DE60033847T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer kohlenstoffhaltigen schicht - Google Patents
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Description
- Hintergrund der Erfindung
- Die Erfindung ist auf ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht und eine Vorrichtung dafür ausgerichtet. Die Erfindung ist insbesondere auf ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer neuartigen kohlenstoffhaltigen Hartschicht mit einer dramatischen, die Oberfläche verbessernden Wirkung, die in Werkzeugen und beweglichen Teilen, wo eine große Härte, Verschleißfestigkeit und verringerte Reibung gefordert sind, und in Teilen von elektronischen Präzisionsinstrumenten und desgleichen verwendbar ist.
- In den letzten Jahren werden immer mehr größere Härte und höhere Funktionalität von Hartbeschichtungen zur industriellen Verwendung gefordert. Unter diesen Umständen haben harte kohlenstoffhaltige Beschichtungen, die durch diamantartige Kohlenstoffschichten repräsentiert werden, als ein Material, das die drastischeren Anforderungen einer neuen Ära erfüllt, Aufmerksamkeit auf sich gelenkt. Derartige harte kohlenstoffhaltige Beschichtungen wurden Versuchen zur Dampfphasenschichtabscheidung durch verschiedene Verfahren unterzogen, führend ist dabei die chemische Dampfabscheidung (CVD), doch es treten verschiedene Probleme auf dem Weg zur praktischen Verwendung auf und der Anwendungsbereich war bisher beschränkt.
- Beispielsweise wurde in den erfolgreichsten Fällen eine maximale Höhe von 3 000 kg/mm2 Vickers-Härte in einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht durch plasmagestützte CVD-Verfahren erreicht, doch es besteht ein Problem darin, dass 3 000 kg/mm2 eine eigentliche Grenze darstellte. Hafteigenschaften und die Substrattemperatur während der Schichtbildung stellen auch Probleme dar, die hinsichtlich konventioneller harter kohlenstoffhaltiger Schichten, die durch Dampfphasenschichtabscheidung entstehen, gelöst werden müssen.
- Bei harten kohlenstoffhaltigen Schichten, die unter Verwendung von plasmaunterstützten CVD-Prozessen gebildet werden, sind Hafteigenschaften an verschiedenartigem Stahl und anderen metallischen Substratmaterialien, hauptsächlich Werkzeugen, in der Tat schlecht und die Umsetzung in praktischen Anwendungen war problematisch. Der Grund dafür ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht extrem niedrig ist (0,80 × 10–6/K). Wenn somit eine Schicht auf einem Substratmaterial mit einem großen Koeffizienten, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl (13,8 × 10–6/K im Hauptmaterial, Eisen) gebildet wird, war es unmöglich, das Erreichen von relativ hohen Temperaturen im Substratmaterial während der Bildung der harten kohlenstoffhaltigen Schicht zu vermeiden. Wenn die Temperatur des Substratmaterials von der hohen Temperatur, die während der Schichtbildung erreicht wurde, auf Umgebungstemperatur nach der Schichtbildung abkühlt, entsteht Spannung zwischen der Schicht und dem Substratmaterial und die Schicht löst sich folglich ab.
- Konventionelle Verfahren, die zur Verbesserung der schlechten Haftung einer Schicht untersucht wurden, schließen die Bildung einer Zwischenschicht zwischen dem Substratmaterial und der Schicht (eine Siliconverbindung oder desgleichen) und das Aufrauhen der Substratmaterialoberfläche ein. Während jedoch das erste Verfahren die Haftung zwischen der harten kohlenstoffhaltigen Schicht und der Zwischenschicht, in eigentlicher Anwendung in Werkzeugen und desgleichen, zunächst zu verbessern scheint, war die Haftung weiter unzureichend und die Schicht löst sich ab. Es war außerdem nicht möglich, eine Zwischenschicht mit einer ausreichenden Härte zu erhalten, um die Aufbringung unter einer kohlenstoffhaltigen Schicht großer Härte zu ermöglichen. Das zweite Verfahren, wie das erste Verfahren, erzielt keine geeignete Haftstärke in der eigentlichen Verwendung.
- Während der Schichtbildung war eine Erhitzungstemperatur des Substrats von mindestens 200°C oder mehr erforderlich, um eine kohlenstoffhaltige Schicht großer Härte zu erhalten. Daher war die Aufbringung von harten kohlenstoffhaltigen Schichten auf Substratmaterialen, die bei hohen Temperaturen Deformation oder Schädigung erfahren, z.B. Substratmaterialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt, oder die enthärten und ihre Härte innerhalb dieses Temperaturbereichs verlieren, nicht geeignet.
