EP0327157A2 - Contact material and process of manufacturing it - Google Patents

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EP0327157A2
EP0327157A2 EP89200156A EP89200156A EP0327157A2 EP 0327157 A2 EP0327157 A2 EP 0327157A2 EP 89200156 A EP89200156 A EP 89200156A EP 89200156 A EP89200156 A EP 89200156A EP 0327157 A2 EP0327157 A2 EP 0327157A2
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EP
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layer
range
ions
contact material
implanted
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Heinz Dr.Rer.Nat. Dimigen
Hubertus Hübsch
Klaus Dipl.-Ing. Kobs
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Koninklijke Philips NV
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Philips Patentverwaltung GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material

Definitions

  • the invention relates to a contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals from groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) on a substrate and a method for its production.
  • PSE Periodic Table of the Elements
  • contact materials based on precious metals are preferably used for most contact systems.
  • the use and further development of contact materials are therefore primarily determined by the need for substitution of precious metals, which can be achieved by reducing the proportion of alloys, by geometrically minimizing the contact volume and by developing new contact materials that can do without precious metals.
  • contact materials based on high-melting metals such as tungsten, molybdenum and rhenium are used today, which are characterized not only by their high melting points, but also by high hardness and strength, which results in a high wear and erosion resistance of the contacts made from them.
  • high-melting metals such as tungsten, molybdenum and rhenium
  • tungsten contacts can only be used to a limited extent with regard to their current carrying capacity due to the low electrical thermal conductivity, in addition, tungsten is unstable to oxygen above a temperature of 400 ° C and when switching in air, oxidic foreign layers are formed which lead to an external layer resistance and thus to an increase of the contact resistance. Contact forces of at least 1 N are therefore required for reliable contacting, or frictional actuation of the contacts must be provided.
  • the starting semi-finished product for tungsten contacts is produced by powder metallurgy by pressing and sintering powder, however, because of the low ductility and the high strength, the mechanical processing of tungsten is difficult. Due to its physical properties, molybdenum does not achieve the excellent contact properties of tungsten. However, it is preferred as a cheaper metal for those cases that do not necessarily require the use of tungsten.
  • the invention has for its object to provide contact materials based on transition metals of groups IVa to VIa of the PSE, from which thin and thick-film contacts of any configuration can be produced economically, which do not have the disadvantages mentioned above and which have the particular advantage that they have very low sliding friction coefficients.
  • This object is achieved in that the structure of the layer is modified by particle bombardment.
  • the chalcogenides preferably the transition metals titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten, are formed from the chalcogens sulfur, selenium and / or tellurium, advantageously in the chalcogenide layer is implanted with an implantation energy in the range from 0.5 keV to 400 keV and a dose in the range from 1015 to nx 1018 / cm2.
  • inert gas ions preferably nitrogen ions, or noble gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer.
  • a method for producing a contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals of groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) deposited on a substrate by chemical or physical vapor deposition is characterized in that the structure of the layer is modified by particle bombardment .
  • Layers of chalcogenides of transition metals have very low sliding friction coefficients, but have a relatively high contact resistance R K , so that they are not well suited as a contact material. Surprisingly, however, it has been found that the values for the contact resistance R K can be reduced by up to three orders of magnitude if the structure of the chalcogenide layers is modified during or after application to a substrate, which is advantageously achieved by particle bombardment, preferably by ion implantation can be.
  • This effect is not based on doping the layer material with foreign ions, as it is e.g. is known from semiconductor technology.
