KR20220038410A

KR20220038410A - 기판에 코팅된 차등적 무수소 탄소 기반 경질 재료층

Info

Publication number: KR20220038410A
Application number: KR1020227005553A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 베커; 나이르 베가노빅; 요한 카르너; 티메아 스텔지그; 요르그 베터
Original assignee: 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-03-28
Also published as: MX2022001361A; CN114207178A; CN114207178B; JP2022542149A; US20220275498A1; EP4004251A1; WO2021019084A1

Abstract

기판에 경질 코팅을 제조하는 방법으로서, 경질 코팅은 무수소 비정질 탄소 코팅을 포함하고, 비정질 탄소 코팅은 음극 아크 방전 증착 기술을 사용하여 기판 상에 증착되고, 바이어스 전압은 0 V보다 큰 바람직하게는 10 V 초과 1000 V 미만의 절대값으로 기판에 인가되고, 바이어스 전압의 절대값은 코팅 두께를 따라 제1 구조 및 제2 구조, 상기 제1 구조와 제2 구조 사이의 구배를 획득하기 위해 코팅 공정 동안 증가되고, 제1 및 제2 구조는 sp2 및 sp3 탄소 결합을 포함하지만 이들의 상대 농도가 다르며, 코팅 일시 중지 동안 기판 온도를 감소시키기 위하여 코팅 공정 동안 적어도 한 번의 코팅 일시 중지가 적용된다.

Description

기판에 코팅된 차등적 무수소 탄소 기반 경질 재료층

탄소 기반 경질 코팅, 특히 사면체 비정질 탄소 코팅(ta-C)은 놀라운 마찰 특성으로 인해 산업 분야에 사용된다. 특히 무수소 비정질 탄소층은 40 GPa 이상의 층 경도 및 300 GPa 이상의 탄성률을 가질 수 있다. ta-C 코팅의 일반적인 코팅 두께는 0.2 ㎛ 내지 30 ㎛, 특히 0.7 내지 2 ㎛의 범위에서 변할 수 있다. 이러한 코팅은 VDI 2840(탄소층 - 기본, 코팅 유형 및 특성) 또는 ISO 20523(탄소 기반 필름 - 분류 및 지정)에 따라 정의된다.

이러한 특정 코팅을 생산하려면 고에너지 물리기상증착(PVD) 공정들이 필요하다. 일반적으로 사용되는 물리기상증착 방법은 음극 아크 증발 기술이다. 이 공정을 통해 원자당 약 100 eV의 에너지를 생성할 수 있으며 원자는 성장하는 코팅에 이식된다. ta-C 구조의 형성을 위해 기판 온도는 165℃보다 낮아야 하는데, 이는 충돌하는 입자들의 고에너지에 비해 낮은 것이다. 더 높은 기판 온도에서는, 원하는 sp3 결합(다이아몬드 결합) 외에 원하지 않는 sp2 결합(흑연 결합)이 비교적 높은 비율로 형성된다.

음극 아크 증발에서의 주요 과제는 액적으로 층에 통합되는 매크로 입자의 불가피한 형성이다. 이러한 액적은, 특히 코팅이 베어링, 특히 베어링 피스톤 핀/커넥팅 로드 아이(eye)와 같은 마찰 시스템에 사용되는 경우, 후처리에서 반드시 제거되어야 한다. 후처리는, 표면을 매끄럽게 하고 액적의 존재로 인한 마모를 방지하기 위하여 샌딩 또는 그라인딩을 포함할 수 있다. ta-C 코팅들은 매우 단단하기 때문에, 이러한 마무리 방법들은 시간과 비용이 많이 든다.

코팅 공정 동안 액적의 생성을 줄이기 위해 아크 필터링으로 알려져 있는 방법 및 코팅 기계에 설치할 수 있는 장치들이 있다. 그러나, 이러한 필터들의 구현은 증착 속도를 크게 감소시키며 이는 코팅 비용에 부정적인 영향을 준다.

본 발명의 목적은 바람직하게는 높은 증착 속도로 기판 상에 경질 코팅을 생성하는 방법을 제공하는 것이며, 여기서 경질 코팅은 바람직하게는 단지 수개의 액적을 포함한다. 본 발명의 또 다른 목적은 워크피스(workpiece)에 코팅된 경질 코팅을 구비한 워크피스를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 과제는 청구항 1에 청구된 방법 및 청구항 14에 따른 워크피스에 의해 해결된다.

