KR100762346B1

KR100762346B1 - 디엘씨층 시스템 및 이러한 층 시스템을 제작하기 위한 방법

Info

Publication number: KR100762346B1
Application number: KR1020027013744A
Authority: KR
Inventors: 마슬러오를로; 페드라찌니마우로; 볼라브크리스챤; 에버를휴버트; 그리쉬케마틴; 미힐러토르스텐
Original assignee: 오씨 외를리콘 발처스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2007-10-02
Also published as: EP1362931A1; WO2001079585A1; EP1362931B9; DE10018143B4; JP2004501793A; PT1362931E; DE50011775D1; JP4849759B2; EP1362931B1; DE10018143A1; ES2244870T3; BR0017216A; US20080311310A1; EP1362931B2; ATE299956T1; US20100018464A1; US20040219294A1; DE10018143C5; US6740393B1; US20040038033A1

Abstract

본 발명은 마모 및 침식을 방지하고 슬라이딩 성질 등을 향상시키기 위한 층 시스템을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 층 시스템은 기판상에 배열되는 접착층, 상기 접착층상에 배열되는 전이층 및 다이아몬드 유사 탄소로 제조된 외부층을 포함한다. 상기 접착층은 주기율표상의 4번, 5번 및 6번 아족 원소들로 이루어진 그룹 중 적어도 하나의 원소 및 실리콘을 포함한다. 상기 전이층은 다이아몬드 유사 탄소 및 앞서 언급한 그룹중 적어도 하나의 원소로 이루어지고, 상기 외부층은 실질적으로 다이아몬드 유사 탄소로 이루어진다. 상기 층 시스템은 15 GPa 이상, 바람직하게는 20 GPa 이상의 경도, 및 VDI 3821, 시트 4에 따른 3HF 이상의 접착력을 가진다.

층 시스템, 다이아몬드 유사 탄소, 슬리핑 성질, 마모방지, 침식방지

Description

디엘씨층 시스템 및 이러한 층 시스템을 제작하기 위한 방법{DLC LAYER SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING SAID LAYER SYSTEM}

본 발명은 청구항 제 1항에 따른 층 시스템 및 제 21항에 따른 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항 제 2항 내지 제 22항, 제 22항 내지 제 25항에 개시되어 있고, 또한 명세서, 실시예 및 도면에도 기재되어 있다.

매우 견고하고 우수한 슬리핑(slipping) 특성을 갖고 있는 다이아몬드-유사 탄소 층(Diamond-like carbon layers; DLC layers)의 우수한 특성과 이에 대한 세계적인 연구 활동에도 불구하고, 보다 실질적인 층 두께(>1㎛)의 경우에서 조차도 일반적인 마모방지 응용에 있어서 산업적으로 이용하기에 충분한 층 접착력을 갖고 있으며, 또한, 이들을 생산하기 위한 고주파(high-frequency; HF) 공정을 수행하지 않기에 충분하고 그리고 이와 같은 공정과 연관된 많은 어려움들을 직면하지 않을 수 있을 만큼 충분한 전도성을 갖는 어떠한 순수 DLC 층을 제작하는 가능성이 아직까지 제시되지 못하였다.

일반적인 마모 방지 응용중에서 기계 제작과 연관된 응용으로서, 슬라이딩 마모(sliding wear), 피팅(pitting), 냉결합(cold bonding) 등에 대한 보호와 관련된 응용, 특히 서로 연관되어 이동하는 기계 부분, 예를 들면, 기어 휠(gear wheels), 펌프(pump) 및 주형다이(컵) 램(moulding die(cup) rams), 피스톤 링(piston rings), 주입 니들(injection needles), 완전 베어링(complete bearings) 또는 이들 각각의 구성 부품, 및 다양한 기타의 것들에 대한 보호와 연관된 응용들이 행해질 수 있을 뿐만 아니라, 치핑(chipping) 또는 냉작업(cold working)에 사용되는 도구들을 보호하기 위한 물질 가공 섹터 및 다이 캐스팅에서의 응용들도 일반적인 마모 방지 응용으로 행해질 수 있다.

마모 방지와 연관된 이러한 다방면의 응용 가능성 이외에도, 또한, DLC 층들이 사용될 수 있는 또 다른 매우 유망한 분야인 부식 방지에 관하여 본 발명에 간략하게 언급되어 있다.

높은 내부 압력 및 이와 관련되어 보다 문제되는 접착성을 갖는 순수 DLC 층은, 특히, 매우 높은 압력이 가해진 표면의 마모를 방지해야 하는 경우, 오늘날 많은 응용들에 대해 불충분한 두께로 증착될 수 있거나, 또는 다른 원소들, 예를 들면, 그들의 성질을 변형시키는 실리콘, 다양한 금속들, 플루오린(fluorine)들을 혼합시켜 변형되어야 한다. 그러나, 상기 방법으로 얻어진 층내 압력의 감소 및 결과적으로 접착성의 개선은 항상 견고함의 손상과 관련이 있었고, 특히, 이것은 마모 방지 적용시, 종종 코팅된 대상의 사용가능한 수명에 나쁜 영향을 미칠 것이다.

흑연탄소(graphitic carbon) 및/또는 금속의 혼합물 또는 금속성 탄화물(metallic carbides) 및 탄소로서 이러한 물질들을 포함하는 런닝-인층(running-in layers)의 부가적인 증착은 고려될 수 없다. 왜냐하면, 런닝-인 효과를 얻기 위해 요구되는 최소 지지층 두께는 보다 유해한 내부 압력을 증가시킬뿐만 아니라, 순수한 탄소층에 문제되는 접착성을 공급한다. 그러나, 매우 견고한 탄소 또는 다이아몬드층의 결합과 슬리핑 또는 여기에 증착된 런닝-인 층이, 예를 들면, 현대적인 자동차 엔진에 사용되는 부품을 제조하기 위한 요구를 만족시킬 수 있는 것은 이러한 형xo의 층 시스템뿐이다.

견고한 DLC층의 높은 전기적 저항때문에, 오늘날 일반적으로 사용되는 DLC층의 제작을 위한 플라즈마에 바탕을 둔 공정은 종종, 특히, 13.56MHz의 산업적인 주파수에서 HF 바이어스 또는 플라즈마(여기서 HF, 즉 고주파수란 10MHz 보다 높은 주파수를 의미함)를 이용하여 코팅 동안에 전하의 교란을 증가시키는 것을 피하려고 한다. 상기 기술의 알려진 단점은 HF 과잉 스파크, 코팅된 기판의 안테나 효과 그리고 여기에 결합된 코팅된 물질들간의 상대적으로 큰 최소 거리를 피하기 위하여 높은 비용을 피하거나 또는 조절(HF 자동제어, 발송 효과 등)하기에 어려움이 있는 전기적으로 민감한 공정 조절 유니트와 간섭이 일어난다는 것인데, 이것은 코팅 챔버에 이용할 수 있는 공간과 지역의 최적 개발을 방해한다. 따라서, HF 공정이 사용될 때, 과도한 전하 밀도 또는 잘못된 기판/지지대 틈과 같은 요소들이 어두운 공간의 중복과 이차 플라즈마의 연속적인 생산을 유도하지 않도록 보장하기 위한 많은 주의가 요구된다. 상기 이차 플라즈마는 에너지 강하를 야기하고 따라서 플라즈마 발전기를 위한 부가적인 노력을 유도할 뿐만 아니라, 상기 국부적 플라즈마 집중은 종종 기판의 과열과 원하지 않는 층의 흑연화를 유도한다.

따라서, HF 공정에서 기판 전압은 다음 식에 따라 기판 표면에 의존한다.

U_S/U_E = C_E/C_S = (A_E/A_S)⁴

여기서 U는 전압(voltage)을, C는 정전용량(capacitation)을, A는 표면적을 의미하며, 아래첨자 S와 E는 각각 기판과 반대 전극(counter-electrode)을 의미한다. 기판 전압 U_S는 기판 면적 A_S가 증가됨에 따라 급격하게 줄어들 것이고, 이는 전력 손실의 실질적인 증가를 수반할 것이다. 결과적으로, 사용된 플라즈마 발전기의 정전용량에 따라서 최대 면적이 코팅될 수 있다. 그렇지 않다면, 시스템에 충분한 전력을 전할 수도 없고, 전위차(기판 전압)가 밀집되고 잘 접착된 층들을 보장하기 위해 필요한 이온 플레이팅 효과를 얻기에 충분히 높을 수 없다.

또한, HF 공정들이 사용될 때, 소위 매치박스(matchbox)와 같은 적절한 전기 회로망에 의한 공정 동안에 서로에게 발전기와 플라즈마 임피던스를 동역학적으로 구성하기 위하여 설비에 부가적인 장치를 도입하는 것이 대개 필요하다.

다음의 몇개 단락은 종래 알려진 다양한 공정들 및/또는 층 시스템의 간략한 내용을 기재하고 있다.

EP 87 836은 음극의 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착된 금속 성분들이 0.1-49.1% 할당된 DLC 층 시스템을 개시하고 있다.

DE 43 43 354 A1은 각각에서 티타늄과 질소가 연속적으로 표면 방향으로 감소되고, 티타늄 니트리드(titanium nitrides), 티타늄 카바이드(titanium carbides) 및 티타늄 보라이드(borides)로 이루어진 기계적 저항층(resisting layer)을 갖는 Ti 함유 다중층 시스템 및 탄소가 포함된 마찰-감소 표면층(friction-reducing surface layer)을 제조하는 공정을 개시하고 있다.

US 5 078 848에 기재된 DLC 층의 제조 공정은 펄스된 플라즈마 분출에 유용하다. 작은 출력부가 있는 재료로부터의 지향적인 입자 방사물 덕분에 이러한 공정들은 보다 큰 표면을 일정하게 코팅하기에 충분하다.

상기 공정들에 의해 제조된 다양한 CVD 공정들 및/또는 혼합된 SiDLC/DLC 층들은 다음에 기재하였다:

EP-A-651 069는 2 ~ 5,000의 교류 DLC 및 SiDLC 층들의 마찰-경감 마모 방지 시스템(friction-reducing wear protection system)을 개시하고 있다. 접착성을 개선시키기 위해 그들의 근처에 중간 Si 층과 SiC:H 과도 지역을 갖는 DLC 층의 증착을 위한 공정은 EP-A-600 533에 기재되어 있다. 마찬가지로 EP-A-885 983과 EP-A-856 592는 이러한 층들의 제조를 위한 다양한 공정들을 기재하고 있다. 예를 들면, EP-A-885 983에서는 직류 전압 또는 20-10,000 kHz 사이의 MF가 기판에 적용되는 동안 플라즈마는 직류에 의해 가열된 필라멘트(filament)에 의해 제조된다(MF = 중간 주파수는 1-10,000 kHz 사이의 주파수 범위를 의미함).

US 4 728 529는 HF 플라즈마를 이용하는 것에 의한 DLC를 증착하는 방법을 기재하고 있는데, 산소가 없는 하이드로카본(oxygen-free hydrocarbon) 플라즈마로부터 103-1 mbar 사이의 압력 범위에서 층이 형성되고, 만일 필요하다면, 불활성 기체 또는 수소가 첨가될 수 있다.

DE-C-195 13 614에 기재된 공정은 50-1000 Pa 사이의 압력 범위에서 보다 짧은 양성 펄스 기간으로 양극(bipolar) 기판 전압을 이용한다. 상기 공정으로 15-40 Gpa 사이의 경도와 10nm-10㎛ 사이 범위에 있는 층들의 증착을 얻을 수 있다.

독립적으로 코팅 플라즈마로 생산되는 기판 전압을 갖는 CVD 공정은 DE-A-198 26 259에 기재되어 있는데, 적용된 기판 전압은 바람직하게는 양극(bipolar)이지만, 다른 주기적으로 변형된 전압 또한 사용될 수 있다. 그러나, 상기 공정은 이중으로 제공되야 하기 때문에, 공정을 실행하기 위해서는 상대적으로 값이 비싼 전기 공급 유니트를 필요로한다.

또한, 양호한 슬리핑 특성을 갖는 탄소가 풍부한 덮개층(carbon-rich covering layer)과 종래의 경질층(hard-material layers)과의 조합을 제공하는 공정들은 오랜 시간 동안 알려져 왔다.

예를 들면, US 5,707,748은 금속 함유 경질층(TiN, TiA1VN, WC)과 흑연이 결합된 탄소(즉, sp² 혼성화된 탄소)의 함량이 증가된 경질이 다소 완화된 금속 탄화물층으로 이루어진 복합층을 기재하고 있다. 금속/탄소의 우수한 슬리핑 특성 및/또는 금속 탄화물/탄소(MeC/C)층을 제공하고 있는데, 이들은 바람직하게는 마찰력의 감소를 얻기위해 및/또는 덮여진 부분의 방어는 말할 것도 없이 그들이 접촉하고 있는 몸체를 방어할 때, 트리보시스템(tribosystem)에 사용되는 것이 바람직하다. 높은 탄소 성분을 갖고 있는 Me/C/C 층은 이러한 면에서 효과적임이 입증되었다. 이는, 탄소 입자의 전달이 전체 트리보시스템의 윤활 효과를 얻는 것을 가능하게 하는 반면에, 부드러운 덮개층은 런닝-인 효과를 생산하기 때문이다. 흑연 탄소를 포함하는 Me/C 또는 Me/C/C 층과 경질층 사이의 접착력이 향상된 금속 중간층을 갖는 유사 복합층이 WO 99-55929에 기재되어 있다.