  • the reduction in the contact resistance of the layers according to the invention also results from bombardment with ions from elements which are generally not used for doping purposes, e.g. Noble gas or inert gas ions. It can be assumed that the improvement in the electrical conductivity or the reduction in the contact resistance of chalcogenide layers is a result of structural changes in the layers after particle bombardment. After bombardment with e.g. high-energy ions were found in studies on layers produced in the context of the present invention, an increase in the density of the layers by up to 40%.
  • the particle bombardment is carried out while the layer is being applied.
  • layers of greater thickness preferably a layer thickness in the range from 0.1 to 10 ⁇ m
  • layers of greater thickness can be modified in their structure, for which purpose advantageously low-energy ions with an implantation energy in the range from 0.5 keV to 100 keV and a dose in the range from 1015 to nx 1018 / cm2, preferably a dose in the range from 3 x 1015 to 1016 / cm2.
  • the particle bombardment is carried out after the layer has been applied.
  • This method is particularly suitable if layers of smaller thickness, preferably in the range from a monolayer to 2 ⁇ m, are to be modified in their structure.
  • This is advantageously carried out by implantation of higher-energy ions with an implantation energy in the range from 50 keV to 400 keV and a dose in the range from 1015 to n x 1018 / cm2, preferably a dose in the range from 3 x 1015 to 1016 / cm2.
  • inert gas ions preferably nitrogen ions, or noble gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer.
  • the chalcogenide layer is produced by cathode sputtering, the deposition process advantageously being supported by a magnetic field, that is to say using a magnetron.
  • the chalcogenide layers can also be deposited using other methods known for depositing thin or thick layers.
  • chemical vapor deposition such as plasma-assisted deposition from the gas phase, reactive cathode sputtering, plasma-assisted deposition from the gas phase, vapor deposition, ion plating processes with a high bias on the substrate or ionization should be considered here of the layer material to be deposited in the arc, optionally in a reactive gas phase from, for example Hydrogen sulfide gas or sulfur in the gas phase.
  • contact materials are provided which do not require any precious metals, from which contacts of any confi guration can be produced and which have particularly low sliding friction coefficients, even in a vacuum, which is very favorable for the production of, for example, contacts which are to be exposed to mechanical sliding or grinding stress.
  • a particular advantage of the contact materials according to the invention and the contact layers produced from them is that their contact resistance is undesirably increased less than in the case of contacts made of pure base metals due to an external layer resistance as a result of the formation of foreign or cover layers by, for example, oxidizing action of the surrounding medium.
  • the layers according to the invention show a particularly good adhesive strength on steel substrates; intermediate layers that improve adhesion are not necessary here.
  • cathode sputtering process which is preferably provided for the production of the chalcogenide layers
  • ion implantation process which is preferably provided for the structural change of the chalcogenide layers
  • chalcogenides of the transition metals titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten come into consideration, which need not be stoichiometric chalcogenides.
  • Implantation parameters for argon Layer thickness 0.43 ⁇ m: Implantation energy 150 keV dose 3x 1015 / cm2 Implantation energy 400 keV dose 1x 1016 / cm2 Implantation parameters for nitrogen: Layer thickness 0.11 ⁇ m: Implantation energy 150 keV dose 1x 1016 / cm2 Layer thickness 0.43 ⁇ m: Implantation energy 100 keV dose 1x 1016 / cm2 Implantation energy 150 keV dose 3x 1015 / cm2 Implantation energy 150 keV dose 1x 1016 / cm2
  • argon or nitrogen ions e.g. silicon or hydrogen ions can also be implanted in the chalcogenide layers.
  • the implantation parameters can be determined without difficulty by the person skilled in the art in the context of the present method.
  • the table below shows the values for the coefficient of friction ⁇ and the values for the contact resistance R K before and after ion implantation for different chalcogenide layers.
  • the values for the respective contact resistance were measured using a gold counter electrode.