- In verschiedenen konventionellen CVD-Prozessen werden Gasgemische von Wasserstoff und Methan oder andere Kohlenwasserstoffgase als Quelle für Schichtbildungsmaterial verwendet und die Einbringung von Wasserstoff in die kohlenstoffhaltige Schicht war bewusst. Jedoch, wie vorstehend vermerkt, betrug die so erhaltene Härte maximal lediglich 3 000 kg/mm2 Vickers-Härte. Hinsichtlich Hitzebeständigkeit beginnt Graphitisierung in harten kohlenstoffhaltigen Schichten, die Wasserstoff enthalten, bei 350°C, während die Graphitisierung in einer Schicht, die keinen Wasserstoff enthält, erst bei einer Temperatur von 500°C oder höher beginnt. Der Einsatz von Graphitisierung verursacht einen Abfall der Härte und eine Schwächung der Eigenschaften.
- Mit Wasserstoff ist die Entzündungsgefahr außerdem extrem hoch und die gleichzeitige Verwendung von Methangas oder einem anderen derartigen Kohlenwasserstoffgas stellt ein Risiko der Entflammbarkeit dar.
- Verfahren zur Bildung einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht, die keinen Wasserstoff enthält, schließen Zerstäubungsverfahren, Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren und direkte Ionenstrahlverfahren ein, doch bei diesen Verfahren wurde gefunden, dass Härte, Verschleißfestigkeit und andere derartige Eigenschaften unzureichend sind und aus Gründen, die den engen Bereich von Parametern, in dem der schichtbildende Prozess abläuft, einschließen, kann zur praktischen Verwendung ein hinreichender Artikel derzeit nicht erhalten werden.
- CVD-Verfahren und andere derartige Plasma-Prozesse führen auch darin zu Problemen, dass die Erzeugung von Schichten mit einer gleichmäßigen, großen Oberfläche schwierig ist. Wenn Plasma angrenzend an eine isolierende harte kohlenstoffhaltige Schicht erzeugt wird, tritt, sobald das Plasma abgeschaltet wird, an der gleichen Stelle kein Wachstum wieder auf, selbst wenn das Plasma erneut erzeugt wird, was somit für die Erzeugung einer großen, gleichmäßigen Oberflächenschicht ein Hauptproblem darstellt.
- Die europäische Patentschrift Nummer EP-A-0 280 198 offenbart ein eine Diamantdünnschicht bildendes Verfahren und ein Gerät dafür, in dem Kohlenstoffabscheidung und Ionenstrahlbestrahlung auf einem Substrat in einem Vakuum ausgeführt werden, um dadurch eine Diamantdünnschicht auf dem Substrat zu bilden.
- Die europäische Patentschrift Nr. EP-A-0 724 023 offenbart harte, amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschichten. Die harte, dünne, amorphe Schicht hat eine glatte, gleichmäßige Oberflächenmorphologie, die aus reinem Kohlenstoff ohne Metallkomponenten und/oder mit weniger als 0,5 Atom-% Wasserstoff besteht. Die Schicht wird mit Hilfe eines Vakuumbogenentladungsprozesses, insbesondere mit Laserregelung, abgeschieden. Die verschleiß- und korrosionsfeste Schicht, die bei Temperaturen unterhalb von 100°C abgeschieden wird, hat ein Elastizitätsmodul von höher als 400 GPa oder eine Härte [Lakune] als 40 GPa und sie hat einen Reibungskoeffizienten von geringer als 0,1 ohne Schmierung und geringer als 0,02 bei einer verringerten Schmiermittelzufuhr. Die Schicht hat eine Dicke von 300 nm. Die Schicht wird als ein Stapel mit wechselnden Metallschichten aufgebaut. Das Substratmaterial besteht aus Hochgeschwindigkeitszerspanungs-Stählen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Messing, Bronze oder Plastik. Die Schicht ist optisch durchsichtig.
- Die Patentschrift der Vereinigten Staaten Nr. US-A-5 561 326 offenbart einen integrierten Schaltungsbaustein, einschließlich einer Grenzschicht als eine unterliegende Schicht für eine verdrathende Leiterschicht. Die Grenzschicht wird aus Titanoxid-Titannitrid oder Titannitrid oder Verbundschichten von Titan, 2-Titannitrid und Titannitrid gebildet. Die Grenzschicht kann Sauerstoff oder Kohlenstoff enthalten. Ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltungsbausteins schließt Schritte des Einbringens von Gas in die Umgebung eines Substrats, das innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet ist, und des Bildens einer Titanoxid-Titannitrid-Dünnschicht oder Titannitridschicht oder der Verbundschicht durch Abscheiden von Titan in die Dampfphase unter Verwendung einer Quelle für clusterartige Ionen während des Bestrahlens des Substrats mit Stickstoffionen ein. Ein Gerät zur Bildung von dünnen Schichten umfasst eine Quelle für clusterartige Ionen und eine Gasionenquelle.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Dampfphasenbildung, wie in Anspruch 1 beschrieben, offenbart. Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät, wie in Anspruch 8 beschrieben, offenbart.