따라서, 본 발명은 상당한 견고함과 우수한 접착력이 특징인 상대적으로 두꺼운 DLC 층 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 시스템은 HF 바이어스(bias)없이 증착되도록 하기 위해 충분히 높은 전기전도도를 갖고 있으며, 이에 따라, 가격이 낮아지고 산업적인 이용에 효과적인 공정과 장치를 이용할 수 있게 한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 적합한 공정과 적합한 장치를 이용하는 것이다.

상기 목적은 도면 1의 특성을 갖는 층과 도면 11에 따른 공정, 그리고 도면 30에 따른 장치에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들이 종속 특징부에 기재된다.

놀랍게도 특별히 우수한 슬리핑층과 원하는 경우 런닝인(running-in) 특성을 가지며 이로 인해 불량한 접착력이 없는 부가적인 층을 갖는 상대적으로 두꺼운 DLC가 제공될 수 있음이 밝혀졌다. 처음으로, 금속 탄소층의 우수한 슬리핑 특성과 DLC의 높은 견고함을 결합할 수 있게 되었다. 이것은 본 발명에 따른 DLC 층상에 슬리핑층을 증착하는 것으로 이루어질 뿐만 아니라, 공지의 DLC 층 및/또는 공지의 DLC 층 시스템 상에 슬리핑층을 증착하는 공정 중 하나를 사용하여서도 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 또한 우수한 접착성과 높은 마모 저항성을 갖는 DLC 및/또는 다이아몬드층을 제공하는 것인데, 이는 종래의 DLC 및/또는 다이아몬드층과 비교하여 개선된 슬리핑 특성 및 바람직하게는 런닝-인 특성을 갖게될 것이다. 이러한 DLC-슬리핑층 시스템은 마모 방지, 부식 방지 및 슬리핑 특성의 개선에 유리할 수 있으며, 이는 층 시스템에서 실현되기에 어려운 특성들을 원할 때 특별히 유리할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층 시스템의 제작을 위한 장치 및 공정을 이용하는 것이다.

본 발명에 따른, 상기 목적은 명세서의 첫번째 문단에 의해 해결된다.

층 시스템(Layer system)

본 발명에 따른, DLC 층 시스템은 다음의 층 구조를 갖는 층의 제작에 의해 얻어진다.

아족 IV, V 및 VI의 원소들과 실리콘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 갖는 접착층이 기판에 직접적으로 위치한다. 바람직한 것은 크롬 또는 티타늄(titanium)의 접착층인데, 이들은 본 발명의 이러한 목적에 특별히 적합하다.

상기층 다음에 바람직하게는 경사층으로 형성된 전이층이 존재하는데, 여기서 금속 함량은 기질 표면에 대한 오른쪽 각도 방향으로 갈수록 감소되는 반면에, 탄소 함량은 증가한다.

전이층은 탄소 및 접착층을 구성하는 원소들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 필수적으로 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 전이층은 수소를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 전이층과 접착층 모두는 외부 공기로부터 층에 유입된 원소들, 예컨대 본 공정에 사용된 아르곤(argon) 또는 크세논(xenon) 같은 불활성 기체의 원소들로 이루어진 피할 수 없는 불순물을 함유하고 있다.

전이층이 경사층의 형태로 증착될 때, 덮개층 방향으로의 탄소의 증가는 상이한 탄화물상(phases)의 증가 또는 자유 탄소의 증가에 의해 이루어질 수 있거나 또는 전이층의 금속상과 상기 상들을 혼합함으로써 이루어질 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 경사층 및/또는 전이층의 두께는 적합한 공정 경사(process ramps/slopes)를 설정하는 것에 의해 조절될 수 있다. 탄소 함량의 증가 및/또는 금속상의 감소는 지속적일 수도 있고 각각의 단계로 이루어질 수도 있으며, 전이층의 적어도 한 부분에서 금속과 탄소가 풍부한 일련의 각각의 층은 층의 변형을 더욱 감소시키는 것을 제공할 수 있다. 경사층을 형성하는 언급된 방법들에 의해서, 접착층 및 인접한 DLC층의 물질 특성들(탄력 계수, 구조, 등)이 실질적으로 지속적인 방법으로 서로 조화되며, 이러한 상황은 금속 또는 실리콘과 DLC 사이에 형성된 경계면을 따라서 형성한 크랙의 위험성을 제거한다.

층 패키지의 말단은 필수적으로 오직 탄소, 바람직하게는 수소만으로 구성되어 있는 층으로 이루어져 있는데, 접착층 및 전이층과 비교하여 역시 더 두껍다. 탄소와 수소 이외에, 상기 층은 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 기체를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 경우 다른 금속 원소들 또는 실리콘이 존재하지 않는 것이 필수적이다.

전체 DLC 층 시스템의 경도는 15 GPa 보다 높은 값으로 조절되며, 바람직하게는 10 Gpa 이상이다. 도달된 접착력은 VDI 3824 4장에 따르면 HF 3 이상이고, 바람직하게는 HF 2 이상이며, 구체적으로 HF 1이다. 눕(Knoop) 방법에 의해 측정된 경도는 0.1 N Last, 즉, HK 0.1에 대응되는 양이다: DLC 층의 표면 저항력은 20mm의 전극차를 갖고, δ= 10^-6Ω내지 δ= 5 ㏁, 바람직하게는 1 Ω내지 500 ㏀이다. 동시에, 고려할 사항으로 DLC 층은 DLC에 대해서는 낮고, 바람직하게는 핀(pin)/디스트(disk) 테스트에서 μ≤0.3인 전형적인 마찰 계수에 의해 구별될 것이다.

전체층 두께는 1㎛ 보다 두꺼우며, 바람직하게는 2㎛ 보다 두껍고, 여기서 접착층과 전이층은 0.05㎛ 내지 1.5㎛의 층 두께, 구체적으로 0.1㎛와 0.8㎛ 사이의 층 두께를 갖는 것이 바람직하다. 반면에, 덮개층은 0.5㎛와 20㎛ 사이의 두께, 구체적으로 1㎛와 10㎛ 사이의 두께를 갖는다.

덮개층의 수소 함량은 5 내지 30 원자%(atom%), 구체적으로 10 내지 20 원자%이다.

램(REM) 사진들은 본 발명에 따라 증착된 DLC 층 시스템이 분열된 표면을 갖고 있음을 보여주는데, 종래의 DLC 시스템과 비교하여 유리와 같은 무정형 구조를 갖고 있지는 않고, 미세한 나뭇결 구조를 갖고 있다. 여기서 나뭇결 크기는 바람직하게는 300mm 이하이며, 구체적으로 100mm 이하이다.

실질적 부하하의 마찰학적 테스트에서, 코팅(coating)은 예컨대 금속/탄소 층, 특히 WC/C 층과 같은 다른 DLC 층보다 몇배 더 긴 수명을 가지는 것으로 판명되었다. DLC 층이 장착된 내연 엔진의 주입 노즐에 있어서, 예컨대 가벼운 마모(wear)가 1000시간 후의 테스트에서 확인되는 반면, WC/C 층으로 코팅된 노즐은 바로 주기재까지 도달하는 표면의 실질적인 마모로 인하여 동일한 테스트에서 10시간 후에는 확인되지 않는다.

본 발명에 따른 DLC 층의 바람직한 층 조도(거칠기 정도; roughness)는 Ra = 0.01-0.04로서, 이 때 DIN으로 측정되는 Rz는 ＜ 0.8, 바람직하게는 ＜ 0.5이다.

상기 언급한 특성을 갖는 본 발명에 따른 층 시스템의 이점은 첫째로 산업생산에서 비교적 간단한 공정을 가능하게 하는 충분한 전도력이 제공되는, 대형 층 두께와 우수한 부착력의 성공적인 조합이다.

상기 층은 ＞ 15 GPa, 바람직하게는 ≥20 GPa의 재료 경도에도 불구하고, 그의 구조와 본 발명에 따른 공정 단계로 인하여, 분명히 향상된 부착력을 나타낸다. 종래의 층 시스템은 도핑(doping)을 통해 경도가 감소될 지라도 층 변형을 감소시키기 위하여 기능 층(DLC)의 도핑이 요구된다.

본 발명에 따른 층 분열 표면의 REM 사진은 부분적으로 바닷조개와 유사한 함몰을 갖는 부서지기 쉬운 무정형 층의 일반적인 분열을 갖는 종래 알려진 DLC 층과는 대조적으로 미세한 나뭇결 및 일직선의 분열 표면을 나타낸다. 상기 언급한 특성 프로파일을 갖는 층은, 예컨대, 자동차의 내연 엔진 및 기어에 사용되는 무겁게 로드된 펌프 또는 다이 홀더 피스톤(die holder piston)과 밸브 드라이브, 캠 및/또는 캠축의 코팅을 위해서 뿐만 아니라, 무겁게 로드된 톱니바퀴(gearwheel), 플런저(plunger), 펌프 스핀들(pump spindle) 및 양호한 슬리핑(slipping) 특성을 갖는 특히 경질이고 매끄러운 표면을 가지는데 필요한 다른 부품들의 보호를 위한, 기계 제조에서의 응용에 특히 적합하다.

도구 분야에서, 이들 층(높은 경도와 매우 매끄러운 표면을 가짐)은 비절단 작업(프레싱, 펀칭, 딥 드로잉(deep drawing)...)용 도구와 사출 성형 다이(injection moulding die)용 도구에 유리하게 사용될 수 있으며, 또한 비록 철물 가공시, 특히 높은 경도와 작은 마찰 계수가 요구되는 응용에 있어서 어떠한 제한을 받을지라도 절단 도구에 유리하게 사용될 수 있다.

DLC 층의 성장속도는 1-3㎛/h의 순서(order)이고, 전체 시스템의 층 압력은 약 1-4 GPa로, 경질 DLC 층의 통례의 범위 내이다. 상기에서 언급한 바와 같이, 컨덕턴스는 δ= 10^-6Ω와 δ= 5MΩ사이, 보다 바람직하게는 10^-3Ω와 δ= 500kΩ사이(이는 20 ㎜의 전극 차이를 갖는 표면 저항인 경우에 측정된 것임)로 될 것이다,

본 발명에 따라 증착된 DLC 시스템에서 얻어진 슬리핑 특성이 다른 경질재(hard material) 표면, 예컨대 경질 질화물 및/또는 탄화물 층 표면의 것보다 더욱 바람직할지라도, 상기 특성은 금속/탄소 층으로 실현될 수 있는 매우 작은 마찰 계수에 도달하지 못하고, 런닝-인 층(running-in layer)에 적합하지 않다.

만약 DLC 층 또는 DLC 층 시스템의 슬리핑 및/또는 런닝-인 층 특성이 더욱 형상된다면, 비교적 많은 비율의 흑연 탄소(graphitic carbon)를 포함하는 더 부드러운 슬리핑층도 적용시킴으로써 상기 시스템을 종결하는 것이 바람직하다. 상기 층은 본 발명에 따르지 않는 DLC 층 및 층 시스템, 특히 나노결정성 다이아몬드 층에 유용하게 적용될 수 있다.

본 명세서는, 이에 한정되지는 않으나, 상기 기술한 DLC 층 시스템과 그 위에 증착되는 슬리핑 층을 유용하게 구성할 수 있는 본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층 시스템에 대해 기술하고 있다. 놀랍게도, 매우 다른 구조의 슬리핑 층을 사용함으로써 슬리핑 및 런닝-인 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 매우 두꺼운 층임에도 불구하고, DLC- 슬리핑 층 시스템에 대한 DLC 층 시스템의 우수한 부착력을 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

본 발명에 따른 상기 기술된 DLC 층 시스템에 사용하는데 특히 적합한 마찰 감소 층(friction-reducing layer)의 바람직한 일 예로는 바람직하게는 흑연 층 구조에서 부가적인 금속 재료는 없지만 sp² 결합 비율이 증가되는 DLC 구조의 적용, 이로 인해 런닝-인 특성이 필요한 경우 커버링 층의 경도 감소 및 슬리핑 특성의 향상으로 구성된다.

슬리핑 층의 다른 바람직한 일 예로는 표면 방향으로 금속 함량이 증가하되, 탄소 함량은 감소하는 이차 역경사층을 형성함으로써 얻어질 수 있다. 금속 함량은 마찰 계수가 바람직한 낮은 수치에 도달될 때까지 증가된다. 바람직하게는 실리콘(silicon) 뿐만 아니라 (주기율 표의) 하위그룹 Ⅳ, Ⅴ 및 Ⅵ 중의 하나 이상의 금속들이 상기 용도로 사용된다. 특히 바람직한 금속은 크롬, 텅스텐(tungsten), 탄탈륨(tantalum), 니오븀(niobium) 및/또는 실리콘이다. 층의 금속양은 0.1 내지 50 원자%, 보다 바람직하게는 1 내지 20 원자%이다.