Ta-C 코팅은 약 40 GPa 초과의 경도 및 약 300 GPa 초과의 높은 탄성률을 갖는다. 기판 재료는 약 6 GPa의 전형적인 경도 및 약 200 GPa의 탄성률을 갖는다. 결과적으로, 기판과 경질 코팅은 하중 하에서 상이하게 거동할 수 있다. 또 다른 결과로서, 기판과 경질 코팅 간의 탄성적 및 기계적 특성의 차이로 인해 변형 및 추후 균열이 형성되기 시작하여, 결국 코팅이 박리될 때까지 형성될 수 있다. 이것은 연질 코어 주위를 감싸는 단단한 껍질의 효과를 나타내는 "에그쉘" 효과라고 지칭된다. 탄성적 및 기계적 특성의 불일치를 보상하고 작동 동안 코팅의 박리 위험을 줄이기 위해, 중간 접착층이 경질 코팅층 이전에 증착될 수 있다.

두 개의 이동하는 본체가 접촉하는 마찰 배치구성에서, 본체와 대응 본체가 비슷한 경도를 갖는 경우 마모 효과가 발생하기 시작한다. 두 마찰 본체들은 서로 상호작용하여 매끄러운 표면을 갖게 될 것이다. 본체들 중 한쪽에만 ta-C가 코팅된 경우, 코팅이 되지 않은 본체에만 마모 효과가 발생한다. 이것은 마모로 인해 표면에서 재료를 손실한 후에 매우 매끄러운 표면을 생성할 수 있다.

코팅 두께에 걸쳐 코팅의 다른 위치에서 다른 경도를 갖는 무수소 탄소 기반 코팅의 생성은 몇 가지 기술적 및 경제적 이점을 가질 수 있다.

기판의 표면과 코팅 사이의 계면에서 코팅의 경도가 낮으면 경질 코팅과 기판 사이에 탄성률 및 경도의 불일치로 인한 응력을 감소시킬 수 있는데, 이는 코팅에서 균열 형성 또는 코팅의 박리에 대해 유리하다. 경우에 따라서는, 코팅과 기판 사이의 상이한 특성을 보상하기 위한 중간 접착층이 필요하지 않을 수도 있다.

코팅의 외부 표면으로 갈수록, 작동 중에 내마모성 및 원하는 마찰 특성이 보장될 수 있도록 더 높은 경도가 바람직하다. 그러나, 다른 한편으로는, 표면을 매끄럽게 하고 액적을 제거하기 위해 필요한 후처리 공정의 비용 및 노력을 줄이기 위하여 코팅의 표면에서 더 낮은 경도를 갖는 것이 유리할 수도 있다.

마찰 시스템의 다른 특별한 용도에서 단단한 상부 층이 없는 것이 바람직하지만, 대조적으로 다른 본체에 대해 마찰되는 하나의 본체가 마모성 코팅처럼 작용할 수 있는 코팅을 갖는다. 이 경우, 두 본체는 서로 기계적 접촉을 하는 동안 코팅된 본체의 표면이 매끄러워지지만, 동시에 내마모성을 잃지 않고 두 본체를 가급적 가까이 유지한다.

본 발명의 목적은 하나의 독특한 공정이 실행되는 동안 상이한 코팅 파라미터를 적용하고 변화시킴으로써 코팅 두께를 따라 점진적으로, 전술한 무수소 탄소 기반 코팅의 특성의 변화 및 상이한 경도를 생성하는 것이다. 이것은 주로 기판의 바이어스 전압(일반적으로 음의 값을 가짐)을 변경하고, 바람직하게는 아크 전류 자체를 통해 증착 속도를 변경하고 코팅 재료에서 기판으로 에너지 전달을 통해 설정되는 코팅 온도(즉, 표면 온도)를 제어함으로써 이루어질 수 있다.

특히, 인가된 바이어스 전압의 절대값을 증가시키고 및/또는 코팅 공정 동안 기판 온도를 증가시킴으로써, 무수소 탄소 기반 코팅은 기판에 가까운 더 낮은 경도의 주로 sp2 결합을 갖는 비정질 탄소로부터 바람직하게는 코팅의 중간의 어디에서나 더 높은 경도의 대부분 sp3 결합을 갖는 사면체 비정질 탄소(ta-C) 코팅으로 변경될 수 있고, 바람직하게는 인가된 바이어스 전압의 절대값을 감소시키고 및/또는 바람직하게는 기판 온도를 감소시킴으로써, 주로 sp3 결합을 갖는 코팅이 코팅의 외부 표면에서 더 낮은 경도의 주로 sp2 결합 코팅으로 다시 변경될 수 있다. 결과적인 코팅은 기판의 가까이 및 코팅의 외부 표면에서 더 낮은 경도를 가지며 이들 두 영역 사이의 어디에서나 더 높은 경도를 가질 것이다.

