation to the process gases used in producing the amorphous carbon layer, whereby a reproducible high manufacturing quality can be achieved. For the doping profile, starting from an interface of the carbon layer, an increasing profile section with increasing silicon concentration, a plateau area with an approximately constant maximum silicon concentration, and a falling profile section with an approximately zero silicon concentration in the substrate-side area are formed , The amorphous carbon layer is generated by means of plasma-induced deposition (PECVD: "plasma enhanced chemical vapor deposition"), with one or more thin layer (s) either containing the adhesion promoter layer made of a metal such as e.g. Chromium or one or more transition layer (s) applied to the adhesion promoter layer, the amorphous hydrocarbon layer is formed by growth.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:

  • 1A einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung, die ein Substrat, eine Haftvermittlerschicht, zwei Übergangsschichten und eine nach außen abschließende Funktionsschicht umfasst, wobei die als amorphe Kohlenstoff-Schicht ausgebildete Funktionsschicht einen mit Silizium dotierten substratseitigen Bereich und einen undotierten oberflächenseitigen Bereich aufweist,
  • 1B ein Schaubild, das ein typisches Silizium-Dotierungsprofil für den substratseitigen Bereich der Funktionsschicht veranschaulicht, wobei entlang der Abszisse die Schichtdicke der Funktionsschicht und entlang der Ordinate das Silizium-Dotierungsprofil als Funktion der Dicke der Funktionsschicht aufgetragen sind.
  • 2A einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche ein Substrat, eine Haftvermittlerschicht und eine als amorphe Kohlenstoff-Schicht ausgebildete Funktionsschicht umfasst, wobei die Funktionsschicht einen mit Silizium dotierten substratseitigen Bereich und einen undotierten oberflächenseitigen Bereich aufweist, sowie
  • 2B ein Schaubild, das ein Silizium-Dotierungsprofil für den substratseitigen Bereich der Funktionsschicht der Schichtanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform von 2A veranschaulicht, wobei entlang der Abszisse die Schichtdicke des substratseitigen Bereichs der Funktionsschicht und entlang der Ordinate die Konzentration der Silizium-Dotierungsprofils aufgetragen sind.
Embodiments of the invention are explained in more detail in the following description and in the accompanying drawings. The latter show in schematic views:
  • 1A 3 shows a section through a wear protection layer arrangement according to the invention, which comprises a substrate, an adhesion promoter layer, two transition layers and a functional layer that closes off from the outside, the functional layer designed as an amorphous carbon layer having a substrate-doped region on the substrate side and an undoped region on the surface side,
  • 1B a diagram illustrating a typical silicon doping profile for the substrate-side region of the functional layer, the layer thickness of the functional layer being plotted along the abscissa and the silicon doping profile as a function of the thickness of the functional layer along the ordinate.
  • 2A 4 shows a section through the wear protection layer arrangement according to the invention in accordance with a second embodiment, which comprises a substrate, an adhesion promoter layer and a functional layer designed as an amorphous carbon layer, the functional layer having a region doped with silicon on the substrate and an undoped region on the surface, and
  • 2 B FIG. 3 shows a diagram that shows a silicon doping profile for the substrate-side region of the functional layer of the layer arrangement according to the second embodiment of FIG 2A illustrates, the layer thickness of the substrate-side region of the functional layer being plotted along the abscissa and the concentration of the silicon doping profile being plotted along the ordinate.

Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments

1A zeigt in einer stark schematisch gehaltenen Querschnittansicht eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschichtanordnung 10, die nacheinander aus einem Substrat 11, einer auf dem Substrat 11 aufgebrachten Haftvermittlerschicht 12, einer ersten Übergangsschicht 13, einer zweiten Übergangsschicht 14 und einer abschließenden Schutz- bzw. Funktionsschicht 15 gebildet ist. Als Substrat 11 dient dabei ein Bauteil typischerweise aus Stahl, das zum Beschichten vorgesehen ist, um dessen Verschleißbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit zu verbessern. Die auf dem Substrat 11 aufgebrachte Haftvermittlerschicht 12 besteht aus kristallinem Chrom, wohingegen die beiden darauf aufbrachten Übergangsschichten 13, 14 als Chromkarbid-Verbindungsstrukturen ausgebildet sind und sich im Wesentlichen hinsichtlich des Chrom/Kohlenstoff-Verhältnisses voneinander unterscheiden, um eine mikroskopische Anpassung an die sich daran anschließend aufgebrachte Funktionsschicht 15 zu bewirken. Die nach außen abschließende Funktionsschicht 15 ist als amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht (a-C:H-Schicht) ausgebildet und mittels eines plasmaunterstützten Abscheidungsverfahrens auf der zweiten Übergangsschicht 14 in einer Schichtdicke aufgebracht, welche je nach Anwendungsfall etwa 0.1 µm bis einige µm betragen kann. 1A shows a wear protection layer arrangement according to the invention in a highly schematic cross-sectional view 10 that successively from a substrate 11 , one on the substrate 11 applied adhesion promoter layer 12 , a first transition layer 13 , a second transition layer 14 and a final protective or functional layer 15 is formed. As a substrate 11 A component is typically made of steel and is intended for coating in order to improve its wear resistance and temperature resistance. The one on the substrate 11 applied adhesion promoter layer 12 consists of crystalline chromium, whereas the two transition layers applied to it 13 . 14 as Chromium carbide connection structures are formed and essentially differ from one another with regard to the chromium / carbon ratio in order to adapt them microscopically to the functional layer subsequently applied 15 to effect. The final functional layer 15 is formed as an amorphous hydrogen-containing carbon layer (aC: H layer) and by means of a plasma-assisted deposition process on the second transition layer 14 applied in a layer thickness, which can be about 0.1 µm to a few µm depending on the application.

Um die Temperaturbeständigkeit der amorphen wasserstoffhaltigen Schutzschicht 15 zu erhöhen, ist ihr substratseitiger Bereich 15', d.h. der an die darunterliegende zweite Übergangsschicht 14 angrenzende Bereich, mit Silizium dotiert. Dabei beträgt die Dicke des derart dotierten Bereichs 15' etwa 20 bis 80 % der Gesamtdicke der Schutzschicht 15. Damit zugleich die Verschleißbeständigkeit der Schutzschicht 15 sichergestellt ist, bleibt der verbleibende äußere Bereich 15", d.h. der zur Außenseite bzw. Oberfläche 15'" der Funktionsschicht 15 weisende oberflächenseitige bzw. der der zweiten Übergangsschicht 14 abgewandte Bereich, undotiert.The temperature resistance of the amorphous hydrogen-containing protective layer 15 to increase is their substrate-side area 15 ' , ie the second transition layer underneath 14 adjacent area, doped with silicon. The thickness of the region doped in this way is 15 ' about 20 to 80% of the total thickness of the protective layer 15 , This also means the wear resistance of the protective layer 15 the remaining outer area remains 15 " , ie to the outside or surface 15 '"of the functional layer 15 facing surface or that of the second transition layer 14 opposite area, undoped.

Die zwischen der Haftvermittlerschicht 12 und der Funktionsschicht 15 angeordneten beiden Übergangsschichten 13, 14 dienen dazu, einen allmählichen Übergang von der kristallinen Struktur des Substrats 11 zur amorphen Netzwerkstruktur der Funktionsschicht 15 herzustellen; dabei können beide Übergangsschichten 13, 14 im Ausführungsbeispiel mit Silizium dotiert sein und die zweite Übergangsschicht 14 weist eine etwas höhere Silizium-Dotierungskonzentration als die erste Übergangsschicht 13 auf, um Eigenspannungen von Grenzfläche zu Grenzfläche zu reduzieren. Die beiden Übergangsschichten 13, 14 weisen jeweils eine deutlich schwächere Silizium-Dotierungskonzentration als der substratseitige Bereich 15' der amorphen Kohlenstoff-Schicht auf.The one between the adhesive layer 12 and the functional layer 15 arranged two transition layers 13 . 14 serve a gradual transition from the crystalline structure of the substrate 11 to the amorphous network structure of the functional layer 15 manufacture; both transition layers can be used 13 . 14 be doped with silicon in the exemplary embodiment and the second transition layer 14 has a slightly higher silicon doping concentration than the first transition layer 13 to reduce residual stresses from interface to interface. The two transition layers 13 . 14 each have a significantly weaker silicon doping concentration than the substrate-side region 15 ' the amorphous carbon layer.

