DE102020120107A1

DE102020120107A1 - Elektrisch isolierender, korrosionsbeständiger Stoffverbund und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102020120107A1
Application number: DE102020120107.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Leiste; Michael Stüber; Sven Ulrich; Steffen Schweiger
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Stoffverbund (1) auf einem Substrat (2), umfassend mindestens eine Haftvermittlerschicht (3) auf dem Substrat sowie eine Vielzahl von in periodisch oder in aperiodisch wiederholter Abfolge auf den Haftvermittlerschichten abwechselnd übereinander aufgetragenen ersten und zweiten Schichten (4, 5), sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Stoffverbundes bereit. Die ersten Schichten (4) des erfindungsgemäßen Stoffverbundes bestehen aus amorphem wasserstoffhaltigen Kohlenstoff und/oder chemisch modifizierten Kohlenstoff (a-C:H, a-c:X, a-C:H:X, mit X = H, N, O, Si, F). Die zweiten Schichten (5) des erfindungsgemäßen Stoffverbundes bestehen aus amorphem Siliziumdioxid (a-SiOx) oder aus amorphem Siliziumnitrid (a-SiNy). Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Stoffverbundes verhindert ein kolumnares Gefügewachstum. Die Einzellagen, aus denen die ersten und zweiten Schichten bestehen, wachsen zu einem flächenhaften Gefüge ohne Einschlüsse. Der erfindungsgemäße Stoffverbund und das Verfahren zu dessen Herstellung lösen dadurch die technische Aufgabe, die Durchschlagsfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen in energietechnischen Anlagen zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stoffverbund, auf einem Substrat, umfassend mindestens eine Haftvermittlerschicht sowie eine Vielzahl auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten nacheinander aufgebrachten ersten und zweiten Schichten gemäß dem ersten Patentanspruch. Zusätzlich betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung dieses Stoffverbunds, wobei die ersten Schichten aus amorphem Kohlenstoff mit und/oder ohne Wasserstoff, und die zweiten Schichten aus amorphem Siliziumdioxid oder amorphem Siliziumnitrid bestehen.
Der erfindungsgemäße Stoffverbund wird als Schutzschicht auf Bauteilen, z.B. für die Anwendung in energietechnischen Systemen, abgeschieden. Der Stoffverbund dient der elektrischen Isolierung und dem Verschleißschutz dieser Bauteile. Er zeichnet sich durch eine hohe Durchschlagsfestigkeit, einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Verschleißfestigkeit aus.
Die Oberfläche technischer Bauteile, z.B. in Anlagen zur elektrischen Energieübertragung, unterliegen Schädigungen durch Oberflächenentladungen und Spannungsdurchschlägen, in deren Folge Oxidation und lokale Verbrennungen auftreten. Weitere Schädigungen entstehen durch Wechselwirkungen mit der Umgebung, wie z.B. der Erosion durch in der Luft vorhandene Staubpartikel. Diese Schädigungen ziehen weitere technische Defekte nach sich, bis hin zum Ausfall des Energienetzes.
Komponenten und Bauteile in Anlagen zur elektrischen Energieübertragungstechnik der Zukunft, wie zum Beispiel in küstennahen Windkraftanlagen, Offshore-Anlagen oder Solarkraftanlagen in Wüstengebieten sind besonderen Anforderungen ausgesetzt. Dazu gehören eine hohe Luftfeuchtigkeit und die Erosion durch Sandpartikel oder Salzwasser. Die Stoffverbunde, die diese Komponenten und Bauteile schützen, müssen dementsprechend ausgelegt sein, um die Zuverlässigkeit und die Betriebssicherheit der Netzwerke sicherzustellen.
Elektrisch isolierende und/oder verschleißfeste Stoffverbunde sowie Beschichtungsverfahren zum Abscheiden elektrisch isolierender und/oder verschleißfester Stoffverbunde sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus [1] ist beispielsweise ein physikalisches Gasphasenabscheideverfahren, im Folgenden PVD-Verfahren (engl. Physical Vapor Deposition, PVD) genannt, zur Herstellung amorpher wasserstoffhaltiger Kohlenstoffschichten auf einem Substrat bekannt. Die entstehenden Schichten sind Dielektrika.
Ein weiteres PVD-Verfahren zur Herstellung amorpher wasserstoffhaltigen Kohlenstoff-Filme ist in [2] beschrieben. Der durch dieses Verfahren hergestellte Film weist eine hohe Verschleißfestigkeit auf.
Neben PVD-Verfahren werden chemische Gasphasenabscheide-Verfahren, im Folgenden CVD-Verfahren (engl. Chemical Vapor Deposition, CVD) genannt, zur Beschichtung von Bauteilen benutzt.
In [3] ist ein CVD-Verfahren zur Herstellung eines amorphen Kohlenstoff-Films beschrieben. Der Film enthält neben Kohlenstoff auch Silizium und Wasserstoff. Der Anteil der verschiedenen Materialien verändert sich entlang der Filmdicke, so dass sich Konzentrationsgradienten ausbilden. Die entstehenden Filme zeichnen sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Vickers-Härte aus.
Eine Methode zur Herstellung dünner Filme auf einem Substrat, die auf der Kombination von einem PVD- und einem CVD-Verfahren beruht, ist in [4] beschrieben. Für dieses kombinierte Verfahren wird eine einzige gemeinsame Depositionskammer benutzt. Dadurch ist es möglich, den gesamten Film aus allen benötigten Materialien aufzubauen ohne das Substrat zwischenzeitlich zwischen verschiedenen Depositionskammern rangieren zu müssen. Dadurch wird verhindert, dass der Film Verunreinigungen wie z.B. Sauerstoff ausgesetzt ist.
Ausgehend von dieser Kombination beschreibt [5] ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung von diskreten Bauteilen, insbesondere Schneideinsätze für Werkzeuge. Durch einen Vibrationserzeuger werden die zu beschichtenden Bauteile zu Rotationen angeregt, wodurch eine gleichmäßige Beschichtung gewährleistet wird.