앞서 언급한 코팅 파라미터(바이어스 전압, 기판 온도)를 제어하지 않는 일반 코팅 공정에서, 기판 온도(즉, 표면 온도)는 코팅 특성에 다른 영향을 미칠 수 있는 공정의 고에너지로 인해 지속적으로 증가한다. 예를 들어, 기판의 온도가 특정 온도를 초과하는 경우, sp2 결합이 선호되고 코팅은 ta-C 구조를 잃어버린다. 이것은 동일한 코팅 공정에서, 코팅 공정 동안 언제든지 이 특정 온도에 일단 도달하면 주로 sp2 결합을 갖고 ta-C 구조를 갖는 외부 표면에서 코팅을 생성하는 것이 더 이상 불가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 원하는 코팅 전이를 얻기 위하여 코팅 공정 동안 바이어스 전압과 기판 온도를 모두 제어하는 것이 필요하다. 음극 아크 증발 기술을 사용하면 sp2 결합은 약 165℃ 초과의 온도에서 코팅에 주로 존재하기 시작한다. 본 발명의 방법에서, 기판 온도 및 코팅의 구조는 절대값이 주어진 비율로 증가될 수 있는 기판에 네커티브 바이어스 전압을 인가함으로써 그리고 일시 중지 동안 기판이 냉각되도록 하기 위해 코팅 공정 동안 적어도 일 분 동안 바람직하게는 몇 분 동안 적어도 한 번의 코팅 일시 중지(pause)를 적용함으로써 제어될 수 있다. 기판이 주어진 낮은 온도에 도달하면, 코팅 공정이 재개될 수 있다. 기판 온도, 즉 표면 온도를 낮게 유지하고 탄소 기반 코팅에서 예를 들어 주로 sp3 결합을 생성하는 체제를 유지하기 위해 필요한 만큼 많은 코팅 일시 중지가 있을 수 있다. 이러한 온도 및 공정 제어를 통해, 코팅 두께를 따라 sp3 결합이 있는 ta-C 구조 또는 sp2 결합이 있는 비정질 탄소 구조가 얻을 수 있는 특정 영역을 설정할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 바이어스 전압의 절대값의 증가는 시간 단위에 대한 절대 전압 차이의 비율인 비율(△U/△s)에 의해 정의된 비율에 의해 설정될 수 있다. 그렇지 않으면, 탄소 기반 코팅의 증착 속도가 코팅 파라미터에 따라 달라지기 때문에, 비율은 총 코팅 두께를 참조하는 것일 수 있고 코팅 두께의 차이에 대한 절대 전압 차이 사이의 비율인 비율(△U/△d)로 정의될 수 있다. 예를 들어, 1000 nm의 코팅 두께에 대해 기판의 바이어스 전압이 0에서 200 V로 절대 증가하는 것은 0.2 V/nm의 비율 △U/△d에 의해 정의될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 탄소 기반 코팅의 코팅 공정 동안 바이어스 전압의 절대 증가는 0 V 초과 1000 V 미만, 바람직하게는 10 V 초과 1000 V 미만, 일반적으로 10 V 내지 200 V이다. 코팅 두께에 대한 바이어스 전압의 증가의 비율은 0.02 V/nm 내지 0.5 V/nm로 설정될 수 있고, 이는 5000 nm의 코팅 두께에 걸쳐 100 V의 바이어스 전압, 및 2000 nm의 코팅 두께에 걸쳐 1000 V의 바이어스 전압의 절대 선형 증가에 해당한다.

특별한 실시예에서, 코팅 공정 동안 선형 방식으로 절대 바이어스 전압을 증가시키는 대신에, 바람직한 방식은 코팅 공정 동안 바이어스 전압의 절대 증가 비율을 상이한 값으로 설정하는 것이다. 이러한 방식으로, 예를 들어 유리한 ta-C가 생성될 코팅 두께를 따른 영역이 확장될 수 있다. 이 효과는 sp3 결합이 있는 ta-C가 생성되는 특정 범위에 온도를 유지하거나 낮추기 위해 코팅 공정 중에 적용되는 코팅 일시 중지와 조합될 수 있다.

금속 이온 에칭(MIE)과 같은 탄소 기반 코팅의 증착 전에 기판 표면의 사전 처리, 또는 이전의 금속 이온 에칭 공정에서의 잔류 Cr을 사용하여 생성될 수 있는 Cr 기반 층과 같은 매우 얇은 접착층의 추가를 이용함으로써, 경질 코팅 시스템의 다른 개선이 달성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 이점은 코팅의 코어보다 감소된 경도를 갖는 탄소 기반 코팅의 표면을 후처리하는 가능성이다. 표면 평활화 방법 및 액적 제거에는 샌딩, 그라인딩, 특히 밴드 피니싱(band-finishing)이 포함될 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.

