EP0327157B1 - Contact material and process of manufacturing it - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff in Form einer Schicht mit Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat, ein Verfahren zu dessen Herstellung, seine Verwendung für elektrische Kontakte und einen elektrischen Kontakt.The invention relates to a contact material in the form of a layer with chalcogenides of transition metals of groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PSE) on a substrate, a method for its production, its use for electrical contacts and an electrical contact.
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 noble metals are preferably used for most contact systems. Technological progress, especially 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 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.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, oxide 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 semifinished 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.
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.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.
Aus der US 3 482 202 ist bereits eine selbstschmierende Kontaktstruktur bekannt, die aus einem gut leitfähigen Substrat und einer selbstschmierenden Kontaktoberfläche besteht. Die Kontaktoberfläche ist ein Verbundwerkstoff aus einer sehr gut leitenden, metallischen Komponente und einer festen, schmierenden Komponente.From US 3,482,202 a self-lubricating contact structure is already known, which consists of a highly conductive substrate and a self-lubricating contact surface. The contact surface is a composite material made from a highly conductive, metallic component and a solid, lubricating component.
Die feste, schmierende Komponente ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Legierungen auf der Basis von Silber, sowie Kupfer und Legierungen auf der Basis von Kupfer.The solid, lubricating component is preferably selected from the group consisting of silver, alloys based on silver, and copper and alloys based on copper.
Die feste, schmierende Komponente ist vorzugsweise ausgewählt aus den Gruppen bestehend aus Graphit, Molybdänsulfid, Niobdisulfid, Niobdiselenid, Tantaldisulfid und Titanditellurid. Beispielsweise hatte die Kontaktoberfläche die Zusammensetzungen 92,8 % Ag, 7,2 % MoS₂ oder 95,6 % Ag, 4,4 % MoS₂ oder 97,7 % Ag, 2,3 % MoS₂.The solid, lubricating component is preferably selected from the groups consisting of graphite, molybdenum sulfide, niobium disulfide, niobium diselenide, tantalum disulfide and titanium ditelluride. For example, the contact surface had the compositions 92.8% Ag, 7.2% MoS₂ or 95.6% Ag, 4.4% MoS₂ or 97.7% Ag, 2.3% MoS₂.
Der Verbundwerkstoff wird durch Plasmaspritzen der Komponenten oder eines Komponentengemisches hergestellt. Dieser Verbundwerkstoff hat den Nachteil, daß die selbstschmierende Komponente sehr schlecht leitfähig ist und daß er relativ teuer ist.The composite material is produced by plasma spraying the components or a component mixture. This composite material has the disadvantage that the self-lubricating component is very poorly conductive and that it is relatively expensive.
Plasmaspritzen als Herstellungsverfahren für die obigen Verbundstoffe hat den Nachteil, daß das Verhältnis der beiden Komponenten in den gespritzten Schichten nur schwer konstant und reproduzierbar erhalten werden kann.Plasma spraying as a production process for the above composites has the disadvantage that the ratio of the two components in the sprayed layers can only be obtained with difficulty and in a reproducible manner.
Die EP-A-074630 offenbart Substrat/Deckschicht-Kombinationen, bei denen das Substrat aus einem Übergangsmetall der Gruppe IVa bis VIa des PSE bestehen kann und die Deckschicht aus dem zugehörigen Sulfid oder Selenid besteht. Diese Schichtwerkstoffe werden durch in situ-Reaktion des Substratmetalls mit einer chalkogenhaltigen Phase hergestellt. Es werden jedoch keine Hinweise auf einen Modifizierung der Struktur der Deckschichten zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit gegeben. Es findet sich auch kein Hinweis auf die Notwendigkeit einer Leitfähigkeitsverbesserung.EP-A-074630 discloses substrate / cover layer combinations in which the substrate can consist of a transition metal from group IVa to VIa of the PSE and the cover layer consists of the associated sulfide or selenide. These layer materials are produced by in-situ reaction of the substrate metal with a chalcogen-containing phase. However, there are no indications of a modification of the structure of the cover layers to improve the electrical conductivity. There is also no indication of the need to improve conductivity.
Im CANADIAN JOURNAL OF PHYSICS 46, (1968), 719 ff.,
Werden experimentelle Ergebnisse der Untersuchungen an den Metallen Ag, Au, Ti und W auf S. 721, SP. 1.z. 15-25, in 3 Fälle aufgeteilt. Im Fall (1) geht der Widerstand durch das Ionenbombardement kurzfristig zurück, steigt aber nach einiger Zeit wieder auf den ursprünglichen Wert. In den Fällen (2) und (3) steigt der Widerstand von Anfang an erheblich. Dies wird durch Schäden an der Schicht bzw. durchs Sputtern (Ablösen) der Schicht erklärt. Es ist daher ganz überraschend, daß bei den erfindungsgemäßen Schichten von Chalkogeniden der Übergangsmetalle aus der Gruppe IVa bis VIa durch den Teilchenbeschuß der Widerstand um mehrere Zehnerpotenzen sinkt und die Struktur der Schichten im Sinne einer Dichterhöhung verbessert wird.In the CANADIAN JOURNAL OF PHYSICS 46 , (1968), 719 ff.,
Are experimental results of the investigations on the metals Ag, Au, Ti and W on p. 721, SP. 1.z. 15-25, divided into 3 cases. In case (1), the resistance due to ion bombardment drops briefly, but rises again to the original value after some time. In cases (2) and (3), the resistance increases significantly from the start. This is explained by damage to the layer or by sputtering (detachment) of the layer. It is therefore quite surprising that in the layers of chalcogenides of the transition metals from group IVa to VIa according to the invention, the resistance drops by several powers of ten as a result of the particle bombardment and the structure of the layers improves in the sense of an increase in density becomes.