In [6] wird ebenfalls eine Kombination aus einem PVD- und einem CVD-Verfahren beschrieben, mit der es möglich ist, abwechselnd Schichten aus metallischen Nanopartikeln wie z.B. nanostrukturiertem Kupfer und aus amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoff auf ein Substrat aufzubringen. Durch die Abfolge von „weichen“ und „harten“ Schichten werden Restspannungen in der Schicht minimiert und die elektrische Leitfähigkeit des Schichtverbunds gegenüber der einer Schicht aus reinem amorphem wasserstoffhaltigen Kohlenstoff erhöht.
In [7] wird der mikroskopische Aufbau von gesputterten Schichten beschrieben. Der Schichtaufbau ist beschrieben in Abhängigkeit des Gasdruckes und der Temperatur während der Beschichtung, wobei die Temperatur des Substrates in Relation zur Schmelztemperatur des Schichtwerkstoffes gesetzt ist. Amorphe Schichten ohne eine Ausbildung von säulenhaften Strukturen orthogonal zu der lateralen Ausdehnung der Schichten werden bei kleinen Werten von T/T_M abgeschieden und sind deshalb völlig strukturlos.
Dagegen werden in [8] und [9] der makroskopische Aufbau von PVD-Schichten, die in einer Produktionsanlage abgeschieden werden, für amorphe Kohlenstoffschichten bzw. für PVD-Hartstoffschichten allgemein beschrieben. Zu den rein werkstoffwissenschaftlichen und plasmaphysikalischen Modellbedingungen fließen hier die realen Bedingungen der Produktion mit ein. Nahezu alle Schichten weisen lokale Wachstumsstörungen auf, die sich beispielsweise in verschlechterten Funktionseigenschaften oder gar Schichtversagen durch Abplatzen auswirken. Solche Einflüsse sind anders als bei zahlreichen Anwendungen insbesondere im Maschinenbau tolerierbar, für ausgewählte Anwendungen, insbesondere in der Halbleiterindustrie und Elektronik aber nicht.
Grundsätzlich zeigen viele keramische Stoffverbunde, wie sie zur elektrischen Isolation von Bauteilen und Komponenten in der elektrischen Energieübertragungstechnik verwendet werden, ein Gefüge auf, das Fehlstellen, z.B. sogenannte „Pinholes“, enthält. An diesen Fehlstellen ist die Durchschlagsfestigkeit der Schichtverbunde gegenüber hohen Spannungsdifferenzen herabgesetzt und Teilentladungen innerhalb der Fehlstellen führen zu Erosionsvorgängen. Hier entstehen nicht isolierte oder nur schwach isolierte Bereiche auf der Oberfläche des Bauteils, an denen Spannungsüberschläge auftreten können. Oftmals sind die Stoffverbunde zur Isolation der Bauteile nicht wasserabweisend ausgeführt. Dies begünstigt Oberflächenentladungen in energietechnischen Anlagen, die in sich in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit befinden. Darüber hinaus ist die Haftbeständigkeit der Stoffverbunde auf der Oberfläche der zu schützenden Bauteile oftmals begrenzt, so dass Erosion durch Luftpartikel zu Schädigungen der isolierenden Schichten führt.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Stoffverbund der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der die genannten Nachteile, überwindet, und Fehlstellen im Gefüge nur in reduzierter Form enthält und dadurch elektrische, tribologische, mechanische und adhäsive Eigenschaften aufweist, die das mit dem Stoffverbund beschichtete Bauteil bestmöglich an den Einsatzort anpassen und vor Umgebungseinflüssen schützen.
Die Aufgabe wird durch einen Stoffverbund sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten bzw. des siebten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und deren Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen wieder.
Die Merkmale der Erfindung betreffen den Aufbau und die Morphologie eines Stoffverbunds, bzw. den Aufbau und die Morphologie der Einzellagen aus denen der Stoffverbund aufgebaut ist. Der Stoffverbund ist ein Schichtverbund, die Einzellagen sind Lagen oder Schichten, insbesondere die nachfolgend beschriebenen ersten und zweiten Schichten (Lagen) und die Haftvermittlerschichten und/oder Zwischenschichten, in diesem Schichtverbund. Haftvermittler- und/oder Zwischenschichten sind nicht zwingend Einzelschichten, sondern werden im Rahmen von möglichen Ausgestaltung auch durch mehrschichtige Haftvermittler- und/oder Zwischenschichtverbünden gebildet.
Erfindungsgemäß wird der Stoffverbund über, vorzugsweise direkt auf die Oberfläche eines Substrats, d.h. eines zu schützenden Bauteils abgeschieden, d.h. auf ein Substrat aus Metall, Keramik, Glas, Polymeren, gefüllten Polymeren, Kunststoff und/oder Verbundwerkstoff.
Zur besseren Haftung der nachfolgenden Schichten des Stoffverbunds auf dem Substrat ist auf diesem Substrat mindestens eine Haftvermittlerschicht aufgebracht, die eine vorteilhafte adhäsive oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und der nachfolgenden ersten Schicht zueinander ermöglicht.
Als ein wesentliches Merkmal des Stoffverbunds wird auf die mindestens eine Haftvermittlerschicht oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten eine Vielzahl aus ersten und zweiten Schichten gemäß dem ersten Patentanspruch nacheinander aufgebracht.
Die ersten Schichten bestehen aus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H). Dies schließt im Rahmen der Erfindung vorzugsweise auch den Fall eines amorphen Kohlenstoffs (a-C) mit ein, an dem der Wasserstoffanteil bei 0 At.-% liegt. Ebenso liegen chemisch modifizierter amorpher Kohlenstoff (a-C:X, a-C:H:X, mit X = N, O, Si, F) optional im Rahmen der Erfindung. Die zweiten Schichten bestehen aus amorphem Siliziumdioxid (a-SiO_x, vorzugsweise SiO₂) und/oder aus amorphem Siliziumnitrid (a-SiN_y).