1B veranschaulicht in einem stark schematisch gehaltenen Schaubild den qualitativen Verlauf des Silizium-Dotierungsprofils in funktionaler Abhängigkeit von der Schichtdicke z der amorphen Kohlenstoff-Schicht 15. Dabei ist auf der Abszisse die Schichtdicke z der Schutzschicht 15 aufgetragen, während auf der Ordinate der Silizium-Dotierungsgrad N(Si) aufgetragen ist. Das Dotierungsprofil 20, das in der Form eines Trapezes ausgebildet ist, weist eine Anstiegsflanke 21 auf, die in der Grenzfläche 16 des substratseitigen Bereichs 15' zur zweiten Übergangsschicht 14 einsetzt, wobei die Silizium-Zumischung bzw. der Silizium-Anteil im Prozessgas ansteigt, um einen Plateau-Bereich 22 des Dotierungsprofils 20 zu erreichen, wo die Silizium-Zumischung ein relativ konstantes Maximal-Niveau Nmax beibehält, worauf schließlich eine abfallende Flanke 23 des Dotierungsprofils 20 erfolgt, mit welcher die Silizium-Zumischung von dem konstanten Maximal-Niveau Nmax auf Nullniveau, d.h. 0 at.-%, reduziert wird; das Erreichen des Nullniveaus in der abfallenden Flanke 23 definiert einerseits das Ende des substratseitigen Bereichs 15' und andererseits den Beginn des äußeren undotierten Bereichs 15" der Schutzschicht 15. Mithin verläuft das Silizium-Dotierungsprofil über den substratseitigen Bereich 15' der Kohlenstoff-Schicht 15. Ferner ist das Silizium-Dotierungsprofil im substratseitigen Bereich 15' der amorphen Kohlenstoff-Schicht 15 so gewählt, dass es in einem Konzentrationswertebereich liegt, der sich von 1 bis 20 at.-% (Atomprozent) im Verhältnis zu den für die Abscheidung der Kohlenstoff-Schicht eingeleiteten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgasen wie z.B. Acetylen (C2H2), Methan oder andere Kohlenwasserstoffe erstreckt, wobei zur Silizium-Dotierung ein siliziumhaltiges Prozessgas wie z.B. Silan während des Abscheideprozesses zugeführt bzw. zugemengt wird. Das konstante Maximal-Niveau Nmax der Silizium-Konzentration im Plateau-Bereich 22 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 20 at.-%. Es ergibt sich nach thermischer Auslagerung, dass sowohl die Schichtdicke wie auch die Schichthärte der Kohlenstoff-Schicht 15 bis hinauf zu T ≈ 450° C jeweils einen etwa konstanten Verlauf zeigen und erst bei 450° C ≤ T ≤ 500° C die Schichtdicke und Schichthärte um jeweils etwa 30% abnehmen. 1B illustrates in a highly schematic diagram the qualitative course of the silicon doping profile as a function of the layer thickness z of the amorphous carbon layer 15 , The thickness z of the protective layer is on the abscissa 15 is plotted, while the ordinate shows the silicon doping level N (Si). The doping profile 20 , which is formed in the shape of a trapezoid, has a rising edge 21 on that in the interface 16 of the substrate-side area 15 ' to the second transition layer 14 uses, the silicon admixture or the silicon portion in the process gas increases by a plateau region 22 the doping profile 20 to reach where the silicon admixture maintains a relatively constant maximum level Nmax, whereupon finally a falling edge 23 the doping profile 20 with which the silicon admixture is reduced from the constant maximum level Nmax to zero level, ie 0 at .-%; reaching the zero level on the falling edge 23 defines the end of the substrate-side area 15 ' and on the other hand the beginning of the outer undoped area 15 " the protective layer 15 , The silicon doping profile therefore runs over the region on the substrate side 15 ' the carbon layer 15 , Furthermore, the silicon doping profile is in the region on the substrate side 15 ' the amorphous carbon layer 15 chosen so that it lies in a concentration range that is from 1 to 20 at .-% (atomic percent) in relation to the hydrocarbon-containing process gases introduced for the deposition of the carbon layer, such as acetylene (C 2 H 2 ), methane or others Hydrocarbons extends, with a silicon-containing process gas such as silane being added or admixed for the silicon doping during the deposition process. The constant maximum level Nmax of the silicon concentration in the plateau area 22 is about 20 at .-% in the embodiment. After thermal aging, it follows that both the layer thickness and the layer hardness of the carbon layer 15 show an approximately constant course up to T ≈ 450 ° C and only decrease the layer thickness and layer hardness by approximately 30% at 450 ° C ≤ T ≤ 500 ° C.

