-
Verfahren zur Modifizierung der mechanischen
-
Eigenschaften eines Siliciumcarbidkörpers
Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Modifizierung der mechanischen Eigenschaften von Siliciumcarbid.
-
Siliciumcarbid ist ein hartes kristallines Material, das in zunehmendem
Maße als Lagermaterial für derartige Zwecke wie Hochgeschwindigkeitsluftlager oder
Schmierungsdichtungen verwendet wird. Eines seiner Nachteile bei Verwendung für
derartige Zwecke besteht darin, daß es sehr spröde ist und infolge Sprödbruchs,
gefolgt von Zersplittern, versagt.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Modifizierung
der mechanischen Eigenschaften einer aus Siliciumcarbid hergestellten Lageroberfläche
geschaffen, welches den Arbeitsvorgang des Implantierens von Stickstoffionen in
die Oberfläche umfaßt.
-
Vorzugsweise werden zumindest 1017 Stickstoffionen/cm2 in die Siliciumcarbidoberfläche
implantiert.
-
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Modifizierung der mechanischen
Eigenschaften der Oberfläche eines künstlich hergestellten Siliciumcarbidkörpers,
welches den Arbeitsvorgang des Implantierens von Stickstoffionen in die Oberfläche
mit einer Energie und einer Dosis derart umfaßt, daß auf der Oberfläche eine Schicht
von erhöhter Plastizität ausgebildet wird.
-
Die Wahl der Energie der Ionen ist nicht entscheidend, jedoch muß
die Höhe der Energie ausreichend sein, um ein Eindringen in die Oberfläche des künstlich
hergestellten Körpers zu erreichen und ein unerwünschtes Zerstäuben des Oberflächenmaterials
zu vermeiden. Eine obere Energiegrenze wird entweder durch praktische Überlegungen,
wie Unkosten oder Verfügbarkeit,
oder durch die Notwendigkeit, einen
übermäßigen Temperaturanstieg in dem künstlich hergestellten Körper während der
Implantation zu vermeiden, gesetzt. Eine typische praktische untere Grenze ist 20
keV und eine typische praktische obere Grenze ist 500 keV, obwohl Wirkungen mit
einer Ionen-Strahlenergie bis herab zu 5 keV beobachtet werden können. Wenn überdies
eine Energie bis zu 500 keV angewandt wird, ist eine wesentliche Erhitzung des künstlich
hergestellten Körpers zu beobachten. Jedoch kann dies bei künstlich hergestellten
Körpern aus dem hitzebeständigen Siliciumcarbid toleriert werden.
-
Die Dosis wird normalerweise zumindest 4 x 1017 Stickstoff-(N+2)-ionen/cm2
und vorzugsweise 5 >< x 1017 1017 Stickstoffionen/cm2 übersteigen.
-
Die Erfindung umfaßt ferner einen künstlich hergestellten Siliciumcarbidkörper,
der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
-
Spezifische Beispiele von Verfahren zur Herstellung und der Herstellungsprodukte,
welche die Erfindung verkörpern, werden nachstehend in beispielhafter Weise beschrieben.
-
Proben von reaktionsgebundenem Siliciumcarbid und ebenso auch von
Einkristall-Siliciumcarbid wurden unter Vakuum bei 5,3 Stickstoffionen mit einer
Energie von 90 keV x x ausgesetzt. Der Ionenstrahl hatte eine Stromdichte von 4,7
pA/ cm2 und stammte aus einer kommerziell verfügbaren lonenimplantationsmaschine,
die einen unzerlegten Strahl liefert. Typischerweise besteht der Strahl zu etwa
zwei Dritteln aus molekularen N2 -Ionen und zu einem Drittel aus atomaren N+-Ionen,
jedoch wird nicht angenommen, daß das relative Verhältnis von
N2
und N die beobachteten Eigenschaften des erhaltenen, mit Ionen implantierten künstlich
hergestellten Körpers beeinflußt. Die von den Proben während der Implantation erreichte
Temperatur betrug typischerweise 28O0C.
-
Die Dosis zu den Proben wurde durch Steuerung der Zeitdauer, während
welcher sie dem Strahl ausgesetzt waren, geregelt.
-
Die Ergebnisse der Untersuchungen der verschiedenen Proben, die einem
Bereich von Dosen ausgesetzt wurden, werden nachfolgend wiedergegeben.
-
Die Vickers-Einbeulungsversuche bei Belastungen im Bereich von 5 g
bis 1 kg wurden sowohl an nichtimplantiertem reaktionsgesinterten Siliciumcarbid
und an Proben, die mit Dosen von 2 >< x 1017 1017 Stickstoffionen/cm2 und
4 x 1017 Stickstoffionen/ cm2 implantiert worden waren, durchgeführt. Sowohl die
nichtimplantierten Proben als auch die Proben, die mit 2 x 1017 Stickstoffionen/cm2
implantiert worden waren, zeigten ähnliche Härte und Einbeulungsbruchverhalten.