Grundsätzlich bewirkt der amorphe Charakter der ersten und zweiten Schichten des Stoffverbunds die Unterdrückung des elektrischen Transports entlang innerer Grenzflächen, wie z.B. Korngrenzen, vorzugsweise sowohl senkrecht als auch parallel zu der Ebene der ersten und zweiten Schichten, nachfolgend Schichtebene genannt. In Kombination mit der chemischen Zusammensetzung der Einzellagen ist der spezifische elektrische Widerstand der einzelnen Schichten steuerbar. Vorzugsweise weisen die aufgetragenen Schichten Oberflächenwiderstände und Volumenwiderstände auf, die im Vergleich zu herkömmlich aufgetragenen Schichten hoch sind. Der erfindungsmäße Stoffverbund bewirkt dadurch eine effektivere elektrische Isolierung des Bauteils.
Über die chemische Zusammensetzung der ersten Schichten aus amorphem wasserstoffhaltigem Kohlenstoff (a-C:H) und/oder chemisch modifiziertem Kohlenstoff (a-C:X, a-C:H:X, mit X = N, O, Si, F) sind die mechanischen und tribologischen Eigenschaften des Stoffverbunds einstellbar. Vorzugsweise wird die Verschleißfestigkeit und die Härte der Oberfläche optimiert und dadurch der Widerstand gegenüber Erosion und Abrasion erhöht. Dies wird vorzugsweise durch eine Variation des Energieeintrags in die wachsende Schicht im PVD-Prozess realisiert, beispielsweise durch eine Variation des Ionenbeschusses während der Schichtabscheidung. Die Mechanismen sind komplex, und die Eigenschaften eines Materials werden letzten Endes über die Bindungszustände, Dichte etc. beeinflusst. Bei den PVD-Verfahren wird die Energie der schichtbildenden Teilchen, oder generell der Energieeintrag beim Schichtwachstum als eine wichtige Größe herangezogen.
Über die chemische Zusammensetzung der Einzellagen der obersten Schicht des Stoffverbunds sind weiterhin die adhäsiven Eigenschaften seiner Oberfläche einstellbar, so dass sie je nach Anforderung an die Umgebung des Bauteils ein hydrophiles oder ein hydrophobes Verhalten zeigt oder ein Verschmutzungsverhalten, was die Anhaftung von Schmutzteilchen unterdrückt. Dies erfolgt bei amorphen Schichten insbesondere über Variation der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche vorzugsweise wie zuvor beschrieben, was wiederum deren Oberflächenenergie zu den im Kontakt stehenden einem oder mehreren Medien oder Gegenkörpern beeinflusst. Dies steht im Einklang mit dem jeweiligen Bindungscharakter (z.B. C-C Bindungen, oder C-H oder C-O Bindungen), wobei die Kohlenstoffatome unterschiedlich hybridisiert vorliegen, d.h. Einfach-/Doppelbindungen aufweisen können. Insgesamt lassen sich so polare und disperse Anteile der Bindungsenergie so beeinflussen, die dann die adhäsiven Eigenschaften der Schichten direkt beeinflussen.
Eine bevorzugte chemische Zusammensetzung der obersten Schicht des Stoffverbunds vorzugsweise des Typs a-C:O bewirkt beispielsweise, dass die Oberfläche des Stoffverbunds ein hydrophobes Verhalten, vorzugsweise eine erhöhte Oberflächenenergie zu Wasser, aufweist und das Benetzungsverhalten gegenüber Regenwasser, Tau und Eis optimiert ist. Weiterhin sind die adhäsiven Eigenschaften der Oberfläche des Stoffverbunds durch eine alternative oder zusätzliche chemische Nachbehandlung einstellbar, beispielsweise durch eine nachträgliche Plasmabehandlung (Plasmanitrieren, Plasmaoxidation, Plasmaoxinitrieren) .
Zusätzlich zu der oben genannten Reduzierung und Unterdrückung des elektronischen Ladungstransports durch den amorphen Charakter der individuellen Materialien der ersten und zweiten Schichten, unterdrücken die chemischen Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten in der Schichtabfolge elektrische Transportvorgänge insbesondere senkrecht zur Schichtebene. Die chemischen Grenzflächen zwischen den Schichten stellen Diffusionsbarrieren dar und wirken als zusätzliche Übergangswiderstände. Durch diese zusätzlichen Übergangswiderstände wird vorzugsweise der elektrische Widerstand und/oder die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Stoffverbunds senkrecht zur Schichtebene weiter erhöht.
Dadurch, dass der erfindungsgemäße Stoffverbund aus einer Vielzahl von nacheinander aufgebrachten Schichten besteht und deren chemische Zusammensetzung in einem breiten Bereich einstellbar ist, entsteht in vorteilhafter Weise ein Stoffverbund, dessen einstellbare elektrische, mechanische, tribologische und adhäsive Eigenschaften vorzugsweise auf den Anwendungsbereich oder die Umgebungsbeschaffenheit des Bauteils, dessen Oberfläche mit dem Stoffverbund beschichtet ist, anpassbar sind. Vorzugsweise variieren die Materialparameter einer obersten ersten Lage (ersten Schicht) bei den Werten für H, C und X (0% ≤ H ≤ 60%, 40% ≤ C ≤ 80% und 0% ≤ X ≤ 20%). Im Falle der zweiten Lage (zweiten Schicht) a-SiO_x oder a-SiN_y liegen die Werte x bzw. y vorzugsweise 0% ≤ x ≤ 67% bzw. 0% ≤ y ≤ 58%.
Weiterhin bevorzugt wird vorgeschlagen, den Stoffverbund derart aufzubauen, dass das Bauteil elektrisch isoliert, durchschlags-, verschleiß- und/oder korrosionsfest sowie hydrophob wird.
Weiterhin zeichnet sich der Stoffverbund bevorzugt dadurch aus, dass die ersten Schichten als auch die zweiten Schichten jeweils aus mindestens einer Einzellage bestehen. Diese Einzellagen weisen eine gleichbleibende Dicke (mit einer Variation von plus/minus 10%) vorzugsweise über die gesamte Fläche des Substrats auf. Weitere bevorzugte optionale Ausgestaltungen hierzu sind folgende:

1) Konstantes, aber vorzugsweise von 1 abweichende Verhältnisse der Schichtdicken (der ersten zu der der zweiten Schicht, d₁/d₂) der einzelnen Lagen, vorzugsweise mit Verhältnissen zwischen 0,3 oder 0,5 zu 2,0 oder 3,0.
2) Die Verhältnisse der Schichtdicken sind nicht konstant, d.h. die gesamte Schicht wird als eine Gradientenschicht aufgebaut, in der das Dickenverhältnis der Lagen sich vom Substrat zur äußeren Grenzfläche ändert. Dies bedeutet, dass die Dicke der jeweils ersten Schicht über die Schichtdicke kleiner/größer wird, und die Lage der jeweils zweiten Schicht dann entsprechend größer/kleiner wird. Die Verhältnisse der Schichtdicken (der ersten zu der der zweiten Schicht, d₁/d₂) der einzelnen Lagen liegen hier vorzugsweise zwischen 0,1 oder 0,3 oder 0,5 zu 2,0 oder 3,0 oder 10,0.

Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, dass nach einem Wachstumsprozess einer Einzellage keine Löcher (z.B. sog. Pinholes) in dieser verbleiben, die anschließend mit Material aus nachfolgend abgeschiedenen Einzellagen aufgefüllt werden.
Als ein weiteres Merkmal des Stoffverbunds ist zu nennen, dass das Wachstum der Einzellagen, aus denen die ersten und zweiten Schichten des Stoffverbunds aufgebaut sind, vorzugsweise derart erfolgt, dass die Einzellagen lateral als ein flächenhaftes amorphes Gefüge wachsen, d.h. über einer darunterliegenden Schicht oder Substrat aufgetragen werden und diese abdecken. Da sowohl die ersten als auch die zweiten Schichten amorph sind, weist der Schichtverbund lediglich Grenzflächen zwischen zwei amorphen Gefüge, d.h. ohne kristalline Gefügeübergänge, auf. Der Schichtverbund erscheint vielmehr wie eine amorphe Schicht aus mehreren Einzellagen, wobei sich die Einzellagen nur in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Dieses lateral flächenhafte Wachstum der Einzelschichten bewirkt, dass das entstehende Gefüge des Schichtverbunds keine säulenartigen Strukturen gemäß dem Strukturzonenmodell nach [7] enthält und vorzugsweise auch keine Wachstumsdefekte, wie z.B. Schichtunterbrechungen (sog. Pinholes), wie in [8] und [9] beschrieben, aufweist.
Da die flächenhaften Gefüge vorzugsweise keine Fehlstellen aufweisen, wird die Durchschlagsfestigkeit des Stoffverbunds gegenüber herkömmlich aufgewachsenen Stoffverbunden stark erhöht. Dies bewirkt, dass die erfindungsgemäßen Stoffverbunde resistenter gegenüber elektrischen Spannungsdurchschlägen und Kurzschlüssen sind.
Weiterhin bewirkt das flächenhafte Gefüge, dass die Oberfläche des Stoffverbunds vorzugsweise eine Oberflächenrauheit R_a aufweist, die gegenüber der Oberflächenrauheit von Gefügen mit säulenartigen Strukturen erniedrigt ist. Üblicherweise liegt der R_a-Wert für viele in der Literatur beschriebene PVD-Schichten im Bereich zwischen wenigen nm und 10, 30 oder 50 nm. Hier liegen die im Rahmen der Erfindung angestrebten amorphen Schichten am unteren Ende der Skala. Es zeigte sich jedoch, dass neben R_a-Werten (Mittelrauwert) auch die R_t-Werte (Rautiefe, Differenz aus maximalem und minimalem Wert des Profils) z.B. bei der Einstellung der Oberflächenspannung/Oberflächenenergie während der Abscheidung von zentraler Bedeutung ist. Die Werte für R_t sind oft um eine Größenordnung größer als die für R_a. Es zeigte sich, dass ein Wert von R_t zwischen 50 und 150 nm (bevorzugt 80 bis 120 nm, besonders bevorzugt 90 bis 110 nm) bei der vorliegenden Erfindung sehr vorteilhaft für die Einstellung der Oberflächenspannung/des Benetzungsverhaltens ist. Unebenheiten in der Oberfläche, wie sie beim säulenartigen Gefügewachstum auftreten, dadurch dass die einzelnen Säulen, aus denen das Gefüge aufgebaut ist, auf mikroskopischer Skala unterschiedliche Höhen aufweisen, entfallen hier. Dies bewirkt, dass die Oberfläche des Stoffverbunds weniger Fehlstellen enthält, die Angriffspunkte für mechanischen Verschleiß bieten.
Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Stoffverbundes umfasst eine Vielzahl von ersten und zweiten Schichten, die in periodisch wiederholter Abfolge auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten nacheinander aufgetragen sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Stoffverbundes umfasst eine Vielzahl von ersten und zweiten Schichten, die in aperiodisch wiederholter Abfolge auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten nacheinander aufgetragen sind.
Die Bedeutung einer periodisch wiederholten oder aperiodisch wiederholten Abfolge einer Vielzahl von ersten Schichten und zweiten Schichten gemäß dem ersten Patentanspruch, wird im Folgenden näher erläutert. Zum Verweis auf die jeweiligen Schichten, werden die ersten Schichten mit A und die zweiten Schichten mit B bezeichnet. Die Anzahl der ersten Schichten im Stoffverbund wird im Folgenden mit n bezeichnet, die der zweiten Schichten mit m. Eine periodisch wiederholte Abfolge einer Vielzahl von ersten Schichten A und zweiten Schichten B, wobei die Anzahl der ersten Schichten n = 3 und der zweiten Schichten m = 3 besteht, bezeichnet im Sinne der Anmeldung beispielsweise eine Abfolge der Art ABABAB. Eine aperiodisch wiederholte Abfolge einer Vielzahl von ersten Schichten A und zweiten Schichten B, wobei die Anzahl der ersten Schichten n = 3 und der zweiten Schichten m = 1 besteht, bezeichnet im Sinne der Anmeldung beispielsweise eine Abfolge der Art AAAB, AABA oder ABAA.
Eine optionale Ausführung des erfindungsgemäßen Stoffverbundes umfasst mindestens eine erste und/oder zweite Schicht, die mindestens einen Gradienten in der Morphologie, der Atomkonzentration oder Zusammensetzung senkrecht zu der lateralen Schichtebene aufweist, so dass eine sogenannte Gradientenschicht eines der folgenden Typen entsteht:

- Gradientenschicht Typ 1: a-C:H:X + a-SiO_x mit einem Gradienten in a-C:H:X entsprechend der Daten oben für die a-C:H:X Lage (dabei bleibt a-SiO_x in der Zusammensetzung immer gleich).
- Gradientenschicht Typ 2: a-C:H:X + a-SiO_x mit einem Gradienten in a-SiO_x entsprechend der Daten oben für die a-SiO_x Lage (dabei bleibt a-C:H:X in der Zusammensetzung immer gleich).
- Gradientenschicht Typ 3: a-C:H:X + a-SiN_y mit der gleichen Logik wie in Typ 1.
- Gradientenschicht Typ 4: a-C:H:X + a-SiN_y mit der gleichen Logik wie in Typ 2.
- Gradientenschicht Typ 5: a-C:H:X + a-SiO_x mit je einem Gradienten in a-C:H:X entsprechend der Daten oben für die a-C:H:X Lage und in a-SiO_x entsprechend der Daten oben für die a-SiO_x Lage.
- Gradientenschicht Typ 6: a-C:H:X + a-SiN_y mit je einem Gradienten in a-C:H:X entsprechend der Daten oben für die a-C:H:X Lage und in a-SiN_y entsprechend der Daten oben für die a-SiN_y Lage.
- Gradientenschicht Typ 7: a-C:H:X + a-SiO_x/a-SiN_y (d.h. die zweite Lage ist nun selbst ein Gradient von a-SiO_x zu a-SiN_y oder umgekehrt) mit je einem Gradienten in a-C:H:X entsprechend der Daten oben für die a-C:H:X Lage und einem Gradienten in der in a-SiO_x/a-SiN_y Lage entsprechend der Daten oben (auch hier kann noch der Sonderfall eintreten, dass ein Gradient nur in der a-C:H:X Lage auftritt oder nur in der a-SiO_x/a-SiN_y Lage (Gradientenschichten Typen 8 und 9).