밴드 피니싱은 처리할 부품, 예를 들어 피스톤 핀이 회전가능한 스핀들에 장착되는 가공 방법이다. 그 다음 "피니셔"라고 하는 다른 부품이 정의된 공기 압력으로 천천히 전진하는 벨트를 통해 워크피스에 대해 눌러진다. 약 A 65° 또는 약 A 85°, 바람직하게는 약 A 65° 내지 A 85°사이의 쇼어 경도를 갖는 벨트 상의 테이프가 벨트와 함께 회전하고 워크피스에 대해 마찰된다. 테이프 재료(입자 종류, 입자 크기, 직조 방식)의 선택은 마무리 결과에 필수적이다. 특히, 원하는 마무리 및 표면 마무리 시간에 따라 약 9 ㎛ 내지 약 30㎛ 사이의 입자 크기를 갖는 다이아몬드 마이크로 마무리 테이프 재료가 사용된다. 바람직하게는 최상의 마무리 결과를 위해, 약 A 65°의 쇼어 경도의 벨트와 함께 약 9 ㎛의 다이아몬드 테이프 입자 크기가 사용된다. 피드 외에, 이른바 크로스 마무리를 생성하기 위해 마무리 장치는 회전하는 워크피스의 축을 따라 좌우로 진동할 수도 있다. 연마 과정에서 테이프의 과열을 줄이기 위해 종종 냉각 윤활제가 사용되지만 항상 필수적인 것은 아니다. 마무리 전(코팅된 상태)과 마무리 후의 필터링되지 않은 바이어스 램프 층의 일반적인 조도값은 일반적으로 Rz=1.5 에서 0.5 ㎛까지 감소될 수 있다. 조도의 목표값 및 괄호 안의 최적값은 Spk < 0.4 ㎛(0.3 ㎛), Rpk < 0.5 ㎛(0.3 ㎛), Rpkx < 0.2 ㎛(0.1 ㎛), RfpH5n(F) < 0.6 ㎛(< 0.3 ㎛), GKV < 6 ㎛(3 ㎛) 였다. 보다 상세한 값은 도 5에 나와 있다.

거칠기 측정은, 거칠기 측정에 또한 고려해야 하는 코팅에 액적이 존재하는 음극 아크 방전에 의해 생성된 코팅에 대해 특히 중요하다. 표면의 액적을 카운트하고 마무리 방법의 효율성을 특징짓기 위해 특수 설계된 알고리즘과 결합된, 콘보비스(Confovis)에 의해 개발한 것과 같은 광학 방법들이 사용될 수 있다.

강 기판에 음극 아크 증발을 사용하여 사면체 탄소층(ta-C)을 생성하는 것을 설명하는 공정 단계들은 다음과 같은 것이다.

예열

기판은 진공 챔버에서 통합된 복사 히터를 사용하여 약 150℃로 가열된다. 기판은 표면에서 최적의 열 분포를 위해 단일, 이중 또는 삼중 회전의 다양한 자유도로 회전된다.

에칭

두 번째 단계에서, 기판은 아르곤 이온으로 에칭된다. 에칭은 소위 "첨단 에너지 글로우 방전"(AEGD : advanced energy glow discharge) 기술에 의해 수행된다. 코팅 챔버에서, 이 목적을 위해 의도된 티타늄 타겟들은 100A의 타겟 전류를 갖는 아크에 의해 셔터(챔버 전위에서의 셔터) 뒤에서 작동된다. 생성된 티타늄 이온(Ti⁺)은 셔터에 의해 포획된다. 양전위에서, 티타늄의 이온화에 의해 생성된 전자는 막대 양극을 통해 전도된다. 이 단계 동안에, 아르곤 흐름은 압력 제어되어 약 1 x 10^-2mbar의 코팅 챔버 내로 공급된다. 이온화된 아르곤(Ar⁺)은 -200 V의 네거티브 바이어스 전압을 통해 기판을 향해 보내진다. 그 다음에 표면 에칭은 이온 충격에 의해 수행된다.