- Entsprechend stellt die Erfindung ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer neuartigen kohlenstoffhaltigen Hartschicht bereit, die eine große Härte aufweist, die das Härteniveau übersteigt, das zuvor als eine übliche Grenze erachtet wurde, bei der die Haftung an ein Substratmaterial besser ist, die Auswirkungen, die aus der Substrattemperatur resultieren, vermeidet und auch ein besseres Potenzial bei der Erzeugung einer großen Oberfläche aufweist.
- Die Erfindung stellt ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht durch Bestrahlung mit Gascluster-Ionen während der Abscheidung einer Schicht von kohlenstofflhaltigem Material aus Dampf, der teilweise ionisiert sein kann oder nicht, bereit, worin genanntes Verfahren ein Verfahren zur Dampfphasenschichtabscheidung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substratmaterial unter einem Vakuum-reduzierten Druck darstellt. Das verdampfte kohlenstoffhaltige Material, das ionisiert oder nichtionisiert sein kann, wird auf einer Substratoberfläche abgeschieden. Gascluster, die aus atomarem oder molekularem Aggregat eines Materials aufgebaut sind, das bei Umgebungstemperatur und -druck gasförmig ist, werden ionisiert, beschleunigt und auf die Oberfläche, die die Schicht des kohlenstoffhaltigen Materials enthält, gestrahlt.
- Die Erfindung stellt auch ein Bildungsverfahren bereit, worin das kohlenstoffhaltige Material eins oder mehrere von einem Fulleren, einer Kohlenstoffnanoröhre, Graphit, amorphem Kohlenstoff oder einem Carben, das keinen Wasserstoff enthält, ist. Das Bildungsverfahren ist derart, dass die Atome oder Moleküle, die die Gascluster umfassen, eins oder mehrere der Folgenden umfassen: ein Edelgas, Sauerstoff, ein Kohlenoxid, Stickstoff, ein Nitrid, ein Halogen oder ein Halogenid. Die Vickers-Härte der genannten kohlenstoffhaltigen Hartschicht beträgt mehr als 4 000 kg/mm2 und der Reibungskoeffizient beträgt 0,15 oder weniger. Außerdem enthält die kohlenstoffhaltige Hartschicht keinen Wasserstoff.
- Die Erfindung stellt ein Gerät zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substrat durch Bestrahlung mit Gascluster-Ionen bereit, worin das Gerät mit einem Gascluster-Strahl-Erzeugungsmittel, einem Gascluster-Ionisierungsmittel, Beschleunigungsmittel für ionisierte Gascluster, Mittel zur Erzeugung von verdampften Teilchen von kohlenstoffhaltigem Material, Ionisierungsmittel für verdampfte Teilchen, Mittel zur Beschleunigung der verdampften und ionisierten Teilchen von kohlenstoffhaltigen Materialien, und folglich eine Schichtbildungseinheit, die nach Bedarf angeordnet werden, und Vakuum-Ansaugungsmittel ausgestattet ist. Die Gascluster-Ionisierungs- und -Beschleunigungseinheiten und das verdampfte Teilchenprodukt des kohlenstoffhaltigen Materials, oder das dazugefügte Produkt von Ionisierungs- und -Beschleunigungseinheiten, sind auf eine Substratoberfläche, die in der Schichtbildungseinheit angeordnet ist, derart ausgerichtet, dass einzelne Gascluster-Ionen und ionisierte oder nichtionisierte verdampfte Teilchen von kohlenstoffhaltigem Material auf das Susbrat gestrahlt werden.
