KR101948013B1 - 전류 절연 베어링 부품 및 베어링 - Google Patents

전류 절연 베어링 부품 및 베어링 Download PDF

Info

Publication number
KR101948013B1
KR101948013B1 KR1020130000409A KR20130000409A KR101948013B1 KR 101948013 B1 KR101948013 B1 KR 101948013B1 KR 1020130000409 A KR1020130000409 A KR 1020130000409A KR 20130000409 A KR20130000409 A KR 20130000409A KR 101948013 B1 KR101948013 B1 KR 101948013B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
ald
vapor deposition
bearing
chemical vapor
Prior art date
Application number
KR1020130000409A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130094226A (ko
Inventor
이반 콜레프
폴 피터스
롤란드 탭
베르트람 하그
야사르 무사예프
세르지 쿠사베
팀 마티아스 호센펠트
위르겐 길
유하나 코스타모
Original Assignee
피코순 오와이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 피코순 오와이 filed Critical 피코순 오와이
Publication of KR20130094226A publication Critical patent/KR20130094226A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101948013B1 publication Critical patent/KR101948013B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525—Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45544—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the apparatus
    • C23C16/45546—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the apparatus specially adapted for a substrate stack in the ALD reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525—Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45555—Atomic layer deposition [ALD] applied in non-semiconductor technology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/38—Ball cages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/46—Cages for rollers or needles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/62—Selection of substances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/64—Special methods of manufacture
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/008—Identification means, e.g. markings, RFID-tags; Data transfer means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2202/00—Solid materials defined by their properties
    • F16C2202/30—Electric properties; Magnetic properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2206/00—Materials with ceramics, cermets, hard carbon or similar non-metallic hard materials as main constituents
    • F16C2206/02—Carbon based material
    • F16C2206/04—Diamond like carbon [DLC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2206/00—Materials with ceramics, cermets, hard carbon or similar non-metallic hard materials as main constituents
    • F16C2206/40—Ceramics, e.g. carbides, nitrides, oxides, borides of a metal
    • F16C2206/42—Ceramics, e.g. carbides, nitrides, oxides, borides of a metal based on ceramic oxides
    • F16C2206/44—Ceramics, e.g. carbides, nitrides, oxides, borides of a metal based on ceramic oxides based on aluminium oxide (Al2O3)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2223/00—Surface treatments; Hardening; Coating
    • F16C2223/30—Coating surfaces
    • F16C2223/60—Coating surfaces by vapour deposition, e.g. PVD, CVD
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2240/00—Specified values or numerical ranges of parameters; Relations between them
    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/60—Thickness, e.g. thickness of coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2240/00—Specified values or numerical ranges of parameters; Relations between them
    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/60—Thickness, e.g. thickness of coatings
    • F16C2240/64—Thickness, e.g. thickness of coatings in the nanometer range
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/043—Sliding surface consisting mainly of ceramics, cermets or hard carbon, e.g. diamond like carbon [DLC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/32—Balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/34—Rollers; Needles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/38—Ball cages
    • F16C33/44—Selection of substances
    • F16C33/445—Coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/46—Cages for rollers or needles
    • F16C33/56—Selection of substances
    • F16C33/565—Coatings

Abstract

롤링 요소 베어링 및 슬라이딩 베어링의 리니어 베어링(linear bearing)의 부품과 같은, 예를 들어 베어링 레이스, 테이퍼 롤러(tapered roller)와 같은 롤링 요소, 배럴 롤러(barrel roller), 니들 롤러(needle roller), 베어링 볼(bearing ball) 및 롤링 요소 케이지(rolling element cage)를 포함하는 그룹에서 선택된 부품인, 베어링 부품은, 상기 부품의 적어도 하나의 표면 영역에, PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스(그러나 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스는 제외)에 의해 형성된 높은 전류 절연 특징을 가지는 적어도 하나의 레이어를 가지며, 상기 적어도 하나의 레이어는 Al2O3 레이어, TaxOy 레이어, SixOy 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상을 포함하는 혼합 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상의 교대로 배치되는 층을 포함하는 다층 구조, 및 ta-C 레이어와 같은 DLC 레이어를 포함하는 그룹에서 선택되는 비전도성의 산화물(oxide) 레이어를 포함하고, 높은 경도 및 높은 전류 절연 특성을 가지며 상기 적어도 하나의 층 위에 ALD(atomic layer deposition) 프로세스에 의해 증착되는 물질의 적어도 하나의 층을 포함하는 적어도 하나의 ALD 레이어(114)가 구비되며, 상기 ALD 레이어 그 자체는 높은 전류 절연성을 가지며 상기한 물질 그룹으로부터 선택되는 레이어 구조의 물질을 포함한다.