크롬-MIE(크롬-금속 이온 에칭)

1.3 x 10^-3 mbar의 고진공 및 약 178 sccm의 아르곤 흐름에서, 크롬 타겟들은 트리거 와이어에 의해 점화되고 그 다음 80 A의 타겟 전류에서 작동된다. 결과적으로, 타겟 표면의 자기장의 사용을 통해 타겟에서 이동할 수 있는 아크가 생성된다. -800 V의 네거티브 바이어스 전압을 기판에 인가함으로써, 크롬 이온(Cr⁺)이 타겟에서 기판으로 강력하게 가속된다. 표면에 대한 이러한 이온들의 고충격 덕분에 표면에서 산화물이 제거될 수 있으며 동시에 이온들이 기판 재료로 침투할 수 있으며, 크롬 이온의 이식(implantation)을 생성할 수 있다. 또한, 표면에 존재하는 나머지 크롬에 의해 20 - 100 nm의 매우 얇은 크롬층이 생성될 수 있다. 크롬-금속 이온 에칭(Cr-MIE)은 기판과 층 재료 사이의 계면에서 순조로운 전이를 보장한다. 또한, 크롬 이식은 기판에서 일종의 앵커 역할을 하여 층의 우수한 접착을 보장한다. 크롬-금속 이온 에칭은 고에너지 공정 단계이기 때문에 기판이 상당히 뜨거워질 수 있다. 따라서 기판 온도를 기판 재료의 템퍼링 온도 미만으로 유지하기 위해 약간의 일시 중지를 적용할 필요가 있다.

냉각 기간

탄소 기반 코팅을 적용하기 전에 얇은 크롬층과 탄소층 사이의 우수한 접착을 보장하기 위해 기판은 약 100 ℃로 냉각된다. 냉각 단계 동안 기판은 진공 챔버 내로 회전된다. 냉각 시간은 기판의 질량과 체적에 의존하여 변할 수 있다.

탄소 전이층(C-중간층)

1 x 10^-3 내지 2 x 10^-3 mbar 사이, 바람직하게는 약 1.7 x 10^-3 mbar의 공정 압력 및 50 내지 80 sccm 사이, 바람직하게는 약 64 sccm의 아르곤 흐름에서, 탄소 도핑이 수행된다. 아르곤은 탄소 타겟 바로 전방에서 가스 샤워에 의해 도입된다. 탄소 타겟은 트리거 와이어에 의해 점화되고 40 내지 55 A 사이, 바람직하게는 약 45 A의 타겟 전류에서 작동된다. 그 다음, 생성된 탄소 이온(C⁺)은 -500 내지 -300 V, 바람직하게는 -500 V의 바이어스 전압에 의해 기판 상으로 가속된다. 이것은 얇은 크롬층 내에 탄소를 이식하는 것으로 이어진다. 다음에, 네거티브 바이어스 전압의 절대값이 -500V에서 -150V로 감소될 수 있다.

탄소 기반 코팅 공정(ta-C 코팅)

탄소 기반 코팅, 특히 ta-C 코팅은 1 x 10^-3 내지 2 x 10^-3 mbar 사이, 바람직하게는 약 1.3 x 10^-3 mbar의 공정 압력 및 80 내지 100 sccm 사이, 바람직하게는 약 90 sccm의 아르곤 흐름에서 생성된다. 이 경우에, 탄소 타겟은 25 내지 35 A의 더 낮은 타겟 전류에서 작동된다. 네거티브 바이어스 전압의 절대값은 0에서 -200 V까지 전체 코팅 시간에 걸쳐 주어진 속도(램프)로 증가한다. 탄소 타겟의 타겟 전류는 일정하게 유지된다. 바이어스 전압의 램프를 적용하는 것은 코팅 초기에 경도가 낮은 ta-C 층이 생성될 수 있다는 이점이 있다. 그 후에 바이어스 전압을 높이면 40 내지 50 GPa 범위에서 더 단단한 경질층이 생성된다. 약 -160 V의 바이어스 전압 및 160 ℃에 가까운 기판 온도에서, sp2 결합의 비율은 증가하는 반면 sp3 결합의 비율은 감소한다. 이는 약 15 내지 30 GPa의 코팅 코어보다 훨씬 낮은 경도를 갖는 그라파이트와 같은 상부층을 생성한다. 경도가 낮은 상부층은 층이 더 쉽게 마무리될 수 있다는 상당한 이점이 있다.

본 발명의 추가 이점, 효과 및 세부 사항은 설명 및 첨부 도면에 제공된다. 위에서 언급한 특징 및 아래에서 설명할 특징은 각각의 경우에 표시된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로, 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 특별한 위치에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명은 실시예에 기초하여 도면에 개략적으로 도시되어 있고 도면을 참조하여 추가로 설명된다.