So waren bei diesen Proben keine Einbeulungen unterhalb einer Belastung von 50 g
optisch sichtbar und es wurde eine ausgeprägte Änderung in der Härte mit der Belastung
festgestellt, wobei die Härte mit steigender Belastung abnahm, wie dies in der nachfolgenden
Tabelle I gezeigt wird.
-
Tabelle 1
| Härte (angenähert) |
| Belastung -2 |
| (g) (kg mm |
| ichtimplantiertes 50 5000 |
| reaktionsgebundenes 100 3600 |
| Siliciumcarbid 1000 2700 |
Es war auch eine ausgeprägte Fraktur sowohl in der Mittelebene
(normal zur Oberfläche) und in der Querebene (parallel zur Oberfläche) bei Belastungen
von 200 g und darüber vorhanden.
-
Bei den mit 4 x 1017 Stickstoffionen/cm2 implantierten Proben waren
Härte und Einbeulungsbruchverhalten modifiziert. So war die Härte bei allen Belastungen
niedriger, jedoch variierte sie nicht sehr mit der Änderung der Belastung 2000 kg
mm bei 25 g und s2200 kg mm- 2 bei 1 kg) über den experimentell verfügbaren Belastungsbereich.
Jedoch sagt die Analyse der Ergebnisse voraus, daß eine signifikante Erweichung
der Schicht nahe der Oberfläche mit Einbeulungen, die bei sehr niedrigen Belastungen
gemacht werden, erfolgen wird, wo das Verhalten der plastischen Zone, herrührend
von der Einbeulung, durch die implantierte Schicht beherrscht wird.
-
Obwohl eine mittlere Fraktur wie mit den nichtimplantierten Proben
beobachtet wurde, war die laterale Fraktur stark herabgesetzt. Es sei darauf hingewiesen,
daß beide Frakturtypen zur Bildung von Verschleißteilchen notwendig sind.
-
Eine ähnliche Reihe von Versuchen wurde an Einkristall-(unbestimmter
a-Polytyp, wahrscheinlich 6H, (0001)-Ebene)-Siliciumcarbid mit Proben durchgeführt,
die mit einer Dosis im Bereich 2 von 0 bis 5 x 1017 Stickstoffionen/cm2 implantiert
worden waren. Es wurde gefunden, daß das resultierende Verhalten ähnlich demjenigen
war, das oben für reaktionsgesintertes Siliciumcarbid beschrieben worden war, wobei
die Proben ein signifikantes Erweichen der Oberfläche zeigten, wenn sie mit 17 Stickstoffionen/cmé
2 einer Dosis von über etwa 4 x 10 Stickstoffionen/cm2 implantiert wurden.
-
Es war bemerkenswert, daß die Form der Einbeulungen sich über den
angewandten Dosisbereich änderte. Probeneinbeulungen bei Null und niedriger Dosis
(weniger als 3 bis 4 >< x 1017 1017 N+ cm 2) waren von dem Typ, wie er normalerweise
bei diesem 2 Material auftritt; Verlagerungen waren radial gerichtet und es wurde
keine Oberflächenanschichtung beobachtet. Die laterale Bruchbildung war üblich und
die Normarski-Interferenzmikroskopie zeigte große unter der Oberfläche liegende
laterale Risse in allen Fällen von Belastungen mit über etwa 100 g. Im Gegensatz
hierzu zeigten die stark implantierten Proben (Dosis höher als 4 bis 5 x 1017 N+
cm 2) kein "Ausbre-2 chen", und eine sehr geringe unter der Oberfläche liegende
laterale Fraktur und es war um die Einbeulungen herum eine gewisse Anschichtung
sichtbar.
-
Um die Morphologie der lateralen und radialen Rißstrukturen unter
den Einbeulungen in dem Siliciumcarbid vollständiger zu erforschen, wurden eingebeulte
Proben entlang planarer Radialrisse aufgebrochen. Die Einbeulungen waren so angeordnet,
daß die Radialrisse entlang bevorzugter Spaltungsebenen (d.h.
-
(1120) in Sic) gebildet wurden. Jede Hälfte der aufgebrochenen Proben
wurde dann auf einem Raster-Elektronenmikroskop-(REM)-Stumpf für optische und REM-Uberprüfung
montiert.
-
Die nichtimplantierten Proben zeigten laterale Risse, die sich weit
jenseits der Einbeulungsgrenzen und bis zur Probenoberfläche erstreckten, während
in den stark implantierten Proben (6 x 1017 N+ cm 2) mehrere Schichten von kurzen
late-2 ralen Rissen, die sich nicht weit jenseits der Einbeulung erstreckten, sichtbar
waren, wobei die tieferen Risse sich nach unten in die Probe erstreckten. Stark
deformierte Zonen waren sowohl in nichtimplantierten und implantierten Proben unter
der Prüfspitze sichtbar, jedoch erschienen diese in den
stark implantierten
Proben flacher und schärfer abgegrenzt.