마찰 감소 층의 또 다른 바람직한 일 예로는 금속성 또는 탄화성 중간 층, 특히 크롬 또는 WC를 탄소 및 수소로만 구성된 층상에 증착시키고, 이를 다시 일차 경사층과 유사한 방법으로 형성된, 감소된 금속 함량과 증가된 탄소함량을 가지는 덮개층에 증착시킴으로써 제조될 수 있다. 이와 관련하여, 코팅 장치의 복잡성을 적당히 최소한으로 유지하기 위하여 일차 경사층에서와 동일한 금속성 원소 또는 원소들을 사용하는 것이 유리하지만 필수적이지는 않다. 여기서, 층의 금속 부분은 0.1 내지 50 원자%, 바람직하게는 1 내지 20 원자%이다.

놀랍게도 금속을 포함하는 슬리핑 층이 종래 수단에 의해 증착된 DLC 층에 적용되는 경우 조차, 명확한 성능의 향상을 야기하는데 특히 적합하다는 것이 밝혀졌다. 상기 시스템의 전체 부착성에 영향을 끼치는 영향이 작은 이유는 도입된 부가적인 층 압력이 작고 용이하게 조절될 수 있기 때문이다.

세 가지의 모든 가능성을 고려할 때, 층의 마모가 있다 할지라도 각각의 특정 응용에 적합한 층 특성(마찰 계수, 표면 장력, 습도 등)을 유지하고 층의 런닝-인을 가능하도록 하기 위해서, 불변의(즉, 일정한) 층 조성물을 말단 부분에 제공하는 것이 바람직하다는 것이 확인되었다.

사용되는 금속과 흑연 탄소의 잔여 초과에 의존하여, 마찰 계수는 μ= 0.01 내지 μ= 0.02로 조절될 수 있다(도면은 약 50% 습도의 표준 대기에서의 핀/디스크 테스트에 관한 것이다).

DLC 층의 경도는 15 GPa 이상의 수치가 바람직하며, 20 GPa 이상의 수치가 보다 바람직하다. 반면에, 보다 부드러운 말단 슬리핑층의 경도는 각각의 특정 경우에서 필요에 따라 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 층 시스템의 통합 수소 함량은 5 내지 30 원자%, 보다 바람직하게는 10 내지 20 원자% 이다.

층 조도(roughness)는 0.04 이하, 바람직하게는 0.01 이하의 Ra 수치 또는 0.8 이하, 바람직하게는 0.5 이하의 Rz_DIN 수치로 조정될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 DLC-슬리핑 층 시스템의 이점은 DLC 층의 우수한 슬리핑 작용과 비교할 때 한 등급(order)의 매그니튜드(magnitude)까지 향상된 슬리핑 특성과 DLC 층의 큰 경도의 조합으로 이루어진다. 예를 들어, 마찰 계수는 μ= 0.1 이하의 수치까지 감소될 수 있다. 또한, 초기 층의 감소 및 그와 접촉하는 본체(body)의 흑연 윤활(lubrication)로 인하여 처음으로 DLC 층에게 런닝-인 행위가 부여될 가능성이 있다. 이에 따라, 보호 코팅이 없을 때에도 다른 본체의 마모가 분명히 감소될 수 있다.

게다가, 상기 기술한 순수한 DLC 층 중의 하나를 사용하여 종래 사용된 경질재 층, 특히 아크 공정에 의해 증착된 층으로 조절될 수 있던 것보다 더 작은 Rz 또는 Ra 수치, 즉, 코팅된 표면의 더 작은 조도를 조절하는 것을 가능하게 할 수 있다. 특히 경질인 조도 피크로 인하여, 경질재와 슬리핑 층의 공지된 조합은, 특히 다른 본체가 경질층에 의해 보호된 그 자체가 아닐 경우, 트리보시스템(tribosystem)의 런닝-인 행위를 저지 및 방해하여 다른 본체 표면이 부분 또는 전체적으로 파괴될 수도 있다. 이는 예컨대 컵 플런저(cup plunger) 또는 다른 기어상의 티핑(tipping) 및 슬리핑 레버(lever)와 같은 높은 슬리핑 부품을 갖는 트리보시스템에서 특히 중요하다.

여기서 경질재와 슬리핑 층의 알려진 조합과 순수한 DLC 층 시스템을 비교할 때, DLC-슬리핑 층 시스템의 우수성은 여러 가지 적용에서 앞선다.

이들의 매우 높은 경도와 매우 미끄러운 표면 때문에, 상기 층은 도구 분야, 특히 절단 도구 이외에 비절단 작동(압축, 펀칭, 딥 드로잉...)과 사출 성형 다이용 도구에 유용하게 사용될 수 있으며, 철물의 가공시, 특히 한정된 런닝-인 효과와 결합하여 작은 마찰 계수가 필요할 때 특정 제한 요소에 영향을 받기 쉬운 경우에도 불구하고 절단 도구에 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 코팅된 드릴 비트(drill bit)를 이용하는 경우, 예컨대, 한번의 사용(단 하나의 홀(hole)) 후에 기계화 표면에서 연마 효과(polishing effect)가 관찰되어지며, 이는 예컨대, 깊은 홀을 뚫어야 할 경우 유리하다. 본 발명에 따라 코팅된 도구를 사용하면 비용이 많이 드는 기계화 표면의 후 연마를 피할 수 있다.

본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층은, 예컨대 아크 증발기(vaporizer)에 의해 증착된 종래 경질재와 슬리핑 층의 조합(예를 들면, TiAIN/WC/C)보다 더 매끄러운 표면으로 증착시킬 수 있으며, 예를 들면, 공지된 Ti-DLC // MoSx 층 조합보다 더욱 간단한 연속공정으로 통합될 수 있다.

공정

본 발명에 따른 DLC 층 시스템을 제조하기 위한 공정은 다음과 같은 특성에 의해 더욱 구별된다.

코팅될 부분을 PVD 공정에 적합한 공지 방법에 따라 세척하고, 홀더 장치에 장착시킨다. HF 공정과는 대조적으로, 필수적으로 1, 2 및 3- 정확한 수는 입자의 지오메트리(geometry)에 의존함-의 병렬 회전 축(parallel rotation axes)을 갖는 홀더 장치를 이 용도로 사용하는 것이 가능하며, 이것은 더 큰 로딩 밀도를 얻는 것을 가능하도록 한다. 코팅될 부분과 홀더 장치를 공정 챔버 내로 넣은 후, 10^-4 mbar, 바람직하게는 10^-5 mbar 이하의 출발 압력까지 펌핑(pumping) 하여 공정 순서를 시작시킨다.

공정의 첫 단계인 기판 표면 세척 단계는 예컨대 가열 공정으로서 수행되고, 이에 의해 기판 표면에 여전히 붙어있는 휘발성 물질들을 제거한다. 이를 위해, 상기 기판부의 양으로 바이어스된 홀더 장치와 공정에 인접한 이온화 챔버 내에 배열된 음으로 바이어스된 하나 이상의 필라멘트 사이에 고전류/저전압을 방전(discharge)시킴으로써 점화된, 불활성 가스 플라즈마를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 강한 전자 충격(electron bombardment)을 생성하여 기판부를 가열(heating)한다. 이와 관련하여 아르곤-수소 혼합물의 사용이 특히 바람직한데, 수소의 감소효과로 인해 기판부의 표면을 세척하는 효과를 나타내었기 때문이다. 고전류/저전압 방전은 공전 또는 국부적으로 가변인 이동형 자기장(magnetic field) 중 어느 하나로 조절될 수 있다. 상기 이온화 챔버 공간은 할로우 캐소드(hollow cathode) 또는 알려진 기타 이온 또는 전자 소스에 의해 얻어질 수 있다.

물론, 선택적으로 다른 가열 공정, 예컨대 방사선 가열 또는 유도 가열이 사용될 수도 있다.

기판부의 주재에 따라 특정화된 온도 수준에 도달된 후, 부가적인 또는 선택적인 세척 공정과정으로서 이온화 챔버와 보조 전극사이에서 저전압 아크를 점화함으로써 에칭 공정을 개시하는 것이 가능하며, 50-300V의 음극 바이어스 전압에 의하여 이온이 기판부 위에 생성된다. 상기 이온이 기판부 표면에 충격을 주어서 잔여 불순물이 제거되고, 이로써 깨끗한 표면을 얻게 된다. 공정 대기에는 아르곤과 같은 불활성 가스 이외에 수소가 포함될 수도 있다.

에칭 공정은, 바로 위에서 언급한 바와 같이, 바람직하게는 1 내지 10,000 kHz, 특히 20 내지 250 kHz 사이 내의 중주파(medium freqency) 바이어스를 사용하여 앞서 기술된 저전압 아크의 지지가 있거나 없는 펄스된 기판 바이어스 전압을 인가함으로써 수행될 수 있다.

기판에 DLC층 시스템의 부착을 보장하기 위해서는, 바람직하게는 금속성 접착 층, 특히 크롬 또는 티타늄으로 구성된 층이 공지된 PVD 또는 플라즈마-CVD 공정, 예컨대 아크 기화 또는 다양한 이온 플레이팅 공정에 의해, 그러나 바람직하게는 적어도 하나의 타켓에 대한 캐소드 스퍼터링(cathodic sputtering)에 의해 증착된다. 상기 증착은 음극(negative) 기판 바이어스 전압을 인가함으로써 지지된다. 이온 충격과 스퍼터 공정 동안에 그에 의해 영향을 받는 층 압축(compaction)은 플라즈마를 안정화 및/또는 강화시키기 위해 인가되는 병렬장 및/또는 자기장 내에서 작동되는 저전압 아크, 및/또는 기판에 DC 바이어스 전압의 인가 또는 기판과 공정 챔버 사이에 1 내지 10,000kHz, 특히 20 내지 250 kHz 범위의 중주파 바이어스를 인가시켜 추가로 지원될 수 있다.

접착층의 두께는 스퍼터링(sputtering) 또는 증착 시간과 주어진 설비의 특정 기하학적 구조를 유지하기 위한 전력을 선택하는 공지된 방법에 의해 조절된다.

설비의 기하학이 하기와 같은 경우, 예컨대 크롬은 아르곤 분위기 하에서 10^-4 내지 10^-3 mbar 사이의 압력, Ubias = -75 V의 기판 바이어스 및 약 8 kW의 전력으로 6분 주기로 - 유리하게 서로 반대로 배열된 - 2개의 타겟으로부터 스퍼터링된다.

본 발명은 접착층과 DLC-층 사이에 가능한 단계적인 전이를 보장하기 위하여 접착층을 증착한 다음에 전이층을 증착하였다.

접착층의 부품의 플라즈마-지지된 증착이 가스상으로부터 탄소의 증착을 수반하는 것과 같은 방식으로 전이층을 증착시켰다. 이때, 반응가스로서 탄소를 포함하는 가스, 바람직하게는 탄화수소, 특히 에틸렌을 사용하는 플라즈마-CVD 공정에 의해 행하는 것이 바람직하다.

중주파의 고유 "펄스된" 바이어스 전압은 전이층 증착 동안에 기판에 인가되어 자장을 중첩시킨다.

경사층을 형성하기 위한 바람직한 방법을 얻기 위하여, 전이층이 증착됨에 따라 증착된 탄소 비율을 증가시킨다. 이 과정은 결국 실질적으로 순수 탄소가 증착될 때까지 연속적으로 또는 단계적으로 수행될 수 있다.

상기 공정의 본 단계에서 다이아몬드 유사 탄소층이 가스상으로부터 플라즈마-CVD 증착에 의해 제조된다. 이때, 반응 가스로서 탄소를 포함하는 가스, 바람직하게는 탄화수소 가스, 특히 에틸렌이 이용된다. 상기 공정이 수행되는 동안, 기판 바이어스 전압은 유지되고 중첩된 자기장은 계속해서 작용한다.

삭제

바람직한 실시예에서, 다이아몬드 유사 탄소를 갖는 전이층(transition layer)과 덮개층(covering layer)을 형성하기 위하여 탄소를 증착하는데 사용되는 반응 가스는 탄소를 포함하는 가스 및 수소와 불활성 가스가 포함된 가스, 바람직하게는 아르곤(argon)과 크세논(xenon)으로 이루어질 수 있다. 상기 공정 챔버에서 압력은 10^-4 내지 10^-2mbar로 설정한다.

다이아몬드-유사 탄소로부터 덮개층을 증착하는 공정동안에 불활성가스 특히, 아르곤의 비율이 감소하는 반면, 탄소를 함유한 가스의 비율은 바람직하게 증가될 것이다.