도 1은 코팅 두께를 따라 상이한 코팅 구조들을 나타내는 왼쪽에서 오른쪽으로 탄소 기반 코팅 형성을 보여준다. 기판의 온도는 빨간색으로 표시되고 바이어스 전압은 파란색으로 표시된다. A, B, C로 표시된 3 영역에서 상이한 코팅 구조들을 볼 수 있다.
도 2는 코팅 두께에 따른 코팅 구조들 간의 차이를 보여주기 위해 범례없이 더 높은 대비로 나타낸, 도 1과 동일한 단면을 보여준다.
도 3은 본 발명에 의해 설명한 바와 같은 코팅을 보여준다. (1)은 기판, (2)는 Cr-층, (3)은 C-중간층, (4)는 낮은 바이어스 전압(0 - 20 V)에서 ta-C, (5)는 중간 바이어스 전압(20 - 160 V)에서 ta-C, 및 (6)은 바이어스 전압(160 - 200 V)에서 ta-C 상부층이다
도 4는 음극 아크 전류, 절대 바이어스 전압, 가스 흐름 및 기판 온도와 같은 관련 공정 데이터를 보여준다. 여기서 범례의 값은 100에서 전체 스케일을 나타낸다. X축은 분 단위로 시간을 나타낸다.
도 5는 a) 고전적인 방법 및 b) 광학적 방법을 사용하여 코팅의 표면 마무리 전후에 상이한 조도값들의 표를 보여준다.

도 1은 코팅 두께를 따라 상이한 코팅 구조들을 나타내는 왼쪽에서 오른쪽으로 탄소 기반 코팅 형성을 보여준다. 기판의 온도는 빨간색으로 표시되고 바이어스 전압은 파란색으로 표시된다. 코팅은 3개의 범위 A, B, C로 분할될 수 있다. 기판에 가까운 영역 A는 코팅 두께가 200 내지 1000 nm, 바람직하게는 약 700 mn인 미세 구조에 해당하며, 여기서 절대 바이어스 전압은 10에서 100 V로 증가되고 기판 온도는 약 140에서 180℃로 증가한다. 영역 A와 영역 B 사이의 코팅 일시 중지는 약 20℃의 기판 온도 강하를 유도하고, 그 후에 바이어스 전류가 100 V에서 150 V로 증가될 때 온도는 약 160℃에서 190℃로 증가한다. 영역 B에서 코팅은 유리질이며 코팅 두께 범위가 200 내지 500 nm, 바람직하게는 약 400 nm인 더욱 조밀한 (ta-C)이다. 영역 C는 더욱 다공성이고 거친 코팅을 보여주며, 여기서 절대 바이어스 전압은 150 V에서 200 V로 증가하고 기판 온도는 190℃에서 220℃로 증가한다. 코팅의 이 영역에서, sp2 결합이 우세하고 코팅은 감소된 경도를 가지며 코팅 두께는 200 내지 500 nm의 범위, 바람직하게는 약 400 nm이다.

도 2는 코팅 두께에 따른 코팅 구조들 간의 차이를 보여주기 위해 기호 범례없이 더 높은 대비로 나타낸, 도 1과 동일한 단면을 보여준다.

도 3은 예시로서 바이어스 전압의 절대값을 갖는 본 발명에 의해 설명된 바와 같은 코팅을 도시한다. (1)은 기판, (2)는 Cr-층, (3)은 C-중간층, (4)는 낮은 바이어스 전압(0 - 20 V)에서 ta-C, (5) 중간 바이어스 전압(20 - 160 V)에서 ta-C, 및 (6)은 바이어스 전압(160 - 200 V)에서 ta-C 상부층이다.

도 4는 음극 아크 전류, 절대 바이어스 전압, 가스 흐름 및 기판 온도와 같은 일부 관련 공정 데이터를 보여주며, 여기서 범례의 값들은 100에서 전체 스케일을 나타낸다. X축은 분 단위로 시간을 나타낸다. 이 예에서 코팅 공정은 음극 아크 전류의 입력이고 약 200분을 조금 초과하여 지속하는 진한 파란색 선으로 표시되며, 약 100분에서 공정은 약 20분의 코팅 일시 중지를 적용하기 위해 중단되고, 그 이후 코팅 공정은 원하는 코팅 두께에 도달할 때까지 계속된다. 코팅 일시 중지를 포함하여 200분의 전체 코팅 시간 동안, 녹색 선으로 표시되는 절대 바이어스 전압은 10 V에서 200 V로 증가한다. 중단하는 동안에 코팅 공정은 없고 바이어스 전압은 일정하게 유지되지만 기판에는 어떠한 영향도 주지 않는다. 코팅 일시 중지의 긍정적인 효과는 175℃에서 140℃로 떨어지는 기판 온도에서 볼 수 있으며, 그 결과 더 긴 시간 동안 더 많은 sp3 결합을 생성할 수 있는 유리한 온도가 만들어지고 결과적으로 ta-C 구조가 존재하는 코팅의 더 넓은 영역이 생성된다. 절대 바이어스 전압의 증가 속도, 코팅 시간, 코팅 일시 중지 시간 및 코팅 일시 중지 횟수와 같은 다양한 데이터 및 램프가 예로서 표시된다. 예를 들어, 절대 바이어스 전압의 다른 증가 속도가 코팅의 각 중단 사이에 선택될 수 있거나, 코팅이 1회 이상 중단될 수 있거나, 코팅 일시 중지가 20분 미만 또는 초과이지만 1분 이상 지속될 수 있다.