Description

전류 절연 베어링 부품 및 베어링{Current Insulated Bearing Components and Bearings}
본 발명은 전류 절연 베어링 부품 및 베어링에 관한 것이다.
롤링 요소 베어링(rolling element bearing)은 다이버스 머신(diverse machine), 휠 셋(wheel set), 레일 차량의 트랙션 모터(traction motor), 드라이브 트레인에 사용되는 DC 또는 전기 자동차, 풍력에 의해 구동되는 발전기 등과 같은 많은 산업적 응용물에 사용된다.
이러한 롤링 베어링은 전류에 노출될 수 있다. 최악의 경우 이것은 레이스웨이(raceway) 및 롤링 요소를 손상시킬 수 있으며, 이는 모터나 발전기가 사전 경고 없이 조기에 고장나게 할 수 있다. 수리를 위해 발생하는 추가 비용에 더하여, 기계 고장에 의해 야기되는 추가적인 비용 및 그에 따른 제조 손실을 의미한다.
훨씬 경제적인 해결책은 관련된 제품에 전류 절연성의 베어링을 사용하는 것이다. 이것은 유지 및 수선 비용을 줄이고 기계의 활용성을 높인다. 이것들은 고객에서 중요한 사안이다.
몇몇의 케이스에서, 응용물에 따라, 베어링 하우징과 연관된 샤프트 사이의 전류 회로를 차단하고 장치의 하우징과 샤프트 사이의 하나 이상의 베어링 위치에 전류 절연 베어링을 설치하는 것으로 충분하다.
종종 세라믹으로 코팅되는 전류 절연 베어링은 보편적인 베어링보다 매우 큰 전류에 대한 저항을 제공한다.
일반적으로 전기 모터에 의해 유도되는 베어링 전압의 원인을 제거하는 것, 즉 보다 일반적으로 말하면 원하지 않는 경로를 따라 생성되는 전류를 제거하는 것은, 그러한 전류가 관련된 전기 장치로의 에너지 공급과 관련되어 있기 때문에, 매우 어렵다. 그럼에도 불구하고, 전류의 흐름이 방지되거나 적어도 실질적으로 감소되면 베어링에 가해지는 손상을 피하는 것이 가능하다. 오늘날 많은 종류의 전류 절연 롤링 베어링이 활용 가능하다. 절연이 필요한 부품의 타입은 관련된 전압의 종류 및 특정한 응용물 및 설치에 의존한다.
전기 모터 또는 발전기의 로터(rotor)의 샤프트을 따라 형성되는 유도 전압은 그 사이로 연장되는 샤프트 및 하우징을 지지하는 베어링에 의해 폐쇄되는 원 전류(circular current)를 생성한다. 그러한 샤프트 전압은 종종 모터 내의 자기 플럭스(magnetic flux)의 비대칭적 분포의 결과이다.이것은 단자 몇 쌍의 극을 가지는 모터에서 특히 명백하다. 그러한 경우에 두 개의 베어링 중 어느 하나를 절연시킴으로써 전류의 흐름을 방해하는 것이 충분하다. 샤프트와 하우징 사이에 포텐셜(potential) 차이가 있는 상황도 또한 발생한다. 이 경우 전류는 샤프트를 지지하는 각 베어링을 통해서 같은 방향으로 흐른다. 그러한 포텐셜 차이의 가장 가능한 이유는 컨버터 공통-모드 전압니다. 이러한 종류의 상황은 양 베어링 모두의 절연을 요구한다.
사용되는 전기 절연의 타입은 관련 전압의 시간 반응(time response)에 의존한다. DC 전압 및 저(low) 주파수 AC 전압의 경우, 베어링의 옴 저항(ohmic resistance)이 전류 절연의 지배적 특성이다. 컨버터에서 종종 볼 수 있는 더 높은 주파수의 AC 전압의 경우, 베어링의 커패시티브 리액턴스(capacitive reactance)가 베어링의 전류 절연 특성을 선택할 때 고려해야 하는 중요한 파라미터이다. 기본적으로 말하면, 전류 절연된 베어링은 서로 병렬로 연결된 저항(resistor)과 커패시터(capacitor)와 같이 거동한다. 양호한 절연을 확보하기 위해, 저항은 가능한 커져야 하고 커패시턴스는 가능한 낮아야 한다.
베어링이 직류 전류 또는 교류 전류에 노출되었는지 여부와 무관하게, 베어링의 표면의 결과적인 변화는, 적어도 메가헤르쯔(megahertz) 범위의 주파수까지는, 변함없이 동일하다. 두 경우에 있어서 전류는 롤링 엘리먼트의 레이스웨이에 불규칙하게 무딘 회색 마크를 형성한다. 이러한 마크는 매우 구체적이지는 않으며 또한 다른 요인(예를 들어 연마재를 함유하는 윤활 오일의 막에 의해)에 의해 유발될 수도 있다. 또한 회전 방향으로 연장되는 베어링의 레이스웨이의 표면을 따라 형성되는 빨래판(washboard) 패턴 형태를 발견할 수 있다. "플루팅(fluting)"이라고 불리는 이러한 타입의 손상은 전류가 베어링을 통해서 통과했다는 것을 나타낸다. 전류 흐름의 결과로 베어링에서 발견되는 손상은 스캐닝 일렉트론 마이크로스코프(scanning electron microscope)에 의해 조사될 수 있으며, 손상이 레이스웨이를 덮는 마이크론(micron) 크기의 직경을 갖는 국부적 융해 및 용접 비드(welding beads)에 의해 야기되는 빽빽한 돌출 구멍(craters)에 의해 특징된다는 것을 알 수 있다. 그러한 손상은 전류가 베어링을 통해서 지나갔다는 증거로서 명백하게 받아들여질 수 있다. 돌출 구멍 및 용접 비드는 레이스웨이 및 롤링 요소 표면에서 항상 발견되는 미세 피크(peaks) 사이의 전기 방전의 결과들이다. 스파크가 병목지점(bottleneck)에서 충분히 형성된 윤활 막을 통과할 때, 그것은 주위 표면이 순간적으로 녹게 만든다. 혼합 마찰 범위(금속-금속 접촉)에서, 유효 표면은 순간적으로 함께 융합되고, 베어링의 회전에 의해 순간적으로 다시 분리된다. 두 경우에 물질 역시 즉시 경화되어서 용접 비드를 형성하는 위치인 표면으로부터 분리된다. 이들 비드 중 일부는 윤활제와 혼합되며, 나머지는 표면에 쌓인다. 돌출 구멍 및 용접 비드는 롤링 요소가 그들 위로 지나감에 따라 납작해지고 부드러워질 수 있다. 만약 지속적인 전류의 흐름이 있다면, 통상 얇은 표면 레이어는 시간의 흐름에 따라 융해 및 경화 프로세스를 계속 반복하게 된다.
대부분의 실질적인 베어링 고장은 계속적인 전류의 흐름 및 베어링 부품의 진동 특성의 조합 효과의 결과에 기인하는 것으로 보이는 위에서 언급한 "플루팅"으로부터 초래된다. 롤링 요소는 충분히 큰 돌출 구멍과 접촉하게 될 때마다 반경 방향으로 옮겨지고, 요소의 이동 양은 베어링에 작용하는 하중 및 베어링의 내부 형상 및 스피드에 의존한다. 롤링 요소가 원상 복귀될 때 윤활 막의 두께는 침식되며, 이는 그 영역에서 스파크 발생을 초래한다. 자기 유지 프로세스가 촉발된다. 잠시 후에 링의 레이스웨이의 전체 외주면이 플루팅 손상으로 뒤덮힐 수 있다. 이것은 더 심각한 베어링 진동을 야기하며, 마침내 베어링 고장을 초래한다. 전류에의 가해지는 위험의 정도를 평가하기 위한 신뢰할 만한 지표는 종래 기술에서 "산출된 전류 밀도(calculated current density)"로 불리며, 다시 말해 유효 전류 세기(effective amperage)를 롤링 요소와 베어링의 인너 링 또는 아웃터 링 사이의 전체 접촉 면적으로 나눈 것이다. 전류 밀도는 베어링 종류와 작동 조건에 의존한다. 현재의 경험에 따르면, 전류 밀도가 대략 0.1Aeff/㎜2 보다 작으면 플루팅 위험이 일반적으로 없다. 그러나 1Aeff/㎜2 이상의 밀도는 이러한 종류의 손상을 야기하기가 쉽다.
또한 전류는 윤활제에 부정적으로 영향을 미칠 수도 있다. 기본 오일 및 오일의 첨가제는 산화하려는 경향이 있으며 크랙(crack)이 생성된다. 이것은 적외선 스펙트럼에서 명백하게 된다. 윤활 특성은 베어링이 가열되도록 할 수 있는 철 입자의 증가된 농도에 의해서뿐만 아니라 조기 노화에 의해서 훼손된다.
전류 절연 베어링을 제공할 필요와 관련하여, 전형적인 개념은 산화물 세라믹 코팅(oxide ceramic coating)을 형성하기 위해 플라즈마 분사(spraying)를 사용하는 것이다. 특별 씰란트가 분사된 세라믹 코팅이 심지어 눅눅한 환경에서도 절연 특성을 유지할 수 있도록 도와준다. 결과적인 산화물 세라믹 코팅은 매우 단단하며, 마모 저항성이 있고, 양호한 열 절달 특성을 가진다. 때때로 아웃터 레이스는 아웃터 사이드에서 코팅되고, 때때로 인너 레이스는 인너 사이드에서 코팅된다. 베어링은 코팅의 두께가 고려되어 세라믹 코팅된 베어링이 통상의 베어링과 대체될 수 있도록 하는 방식으로, 예를 들어 DIN 616 (ISO15)에 따라, 통상 만들어진다. 베어링은 깊은 홈을 가지는 볼 베어링일 수 있으며, 개방 및 밀봉 형태 모두로 사용될 수 있다(한 쪽 또는 양 쪽 사이드에 립 씰(rip seal)을 가짐). 이것은 사용자가 수명이 다할 때까지 지속되는 윤활에 의해 제공되는 장점을 누릴 수 있도록 한다.
플라즈마 분사 프로세스는 플라즈마 토치(plasma torch)로부터 분사되는 불활성 가스(noble gas)를 이온화하는 두 개의 전극(electrodes) 사이의 아크(arc)의 생성을 포함한다. 결과적인 플라즈마 젯(jet)은 열에 의해 녹고 아웃터 또는 인너 링에 높은 속도록 분사되는 분사 알루미늄 산화물 파우더(injected aluminium oxide powder)를 이송하기 위해 사용된다. 이러한 방식으로 적용될 때, 산화물 레이어는 기본 물질에 매우 잘 부착되며 안착된다. 현재의 코팅은 적어도 1000VDC 또는 적어도 500VDC의 절연 내력(dielectric strength)을 보장하는 것으로 활용된다.
이 전압 아래에서는 절연 레이어가 베어링을 통한 매우 낮은 수준의 전류 흐름을 허용한다. 그것은 DC 전류 및 AC 전류에 대한 저항성을 제공한다.
상온(room temperature)에서 분사된 세라믹 레이어는 베어링 크기에 따라 1 내지 10GOhm의 DC 저항을 갖는다. 온도가 상승함에 따라 DC 저항은 지수함수적으로 감소하고, 전형적으로 10°K 마다 대략 40 내지 50% 감소한다. 그러나, 60℃ 또는 80℃의 작동 온도에서도, 절연 레이어는 몇 MOhm의 저항을 여전히 갖는다. 옴의 법칙에 따르면(즉, I는 R에 의해 나누어진 V와 동일함), 이것은 1000V 이상의 전압은 베어링에게 결정적이지 않은 1 밀리암페어(milliampere) 보다 크게 낮은 전류를 생성한다는 것을 의미한다.
AC 저항과 관련하여 절연 유닛은 전하를 축적하는 커패시터처럼 거동한다. AC 전압에 노출될 때, 이것은 롤링 요소와 레이스웨이 사이의 접촉 영역을 통해 교류 전류가 흐르도록 초래한다. 각 주파수(angular frequency) ω를 가지는 조화 시간 의존성(harmonic time dependence)에 있어서, 전류 및 전압의 루트 평균 값(root mean square value)은 식 I=V.ω.C.에 의해 산출된다.
옴의 법칙과 유사하게 Z=1/ωC는 베어링의 커패시티브 저항이다. 산화물 세라믹 코팅을 가지는 베어링은 베어링 크기에 따라 2 내지 20nf의 커패시턴스를 통상 가진다. 따라서, 50Hz의 주파수에서, 그것은 그 DC 저항보다 크게 낮은 0.15 내지 1.5MOhm의 커패시턴스 저항을 갖는다. 더 높은 주파수에서 이 값은 더욱 감소한다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 경우에, 1V보다 높은 전압에서 매우 낮은(1 Ohm 이하) 비절연 베어링의 저항보다 매우 높을 것이다. 사용되는 코팅 두께는 100㎛보다 다소 낮은 값에서부터 200㎛의 평균 값까지 또는 심지어 200㎛보다 큰 값까지 가변된다.
종래 기술에서 관찰되는 하나의 특별한 조건은 코팅되는 표면이 실린더 형상이어야만 한다는 것이며, 그것들이 윤활 구멍이나 홈(groove)에 의해 방해를 받아서는 안 된다는 것이다.
또한 전형적으로 세라믹 롤링 요소가 아니라 롤링 베어링 스틸(steel)로 만들어지는 링(ring)을 갖는 아크 하이브리드 베어링(arc hybrid bearing)이 알려져 있다. 롤링 요소는 근본적으로 마모로부터 자유롭고 필요한 전류 절연을 제공한다. 이러한 베어링은 세라믹 코팅된 베어링보다 전류 통로의 더 큰 저항을 가진다. 심지어 높은 온도에서 DC 저항은 GOhm 범위에 있다. 베어링은 전형적으로 100자리만큼 세라믹 코팅된 베어링보다 낮은 대략 40pf의 커패시턴스를 갖는다. 이러한 롤링 베어링은 감소된 작동 온도를 의미하는 높은 속도에서의 더 낮은 저항을 갖는다. 또한 그것들은 더 좋은 건조 작동 특성을 갖는다. 이러한 하이브리드 베어링은 전형적으로 전통적인 윤활되는 베어링보다 더 긴 그리스(grease) 수명을 갖는다.
비록 위의 종래 기술의 설명은 일반적으로 롤링 요소 베어링에 관련된 것이지만, 유사한 문제가 리니어 베어링(linear bearing) 및 슬라이딩 베어링(sliding bearing)에도 발생할 수 있으며 그에 따라 전류 절연을 그러한 리니어 베어링 및 슬라이딩 베어링에 제공하는 것도 일정 환경에서는 유익할 수 있다.
본 발명의 주요 과제는 높은 경도(hardness)와 높은 전류 절연 특성을 가지는 베어링 부품을 제공하는 것이며, 절연 특성은 500VDC보다 좋은, 바람직하게는 1000VDC보다 좋은 전압 절연 특성을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 0.1Aeff/㎜2 보다 작은 유효 전류에 대해 이 값들은 종래에 알려진 코팅보다 매우 얇은 코팅에 의해 달성될 수 있어야 한다.
나아가, 본 발명의 목적은 레이스의 홈이나 윤활 구멍이 전류 절연과 관련하여 더 이상 문제가 되지 않는 전류 절연 베어링을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 베어링 레이스뿐만 아니라 롤링 요소의 케이지(cage) 및 롤링 요소 그 자체에도 사용될 수 있는 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적용하는 것이 상대적으로 저렴하고 다양한 레이어 두께에서 우수한 전류 절연 특성을 갖는 높은 경도를 가지는 전류 절연 코팅을 제공하는 것이다. 또한 높은 균일성 및 높은 재생산성을 가지는 전류 절연 코팅을 생산하는 것이 요구된다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 베어링 부품은 롤링 요소 베어링 및 슬라이딩 베어링의 리니어 베어링(linear bearing)의 부품과 같은, 예를 들어 베어링 레이스, 테이퍼 롤러(tapered roller)와 같은 롤링 요소, 배럴 롤러(barrel roller), 니들 롤러(needle roller), 베어링 볼(bearing ball) 및 롤링 요소 케이지(rolling element cage)를 포함하는 그룹에서 선택된 부품이며, 상기 부품의 적어도 하나의 표면 영역에, PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스(그러나 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스는 제외)에 의해 형성된 높은 전류 절연 특징을 가지는 적어도 하나의 레이어를 가지며, 상기 적어도 하나의 레이어는 Al2O3 레이어, TaO 레이어(더 일반적으로 TaxOy 레이어), SiO2 레이어(더 일반적으로 SixOy 레이어), 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상을 포함하는 혼합 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상의 교대로 배치되는 층을 포함하는 다층 구조, 및 ta-C 레이어와 같은 DLC 레이어를 포함하는 그룹에서 선택되는 비전도성의 산화물(oxide) 레이어를 포함하고, 높은 경도 및 높은 전류 절연 특성을 가지며 상기 적어도 하나의 층 위에 ALD(atomic layer deposition) 프로세스에 의해 증착되는 물질의 적어도 하나의 층을 포함하는 적어도 하나의 ALD 레이어가 구비되며, 상기 ALD 레이어 그 자체는 높은 전류 절연성을 가지며 상기한 물질 그룹으로부터 선택되는 레이어 구조의 물질을 포함한다.
발명은 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 DLC 코팅을 증착(deposition)하기 위한 캐소드 스퍼터링 장치(cathode sputtering apparatus)의 개략도이다.
도 2는 도 1의 장치의 진공 챔버의 변형된 버젼의 단면도이다.
도 3a 내지 3c는 ALD 레이어를 증착하기 위한 예의 세 개의 연속된 과정을 보여준다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 제1 복합 코팅(composite coating)의 개략도이고, 도 4의 (b)는 (a)의 복합 코팅의 단면의 확대도이며, 도 4의 (c)는 표면이 마모된 후에 도 4의 (a) 및 (b)의 코팅의 확대도이다.
도 4d는 더 얇은 ALD 실링 레이어(ALD sealing layer)를 가지는 도 4의 (b)와 유사한 확대도이다.
도 4e는 표면이 마모된 후 도 4d의 확대도이다.
도 5는 ALD 코팅을 증착하기 위해 사용되는 챔버를 나타낸다.
도 6a 내지 6f는 본 발명의 실시예를 위해 사용되는 코팅 시스템의 예들을 보여준다.