접착층(adhesion layer), 전이층 및 덮개층의 증착을 위한 공정 단계 동안에, 특히 전이층 및 덮개층을 형성하는 동안 기판에 인가되는 바이어스 전압(biasing voltage)은 중주파(medium-frequency) 범위가 1 내지 10,000kHz, 바람직하게는 20 내지 250kHz로 펄스된, 중첩된 AC 또는 펄스 또는 변조된 직류전압, 특히 단극(음극) 또는 양극(bipolar) 기판 바이어스 직류전압(direct voltage, DC)일 수 있다. 이와 같은 목적으로 사용된 펄스 형태는 긴 음극 및 짧은 양극 펄스 주기 또는 긴 음극 및 낮은 양극 진폭(amplitudes)을 인가하는 방법으로 예를 들어, 사인곡선(sinusoidal), 직사각형(rectangular) 또는 톱니 형태와 같이 대칭적인 형태이거나 또는 비대칭적인 형태일 수 있다.

이외에, 전체 코팅 공정동안에는 일정한 장 라인 패턴(uniform field line pattern)을 가지는 직선 자기장(longitudinal magnetic field)이 인가될 수 있다. 이때, 자기장은 연속적으로 또는 단계적으로 측면 및/또는 공간적으로 변할 수 있어야 한다.

접착층의 증착을 위하여 DC바이어스가 사용될 때, 중주파 발전기는 홀더 장치에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 발전기는 사인곡선(sinusoidal) 또는 다른 몇 가지의 양극(bipolar) 또는 단극 신호 패턴의 형태로 발전기의 전압 펄스(전력 공급의 변동으로 인한 조절도 가능하지만, 바람직하지 않다)를 송신한다. 진폭 전압이 100 내지 3000V, 바람직하게는 500 내지 2500V 사이인 반면에, 상기에서 이용된 주파수 범위는 1 내지 10,000kHz, 바람직하게는 20 내지 250kHz가 된다. 바람직하게는 기판 전압의 변경은 특히, 직류 및 중주파 전압의 송신을 위해 디자인된 발전기의 스위칭(switching)에 의해 수행될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 중주파 전압은 에칭공정(etching process)과 접착층의 증착을 수행하기 위해서 기판에 인가될 수 있다. 양극 기판 전압(bipolar substract voltage)이 사용될 때, 특히 비대칭 펄스 형태로 이용하는 것이 바람직하다 : 예를 들면, 상기 양극 펄스는 음극 펄스에 비해 보다 짧은 주기 동안 또는 보다 작은 양의 전압으로 인가될 수 있다. 그 이유로는 상기 전자들이 보다 빠르게 상기 장을 따르고 주어진 작은 질량으로 충돌하여 기판들의 부가적인 열을 생산하고, 이는 특히, 온도-민감성 기재 물질의 경우에 과열로 인한 손상을 유도할 수 있기 때문이다. 비록 다른 신호 패턴을 사용할 경우에도, 이러한 위험은 소위 "오프 타임(OFF-time)"을 제공하는 것에 의해, 즉 전원 구성요소("ON-time")에 단일 또는 복수 개의 신호주기의 인가 사이에 제로 신호(zero signal)를 삽입시키는 것에 의해 억제될 수 있다.

DC 바이어스가 접착층의 증착을 위해 사용되는 경우 중주파의 인가 또는 그 이후의 어떤 지연(delay)과 함께 동시에, 또는 중주파가 사용되는 경우 접착층에 대해 요구되는 층 두께의 증착 이후에, 탄화수소 가스, 바람직하게는 아세틸렌이 단계적으로 또는 바람직하게는 연속적으로 증가하는 유속으로 수용기(recipient)로 진입하게 된다. 또한, 동시에 또는 서로 다른 가능한 지연된 시간에, 적어도 하나의 금속 또는 실리콘 타겟의 전력이 단계적으로 또는 연속적으로 감소된다. 이와 관련하여, 타겟의 전력을 중독 현상 없이 안정된 작동이 여전히 가능하고 당업자에 의해 도달된 탄화수소 유속에 따라서 용이하게 결정할 수 있는 최소 전력으로 감소시키는 것이 바람직하다. 그 다음으로, 적어도 하나의 타겟이 바람직하게는 이동가능한 방식으로 배열된 하나 이상의 차폐물(shields)에 의해 공정 챔버로부터 차단되고, 스위치 오프된다. 이와 같은 수단은 실질적으로 타겟이 DLC 층으로 커버되는 것을 방지하고, 이로써 개별적인 DLC 코팅 전하 사이에 필수적인 자유 스퍼터링(free sputtering)이 없이도 이를 수행하는 것이가능하다. 다음의 전하가 전달될 경우, 타겟 표면이 완전히 블랭크(blank)가 되어 접착층의 증착에 적합하도록 하기 위하여 차폐물이 폐쇄되어 있는 동안 적어도 하나의 타겟 전력을 회복시키면 충분할 것이다.

직선 자기장의 형성은 본 발명에 따른 DLC 코팅 공정의 안정화에 중요한 기여를 한다. 접착층의 증착을 위한 종래의 공정단계에서 사용되지 않았다면, 상기 기판 전압이 중주파 발전기로 전환될 때 상기 장(field)이 실질적으로 확립될 수 있다. 상기 자기장은 공정 챔버 내의 자기장 라인 패턴(field line pattern)이 가능한 일정하게 되도록 설계된다. 이를 위해 2개의 전자기 코일에서 기원이 동일한 자기장을 생성하여 코일을 서로 강화하는 것과 같은 방법으로 상기 최종 전류를 2개의 반대 면에 위치한 필수적인 공정 챔버의 한계를 결정하는 2개의 전자기 코일에 통과시키는 것이 바람직하다. 작은 공정 챔버를 사용할 때는 한 개의 코일을 가지고도 적절한 효과를 획득할 수 있다. 상기 방법에서, 상당한 챔버 부피 이상의 분포가 일정한 중주파 플라즈마를 수득할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 특정의 기하학적 및 전자기적인 한계 조건이 충족될 때 코팅된 부분 및/또는 홀더 장치의 기하학적 구조 차이로 인하여 2차 플라즈마가 단일 케이스에서 형성될 수 있다. 이는 코일 전류가 일치되거나 또는 바람직하게는, 대립되도록 변형을 목적으로 하는 2차적 및 공간적 변성 자기장의 형성에 의해 억제될 수 있다. 예를 들어, 처음에 일차 코일을 통한 전류 흐름은 이차 코일에서의 전류에 비해 120초 동안 더 높게 유지될 수 있다. 다음 90초 동안, 상기 전류값이 역전되고, 이차 자기장이 일차 자기장 보다 더 강하게 된다. 상기 자기장의 설정은 상기에서 기술한 바와 같이 연속적으로 또는 단계적으로 주기적으로 변화되고, 안정적인 2차 플라즈마의 형성은 각각의 코일 전류의 적절한 선택에 의해 회피될 수 있다.

상기 자기장의 사용과 그 결과 획득된 플라즈마 강도의 상당한 증가로 인해 종래 기술과는 반대가 되는 낮은 압력 범위에서도 예를 들어, 10^-3 내지 10^-2 mbar의 압력에서도 0.5 내지 5μm/hr, 바람직하게는 1 내지 4μm/hr의 높은 증착율로 순수한 DLC 층이 증착될 수 있는 안정적인 CVD 공정을 수행할 수 있다. 기판 전류와 플라즈마 강도는 자기장의 활성과 직접적으로 비례한다. 또한, 상기 두 파라미터는 바이어스 전압이 인가되는 이용 가능한 기판의 크기에 의해 결정된다. 보다 낮은 공정 압력을 사용하여 보다 적은 수의 증가 오류(growth error)를 발생시키고 이질적 요소의 간섭으로 인한 공해를 감소시키면서도 더욱 부드러운 표면 증착이 가능하게 된다.

공정 파라미터를 제외하고, 증가율은 로딩된 물질과 홀더 장치에 의해 결정된다. 이와 관련하여, 상기 코팅된 부분이 하나, 둘 또는 세 개의 회전축이 구비된 자기 홀더 장치에 고정되었는지(fixed) 또는 클램프로 고정되었는지(clamped) 또는 플러그 되었는지(plugged)의 여부가 특히 중요하다. 홀더 장치의 총 질량과 플라즈마 투과성은 중요하며, 예를 들어 더욱 가볍게 제작된 홀더 장치(built holder devices), 예를 들어, 풀 디스크(full disks) 대신에 스포크 디스크(spoke disks)를 사용함으로써 더욱 빠른 증가율과 보다 우수한 품질의 층이 수득될 수 있다.

전체 공정 챔버를 투과하는 직선 자기장(원거리장, far field) 이외에, 다른 국소 자기장-소위 근거리장(near field)-이 보다 증가된 플라즈마-강화 자기장(plasma-intensifying magnetic field)을 획득하기 위하여 제공될 수 있다. 이와 관련하여 -적어도 하나의 타겟의 적어도 하나의 마그네트론 자기 시스템(magnetron magnet system) 이외에 - 또한 추가의 바람직한 영구자석 시스템이 적어도 하나의 마그네트론 자기 시스템과 유사하거나 또는 동일한 자기 효과(magnetic effect)를 가지는 플라즈마 챔버의 한계를 규정하는 벽(walls)에 부착되는 배열이 특히 바람직하다. 이와 관련하여 모든 마그네트론 자기 시스템 또는 추가의 마그네트론 자기 시스템은 동일한 구조로 제공되거나 또는 바람직하게는, 극성이 반전된 구조로 제공될 수 있다. 상기 방법에서 공정 챔버를 감싸고, 이로써 공정 챔버의 벽(walls)을 통한 자유 전자의 흡수를 방지하는 자기 엔벨롭(envelope)인 것처럼 자기 시스템 및/또는 마그네트론 자기 시스템의 개별적인 근거리장의 형성이 가능하다.

본 발명에 따른 공정의 필수적인 특성의 결합만으로 상기에서 상술한 층의 생산이 가능하다. 자기장에 의해 안정된 플라즈마의 사용과 적합하게 배열된 기판 바이어스 전압의 사용만으로 높은 패킹 밀도 및 공정 확실성을 가지는 통상적인 PVD 공정을 위해 최적화된 홀더 장치의 사용을 가능하게 한다. 상기 공정은 직류 전류와 중주파 플라즈마의 순서 및/또는 조합이 어떻게 DLC 층의 증착을 위한 최적 방법에서 사용될 수 있는지를 보여준다.

상이한 슬리핑층(slipping layer)의 제조를 위해 상이한 공정이 사용된다.

흑연화된 DLC 층(graphitized DLC layer)을 증착하는 경우, 순수한 DLC층을 증착한 다음 연속적으로 또는 단계적으로 전압이 2000V 이상, 바람직하게는 2000 내지 2500V로 바이어스 전압을 설정한다-주어진 파라미터 설정은 동일하거나 또는 유사하다-. 또한, 전압의 증가에 따라, 흑연 sp²를 가지는 탄소원자 비율이 증가한다. 상기 방법에서 향상된 슬리핑 특성(slipping properties)을 특히 간단한 방법으로 상기의 순수한 DLC층에 부여할 수 있다.

역경사층(inverse gradient layer)이 증착될 수 있는 다양한 방법이 있다. 가장 간단한 경우로, 상기 공정은 하나 이상의 금속 또는 금속 탄화물을 첨가하는 것 외에는 상기 DLC층에 사용된 파라미터를 유지하는 것에 의해 개시될 수 있다. 그러나, 가스 흐름의 탄화수소 성분의 감소 또는 불활성 가스 성분의 증가 또는 상기 두 예방법 모두를 사용하여, 따라서 타겟 오염을 방지하고 결과적으로 불안정한 공정 조건을 방지하여 시작하는 것이 바람직하다고 판명되었다. 또한, 처음에 차폐된 상태로 유지된 차폐물 뒤에서 타겟을 개시하는 것이 기판에 작은 방울이 도달하는 것을 방지함에 있어 바람직하다. 그 후에 적어도 하나의 타겟의 전력은 단계적, 또는 바람직하게는 연속적으로 층이 바람직한 특성(마찰계수 등)을 갖는 수치까지 증가된다. 나머지 파라미터는 바람직하게 변경되지 않지만, 임의로 부가적인 조절은, 아무 때나 가능하다. 상기 공정은 바람직한 역경사층의 전체 두께가 수득될 때까지 일정한 파라미터 설정하에 지속된다.

층의 특성 특히, 경도와 마찰계수에 영향을 주기 위하여 예를 들어: 모노-(mono-) 또는 디실란(disilane), 실록산(siloxane), 헥사메틸디실록산 (hexamethyldisiloxane), 헥사메틸디실라젠(hexamethyldisilazane), 디메틸-디에톡시실란(dimethyl-diethoxysilane), 테트라메틸실란(tetramethylsilane) 등과 같은 실리콘 또는 실리콘과 산소 또는 질소를 포함하는 가스를 -상기 탄화수소에 첨가하거나 그 대신에- 도입함으로써 역경사층의 형성을 위한 보다 바람직한 가능성은 수득될 수 있다. 상기 방법에서, 예를 들어, 표면 방향으로 실리콘, 산소 및/또는 질소 함량이 증가되는 -하나 또는 그 이상의 스퍼터 타겟의 부가적인 사용없이도- 경사층(gradient layer)의 수득이 가능하다.