도 5는 일반적으로 Rz=1.5에서 0.5 ㎛까지 감소될 수 있는 마무리 이전(코팅된 상태) 및 이후의 필터링되지 않은 바이어스 램프 층에 대한 전형적인 조도값을 보여준다. 거칠기의 목표값 및 괄호 안의 최적값은 Spk < 0.4 ㎛(0.3 ㎛), Rpk < 0.5 ㎛(0.3 ㎛), Rpkx < 0.2 ㎛(0.1 ㎛), RfpH5n(F) < 0.6 ㎛(< 0.3 ㎛), GKV < 6 ㎛(3 ㎛) 였다.

Claims

기판에 경질 코팅을 제조하는 방법에 있어서,
경질 코팅은 무수소 비정질 탄소 코팅을 포함하고, 비정질 탄소 코팅은 음극 아크 방전 증착 기술을 사용하여 기판 상에 증착되고, 바이어스 전압은 0 V보다 큰 바람직하게는 10 V 초과 1000 V 미만의 절대값으로 기판에 인가되고, 바이어스 전압의 절대값은 코팅 두께를 따라 제1 구조 및 제2 구조, 상기 제1 구조와 제2 구조 사이의 구배를 획득하기 위해 코팅 공정 동안 증가되고, 제1 및 제2 구조는 sp2 및 sp3 탄소 결합을 포함하지만 이들의 상대 농도가 다르며, 코팅 일시 중지 동안 기판 온도를 감소시키기 위하여 코팅 공정 동안 적어도 한 번의 코팅 일시 중지가 적용되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
코팅 일시 중지는 적어도 1분, 바람직하게는 약 20분 지속하는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
바이어스 전압의 절대값의 증가는 단위 시간에 대한 절대 전압 차이의 비율인, 비율 △U/△s에 의해 정의된 속도로 설정되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
바이어스 전압의 절대값의 증가는 코팅 두께의 차이에 대한 절대 전압 차이 사이의 비율인, 비율 △U/△d에 의해 정의된 속도로 설정되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제4항에 있어서,
비율은 약 0.02 V/nm 내지 약 0.5 V/nm인 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
절대 바이어스 전압은 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
절대 바이어스 전압은 코팅 과정에서 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
경질 코팅이 기판에 코팅되기 전에, 기판은 진공 챔버에서 바람직하게는 통합된 복사 히터를 사용하여 약 150℃로 예열되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
경질 코팅이 기판에 코팅되기 전에, 바람직하게는 제8항에 따라 기판의 예열 후에, 기판은 특히 금속 이온 에칭(MIE) 및/또는 바람직하게는 Cr 기반 층과 같은 매우 얇은 접착층의 추가에 의해 사전 처리되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
경질 코팅이 기판에 코팅되기 전에 기판의 온도가 약 100℃ 이고, 특히 경질 코팅이 기판에 코팅되기 전에 우수한 접착을 보장하기 위해 제8항에 따라 기판의 예열 후에 기판은 약 100℃까지 냉각되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소 전이층(C-중간층)은 1 x 10^-3 내지 2 x 10^-3 mbar 사이, 바람직하게는 약 1.7 x 10^-3 mbar의 공정 압력 및 50 내지 80 sccm 사이, 바람직하게는 약 64 sccm의 아르곤 흐름에서 코팅되고 탄소 도핑이 수행되며, 아르곤은 가스 샤워에 의해 바람직하게는 탄소 타겟의 바로 전방에서 도입되고, 탄소 타겟은 트리거 와이어에 의해 점화되고 40 내지 55 A 사이, 바람직하게는 약 45 A의 타겟 전류에서 작동되며, 생성된 탄소 이온(C⁺)은 -500 V 내지 -300 V 사이, 바람직하게는 -500 V의 바이어스 전압에 의해 기판 상으로 가속되고, 이는 얇은 크롬층 내에 탄소의 이식으로 이어지며, 그 다음에 네거티브 바이어스 전압의 절대값이 -300 V에서 -150 V로, 바람직하게는 -500 V에서 -150 V로 감소되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