Abstract

Contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals of the groups IVa to VIa of the Periodic Table of Elements (PTE) on a substrate, the structure of the layer being modified by particle bombardment, and a process for the production of such a contact material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff in Form einer Schicht aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals from groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) on a substrate and a method for its production.

Die spezifischen Einsatzbedingungen elektrischer Kontakte und die daraus resultierenden Werkstoffanforderungen haben zur Folge, daß für die meisten Kontaktsysteme vorzugsweise Kontaktwerkstoffe auf Edelmetallbasis eingesetzt werden. Der technische Fortschritt, insbesondere in der Elektronik und Elektrotechnik, erfordert nun eine Bereitstellung von Edelmetallen in ständig steigenden Mengen, der nur ein be­grenztes und stark rückläufiges Aufkommen an Edelmetallen auf dem Weltmarkt gegenübersteht. Der Einsatz und die Wei­terentwicklung von Kontaktwerkstoffen sind deshalb vor allem bestimmt von der Notwendigkeit zur Substitution von Edelmetallen, was durch Herabsetzung des Legierungs­anteils, durch geometrische Minimierung des Kontaktvolu­mens und durch Entwicklung neuer Kontaktwerkstoffe, die ohne Edelmetalle auskommen, erreicht werden kann. Aus die­sem Grund werden heute z.B. Kontaktwerkstoffe auf Basis hochschmelzender Metalle wie Wolfram, Molybdän und Rhenium eingesetzt, die sich neben ihren hohen Schmelzpunkten durch hohe Härte und Festigkeit auszeichnen, was eine hohe Verschleiß- und Abbrandfestigkeit der aus ihnen herge­stellten Kontakte zur Folge hat. Mit dem Einsatz von rei­nen hochschmelzenden Metallen als Kontaktwerkstoff sind jedoch gewisse Probleme verbunden.The specific operating conditions of electrical contacts and the resulting material requirements mean that contact materials based on precious metals are preferably used for most contact systems. Technological progress, particularly in electronics and electrical engineering, now requires the provision of precious metals in ever increasing quantities, which is only offset by a limited and sharply declining volume of precious metals on the world market. The use and further development of contact materials are therefore primarily determined by the need for substitution of precious metals, which can be achieved by reducing the proportion of alloys, by geometrically minimizing the contact volume and by developing new contact materials that can do without precious metals. For this reason, contact materials based on high-melting metals such as tungsten, molybdenum and rhenium are used today, which are characterized not only by their high melting points, but also by high hardness and strength, which results in a high wear and erosion resistance of the contacts made from them. However, there are certain problems associated with the use of pure refractory metals as the contact material.

Reine Wolframkontakte sind im Hinblick auf ihre Strombe­lastbarkeit infolge der geringen elektrischen Wärmeleitfä­higkeit nur begrenzt einsetzbar, außerdem ist Wolfram ge­genüber Sauerstoff oberhalb einer Temperatur von 400 °C unbeständig und es bilden sich beim Schalten an Luft oxi­dische Fremdschichten, die zu einem Fremdschichtwiderstand und damit zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes füh­ren. Für eine sichere Kontaktgabe sind deshalb Kontakt­kräfte von wenigstens 1 N erforderlich, oder es ist eine reibende Betätigung der Kontakte vorzusehen. Die Her­stellung des Ausgangshalbzeugs für Wolframkontakte erfolgt pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern von Pulver, aufgrund der geringen Duktilität und der hohen Festigkeit ist die mechanische Bearbeitung von Wolfram jedoch schwie­rig.
Molybdän erreicht, bedingt durch seine physikalischen Ei­genschaften, nicht die herausragenden Kontakteigenschaften von Wolfram. Es wird als billigeres Metall jedoch für solche Fälle bevorzugt, die den Einsatz von Wolfram nicht unbedingt erforderlich machen.Pure tungsten contacts can only be used to a limited extent with regard to their current carrying capacity due to the low electrical thermal conductivity, in addition, tungsten is unstable to oxygen above a temperature of 400 ° C and when switching in air, oxidic foreign layers are formed which lead to an external layer resistance and thus to an increase of the contact resistance. Contact forces of at least 1 N are therefore required for reliable contacting, or frictional actuation of the contacts must be provided. The starting semi-finished product for tungsten contacts is produced by powder metallurgy by pressing and sintering powder, however, because of the low ductility and the high strength, the mechanical processing of tungsten is difficult.
Due to its physical properties, molybdenum does not achieve the excellent contact properties of tungsten. However, it is preferred as a cheaper metal for those cases that do not necessarily require the use of tungsten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktwerk­stoffe auf Basis von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des PSE bereitzustellen, aus denen auf wirtschaftliche Weise Dünn- und Dickschichtkontakte beliebiger Konfigura­tion herstellbar sind, die die oben genannten Nachteile nicht aufweisen und die den besonderen Vorzug haben, daß sie sehr niedrige Gleitreibungskoeffizienten aufweisen.The invention has for its object to provide contact materials based on transition metals of groups IVa to VIa of the PSE, from which thin and thick-film contacts of any configuration can be produced economically, which do not have the disadvantages mentioned above and which have the particular advantage that they have very low sliding friction coefficients.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifiziert ist.This object is achieved in that the structure of the layer is modified by particle bombardment.