모든 도면에서 동일한 요소 또는 특징을 위해 또는 동일한 작용을 가지는 오소를 위해서 동일한 도면부호가 사용되었으며, 특정 요소를 위해 주어진 설명은 중요성의 차이가 있지 않으면 불필요하게 반복되지 않았다. 따라서 특정 요소나 특징을 위해 한 번 이루어진 설명은 동일한 도면부호가 사용된 다른 요소에도 적용될 것이다. 또한 제1 레이어를 위해 PVD, CVD, PECVD 프로세스를 사용하고 제1 레이어 위에 제2 레이어를 증착하기 위해 ALD를 사용하는 베어링 부품의 코팅 방법을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
DLC 코팅(유사 다이아몬드 카본 코팅; Diamond Like Carbon Coatings)의 소개로, 2009년 9월 쿄토(Kyoto)에서 제4차 세계 마찰공학 회의(World Tribology Congress)에서 제시된 R. Tietema, D. Doerwald, R. Jacobs and T. Krug에 의한 "자동차 부품으로의 마찰공학적 적용을 위한 유사 다아이몬드 카본 코팅(Diamond-like Carbon Coatings for tribological applications on Automotive Components)"라는 제목의 논문을 참조할 수 있다. 그 논문은 1990년대 초반부터의 유사 다이아몬드 카본 코팅(diamond-like carbon coating)의 제조에 대해 논의한다. 거기에서 설명된 대로, 최초의 유사 다이아몬드(diamond-like) 코팅(DLC-coatings)은 자동차 부품 시장에 소개되었다. 이러한 코팅들은 HP 디젤 연료 분사 기술의 개발을 가능하게 하였다.
독일 표준 VDI 2840("Carbon films: Basic knowledge, film types and properties")은 다이아몬드 또는 유사 다이아몬드 코팅으로 지시되는 카본 필름에 대한 잘 정의된 개요를 제공한다.
마찰 공학적 응용의 중요한 코팅은 무수소 정방정계(hydrogen-free tetragonal) "ta-C" 코팅 및 ta-C:H 코팅이라고 불리는 병합된 수소(incorporated hydrogen)을 가지는 이러한 종류의 코팅들이다. 또한 마찰 공학적 응용의 중요한 것은 a-C 코팅 및 a-C:H 코팅이라고 각각 불리는 병합된 수소를 가지거나 가지지 않는 비정형 카본 코팅(amorphous carbon coatings)이다. 더욱이, 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)와 같은 금속 카바이드 물질을 포함하는 a-C:H:Me 코팅이 자주 사용된다. a-C:H 코팅은 CVD 및 특히 플라즈마 강화 CVD 프로세스 및 PVD 프로세스에 의해 알려진 방식으로 증착될 수 있다. PVD 프로세스는 a-C:H:Me 코팅을 증착하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 프로세스들은 위에서 언급된 논문에서 그 자체로 잘 알려져 있으며 여기서는 더 이상 설명되지 않을 것이다.
오늘날까지, ta-C 코팅은 아크 프로세스(arc process)를 사용하여 형성되었다. 20GPa 내지 90GPa 범위, 특히 30GPa 내지 80GPa 범위의 경도(hardness)가 유용한 것으로 간주된다(다이아몬드는 100GPa의 경도를 가짐). 그러나, 아크 프로세스는 매크로파티클(macroparticles)의 생성을 낳기 때문에, 코팅이 매우 거칠다. 표면은 매크로파티클로 인해 거친 지점들을 갖는다. 따라서 비록 낮은 마찰이 달성되기는 하지만, 마찰 공학적 시스템에서 상대 부품의 마모율(wear rate)이 매크로파티클에 의해 야기되는 표면 거침에 의해 비교적 커지게 된다.
무수소 ta-C 코팅은 그것의 양호한 전기 절연 특성 때문에 본 발명에서 매우 흥미롭다.
먼저 도 1을 참조하면, 진공 코팅 장치(10)는 복수의 기판들(substrates) 또는 제조 제품들(workpieces)(12)을 코팅하기 위한 것으로 도시되어 있다. 상기 장치는, 본 예에서는 챔버(14)에서 가스 상태로 존재하는 물질의 이온, 즉 불활성(inert) 가스 이온 및/또는 각각의 캐소드를 형성하는 물질의 이온을 생성하기 위한 목적을 가지는 고(high) 전력 임펄스 전원 공급기(18)(여기서는 하나만 도시됨)를 각각 구비하는 적어도 하나의, 바람직하게는 두 개 또는 그 이상의 마그네트론 캐소드(16)를 가지는, 금속 재질의 진공 챔버(14)를 포함한다. 캐소드(16) 두 개는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 모드(dual magnetron sputtering mode)에서의 작동을 위해 바람직하게는 서로 대향되게 배치된다. 이것은 뒤에서 보다 상세히 설명될 바와 같이 마그네트론 스퍼터링에 의한 Al2O3 코팅의 증착을 위해 유익할 수 있다. 제조 제품(12)은 전동 모터(24)에 의해 화살표(22) 방향으로 회전하는 테이블(20)의 형태를 갖는 지지 장치에 장착된다. 전동 모터는 테이블(20)에 연결되는 샤프트(26)를 구동한다. 샤프트(26)는 그 자체로 자명한 씰링되고 고립된 방식으로 챔버(14)의 바닥에 형성된 리드-쓰루(lead-through)(28)를 통과한다. 이것은 바이어스 전원 공급기(32)의 한 단자(30)가 리드(lead)(27)를 통해서 제조 제품 지지체(20) 및 그에 따라 제조 제품에 연결되는 것을 허락한다. 이 기판 바이어스 전원 공급기(32)는 바이어스 파워 공급기(bias power supply)의 약자인 문자 BPS로 도시되어 있다. BPS는 WO2007/115819로 공개된 유럽 출원 07724122.2에 설명된 바와 같이, 특히 도 1 내지 도 3의 실시예와 관련하여, HIPIMS-바이어싱 능력을 바람직하게 구비한다. 비록 여기에는 테이블(20)에 하나의 회전만이 나타나 있으나, 지지 장치가 적절히 디자인되면, 제조 제품(12)을 지지 장치의 트리(29)는 그 자신의 길이방향 축에 대해 회전될 수 있으며(이중 회전(two-fold rotation)), 필요하다면 제조 제품은 그 자신의 축에 대해 회전될 수 있다(3중 회전(three-fold rotation)).
또한 바이어싱은 펄스 바이어싱(pulsed biasing) 또는 RF-바이어싱에 의해 행해질 수도 있다. 펄스 바이어싱은 HIPIMS-캐소드 펄스(또한 WO2007/115819에 설명된)와 동기화될 수 있다. 양호한 결과는 WO2007/115819의 도 1 내지 도 3과 관련하여 설명된 HIPIMS-DC 바이어싱으로 달성될 수 있다.
본 실시예에서, 진공 챔버(14)의 금속 하우징은 그라운드에 연결된다. 고(high) 임펄스 캐소드 전원 공급기(들)(18)의 포지티브(positive) 단자(들)는 유사하게 하우징(14)에 연결되고 그에 따라 바이어스 전원 공급기(32)의 포지티브 단자 뿐만 아니라 그라운드(36)에 연결된다.
추가 전기 전압 공급기(further electric voltage supply)(17)가 장치가 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 모드로 작동하는 때의 사용을 위해 구비되며, 뒤에서 더 상세히 설명될 것이다. 그것은 스위치(19)를 통해 바이어스 전원 공급기(32) 대신에 회전 테이블(20)에 연결될 수 있다. 전기 전압 공급기(17)은 최대 9,000 볼트(volts), 전형적으로 500 내지 2,500 볼트 범위의 주기적 가변 중간 주파수 전압(periodically variable medium frequency voltage)을 20 내지 250 kHz의 범위의 주파수에서 테이블(20)에 장착된 제조 제품(12)에 인가하도록 형성될 수 있다.
연결 스터브(connection stub)(40)는 진공 챔버(14)의 상면에 구비(그러나 다른 위치에 배치될 수도 있다)되고 밸브(42) 및 추가 덕트(44)를 통해 처리 챔버(14)의 진공 형성을 위한 목적으로 진공 시스템에 연결될 수 있다. 사실상 이 연결 스터브(40)는 도시된 것보다 훨씬 크며, 챔버에 고(high) 진공을 형성하기에 적합하거나 덕트(44) 또는 챔버(14)에 직접 플랜지 연결되는 펌핑 스탠드(pumping stand)와의 연결을 형성한다. 진공 시스템 및 펌핑 스탠드는 도시되어 있지 않으나 본 기술 분야에서 잘 알려져 있다.
유사하게, 불활성 가스의 공급, 특히 아르곤(argon)의 진공 챔버(14)로의 공급을 위해 작용하는 라인(50)은 밸브(48) 및 추가 연결 스터브(46)를 통해서 진공 챔버(14)의 상면에 연결된다. 아세틸렌(acetylene), 산소 또는 질소와 같은 다른 프로세스 가스의 공급을 위해, 추가 가스 공급 시스템(43, 45, 47)이 사용될 수 있다.
일반적으로 설명된 종류의 진공 코팅 장치는 종래 기술에서 알려져 있으며 종종 두 개 또는 그 이상의 캐소드(16)를 구비한다. 예를 들어, 진공 코팅 장치는 챔버가 대략적으로 사각형 형상의 단면을 가지고 네 변 각각에 하나의 캐소드를 구비하는 Hauzer Techno Coating BV사로부터 활용 가능하다. 이 디자인은 챔버(14)로의 접근을 허용하는 도어(door)가 디자인된 하나의 측면을 가진다. 다른 디자인에서는 챔버는 챔버의 세 변을 각각 형성하는 두 개의 도어를 가지는 대략 팔각형의 단면을 가진다. 각 도어는 세 개의 마그네트론 및 연관된 캐소드(16)를 가질 수 있다. 전형적인 진공 코팅 장치는 본 출원의 대략적인 도면에는 도시되지 않은 추가 장치들을 구비한다. 그러한 추가 장치들은 다크 스페이스 쉴드(dark space shield), 기판의 사전 가열을 위한 히터, 그리고 때로는 다양한 디자인의 전자 빔 소스(electron beam source) 또는 플라즈마 소스(plasma source)와 같은 아이템을 포함한다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착 모드에서의 사용을 위한 이온 소스(ion source)는 도 1에 도면부호 21에 의해 도시되어 있으며, 대체로 진공 챔버의 중심 길이방향 축에 위치된다. 그것은 그 자신의 전원 공급기 또는 이온 소스의 다른 알려진 디자인에 연결되는 저항 가열 필라멘트(resistance heating filament)일 수 있다. 이온 소스(21)는 직류 전압 공급기(direct voltage supply)(도시되지 않음)의 네거티브 출력단에 연결된다. 직류 전압 공급기의 포지티브 극은 스위치에 의해 테이블(20)에 연결될 수 있으며 그에 따라 PECVD 프로세스 동안 지지 장치와 제조 제품(12)에 연결될 수 있다.
또한 도 1의 진공 챔버는 두 개의 코일(23, 25)을 챔버의 상부와 바닥에 각각 구비한다. 이것들은 DC 전원 공급기 또는 각각의 DC 전원 공급기들에 연결될 수 있으며, 헬름홀쯔 코일(Helmholz coil)로 작동하고 챔버의 축을 따른 자기장을 강화한다. 전류는 코일(23, 25)의 각각을 통해서 동일하게 흐른다. 플라즈마 강도 및 제조 제품(12)에서의 전류 흐름은 코일(23, 25)에서의 전류 흐름 및 그에 따라 그것에 의해 생성되는 자기장에 비례한다는 것을 알 수 있다.
마그네트론 캐소드에 추가하여 동일한 챔버에서 각각의 아크 전원 공급기들을 아크 캐소드들에 제공하는 것이 또한 가능하다.
코팅 장치의 개별 요소들은 바람직하게는 컴퓨터 기반의 프로세스 컨트롤에 모두 연결될 수 있다. 이것은 진공 코팅 장치의 모든 기본 기능들(진공 펌핑 시스템, 진공 수준(진공 챔버 내의 압력), 전원 공급기들, 스위치들, 프로세스 가스 공급 및 가스 흐름 제어, 코일(23, 25)에서의 전류, 가변 배치된 마그넷의 위치, 안전 제어 등)을 조직화가 가능해진다. 그것은 또한 모든 관련 가변 파라미터들의 특정 값이 코팅 및 프로세스 요구에 가변적으로 매칭될 수 있도록 하고 특정 반복 가능한 조합의 코팅을 제조하도록 하는 것을 가능하게 한다.
장치를 사용할 때 공기는 진공 펌핑 시스템에 의해 덕트(44), 밸브(42) 및 스터브(40)를 통해서 진공 챔버(14)로부터 먼저 배출되며, 아르곤이 라인(50), 밸브(48) 및 연결 스터브(46)를 통해서 공급된다. 챔버 및 제조 제품들은 제조 제품들 또는 챔버 벽에 붙어 있는 임의의 휘발성 가스 또는 혼합물을 배출하기 위한 펌프-다운(pump-down) 작동 동안 예열된다.
챔버로 공급되는 불활성 가스(아르곤)는 최초에 예를 들어 우주 복사(cosmic radiation)에 의해 항상 이온화되고 이온과 전자로 나누어진다.
제조 제품에 충분히 큰 네거티브 바이어스 전압(negative bias voltage)을 형성함으로써, 글로우 방전(glow discharge)이 제조 제품에 일어날 수 있다. 아르곤 이온은 제조 제품으로 끌려가고 제조 제품의 물질과 충돌하며, 그에 따라 제조 제품을 에칭한다.
이것 대신에, 아르곤(Ar) 이온은 플라즈마 소스에 의해 생성될 수 있다. 생성된 이온은 네거티브 기판 바이어스 전압(negative substrate bias voltage)에 의해 제조 제품으로 끌려갈 수 있고 그리고 제조 제품을 에칭할 수 있다.
에칭 처리가 수행되자마자, 코팅 모드가 스위치 온 된다. 스퍼터 방전(sputter discharge)을 위해, 증착 진행 동안 캐소드는 활성화된다. 아르곤 이온은 타겟(target)에 충돌하고 타겟으로부터 핵이 이탈되도록 한다. 전자들은 스퍼터링 때문에 타겟으로부터 분출되고 다크 스페이스 전압 경도(dark space voltage gradient)에 의해 가속된다. 그 에너지로 전자들은 아르곤 원자들과 충돌할 수 있고, 거기서 2차 전자가 분출되고 방전을 유지하도록 도와준다. 캐소드들 각각은 그 자체로 잘 알려져 있고 연관된 캐소드의 표면을 덮도록 연장되는 폐 루프(closed loop)의 형태의 자기 터널(magnetic tunnel)을 일반적으로 형성하는 자석 시스템(도 1에는 도시되지 않음)을 구비한다. 폐 루프 형태로 형성되는 이 터널은 전자에 힘을 가하여 루프 주위를 움직이고 진공 챔버(14)의 가스 대기에서 추가 이온화를 야기하도록 아르곤 원자와 충돌하도록 한다. 이것은 연관된 캐소드의 물질로부터 챔버에서 추가 이온화 및 추가 아르곤 이온의 생성을 야기한다. 증착 진행 동안 이러한 이온들은 예를 들어 10V 내지 1200V의 인가된 네거티브 바이어스 전압에 의해 기판으로 끌려갈 수 있고 코팅 특성을 조절할 수 있도록 적당한 에너지로 제조 제품의 표면에 충돌할 수 있다.
HIPIMS 방전의 경우, 다른 방전 모드가 효과적이다. 이온의 수가 급격히 증가하며 결과적으로 타겟으로부터 이탈된 목표 물질 입자들은 이온화된다. 이것은 일반적인 스퍼터 방전과는 다른 것이다. 결과적으로 챔버에 존재하는 가스들은 역시 많이 이온화된다. 이것은 도판트(dopant)가 적용될 때 특히 유익하다.
캐소드 또는 캐소드들로의 전압 공급기는 캐소드의 물질의 이온 플럭스(flux)가 제조 제품(12)에 의해 차지된 공간으로 이동하고 각 캐소드의 물질로 이들을 코팅하도록 강요한다. 코팅의 구조는 제조 제품으로의 이온들의 움직임에 영향을 주는 인가된 네거티브 바이어스 전압에 의해 영향을 받는다.
스퍼터링 과정은 다양한 형태로 알려져 있다. 캐소드에서 일정한 전압으로 제조 제품에서 일정한 음의 전압으로 작용하는 과정들이 있으며 이것은 DC 마그네트론 스터퍼링이라고 명명된다. 캐소드들의 적어도 하나가 펄스 모드(pulsed mode), 즉 펄스 파워가 펄스 파워 공급기에 의해 캐소드로 공급되는 모드에서 작동되는 펄스 DC 스퍼터링이 마찬가지로 알려져 있다.
펄스 방전의 특별한 형태는 HIPIMS 방전이다. HIPIMS 모드에서 전력 임펄스 동안 각 캐소드로 공급되는 전원은, 각 펄스 사이에 충분한 간격이 있기 때문에, DC 스퍼터링 모드의 전원보다 훨씬 높을 수 있다. 그러나, 평균 전원은 DC 스퍼터링과 동일하게 유지된다. 전원의 제한적인 제약은 이러한 과열 전에 캐소드에서 분산되는 열의 양이다.
HIPIMS의 사용은 진공 챔버에서의 더 높은 이온화 및 향상된 코팅을 유발한다. 예를 들어, 잘 알려진 HIPIMS 스퍼터링(고 전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링)에서, 각 전원 펄스는 10㎲의 지속시간을 가지며 펄스 반복 시간은 2000㎲ (500Hz의 펄스 반복 주파수, 즉 1990㎲ 임펄스들 사이의 공간에 대응하는)이 사용된다. 다른 예들로서, 펄스 반복 주파수는 50Hz일 수 있으며, 펄스 지속은 100㎲, 즉 20㎳ 내지 100㎲의 임펄스 사이의 간격일 수 있다. 이 값들은 단지 예로서 주어진 것이며 넓은 한계 내에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 임펄스 지속시간은 10㎲ 내지 4㎳ 사이에서 선택될 수 있으며, 펄스 반복 시간은 200㎲ 내지 1s 사이에서 선택될 수 있다. 캐소드에 매우 높은 피크(peak) 전원이 인가되는 동안의 시간이 짧기 때문에, 평균 전력은 DC 스퍼터링 과정의 그것과 대등한 적정한 레벨로 유지될 수 있다. 그러한 캐소드에서의 고 전력 임펄스의 적용에 의해 이것들은 캐소드에서 방출되는 이온들의 매우 높은 이온화가 일어나는 다른 모드에서 작동하고: 물질 의존적인 이 이온화의 높은 정도는 40% 내지 90% 이상인 범위에 속한다는 것이 알려졌다. 이 이온화의 높은 정도의 결과로서, 많은 더 많은 이온들이 제조 제품에 의해 끌려가서 더 진한 코팅을 야기하고 통상의 스퍼터링 또는 아크 코팅에 비해 완전히 다르고 더 좋은 코팅 특성을 성취하는 것이 가능해지는 더 높은 속도로 거기에 도달하게 된다.