- Die Erfindung stellt auch eine kohlenstoffhaltige Hartschicht bereit, die auf ein Substratmaterial aus der Dampfphase aufgebracht wird, worin die Vickers-Härte mehr als 4 000 kg/mm2 beträgt und der Reibungskoeffizient 0,15 oder weniger beträgt, und die Erfindung ermöglicht eine kohlenstoffhaltige Hartschicht, die keinen Wasserstoff enthält.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein Strukturplan eines schichtbildenden Geräts, das einen erfindungsgemäßen Gascluster-Ionenstrahl verwendet. -
2A –2D sind Diagramme, die die Veränderung im Raman-Spektrum zeigen, wenn die Clusterionen-Beschleunigungsenergie variiert wird; -
3 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Vickers-Härte zeigt; und -
4 ist ein Diagramm, das die Messergebnisse des Reibungskoeffizienten zeigt. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Ein Verfahren zur Bildung einer erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Hartschicht ist entsprechend eines Verfahrens aufgegliedert, das durch Dampfphasenschichtbildung durch Gascluster-Ionenstrahl-gestützte Abscheidung gekennzeichnet ist. Speziell wird ein Verfahren der Dampfphasenschichtbildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substratmaterial unter einem Vakuum-reduzierten Druck beschrieben. Wenn ein verdampftes kohlenstoffhaltiges Material auf einer Substratmaterialoberfläche mit oder ohne Ionisierung abgeschieden wird, wird ein Gascluster, das ein Aggregat von Atomen oder Molekülen eines Materials, das bei Umgebungstemperatur und -druck gasförmig ist, umfasst, ionisiert und die Schichtbildung wird durch Bestrahlen der Gascluster-Ionen auf genannte Schicht des kohlenstoffhaltigen Dampfes, der auf der Oberfläche eines Substratmaterials abgeschieden ist, ausgeführt.
- Erfindungsgemäß kann das kohlenstoffhaltige Material von verschiedener Art, ausschließlich Diamant, sein und Beispiele schließen eins oder mehrere der Folgenden ein: ein Fulleren, eine Kohlenstoffnanoröhre, Graphit, amorphen Kohlenstoff oder ein Carben, das keinen Wasserstoff enthält. Diese verschiedenen kohlenstoffhaltigen Materialien sind insofern geeignet, da sie keinen Wasserstoff, mit Ausnahme als eine mögliche Verunreinigung, enthalten. Unter diesen haben Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren, oder Homologe davon, aus Sicht der neuen Kohlenstoffmaterial-Technologie kürzlich Aufmerksamkeit auf sich gelenkt und werden als ideale Ausgangsmaterialen angeführt.
- Diese kohlenstoffhaltigen Materialien werden verdampft und auf einer Substratoberfläche entweder direkt oder nach Ionisierung abgeschieden. Das Mittel zur Verdampfung kann ein geeigneter Prozess, wie zum Beispiel Zerstäubung, Laserablation, Ionen- oder Elektronenstrahl oder Erhitzen im Tiegel sein. Im Fall von ionisierten Teilchen können diese beschleunigt und auf einer Substratoberfläche abgeschieden werden. Die Atome oder Moleküle, die ein Gascluster umfassen, sind unter Bedingungen von Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck ein Gas. Beispiele schließen eins oder mehrere der Folgenden ein: Argon, Helium, Neon und andere Edelgase; Sauerstoff; CO2 und andere Kohlenstoffoxide; Stickstoff; Nitride; Halogene und SF6 und andere Halogenide.
- Die Anzahl von Atomen (Molekülen), die ein Cluster oder Clusterion umfassen, kann durch Regeln der Bildungsbedingungen des Gasclusters kontrolliert werden und im Verfahren der Erfindung ist die Anzahl davon nicht begrenzt, doch kann begrenzt werden, beispielsweise 10–10 000.
- Die Gascluster, die aus Aggregaten aufgebaut sind, die eine Anzahl von Atomen (Molekülen) zwischen 10–10 000 umfassen (die vorherbestimmt werden kann), werden beispielsweise durch Elektronenbeschuss ionisiert und durch Beschleunigung mit Energie ausgestattet, um einen Cluster-Ionenstrahl zu bilden, der dann gestrahlt wird.
- Bedingungen bei der Schichtbildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht schließen auch den Grad der Vakuumdruckreduzierung während der Schichtbildung, die Temperatur des Substratmaterials während der Schichtbildung, das Verhältnis der Anzahl von Atomen oder Molekülen in den verdampften Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials oder den ionisierten Teilchen davon zur Anzahl von Gascluster-Ionen und die Gascluster-Ionen-beschleunigende Spannung ein. Diese Bedingungen können auch, soweit angemessen, unter Betrachtung derartiger Faktoren, wie die Art des kohlenstoffhaltigen Materials oder die Eigenschaften der kohlenstoffhaltigen Hartschicht und die Rate der Schichtbildung, festgelegt werden.
- Beispielsweise wird eine Menge von 1–10 Gascluster-Ionen pro 1–5 000 Molekülen, die das kohlenstoffhaltige Material umfassen, erwogen. Es gibt auch keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Clusterionen-beschleunigenden Spannung und die Spannung wird innerhalb eines Bereichs, bei dem eine kohlenstoffhaltige Schicht gewünschter Qualität gebildet wird, festgesetzt. Beispielsweise kann die Clusterionen-beschleunigende Spannung in dem Bereich von 1 keV–100 keV festgesetzt sein.
