TW201402842A

TW201402842A - 電流絕緣軸承組件及軸承

Info

Publication number: TW201402842A
Application number: TW102100001A
Authority: TW
Inventors: Ivan Kolev; Paul Peeters; Roland Tap; Bertram Haag; Yashar Musayev; Serge Kursawe; Tim Matthias Hosenfeldt; Juergen Gierl; Juhana Kostamo
Original assignee: Hauzer Techno Coating Bv; Schaeffler Ag; Picosun Oy
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2013-01-02
Publication date: 2014-01-16
Also published as: JP2013167353A; KR101948013B1; US20130209006A1; ES2543579T3; PL2628822T3; US9115755B2; EP2628822B1; KR20130094226A; SG193070A1; TWI577814B; CN103256306A; JP6190590B2; EP2628822A1; CN103256306B

Abstract

滾動元件軸承的直線軸承和滑動軸承的軸承元件，例如，從包括軸承座圈、滾動元件比如錐形滾子、桶狀滾子、針狀滾子、軸承滾珠和滾動元件籠的群組選出的元件，軸承元件在該製品的至少一個表面區域上具有藉由PVD（物理氣相沉積）方法、藉由CVD（化學氣相沉積）方法或藉由PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法應用的具有高硬度和高電流絕緣性能的至少一個層，該至少一個層包括從包括Al2O3層、TaO層、SiO2層、包括前述氧化物中的兩種或更多種的混合層、包括前述氧化物中的兩種或更多種的交替層的多層結構及DLC層(比如ta-C層)的群組選出的非傳導性氧化物層，存在包括藉由ALD（原子層沉積）方法沉積在具有高硬度和高電流絕緣性能的該至少一個層上的至少一個材料層的至少一個ALD層，ALD層本身具有高電流絕緣性能且包括從該材料的群組選出的材料或層結構。