그러나 전원이 전원 피크에서 공급된다는 사실은 이러한 전원 피크 동안에 바이어스 전원 공급기에서 상대적으로 높은 전류가 흐르고 전류가 보통의 전원 공급기에 의해 쉽게 공급될 수 없다는 것을 의미한다.
이 어려움을 극복하기 위해 WO 2007/115819는 추가 전압 소스(60)가 구비되는 바이어스 전원 공급 BPS(32)와 관련하여 이 출원의 도 1에 도시된 해결책을 제시한다. 추가 전압 소스(60)는 커패시터(capacitor)에 의해 가장 잘 실현될 수 있다. 커패시터(60)는 관례적인 바이어스 전원 공급기에 의해 요구되는 출력 전압까지 충전된다. 전원 임펄스가 HIPIMS 전원 공급기(18)로부터 캐소드 중 하나에 도달할 때 이것은 이온의 증가된 물질 흐름, 특히 캐소드 물질의 이온의 제조 제품(12)으로의 흐름을 낳고 이것은 제조 제품 지지 테이블(20) 및 라인(27)을 통한 바이어스 전원 공급기에서의 바이어스 전류의 증가를 의미한다. 보통의 바이어스 전원 공급기는 HIPIMS 작동 대신에 일정한 DC 작동을 위해 디자인된 경우 이러한 피크 전류를 전달할 수 없다. 그러나 바이어스 전원 공급기에 의해 전원 임펄스들 사이의 기간 동안에 원하는 전압까지 충전되는 커패시터(62)는 기판에서의 원하는 바이어스가 좁은 한도 내에서 일정하게 유지될 수 있도록 유지할 수 있으며 커패시터의 방전의 작은 정도를 단지 일으키는 요구되는 전류를 공급할 수 있다. 이러한 방식으로, 바이어스 전압은 적어도 실질적으로 일정하게 유지된다.
예들 들어 방전은 -50V의 바이어스 전압이 전원 펄스 동안 -40V로 떨어지는 방식으로 일어날 수 있다.
본 발명의 단순한 가르침에서, 캐소드들(16) 중 하나는 본드 레이어(bond layer) 물질을 공급하기 위한 Cr, Ti 또는 Si 타겟이다. 가능하게, 다른 물질들이 또한 본드 레이어로 사용될 수 있다.
ta-C 레이어의 형태로 DLC 레이어를 증착할 때, 제조 제품들은 테이블(20) 위에 놓이고 그 자체로 알려진 방식으로 카본 캐소드로부터 PVD 프로세스에 의해 만들어진다. 챔버(10)는 제조 제품들이 놓일 수 있는 850mm의 작업 공간의 높이를 갖는다. 기판 위에 경질(hard) 무수소 카본 레이어의 양호한 접착을 확보하기 위해, 장치는 카본 아크에 의한 ta-C를 증착할 때 사용되는 것과 같은 표준적인 ARC 레이어를 최초에 사용하였다. 그것은 바람직한 해결책이 아니고 아크 과정은 잘 알려진 것이기 때문에 이것이 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 2는 도 1의 진공 챔버에서 제조 제품은 생략한 상태로 수직 축에 대해 직각인 단면을 더 상세하게 보여주는 도면이다. 챔버는 또한 네 개의 캐소드, 즉 본드 레이어 물질로서 Cr 한 개, 카본의 소스로서의 그라파이트(graphite) 한 개, 그리고 대체적인 산소(oxygen) 환경에서의 듀얼 마그네트론 스퍼터링에 의한 Al2O3의 형성을 위한 알루미늄 두 개를 가진다.
Al로 표시된 두 개의 캐소드(16)는 알루미늄 재질이며 마그네트론의 잘 알려진 마그네틱 터널을 형성하기 위해 중심 극에 N(north) 극성을 갖고 외측에 S(south) 극성을 갖는 자석 배열을 가진다. 캐소드들은 정면에서 볼 때 연장된 사각형 형태를 가지며 여기서는 그 길이방향 축에 대해 수직인 단면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같은 SNS 극성 대신에, 도 2의 상부 및 하부의 Cr 및 C 캐소드를 위한 자석 배열과 같이 NSN 극성을 가질 수 있다. 그러면 Cr 및 C 캐소드(16)는 SNS 극성을 가지는 자석 배열을 가질 수 있다.
자석 배열은 각각의 캐소드들(16)을 향하거나 이로부터 멀어지는 각각의 더블 화살표들(82)의 방향을 따라 이동될 수 있다. 이것은 HIPIMS 캐소드의 작동을 위한 중요한 제어 파라미터이다.
아이디어는 마그네트론이 진공 챔버(14)를 순환하며 교호의 극성을 갖는다는 것이다. 이것은 짝수의 캐소드에서 자기 극은 챔버를 순환하면서 항상 교대로 배열, 즉 N, S, N, S, N, S, N, S, N, S, N, S로 배열된다는 것을 의미한다. 이것은 플라즈마의 향상된 자기 밀폐(magnetic confinement)를 낳는다. 만약 모든 캐소드가 동일한 극성, 예를 들어 NSN을 갖는다면, 유사한 자기 밀폐가 또한 달성될 수 있다. 그러면 챔버 둘레를 따라 유사한 N, S, N, S, N 배열을 얻기 위해서 인접한 마그네트론 사이의 보조 S 극들을 구동하는 것이 필요하다. 설명된 배열은 단지 짝수 개의 마그네트론의 경우에 작동한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 어떤 극들을 다른 극들보다 강하게 만드는 것에 의해 또는 보조 극들의 사용에 의해 홀수 개의 마그네트론의 경우에도 유사한 효과를 얻는 것이 또한 가능하다. 폐쇄 플라즈마를 얻기 위한 그러한 디자인은 잘 알려져 있으며 다양한 특허출원에서 문서화되어 있다. 폐쇄 플라즈마가 달성되는 것이 본질적인 것은 아니다.
도 2가 또한 보여주는 것은 챔버(14) 외부에 SNS 극 또는 NSN 극을 가지는 자석들과 유사하게 배치되는 네 개의 직사각형 코일(coil)(80)이다. 코일은 전자석을 형성하며 각각의 캐소드(16)의 외부 자석들과 동일한 극성을 가진다. 이러한 전자석 코일들(80)은 캐소드들(16)의 정면 및 챔버(14) 내에서 자속(magnetic flux)이 변경될 수 있도록 만든다.
진공 코팅 시스템은 다음과 같이 작동될 수 있다.
챔버 및 그 내부에 위치되는 제조 제품은 우선 10-4mbar 보다 낮은 압력, 예를 들어 10-5mbar 압력으로 진공 처리되고, 예를 들어 75sccm의 흐름 속도로 아르곤을 챔버로 공급하는 동안 예열된다. 이 기간 동안 챔버 및 제조 제품의 가열은 제조 제품의 표면 및 챔버 벽에 흡착된 가스 및 물과 같은 오염물을 제거하며, 이 오염물은 진공 시스템에 의해 진공 챔버 내의 잔존하는 주위 가스 및 공급되는 아르곤 가스의 비율과 함께 제거된다. 따라서 아르곤 가스는 점차로 진공 챔버의 잔류물을 몰아낸다. 이 예열 및 세척 단계 이후에 추가 세적이 클리닝 및 에칭 처리 동안 수행된다. 이 처리는 진공 챔버 내의 아르곤 대기를 사용하여 Ar 이온으로 제조 제품(12) 상에서 수행된다. 이 단계는 10 내지 30 분의 기간 동안 수행된다. 이온 소스는 위에서 언급된 이온 소스(21) 또는 다른 이온 소스일 수 있다.
에칭 단계의 다른 옵션은 -500 내지 -2000V의 상대적으로 높은 기판 바이어스를 이용하는 HIPIMS 마그네트론 에칭 모드에서 수행되는 Cr, Ti 또는 Si 타겟을 이용하는 HIPIMS 에칭의 사용이다. 이것은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있으며 Sheffield Hallam University의 EP-B-1260603에서 설명되어 있다. Cr, Ti 또는 Si 캐소드에 인가되는 전형적인 시간 평균 동등 DC 에칭 전력은 1 내지 25kW 범위에 속한다.
두 번째 단계에서 Cr, Ti 또는 Si 본드 레이어가 금속 표면에 증착된다. 이것은 스퍼터 방전 모드 또는 HIPIMS 코팅 모드에서 작동되는 Cr, Ti 또는 Si 타겟으로부터 대략 10 내지 20분 동안 수행된다. 이와 관련하여, HIPIMS 모드를 사용하는 경우 발산되어 캐소드에 효과적으로 인가되는 최대 평균 전력은 캐소드의 원하지 않는 온도 상승 또는 원하지 않는 융해(melting)를 야기하지 않는 전력이다. 따라서 DC 스퍼터링 작동에서 대략 15 W/cm2의 최대 전력이, 타겟의 허용될 수 있는 열적 부하(thermal load)에 따라, 비직접적으로 냉각된 타겟의 경우에 특정 캐소드에 인가될 수 있다. HIPIMS 작동에서, 1 Hz - 5 kHz 보다 낮은 펄스 반복 주파수에서 10 내지 4000㎲의 폭의 펄스에서 전력을 전형적으로 인가하는 펄스 전원 공급기가 사용된다. 예를 들어, 펄스가 20μsec 동안 스위치 온 되고 5kHz의 펄스 주파수가 인가되면, 각 펄스는 180kW의 연관된 전력을 가질 수 있으며 이의 평균 전력은 다음과 같다.
P = 180kW x (20μsec/(200-20)㎲=20kW
따라서 이 예에서 HIPIMS 펄스 동안 공급될 수 있는 최대 펄스 전력은 180kW이다.
대략 0 내지 200V의 적당한 네거티브 기판 바이어스가 본드 레이어의 증착 동안 제공되어야 한다. 챔버 내의 압력은 10-4 내지 10-3mbar 사이일 수 있다. 본드 레이어의 증착은 또한 필터된(filtered) 아크 캐소드(filtered arc cathodes)로 수행될 수 있다. 또한 비 필터된(unfiltered) 아크 캐소드의 사용도 가능하나, 이것은 방울의 생성 때문에 코팅의 추가적인 거칠기를 야기할 것이기 때문에 덜 유익하다.
세 번째 단계에서 Cr-C, Ti-C 또는 Si-C 전이(transition) 레이어가 HIPIMS 모드에서 Cr, Ti 또는 Si 타겟 및 그라파이트 타겟의 동시 작동 또는 대략 -50 내지 -2000V 기판 바이어스를 갖는 카본-아크 캐소드에 의해 대략 1 내지 5분 동안 증착된다. 챔버 내의 압력은 다시 10-4 및 10-3mbar 사이의 범위에 속할 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치는 전형적으로 복수의 마그네트론 및 연관된 캐소드를 포함하며, 그 중 적어도 하나는 접착 레이어 물질(Cr, Ti 또는 Si)을 포함한다. 본드 레이어 물질을 위한 적어도 하나의 캐소드는 아크 캐소드(필터된 또는 비 필터된)일 수 있다. 장치는 DLC 레이어의 증작 이전에 기판 또는 기판들 위에 접착 레이어 물질의 증착을 위한 본드 레이어 물질의 스퍼터링을 위한 전원 공급기를 더 포함한다. 본드 레이어 물질의 전형적인 예는 이미 언급된 Cr, Ti 또는 Si이다. 따라서 통상 두 개의 캐소드의 최소가 있을 수 있을 수 있으며, 전형적으로 하나는 Cr이고 하나는 그라파이트이다. 실제로, 네 개 또는 그 이상의 캐소드를 가지는 스퍼터링 장치를 사용하는 것이 더 편리할 수 있다. 이것이 마그네트론 및/또는 아크 캐소드를 배열하는 것을 상대적으로 쉽게 만들어서 플라즈마의 더 강한 자기 구속(폐쇄 필드)을 확보하기 위해 그 자체로 알려진 방식에 따라 진공 챔버의 둘레를 따라 배열되는 N, S, N(마그네트론1); S, N, S(마그네트론2); N, S, N(마그네트론3); 그리고 S, N, S(마그네트론4)의 교호 극 배열이 있다.
펄스 반복 주파수는 바람직하게는 1Hz 내지 2kHz 범위에 속할 수 있고, 특히 1Hz 내지 1.5kHz 범위에 속할 수 있으며, 특별히 대략 10 내지 30Hz일 수 있다.
a-C:H 또는 ta-C 코팅이 사용되면, 도판트(dopants)가 코팅에 추가될 수 있다. 이와 관련하여, 도판트는 아크 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링으로 작동되는 스퍼터 타겟 또는 HIPIMS 캐소드(Si, Cr, Ti, W, WC)로부터의 금속일 수 있다. 또한 도판트는 가스 상태(탄화수소 가스, 질소, 산소, 실란(silane)과 같은 전구체를 포함하는 Si, HMDSO, TMS)로부터 공급될 수도 있다. 본 발명은 도판트가 절연 특성을 의도하지 않게 낮추어서 산출된 전류 밀도가 허용 값을 초과하지 않는 한 ta-C 코팅에 도판트를 사용하는 것을 포함한다.
a-C:H 레이어의 증착의 구체적인 예, 즉 수소를 포함하는 DLC 레이어 코팅이 이하에서 설명될 것이다.
알려진 방식에서 처리 프로세스는 증착 프로세스를 위한 실제 챔버 압력보다 적어도 한 자리수 낮은 압력, 예를 들어 10-5mbar와 같이 10-4mbar 보다 낮은 압력으로 챔버를 펌핑하는 것으로 시작된다. 이 과정 동안, 또는 이 과정에 이어, 챔버와 그 내용물에 대해 챔버 내부 및 챔버 표면에 흡착되어 있는 휘발성 가스 및 거기에 있는 아이템들의 유출을 위한 히팅 프로세스가 알려진 방식으로 수행된다. 상기 예열(preheating) 동안 아르곤 흐름이 인렛을 통해 아르곤을 공급하고 진공 펌프에 의해 그것을 제거하는 것에 의해 챔버 내에서 유지된다. 히팅 단계는 전형적으로 대략 20 내지 25분 지속된다.
예열 프로세스를 뒤이어, 정해진 온도에 도달하면, 에칭이 수행된다. 예를 들어, 에칭은, 비록 다른 에칭 프로세스가 사용될 수 있지만, 유럽 특허 EP-B-1260603에 제시된 HIPIMS 에칭 프로세스를 사용하여 수행된다. 에칭 수행 동안 아르곤 가스가 예를 들어 75sccm으로 진공 챔버로 공급되며 거기에 병합된 하나 또는 그 이상의 마그네트론의 작동에 의해 이온화되며, 예를 들어 Cr의 타겟(16)을 가지는 마그네트론이 사용될 수 있다.
필요한 것으로 간주되면, 제조 제품은, DLC 코팅의 접착을 가능하게 하기 위해, 접착 레이어(adhesive layer), 또는 명명된 본드 레이어를 구비할 수 있다. 그러한 접착 레이어가 항상 필요한 것은 아니다. 어떤 제조 제품 물질들에서는, 특히 100 Cr6와 같은 Cr, Ti 또는 Si의 성분을 가지는 물질들에서는, DLC 레이어 또는 어떤 형태의 DLC 레이어들이 본드 레이어의 사용 없이 세척되고 에칭된 제조 제품 상에 바로 증착될 수 있다. 접착 레이어가 제조 제품 상에 구비되면, 그것은 Si뿐만 아니라 Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ 서브그룹(Subgroup)의 원소들(elements)의 그룹에서 선택될 수 있다. 바람직하게 본 목적에 특히 적당한 것으로 알려진 Cr 또는 Ti 원소의 접착 레이어가 사용된다.
접착 레이어는 아크 스퍼터링 또는 필터된 아크 스퍼터링에 의해 증착될 수 있으나, 도 2의 Cr 타겟(16)으로부터 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 바람직하게 증착될 수 있다.
다시, 아르곤이 진공 챔버로 공급된다. 이 단계 동안 아르곤 흐름은 예열 및 에칭 과정 동안보다 더 크며, 예를 들어 120sccm으로 설정될 수 있다. 진공 챔버의 압력은 전형적으로 10-3mbar 정도이나, 최대 한 자리 크기보다 낮을 수 있으며 또한 10-3 mbar보다 클 수도 있다. 50V 정도의 네거티브 바이어스가 기판 캐리어에 인가되며, 본드 레이어의 증착은 캐소드에 인가된 대략 10kW 전력(마그네트론 캐소드가 HIPIMS 모드로 작동하고 있으면 평균 전력)으로 단지 몇 분 동안 이루어진다.
접착 레이어와 DLC 레이어 사이에 경사 레이어(gradient layer)를 형성하는 것이 또한 유익하다. 이러한 경사 레이어는 DLC 레이어의 제조 제품과의 접착을 더욱 향상시킬 수 있다.
경사 레이어의 개념은 경사 레이어에서의 카본의 비율을 증가시키면서 Cr의 비율을 점차적으로 감소시키는 것이며 그에 따라 크롬 탄화물(chromium carbide)을 형성하고 DLC 코팅이 적용될 때까지 카본 함유가 증가되도록 한다.
경사 레이어를 증착하기 위한 몇 가지 가능성들이 있다. 하나의 가능성은 예를 들어 다시 HIPIMS 스퍼터링을 사용하여 Cr 타겟과 동시에 카본 타겟(16)으로 마그네트론을 작동하는 것이다. Cr 타겟으로 공급된 전력은, C 타겟으로 공급된 전력이 점차적으로 증가하거나 단계적으로 증가하는 동안, 점차적으로 감소하거나 단계적으로 감소한다. 다른 가능성은, 진공 챔버로 아세틸렌(acetylene) 또는 메탄(methane)과 같은 반응 가스(reactive gas)의 형태로 카본을 추가하고, Cr 타겟에 공급되는 전력을 줄이면서, 챔버의 대기 중에 존재하는 카본의 양을 점차적으로 증가시키는 것이다.
다른 가능성은 접착 레이어, 그레이디드(graded) 레이어, 및 그 후의 DLC 레이어를 증착하기 위한 EP-B-1272683에 기술된 기술을 사용하는 것이다.