2A zeigt eine Verschleißschutzschichtanordnung 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche sich von der in 1A dargestellten Ausführungsform darin unterscheidet, dass zwischengeordnete Übergangsschichten fehlen, so dass die Verschleißschutzschichtanordnung 100 nacheinander aus dem Substrat 110, der Chrom-Haftvermittlerschicht 120 und der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht 150 als Funktionsschicht gebildet ist. Dabei weist die Kohlenstoff-Schicht 150 - in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform - zwei zueinander benachbarte Bereiche 150' und 150" auf, von denen der an die Grenzfläche 160 zur Haftvermittlerschicht 120 unmittelbar angrenzende substratseitige Bereich 150' mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist, während der der Außenseite 150'" zugewandte außenseitige Bereich 150" undotiert bleibt. 2A shows a wear protection layer arrangement 100 according to a second embodiment, which differs from that in 1A illustrated embodiment differs in that intermediate transition layers are missing, so that the wear protection layer arrangement 100 successively from the substrate 110 , the chrome adhesive layer 120 and the amorphous hydrogen-containing carbon layer 150 is formed as a functional layer. The carbon layer has 150 - In accordance with the first embodiment - two adjacent areas 150 ' and 150 ' on, of which the to the interface 160 to the adhesion promoter layer 120 immediately adjacent area on the substrate side 150 ' is doped with silicon as a dopant, while the outside region facing the outside 150 ″ 150 ' remains undoped.

2B zeigt in einem stark schematisch gehaltenen Schaubild den qualitativen Verlauf des Silizium-Dotierungsprofils 200 in funktionaler Abhängigkeit von der Schichtdicke bzw. dem Schichtwachstum z der amorphen Kohlenstoff-Schicht 150 der Schichtanordnung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform von 2A. Das Silizium-Dotierungsprofil 200 verläuft über den substratseitigen Bereich 150' und umfasst drei Profilabschnitte, nämlich zunächst eine ansteigende Flanke 210, dann ein Plateau 220 und schließlich eine abfallende Flanke 230, denen drei Zonen z1, z2, z3 des Bereichs 150' zugeordnet sind; dabei ist der Bereich 150' unterteilt in die erste Zone z1, die eine Randzone zur Grenzfläche 160 bildet, die zweite - intermediäre - Zone z2 und die dritte Zone z3, welche eine Randzone zum außenseitigen Bereich 150" bildet. Die ansteigende Flanke 210 erstreckt sich über die erste Zone z1 des Bereichs 150' entlang der z-Achse in einem Wertebereich von 10% ≤ z1 ≤ 25% der Schichtdicke der amorphen Kohlenstoff-Schicht 150, der Plateau-Bereich 220 erstreckt sich über die zweite Zone z2 des Bereichs 150' in einem Wertebereich von 5% ≤ z2 ≤ 40% der Schichtdicke der Kohlenstoff-Schicht 150, und die abfallende Flanke 230 erstreckt sich entlang der z-Achse über die dritte Zone z3 des Bereichs 150' in einem Wertebereich von 1% ≤ z3 ≤ 20% der Schichtdicke der amorphen Kohlenstoff-Schicht 150. Der relativ flache Anstieg der Flanke 210 bewirkt, dass Eigenspannungen zwischen kristalliner Grenzfläche 160 und angrenzendem Rand des amorphen Bereichs 150' nur auf niedrigem Niveau auftreten können, während der relativ steil verlaufende Abfall der Flanke 230 zwischen der dritten Zone und dem dazu angrenzenden ebenfalls amorphen Bereich 150" erfolgt und daher kaum strukturbedingte Eigenspannungen bewirkt. Die gleiche Performance stellt sich ein wie bei der Ausführungsform von 1B. 2 B shows in a highly schematic diagram the qualitative course of the silicon doping profile 200 in functional dependence on the layer thickness or the layer growth z of the amorphous carbon layer 150 the layer arrangement 100 according to the second embodiment of 2A , The silicon doping profile 200 runs over the substrate-side area 150 ' and comprises three profile sections, namely initially a rising flank 210 , then a plateau 220 and finally a falling edge 230 , which three zones z 1 , z 2 , z 3 of the area 150 ' assigned; there is the area 150 ' divided into the first zone z 1 , which is an edge zone to the interface 160 forms the second - intermediate - zone z 2 and the third zone z 3 , which is an edge zone to the outside area 150 ' forms. The rising edge 210 extends over the first zone z 1 of the area 150 ' along the z-axis in a range of values of 10% ≤ z 1 ≤ 25% of the layer