Nach vorteilhaften Weiterbildungen des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung sind die Chalkogenide, vorzugsweise der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram, aus den Chalkogenen Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildet, wo­bei vorteilhafterweise in die Chalkogenid-Schicht Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 0,5 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n x 10¹⁸/cm² implantiert sind. Nach weiteren vorteilhaften Ausgestal­tungen des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung sind Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, oder Edelgas­ionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert.According to advantageous developments of the contact material according to the invention, the chalcogenides, preferably the transition metals titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten, are formed from the chalcogens sulfur, selenium and / or tellurium, advantageously in the chalcogenide layer is implanted with an implantation energy in the range from 0.5 keV to 400 keV and a dose in the range from 10¹⁵ to nx 10¹⁸ / cm². According to further advantageous configurations of the contact material according to the invention, inert gas ions, preferably nitrogen ions, or noble gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes in Form einer durch Chemical oder Physical Vapour Deposition auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht aus Chalkogeni­den von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) ist dadurch ge­kennzeichnet, daß die Struktur der Schicht durch Teilchen­beschuß modifiziert wird.A method for producing a contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals of groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) deposited on a substrate by chemical or physical vapor deposition is characterized in that the structure of the layer is modified by particle bombardment .

Schichten aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen besitzen sehr niedrige Gleitreibungskoeffizienten, weisen jedoch einen relativ hohen Kontaktwiderstand RK auf, so daß sie als Kontaktwerkstoff nicht gut geeignet sind. Überraschen­derweise wurde jedoch gefunden, daß die Werte für den Kon­taktwiderstand RK um bis zu drei Größenordnungen ver­ringert werden können, wenn die Struktur der Chalkogenid-­Schichten während oder nach Aufbringen auf ein Substrat modifiziert wird, was vorteilhafterweise durch einen Teil­chenbeschuß, vorzugsweise durch Ionenimplantation, er­reicht werden kann.Layers of chalcogenides of transition metals have very low sliding friction coefficients, but have a relatively high contact resistance R K , so that they are not well suited as a contact material. Surprisingly, however, it has been found that the values for the contact resistance R K can be reduced by up to three orders of magnitude if the structure of the chalcogenide layers is modified during or after application to a substrate, which is advantageously achieved by particle bombardment, preferably by ion implantation can be.

Dieser Effekt beruht nicht auf einer Dotierung des Schichtmaterials mit Fremdionen, wie es z.B. aus der Halb­leitertechnologie bekannt ist. Die Verringerung des Kon­taktwiderstandes der erfindungsgemäßen Schichten ergibt sich auch bei Beschuß mit Ionen von Elementen, die gemein­hin nicht zu Dotierungszwecken eingesetzt werden, z.B. Edelgas- oder Inertgasionen. Es kann angenommen werden, daß die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit oder die Herabsetzung des Kontaktwiderstandes von Chalkogenid-­Schichten eine Folge von Strukturveränderungen der Schich­ten nach einem Teilchenbeschuß ist. Nach einem Beschuß mit z.B. hochenergetischen Ionen zeigte sich bei Untersuchun­gen an im Rahmen der vorliegenden Erfindung hergestellten Schichten eine Erhöhung der Dichte der Schichten um bis zu 40 %.This effect is not based on doping the layer material with foreign ions, as it is e.g. is known from semiconductor technology. The reduction in the contact resistance of the layers according to the invention also results from bombardment with ions from elements which are generally not used for doping purposes, e.g. Noble gas or inert gas ions. It can be assumed that the improvement in the electrical conductivity or the reduction in the contact resistance of chalcogenide layers is a result of structural changes in the layers after particle bombardment. After bombardment with e.g. high-energy ions were found in studies on layers produced in the context of the present invention, an increase in the density of the layers by up to 40%.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ge­mäß der Erfindung wird der Teilchenbeschuß während des Aufbringens der Schicht durchgeführt. Für diesen Fall er­gibt sich der Vorteil, daß auch Schichten größerer Dicke, vorzugsweise einer Schichtdicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm, in ihrer Struktur modifiziert werden können, wozu vor­teilhafterweise niederenergetische Ionen einer Implan­tationsenergie im Bereich von 0,5 keV bis 100 keV und ei­ner Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n x 10¹⁸/cm², vorzugs­weise einer Dosis im Bereich von 3 x 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm², eingesetzt werden.According to an advantageous development of the method according to the invention, the particle bombardment is carried out while the layer is being applied. In this case, there is the advantage that layers of greater thickness, preferably a layer thickness in the range from 0.1 to 10 μm, can be modified in their structure, for which purpose advantageously low-energy ions with an implantation energy in the range from 0.5 keV to 100 keV and a dose in the range from 10¹⁵ to nx 10¹⁸ / cm², preferably a dose in the range from 3 x 10¹⁵ to 10¹⁶ / cm².