Description

電流絕緣軸承組件及軸承

本發明與電流絕緣的軸承組件及軸承有關。

滾動元件軸承被用於很多工業應用中，比如用於不同的機器中、用於軌道車輛的輪組和牽引馬達中、用於在傳動列中使用的DC和馬達中及用於發電機中，發電機比如由風力驅動的那些。
這樣的滾動軸承可以被曝露到電流中。在最壞的情況下的場景中，這可損壞滾道和滾動元件，這又造成發動機或發電機過早故障且沒有警告。除了用於維修引起的額外的費用，這還意味著由機器停產和導致的生產損失所造成的額外的成本。
更經濟的解決方案是在相關產品中提供電流絕緣軸承的使用。這減少維護和維修成本且增加機器的可用性。對於消費者來說，這些都是重要的問題。
在一些情況下，根據應用，中斷軸承殼體和相關的軸之間的電路且在裝置的殼體和軸之間的一個或多個軸承位置處安裝電流絕緣軸承就足夠了。
與標準軸承相比，通常被陶瓷塗覆的電流絕緣軸承提供了顯著更高的耐電流性。
一般而言，消除由馬達感應的軸承電壓的起因是非常困難的，即，更一般而言，消除採用不期望路徑的電流是非常困難的，這樣的電流涉及與相關的電裝置的能量供應。然而，如果能夠防止或至少顯著地減少電流的流動，則避免對軸承的損害是可能的。目前，可以得到多種類型的電流絕緣的滾動軸承。需要絕緣的元件的類型取決於涉及的電壓的類型和特定的應用或安裝。
沿馬達或發電機的轉子的軸延伸的感應電壓產生環電流，該環電流經由支撐軸的軸承和在它們之間延伸的殼體而封閉。這樣的軸電壓通常是發動機內的磁通量的不對稱分佈的結果。這在僅具有幾對電極的發動機中尤其明顯。在這樣情況下，藉由使兩個軸承中的一個軸承絕緣，中斷電流的流動就足夠了。還出現軸和殼體之間存在電勢差的情況。在這種情況下，電流以相同方向流過支撐軸的軸承中的每一個。這樣的電勢差的最可能的起因是轉換器共模電壓。這種類型的情況可能需要兩個軸承的絕緣。
待使用的電絕緣的類型取決於相關電壓的時間回應。對於DC電壓和低頻AC電壓，軸承的歐姆電阻是電流絕緣的決定性性能。關於通常在轉換器中遇到的較高頻的AC電壓，在選擇軸承的電流絕緣性能時，軸承的容抗是要考慮的重要參數。從根本上來說，電流絕緣的軸承的作用就像並聯連接的電阻器和電容器。為了確保良好的絕緣，電阻應盡可能地高且電容應盡可能地低。
無論軸承已是被曝露到直流電中或是已被曝露到交流電中，對軸承表面所造成的改變總是相同的，至少高達兆赫茲範圍的頻率。在兩種情況下，電流在滾動元件上的滾道處均勻地形成暗淡的灰色標記。這些標記不是非常特定的且還可以由其他因素（例如由含研磨劑的潤滑油的膜）造成。還可以發現，沿著軸承的滾道的表面發展的一種類型的搓板圖案在旋轉方向延伸。這種類型的損壞（稱為“槽蝕（fluting）”）表明電流已經通過軸承。如果在掃描電子顯微鏡下檢查到在軸承中發現的由於電流流動的損壞，那麼可以表明，損壞以由局部熔化所造成的密緻填充的焊口（crater）和覆蓋滾道的具有微米大小的直徑的熔接焊珠（welding bead）為特徵。這樣的損壞可以決定性地視作電流已經通過軸承的證據。焊口和熔接焊珠是經常在滾道中且在滾動元件表面上被發現的微觀峰之間的放電的結果。當火花滲透在瓶頸處完全展開的潤滑膜時，其使相鄰表面瞬間熔化。在混合摩擦範圍（金屬與金屬的接觸）中，有效表面被臨時融為一體，然後，藉由軸承的旋轉，立即再次分裂開。在兩種情況下，材料亦與表面分開，在表面處材料立即固化以形成熔接焊珠。這些焊珠中的一些與潤滑劑混合，剩下的焊珠沉積在表面上。由於滾動元件連續在它們上方經過，可以使焊口和熔接焊珠平整且光滑。如果存在持續的電流流動，在時間進程中，通常薄的表面層反覆不斷地重複熔化和固化過程。