- Im Gegensatz zu konventionell eingesetzten Plasma-CVD-Verfahren besteht absolut keine Notwendigkeit, das Substrat im Verfahren der Erfindung zu erhitzen. Es kann stattdessen eine kohlenstoffhaltige Hartschicht auf einem Substrat, das ohne Erhitzen bei Raumtemperatur gehalten wird, gebildet werden. Natürlich ist es auch akzeptabel, wenn gewünscht, innerhalb von Grenzen, die das Verfahren nicht beeinträchtigen, zu erhitzen.
- Im Gegensatz zu konventionellen Plasmaschicht-bildenden Verfahren tritt ein geringfügiger Anstieg der Temperatur des Substrats während des Bildungsprozesses der Schicht im hierin beschriebenen Verfahren auf. Aus diesem Grund kann das Verfahren ohne jedwede besondere Beschränkungen bei der eingesetzten Substratart verwendet werden. Ferner tritt das Problem, auf das in der konventionellen Technik gestoßen wurde, worin ein erheblicher Anstieg der Temperatur des Substrats während der Schichtbildung auftritt, nicht bei dem vorliegenden Verfahren auf. Außerdem sind Vorbehandlungen, wie zum Beispiel die Bereitstellung einer Zwischenschicht oder das Aufrauhen der Substratoberfläche im Verfahren der Erfindung nicht erforderlich.
- Im Verfahren zur Bildung einer erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Hartschicht ist die Energie pro Atom der Wert, der erhalten wird, wenn die Gesamtenergie durch die Anzahl der Atome, die den Cluster bilden, geteilt wird, wenn die Ar-Atome, die ein Ar-Clusterion bilden, beispielsweise in der Menge von 1,000 Atom/Ion vorliegen und eine Beschleunigungsenergie von 5 keV auf dieses Gascluster-Ion angewendet wird. In diesem Fall beträgt diese Energie 5 eV/Atom. Entsprechend ist es möglich, da dies ein gleichwertig niedriger Energieionenstrahl ist, eine kohlenstoffhaltige Hartschicht hoher Qualität zu bilden, in der ein minimaler Bestrahlungsschaden, wie zum Beispiel Hohlräume, auftritt.
- Ferner kann im Fall eines Gascluster-Ions ein lokalisierter unverzögerter Hochtemperatur-, Hochdruckzustand auf der Oberfläche während mehrfacher Einwirkungen mit der Oberfläche des Substrat erzielt werden. Somit wird es möglich, sich dem Hochtemperatur-, Hochdruckzustand, der zur Diamantsynthese erforderlich ist, anzunähern. Infolge kann eine kohlenstoffhaltige Hartschicht erhalten werden, die eine große Härte aufweist, gegen Reibung und Verschleiß beständig ist und die viele sp3-Diamantbindungen einschließt, die mit den konventionellen Verfahren zur Bildung von Schichten nicht erhalten werden könnten.
-
1 ist ein Strukturplan eines schichtbildenden Geräts100 , das einen erfindungsgemäßen Gascluster-Ionenstrahl verwendet. Das Gerät100 schließt eine Gascluster-erzeugende Kammer102 und eine Schichtbildungskammer120 ein. Die Gascluster-erzeugende Kammer schließt eine Gasquelle104 , eine Düse108 und eine Vakuumpumpe106 ein. Ein Abstreicher112 trennt nicht-geclustertes Gas von Gasclustern, bevor sie in eine Differential-Pumpenkammer114 eintreten, die eine Vakuumpumpe110 einschließt. - Die Schichtbildungskammer schließt einen ersten Ionisator
122 , einen ersten Beschleuniger124 und ein Ablenksystem126 ein. Die Kammer120 schließt auch einen zweiten Ionisator130 und einen zugehörigen Tiegel128 und einen zweiten Beschleuniger132 ein. Eine Vakuumpumpe134 dient zur Evakuierung der Kammer, in der ein Substrat141 durch einen Substrathalter140 positioniert ist. - In einer exemplarischen Ausführungsform werden die Gascluster folgendermaßen erzeugt und gestrahlt. Ein Hochdruck-Ausgangsgas