thickness of the amorphous carbon layer 150 , the plateau area 220 extends over the second zone z 2 of the area 150 ' in a range of 5% ≤ z 2 ≤ 40% of the layer thickness of the carbon layer 150 , and the falling edge 230 extends along the z-axis over the third zone z 3 of the area 150 ' in a range of 1% ≤ z 3 ≤ 20% of the layer thickness of the amorphous carbon layer 150 , The relatively flat rise of the flank 210 causes residual stresses between the crystalline interface 160 and adjacent edge of the amorphous area 150 ' can only occur at a low level during the relatively steep slope of the flank 230 between the third zone and the adjacent, also amorphous area 150 ' takes place and therefore causes hardly any structural internal stresses. The same performance occurs as in the embodiment of 1B ,

In verfahrenstechnischer Hinsicht sind zur Herstellung der Verschleißschutzschichtanordnung die folgenden Schritte vorgesehen: Zunächst wird auf dem Substrat bzw. der Substratoberfläche die Chrom-Haftvermittlerschicht durch Abscheiden mittels Kathodenzerstäubung („Sputtern“) ausgebildet; in einem optionalen Schritt werden danach auf der Chrom-Haftvermittlerschicht zwei Übergangsschichten durch Abscheiden ausgebildet, wobei Acetylen mittels CVD („chemical vapor deposition“) abgeschieden wird und zur Silizium-Dotierung der Übergangsschichten ein siliziumhaltiges Gas zugegeben wird; und schließlich wird in einem abschließenden Verfahrensschritt die amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht 15, 150 erzeugt, indem ein substratseitiger Bereich 15', 150' der amorphen Kohlenstoff-Schicht 15, 150 mit Silizium als Dotierstoff dotiert wird und ein außenseitiger Bereich 15", 150" der amorphen Kohlenstoff-Schicht 15, 150 undotiert ausgebildet wird, wobei der substratseitige Bereich 15', 150' mit einem Silizium-Dotierungsprofil 20, 200 ausgebildet wird, das derart gewählt wird, dass es in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu dem beim Erzeugen der amorphen Kohlenstoff-Schicht 15, 150 verwendeten Prozessgas, also z.B. Acetylen oder Methan, liegt. Für das Dotierungsprofil werden ausgehend von einer Grenzfläche der Kohlenstoff-Schicht ein ansteigender Profilabschnitt zunehmender Silizium-Konzentration, ein Plateau-Bereich mit einer etwa konstant verlaufenden Silizium-Maximalkonzentration, und ein abfallender Profilabschnitt mit einer etwa auf Nullniveau absinkenden Silizium-Konzentration im substratseitigen Bereich ausgebildet. Die Erzeugung der amorphen Kohlenstoff-Schicht erfolgt mittels plasmaunterstützter Abscheidung (PECVD: „plasma enhanced chemical vapor deposition“).From a procedural point of view, the following steps are provided for producing the wear protection layer arrangement: First, the chromium adhesion promoter layer is formed on the substrate or the substrate surface by deposition by means of cathode sputtering (“sputtering”); in an optional step, two transition layers are then formed on the chrome adhesion promoter layer by deposition, acetylene being deposited by means of CVD (“chemical vapor deposition”) and a silicon-containing gas being added for silicon doping of the transition layers; and finally, in a final process step, the amorphous hydrogen-containing carbon layer 15 . 150 created by a substrate-side area 15 ' . 150 ' the amorphous carbon layer 15 . 150 is doped with silicon as a dopant and an outside area 15 " . 150 ' the amorphous carbon layer 15 . 150 is undoped, the substrate-side region 15 ' . 150 ' with a silicon doping profile 20 . 200 is formed, which is selected such that it is in a concentration value range of 1 to 20 at .-% in relation to that when producing the amorphous carbon layer 15 . 150 process gas used, for example acetylene or methane. For the doping profile, starting from an interface of the carbon layer, an increasing profile section with increasing silicon concentration, a plateau area with an approximately constant maximum silicon concentration, and a falling profile section with an approximately zero silicon concentration in the substrate-side area are formed , The amorphous carbon layer is generated by means of plasma-assisted deposition (PECVD: “plasma enhanced chemical vapor deposition”).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • S.S. Camargo, Jr, A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, R. Carius, F. Finger „Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C:H films“, Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 [0003]S.S. Camargo, Jr, A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, R. Carius, F. Finger "Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C: H films", Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155-1162 [0003]