경사 덮개층(gradient covering layer)으로서 슬리핑층은 DLC층에 직접적으로 증착되거나 또는 금속 또는 카바이드 전이(중간물)층의 증착 후에 증착될 수 있다.

예를 들어, 마찰-감소 덮개층의 제조를 위해 사용된 적어도 하나의 재료는 상기에서 상술한 바와 유사한 방법에 사용될 수 있지만, 공정 가스의 탄소 함량의 보다 현저한 감소 후에 필요한 경우 0%까지 감소시킨 후에 사용될 수 있다. 카바이드 또는 금속 타겟은 마찰 감소 덮개층의 제조를 위해 사용될 수 있다. 카바이드 타겟은 보다 많은 전체 탄소 함량을 부여하고, 이로 인해 보다 저항성을 가지는 층을 제조할 수 있는 이점이 있다. 흑연 탄소의 함량은 램프 기능에 의해 -MeC/C층의 생산을 위해 사용된 타겟의 스위칭 순간으로부터 또는 적절히 지연되어- 가스 흐름이 바람직하게 증가될 탄소를 함유한 반응 가스의 도입에 의해 다시 한번 설정되고, 코팅의 최종시의 특정 주기동안 일정하게 유지된다.

상기 층의 특히 바람직한 실시예는 예를 들어, WC층과 같은 얇은(0.01-0.9μm) 카바이드층(carbidic layer)이 DLC층에 먼저 증착될 때 수득된다. 본 발명자들은 카바이드층은 이미 증착된 DLC 층상에 양호한 접착력을 보장하기에 특히 적합함을 발견하였다. 상기 층의 구조는 탄소함량이 증가되고 약 0.1-0.5㎛ 두께를 가지는 WC/C층에 의해 외면 상에서 종결된다. 바람직하게, MeC/C층의 두께는 순수한 DLC층에 비해 보다 작게 선택된다.

본 발명에 따른 DLC-슬리핑층 시스템의 보다 바람직한 실시예는 최종 슬리핑 층이 -예를 들어- 높은 전류/낮은 전압 방전 또는 핫 필라멘트 기술(hot filament technique)에 의해 증착된 다이아몬드층에 증착되는 경우에 얻어진다.
플랜트

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또한 상기의 목적은 10 내지 26 특징중 하나의 특징에 따른 코팅방법을 수행하기 위한 장치를 이용함으로써 해결되며, 상기 장치는 진공챔버내에 진공을 발생시키기 위한 펌프 시스템을 갖춘 진공챔버, 코팅될 기판을 수용하기 위한 기판수용장치, 공정 가스를 공급하고 조절하는 적어도 하나의 가스공급유닛, 증착용 코팅물질을 제공하기 위한 적어도 하나의 증발장치, 저-전압 d.c. 아크를 점화시키기 위한 아크 발생장치, 기판 바이어스 전압 발생 장치 및 자기장 형성을 위한 적어도 하나의 자기장 발생장치를 포함한다.

상기 자기장 발생장치는 적어도 하나의 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 바람직하게는 한 쌍의 헬름홀츠 코일로 구성되는 것이 바람직하다.

헬름홀츠 코일이 사용되는 경우, 자기장 및/또는 자력선속 밀도는 코일내 전류 흐름에 의해 위치와 시간에 따라 조절될 수 있다.

두 개의 마그네트론이 수용체의 반대편에 배열되어 있고, 이들 각각이 적어도 하나의 전자기 코일과 연결되어 있을 경우 직선 자기장의 발생이 또한 가능하다. 각 마그네트론과 연결된 적어도 하나의 코일은 실질적으로 마그네트론 자기 배열의 전체 측면범위를 결정하는 방식으로 부착되면 유리하다. 마주보는 마그네트론 자기 시스템들의 극성은 완전히 반대가 되도록 배향된다, 즉, 한 시스템의 북극은 다른 시스템의 남극을 향하고, 그 반대의 경우도 마찬가지로 배향된다. 동시에, 헬름홀츠 배열에 따라서 자기코일 필드들이 서로를 보충하여 폐쇄 자기장을 이루고, 마그네트론 자기 시스템들의 외부 폴 및 자기 코일들의 극성이 동일한 방향으로 작용하는 방식으로 마그네트론과 연결된 코일들이 전류원에 연결된다. 이와 같은 장치들은 플라즈마-CVD 공정중에 마그네트론 플라즈마를 증대시키고, 이온화를 증가시키는데 유용하게 사용될 수 있다.

상기 장치는 증착된 기판 바이어스 전압을 연속적으로 또는 단계적으로 조정할 수 있고, 또한 적절한 단극 또는 양극 방식으로 작동될 수 있는 기판 바이어스 전압을 제조하기 위한 장치를 추가로 포함한다. 상기 장치는 중주파 범위에서 펄스된 기판 바이어스 전압을 생성시키는데 특히 적당하다.

상기 장치와 함께 사용된 증발장치는 스퍼터(sputter) 타겟, 특히 마그네트론 스퍼터 타겟, 아크 소스, 열증발기 등을 포함한다. 이와 관련하여 상기 증발장치가, 예를 들면, 선회 차폐물(shield)에 의해서 가공챔버의 잔여물로부터 분리될 수 있는 것이 바람직하다.

상기 장치에는 가열단계를 통해 기판이 세척되도록 하기 위하여, 유도 가열, 방사 가열 등과 같은 형태를 취할 수 있는 기판 가열이 바람직하게 제공된다. 그러나, 상기 목적을 위하여 플라즈마 점화가 바람직하다.

결국 다른 것들과의 사이에서, 상기 장치에는 아노드(anode)와 직류 전압 공급뿐만 아니라, 이온화 챔버 내에서 필라멘트, 바람직하게는 특히 텅스텐, 탄탈 또는 이와 유사한 것으로 만들어진 내화성의 필라멘트를 가진 이온 공급처를 포함하는 저전압 아크 생성 장치가 제공된다. 바람직하게는 직류 전압 공급의 양극(positive pole)은 아노드(anode) 또는 기판 홀더 장치에 선택적으로 연결될 수 있을 것이므로, 저전압 아크는 이온 소스와 아노드(anode) 사이 또는 이온 소스와 기판 사이에서 점화되어질 수 있다. 증발기와 유사하게 이온 소스는 예를 들어, 텅스텐, 탄탈 또는 이와 유사한 내화성 금속으로 제조된 격판(diaphragm)에 의하여 실질적인 공정 챔버로부터 분리될 수 있다.

기판의 모든 면에서 균일한 코팅 공정을 가능하게 하기 위하여, 기판 홀더 장치는 이동의 방법(mobile manner)으로 장착되고, 바람직하게 적어도 하나 이상의 축을 중심으로 회전할 수 있다.

중주파, 측면에 설치된 두개의 맞은 편의 타겟을 싸고 있는 코일에 의하여 역시 실현될 수 있는, 중주파 기판 접압 공급장치 및 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)의 바람직한 조합 때문에, 낮은 압력에서도 공업적 규모로 DLC공정을 수행하기 위한 안정한 중주파 플라즈마를 이용하는 것이 처음으로 가능하게 되었다. 다른 시스템에 의해 생산된 DLC 층과 비교할 때, 상기 방법으로 생산된 층은 매우 향상된 특성을 가지고 있다.

본 명세서에서 기술된 코팅 설비와 상기의 공정을 사용하여, 우수한 접착성을 가진 순수한 DLC의 두꺼운 층을 생산하는 것이 처음으로 가능하다. 또한, 공정 파라미터를 변경함에 의하여, 금속-탄소 층 또는 다른 요소, 예를 들어, 실리콘, 불소를 가진 혼합된 층의 생산 및 PVD와/또는 CVD공정에 의하여 증착된 다층 시스템 또는 단순히 알려진 층 시스템의 생산을 위하여 알려진 플라즈마 공정의 대부분을 수행하는 것이 역시 가능하다.

또한, 조절할 수 있는 슬리핑과 런닝인을 가진 DLC 슬리핑층 시스템을 증착하는 것이 가능하다.

DLC-슬리핑층 시스템의 유용성, 특성 및 특질은 본원 명세서에 첨부된 "특징들"에 포함되어 있다.

나아가 본 발명의 유용성, 특성 및 특질은 주어진 바람직한 실시예와 여기에 첨부된 도면에 대한 상세한 설명에 의하여 분명하게 된다. 단순한 개략도이기는 하나, 도면은 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따라 코팅된 설비의 공정 챔버(1)의 단면도를 나타낸 것이다. 코팅되어질 부분(2)은 적어도 단순한 회전(4)과 필요하다면 두번째의 회전(5)의 제조를 위한 수단을 포함하는 하나 이상의 홀더 장치(3)를 갖춘다. 특히 바람직한 실시예에서 홀더 장치(3)는 설비축(6)을 중심으로 자체로 회전가능한 스테이지(7) 상에 위치된다.

다양한 공정 기체, 특히 아르곤과 아세틸렌은 가스 흡입구(8)와 도면에는 나타나지 않았지만 적절한 조절 장치를 통하여 공정 챔버내로 공급될 수 있다.

고도의 진공을 생성할 수 있는 펌프 세트(9)는 플랜지된 연결에 의하여 챔버에 부착된다.

이온 소스(10)는 바람직하게 설비 축 영역에 위치되어 있고, 직류 전압 공급기(11)의 음극 출력부에 연결되어 있다. 특정한 공정 단계에 따라, 직류 전압 공급기(11)의 양극은 스테이지(7) 상의 스위치(12)에 의하여 홀더 장치(3) 또는 따라서이에 의해 전기적으로 접촉되어 있는 부분(2)에 또는 보조 양극(anode)(13)에(만약 필요하다면 코팅과정중의 에칭 과정) 연결될 수 있다.

공정 챔버(1)의 벽에 부착된 것은 적어도 하나의 증발기(14), 바람직하게는 접착층 및 경사층의 증착을 위한 매그네트론 또는 아크 증발기이다. 도면에는 나타나지 않았지만, 증발기 소스(14)의 또 다른 실시예에서 소스는 공정 챔버(1)의 바닥에 양극처리되어 스위치된 도가니로서 위치될 수 있다. 전이층 또는 경사층의 제조를 위한 물질은 저전압 아크(15)에 의한 가열에 의하여 기체 상태로 초래될 수 있다.

또한, 챔버에는 부가적인 전압 공급기(16)가 제공된다. 이것은 1에서 10,000 ㎑, 바람직하게는 20에서 250㎑ 사이의 범위에서 주기가 가변적인 중주파 전압을 기판에 인가하는데 사용 가능하다.

전체 플라즈마 공간을 투과하는 직선 자기장 생성을 위한 전자기 코일은 공정 챔버(1)의 반대쪽 벽면에 위치되고, 적어도 하나, 바람직하게는 같은 방향으로 동작하는 방법으로서 두개의 분리된 직류 전압 소스(도면에 나타나지 않음)에 의하여 공급된다.

모든 코팅 실험은 도 1에서 보여진 높이 920㎜, 직경 846㎜, 부피 560ℓ의 것과 유사한 챔버에서 수행된다.

자기장을 강화하기 위하여, 및/또는 필드 및 그 결과 중주파 플라즈마(18)를 균일하게 하는 부가적 수단으로서, 몇몇의 가까운 필드(21)의 형성을 위한 자기 시스템(20)은 플라즈마 챔버(1)의 측벽(19)에 부착될 수 있다. 이와 관련하여, 예컨대 도 2에 나타낸 것과 같은 적어도 하나의 마그네트론 자기 시스템(22)의 사용에 의해, NSN과 SNS극을 교대로 지닌 선택적인 자기 시스템을 정렬하고 그에 의하여 터널- 또는 루프-모양의 자기관 내에 플라즈마를 둘러싸는 것이 바람직할 것이다.

인접한 필드의 생성을 위한 자기 시스템(20)은 마그네트론 자기 시스템으로서 형성되는 것이 바람직하다.

코팅 설비에서의 각각의 시스템은 공정 제어에 의하여 상호 연관되는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로, 진공 코팅 설비(펌프 세트 제어, 안전한 제어 회로 등)의 기본적 기능뿐만 아니라, 다양한 플라즈마 생산 시스템을 상호 유연하게 적용하고 다른 공정들에 적합하게 할 수 있을 것이다. 플라즈마 생산 시스템은 전자관 공급(여기서는 상세하게 기술하지 않았지만)을 가진 전자, 이온화 챔버(1)와 보조적 아노드(anode)(13) 그리고 스테이지(7)와 직류 전압 공급기(11)와 같은 것이며, 또한, 가능한 다른 코일 전류뿐만 아니라 스테이지(7)와 중주파 발생기(16) 및 가스 흐름의 적합한 조절과 같은 것이다.