Die US-A-3482202 offenbart Kontakte mit einem beliebigen Substrat und einer selbstschmierenden Kontaktschicht, die ein Verbund aus einer sehr gut leitenden metallischen Komponenten und einer festen schmierenden Komponente ist. Die sehr gut leitende metallische Komponente wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Silber, Silberlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen. Die feste, schmierende Komponente wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe die besteht aus Graphit, Molybdändisulfid, Niobdisulfid, Niobdiselenid, Tantaldisulfid, Titanditellurid. Diese Entgegenhaltung wird als nächster Stand der Technik angesehen, weil sie Kontaktschichten aus verschiedenen Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppe IVa bis Vb offenbart auf einem beliebigen Substrat und sich diese Entgegenhaltung bereits die Aufgabe stellt, Kontaktwerkstoffe bereitzustellen, die neben sehr niedrigen Gleitreibungskoeffizienten auch relativ niedrige Werte für den Kontaktwiderstand aufweisen.US-A-3482202 discloses contacts with any substrate and a self-lubricating contact layer, which is a composite of a highly conductive metallic components and a solid lubricating component. The highly conductive metallic component is preferably selected from the group consisting of silver, silver alloys, copper and copper alloys. The solid, lubricating component is preferably selected from the group consisting of graphite, molybdenum disulfide, niobium disulfide, niobium diselenide, tantalum disulfide, titanium ditelluride. This citation is considered to be the closest prior art because it discloses contact layers of various chalcogenides from transition metals of group IVa to Vb on any substrate and this citation already has the task of providing contact materials which, in addition to very low sliding friction coefficients, also have relatively low values for have the contact resistance.
Die GB-A-2056177 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktwerkstoffen auf der Basis von binären und ternären Legierungen von Cu, W, Mo, Ag, Cr, Ge, usw. Vorzugsweise werden Kupferlegierungen verwendet. Die Legierungsbildung erfolgt durch Ionenimplantation von bekannten Legierungsmaterialien wie Cr, Fe, Zr, Ti, V, Ge, Co, Si, Ni, Ta, W, Mo und deren Kombinationen. Auch hier wird jedoch der elektrische Widerstand der Ursprungsschichten durch die Ionenimplantation heraufgesetzt und nur dadurch, daß durch die Ionenimplantation die Bildung von sehr dünnen Legierungsschichten auf dem Kupfer möglich ist, wird die Leitfähigkeit des Kupfers nur wenig beeinflußt. Nach Seite 1 Zeile 27 bis Seite 2 Zeile 1 ist die Verwendung von Material mit schmierenden Eigenschaften ausdrücklich ausgeschlossen. Aus dieser Entgegenhaltung entnimmt der Fachmann weder, daß Chalkogenide der Übergangsmetalle der Nebengruppen IVa bis VIa als Kontaktwerkstoffe besonders geeignet sind, noch daß die Struktur von aus diesen Chalkogeniden hergestellten Schichten durch Teilchenbeschuß modifiziert werden kann, um den Kontaktwiderstand um mehrere Größenordnungen zu verringern.GB-A-2056177 discloses a method for producing contact materials based on binary and ternary alloys of Cu, W, Mo, Ag, Cr, Ge, etc. Preferably copper alloys are used. Alloy formation takes place by ion implantation of known alloy materials such as Cr, Fe, Zr, Ti, V, Ge, Co, Si, Ni, Ta, W, Mo and their combinations. Here too, however, the electrical resistance of the original layers is increased by the ion implantation and only because the ion implantation enables the formation of very thin alloy layers on the copper does the conductivity of the copper have little effect. According to page 1 line 27 to page 2 line 1 is the use of material with lubricating properties expressly excluded. From this document, the person skilled in the art does not infer that chalcogenides of the transition metals from subgroups IVa to VIa are particularly suitable as contact materials, nor that the structure of layers produced from these chalcogenides can be modified by particle bombardment in order to reduce the contact resistance by several orders of magnitude.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktwerkstoffe mit Chalkogeniden der 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 niedrige Kontaktwiderstände mit sehr niedrigen Gleitreibungskoeffizienten verbinden.The invention has for its object to provide contact materials with chalcogenides of transition metals of groups IVa to VIa of the PSE, from which thin and thick film contacts of any configuration can be produced in an economical manner, which do not have the disadvantages mentioned above and which have the particular advantage that they combine low contact resistances with 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.