Mit Gradientenschichten der vorgenannten Art lassen sich weitere chemische Grenzflächen senkrecht zur Schichtebene in die Schichtenabfolge integrieren, die als Diffusionsbarrieren wirken und die den elektrischen Widerstand und/oder die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Stoffverbunds senkrecht zur Schichtebene zusätzlich erhöhen. Über die chemische Zusammensetzung der Gradientenschicht ist aber auch der elektrische Widerstand des Stoffverbunds parallel zur Schichtebene einstellbar.
Eine weitere bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Stoffverbundes zeichnet sich durch mindestens eine Zwischenschicht aus einem oder mehreren elektrisch isolierenden Materialien aus, die in die Schichtabfolge aus ersten und zweiten Schichten eingebracht sind. Mit diesen elektrisch isolierten Zwischenschichten wären beispielsweise Kapazitäten im Schichtverbund integrierbar. Beispielsweise lassen sich solche Zwischenschichten mit einer amorphen Aluminiumoxidschicht (a-AlO) oder aus anderen elektrisch isolierenden keramischen Werkstoffen realisieren, die bevorzugt in amorpher Form abscheidbar sind. Alternativ sind aber auch isolierende polymerartige Schichten (also Teflon-ähnlich, a-C:H:F) denkbar. Die Dicke einer derartigen Zwischenschicht liegt vorzugsweise in einem Bereich von mindestens 1 nm bis maximal 1 µm. Durch die Zwischenschichten werden zusätzliche chemische Grenzflächen in die Schichtenabfolge eingebaut, die zusätzliche Übergangswiderstände darstellen und als Diffusionsbarrieren wirken. Dadurch wird der elektrische Widerstand und/oder die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Stoffverbunds senkrecht zur Schichtebene erhöht.
Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stoffverbunds aus einer Vielzahl von in periodisch oder in aperiodisch wiederholter Abfolge auf den Haftvermittlerschichten abwechselnd übereinander aufgetragenen ersten und zweiten Schichten, wobei die ersten Schichten aus amorphem und vorzugsweise wasserstoffhaltigem und/oder chemisch modifiziertem Kohlenstoff, und die zweiten Schichten aus amorphem Siliziumdioxid oder amorphem Siliziumnitrid bestehen. Zur Herstellung derartiger Schichtabfolgen bietet sich eine Kombination aus einem CVD- und PVD-Verfahren an.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hierzu umfasst eine Kombination einer herkömmlichen Magnetron-Sputterquelle und einer Plasma(strahl)quelle. Die Plasmaquelle dient dabei der Abscheidung einer a-C:H:X Schicht, wobei bei Verwendung eines wasserstoffhaltigen Gases als Atmosphäre in der Plasmaquelle eine Einbindung von Wasserstoff in der abgeschiedenen Schicht nicht vermeidbar wäre.
Hierzu werden folgende Ausgestaltungen des Verfahrens genannt. Bekannt sind z.B. a-C:H-Si-O Schichten, die unter Verwendung von HDMSO (Hexadimethyilsilazan) hergestellt werden, also praktisch alle Elemente aus einem Gas generieren. Erfindungsgemäß werden folgende bevorzugten Verfahrensausgestaltungen vorgeschlagen:

- die Anordnung der Plasma(strahl)quelle und des Magnetron sind so gestaltet, dass die beiden lokalen Plasmen sich nicht gegenseitig beeinflussen, d.h. sukzessives Schichtwachstum der jeweiligen Lagen bei Rotation der Substrate, und/oder
- die Plasma(strahl)quelle wird mit wasserstoffhaltigen Gasen betrieben und/oder
- die Magnetronsputterquelle wird im HF-Modus (also unter Verwendung eines SiO₂-Targets oder eines Si₃N₄-Targets) mit Argon als Gas betrieben.