도 3은 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)이 자기장 형성에 사용될 때 기판 전류와 코일 전류 사이의 관계를 도시한 것이다. 기판 전류-및 그 결과 플라즈마 강도 역시-는 코일 전류와 자기 영역의 세기에 직접 비례하는 것으로 보여진다. 이것은 중첩된 자기장의 바람직한 효과를 초래한다.

실시예으로서, 도 4는 경사층 증착 동안의 각각의 파라미터의 변화를 도시한 것이다. 모든 다른 파라미터들이 접착층에 대하여 처음 수치로 유지되는 반면, 기판 바이어스는 500에서 2500V 사이의 진폭 전압과 20에서 250㎑사이의 주파수로 직류 전압부터 중주파까지 스위치된다. 약 2분 후에 아세틸렌 램프가 50 sccm으로 출발하고, 약 30분 동안 350 sccm까지 된다. 중주파 발전기의 스위치를 켠 5분후, 사용된 크롬 타겟의 전력은 7㎾까지 되고, 그 뒤 2분 동안 일정하게 유지된 곳에서 다시 10분 후에 5㎾까지 되돌아 간다. 그리고 나서 차폐물이 스위치 오프진 타겟의 앞으로 이동한 다음 탄소, 적은 양의 수소와 소량의 아르곤 원자로 구성된 "순수한" DLC 층의 증착을 시작한다.

이 공정의 가장 간단한 경우는 상기 경사층에서의 다른 모든 파라미터를 제외하고 스위치 오프된 증기 공급기와 함께 완성된다. 그러나, 순수한 DLC층의 증착동안 가스 흐름의 탄소 함유량을 증가시키거나, 흡입 가스 함유량을 감소시키거나, 바람직하게는 상기 두가지 수단을 적용하는 것이 바람직함이 밝혀졌다. 여기에서, 다시한번, 상기 직선 자기장의 형성이 안정한 플라즈마의 유지를 위하여 매우 중요하게 된다.

도 4와 5는, 실시예의 방법에 의하여, 순수한 DLC층의 증착 중의 각각의 파라미터의 변화를 도시한다. 이용된 크롬 타겟의 스위치가 꺼짐에 따라, 중주파 공급기와 아르곤 흐름 모두 그들의 이전 수치로 유지되지만, 경사층의 증착 동안에 시작되는 아세틸렌 램프는 약 10분 이상 약 200에서 400 sccm의 사이에서 균일하게 뛰어오른다. 결론적으로 아르곤 흐름은 0에서 100 sccm의 흐름 속도로 5분 넘게 계속적으로 감소된다. 그 후, 공정은 일정한 파라미터로 고정되어 이후의 55분동안 완성된다.

도 6은 본 발명에 따른 DLC 층 시스템의 분열 표면의 래스터 전자 현미경 사진을 보여준다. 다이아몬드 유사 탄소의 커버 층의 부위는 정제된 나무결 무뉘의 구조를 가지는 것으로 명백하게 보여지고, 그 결과 DLC 층은 다결정질 특성을 갖는다.

도 7은 실시예의 방법에 의하여, 본 발명에 따른 DLC 층 시스템의 증착 중 각각의 파라미터의 전체적인 변화를 도시한 것이다.

다른 실시예를 나타내는 도 8은 본 발명에 따른 DLC 슬리핑층 시스템의 증착 중 각각의 파라미터의 전체적인 변화를 보여준다. 이를 위해 DLC 층을 증착하고, 가능한 33 내지 60분 동안에 계속된 증착 후에 바람직한 층 두께에 따라 1500에서 2500V 사이의 수치로 전압 램프에 의하여 펄스된 기판 바이어스를 세팅하고 나서, 모든 다른 파라미터가 이전과 같이 유지되는 일정한 상태에서 런닝인층을 증착한다.

도 9는 실시예를 통하여 본 발명에 따른 DLC 슬리핑층 시스템에 역경사층을 증착하는 동안의 각각의 파라미터의 전체적인 변화를 보여준다. 이를 위해 DLC 층을 증착한 다음에 -가능한 증착이 33 내지 60분 동안 계속된 후, 바람직한 층의 두께에 따라-적어도 하나의 타겟의 전력은 먼저 10분 동안 5㎾로 유지되고, 반면에 타겟은 폐쇄된 스크린 뒤에서 자유로이 스퍼터링된다. 그후 스크린은 개방되고 전력은 약 30분 이상 7㎾로 증가한다. 동시에 아세틸렌 램프는 350 sccm에서 시작하여, 약 30분 이상 동안에 50 sccm까지 감소된다. 런닝인층이 원하는 두께에 도달할 때까지, 파라미터의 일정함이 유지하면서 결과적으로 공정은 완성된다.

도 10은 슬리핑층으로서 경사층의 증착 동안 각각의 파라미터의 변화를 예시한 것이다. 이것은 금속성 접착층 없이 전이층과 유사한 방법으로 수행된다. 여기에서, 역시, 런닝인층은 말단 층으로서 바람직하게 공급되고, 파라미터를 일정하게 유지한다.

도 11은 본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층 시스템에 수소가 풍부한 슬리핑층을 증착하는 동안에 각 파라미터들의 전체적인 변화를 보여준다. 증착 다음에 예를 들어, 약 30분 동안 0에서 100 sccm까지 단계적으로 공급되는 메탄 램프가 뒤따른다. 아세틸 램프는 예를 들어 250 sccm에서 동시에 시작되고, 약 30분의 과정에서 120 sccm까지 감소된다. 런닝인 층은 최종층으로서 일정한 파라미터로 증착된다.

도 1 본 발명의 장치의 단면도

도 2 위에서 본 도 1의 발명의 평면도

도 3 기판 전류에 대한 코일 전류의 영향

도 4 슬리핑층 증착 중의 공정 파라미터

도 5 DLC 층 증착 중의 공정 파라미터

도 6 본 발명에 따른 DLC 층 분열 표면 부분의 REM 사진

도 7 DLC 층 시스템의 증착 중의 공정 파라미터

도 8 흑연화된 DLC 층의 증착 중의 공정 파라미터

도 9 역경사층의 증착 중의 공정 파라미터

도 10 경사층의 증착 중의 공정 파라미터

도 11 수소-풍부층의 증착의 공정 파라미터

방법 실시예 1

가열 공정

공정 챔버는 약 10^-5mbar의 압력으로 진공된 다음, 공정 시퀸스(process sequence)가 시작된다. 공정의 첫번째 과정으로서 가열 공정은 코팅될 기판의 온도가 상승되도록, 그리고 이것의 표면에 접착되어 있는 휘발성 물질을 제거하기 위하여 실시된다. 이 때문에 아르곤-수소 플라즈마는 이온화 챔버와 보조 양극판 사이에 저-전압 아크에 의하여 점화된다. 하기 표 1은 가열 공정의 공정 파라미터를 정리한 것이다.

아르곤 흐름	75 sccm
기판 바이어스 전압[V]	0
저-전압 아크의 전류세기	100 A
수소 흐름	170 sccm
상부 코일의 전류세기	20 내지 10 A 사이에서 변동
하부 코일의 전류세기	반대방향으로 20 내지 5 A에서 변동
최고 전류세기와 최저 전류세기 사이의 지속 시간	1.5분
가열 시간	20분

헤름홀츠 코일(Helmholtz coil)은 플라즈마를 활성화하는데 사용되고, 주기적으로 조절된다. 위쪽 코일의 전류 세기는 1.5분 동안 20 내지 10 A 사이에서 변하는 반면에, 아래쪽 코일의 전류 세기는 같은 기간동안 5 내지 20 A 사이에서 변화하나 방향이 반대이다.

기판을 가열하고 진공 펌프에 의해 흡입되어 표면에 접착된 휘발성 물질을 교란하는 것을 대기압에서 행한다.

에칭 공정

일단 온도가 도달되어지면, 저-전압 아크로 부터 기판으로 이온을 방출하기 위하여 에칭 공정을 음(negative) 바이어스 전압 150 V를 사용하여 시작된다. 이를 위하여 저-전압 아크 방향 및 플라즈마 강도는 한쌍의 헤름홀츠 코일에 의해 지지되고, 양쪽은 수평선으로 고정되어 있다. 에칭 공정이 파라미터는 하기 표에 나타낸 바와 같다.

아르곤 흐름	75 sccm
기판 전압	-150 V
저-전압 아크의 전류세기	150 A

크롬접착층

크롬접착층의 증착은 크롬-마그네트론 스퍼터 타켓을 활성화시킴으로써 시작된다. 아르곤 흐름은 115 sccm으로 설정한다. 크롬 스퍼터 타켓은 8kW 전력에서 작동되며 기판은 6분동안 타겟을 지나 회전된다. 설정될 압력은 10^-3내지 10^-4mbar가 될 것이다. 스퍼터 공정은 저전압 아크 및 75V의 음성(negative) 직류 바이어스 전압의 기판에로의 인가에 의해 지지된다.

크롬 스퍼터 시간의 반이 경과한 후 저전압 아크를 스위치 오프하고 크롬 스푸터의 나머지 시간 동안 증착은 타겟앞 활성플라즈마의 도움으로만 계속된다.

경사층

상기 시간이 경과한 후 플라즈마는 사인파 진동기(sinusoidal oscillator)를 켬으로써 점화된다. 초기 50 sccm 압력에서 아세틸렌이 챔버로 도입되며 그 후 그 흐름은 분당 10sccm씩 증가된다.

사인파 플라즈마 발생기는 40kHz 주파수에서 2400V 진폭전압으로 설정된다. 발생기는 기판홀더 및 챔버벽 사이에서 플라즈마 방전을 점화시킨다. 수용기(recipient)에 부착된 헤름홀츠 코일은 둘다 일정한 전류 처리량, 하부코일에서의 3A 및 상부코일에서의 10A의 전류로 활성화 된다. 크롬 타겟은 아르곤 흐름이 230 sccm에 달했을 때 불활성화 된다.

DLC 코팅

아세틸렌 흐름이 350 sccm 수치에 도달했을 때 아르곤 흐름은 50 sccm까지 떨어진다.

다음 표는 본 실시예의 파라미터를 보여준다.

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 여기 전류	10A
하부코일에서의 여기 전류	3A
전압진폭	2400 V
여기 주파수	40kHz

상기 조건들은 높은 증착률 및 플라즈마의 이온화가 아르곤의 도움으로 유지될 수 있게 한다. 코팅 공정에서 설정되는 증착률은 0.5 내지 4.0㎛/h이며 정확률은 또한 공정 챔버에서 코팅되어야 하는 부위에 따른다.

코팅 기간 끝에서 사인파 발생기 및 가스흐름은 스위치 오프되고 기판은 공정 챔버에서 제거된다.

생성된 층의 성질에 관하여는 다음 표에 요약하였다:

성질- 실시예 1
미세경도	약 2200 HK
증착률	1-2㎛/h
접착력	HF1
저항	<10㏀
수소량	12%
마찰계수	0.2
내부압력	약 2 GPa
분열모양	유리모양이 아님

방법 실시예 2

방법 실시예 2는 실시예 1과 유사한 과정을 포함한다. 그러나, 실시예 1과 달리 플라즈마는 펄스발생기에 의하여 생성된다. 여기주파수는 진폭전압 700V로 50kHz이다.

본 실시예의 파라미터는 다음 표와 같이 설정되었다:

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 여기 전류	10 A
하부코일에서의 여기 전류	3 A
전압진폭	700 V
여기 주파수	40 kHz

본 실시예에서 생산된 코팅은 25 GPa의 경도를 가지며, HF1의 접착력 및 0.2의 마찰계수를 갖는다.

성질- 실시예 2
미세경도	약 2400 HK
증착률	약 1.5㎛/h
접착력	HF1
저항	>500 ㏀
수소량	13%
마찰계수	0.2
내부압력	약 2 GPa

방법 실시예 3

방법 실시예 3은 실시예 1의 것과 유사한 과정을 포함한다. 그러나 실시예 1과 달리 플라즈마는 단극성(unipolar) 펄스된 전압에 의하여 들뜨게 된다.

본 실시예의 파라미터는 다음 표와 같이 설정되었다:

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 여기 전류	10 A
하부코일에서의 여기 전류	3 A
전압진폭	1150 V
여기 주파수 f	30 kHz

본 실시예에서 제조된 코팅은 다음표에 기재된 성질을 갖는다.