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ver­fahrens gemäß der Erfindung wird der Teilchenbeschuß nach Aufbringen der Schicht durchgeführt. Dieses Verfahren ist besonders geeignet, wenn Schichten geringerer Dicke, vor­zugsweise im Bereich von einer Monolage bis 2 µm, in ihrer Struktur modifiziert werden sollen.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the particle bombardment is carried out after the layer has been applied. This method is particularly suitable if layers of smaller thickness, preferably in the range from a monolayer to 2 μm, are to be modified in their structure.

Vorteilhafterweise erfolgt dies mittels Implantation von höherenergetischen Ionen einer Implantationsenergie im Be­reich von 50 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n x 10¹⁸/cm², vorzugsweise einer Dosis im Be­reich von 3 x 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm².This is advantageously carried out by implantation of higher-energy ions with an implantation energy in the range from 50 keV to 400 keV and a dose in the range from 10¹⁵ to n x 10¹⁸ / cm², preferably a dose in the range from 3 x 10¹⁵ to 10¹⁶ / cm².

Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung werden Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, oder Edelgas­ionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert.According to advantageous developments of the invention, inert gas ions, preferably nitrogen ions, or noble gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer.

Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Chalkogenid-Schicht durch Ka­thodenzerstäubung hergestellt, wobei der Abscheidungspro­zess vorteilhafterweise Magnetfeld-unterstützt, also unter Einsatz eines Magnetrons, durchgeführt werden kann. Die Chalkogenid-Schichten können jedoch auch mittels anderer Verfahren, die zum Abscheiden von dünnen oder dicken Schichten bekannt sind, abgeschieden werden. Zu denken ist hier insbesondere an eine Abscheidung mittels Chemical Va­pour Deposition, wie Plasma-unterstützte Abscheidung aus der Gasphase, an reaktive Kathodenzerstäubung, an Plasma-­unterstützte Abscheidung aus der Gasphase, an Aufdampfver­fahren, an Ionenplattierungsverfahren mit einer hohen Vor­spannung am Substrat oder an eine Ionisierung des abzu­scheidenden Schichtmaterials im Lichtbogen, gegebenenfalls in einer reaktiven Gasphase aus z.B. Schwefelwasserstoff­gas oder Schwefel in der Gasphase.According to further advantageous embodiments of the method according to the invention, the chalcogenide layer is produced by cathode sputtering, the deposition process advantageously being supported by a magnetic field, that is to say using a magnetron. However, the chalcogenide layers can also be deposited using other methods known for depositing thin or thick layers. In particular, chemical vapor deposition, such as plasma-assisted deposition from the gas phase, reactive cathode sputtering, plasma-assisted deposition from the gas phase, vapor deposition, ion plating processes with a high bias on the substrate or ionization should be considered here of the layer material to be deposited in the arc, optionally in a reactive gas phase from, for example Hydrogen sulfide gas or sulfur in the gas phase.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­sondere darin, daß Kontaktwerkstoffe bereitgestellt wer­den, die keine Edelmetalle benötigen, aus denen auf wirt­schaftlich günstige Weise Kontakte beliebiger Konfi­ guration hergestellt werden können und die besonders nie­drige Gleitreibungskoeffizienten, auch im Vakuum, aufwei­sen, was für die Herstellung von z.B. Kontakten, die einer mechanischen Schiebe- oder Schleifbeanspruchung ausgesetzt werden sollen, sehr günstig ist.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktwerk­stoffe und der aus ihnen hergestellten Kontaktschichten ist, daß ihr Kontaktwiderstand weniger als bei Kontakten aus reinen unedlen Metallen durch einen Fremdschichtwider­stand infolge Ausbildung von Fremd- oder Deckschichten durch z.B. oxidierende Einwirkung des umgebenden Mediums in unerwünschter Weise erhöht wird.