Für den Kontaktwerkstoff 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.For the contact material according to the invention, the chalcogenides, preferably the transition metals, are titanium, Zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten, formed from the chalcogens sulfur, selenium and / or tellurium, advantageously with ions of an implantation energy in the range of 0.5 keV to 400 keV in the chalcogenide layer and a dose in the range of 10¹⁵ to nx 10¹⁸ / cm² are implanted. 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 from 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 very suitable 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 »m, 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 also 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 of 10¹⁵ to nx 10¹⁸ / cm², preferably a dose in the range of 3 x 10¹⁵ to 10¹⁶ / cm², are used.
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 »m, 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 done 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 refinements of the method according to the invention, the chalcogenide layer is produced by 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 the deposition of 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 processes, ion plating processes with a high bias on the substrate or ionization are to 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 Konfiguration 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 which can be achieved with the invention consist in particular in that contact materials are provided which do not require any precious metals, from which contacts of any configuration can be made in an economically advantageous manner 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 due to the formation of foreign or cover layers due to, 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.
A further 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 »m 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 can be considered, 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 »m 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.
- 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.
Nach Beendigung des Abscheidungsprozesses wurden die erhaltenen Schichten unter Anwendung einer Hochstrom-Ionenimplantationsanlage mit Argon- oder Stickstoffionen beschossen:After the deposition process was completed, the layers obtained were bombarded with argon or nitrogen ions using a high-current ion implantation system:
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 » 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.
The values for the respective contact resistance were measured using a gold counter electrode.
Claims (23)
- A contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals of the groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PTE) on a substrate, characterized in that the structure of the layer is modified by particle bombardment.
- A contact material as claimed in claim 1, characterized in 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 n x 10¹⁸/cm² are implanted in the chalcogenide layer.
- A contact material as claimed in Claim 2, characterized in that ions in a dose ranging from 3 x 10¹⁵/cm² to 10¹⁶/cm² are implanted in the chalcogenide layer.
- A contact material as claimed in Claim 2 or 3, characterized in that inert gas ions, preferably nitrogen ions, are implanted in the chalcogenide layer.
- A contact material as claimed in Claim 2 or 3, characterized in that rare gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer.
- A contact material as claimed in at least one of the Claims 1 to 5, characterized in that the chalcogenide layer has a thickness in the range from one monolayer to 10 »m.
- A contact material as claimed in Claim 6, characterized in that the chalcogenide layer has a thickness in the range from 0.1 to 10 »m, preferably 0.1 to 2 »m.
- A method of manufacturing a contact material in the form of a layer of chalcogenides of transition metals of the groups IVa to VIa of the Periodic Table of the Elements (PTE) deposited on a substrate by chemical or physical vapour deposition, as claimed in Claims 1 to 7, characterized in that the structure of the layer is modified by particle bombardment.
- A method as claimed in Claim 8, characterized in that the particle bombardment is carried out during the provision of the layer.
- A method as claimed in claim 9, characterized in that the particle bombardment is carried out after the provision of the layer.
- A method as claimed in at least one of the claims 8 to 10, characterized in that the layer is manufactured by cathode sputtering.
- A method as claimed in claim 11, characterized in that the cathode sputtering process is carried out with the support of a magnetic field.
- A method as claimed in at least one of the Claims 6 to 10, characterized in that ions having an implantation energy in the range from 0.5 to 400 keV and a dose in the range from 10¹⁵/cm² to n x 10¹⁸/cm² are implanted in the chalcogenide layer.
- A method as claimed in Claim 13, characterized in that ions in a dose in the range from 3 x 10¹⁵/cm² to 10¹⁶/cm² are implanted in the chalcogenide layer.
- A method as claimed in Claims 9 and 14, characterized in that ions having an implantation energy in the range from 0.5 to 100 keV are implanted in the chalcogenide layer.
- A method as claimed in Claims 10 and 14, characterized in that ions having an implantation energy in the range from 50 keV to 400 keV are implanted in the chalcogenide layer.
- A method as claimed in at least one of the claims 13 to 16, characterized in that inert gas ions, preferably nitrogen ions, are implanted in the chalcogenide layer.
- A method as claimed in at least one of the claims 13 to 18, characterized in that rare gas ions, preferably argon ions, are implanted in the chalcogenide layer.
- A method as claimed in at least one of the Claims 8 to 18, characterized in that the chalcogenide layer is deposited in a thickness in the range from a monolayer to 10 »m.
- A method as claimed in Claims 9 and 19, characterized in that the chalcogenide layer is deposited in a thickness in the range from 0.1 to 10 »m.
- A method as claimed in Claims 10 and 19, characterized in that the chalcogenide layer is deposited in a thickness in the range from a monolayer to 2 »m.
- The use of a contact material as claimed in claims 2 to 7 for electric contacts.
- An electric contact comprising a contact material as claimed in Claims 1 to 7.
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