104 wird aus der Düse108 des Gascluster-erzeugenden Elements103 in das Vakuum der Gascluster-erzeugenden Kammer102 expandiert. Die Energie der Ausgangsgasatome wird in translatorische Bewegungsenergie umgewandelt, während gleichzeitig ihre thermische Energie durch adiabatische Expansion verringert wird. Die Ausgangsgasatome oder -moleküle, die aufgrund des Verlusts von thermischer Energie unterkühlten, nukleieren die Atome oder Moleküle zur Bildung von Gasclustern. Diese neutralen Cluster, die sich gebildet haben, werden durch einen Abstreicher112 zur Differential-Pumpenkammer114 und schließlich zur Schichtbildungskammer120 geleitet. Nachdem die Gascluster durch Ionisator122 ionisiert wurden, werden die Gascluster-Ionen durch Beschleuniger124 in Richtung auf das Substrat141 beschleunigt. Das Ablenksystem126 führt den Gascluster-Ionenstrahl über die Oberfläche des Substrats141 . - In dem in
1 gezeigten Beispiel wird ein kohlenstoffhaltiges Material durch Erhitzen innerhalb des Tiegels128 , der das Element zur Erzeugung der verdampften Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials ist, verdampft. Danach können die verdampften Teilchen von kohlenstoffhaltigem Material, je nach Bedarf, teilweise durch Ionisator130 ionisiert werden und die ionisierten Teilchen werden weiter durch Beschleuniger132 beschleunigt. Die verdampften kohlenstoffhaltigen Teilchen, ionisiert oder nichtionisiert, werden auf der Substratoberfläche abgeschieden. Während der Schichtbildung beschießt der Gascluster-Ionenstrahl das Substratmaterial. - Erfindungsgemäß kann eine kohlenstoffhaltige Hartschicht bereitgestellt werden, in der (1) es eine kohlenstoffhaltige Hartschicht ist, die in der Dampfphase auf einem Substrat abgeschieden wird, (2) die Vickers-Härte größer als 4 000 kg/mm2 ist, (3) der Reibungskoeffizient 0,15 oder weniger beträgt und (4) die kohlenstoffhaltige Hartschicht der Erfindung keine Wasserstoffatome in der Hartschicht enthält.
- Der Begriff „kohlenstoffhaltige Hartschicht", wie hierin unter Bezugnahme zur Erfindung verwendet, bedeutet, dass die hauptsächliche Schichtkomponente Kohlenstoff ist und dass das Schichtmaterial nur aus Kohlenstoff zusammengesetzt ist, mit Ausnahme von Atomen oder Molekülen, die unabsichtlich als Verunreinigungen aus den Ausgangsmaterialien zur Dampfphasenschichtbildung oder als anderweitig unbeabsichtigte Kontaminanten eingemischt werden.
- Die kohlenstoffhaltige Hartschicht der Erfindung, die, wie vorstehend beschrieben, in der Dampfphase gebildet wird, war nicht bekannt, noch wurde sie zuvor konkret angeboten. Es ist beispielsweise besonders durch Einsatz der Erfindung möglich, ein Material mit einer Vickers-Härte von größer als 4 000 kg/mm2 und einem Reibungskoeffizienten von 0,15 oder weniger bereitzustellen. Die Dicke der kohlenstoffhaltigen Hartschicht ist nicht besonders begrenzt, kann jedoch beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1~5 μm liegen.
- Unter Verwendung der folgenden Beispiele wird nun eine weitere Erläuterung in größerem Detail gegeben werden.
- Kohlenstoffhaltige Hartschichten wurden unter Verwendung eines Verfahrens gebildet, in dem ein kohlenstoffhaltiges Material Dampf-abgeschieden wurde, während auf jedem eines Silicon-, SUS 304-, Cr-, Ni- und organischen Substrats Gascluster-Ionen angewendet wurden.