Die erfindungsgemäßen Schichten zeigen eine besonders gute Haftfestigkeit auf Stahlsubstraten, haftverbessernde Zwi­schenschichten sind hier nicht erforderlich.
Ein weiterer erheblicher Vorteil aus ökonomischer Sicht ist darin zu sehen, daß sowohl der für die Herstellung der Chalkogenid-Schichten vorzugsweise vorgesehene Kathoden­zerstäubungsprozeß als auch der für die Strukturverände­rung der Chalkogenid-Schichten vorzugsweise vorgesehene Ionenimplantationsprozeß mit kommerziell erhältlichen Ma­schinen ausführbar ist.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that contact materials are provided which do not require any precious metals, from which contacts of any confi guration can be produced and which have particularly low sliding friction coefficients, even in a vacuum, which is very favorable for the production of, for example, contacts which are to be exposed to mechanical sliding or grinding stress.
A particular advantage of the contact materials according to the invention and the contact layers produced from them is that their contact resistance is undesirably increased less than in the case of contacts made of pure base metals due to an external layer resistance as a result of the formation of foreign or cover layers by, for example, oxidizing action of the surrounding medium.
The layers according to the invention show a particularly good adhesive strength on steel substrates; intermediate layers that improve adhesion are not necessary here.
Another significant advantage from an economic point of view is that both the cathode sputtering process, which is preferably provided for the production of the chalcogenide layers, and the ion implantation process, which is preferably provided for the structural change of the chalcogenide layers, can be carried out with commercially available machines.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be­schrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert.Exemplary embodiments of the invention are described below and their mode of operation explained.

Zur Ausbildung der Chalkogenid-Schichten kommen Chalkoge­nide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vana­dium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram in Betracht, wobei es sich nicht um stöchiometrische Chalko­genide handeln muß. Es wurden z.B. dünne MoSx-Schichten mit x = 1,5 bis 2,1 in Schichtdicken im Bereich von 0,11 bis 0,43 µm im Hinblick auf ihre Gleitreibungskoeffizien­ten und ihre Kontaktwiderstände untersucht.For the formation of the chalcogenide layers, chalcogenides of the transition metals titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten come into consideration, which need not be stoichiometric chalcogenides. For example, thin MoS x layers with x = 1.5 to 2.1 in layer thicknesses in the range from 0.11 to 0.43 μm were examined with regard to their sliding friction coefficients and their contact resistances.

Als Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer MoS1,8-Schicht auf einem Substrat aus 100 Cr₆-Stahl mittels HF-Kathodenzerstäubung bei einer Leistung von 6 W/cm² beschrieben. Zur Herstellung von derartigen Schich­ten werden folgende Parameter eingesetzt:

  • 1. Ionenätzen des Substrates in einer Argonatmosphäre über eine Dauer von 10 min;
  • 2. MoS1,8-Abscheidung durch Kathodenzerstäubung eines Targets der Zusammensetzung MoS2,2 in einer Atmosphäre aus Argon eines Drucks von 3 x 10⁻² mbar.
Die Abscheidedauer betrug zur Herstellung einer 0,11 µm dicken Schicht 6 min, zur Herstellung einer 0,43 µm dicken Schicht 20 min.As an exemplary embodiment, the production of a MoS 1.8 layer on a substrate made of 100 Cr₆ steel by means of HF cathode sputtering at a power of 6 W / cm² is described. The following parameters are used to produce such layers:
  • 1. ion etching of the substrate in an argon atmosphere over a period of 10 min;
  • 2. MoS 1.8 deposition by sputtering a target of the composition MoS 2.2 in an atmosphere of argon at a pressure of 3 x 10⁻² mbar.
The deposition time was 6 minutes for producing a 0.11 μm thick layer and 20 minutes for producing a 0.43 μm thick layer.