Ein reaktiver Betrieb der Magnetronsputterquelle (z.B. mit einem Si-Target) im HF-Modus im Falle der a-SiO_x Abscheidung in einem Argon-Sauerstoff-Gasgemisch ist aufgrund einer gleichzeitigen Nutzung von brennbaren und brennfördernden Gase in der gleichen Kammer vorzugsweise zu vermeiden.
Ein reaktiver Betrieb eines Si-Targets im HF-Modus im Falle der a-SiN_m Abscheidung in einem Argon-Stickstoff-Gasgemisch oder in reinem Stickstoff ist dagegen möglich. In diesem Falle ist das Si-Target grundsätzlich auch im DC-Modus (gepulst oder ungepulst) betreibbar. Bei einer reaktiven Beschichtung von metallischen Targets bilden sich je nach Gasfluss auch Überzüge an der Targetoberfläche, die mit zunehmender Dicke elektrisch isolierend wirken können und einen störungsfreien Prozess im DC-Modus behindern können. Abhilfe leistet hier das gepulste DC-Verfahren, da es laufend die Arbeitspunkte verschiebt und den Prozess damit langzeitstabiler gestaltet.
Die elektrischen Eigenschaften eines Targets an der Oberfläche sind dagegen im HF-Betrieb von geringerer Bedeutung. Sie sind jedoch im Betrieb aufgrund elektromagnetischer Kopplung zu anderen Systemen technologisch komplexer (EMV-Kompatibilität).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kommen mindestens zwei (je nach Anlagentyp vorzugsweise bis zu acht), vorzugsweise genau zwei Magnetron-Sputterquellen simultan zur Anwendung, und zwar gemäß den vorgenannten Verfahrensausführungen entsprechend.
Dazu ergänzend: die Abscheidung der a-C:H:X Lagen erfolgt vorzugsweise im HF-Modus unter Verwendung eines Grafit-Targets, wobei die vorgenannten Gasmischungen zum Einsatz kommen. Das Grafit-Target ist aber auch im DC-Modus betreibbar. Auch hier bietet das gepulste DC-Verfahren eine wesentlich größere Möglichkeit und ist damit zu bevorzugen. Die räumliche Anordnung der Plasmaquellen erfolgt vorzugsweise wie vorgenannt, so dass sich die individuellen, lokalen Plasmen nicht gegenseitig beeinflussen.
Grundsätzlich ist für die Beschichtung anstelle einer Plasma(strahl)quelle, beispielsweise gespeist von einer Mikrowellenversorgung mit 2,45 GHz, auch eine klassische Mikrowellen-CVD (oder Hochfrequenz-CVD)-Methode einsetzbar und optional auch mit der Plasma(strahl)quelle und/oder der/den Sputterquelle(n) kombinierbar.
Die Abscheidung des Schichtverbunds aus Einzellagen für die ersten und zweiten Schichten erfolgt dabei vorzugsweise auf einer Haftvermittlerschicht, die auf einem Substrat, z.B. der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils bereitgestellt ist. Vorzugsweise werden die ersten Schichten aus amorphem wasserstoffhaltigem und/oder chemisch modifiziertem Kohlenstoff durch ein reaktives PVD-Verfahren und/oder ein plasmaunterstütztes CVD-Verfahren aufgebracht. Die zweiten Schichten werden vorzugsweise mittels eines reaktiven oder nicht-reaktiven PVD-Verfahrens aufgebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet vorzugsweise die Möglichkeit, eine oder mehrere der ersten und/oder zweiten Schichten als Gradientenschicht der vorbeschriebenen Art auszuführen, wobei jeweils das CVD- und/ oder PVD-Verfahren derart gesteuert werden, dass Gradienten in der chemischen Schichtzusammensetzung entstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet darüber hinaus die Möglichkeit, zusätzliche Zwischenschichten wie z.B. weitere Haftvermittlerschichten oder Zwischenschichten aus elektrisch isolierenden Materialien, vorzugsweise mit einer Dicke von 1 nm bis 1 µm, zwischen den abwechselnd übereinander aufgetragenen ersten und zweiten Schichten einzubringen.
Die elektrischen Eigenschaften des Stoffverbundes lassen sich gezielt durch das Herstellungsverfahren der ersten und zweiten Schichten beeinflussen. Vorzugsweise lässt sich der Stoffverbund derart anpassen, dass die elektrische Isolierung eines Bauteils optimiert ist.
Die Erfindung wird anhand von weiteren Ausführungsbeispielen, den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden. Es zeigen

1a bis f schematische Querschnitte möglicher Ausführungsbespiele von Schichtverbünden auf einem Substrat,
2 ein Ausführungsbeispiel einer elektrisch isolierenden Viellagenschicht, auf Quarzglas abgeschieden (Schichtoberfläche oben) sowie
3a bis c schematisch je einen Aufbau einer PVD-Anlage mit zwei Magnetron-Sputterquellen (a) sowie einer kombinierten Magnetron-Sputterquelle und einer Plasma(strahl)quelle (b) und (c) für die Herstellung eines Schichtverbunds.

1 bis f zeigen schematische Querschnitte einer Auswahl von Ausführungsbeispielen jeweils eines Schichtverbunds 1 über einem Substrat 2. Das Substrat wird vorzugsweise durch ein zu beschichtendes und damit zu schützendes Bauteil gebildet. Der Schichtverbund umfasst mindestens eine Haftvermittlerschicht 3 sowie einer periodisch wiederholten oder aperiodisch wiederholten Abfolge einer Vielzahl von ersten Schichten 4 und zweiten Schichten 5.
1a zeigt beispielhaft ein Substrat mit einer Haftvermittlerschicht 3 und einem auf dieser Haftvermittlerschicht aufgebrachten periodisch wiederholten Abfolge einer Vielzahl von ersten Schichten 4 und zweiten Schichten 5 vom Typ ABABAB (oder BABABA, A = erste Schicht, B = zweite Schicht), die wiederum direkt aufeinander und ohne Zwischenschicht aufgebracht wurden. Dargestellt ist beispielhaft ein Schichtverbund mit n = 3 (Anzahl der ersten Schichten) und m = 3 (Anzahl der zweiten Schichten), wobei n und m bei vorzugsweise mindestens 1, weiter bevorzugt mindestens zwei liegen und nicht zwingend gleichgroß sind.
1b zeigt beispielhaft einen Schichtverbund 1 mit einer Haftvermittlerschicht 3 und einer vorgenannten periodischen Abfolge vom Typ ABABAB (oder BABABA) von ersten und zweiten Schichten 4 bzw. 5, wobei zwischen ersten und zweiten Schichten jeweils eine zusätzliche Zwischenschicht 6 als Haftvermittlerschicht und/oder elektrische Isolierschicht angeordnet sind. Die ersten und zweiten Schichten liegen übereinander, aber von den Zwischenschichten voneinander getrennt nicht unmittelbar aufeinander, wobei sich die Zwischenschichten vorzugsweise lateral über die gesamte Ausdehnung der ersten und zweiten Schichten erstrecken. Dargestellt ist beispielhaft ein Schichtverbund mit n = 3 und m = 3, wobei auch hier n und m bei vorzugsweise mindestens 1, weiter bevorzugt mindestens zwei liegen und nicht zwingend gleichgroß sind.
Die Zahl der Grenzflächen beeinflusst den Transport senkrecht zur Schicht (gilt sowohl für Ladungsträger als auch Elemente). Ferner werden die mechanischen Eigenschaften des gesamten Verbundes beeinflusst. Grenzflächen in Viellagenschichten speichern insbesondere Rissenergie und wirken somit einem katastrophalen Versagen der Keramik durch unkontrollierte Rissausbreitung entgegen.
Nicht weiter dargestellt, aber im Rahmen der Erfindung sind Schichtverbünde mit einer Haftvermittlerschicht 3 und einer in 1a oder b dargestellten periodischen Abfolge vom Typ ABABAB (oder BABABA), wobei nicht zwischen jeder der ersten und zweiten Schichten jeweils eine zusätzliche Zwischenschicht 6 als Haftvermittlerschicht und/oder elektrische Isolierschicht angeordnet sind.
Ebenso nicht weiter dargestellt, aber im Rahmen der Erfindung sind Schichtverbünde ohne eine Haftvermittlerschicht, wobei die Abfolge einer Vielzahl von Schichten direkt auf das Substrat aufgebaut ist.
1c bis f repräsentieren dagegen beispielhaft jeweils einen Schichtverbund 1 mit einer Haftvermittlerschicht 3 und einer vorgenannten aperiodischen Abfolge vom Typ AABA (oder BBAB, 1c), AAAB (oder BBBA, 1d) oder ABAA (oder BABB, 1f) von ersten und zweiten Schichten 4 bzw. 5, wobei eine Ausgestaltung ohne Zwischenschichten dargestellt sind, aber die zuvor genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten mit Zwischenschichten 6 (1f), auch als Zwischenschichten zwischen gleichen ersten oder zweiten Schichten, beinhaltet.
Ein Ausführungsbeispiel umfasst a-C:H:X basierte Schichten, deren spezifischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit je nach Prozessführung einstellbar ist.