그 프로세스가 사용되면, Cr 레이어의 일부, 즉 접착 레이어의 일부를 증착한 후에, 기판 바이어스가, 일정 바이어스 공급기(32) 대신에 바이폴라 제너레이터(bipolar generator)인 전기 전압 공급기(17)를 테이블(20)에 연결하기 위해 스위치(19)를 사용함으로써, 직류 전류로부터 중간 주파수(medium frequency)로 스위칭된다. 전기 전압 공급기는 500 내지 2,500V, 예를 들어 700V의 바람직한 진폭 전압 및 20 내지 250kHz, 예를 들어 50kHz의 주파수로 작동된다. 진공 챔버의 압력은 전형적으로 10-3mbar 정도이나, 최대 한 자리수 낮을 수 있으며 10-3mbar 보다 다소 높을 수 있다. 대략 2분 후에, 아세틸렌 램프(acetylene ramp)가 50sccm에서 시작되고, 대략 30분의 시간 동안 350sccm까지 높여진다. 중간 주파수 제너레이터에 스위칭 한 후 대략 5분 후에, 사용되는 Cr 타겟의 전력은 7kW로 감소되고; 또 다른 10분 후에 그것이 5kW로 감소되고 2분 동안 그 상태로 일정하게 유지된다. 따라서, 그레이디드 접착 레이어의 형성을 위해, 아세틸렌(또는 다른 카본 함유 가스)가 대략 그 레이어의 3분의 1이 증착된 후에 접착(adhesive) 또는 본딩(bonding) 레이어의 증착 동안 양을 중가시키면서 진공 챔버로 공급되며, 그에 따라 접착 레이어 또는 본딩 레이어의 조성이 크롬에서 크롬 탄화물로 점차로 바뀐다.
일단 경사 레이어가 완성되면, 스크린들(screens)이 타겟들 앞에 이동되고 이것들이 스위치 오프 되며, 그에 의해 수소의 낮은 양과 아르곤 원자의 작은 양으로 기본적으로 카본 원자로 구성되는 "순수한(pure)" DLC 레이어의 증착이 시작된다.
이 목적을 위해, 가장 간단한 케이스로, 프로세스는 스위치 오프 된 기화(vaporizing) 소스들에 의해 완료되나, 그렇지 않으면 앞선 경사 레이어의 경우와 같이 동일한 파라미터들에 의해 완료된다. 그러나, 순수 DLC 레이어의 증착의 과정에서 가스 흐름에서 탄화수소(hydrocarbon)의 비율을 증가시키는 것, 노블(noble) 가스 비율을 낮추는 것, 특히 바람직하게 두 가지 방안을 함께 수행하는 것이 유리하다는 것이 알려졌다. 또한 여기서 길이방향 자기장의 형성을 위한 코일(23, 25)의 사용이, 위에서 설명된 대로, 안정적인 플라즈마의 유지를 위해 특별한 중요성을 갖는다.
순수 DLC 레이어의 응용 동안, Cr 타겟의 스위칭 오프 후에, 중간 주파수 공급기는 일정하게 유지되도록 조절되고 아르곤 흐름은 동일하게 유지되고, 경사 레이어 동안 시작된 아세틸렌 램프는 대략 200 내지 400sccm 사이까지 대략 10분 동안 일정하게 증가된다. 그리고 나서, 5분 동안, 아르곤 흐름은 대략 0 및 100sccm 사이의 흐름까지 지속적으로 감소된다. 다음 55분 동안, 프로세스는 셋팅이 동일하게 유지되는 상태에서 완료된다. 진공 챔버의 압력은 전형적으로 10-3mbar 정도이나, 최대 한 자리수 낮아질 수 있으며 또는 10-3mbar 보다 다소 높을 수 있다. 상부 코일은 대략 10A의 여기 전류(excitation current)로 작동되며, 하부 코일은 상부 코일의 대략 3분의 1의 여기 전류로 구동된다.
따라서 DLC 레이어의 증착은 플라즈마 보조(plasma assisted) CVD(chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 이루어진다. 플라즈마 보조는 챔버 내의 진공, 그리고 마그네트론과 연관된 자석들(이것들은 마그네트론 스퍼터링이 일어나지 않는다 하더라도 자기장을 형성하도록 작동)과 같은 존재하거나 작동하는 다른 자석들의 자기장의 기여에 의할 뿐만 아니라 상부 및 하부 코일(23, 25) 각각에 의해 챔버 내에 생성되는 자기장과 조합된 이온 소스(21)에 의해 생성되는 플라즈마로부터 나온다.
이 조건들은 상대적으로 높은 증착율(deposition rate)을 낳으며, 플라즈마 이온화는 아르곤 가스의 존재에 의해 확보된다. 증착율은 전형적으로 대략 시간당 1 내지 2 마이크론일 것이다.
DLC 코팅은 대략 25GPa의 경도(hardness) 및 대략 0.2의 마찰 계수(coefficient of friction)를 갖는다. 그것은 대략 13%의 수소 함유율 및 500kOhm 정도의 저항(resistance)을 갖는다. DVI 3824, Sheet 4에 의해 측정될 수 있는 DLC 코팅의 접착력(adhesion)은 매우 양호하며 DVI 3824 서류에 따라 HFI로 분류될 수 있다.
DLC 레이어의 레이어 거칠기(layer roughness)는 Ra = 0.01 - 0.04; DIN에 따라 측정된 Rz는 0.8보다 작고(< 0.8), 통상 0.5보다 작다(< 0.5).
철(steel) 제조 제품 상에 DLC 레이어를 증착하는 다른 많은 가능성들이 있다. 예를 들어, 본 발명에 사용될 수 있는 몇몇 가능한 프로세스들은 다양한 선행기술 문헌들에 기재되어 있다. 따라서, 양호한 부식 저항성뿐만 아니라 양호한 마찰 특성 및 경도를 가지는 하드 코팅으로서 교대로 배치되는 DLC 레이어와 실리콘-DLC 레이어를 증착하는 플라즈마 보조 화학 기상 증착(plasma assisted chemical vapor deposition) 기술은 EP-A-651069에 기재되어 있다.
EP-A-600533은 Si 소스를 위해 수소로 강화된 실란(silane) 가스 및 카본 소스를 위해 수소로 강화된 메탄(methane)를 사용하는 PACVD에 의해 a-Sil-xCx:H의 그레이디드 전이 층(graded transition layer)으로 철(iron) 기판 상에 DLC 코팅을 증착하는 방법을 기술한다. Si 감소 비율과 C 증가 비율을 가지는 15nm 두께의 Si 얇은 레이어가 25nm 두께의 그레이디드 레이어에 이어 먼저 증착되며, 2.3 마이크론의 전체 레이어 두께까지 상대적으로 두꺼운 DLC 레이어에 의해 씌워진다.
DE-C-19513614는 EP-A-600533의 것과 유사한 얇은 그레이디드 Si 카본 레이어를 이용하여 50 - 1,000Pa 사이의 압력 범위에서 작동되는 플라즈마 향상 CVD 프로세스에 의해 철 기판 상에 DLC 레이어를 제조하는 것을 기술한다. 증착 프로세스는 제조 제품에 연결된 바이폴라 전압 소스(bipolar voltage source)를 사용하며, 바이폴라 전압 소스는 증착 프로세스 동안 파지티브 펄스 지속 시간이 네가티브 펄스 지속 시간보다 작도록 디자인된다. 결과적으로, 층들이 10㎚ 내지 10㎛ 범위 및 15 - 40 GPa 사이의 경도로 증착된다.
플라즈마 향상 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의한 하드 DLC 레이어의 적용을 위한 다른 방법은 US-A-4,728,529에 기술되어 있다. 이 미국 문헌은 그 동안에 레이어 형성이 혼합 불활성 가스(admixed noble gas) 또는 수소를 포함하는 무산소 탄화수소 플라즈마(oxygen-free hydrocarbon plasma)를 사용하여 10-3 및 1mbar 사이의 압력 범위에서 일어나는 HF 플라즈마를 적용하는 동안 DLC를 적층하는 방법을 기술한다.
DE-A-19826259는 a-C:H (DLC) 층과 교대로 배치되는 금속 탄화물 레이어(티타늄 탄화물(titanium carbide) 또는 크롬 탄화물(chromium carbide))의 다층 구조(multilayer structure)를 기술한다.
일단 원하는 두께의 DLC 코팅이 달성되면 PVD 코팅 프로세스는 완료되고 제조 제품은 ALD 코팅의 증착을 위해 도 5에 도시된 것과 같은 다른 진공 챔버로 이송될 수 있다.
먼저 도 3a 내지 3c를 참조하면, 제1 ALD 레이어의 형성을 위한 단계의 순서가 보여진다. 도 3a의 단계에서, -O-H 말단 표면(-O-H terminated surface)을 가지는 제조 제품 또는 물품(article)(12)은 생성된다. 이것은 뒤에서 도 5를 참조하여 설명될 바와 같이, CVD(chemical vapor deposition) 조건 하에서, 특히 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 조건 하에서, 즉 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 플라즈마의 존재 하에서, 챔버로 물을 유입시키는 것에 의해 진공 챔버에서 수행될 수 있다. 이 단계 이전에 기판은, 예를 들어 PVD(physical vapor deposition) 조건 하에서, 예를 들어 뒤에서 도 5를 참조하여 설명될 바와 같이 표면을 아르곤 이온의 충격(bombardment)에 노출시킴으로써, 광범위한 세척 및 에칭에 노출될 수 있다.
일단 -O-H 말단 표면이 형성되면, 물이 진공 펌프에 의해 챔버로부터 제거되며 -O-H 말단 표면을 갖는 기판은 동일한 조건 하에서 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminium, (CH3)3Al) 대기(atmosphere)에 노출되고 이것은 알루미늄 원자가 수소 원자의 자리를 차지하고 알루미늄 원자의 다른 두 개의 본드(bond)는 CH3 그룹에 의해 점령된다. 이 상황은 도 3b에 도시되어 있다. 트리메틸 알루미늄과의 반응은 더 이상의 화학 반응의 가능성이 존재하지 않기 때문에 멈춰진다. 잉여 트리메틸 알루미늄은, 트리메틸 알루미늄과 -O-H 말단 표면의 수소 원자의 반응( (CH3)3Al + H → (CH3 + H + 2CH3Al) 및 CH3 + H → CH4 )에 의해 형성되는 CH4와 함께, 진공 시스템에 의해 배출되고 단지 하나의 원자(분자) 레이어의 생성 후에 화학적으로 멈춰진다.
다음 단계에서 물이 CVD 또는 PECVD 조건 하에서 다시 챔버로 유입되고 CH3 말단 Al을 가지는 표면에서의 다음 반응을 유발한다.
2CH3 + H2O → 2CH4 + 2(-OH)
2-OH 라디칼(radical)은 알루미늄에 결합되어 도 3c에 도시된 상황을 유발한다. 이러한 반응들은 100℃ 내지 400℃의 온도 범위에서 전형적으로 일어난다. 생성된 CH4는 잉여 물 증기와 함께 진공 챔버에 의해 빨아들여져 진공 챔버 밖으로 배출된다. 모든 CH3 그룹이 -OH 그룹에 의해 대체되면 반응이 다시 화학적으로 중단된다.
도 3c에 도시된 상황은 도 3a의 상황과 동일하며 그에 따라 프로세스가 Al2O3의 추가 ALD 레이어를 형성하는 것에 의해 매번 반복될 수 있다는 것을 알 수 있다. 원칙적으로 비록 더 많은 레이어는 더 긴 처리 시간을 의미하고 그에 따라 필요한 것보다 많은 레이어가 구비되지 않지만 이러한 방식으로 형성될 수 있는 레이어의 개수에 제한이 없다. Al2O3 레이어 증착으로 주어진 예에서, 이것들은 매우 밀도가 높고 부식 물질이 기판(10)에 도달하는 것을 멈추게 할 수 있는 높은 품질의 층들이다. 본 발명은 Al2O3 레이어 증착에 한정되지 않고 Al2O3, TaO, SiO2, TiO2, Ta2O5, HfO2, 앞에 기술한 산화물(oxide) 중 두 개 또는 그 이상을 포함하는 혼합 레이어(mixed layer), 앞에 기술한 산화물 중 두 개 또는 그 이상의 교대로 배치되는 층들을 포함하는 다층 구조, 또는 ALD에 의해 성장될 수 있다면 ta-C 레이어와 같은 DLC 레이어를 포함하는 ALD에 의해 성장될 수 있는 모든 레이어 물질들에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. ALD에 의한 이러한 물질들의 증착은 IC 지식 출판물(knowledge publication) "2004 IC Technology"에 기술된 시약(reagent)을 사용하여 수행될 수 있다. ALD 프로세스의 하나의 특별한 응용은 집적 회로(integrated circuits)의 제조에 있으며, 프로세스는 이와 관련하여 다소 상세하게 IC 지식 출판물 "2004 IC Technology"에 기술되어 있다. 거기에 기술된 상세 사항은 본 발명의 내용을 이해하는 데 도움이 될 수 있으며, 그 문헌에 기재된 내용은 참조로 여기에 포함되어 있다.
ALD 프로세스에 의해 제조될 수 있는 코팅의 더 긴 리스트는 2005년 응용 물리학(Applied Physics) 97, 121301의 121301-1 내지 121301-52 페이지에 기재되어 발행된 "Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process"라는 제목의 Rikka L. Puurunen의 논문에서 발견될 수 있다. 이 논문은 ALD-프로세스의 광범위한 상세 사항을 제공하며 이 분야에서 다른 사람들에 의해 발행된 연구를 요약하고 있다. 거기에 설명된 상세 사항들은 본 발명의 내용을 이해하는 데 도움이 되며 그 문헌의 기재 내용은 참조로 여기에 포함되어 있다. 위에서 인용된 Puurunen 논문에서 확인된 바와 같이, ALD 레이어 또는 원자 레이어(atomic layer) 증착 용어는 다소 오해가 있다. 비록 프로세스가 프로세스의 각 사이클이 하나 또는 그 이상의 레이어를 각각 증착하기 위해 사용되는 것처럼 편리하게 간주될 수 있지만 사용된 코팅은 위의 리스트에서 Cu, Mo, Ni, Ta, Ti 또는 W와 같은 원소의 코팅이다. 코팅이 분자, 예를 들어 Al2O3 코팅이라면, 명칭이 엄밀히는 부정확하지만 국제적으로는 이해가 된다. 더욱이, Puurunen에 의해 강조된 것처럼, 기판의 모든 사이트 또는 선행하는 ALD 레이어가 다양한 이유로 인해 반드시 반응 영역이 아니기 때문에, ALD 프로세스의 각 사이클의 실질적인 성장은 하나보다 작을 수 있다.
위에서 설명된 ALD 프로세스는 프로세스가 어떻게 일어날 수 있는지에 대한 하나의 예이고 제한적인 예로 이해되어서는 안 된다. 트리메틸렌 알루미늄은 표면에서 두 개의 OH 그룹에 "동시에" 결합될 수 있고 그리고 나서 튀어나오는 단지 하나의 메틸렌 그룹을 가질 수 있다. 두 가지 모두가 일어날 것이다. 우선적으로 일어날 것은 기하학적으로 가장 적합한 것을 다소 의미하는 입체 장애(steric hinderance)의 정도와 관계가(다른 것 중에서) 있어야 한다. 트리메틸렌 알루미늄과 물을 사용하는 ALD 프로세스의 다른 변형은 Techinical University of Eindhoven의 Stephan Heil이 저자인 "Plasma Assisted Atomic Deposition of TiN films, June 23rd 2004" 문헌에 기술되어 있다. 거기에 기술된 상세 사항은 본 발명의 내용을 이해하는 데 도움이 될 수 있으며 그 문헌의 기술 내용은 참조로 여기에 포함되어 있다.
더욱이 전구체(precursor)로서 산소(O2)를 사용하는 ALS에 의해 AL2O3를 증착하는 것이 알려져 있다. 물의 사용이 ALD 챔버의 상당한 퍼징(purging)을 필요로 하기 때문에 이것이 특히 매력적이다.ALD에 의한 Al2O3의 증착을 위한 산소(O2)의 이용은 2008년 6월 29일자이고 "Atomic layer deposition of Metal Oxide and Nitrides"라는 제목의 Stephan Heil의 박사 논문에 기재되어 있다. 거기에 기재된 상세 사항은 본 발명을 이해하는 데 도움이 될 것이며 그런 의미에서 그 문헌은 참조로 여기에 포함된다.
본 발명에 따른 만들어진 첫 번째 코팅된 물품(12)은 도 4의 (a)에 도시되어 있다. 단지 표면 영역(110)이 도시되어 있고 이하에서 기판이라고 명명되는 물품은 PVD(physical vapor deposition) 프로세스 또는 CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 예를 들어 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 그 표면 영역(110)에 적용되는 적어도 하나의 제1 레이어(112), 그리고 동일한 표면 영역(110)에서 ALD(atomic layer deposition) 프로세스에 의해 증착되는 전기적으로 절연인 물질의 하나 또는 그 이상의 원자 레이어(atomic layer)를 포함하는 제2 레이어(114)를 포함한다.
PVD 또는 CVD 레이어(112)는 도 1 및 2를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 전기적으로 절연인 레이어이며 일반적으로 높은 경도 및 높은 마모 저항성을 가지며 선택적으로 낮은 마찰 계수를 가진다. 본 예에서, 레이어(110)는 마르텐사이트계 스틸(martensitic steel) 제조 제품의 표면에 직접 형성되는 DLC 레이어이며, 즉 DLC 레이어와 제조 제품 사이에 본드 레이어 또는 그레이디드 레이어가 없고, 다만 그러한 레이어들은 요구되거나 필요하면 DLC 레이어의 양호한 접착을 얻거나 스폴링(spalling)을 방지하기 위해 구비될 수는 있다. ALD 레이어들(114)은 Al2O3 레이어들이다. DLC 레이어(112)는 전형적으로 원주 구조(columnar structure) 및/또는 다공성 구조(porous structure)를 가지며, 그러한 구조가 아니면 액체나 가스와 같은 부식 물질이 기판에 도달하고 거기에 부식을 일으키는 것을 허용하게 된다.