- Hier wurde ein reines Kohlenstoff-Fulleren (hauptsächlich C60) als das kohlenstoffhaltige Material verwendet, wobei Argon als das Cluster-Ausgangsgas eingesetzt wurde. Wie in
1 gezeigt ist, wurde das Fulleren durch Erhitzen des Tiegels verdampft und der Dampf auf dem Substrat abgeschieden. Die Argon-Clusterionen wurden ionisiert und auf 1~10 keV beschleunigt und dann auf das Substrat bei Raumtemperatur beschossen. - Durch Durchführen von Dampfabscheidung und Bestrahlung bei einem Verhältnis von 1~10 Argon-Clusterionen pro 1~5 000 Fullerenmolekülen, die das Substrat erreichen, war es möglich, eine feste kohlenstoffhaltige Hartschicht auf den verschiedenen Substraten, die vorstehend erwähnt wurden, innerhalb des breiten Bereichs der Ionenbeschleunigungsenergie von 3~9 keV zu bilden. Die Raman-Spektren von kohlenstoffhaltigen Hartschichten, die nach Bestrahlung gebildet wurden, bei der die Argon-Clusterionen-Beschleunigungsenergie zwischen 3, 5, 7 und 9 keV variiert wurde, sind jeweils in den Diagrammen der
2A –2D gezeigt. Es konnten breite Raman-Spektren im Bereich von 1200 cm–1~1600 cm–1, die die kohlenstoffhaltige Hartschicht nachweisen, erhalten werden. - Die Vickers-Härte von kohlenstoffhaltigen Schichten (Schichtdicke: 2 μm), die nach Bestrahlung gebildet wurden, bei der die Argon-Cluster-Beschleunigungsenergie zwischen 5, 7 und 9 keV variiert wurde, ist im Diagramm von
3 gezeigt. Die größte Härte wurde bei einer Argon-Clusterionen-Beschleunigungsenergie von 7 keV erhalten, wobei diese Härte ungefähr 5 000 kg/mm2 beträgt. Die Messergebnisse des Reibungskoeffizienten sind im Diagramm von4 gezeigt. Es wurde gefunden, dass der Reibungskoeffizient extrem klein war, bei einem Wert von 0,1. Außerdem konnte eine kohlenstoffhaltige Hartschicht, die ausreichend am Substrat haftete, für alle Substrate ohne Ausführung einer Vorbehandlung, wie zum Beispiel Bereitstellen einer Zwischenschicht, erhalten werden. - Im Gegensatz dazu ist es in dem CVD-Verfahren, das derzeit in der Industrie angewendet wird, nicht möglich, dass die harte kohlenstoffhaltige Schicht ohne Ausführung einer Vorbehandlung an dem Metallsubstrat haftet. Entsprechend wurde angenommen, dass die Schicht, die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung erhalten wurde, nicht durch konventionelle Verfahren zur Bildung einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht erhalten werden könnte.
- Außerdem war es im Fall eines organischen Substrats auch möglich, eine kohlenstoffhaltige Hartschicht ohne jedwede begleitende Veränderung der Beschaffenheit oder Form des Substrats zu bilden, und das Substrat selbst erreichte keine hohe Temperatur.
- Wie vordem im Detail erläutert wurde, stellt die Erfindung ein Bildungsverfahren bereit, in dem eine kohlenstoffhaltige Hartschicht direkt auf ein Substrat, ohne Rücksicht darauf, ob das Substrat ein Metall oder Nichtmetall ist, ohne Durchführung einer Vorbehandlung, wie zum Beispiel die Bereitstellung einer Zwischenschicht, abgeschieden werden kann. Die durch die Erfindung bereitgestellte kohlenstoffhaltige Hartschicht kann bei Prozessen angewendet werden, die große Härte oder niedrige Reibung oder beides erfordern, oder können als eine Schutzschicht hoher Qualität für ungeschmierte gleitende Teile in verschiedenen Arten von Maschinerie, die in den letzten Jahren in sauberer Umgebung in Betrieb genommen wurden, sowie optische Linsen und Filter verwendet werden. Außerdem kann die kohlenstoffhaltige Hartschicht der Erfindung auch als ein Oberflächenmaterial für eine Vielfalt von metallgeformten industriellen Geräteteilen, wie zum Beispiel die verschiedenen Walzen für Feinguss, die reflektierend, schlagfest und beständig gegen Chemikalien sein, sowie eine glatte Oberfläche haben und verschleißfest sein müssen, verwendet werden. Entsprechend kann die kohlenstoffhaltige Hartschicht der Erfindung als eine die Oberfläche verbessernde Schicht für verschiedene Teile in jedwedem industriellen Bereich verwendet werden. Infolge der vorliegenden Erfindung ist es möglich eine kohlenstoffhaltige Hartschicht bereitzustellen, die eine Vickers-Härte von größer als 4 000 kg/mm2 aufweist und eine bessere Beständigkeit gegen Reibung und Verschleiß und eine ausgezeichnete chemische Stabilität bietet.
- Speziell stellt die Erfindung die folgenden Ergebnisse bereit. Die Schicht kann bei Raumtemperatur gebildet werden, wenn die Schicht unter Verwendung eines Gascluster-Ionenstrahls gebildet wird. Entsprechend war es möglich, eine kohlenstoffhaltige Hartschicht von ausreichender Haftung an einem Metallsubstrat, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, zu bilden, wobei ein großer Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem Substratmaterial und der kohlenstoffhaltigen Hartschicht besteht. Ferner war es möglich, eine Schicht auf einem organischen Substrat mit einer niedrigen Wärmeverformungstemperatur zu bilden, was mit der konventionellen Technologie schwierig zu erreichen war.