Tab.1 gibt einen Überblick über einen mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten Schichtverbund (Typ D), im Vergleich zu verschiedenen mittels HF-PVD-Verfahren abgeschiedener Einzelschichten ohne Wasserstoff (Typ A) sowie mit zwei verschiedenen Konzentrationen von Wasserstoff (Typen B bis C) gemeinsam mit den Fachtermini und den spezifischen Oberflächenwiderständen in Ohm cm, gemessen bei einer Testspannung von 1000 V. Erkennbar ist ein signifikanter Anstieg des spezifischen Widerstands allein mit einer Dotierung mit Wasserstoff während der Abscheidung, der bei einer Ausgestaltung als Viellagenschicht noch deutlich höher ausfällt. Als Substrate wurden Silizium (ohne und mit thermischem Oxid), Stahl-Substrate (vorzugsweise HSS-Stahl) und auch Keramiksubstrate wie Al₂O₃ und MgO herangezogen. Die Haftvermittlerschicht bestand - sofern vorgesehen - in bevorzugten Ausführungsbeispielen aus einer reinen Chrom-Schicht mit einer Dicke von 100 - 500 nm; sie wurde magnetron-gesputtert von einem Cr-Target (75 mm Durchmesser) im DC-Modus bei einem Druck von 0,6 Pa und einer Leistung von 200 W. Tabelle 1: Überblick über einen Schichtverbund a-C:H + a-SiO_x (Typ D) im Vergleich zu verschiedenen Einzelschichten a-C und a-C:H (Typen A bis C)

Schichttypus	Basis	Fachterm	Spezifischer W iderstand in Ohm cm
A	Amorpher Kohlenstoff	a-C	< 1 × 10³
B	Amorpher wasserstoffhaltig er Kohlenstoff	a-C:H Typ 1	7,4 × 10⁸
C	Amorpher wasserstoffhaltig er Kohlenstoff	a-C:H Typ 2	3,1 × 10¹¹
D	Viellagenschicht	a-C:H + a-SiO_x	2,0 × 10¹³

Die Schicht des Typs D in Tab.1 ist eine Viellagenschicht aus alternierend aufgebrachten a-C:H Lagen und a-SiO_x Lagen. Die Viellagenschicht hat in einem Ausführungsbeispiel eine Gesamtdicke von ca. 10 µm (10 µm war die gewünschte Schichtdicke als Zielwert). Die Beschichtungsraten unter dem jeweiligen Target wurden anhand der bekannten Aufwachsraten der individuellen Lagen aus Versuchen zu Einlagenschichten bei definierten Prozessparametern ermittelt. Aufgrund der Probenrotation und entsprechender maschineller Steuerung der Bewegungsabläufe und Prozessdaten während der Viellagenbeschichtung beträgt die nach der Beschichtung gemessene Gesamtschichtdicke 918 nm, also etwa 10% Abweichung vom Zielwert). Sie besteht aus 10 Einzellagen gleicher Dicke, jede etwa 100 nm dick. Also 5 Lagen a-C:H und 5 Lagen a-SiO_x. Die a-C:H Lagen (erste Schicht) wurden im reaktiven HF-Magnetronsputter-Modus mit einem Grafit-Target (75 mm Durchmesser) bei einer HF-Leistung von 250 W und einem Gasdruck von 0,6 Pa hergestellt. Das Grafit-Target war um einen Winkel von 30° geneigt (aus der Ebene heraus, die senkrecht zum anderen Target weisen würde), um einen Einfluss der individuellen Plasmen zu minimieren. Der Gasdruck hier wurde durch eine Überlagerung von CH₄ und Ar-Flüssen (90 sccm Ar und 10 sccm CH₄) eingestellt. Die a-SiO_x Lagen (zweite und dann auch Top-Lage) wurden in einem nichtreaktiven HF-Magnetronsputter-Modus von einem SiO₂ Target (75 mm Durchmesser) mit einer HF-Leistung von 200 W bei einem Gasdruck von 0,6 Pa (hier erreicht durch einen Gasfluss von 100 sccm Ar) abgeschieden. Die beschichteten Substrate sind Si Wafer mit einer thermischen Oxidschicht, diese ist 1 µm dick. Die Substrate haben die Dimension 20 x 20 mm.
Die in Tab.1 wiedergegebenen Schichten vom Typ B und C sind Einlagenschichten. Sie wurden mit reaktivem Magnetron-Sputtern im HF-Modus von einem Grafit-Target wie zuvor beschrieben abgeschieden. Die beiden Typen unterscheiden sich jedoch in der reaktiven Atmosphäre, d.h. den Gasflüssen für CH₄ und C₂H₂. Der Unterschied zu Typ D ist hier, dass zwei verschiedene Gassorten zum Einsatz kamen und dann als Ziel auch zusammengemischt und gleichzeitig benutzt wurden. Der Grundgedanke hierfür lag in der Einstellbarkeit eines gewünschten C:H Verhältnisses schon in der Gasphase. Die Schicht des Typs B wurde bei einem Druck von 0,6 Pa, realisiert durch einen Fluss von 95 sccm Ar und 5 sccm C₂H₂, abgeschieden. Die Schicht des Typs C wurde bei einem Druck von 0,6 Pa, realisiert durch einen Fluss von 90 sccm Ar und 10 sccm CH₄, abgeschieden.
2 zeigt beispielhaft eine REM-Aufnahme einer Bruchfläche, d.h. eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels einer elektrisch isolierenden Viellagenschicht 3 (entsprechend Typ D in Tab.1, a-C:H + a-SiO_x, 10 Schichten gleicher Dicke, auf Quarzglas abgeschieden). Die Oberfläche des Schichtverbunds ist oben, das Substrat 2 unten. Die individuellen Lagen sind aufgrund ihres Kontrasts im Rasterelektronenmikroskopiebild (Bruchfläche) identifizierbar.
3a bis c zeigen schematisch Ausführungsformen von PVD-Anlagen, die für die Durchführung eines vorgenannten Verfahrens zur Herstellung eines Stoffverbundes geeignet sind. Sie umfassen jeweils einen Rezipienten 8, in den ein bevorzugt tellerförmiger Substrathalter 7 für zu beschichtende Substrate oder Bauteile (im dargestellten Beispiel acht Aufnahmen) drehbar angeordnet sind. Ferner sind an den Rezipienten ein Gaseinlass 12 und ein Pumpsystem 10 angesetzt, mit denen die Atmosphäre im Rezipienten einstellbar und während der Durchführung des Verfahrens kontrollierbar ist.
3a zeigt schematisch eine Ausgestaltung einer PVD-Anlage mit zwei Magnetron-Sputterquellen 9 und 11, die im Beispiel mit einem Versatz von 180° um einen Rezipienten 8 angeordnet sind. Die Magnetron-Sputterquellen dieser Ausgestaltung sind wie auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen je nach vorgenannter Anwendung als DC- gepulste DC (HIPIMS) und/- oder als HF-Magnetron Sputterquellen ausgestaltet und betreibbar. 3b zeigt schematisch eine Ausgestaltung einer PVD-Anlage mit einer Magnetron-Sputterquelle 9 und einer Plasmaquelle oder Plasmastrahlquelle (allg. Plasma(strahl)quelle 13 genannt). Eine alternative Ausgestaltung einer PVD-Anlage zeigt 3c, mit zwei Magnetron-Sputterquelle 9 und 11 sowie einer Plasma(strahl)quelle 13.
Literatur:

[1] L.S.Aivazova et al.: The Effect of (a-C:H) Films on the Properties of the n-Si/p-(a-SiC:H) Solar Cells; Diamond & Diamond-Like Film Applications, Technomic Publishing Company Inc. (1998) 63-67
[2] EP 0 724 022 A1
[3] EP 1 702 998 A2
[4] US 6.186.090 B1
[5] WO 2008/119514 A1
[6] N.Dwivedi et al.: Studies of nanostructured copper/hydrogenated amorphous carbon multilayer films; Journal of Alloys and Compounds, 509 (2011) S.1285-1293
[7] J.A.Thornton: Influence of Apparatus Geometry and Deposition Conditions on the Structure and Topography of thick sputtered Coatings: J. Vac. Sci. Technol. 11 (1974) 666-670
[8] J.Vetter, M.Stüber, S.Ulrich: Growth Effects in Carbon Coatings deposited by Magnetron Sputtering; Surface & Coatings Technology 168 (2003) 169-178
[9] P.Panjan, D.Kek Merl, F.Zupanic, M.Cekada, M.Panjan: SEM Study of Defects in PVD hard Coatings using focused Ion Beam Milling; Surface & Coatings Technology 202 (2008) 2302-2305

Bezugszeichenliste

1: Schichtverbund
2: Substrat
3: Haftvermittlerschicht
4: Erste Schicht
5: Zweite Schicht
6: Zwischenschicht
7: Substrathalter
8: Rezipient
9: Magnetron-Sputterquelle
10: Pumpsystem
11: Magnetron-Sputterquelle
12: Gaseinlass
13: Plasma(strahl)quelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0724022 A1 [0066]
EP 1702998 A2 [0066]
US 6186090 B1 [0066]
WO 2008/119514 A1 [0066]

Claims

Stoffverbund auf einem Substrat (2), umfassend mindestens eine Haftvermittlerschicht (3) sowie eine Vielzahl auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten nacheinander aufgetragenen ersten und zweiten Schichten (4, 5), wobei, a) die ersten Schichten aus amorphem wasserstoffhaltigen Kohlenstoff und/oder chemisch modifizierten Kohlenstoff (a-C:H, a-c:X, a-C:H:X, mit X = H, N, O, Si, F) bestehen, b) die zweiten Schichten aus amorphem Siliziumdioxid (a-SiOx) oder aus amorphem Siliziumnitrid (a-SiNy) bestehen, c) alle ersten und zweiten Schichten aus Einzellagen bestehen, d) die Einzellagen eine gleichbleibende Dicke über die gesamte Ausdehnung des Substrats aufweisen, e) die ersten und zweiten Schichten ein flächenhaftes Gefüge ausbilden.
Stoffverbund, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens eine der ersten und/oder zweiten Schichten (4, 5) mindestens einen Gradienten in der Zusammensetzung senkrecht oder parallel zur Schichtebene aufweist.
Stoffverbund, nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass a) zwischen den Schichten (4, 5) mindestens eine zusätzliche Zwischenschicht (6) der Dicke 1 nm bis 1 µm aus elektrisch isolierenden Materialien eingebracht ist.
Stoffverbund, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) die elektrische Leitfähigkeit der ersten Schichten (4) chemisch einstellbar ist, b) die zweiten Schichten (5) elektrisch isolierend sind.
Stoffverbund, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) die ersten und zweiten Schichten (4, 5) in periodisch wiederholter Abfolge auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht (3) oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten nacheinander aufgetragenen sind.
Stoffverbund, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) die ersten und zweiten Schichten in aperiodisch wiederholter Abfolge auf der mindestens einen Haftvermittlerschicht (3) oder auf den mehreren Haftvermittlerschichten nacheinander aufgetragenen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Stoffverbundes nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellung eines Substrats (2), b) Aufbringen mindestens einer Haftvermittlerschicht (3) auf dem Substrat sowie c) Aufbringen einer Vielzahl von in periodisch oder in aperiodisch wiederholter Abfolge auf der Haftvermittlerschicht abwechselnd übereinander aufgetragenen ersten und zweiten Schichten (4, 5), wobei die ersten Schichten (4) mittels einem reaktiven PVD-Verfahren oder eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens aufgebracht werden und die zweiten Schichten (5) mittels eines reaktiven oder nichtreaktivem PVD-Verfahrens aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend weiterhin: a) Aufbringen mindestens einer zusätzlichen Zwischenschicht (6) der Dicke 1 nm bis 1 µm aus elektrisch isolierenden Materialien zwischen den abwechselnd übereinander aufgetragenen ersten und zweiten Schichten,