大多數的實際軸承故障是由上面提及的“槽蝕”造成的，槽蝕似乎由於電流的持續流動和軸承組件的振動性質的組合效果而發生。每當滾動元件接觸到足夠大的焊口時，其變成放射狀地移動；滾動元件的位移程度取決於軸承的內部幾何形狀和速度、以及取決於作用於軸承上的負載。當滾動元件轉回，潤滑膜的厚度被侵蝕，在此區域引起更多的火花放電。已經觸發自我維持的過程。不久，環的滾道的整個圓周可以被槽蝕損壞覆蓋。這導致更明顯的軸承振動，最後導致軸承故障。在本領域中，用於評估由電流造成的危險等級的可靠標準被稱為“計算的電流密度”，換而言之，有效的安培數除以滾動元件和軸承的內環和外環之間的接觸的總面積。電流密度取決於軸承的類型且取決於操作條件。根據目前的經驗，當電流密度小於約0.1 A_eff/mm²時，通常沒有槽蝕的風險。然而，超過1 A_eff/mm²的密度可能會造成這種類型的損壞。
電流還不利地影響潤滑劑。油中的基礎油和添加劑趨向於氧化且裂紋發展。在紅外光譜下，這是非常明顯的。潤滑性能受到過早老化的損害、以及受到可使軸承過熱的增加的濃度的鐵顆粒的損害。
考慮到提供電流絕緣的軸承的需要，典型的概念是用電漿噴塗來應用氧化物陶瓷塗層。甚至在潮濕的環境下，特定的密封劑有助於噴塗的陶瓷塗層保持其絕緣性能。得到的氧化物陶瓷塗層是非常硬的、耐磨損的且是良好的熱導體。有時外座圈被塗覆在外側面，且有時內座圈被塗覆在內側面。軸承通常以塗層的厚度被考慮進去的方式來製成，使得陶瓷塗覆的軸承可與標準軸承互換，例如根據DIN 616（ISO15）。軸承可以是深溝型球軸承且可以以開放和密閉的形式（在一個或兩個側面處具有唇形密封）得到。這使得使用者也能夠從由潤滑作用所提供的益處中得到壽命的益處。
電漿噴塗方法涉及在兩個電極之間產生電弧，以使從電漿炬產生的惰性氣體離子化。得到的電漿噴流被用於攜帶注入的氧化鋁粉末，所述氧化鋁粉末藉由熱來熔化且以高速被噴射在外環或內環上。當以這種方式應用時，氧化物層極好地粘附到基礎材料上、且然後被固定（seated）且研磨到應有的尺寸。目前可以得到保證介電強度為至少1000 VDC或為至少500 VDC的塗層。
在這種電壓下，絕緣層僅允許極其低位準的電流流過軸承。其提供耐DC電流性和耐AC電流性。
在室溫下，噴塗的陶瓷層通常具有1-10 GOhm的DC電阻，這取決於軸承的大小。當溫度升高時，DC電阻以指數方式減小，通常每10°K減小約40-50%。然而，甚至在60℃或甚至80℃的操作溫度下，絕緣層仍具有幾MOhm的電阻。根據歐姆定律（即，I等於V除以R），這意味著高達1000V的電壓僅產生顯著低於1毫安培的電流，其對軸承來說不是關鍵的。
考慮到AC電阻，絕緣單元的作用就像可以積累電荷的電容器。當曝露到AC電壓時，這使交流電流過滾動元件和滾道之間的接觸區域。在諧波時間依賴於角頻率ω的情況下，電流和電壓的均方根值是用式I = V.ω.C來計算的。
類同於歐姆定律，Z = 1/ ωC是軸承的容抗。具有氧化物陶瓷塗層的軸承通常具有2-20 nf的電容，這取決於軸承的大小。因此，在50 Hz的頻率下，其具有0.15-1.5 MOhm的容抗，其顯著低於其DC電阻。在較高的頻率下，此值甚至還減小。然而，在大多數情況下，其將顯著高於非絕緣軸承的電阻，在高於1V的電壓下，非絕緣軸承的電阻是非常低的（1 Ohm且更小）。所使用的塗層厚度從稍微小於100 μm變化到200 μm或甚至高於200 μm的平均值。
在現有技術中也應該被觀察到的一個特定條件為待塗覆的表面必須為圓柱形，它們必須不被潤滑孔或凹槽中斷。
還已知的是，通常具有由滾動軸承鋼而不是陶瓷滾動元件製成的環的混合軸承。滾動元件基本上是沒有磨損的且提供必要的電流絕緣。與陶瓷塗覆的軸承相比，這樣的軸承具有更大的抗電流通過的電阻。甚至在高溫下，DC電阻是在GOhm的範圍之內。軸承通常具有約40pf的電容，該電容比用於陶瓷塗覆的軸承的電容低100倍。這樣的滾動軸承在較高的速度下具有較低的摩擦力，這意味著降低的操作溫度。它們還具有更好的乾運行性能。與傳統的潤滑軸承的壽命相比，這樣的混合軸承通常還具有更長的油脂壽命。
儘管上面的現有技術描述通常涉及滾動元件軸承，但類似的問題可以出現在直線軸承和滑動軸承中，使得在一些情況下，為這樣的直線軸承或滑動軸承提供電流絕緣可以是有利的。