성질- 실시예 3
미세경도	> 2400 HK
증착률	약 1.8 ㎛/h
접착력	HF1
저항	>1 ㏀
수소량	12-16%
마찰계수	0.2
내부압력	약 2 GPa

방법 실시예 4
방법 실시예 1과 비교했을 때, 실시예 4는 직선 자기장의 지지없이 과정이 진행된다. 두 코일을 통한 전류흐름은 0A까지 감소되었다. 공정 파라미터는 다음표와 같이 설정되었다:

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 여기 전류	0 A
하부코일에서의 여기 전류	0 A
전압진폭	2400 V
여기 주파수 f	40 kHz

삭제

실시예 1과 비교하였을 때 챔버내 설정되는 플라즈마는 높은 압력에서만 안정화 되고 챔버에 균일하지 않게 분산되었고 기하학적 효과에 의해 매우 강한 영향을 받는다. 이러한 이유 때문에, 공정 챔버내 증착률은 균일하지 않았으며 또한 설정 공정 압력 때문에 실시예 1보다 느렸다. 바람직한 공정 압력에서 이차 플라즈마 소스, 예를들면 타겟을 사용하지 않고, 또는 필라멘트를 켜지 않고 플라즈마를 형성할 수 없었다. 헤름홀쯔 코일을 사용하여서만 공정 챔버내 플라즈마를 안정화시킬 수 있었고 공정 챔버의 높이에 걸쳐 균일한 증착을 수득할 수 있었다. 더구나, 상기 코일의 사용없이 플라즈마는 이온화 챔버 지역 내에서 점화되었고, 높은 국부 온도가 생성되고 따라서 파괴를 감수해야만 하였다.

성질- 실시예 4
미세경도	균일하지 않음 1200- 2500 HK
증착률	균일하지 않음
접착력	균일하지 않음
저항	>1 ㏀

슬리핑층 시스템

일련의 방법 실시예들은 본 발명에 따른 층 시스템을 제조하기 위하여 상기한 DLC층으로 다른 슬리핑을 증착하는데 사용되었다. 이것이 완료 후, 플라즈마의 모든 예비처리 및 코팅단계를 포함하는 공정이 계속적으로 수행되고 층 접착력을 얻기 위하여 진공개입을 하지 않도록 주의해야 한다.

흑연화 슬리핑층을 제조하는 각기 다른 방법 실시예의 상세사항

방법 실시예	5	6	7
DLC층 시스템, 실시예	전압진폭이 1000V를 제외하고 실시예 1과 같음	실시예 2와 같음	실시예 3과 같음
아르곤 흐름	50 sccm	50 sccm	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm	350 sccm	350sccm
상부코일내 여기 전류	3 A	10A	10A
하부코일내 여기 전류	10 A	3A	3A
기판전압 진폭	2400 V	2400V	2400V
전압 램프	15분	25분	15분
여기 주파수 f	40 kHz	40kHz	30kHz
여기형	AC 사인파	양극성 펄스	단극성 펄스

말단 경사층 (실시예 8), 역경사층 (실시예 9), 또는 수소-풍부 탄소층(실시예 10) 과 같은 슬리핑층을 형성하는 다양한 방법

방법 실시예	8	9	10
DLC층 번호	1	2	3
아르곤 흐름 1	30 sccm	50 sccm	50 sccm
아르곤 흐름 2	30 (100) sccm	-	-
아르곤 램프	0 (10분)	-	-
아세틸렌 흐름 1	0 sccm	350 sccm	350sccm
아세틸렌 흐름 2	350 sccm	350 sccm	350sccm
아르곤 램프	15분	20분	20분
메탄 흐름 1	-	-	0 sccm
메탄 흐름 2	-	-	150 sccm
메탄 램프	-	-	20분
전력크롬 타겟 1	8 kW	7kW	-
전력크롬 타겟 2	7 kW	-	-
크롬타겟 램프	20분	30분	-
상부코일내 여기 전류	10A	10A	10A
하부코일내 여기 전류	3A	3A	3A
기판전압 진폭	2400 V	700V	1150V
여기 주파수 f	40 kHz	40kHz	30kHz
여기형	AC 사인파	양극성 펄스	단극성 펄스

* 이 경우의 아세틸렌 램프는 크롬타겟이 켜진 후 5 내지 10분에서 시작될 것이다. 이러한 과정은 DLC 층 및 슬리핑층이 상이한 공정 챔버 또는 코팅 설비내에서 증착될 때 특히 바람직하다. 사인파 발생기의 기판에 바이어스 전압을 인가하기 위하여 직류전압원이 사용될 것이다.

더욱이, 동시에 또는 시간지체를 수반하면서 스위치 온될 수 있는 탄화성 타겟 (carbidic taget), 가능하게는 WC 및/또는 흑연타겟을 동시 스퍼터링함에 의하여, 흑연성분이 증가될 수 있다. 특히 텅스텐 또는 탄탈륨 층 또는 니오브/탄소 층의 특히 바람직한 슬리핑 성질을 이용하고자 한다면 접착 및/또는 경사층의 형성 후에 크롬 타겟을 스위치 오프하거나 상기 공정을 적당한 금속 또는 금속 탄화물 타겟만으로 과정을 완결시키는 것이 바람직할 것이다.

하기 표 8 및 표 9에 생성된 DLC층의 성질을 요약하였다.

시험번호	5	6	7
접착력	HF1	HF1	HF1
저항	<100 ㏀	<100 ㏀	<100 ㏀
마찰계수	약 0.08	약 0.07	약 0.13

시험번호	8	9	10
접착력	HF1	HF1	HF1
저항	<1 ㏀	<1 ㏀	<100 ㏀
수소량	n.s.	n.s.	>30 원자%
마찰계수	약 0.08	약 0.07	약 0.13

DLC 층 시스템(DLC layer system)의 특징

1. 기판에 배열되는 접착층, 접착층 위에 배열된 전이층 및 DLC(diamond-like carbon)의 덮개층(covering layer)을 구비하는 마모방지, 부식방지 및 슬리핑 성질의 향상 등을 위한 층시스템은, 상기 접착층이 주기율표의 제4, 제5, 제6 아족(subgroup)의 원소들과 실리콘을 포함하는 군의 하나 이상의 원소를 포함하며, 전이층은 탄소 및 제4, 제5, 제6 아족의 원소들과 실리콘을 포함하는 군의 적어도 하나의 원소를 포함하며, 덮개층은 반드시 DLC를 포함하고, 상기 층 시스템이 15 GPa 이상, 바람직하게는 20 GPa 이상의 경도를 가지며, 3 HF 이상의 접착도를 가지는 것에 특징이 있다.

2. 제 1의 특징에 따른 층 시스템은, 전이층은 단일층 또는 복층 시스템으로 될 수 있는 경사층이며, 연속적으로 또는 단계적으로 변화하는 조성물을 포함하며, 더욱 명확하게는 그 합성물의 변화는 기판으로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 탄소 성분이 증가하는 반면에 제4, 제5 및 제6 아족의 원소들과 실리콘을 포함하는 군의 하나 이상의 원소로 구성된 상기 성분은 감소하는 방법으로 이루어지는 것에 특징이 있다.

3. 상기 제 1 내지 제 2의 특징 중 어느 하나에 따른 층 시스템은, 덮개층이 접착층이나 전이층 보다 더 두껍다는 것에 특징이 있다.

4. 제 1 내지 제 3의 특징 중 어느 하나에 따른 층 시스템은, 전이층 및/또는 덮개층 역시 수소와 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 불가피한 불순물은 불활성 가스, 특히 아르곤 및 크세논을 포함하는 것에 특징이 있다.

5. 제 4의 특징에 따른 층 시스템은, 덮개층이 탄소만을 포함하거나 탄소와 수소를 함께 포함하는 것에 특징이 있다.

6. 제 4의 특징에 따른 층 시스템은, 덮개층은 4 내지 30 원자 %, 바람직하게는 10 내지 20 원자 %의 수소함량을 갖는 것에 특징이 있다.

7. 제 1 내지 제 6의 특징 중 어느 하나에 따른 층 시스템은, 제4, 제5 및 제6 아족의 원소를 포함하는 군의 하나 이상의 원소가 티탄 및/또는 크롬임에 특징이 있다.

8. 제 1 내지 제 7의 특징 중 어느 하나에 따른 층 시스템은, 접착층과 전이층 모두 0.05 ㎛ 내지 1.5 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가지는 것에 특징이 있다.

9. 제 1 내지 제 8의 특징 중 어느 하나에 따른 층 시스템은, 덮개층이 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1.0 ㎛ 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 것에 특징이 있다.

10. 제 1 내지 제9의 특징 중 어느 하나에 따른 층 시스템은, DLC로 이루어진 덮개층이 미세입상 층구조를 가지는 것에 특징이 있다.

11. 층 시스템, 특히 제 1 내지 제 10의 특징중 어느 하나에 따른 층 시스템의 기판을 제조하는 방법은,

a) 기판을 진공 챔버(chamber)에 넣고, 압력이 10^-4 mbar 이하, 바람직하게는 10^-5 mbar 이하에 도달할 때까지 상기 챔버(chamber)를 흡입하는 단계,

b) 기판 표면을 세척하는 단계,

c) 기판상에 접착층을 플라즈마-지지 증착시키는 단계,

d) 접착층 성분을 플라즈마-지지 증착시키고 가스상으로부터의 탄소를 증착시켜 동시에 접착층상에 전이층을 증착시키는 단계,

e) 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-지지 증착시켜 전이층 상에 다이아몬드-유사 덮개층을 증착시키는 단계를 포함하며,

여기서, 적어도 c), d), e)단계 공정 동안에 기판 바이어스 전압이 기판에 인가되며, 적어도 d), e)단계 공정 동안에 플라즈마가 자기장에 의해 안정화되는 것에 특징이 있다.

12. 제 11의 특징에 따른 방법은, 기판 표면의 세척단계가 가열단계와 에칭단계를 포함하는 것에 특징이 있다.

13. 제 12의 특징에 따른 방법은, 가열단계가 복사가열, 유도가열 및/또는 전자충격(bombardment with electrons)으로 이루어지는 것에 특징이 있다.

14. 제 13의 특징에 따른 방법은, 저전압 아크(arc)를 점화하는 것과, 연속적인 AC 혹은 AC-중첩될 수 있는 기판 바이어스 전압, 특히 펄스된 양극(positive) 기판 바이어스 전압의 동시적인 점화에 의해 전자 충격이 영향을 받는 것에 특징이 있다.

15. 제 10의 특징에 따른 방법은, 에칭단계가 이온 에칭에 의하여 수행되며, 여기서 저전압 아크는 공정 가스로서 불활성 기체, 특히 아르곤 및/또는 수소로 점화되고, 연속적인 음 바이어스 전압은 기판에 인가하는 것에 특징이 있다.

16. 제 10의 특징에 따른 방법은, 에칭단계가 공정 가스로서 불활성 기체, 바람직하게는 아르곤 및 /혹은 수소와의 이온에칭에 의하여 수행되며, 여기서 AC 혹은 AC-중첩 바이어스 전압, 특히 펄스된 바이어스 전압, 더 바람직하게는 중주파의 펄스 바이어스 전압이 기판에 인가되는 것에 특징이 있다.

17. 제 10 내지 제 16의 특징에 따른 방법은, 접착층의 증착이 플라즈마-CVD 방법, PVD 방법(특히 아크 증발), 이온 도금 방법, 혹은 음극 스퍼터링(sputtering)에 의해 수행되는 것에 특징이 있다.

18. 제 17의 특징에 따른 방법은, 부가적인 저-전압 아크 방전에 의하여 접착증의 증착이 유지되고, 음극 바이어스 전압이 기판에 인가되는 것에 특징이 있다.

19. 제 17의 특징에 따른 방법은, 접착층의 증착이 부가적인 펄스된 기판 바이어스 전압에 의하여 유지되고, 그 부가적인 펄스된 기판 바이어스 전압이 AC 혹은 AC-중첩 바이어스 전압, 특히 1 내지, 20,000 kHz, 더욱 바람직하게는 20 내지 250 kHz 사이의 중주파 범위내의 펄스된 기판 바이이어스 전압이 될 수 있다는 것에 특징이 있다.

20. 제 10 내지 19의 특징에 따른 방법은, 플라즈마를 점화하기 위해, 불활성 기체 혹은 불활성 기체/수소 혼합, 바람직하게는 아르곤/수소 혼합을 진공 챔버로 넣는 것에 특징이 있다.

21. 제 10 내지 20의 특징에 따른 방법은, 특징 17 내지 20 중의 어느 하나에 따른 방법에 의해 전이층의 형성과 동시에 이루어지는 제4, 제5, 제6 아족의 원소들과 실리콘 중 하나 이상의 원소의 증착과 동시에 가스상으로부터의 탄소의 플라즈마-지지 증착에 의하여 전이층이 형성되며, 여기서 탄소 함유가스(바람직하게는 탄화수소로서 특히 아세틸렌)가 부가적인 반응 가스로 사용되는 것에 특징이 있다.

22. 제 21의 특징에 따른 방법은, 탄소 증착의 백분율 분이 전이층이 두꺼워짐에 따라 연속적으로 혹은 단계적으로 증가되는 것에 특징이 있다.

23. 제 10 내지 제 22의 특징중 어느 하나에 따른 방법은, 덮개층을 구성하는 DLC 층이, 반응 기체로 사용되는 탄소를 함유한 가스, 바람직하게는 탄화수소(특히 아세틸렌)인 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-CVD 증착시키는 것에 의하여 생산되는 것에 특징이 있다.

24. 제 21 혹은 23의 특징중 어느 하나에 따른 방법은, 탄소의 증착을 위한 반응가스는 탄소함유 가스뿐만이 아니라 수소 및/혹은 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤 및/혹은 크세논을 포함하는 것에 특징이 있다.