이러한 원주 구조 및/또는 다공성 구조는, 전기 절연성의 ALD 레이어(114)가 없다면, 코팅 그 자체가 훌륭한 절연체라는 사실에도 불구하고 전기 절연의 관점에서는 좋지 못한 코팅이다. 원주 구조 또는 다공성 구조는 물품 표면의 작은 영역이 효과적으로 노출되는 것을 의미하며, 특히 얇은 코팅으로 반드시 피해야만 하는 국부적 통전(conducting) 통로를 야기할 수 있다. 이것은 ALD 레이어(레이어 시스템)(114)의 형태의 등각 실링 레이어(conformal sealing layer)에 의해 달성될 수 있다.
롤링 요소 베어링과 같은 베어링 부품에서, 코팅이 아웃터 베어링 레이스(outer bearing race)의 외측 표면 및/또는 인너 베어링 레이스(inner bearing race)의 반경방향 내측 표면에 일반적으로 적용될 수 있으며, 롤링 요소와 접촉하는 레이스웨이(receway) 표면에는 일반적으로 적용되지 않는다. 그러나, PVD(physical vapor deposition) 프로세스, 또는 CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스(그러나 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스는 제외)에 적용되는 레이어가 DLC 레이어와 같이 높은 경도 및 높은 마모 저항성을 가질 때, 인너 및/또는 아웃터 레이스의 레이스웨이 역시 코팅이 될 수 있기 때문에, 이것의 예외가 존재한다. ALD 레이어가 단지 매우 얇기 때문에, 이것은 상기한 레이어에 적용된 ALD 레이어가 상기한 레이어의 표면으로부터 마모되어 없어지는 경우에도 적용된다.
아웃터 베어링 레이스의 외측 면 및/또는 인너 베어링의 반경방향 내측 면에 적용되는 코팅은, 하우징 내에서 또는 관련된 샤프트 상에서 움직이는 것으로 의도되어 있지 않기 때문에, 반드시 매우 단단하거나 마모 저항성을 가질 필요가 없다. 그럼에도 불구하고, 내측 및 외측 레이스가 하우징 내에서 또는 샤프트 상에서 끌릴 수 있기 때문에, 단단하고 마모 저항성의 코팅은 그 위치들에서도 바람직하다.
본 발명의 코팅은 매우 단단하고 마모 저항적이고 또한 매우 얇기 때문에, 그것들이 충분히 단단하고 마모 저항적이며 레이스웨이(raceway) 표면에 형성될 수 있다. 이론적으로는 적어도 코팅은 원하면 롤링 요소 상에도 구비될 수 있다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 물품 또는 기판의 표면 영역(110)은 그 위에 바로 형성된 PVD 또는 CVD 레이어(112)를 포함하고, ALD 레이어(레이어 시스템)(114)은 PVD 또는 CVD 레이어(112) 상에 증착된다. 도 4의 (b)의 확대도는 이 실시예와 관련하여 매우 유익하다. 여기서 확대도는 PVD 또는 CVD 레이어(112)의 원주 구조를 보여주기 위해 과장된 방식으로 도시되어 있다. 단지 도시의 편의를 위해 도 4의 (b)는 PVD 또는 CVD 레이어(112)의 칼럼(column)(118) 사이의 사이 통로(interstitial passage)(116)를 도시한다.
본 실시예는 원자 레이어 성장이 깊고 얕은 갭(gap)에서, 즉 사이 통로의 측 벽에서, 개구된 구멍 및 크랙(crack)과 같은 다른 어떠한 흠(defect)의 측 벽에서 에서 일어날 수 있다는 ALD 프로세스의 중요한 잇점을 인식하고 이용한다. 이것은 단지 몇 개의 레이어가 ALD에 의해 성장되더라도 이것들은 PVD 레이어를 씰링하기에 충분하다는 것을 의미한다. 충분한 ALD 레이어가 성장되면, 그것들은 도 4의 (b)에 도시된 개방 구멍 및 사이 통로를 씰링할 수 있으며 매우 양호한 전기 절연을 달성할 수 있다.
그러나, 이것이 ALD 성장 물질로 완전히 채워질 수 있는 개방 구멍, 사이 공간 또는 다른 흠에 대해 필수적인 것은 아니다. ALD 레이어(114)가 존재하는 임의의 기둥, 구멍 또는 다른 흠의 측 벽을 따라 라인을 이루면 충분하다. 이것은 도 4d에 도시되어 있다. 일반적으로 말해 ALD 레이어(114)가 1㎚ 내지 50㎚ 범위의 두께를 가지는 복수의 일분자층(monolayer)을 포함하면 충분하다. 1㎚ 또는 몇 ㎚ 두께의 얇은 층은, 레이어(114)를 형성하기 위해 필요한 ALD 프로세스의 반복(사이클)의 회수가 제한되어 있기 때문에, 상대적으로 신속히 적층될 수 있다.
그 자체로 일반적으로 매우 단단한 등각(conformal) ALD 레이어(114)는 사용에서 많이 마모되며 도 4의 (c) 및 도 4e에 도시된 것처럼 PVD 또는 CVD 레이어의 표면이 노출될 때까지 마모되며, 그리고 나서 단단한 DLC 레이어에 의해 상당한 기간 동안 마모가 적게 일어난다. 이 오랜 기간 동안 기판(10)은 PVD 또는 CVD 레이어(112)의 "구멍"을 따라 일렬로 형성되거나 완전히 채우는 ALD 레이어 물질에 의해 전기적으로 씰링된 상태로 유지되는 PVD 또는 CVD 레이어에 의해 보호된다.
도 4 내지 4e의 실시예는, 비록 마모 물질이 PVD 또는 CVD 또는 PECVD 레이어의 자유 표면에 도달할수는 있지만 그것들이 물품 그 자체의 표면에는 여전히 도달할 수 없기 때문에, ALD 레이어가 PVD 또는 CVD 레이어의 자유 표면까지 마모될 때 또한 유익하다.
자연적으로, 도 4d 및 4e(특히)의 PVD 레이어(112)는 부식 물질들이 뚫고 들어갈 수 있는 사이 통로를 가지는 다공성 구조 또는 기둥 구조를 여전히 가진다. 그러나 그것들은 그러한 통로의 실질적인 표면까지 연장되는 ALD 레이어(레이어 시스템)(114) 때문에 기판에 도달할 수 없다.
PVD 또는 CVD 레이어(112)는 레이어 시스템(도시되지는 않았으나 복수의 다른 PVD 및/또는 CVD 레이어, 또는 교대로 배치되는 레이어 시스템, 또는 초격자(supperlattice) 구조를 포함함), 또는 그레이디드 레이어를 또한 포함할 수 있다. 그러한 레이어 구조들은 그 자체로 잘 알려져 있다.
본 실시예에서 ALD 레이어(레이어 시스템)(114'')는 -제한이 없이- Al2O3, SiO2, TiO2, Ta2O5, HfO2 의 임의의 어떤 것의 혼합 레이어, 이것들의 둘 또는 그 이상의 다층 구조 중 어느 하나일 수 있다.
PVD 또는 CVD 레이어(112) -제한 없이 그리고 가능한 본드 레이어의 포함 없이- DLC 레이어, 금속-DLC 레이어, 또는 ALD 레이어와 동일한 조성(compopsition)의 레이어 중 어느 하나를 포함할 수 있다. PVD 레이어는 예를 들어 Al2O3 레이어일 수 있다.
ALD 코팅을 증착하기 위한 장치는 도 5를 참조하여 설명될 것이다.
도 5에 도시된 처리 챔버(treatment chamber)(130)는 임의의 사이드에서 볼 때 적어도 실질적으로 직사각형의 중심 형태를 가진다. 도 5에 도시되지 않은 챔버 도어(door)는 수직 피봇 축, 즉 도면의 면에 평행하게 놓이는 축에 대해 챔버의 정면 사이드에 피봇 가능하게 연결된다. 챔버의 후면 사이드는 개구 내에 위치하는 도어에 의해 일반적으로 폐쇄되는 도 1의 챔버(14)의 한 사이드에서 대응되게 디자인된 개구에 로드 락(load lock)에 의해 연결될 수 있으며, 챔버(14)의 그 도어는 마그네트론과 연관된 캐소드를 보유할 수 있다. 그러나, 실제로는 그러한 로드 락은 필요하지 않으며, 도 1 및 2의 챔버로부터 처리된 물품은 일반적인 주변 대기(ambient atmosphere)에서 도 5의 챔버로 이송될 수 있다. 또한 도 1 및 2에 따른 챔버와 같은 DLC 코팅을 적용하기 위한 한 챔버는 도 5에 따른 장치와 함께 ALD 코팅을 적용하기 위한 복수의 장치에 코팅된 제조 제품을 공급할 수 있다.
도 1의 제조 제품 테이블(20)은 제조 제품(12)과 함께 PVD 코팅(112)의 증착 이후에 ALD 챔버로 이송될 수 있도록 배열이 이루어질 수 있다. 로드 락 시스템이 사용되면 이것은 진공의 상실 없이 그리고 제조 제품 표면의 오염 없이 수행될 수 있다. 테이블(20)은 요구되면 챔버(130) 내에서 회전할 수 있으며 이것은 필수적인 것은 아니다. 이송 시스템은 도시되어 있지 않지만 통상적인 로드 락 시스템과 같이 디자인될 수 있다. 장치는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 DLC 코팅을 증착하기 위한 하나의 챔버 주위에 배열되는 130과 같은 복수의 위성(satellite) ALD 챔버를 가지는 클러스터(cluster) 시스템으로 디자인될 수도 있다.
도어 및 로드 락이 폐쇄될 때 챔버(130)는 모든 사이드에서 폐쇄된다. 도어는 챔버 내부로의 접근 및 테이블(20)에서 ALD 코팅된 제조 제품의 제거를 허용하기 위해 개방될 수 있다. 도면부호 132는 처리 챔버에서 필요한 진공을 형성하기 위해 알려진 방식으로 작동하는 확산 펌프(diffusion pump), 저온 펌프(cryo pump), 또는 단순한 기계적 펌프와 같은 진공 펌프(도시되지 않음) 작동을 위한 연결 덕트를 위한 덕트를 나타낸다. 그러한 진공은 100 밀리토르(millitorr) 단위일 수 있으나, 높은 온도의 챔버에 열적 공간(thermal space)이 있기 때문에 반드시 그렇게까지 낮을 필요는 없다. 압력은 대략 1 내지 1000 밀리토르(millitorr) 범위에 속할 수 있다. 포트(166)를 통해 밸브 시스템(도시되어 있지 않지만 플로우 레귤레이터(flow regulator) 및 온/오프 밸브를 포함)에 의해 챔버(130)로 공급되는 산소(O2) 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 제너레이터(164)가 진공 연결 덕트(162)에 마주하게 배치된다. 도면부호 168은 소스(172)로부터 rf 에너지를 공급받는 코일(170)을 기본적으로 포함하는 rf 플라즈마 제너레이터를 나타낸다.
도면부호 174는, 퍼징 사이클(purging cycle) 동안 밸브(176)에 의해 직접 챔버로 유입되고 ALD에 의한 AL2O3 레이어의 증착을 위한 전구체로서 챔버(130)로 Al(CH3)3를 유입시킬 때 밸브(178) 및 컨테이너(180)를 통해 간접적으로 유입되는 아르곤과 같은 불활성 가스(inert gas)의 소스를 나타낸다. 이러한 목적을 위해 추가 밸브 또는 밸브 시스템(182)이 컨테이너(180)와 챔버(130) 사이에 존재하고 아르곤 흐름에 의해 끌려가는 Al(CH3)3의 미리 설정된 양이 포트(184)에 의해 챔버(130)로 유입되도록 하기 위해 전자적으로 제어(장치의 다른 모든 밸브와 마찬가지로)될 수 있다.
도 5의 플랜트는 다음과 같이 작동될 수 있다.
우선, 챔버(130) 내의 대기가 덕트(162)를 통해 제거되어 아르곤에 의해 대체된다. 이것은 알려진 방식과 같이 진공 펌프 및 진공 챔버(130)로부터 최초 존재하는 존재 공기가 쏟아져 나오게 하기 위한 밸브(176)를 통한 아르곤 가스의 동시 공급에 의해 수행된다. 챔버(130)는 벽 히터(wall heaters)에 의해 통상 200 내지 400℃ 사이로 가열된다.
그리고 나서 장치는 산소 유입 사이클로 전환되며 플라즈마가 rf-제너레이터 및 공급된 산소에 의해 챔버 내에서 생성된다. 그리고 나서 ALD에 의한 최초 Al2O3 레이어의 생성을 위해 미리 정해진 양의 Al(CH3)3가 챔버로 유입된다. 그리고 나서 플라즈마 향상 ALD 프로세스에 의한 요구되는 개수의 ALD 레이어가 생성될 때까지 그 과정이 반복된다. ALD 프로세스에 의해 마지막 레이어가 증착되면, 즉 ALD 레이어(레이어 시스템)(114)가 완료되면, 물품이 챔버 도어의 개방에 의해 챔버로부터 제거된다.
위에서 설명된 대로 PVD 및/또는 CVD 프로세스 및 ALD 프로세스를 수행하기 위한 클러스터 플랜트(cluster plant)의 예는 순전히 예를 위해 제시되었으며 플랜트는 많은 다른 형태를 취할 수 있다는 것을 알아야 한다.
ALD 레이어 또는 레이어 시스템(114)은 상대적으로 얇고 PVD 또는 CVD에 의해 레이어(112)를 증착하기 위해 필요한 것에 비해 상대적으로 신속히 증착될 수 있기 때문에, 클러스터 배열은 이상적인 레이아웃(ideal layout)일 필요는 없다.
완전한 장치는 개별 물품이 이동할 수 있는 PVD 증착 프로세스 및/또는 CVD 증착 프로세스 및 ALD 증착 프로세스를 위한 연속된 스테이션(station)을 가지는 긴 관형 플랜트(tubular plant)로 구현될 수 있다. 전체 관형 플랜트는 물품을 플랜트로 유입하고 진공 손실 없이 플랜트로부터 배출하기 위한 로드 락의 사용에 의해 진공이 될 수 있다. 개별 스테이션을 위한 국부적 가스 공급기 및 국부적 진공 펌프는 그것을 통해 예를 들어 컨베이어 벨트에 의해 물품이 연속적으로 이동할 수 있는 개별 스테이션들에서 요구되는 대기를 유지하기 위해 구비될 수 있다. 그러한 배열은 요구되는 가스의 낭비를 최소화하는 것을 도울 수 있으며 유익하지 않은 진공 생성 시간에 대해 유용한 프로세스 시간을 강화할 수 있다. 그러나, DLC 레이어의 증착을 위한 하나, ALD 레이어의 증착을 위한 하나, 즉 두 개의 별도의 챔버를 사용하는 것이 가장 쉬운 방법일 것이다.
도 6a 내지 6f를 참조하여 본 발명의 가르침에 따라 증착될 수 있는 유익한 레이어 시스템의 몇 예들에 대해 설명할 것이다.
예1
우선 도 6a를 참조하면, 4 마이크론(microns) 두께의 무수소 ta-C 레이어의 레이어(112)를 구비하는 100Cr6 스틸의 베어링 레이스 형태의 물품의 표면 영역(110)을 볼 수 있다. 레이어(112)는 도 4d에 도시된 것과 유사한 구조를 가진다. 도 5의 장치를 이용하여 ALD에 의해 증착되는 10㎚ 두께의 Al2O3의 레이어(114)가 레이어(112) 위에 있다. 이 경우 스틸의 Cr 함량 및 ta-C 레이어의 카본이 적당한 것으로 간주되기 때문에 본드 레이어가 구비될 필요가 없다.
예2 (도 6b)
이 예는 위에서 상세히 설명된 바와 같이 도 1의 장치를 사용하거나 크롬 탄화물(chromium carbide) 타겟(캐소드)을 사용하여 증착된 그레이디드 크롬 탄화물(chromium carbide) 레이어를 갖는 크롬 재질의 얇은 본드 레이어(112') 상에 상세히 언급된 바와 같이 증착된 a-C:H 레이어(DLC 레이어)를 가진다는 것을 제외하면 예1과 유사하다. 본드 레이어(112')는 단지 상대적으로 얇으며, 본 예에서는 10-300㎚ 두께이다.
예3 (도 6c)
본 예에서는 코팅이 도 1의 장치에 의해 PVD에 의해 증착되는 200㎚ - 2㎛ 두께의 Al2O3의 추가적인 레이어(112'')를 포함한다는 것을 제외하면 도 2의 코팅과 유사하다. 이 목적을 위해 도 1 및 도 2의 장치는 챔버의 산소를 이용하여 반응 스퍼터링(reactive sputtering)을 위해 진공 챔버(14)에 추가적으로 구비된 Al의 두개의 서로 마주하는 마그네트론 캐소드로부터 듀얼(dual) 마그네트론 스퍼터링을 수행할 수 있도록 변형된다. Al2O3의 반응 스퍼터링은 EP-A-2076916으로 반포된 유럽 특허출원에서 상세히 설명된다. 장치는 유럽 특허출원 11007077.8에서 설명된 바와 같이 HIPIMS와 듀얼 마그네트론 스퍼터링의 혼합 사용이 가능하도록 디자인될 수 있다.
예4 (도 6d)
본 예에서는 레이어 구조가 도 6a에 도시된 것처럼 두 개 레이어 구조를 가지나 레이어(112)는 CVD 프로세스(ALD 프로세스는 아님)에 의해 증착된 1-4 마이크론 두께의 a-C:H 레이어이다. Al2O3의 ALD 레이어(114)는 10㎚의 두께를 가진다.
예5 (도 6e)
이 예는 ALD 레이어(114)가 26-50㎚의 더 큰 두께를 가진다는 것을 제외하면 예2와 동일하다.
예6 (도 6f)
이 예는 예1과 유사하나 여기서는 레이어(112)가 예3에서와 같이 PVD(반응성 산소 대기에서의 듀얼 마그네트론 스퍼터링)에 의해 증착되는 4 마이크론 두께의 Al2O3의 레이어이다.
예7
본 예에서는 레이어 구조가 예6(도 6e)를 닮았으나 PVD에 의해 증착되는 Cr 또는 Ti 재질의 본드 레이어(112')를 가진다. 본드 레이어가 비록 전기적으로 전도성이라고 하더라도 이 상황은 부품 그 자체가 전기 전도성인 것에 비해 더 나쁘지 않기 때문에 본드 레이어가 전기적으로 전도성인지 절연성인지 여부는 중요하지 않다는 것을 알아야 한다.
모든 예들에서 레이어들은 다른 것이 특별히 언급되지 않는 한 다른 예들과 동일한 두께를 가진다. 따라서 레이어(112)는 일반적으로 1-4 마이크론 두께이다. 존재한다면, 레이어(112'')는 일반적으로 50㎚-2.5㎛ 두께이고 ALD 레이어(114)는 일반적으로 10-50㎚ 두께이다.
모든 예들에서, 다른 언급이 없으면, 레이어(112')의 두께는 10㎚이고, 레이어(112)의 두께는 4 마이크론이며, 레이어(112'')의 두께는 10㎚이고, 레이어(114)의 두께는 10㎚이다. 모든 예들의 전기 절연성 및 부식 저항성은 양호한 것으로 판명되었다.