Nach Beendigung des Abscheidungsprozesses wurden die erhaltenen Schichten unter Anwendung einer Hochstrom-­Ionenimplantationsanlage mit Argon- oder Stickstoffionen beschossen: Implantationsparameter für Argon: Schichtdicke 0,43 µm: Implantationsenergie 150 keV Dosis 3x 10¹⁵/cm² Implantationsenergie 400 keV Dosis 1x 10¹⁶/cm² Implantationsparameter für Stickstoff: Schichtdicke 0,11 µm: Implantationsenergie 150 keV Dosis 1x 10¹⁶/cm² Schichtdicke 0,43 µm: Implantationsenergie 100 keV Dosis 1x 10¹⁶/cm² Implantationsenergie 150 keV Dosis 3x 10¹⁵/cm² Implantationsenergie 150 keV Dosis 1x 10¹⁶/cm² After the deposition process was completed, the layers obtained were bombarded with argon or nitrogen ions using a high-current ion implantation system: Implantation parameters for argon: Layer thickness 0.43 µm: Implantation energy 150 keV dose 3x 10¹⁵ / cm² Implantation energy 400 keV dose 1x 10¹⁶ / cm² Implantation parameters for nitrogen: Layer thickness 0.11 µm: Implantation energy 150 keV dose 1x 10¹⁶ / cm² Layer thickness 0.43 µm: Implantation energy 100 keV dose 1x 10¹⁶ / cm² Implantation energy 150 keV dose 3x 10¹⁵ / cm² Implantation energy 150 keV dose 1x 10¹⁶ / cm²

Anstelle von Argon- oder Stickstoffionen können z.B. auch Silicium- oder Wasserstoffionen in die Chalkogenid-Schich­ten implantiert werden. Die Implantationsparameter sind im Rahmen des vorliegenden Verfahrens vom Fachmann ohne Schwierigkeiten ermittelbar.Instead of argon or nitrogen ions e.g. silicon or hydrogen ions can also be implanted in the chalcogenide layers. The implantation parameters can be determined without difficulty by the person skilled in the art in the context of the present method.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Werte für den Rei­bungskoeffizienten µ und die Werte für den Kontaktwider­stand RK vor und nach einer Ionenimplantion für unter­schiedliche Chalkogenid-Schichten angegeben.
Die Werte für den jeweiligen Kontaktwiderstand wurden mittels einer Gegenelektrode aus Gold gemessen.

Figure imgb0001
The table below shows the values for the coefficient of friction µ and the values for the contact resistance R K before and after ion implantation for different chalcogenide layers.
The values for the respective contact resistance were measured using a gold counter electrode.
Figure imgb0001

Claims (25)