-
Eine plastische Anschichtung war um die Einbeulungskanten in den implantierten
Proben sichtbar, jedoch nicht bei den nichtimplantierten Proben.
-
Verschleißversuche in Form von Einzeleinstich, Einzelpunktdiamantkegel-verschleißtests
wurden an nichtimplantierten und implantierten Proben von Einkristall-Siliciumcarbid
durchgeführt. Die Versuche wurden bei Belastungen von 10 bis 50 g durchgeführt und
die implantierten Proben wurden mit 17 2 einer Dosis von 6 x 10 Ionen/ implantiert.
Bei allen Belastungen zeigten die Bahnen der nichtimplantierten Proben einen hohen
Betrag an Lateralbruch, mit einer offen sichtbaren mittleren plastischen Furche.
Die implantierten Proben zeigten bei allen bis auf die höchsten Belastungen eine
einfache plastische Furche, und selbst bei den höchsten Belastungen war der Bruch
stark herabgesetzt. Die Beobachtung von Stereomikrographien der Profile der Furchen
zeigte eine plastische Anschichtung der Kanten der Furchen in den implantierten
Proben.
-
Die Transmissionselektronenmikroskopie hat gezeigt, daß diese implantierten
und geritzten Proben eine Phasenumwandlung des Siliciumcarbids in die (3- (kubische)
-Phase zeigen. Es wurde nicht festgestellt, ob diese Phasenumwandlung durch die
Implantation allein, die Deformation (das Ritzen) allein, oder durch die vereinigten
Wirkungen der Implantation gefolgt durch Deformation (Ritzen) bewirkt wird. Jedoch
erscheint das Letztere wahrscheinlich, da es sich gezeigt hat, daß Stickstoffverunreinigungen
die Phase stabilisieren, daß es jedoch unwahrscheinlich ist, daß das Ionenimplantationsverfahren
als solches ausreichend Energie für die Umwandlung
einführt. Während
Untersuchungen an Einzelpunkt-Verschleißbahnen in nichtimplantiertem Siliciumcarbid
keine Phasenumwandlung in dem Material-Substrat zeigten, wurde ein gewisser Nachweis
dafür gefunden, daß die Verschleißteilchen eine Umwandlung in die Phase erlitten
hatten.
-
Die Wirkung der Stickstoffionen-Implantation in andere Materialien,
einschließlich Silicium, Kobalt, Wolframcarbid/Kobalt, Lithiumfluorid und eine Anzahl
von Gläsern wurde untersucht.
-
Ein signifikanter Oberflächenerweichungseffekt wurde bei Silicium
und ein geringerer Effekt bei Kobalt beobachtet, jedoch wurde in den anderen Materialien
keine signifikante Wirkung beobachtet. Diese Ergebnisse sind summarisch in der nachfolgenden
Tabelle II wiedergegeben, welche nichtimplantierte und implantierte O4 x 10 Stickstoffionen/cm2)-Proben
vermittels des Meyer-Index (m) und der Vickers-Härte bei 10 Mikrometer Härte vergleicht:
T a b e 1 1 e II
| Vickers-Härte |
| Material Meyer-Index (m) (10 Mikrometer) |
| ichtiiplantiiit Implantiert Nidhtimplantiert lwplanti |
| Silicium 1,85 1,95 1200 1 900 |
| iliciumcobi 1,7 2,1 3500 2500 |
| (Einkristall) |
| Siliciumcarbid |
| (reaktionsge- 1,7 2,1 3500 2000 |
| bunden) |
| Kobalt 1,8 1,9 450 350 |
| (bei niedri- |
| ger Dosis) |
Der Meyer-Index (m) ist definiert durch die Gleichung L=adm worin
"L" die Belastung, "a" eine Konstante und "d" ein Maß der Größe der Einbeulung,
nämlich der Länge der Einbeulungsdiagonale, bedeutet.
-
Die Wirkung ist demzufolge klar erkennbar bei Siliciumcarbid und kann
einer erniedrigten Peierl-Spannung, Änderungen in der Oberflächenspannung, Phasenänderungen,
elektronischen Effekten des Stickstoffs und/oder der Amorphisation, zuzuschreiben
sein. Es wird angenommen, daß die Umwandlung der hexagonalen in die kubische Phase
und/oder die elektronischen Effekte wahrscheinlich steuernd sind, obwohl Oberflächenspannungen
ebenfalls eine Rolle spielen.
-
Es wurde bei den Siliciumproben bemerkt, daß die implantierten Proben
nach den Diamantschleifstaubabrieb-Untersuchungen keine Deformation unterhalb der
Furchen zeigten, die völlig in dem amorphen Material liegen. Es ist möglich, daß
die Oberflächendruckspannungen, welche durch die Implantation eingeführt worden
sind, der steuernde Faktor bei Silicium beim Zurückdrängen des Lateralbruchs sind.
Elektronische Effekte des implantierten Stickstoffs können die Plastizitätsänderungen
steuern.