在本發明下的主要目的是提供具有高硬度和高電流絕緣性能的軸承元件，絕緣性能被理解為是指對於小於0.1 A_eff/mm²的有效電流，高於500 VDC且優選地高於1000 VDC的電壓絕緣性能，這些值是對於與之前已知的塗層相比顯著薄的塗層得到的。

此外，本發明的目的是提供電流絕緣的軸承，其中座圈中的凹槽或潤滑孔不再是與電流絕緣相關的問題。
本發明的額外的目的是提供不僅可以用於軸承座圈上、而且可以用於滾動元件的籠（cage）上以及滾動元件本身上的塗層。
本發明的又一目的是提供具有高硬度的電流絕緣塗層，其應用相對便宜且其對於各種層厚度具有優良的電流絕緣性能。還期望的是，生產具有高均勻性和良好的再現性的電流絕緣塗層。
為了滿足這個目的，根據本發明，提供用於滾動元件軸承的直線軸承和滑動軸承的軸承元件，例如從包括軸承座圈、滾動元件比如錐形滾子、桶狀滾子、針狀滾子、軸承滾珠和滾動元件籠的群組選出的元件，軸承元件在所述製品的至少一個表面區域上具有藉由PVD（物理氣相沉積）方法、藉由CVD（化學氣相沉積）方法或藉由PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法（但排除ALD方法或電漿增強的ALD方法）應用的具有高硬度和高電流絕緣性能的至少一個層，所述至少一個層包括從包括Al₂O₃層、TaO層（更廣泛地Ta_xO_y層）、SiO₂層（更廣泛地Si_xO_y層）、包括前述氧化物中的兩種或更多種的混合層、包括前述氧化物中的兩種或更多種的交替層的多層結構及例如ta-C層之類的DLC層的群組選出的非傳導性氧化物層，存在包括藉由ALD（原子層沉積）方法沉積在具有高硬度和高電流絕緣性能的所述至少一個層上的至少一個材料層的至少一個ALD層，ALD層本身具有高電流絕緣性能且包括從所述材料的群組選出的材料或層結構。

10．．．真空塗覆裝置

12．．．工件

14．．．真空室

16．．．磁控管陰極

17．．．電壓供應

18．．．高功率脈衝電源

19．．．開關

20．．．桌子

21．．．離子源

22．．．箭頭

23，25，80，170．．．線圈

24．．．馬達

26．．．軸

27．．．導線

28．．．引出部

29．．．樹狀物

30．．．端子

32．．．BPS

36．．．地

40，46．．．短截線

43，45，47．．．氣體供應系統

42，48，176，178，182．．．閥

44．．．導管

50．．．線路

60．．．電壓源

62．．．電容器

82．．．雙箭頭

110．．．表面區域

112．．．PVD/CVD層

112'．．．結合層

112"．．．額外層

114．．．ALD層

116．．．空隙通道

118．．．柱

130．．．處理室

162．．．真空連接導管

164．．．電漿產生器

166，184．．．孔

168．．．rf電漿產生器

172．．．源

174．．．惰性氣體源

180．．．容器

Al，Cr，C．．．陰極

ALD．．．原子層沉積

BPS．．．偏置電源

(CH₃)³Al．．．三甲基鋁

CVD．．．化學氣相沉積

H．．．氫原子

N，S．．．磁極

O．．．氧原子

PVD．．．物理氣相沉積

rf．．．產生器

現在將參考附圖來更加詳細地解釋本發明，附圖中顯示了：

第1圖用於沉積DLC塗層的陰極噴濺裝置的示意圖；
第2圖通過第1圖的裝置的真空室的修改形式的橫截面圖；
第3A-3C圖用於ALD層的沉積的實例的三個順序步驟；
第4A圖根據本發明的第一複合塗層；
第4B圖第4A圖的複合塗層的截面的放大圖；
第4C圖表面已經磨損後的第4A圖和第4B圖的塗層的放大圖；
第4D圖類似於第4B圖但具有更薄的ALD密封層的放大圖；
第4E圖表面已經磨損後的第4D圖的塗層的放大圖；
第5圖用於沉積ALD塗層的室；以及
第6A-6F圖用於本發明的實施方式的塗覆系統的實例。