Claims (10)

  1. 스틸 재질의 베어링 부품으로서,
    상기 부품의 적어도 하나의 표면 영역에, PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스를 제외한 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 형성된 높은 경도 및 높은 전류 절연 특징을 가지는 적어도 하나의 레이어를 가지며,
    상기 적어도 하나의 레이어(112; 112, 112'; 112, 112'; 112'')는 Al2O3 레이어, TaxOy 레이어, SixOy 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상을 포함하는 혼합 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상의 교대로 배치되는 층을 포함하는 다층 구조, 및 DLC 레이어를 포함하는 그룹에서 선택되는 비전도성의 산화물(oxide) 레이어를 포함하고,
    높은 경도 및 높은 전류 절연 특성을 가지며 상기 적어도 하나의 층 위에 ALD(atomic layer deposition) 프로세스에 의해 증착되는 물질의 적어도 하나의 층을 포함하는 적어도 하나의 ALD 레이어가 구비되며,
    상기 ALD 레이어 그 자체는 높은 전류 절연성을 가지며 Al2O3 레이어, TaxOy 레이어, SixOy 레이어, TiO2 레이어 또는 HfO2 레이어, 상기 앞의 산화물들 중 둘 이상을 포함하는 혼합 레이어, 및 상기 앞의 산화물들 중 둘 이상의 교대로 배치되는 레이어를 포함하는 멀티레이어 구조를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이어 구조를 포함하는 베어링 부품.
  2. 제1항에서,
    PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스를 제외한 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 적용된 상기 적어도 하나의 레이어의 조성(composition)은 상기 ALD 프로세스에 의해 증착된 상기 레이어의 조성과 실질적으로 동일한 베어링 부품.
  3. 제1항에서,
    PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스를 제외한 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 적용된 상기 적어도 하나의 레이어는 0.5 마이크론(microns) 내지 4 마이크론 범위의 두께를 가지며, 상기 ALD 레이어는 1㎚ 내지 1000㎚ 범위의 두께를 가지는 베어링 부품.
  4. 제1항에서,
    상기 물품을 만드는 상기 스틸은 마르텐사이트 그레이드 스틸(martensitic grade of steel)인 베어링 부품.
  5. 제4항에서,
    상기 마르텐사이트 그레이드 스틸은 베어링 스틸 및 냉간 가공(cold-workable) 스틸 중 어느 하나인 베어링 부품.
  6. 제4항에서,
    상기 마르텐사이트 그레이드 스틸은 100Cr6, 100CrMn6, 16MnCr5, C80 또는 X30CrMoN 15 1, 또는 Din: 1.4108 또는 SAE: AMS5898에 따른 스틸인 베어링 부품.
  7. 제1항에서,
    PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스를 제외한 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 적용된 높은 경도와 높은 전류 절연 특성을 가지는 상기 적어도 하나의 레이어는 아크(arc), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 반응성 마그네트론 스퍼터링 또는 듀얼 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착되는 추가 PVD 레이어를 구비하는 베어링 부품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 베어링 부품을 포함하는 베어링.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 베어링 부품 또는 제8항에 따른 베어링을 포함하는 기계.
  10. 스틸 재질의 베어링 부품을 코팅하는 방법으로서,
    상기 부품의 적어도 하나의 표면 영역에 적어도 하나의 레이어를 증착하는 단계, - 상기 레이어는 높은 경도 및 높은 전류 절연 특징을 가지며 PVD(physical vapor deposition) 프로세스, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, 또는 ALD 프로세스 또는 플라즈마 향상 ALD 프로세스를 제외한 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 형성되며, 상기 적어도 하나의 레이어는 Al2O3 레이어, TaxOy 레이어, SixOy 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상을 포함하는 혼합 레이어, 상기 앞의 산화물 중 둘 또는 그 이상의 교대로 배치되는 층을 포함하는 다층 구조, 및 DLC 레이어를 포함하는 그룹에서 선택되는 비전도성의 산화물(oxide) 레이어를 포함하고-; 그리고
    높은 경도 및 높은 전류 절연 특성을 가지는 적어도 하나의 ALD 레이어를 상기 적어도 하나의 층 위에 증착하는 단계, - 상기 ALD 레이어는 ALD(atomic layer deposition) 프로세스에 의해 증착되는 적어도 하나의 물질 레이어를 포함하고, 상기 ALD 레이어 그 자체는 높은 전류 절연성을 가지며 Al2O3 레이어, TaxOy 레이어, SixOy 레이어, TiO2 레이어 또는 HfO2 레이어, 상기 앞의 산화물들 중 둘 이상을 포함하는 혼합 레이어, 및 상기 앞의 산화물들 중 둘 이상을 포함하는 혼합 레이어, 및 상기 앞의 산화물들 중 둘 이상의 교대로 배치되는 층을 포함하는 멀티레이어 구조를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이어 구조를 포함하는-;
    를 포함하는 방법.
KR1020130000409A 2012-02-15 2013-01-02 전류 절연 베어링 부품 및 베어링 KR101948013B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12000975.8 2012-02-15
EP20120000975 EP2628822B1 (en) 2012-02-15 2012-02-15 Current insulated bearing components and bearings