경질 코팅(ta-C 코팅)이 1 x 10^-3 내지 2 x 10^-3 mbar 사이, 바람직하게는 약 1.3 x 10^-3 mbar의 공정 압력 및 80 내지 100 sccm 사이, 바람직하게는 약 90 sccm의 아르곤 흐름에서 코팅되고, 탄소 타겟은 약 25 내지 약 35 A의 더 낮은 타겟 전류에서 작동되고, 네거티브 바이어스 전압의 절대값은 바람직하게는 전체 코팅 시간에 걸쳐 주어진 속도(램프)로 약 0에서 약 -200V로 증가되고, 탄소 타겟의 타겟 전류는 일정하게 유지되고, 코팅 시작시에 바이어스 전압의 램프를 적용함으로써 낮은 경도를 갖는 ta-C 층이 생성되고, 그 후에 바이어스 전압을 증가시켜 40 내지 50 GPa 범위, 바람직하게는 약 50 GPa의 경질 층을 생성하고, 약 -160V의 바이어스 전압 및 160℃에 가까운 기판 온도에서, sp2 결합의 비율은 증가하는 반면 sp3 결합의 비율은 감소하여 약 15 내지 30 GPa의 코팅 코어보다 훨씬 낮은 경도를 갖는 그라파이트와 같은 상부층이 생성되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소 기반 코팅의 표면은 샌딩, 그라인딩 및/또는 밴드 피니싱에 의해 후처리되는 것을 특징으로 하는 기판에 경질 코팅을 제조하는 방법.
기판 및 기판에 코팅된 경질 코팅을 포함하는 워크피스로서,
경질 코팅은 무수소 비정질 탄소 코팅을 포함하고, 비정질 탄소 코팅은 바람직하게는 제1항 내지 제13항 중 한 항에 따른 방법을 사용하여 기판에 증착되고, 경질 코팅은 제1 구조 및 제2 구조, 및 코팅 두께를 따라 제1 구조와 제2 구조 사이의 구배를 갖고 있으며, 제1 구조와 제2 구조는 sp2 및 sp3 탄소 결합을 포함하지만 이들의 상대 농도는 상이한 것을 특징으로 하는 워크피스.
제14항에 있어서,
워크피스의 표면 거칠기는 Rz = 0.5 ㎛와 1.5 ㎛ 사이이고, 특히 거칠기에 대한 목표값은 Spk < 0.4 ㎛, 바람직하게는 Spk = 0.3 ㎛이고, 및/또는 특히 Rpk < 0.5 ㎛, 바람직하게는 Rpk = 0.3 ㎛ 0.3 ㎛이고, 및/또는 특히 Rpkx < 0.2 ㎛, 바람직하게는 Rpkx = 0.1 ㎛이고, 및/또는 특히 RfpH5n(F) < 0.6 ㎛, 바람직하게는 RfpH5n = 0.3 ㎛이고, 및/또는 특히 GKV < 6 ㎛, 바람직하게는 GKV = 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 워크피스.
제14항 또는 제15항에 있어서,
경질 코팅은 3개의 영역 A, B 및 C로 분할될 수 있고, 영역 A는 기판에 가깝고 200 내지 1000 nm, 바람직하게는 약 700 nm의 두께를 갖는 미세 구조에 해당하며, 영역 A의 상부에는 영역 B가 코팅되는데 영역 B는 유리질이고 영역 A보다 밀도가 높으며, 영역 B는 200 내지 500 nm 사이, 바람직하게는 약 400 nm의 두께를 갖고 있으며, 영역 B의 상부에는 영역 C가 코팅되는데 영역 C는 영역 B에 비해 더욱더 다공성이고 거친 코팅을 나타내며, 영역 C에서 코팅은 sp2 결합이 우세하고 영역 C의 코팅은 영역 B에 비해 감소된 경도를 가지며, 영역 C의 두께는 200 내지 500 nm 사이, 바람직하게는 약 400 nm, 더욱 바람직하게는 약 370 nm인 것을 특징으로 하는 워크피스.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
기판의 상부에 Cr-층이 코팅되고, Cr-층의 상부에 C-중간층이 코팅되고, C-중간층의 상부에 경질 코팅이 코팅된 것을 특징으로 하는 워크피스.