1. Kontaktwerkstoff in Form einer Schicht aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifiziert ist.1. contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals from groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) on a substrate,
characterized,
that the structure of the layer is modified by particle bombardment. 2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenide aus den Chalkogenen Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildet sind.2. contact material according to claim 1,
characterized,
that the chalcogenides are formed from the chalcogens sulfur, selenium and / or tellurium. 3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontaktwerstoff aus Chalkogeniden der Übergangs­metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram gebildet ist.3. contact material according to claim 1 or 2,
characterized,
that the contact material is formed from chalcogenides of the transition metals titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten. 4. Kontaktwerkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Chalkogenid-Schicht Ionen einer Implantations­energie im Bereich von 0,5 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵/cm² bis n x 10¹⁸/cm² implantiert sind.4. contact material according to at least one of claims 1 to 3,
characterized,
that ions of an implantation energy in the range from 0.5 keV to 400 keV and a dose in the range from 10¹⁵ / cm² to nx 10¹⁸ / cm² are implanted in the chalcogenide layer. 5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Chalkogenid-Schicht Ionen einer Implantations­energie im Bereich von 3 x 10¹⁵/cm² bis 10¹⁶/cm² implan­tiert sind.5. contact material according to claim 4,
characterized,
that ions of an implantation energy in the range from 3 x 10¹⁵ / cm² to 10¹⁶ / cm² are implanted in the chalcogenide layer. 6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert sind.6. contact material according to claim 4 or 5,
characterized,
that inert gas ions, preferably nitrogen ions, are implanted in the chalcogenide layer. 7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalko­genid-Schicht implantiert sind.7. contact material according to claim 4 or 5,
characterized,
that noble gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer. 8. Kontaktwerkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht eine Dicke im Bereich von ei­ner Monolage bis 10 µm hat.8. contact material according to at least one of claims 1 to 7,
characterized,
that the chalcogenide layer has a thickness in the range of a monolayer to 10 microns. 9. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 bis 2 µm, hat.9. contact material according to claim 8,
characterized,
that the chalcogenide layer has a thickness in the range of 0.1 to 10 microns, preferably 0.1 to 2 microns. 10. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes in Form einer durch Chemical oder Physical Vapour Deposition auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht aus Chalkogeni­den von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifi­ziert wird.10. A method for producing a contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals of groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) deposited on a substrate by chemical or physical vapor deposition on a substrate, according to claims 1 to 9,
characterized,
that the structure of the layer is modified by particle bombardment. 11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenbeschuß während des Aufbringens der Schicht durchgeführt wird.11. The method according to claim 10,
characterized,
that the particle bombardment is carried out during the application of the layer. 12. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenbeschuß nach Aufbringen der Schicht durchgeführt wird.12. The method according to claim 10,
characterized,
that the particle bombardment is carried out after application of the layer. 13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht durch Kathodenzerstäubung hergestellt wird.13. The method according to at least one of claims 10 to 12,
characterized,
that the layer is produced by sputtering. 14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kathodenzerstäubungsprozeß Magnetfeld-unterstützt durchgeführt wird.14. The method according to claim 13,
characterized,
that the sputtering process is carried out with magnetic field support. 15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenide aus den Chalkogenen Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildet werden.15. The method according to at least one of claims 10 to 14,
characterized,
that the chalcogenides are formed from the chalcogens sulfur, selenium and / or tellurium. 16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß Chalkogenide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram gebildet werden.16. The method according to claim 15,
characterized,
that chalcogenides of the transition metals titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten are formed. 17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 0,5 bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵/cm² bis n x 10¹⁸/cm² in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.17. The method according to at least one of claims 10 to 16,
characterized,
that ions with an implantation energy in the range from 0.5 to 400 keV and a dose in the range from 10¹⁵ / cm² to nx 10¹⁸ / cm² are implanted in the chalcogenide layer. 18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Dosis im Bereich von 3 x 10¹⁵/cm² bis 10¹⁶/cm² in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.18. The method according to claim 17,
characterized,
that ions of a dose in the range of 3 x 10¹⁵ / cm² to 10¹⁶ / cm² are implanted in the chalcogenide layer. 19. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 0,5 bis 100 keV in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.19. The method according to claims 11 and 18,
characterized,
that ions with an implantation energy in the range from 0.5 to 100 keV are implanted in the chalcogenide layer. 20. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 50 keV bis 400 keV in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.20. The method according to claims 12 and 18,
characterized,
that ions of an implantation energy in the range from 50 keV to 400 keV are implanted in the chalcogenide layer. 21. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.21. The method according to at least one of claims 17 to 20,
characterized,
that inert gas ions, preferably nitrogen ions, are implanted in the chalcogenide layer. 22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.22. The method according to at least one of claims 17 to 20,
characterized,
that noble gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer. 23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich einer Monolage bis 10 µm abgeschieden wird.23. The method according to at least one of claims 10 to 22,
characterized,
that the chalcogenide layer is deposited with a thickness in the range of a monolayer up to 10 microns. 24. Verfahren nach den Anspüchen 11 und 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm abgeschieden wird.24. Procedure according to claims 11 and 23,
characterized,
that the chalcogenide layer is deposited with a thickness in the range of 0.1 to 10 microns. 25. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich von einer Monolage bis 2 µm abgeschieden wird.25. The method according to claims 12 and 23,
characterized,
that the chalcogenide layer is deposited with a thickness in the range of a monolayer to 2 microns.
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