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130094226A KR20130094226A (ko) 2013-08-23
KR101948013B1 true KR101948013B1 (ko) 2019-02-14

Family

ID=45655019

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130000409A KR101948013B1 (ko) 2012-02-15 2013-01-02 전류 절연 베어링 부품 및 베어링

Country Status (9)

Country Link
US (1) US9115755B2 (ko)
EP (1) EP2628822B1 (ko)
JP (1) JP6190590B2 (ko)
KR (1) KR101948013B1 (ko)
CN (1) CN103256306B (ko)
ES (1) ES2543579T3 (ko)
PL (1) PL2628822T3 (ko)
SG (1) SG193070A1 (ko)
TW (1) TWI577814B (ko)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210111885A (ko) * 2015-02-13 2021-09-13 엔테그리스, 아이엔씨. 기판 제품 및 장치의 특성 및 성능을 향상시키기 위한 코팅
CN105132888B (zh) * 2015-09-11 2019-02-19 兰州空间技术物理研究所 一种高温抗氧化涂层的复合沉积方法
JP6672812B2 (ja) * 2016-01-14 2020-03-25 三菱電機株式会社 半導体装置及びその製造方法
US10190640B2 (en) 2016-03-23 2019-01-29 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bearing with integrated shunt
US10794427B2 (en) 2016-04-05 2020-10-06 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bearing ring with insulating coating
US10858727B2 (en) 2016-08-19 2020-12-08 Applied Materials, Inc. High density, low stress amorphous carbon film, and process and equipment for its deposition
WO2018056584A1 (ko) 2016-09-21 2018-03-29 삼성전자 주식회사 피부 상태 측정 방법 및 이를 위한 전자 장치
JP6729437B2 (ja) * 2017-02-08 2020-07-22 株式会社デンソー 金属構造体およびその製造方法
JP7134639B2 (ja) 2017-03-24 2022-09-12 アクティエボラゲット・エスコーエッフ 電気絶縁層を含む転がり軸受
US10539178B2 (en) 2017-05-18 2020-01-21 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Vapor deposition bearing coating
KR102019057B1 (ko) 2018-01-31 2019-09-06 셰플러코리아(유) 구름 베어링 전식 시험 장치
EP3752747A4 (en) * 2018-02-13 2021-10-27 Schaeffler Technologies AG & Co. KG COATED BEARING COMPONENTS
WO2019209401A1 (en) * 2018-04-27 2019-10-31 Applied Materials, Inc. Protection of components from corrosion
US11560808B2 (en) * 2018-09-19 2023-01-24 Raytheon Technologies Corporation Seal assembly for gas turbine engine
CN109576679B (zh) * 2018-12-24 2022-03-22 上海治臻新能源股份有限公司 一种燃料电池双极板碳涂层连续沉积系统及其应用
MX2021013562A (es) * 2019-05-07 2021-12-10 Oerlikon Surface Solutions Ag Pfaeffikon Dispositivo portador de piezas de trabajo movil para sujetar piezas de trabajo que se van a tratar.
CN111876754A (zh) * 2020-08-04 2020-11-03 中国科学院兰州化学物理研究所 通过纳米金属镀膜钢球与含氢碳薄膜配副实现宏观超滑的方法
CN113564552A (zh) * 2021-07-29 2021-10-29 中国科学院兰州化学物理研究所 一种电磁分离式镀膜装置及方法
CN114150282B (zh) * 2021-11-22 2022-08-09 苏州大学 一种纳米刀具涂层及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007115819A1 (en) 2006-04-11 2007-10-18 Hauzer Techno Coating Bv A vacuum treatment apparatus, a bias power supply and a method of operating a vacuum treatment apparatus

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3421739A1 (de) 1984-06-12 1985-12-12 Battelle-Institut E.V., 6000 Frankfurt Verfahren zur herstellung von diamantartigen kohlenstoffschichten
US5067826A (en) * 1987-03-31 1991-11-26 Lemelson Jerome H Ball and roller bearings and bearing components
BE1006711A3 (nl) 1992-12-02 1994-11-22 Vito Werkwijze voor het aanbrengen van een diamantachtige koolstoflaag op staal, ijzer of legeringen daarvan.
BE1008229A3 (nl) 1993-10-29 1996-02-20 Vito Werkwijze voor het aanbrengen van een tegen slijtage beschermende laag op een substraat.
DE19513614C1 (de) 1995-04-10 1996-10-02 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoffschichten, Kohlenstoffschichten auf Substraten und deren Verwendung
US5593234A (en) * 1995-05-16 1997-01-14 Ntn Corporation Bearing assembly with polycrystalline superlattice coating
US5961218A (en) * 1996-02-20 1999-10-05 Ebara Corporation Water lubricated machine component having contacting sliding surfaces
DE19631988A1 (de) * 1996-08-08 1998-02-12 Dieter Westerhoff Kugel- bzw. wälzgelagerter Großelektromotor
US6372303B1 (en) * 1997-06-16 2002-04-16 Robert Bosch Gmbh Method and device for vacuum-coating a substrate
NL1009170C2 (nl) * 1998-05-14 1999-11-16 Skf Eng & Res Centre Bv Bekleed wentellager.
US6357923B1 (en) * 1999-02-19 2002-03-19 Nsk Ltd. Rolling bearing and bearing device
DE10018143C5 (de) 2000-04-12 2012-09-06 Oerlikon Trading Ag, Trübbach DLC-Schichtsystem sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Schichtsystems
US6482733B2 (en) 2000-05-15 2002-11-19 Asm Microchemistry Oy Protective layers prior to alternating layer deposition
US6497772B1 (en) 2000-09-27 2002-12-24 Molecular Metallurgy, Inc. Surface treatment for improved hardness and corrosion resistance
JP2002276679A (ja) * 2001-03-15 2002-09-25 Daido Metal Co Ltd すべり軸受装置
ITMO20010080A1 (it) 2001-05-03 2002-11-03 Franco Berselli Realizzazione di piastrelle contenenti decoro costituito da elementi organici ed inorganici cristallizzati
DE10124749A1 (de) 2001-05-21 2002-11-28 Wolf-Dieter Muenz Kombiniertes Beschichtungs Verfahren magnetfeldunterstützte Hochleistungs-Impuls-Kathodenzerstäubung und Unbalanziertes Magnetron
KR100466309B1 (ko) 2002-05-21 2005-01-13 삼성전자주식회사 반도체 장치의 금속층 형성 방법 및 장치
US7049226B2 (en) 2001-09-26 2006-05-23 Applied Materials, Inc. Integration of ALD tantalum nitride for copper metallization
US6936906B2 (en) 2001-09-26 2005-08-30 Applied Materials, Inc. Integration of barrier layer and seed layer
US6921702B2 (en) 2002-07-30 2005-07-26 Micron Technology Inc. Atomic layer deposited nanolaminates of HfO2/ZrO2 films as gate dielectrics
US6904935B2 (en) * 2002-12-18 2005-06-14 Masco Corporation Of Indiana Valve component with multiple surface layers
JP2005032346A (ja) * 2003-07-14 2005-02-03 Tdk Corp 磁気ヘッドスライダ、ヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置
JP2005133876A (ja) * 2003-10-31 2005-05-26 Ntn Corp 電食防止型転がり軸受
US7285312B2 (en) * 2004-01-16 2007-10-23 Honeywell International, Inc. Atomic layer deposition for turbine components
KR100636325B1 (ko) 2004-12-14 2006-10-18 삼성전자주식회사 프린터의 미싱 노즐 보상 방법 및 이를 이용하는 프린터
JP2006226500A (ja) * 2005-02-21 2006-08-31 Nsk Ltd 転がり軸受
SE529051C2 (sv) * 2005-09-27 2007-04-17 Seco Tools Ab Skärverktygsskär belagt med aluminiumoxid
US20070116872A1 (en) 2005-11-18 2007-05-24 Tokyo Electron Limited Apparatus for thermal and plasma enhanced vapor deposition and method of operating
US20070116888A1 (en) 2005-11-18 2007-05-24 Tokyo Electron Limited Method and system for performing different deposition processes within a single chamber
CA2603458C (en) 2006-09-21 2015-11-17 Smith International, Inc. Atomic layer deposition nanocoatings on cutting tool powder materials
JP5174825B2 (ja) 2006-10-26 2013-04-03 ハウザー テクノ−コーティング ベー．フェー． デュアルマグネトロンスパッタリング電源およびマグネトロンスパッタリング装置
DE102007035342A1 (de) 2007-07-27 2009-01-29 Schaeffler Kg Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente sowie Gleitlagerkomponente
GB2455993B (en) * 2007-12-28 2012-09-05 Hauzer Techno Coating Bv A corrosion resistant coated article
DE102008045381A1 (de) 2008-09-02 2010-03-04 Schaeffler Kg Verschleiß- und korrosionshemmender Schichtverbund
FI20095630A0 (fi) * 2009-06-05 2009-06-05 Beneq Oy Suojapinnoitus, menetelmä alustan suojaamiseksi ja menetelmän käyttö

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007115819A1 (en) 2006-04-11 2007-10-18 Hauzer Techno Coating Bv A vacuum treatment apparatus, a bias power supply and a method of operating a vacuum treatment apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013167353A (ja) 2013-08-29
JP6190590B2 (ja) 2017-08-30
US9115755B2 (en) 2015-08-25
TW201402842A (zh) 2014-01-16
SG193070A1 (en) 2013-09-30
EP2628822A1 (en) 2013-08-21
PL2628822T3 (pl) 2016-04-29
CN103256306B (zh) 2017-03-08
EP2628822B1 (en) 2015-05-20
CN103256306A (zh) 2013-08-21
KR20130094226A (ko) 2013-08-23
TWI577814B (zh) 2017-04-11
US20130209006A1 (en) 2013-08-15
ES2543579T3 (es) 2015-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101948013B1 (ko) 전류 절연 베어링 부품 및 베어링
JP6084032B2 (ja) スチール被覆物品およびその製造方法
US6740393B1 (en) DLC coating system and process and apparatus for making coating system
CN109267007B (zh) 用于在工件上沉积无氢四面体非晶碳层的装置和方法
JP2009133008A (ja) 多層構造体
JP2014058742A (ja) リモートアーク放電プラズマアシスト処理
EP3091560A1 (en) Remote arc discharge plasma assisted system
JP4300762B2 (ja) 炭素膜被覆物品及びその製造方法
Ghantasala et al. Magnetron sputtered thin films based on transition metal nitride: structure and properties
WO2014103318A1 (ja) プラズマｃｖｄ法による保護膜の形成方法
JP6005536B2 (ja) アーク蒸発源を備えたプラズマｃｖｄ装置
US11214861B2 (en) Arrangement for coating substrate surfaces by means of electric arc discharge
CS248804B1 (cs) Způsob vytváření tenkého nemagnetického povlaku na vnitřním povrchu dutého tělesa magnetronovým rozprašováním a zařízení k provádění tohoto způsobu

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right