  • A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, S.S. Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer „Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H films“, Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 [0003]A.L. Baia Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, Jr, S.S. Camargo, Jr, R. Carius, F. Finger, W. Beyer "Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C: H films", Thin Solid Films 293 (1997) 206-211 [0003]

Claims (11)

Verschleißschutzschichtanordnung mit einem Substrat, einer auf dem Substrat ausgebildeten Haftvermittlerschicht und wenigstens einer nach außen abschließenden Schutzschicht, die als amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein substratseitiger Bereich (15'; 150') der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist, und ein außenseitiger Bereich (15"; 150") undotiert bleibt.Wear protection layer arrangement with a substrate, an adhesion promoter layer formed on the substrate and at least one protective layer closing to the outside, which is designed as an amorphous hydrogen-containing carbon layer, characterized in that a substrate-side region (15 ';150') of the amorphous hydrogen-containing carbon layer ( 15; 150) is doped with silicon as a dopant, and an outside area (15 ";150") remains undoped. Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der substratseitige Bereich (15'; 150') der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15, 150) ein Silizium-Dotierungsprofil (20; 200) aufweist, das so eingestellt ist, dass es in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu Netzwerkkonstituenten der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) liegt.Wear protection layer arrangement after Claim 1 , characterized in that the substrate-side region (15 ';150') of the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15, 150) has a silicon doping profile (20; 200) which is set so that it is in a concentration value range from 1 to 20 at .-% in relation to network constituents of the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15; 150). Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium-Dotierungsprofil (20; 200) ausgehend von einer Grenzfläche (16; 160) der Kohlenstoff-Schicht (15; 150) einen ansteigenden Profilabschnitt (21; 210) zunehmender Siliziumkonzentration, einen Plateau-Bereich (22; 220) mit einer etwa konstant verlaufenden Maximal-Konzentration des Silizium-Dotierstoffs, und einen abfallenden Profilabschnitt (23; 230) mit einer etwa auf Nullniveau absinkenden Silizium-Konzentration umfasst.Wear protection layer arrangement after Claim 2 , characterized in that the silicon doping profile (20; 200) starting from an interface (16; 160) of the carbon layer (15; 150) has an increasing profile section (21; 210) of increasing silicon concentration, a plateau region (22; 220) with an approximately constant maximum concentration of the silicon dopant, and a falling profile section (23; 230) with an approximately zero level silicon concentration. Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des mit Silizium dotierten substratseitigen Bereichs (15'; 150') der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) etwa 20 bis 80 % der Schichtdicke der Kohlenstoff-Schicht (15; 150) beträgt.Wear protection layer arrangement according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the thickness of the silicon-doped substrate-side region (15 ';150') of the amorphous carbon layer (15; 150) is approximately 20 to 80% of the layer thickness of the carbon layer (15; 150). Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Übergangsschicht (13, 14) vorgesehen ist, welche zwischen der Haftvermittlerschicht (12) und der amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15) ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Übergangsschicht (13, 14) durchgehend mit Silizium als Dotierstoff dotiert ist.Wear protection layer arrangement according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that at least one transition layer (13, 14) is provided, which is formed between the adhesion promoter layer (12) and the amorphous hydrogen-containing carbon layer (15), the at least one transition layer (13, 14) being continuously coated with silicon as Dopant is doped. Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Übergangsschicht (13, 14) eine im Vergleich zum substratseitigen Bereich (15') der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15) niedrigere Silizium-Dotierung aufweist.Wear protection layer arrangement after Claim 5 , characterized in that the at least one transition layer (13, 14) has a lower silicon doping compared to the substrate-side region (15 ') of the amorphous carbon layer (15). Verschleißschutzschichtanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Übergangsschichten (13, 14) zwischen der Haftvermittlerschicht (12) und der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15) ausgebildet sind, wobei die an die amorphe Kohlenstoff-Schicht (15) angrenzende Übergangsschicht (14) eine zumindest gleich große oder etwas höhere Silizium-Dotierungskonzentration im Vergleich zur darunterliegenden und an die Haftvermittlerschicht (12) angrenzenden Übergangsschicht (13) aufweist.Wear protection layer arrangement after Claim 5 or 6 , characterized in that two successive transition layers (13, 14) are formed between the adhesion promoter layer (12) and the amorphous carbon layer (15), the transition layer (14) adjoining the amorphous carbon layer (15) being at least the same has a large or somewhat higher silicon doping concentration compared to the underlying transition layer (13) adjacent to the adhesion promoter layer (12). Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass direkt auf die Haftvermittlerschicht (120) die amorphe Kohlenstoff-Schicht (150) als Funktionsschicht folgt, wobei die Funktionsschicht den mit Silizium dotierten substrathaltigen Bereich (150') und den undotierten oberflächenseitigen Bereich (150") aufweist.Wear protection layer arrangement according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the adhesive layer (120) is followed directly by the amorphous carbon layer (150) as the functional layer, the functional layer having the substrate-containing region (150 ') doped with silicon and the undoped region (150 ") on the surface. Bauteil mit einer Verschleißschutzschichtanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche.Component with a wear protection layer arrangement according to one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschichtanordnung, wobei auf einem Substrat eine Haftvermittlerschicht ausgebildet wird und danach unmittelbar oder mittelbar wenigstens eine amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoff-Schicht als Schutzschicht erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der wenigstens einen amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) ein substratseitiger Bereich (15'; 150') der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) mit Silizium als Dotierstoff dotiert wird und ein außenseitiger Bereich (15"; 150") der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) undotiert ausgebildet wird.Method for producing a wear protection layer arrangement, an adhesion promoter layer being formed on a substrate and then at least one amorphous hydrogen-containing carbon layer being produced directly or indirectly as a protective layer, characterized in that when the at least one amorphous hydrogen-containing carbon layer (15; 150) is produced a substrate-side area (15 ';150') of the amorphous carbon layer (15; 150) is doped with silicon as a dopant and an outside area (15 ";150") of the amorphous carbon layer (15; 150) is undoped , Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der substratseitige Bereich (15'; 150') mit einem Silizium-Dotierungsprofil (20; 200) ausgebildet wird, das derart gewählt wird, dass es in einem Plateau in einem Konzentrationswertebereich von 1 bis 20 at.-% im Verhältnis zu beim Erzeugen der amorphen Kohlenstoff-Schicht (15; 150) verwendeten Prozessgasen liegt.Procedure according to Claim 10 , characterized in that the substrate-side region (15 ';150') is formed with a silicon doping profile (20; 200), which is selected such that it is in a plateau in a concentration value range of 1 to 20 at .-% im Ratio to the process gases used in producing the amorphous carbon layer (15; 150).
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