25. 제 24의 특징에 따른 방법은, 탄소 함유 가스의 백분율 분이 증가하고/또는 불활성 기체, 바람직하게는 아르곤이, 덮개층의 증착 동안 감소하는 것에 특징이 있다.

26. 제 21 내지 제 25의 특징 중 어느 하나에 따른 방법은, 1 내지 10,000 kHz, 바람직하게는 20 내지 250 kHz의 중주파 범위에서 펄스된 단극 혹은 양극 바이어스 전압이 기판에 인가되는 것에 특징이 있다.

27. 제 26의 특징에 따른 방법은, 사인곡선 또는 긴 음극 및 짧은 양극 펄스 신호 또는 큰 음극 및 작은 양극 진폭을 인가하는 것과 같은 방법으로 기판 바이어스 전압이 펄스되는 것에 특징이 있다.

28. 제 10 내지 27의 특징중 어느 하나에 따른 방법은 접착층 및/또는 전이층 및/또는 DLC로 된 덮개층의 세척 및/또는 증착 동안에, 일정한 필드 라인 패턴을 갖는 직선 자기장이 기판 위에 중첩되고, 여기서 자기장은 연속적 혹은 단계적으로 시간 및/혹은 공간상 변화될 수 있는 것에 특징이 있다.

29. 제 10 내지 28의 특징 중 어느 하나에 따른 방법은 접착층 및/또는 전이층 및/또는 DLC로 구성된 덮개층의 증착이 10^-4 내지 10^-5 mbar의 압력하에서 이루어지는 것에 특징이 있다.

30. 하나 이상의 기판을 코팅하는 장치, 특히 제 10 내지 29의 특징중 어느 하나에 따른 코팅 방법을 실시하기 위한 장치는, 진공 챔버 내에서 진공을 생성하기 위한 펌핑 시스템을 구비한 진공챔버(1), 코팅될 기판을 수용하는 기판 홀더 장치(3), 공정 가스를 공급하는 하나 이상의 가스 공급 장치(8), 증착용 코팅 물질을 이용하는 하나 이상의 기화 장치(14), 저전압 d.c. 아크를 점화하는 아크 생성 장치(10,13), 기판 바이어스 전압의 생성 장치(16) 및 원격 자기장의 형성을 위한 하나 이상의 자기장 생성 장치(17)를 구비한 것을 특징으로 한다.

31. 제 30의 특징에 따른 장치는 상기 자기장 생성 장치(17)가 최소한 하나의 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)로 이루어져 있는 것에 특징이 있다.

32. 제 31의 특징에 따른 장치는 상기 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)은 그것이 생성할 수 있는 자속 밀도에 관련하여 조절될 수 있는 것에 특징이 있다.

33. 제 30 내지 32의 특징중 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 상기 기판 바이어스 전압 생성 장치가 그의 신호 및 그의 크기와 관련하여 단계적으로 또는 연속적으로 변화될 수 있고/있거나 중주파 범위의 주파수를 가지는 단극 또는 양극이 될 수 있도록 제작되는 것에 특징이 있다.

34. 제 30 내지 33의 특징중 어느 하나에 따른 장치에서, 상기 기화 장치(14)는 스퍼터 타겟(sputter target), 특히 마그네트론 스퍼터 타겟, 아크 소스, 열기화기 등을 포함하는 것에 특징이 있다.

35. 제 30 내지 제34의 특징중 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 상기 기화 장치(14)는 공정 챔버(1)의 나머지로부터 분리될 수 있는 것에 특징이 있다.

36. 제 30 내지 제 35의 특징중 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 유도 가열, 방사 가열 등의 형태를 가지는 기판 가열장치도 포함하는 것에 특징이 있다.

37. 제 30 내지 제 36의 특징중의 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 상기 아크 생성 장치(10, 13)는 직류 전압 공급장치(11) 및 이온 소스(10)를 포함하고, 상기의 이온 소스(10)는 직류 공급장치(11)의 음극에 연결되어 있는 것에 특징이 있다.

38. 제 37의 특징에 따른 장치에 있어서, 직류 전압 공급 장치(11)의 양극은 양극판(13) 또는 기판 홀더 장치(3)에 선택적으로 연결될 수 있는 것에 특징이 있다.

39. 제 37 또는 제 38의 특징에 따른 장치에 있어서, 상기 이온 소스(10)는 이온화 챔버 내에 배열되어 있는 필라멘트, 바람직하게는 특히 텅스텐, 탄탈(tantalum)과 같은 내화 필라멘트를 포함하며, 공정 챔버(1)로 부터 차폐물(shield), 특히 텅스텐, 탄탈(tantalum)과 같은 내화 차폐물에 의하여 분리될 수 있는 것에 특징이 있다.

40. 제 30 내지 제39의 특징 중의 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 상기 기판 홀더 장치(3)는 움직일 수 있으며, 바람직하게는 하나 이상의 축을 중심으로 회전할 수 있는 것에 특징이 있다.

41. 제 30 내지 제 40의 특징 중의 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 부가적 영구 자석(20)은 근접한 자기장 생성을 위하여 제공되는 것에 특징이 있다.

42, 제 30 내지 제 32의 특징 중의 어느 하나에 따른 장치에 있어서, 상기 부가적 영구 자석은 진공 챔버(1) 주위의 링에 위치하고, 바람직하게는 극 방향이 변경되게, 그리고 마그네트론 전자 트랩으로 제작될 수 있는 것에 특징이 있다.

참조 번호의 리스트

1 공정 챔버

2 코팅될 부분

3 기판 홀더 장치

4 단일 회전(simple rotation)

5 이중 회전(double rotation)

6 플랜트 축(plant axis)

7 회전 스테이지(rotating stage)

8 가스 주입구(gas inlet)

9 펌프 세트(pump set)

10 이온 소스(on sources)

11 직류전압공급(Direct voltage supply)

12 스위치

13 보조 음극판(auxiliary anode)

14 기화장치(vaporizer source)

15 저-전압 아크(low-voltage arc)

16 전압공급장치(voltage supply)

17 전자기코일(electromagnetic coil)

18 MF 플라즈마(MF plasma)

19 측벽(side wall)

20 자기장 시스템(magnet systems)

21 근접 영역(near fields)

22 마그네트론 자기 영역(magnetron magnet fields)

Claims

기판상에 배열되는 접착층, 상기 접착층상에 배열되는 전이층 및 DLC 또는 다이아몬드층을 구비하는 마모 방지, 침식 방지 및 슬리핑 성질이 향상된 층 시스템에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층 상에 DLC 또는 다이아몬드층의 조성물과 상이한 화학조성물을 포함하는 슬리핑층이 배열되어 있고, 상기 슬리핑층의 sp² 결합 또는 sp²/sp³ 할당량의 퍼센티지 점유율이 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 점유율보다 큰 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 수소함량이 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 수소함량보다 크고, 상기 슬리핑층의 탄소함량은 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 탄소함량보다 작은 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 슬리핑층은 20 내지 60 원자%의 수소함량을 갖는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 두께에 걸친 결합비율의 변화가 연속적으로 또는 단계적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 슬리핑층의 두께에 걸친 수소함량 증가의 변화가 연속적 또는 단계적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 금속함량이 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 금속함량보다 많은 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 탄소함량은 감소되는 반면에, 상기 슬리핑층의 금속함량은 단계적으로 또는 연속적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층이 위치된 후, 먼저, 높은 금속함량을 갖는 층이 위치되고, 이후 금속 함량은 감소되고 탄소 함량은 증가된 층이 위치되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 일정한 화학조성물 영역이 상기 슬리핑층의 일부에 배열되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층 표면의 마찰계수가 μ=1.5 이하이고, 상기 층 시스템의 접착력이 3 HF 이상인 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 전이층의 두께가 전체 두께의 5 내지 60%를 차지하는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 접착층, 상기 전이층, 상기 DLC 또는 다이아몬드 층 또는 상기 슬리핑층은 수소 또는 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반면에, 상기 불가피한 불순물이 불활성 가스를 포함하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 두께는 0.05 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 다이아몬드 유사 탄소의 DLC 또는 다이아몬드층은 미세입자층 구조를 가지거나 또는 나노결정성 다이아몬드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층이 DLC 층 시스템상에 증착되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
층 시스템의 기판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법이 하기의 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

a) 기판을 진공 챔버내로 도입시키고, 챔버 압력이 10^-3mbar 이하가 될 때까지 챔버를 흡입하는 단계;

b) 기판 표면을 세척하는 단계;

c) 기판상의 접착층을 플라즈마-지지 증착(plasma-supported depositon)시키는 단계;

d) 상기 접착층 성분을 플라즈마-지지 증착시키는 동시에 가스상으로부터 탄소를 증착시켜 상기 접착층상에 전이층을 증착시키는 단계;

e) 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-지지 증착시켜 상기 전이층상에 상기 DLC 또는 다이아몬드층을 증착시키는 단계;

f) 가스상으로부터 탄소를 증착시켜 상기 DLC 또는 다이아몬드층상에 상기 슬리핑층을 증착시키는 단계,

여기서, 적어도 상기 c), d), e) 및 f) 단계 공정중에 기판 바이어스 전압(substrate biasing voltage)이 상기 기판에 인가되고, 상기 플라즈마는 적어도 상기 d) 및 e) 단계 공정중에 자기장에 의해 안정화된다.
제 16항에 있어서, 상기 b) 내지 f) 단계 공정중 적어도 하나의 단계중에 양극성 또는 단극성 바이어스 전압이 기판에 인가되는 것을 특징으로 하며, 여기서 사인파 또는 기타 형상이 될 수 있는 상기 바이어스 전압이 1 내지 10,000 kHz의 중주파 범위에서 펄스되는 방법.
제 16항에 있어서, 상기 b) 내지 f) 단계 공정중 적어도 하나의 단계중에, 기판을 감싸고, 시간 또는 공간에 따라 연속적이거나 단계적으로 변할 수 있는 균일한 필드라인 양식을 갖는 종축의 자기장이 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항에 있어서, 주기율표상의 제4, 제5 및 제6 아족 원소들을 포함하는 원소로 이루어진 군 중 적어도 하나의 원소 및 실리콘을 증착시키고 동시에 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-지지 증착시켜 상기 전이층 및 상기 슬리핑층이 제조되는 것을 특징으로 하며, 여기서 탄소-함유 가스가 반응 가스로 사용되는 방법.
제 16항에 있어서, 슬리핑층을 증착시키기 위하여, 금속함유층이 먼저 DLC 또는 다이아몬드층상에 증착되고, 슬리핑층의 두께가 증가함에 따라서 탄소 증착 퍼센티지 점유율이 표면 방향을 따라 연속적으로 또는 단계적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항에 있어서, 탄소 증착 점유율은 슬리핑층의 두께가 증가함에 따라서 표면 방향을 따라 연속적으로 또는 단계적으로 감소되고, 금속 또는 수소 증착 퍼센티지 점유율은 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층이 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-CVD 증착시켜 제조되는 것을 특징으로 하며, 여기서 탄소함유 가스가 반응 가스로 사용되는 방법.
제 16항에 있어서, 상기 b) 내지 f) 단계 공정이 10^-4mbar 내지 10^-2mbar 압력하에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
진공 챔버(1) 내의 진공을 생성하기 위한 펌핑 시스템(9)을 구비한 진공 챔버(1), 코팅될 기판을 수용하기 위한 기판 홀더 장치(3), 공정 가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 공급 장치(8), 이용가능한 증착용 코팅 물질을 제조하기 위한 하나 이상의 기화 장치(14), 저전압 d.c. 아크를 점화하는 아크 생성 장치(10, 13), 기판 바이어스 전압 생성 장치(16) 및 원격 자기장의 형성을 위한 하나 이상의 자기장 생성 장치(17)를 구비하고, 상기 기판 바이어스 전압 생성 장치는 기판 바이어스 전압이 그의 신호 및 진폭에 따라 연속적으로 또는 단계적으로 변할 수 있고 단극성 또는 양극성이 되도록 설계되는, 하나 이상의 기판을 코팅하기 위한 장치.
제 24항에 있어서, 상기 원자기장 형성을 위한 자기장 발생 장치는 적어도 두 개의 전자기 코일을 포함하고, 각각의 코일은 서로 마주보며 배열된 두 개의 마그네트론 장치중 하나를 측면으로 감싸고 있으며, 여기서 마주 배열된 마그네트론 자기 시스템들의 극성은 한 시스템의 북극이 다른 시스템의 남극을 향하도록 배열되어 있고, 자기코일 필드들이 서로를 보충하여 폐쇄 자기장을 이루며 마그네트론 자기 시스템들의 외부 폴 및 자기 코일들의 극성이 동일한 방향으로 작용하는 방식으로 각 시스템과 관련된 코일들이 동시에 전류원에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 24항에 있어서, 상기 기판 바이어스 전압의 주파수는 중주파수 범위인 것을 특징으로 하는 장치.
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