- Im Verfahren der Erfindung besteht absolut keine Notwendigkeit, Wasserstoff einzusetzen, der in vielen konventionellen CVD-Prozessen verwendet wird. Folglich wird eine kohlenstoffhaltige Hartschicht gebildet, die, im Vergleich zu den unter Verwendung von CVD-Prozessen gebildeten, harten kohlenstoffhaltigen Schichten und desgleichen, keinen Wasserstoff enthält. Entsprechend treten keine der Probleme, die in Wasserstoff-enthaltenden, harten kohlenstoffhaltigen Schichten beobachtet wurden, in dem beschriebenen Verfahren auf, sodass es folglich möglich ist, eine kohlenstoffhaltige Hartschicht zu bilden, die eine bessere thermische Stabilität aufweist.
- Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Gascluster-Ionenstrahl nach Beschleunigung, wird das Abtasten davon durch Mittel, die in der Ionenstrahl-Technik gut bekannt sind, möglich. Durch derartiges Abtasten wird es erleichtert, die Fläche, über die es möglich ist, eine Schicht von gleichmäßiger Beschaffenheit und Dicke zu erhalten, zu vergrößern, was unter Verwendung eines CVD-Verfahrens nicht erfolgen kann.
- Entsprechend ermöglicht die Erfindung die Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht mit einer großen Härte, starken Haftung an das Substrat, einem breiten Bereich von Substratauswahl und struktureller Stabilität, die bei Raumtemperatur gebildet werden kann und eine größere Fläche haben kann, wobei die Bildung dieser Art von Schicht unter Verwendung eines der konventionellen Verfahren zur Bildung einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht schwierig auszuführen war.
- Obgleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, können darin verschiedene Änderungen, Auslassungen und Zusätze zur Form und zum Detail davon gemacht werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
Claims (9)
- Verfahren der Dampfphasenbildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substratmaterial unter reduziertem Druck, das Folgendes umfasst: Aufdampfen eines wasserstofffreien kohlenstoffhaltigen Materials auf ein Substrat zur Bildung einer Deckschicht; Ionisieren von Gasclustern von Aggregaten von Atomen oder Molekülen eines Materials, das bei Umgebungstemperatur und -druck gasförmig ist; und Bestrahlen von genannter Deckschicht mit genannten ionisierten Gasclustern, während genannte Deckschicht zur Bildung von genannter kohlenstoffhaltiger Hartschicht aufgebracht wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Atome oder Moleküle von genanntem Gascluster eins oder mehrere der Folgenden umfassen: ein Edelgas, Sauerstoff, ein Kohlenoxid, Stickstoff, ein Nitrid, ein Halogen oder ein Halogenid.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin genannter Dampf eines wasserstofffreien kohlenstoffhaltigen Materials Folgendes ist: (a) nichtionisiert oder (b) wenigstens teilweise ionisiert.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin genannte Deckschicht während der Bildung der genannten Deckschicht bestrahlt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, worin genanntes wasserstofffreies kohlenstoffhaltiges Material eins oder mehrere der Folgenden umfasst: ein Fulleren, eine Kohlenstoffnanoröhre, Graphit, amorphen Kohlenstoff oder ein Carben.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, worin die Vickers-Härte von genannter kohlenstoffhaltiger Hartschicht circa 4 000 kg/mm2 beträgt und der Reibungskoeffizient circa 0,15 beträgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–45 [sic], worin die Vickers-Härte von genannter kohlenstoffhaltiger Hartschicht mehr als circa 4 000 kg/mm2 beträgt oder höher ist und der Reibungskoeffizient weniger als circa 0,15 beträgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, worin genannte kohlenstoffhaltige Hartschicht keinen Wasserstoff enthält.
- Gerät (
100 ) zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substrat (141 ), das in einer Vakuumkammer positioniert ist, durch Bestrahlen mit Gascluster-Ionen, wobei genanntes Gerät Folgendes umfasst: einen Gascluster-Strahl-Generator zur Erzeugung von Gasclustern, der eine Düse (108 ) und einen Abstreicher (112 ) umfasst; einen Gascluster-Ionisator (122 ) zur Ionisierung von genannten Gasclustern; eine Beschleunigungseinheit (124 ) zur Beschleunigung von genannten ionisierten Gasclustern; einen Teilchengenerator (128 ) zur Erzeugung von verdampften Teilchen eines kohlenstoffhaltigen Materials; und Mittel zur Ausrichtung von genannten ionisierten Gasclustern und genannten verdampften Teilchen auf eine Oberfläche von genanntem Substrat (141 ). - Gerät (
100 ) nach Anspruch 8, das weiter Folgendes umfasst: einen zweiten Ionisator (130 ) zur Ionisierung von genannten verdampften Teilchen; und einen zweiten Beschleuniger (132 ) zur Beschleunigung von genannten verdampften Teilchen.
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