在所有的圖中，相同的元件符號被用於相同的元件或特徵、或用於具有相同功能的元件，且對於任意特定元件而提供的說明將不必重複，除非存在一些重要的區別。因此，曾經對於特定元件或特徵而提供的說明將應用到被給出相同的元件符號的任意其他組件上。並且，本發明將被理解成包括對於第一層的使用PVD、CVD、PECVD方法塗覆軸承元件及使用ALD來將第二層沉積在第一層上的方法。
作為DLC塗層（類鑽碳（Diamond Like Carbon）塗層）的介紹，可以參考於2009年9月出版在第4版的World Tribology Congress，Kyoto中，標題為“Diamond-like Carbon Coatings for tribological applications on Automotive Components”的R. Tietema、D. Doerwald、R. Jacobs和T. Krug的文獻。該文獻討論了始於1990年代的類鑽碳塗層的生產。如文獻所描述的，第一類鑽碳塗層（DLC-塗層）被引入市場，用於汽車組件。這些塗層使得HP柴油注射技術得到發展。
德國標準VDI 2840（“Carbon films: Basic knowledge, film types and properties”）提供多種碳膜的明確的概述，碳膜均被表示為鑽石或類鑽塗層。
用於摩擦應用的重要塗層是不含氫的四角形“ta-C”塗層且具有結合的氫的這種類型的另外的塗層被稱為ta-C:H塗層。用於摩擦應用的又一重要塗層是具有或不具有結合的氫的無定形碳塗層，其分別被稱作a-C塗層和a-C:H塗層。而且，頻繁使用a-C:H:Me塗層，a-C:H:Me塗層包含金屬碳化物材料，比如碳化鎢。可以藉由CVD且尤其是藉由電漿增強的CVD方法和藉由PVD方法，以已知的方式沉積a-C:H塗層。PVD方法還被用於沉積物和a-C:H:Me塗層中。這些方法本身是眾所周知的，如由上面所提及的文章所顯示的，且在此將不對它們做另外的描述。
目前為止，使用電弧方法來製造ta-C塗層。認為在20 GPa-90 GPa(尤其是30 GPa-80 GPa)範圍內的硬度是有用的（鑽石具有100 Gpa的硬度）。然而，由於電弧方法導致了大粒子的產生，因此塗層是非常粗糙的。由於大粒子，表面具有粗糙的點。因此，儘管可以得到低摩擦，但在摩擦系統中，由於由大粒子所造成的表面粗糙度，配對物（counter-part）的磨損率是相對高的。
由於不含H的ta-C塗層良好的電絕緣性能，其是本發明特別感興趣的。
首先參考第1圖，顯示用於塗覆多個基板或工件12的真空塗覆裝置10。裝置包括金屬的真空室14，其在這個實例中具有至少一個，優選地兩個或更多個磁控管陰極16，磁控管陰極16各設置有高功率脈衝電源18（這裏僅顯示其中的一個），用於產生存在於室14的氣相中的材料的離子，即惰性氣體離子及/或由其形成相應的陰極的材料的離子的目的。陰極16中的兩個優選地被相對地放置，用於雙磁控管噴濺模式的操作。對於藉由磁控管噴濺沉積Al2O3塗層，這可以是有利的，如稍後將更加詳細地描述的。工件12被安裝在以桌子20的形式的支撐裝置上的固持裝置上，支撐裝置借助於馬達24以箭頭22的方向旋轉。馬達驅動與桌子20連接的軸26。軸26以本身眾所周知的密封且隔離的方式通過室14的底部處的引出部（lead-through）28。這允許偏置電源32的一個端子30經由導線27連接到工件支撐桌子20上且因此連接到工件上。這裏用偏置電源的縮寫字母BPS顯示了這種基板偏置電源32。BPS優選地配備有HIPIMS-偏置容量，如作為WO2007/115819公開的EP申請案07724122.2所描述的，尤其是關於該文件的第1圖-第3圖的實施方式所描述的。儘管對於桌子20，這裏僅顯示了單一旋轉，但用於工件12的固持裝置的樹狀物29還可以對著它們自己的縱軸旋轉（雙重旋轉），且如果期望，如果固持裝置被適當地設計，工件可以對著它們自己的軸旋轉（三重旋轉）。
也可以藉由脈衝偏置或RF-偏置進行偏置。可以使脈衝偏置與HIPIMS-陰極脈衝同步（也在WO2007/115819中描述的）。用結合WO2007/115819的第1圖-第3圖所描述的HIPIMS-DC偏置，可以得到良好的結果。
在這個實施方式中，真空室14的金屬殼體與地連接。同樣地，高脈衝陰極電源18的正極端子與殼體14連接，且因此與地36及偏置電源32的正極端子連接。
提供另外的電壓供應17，用於在裝置以電漿增強的化學氣相沉積模式（PECVD）操作時使用，且將在稍後更加詳細地解釋。其可以經由開關19連接到旋轉桌子20，而不是偏置電源32。電壓供應17適於將在高達9,000伏特(通常500-2,500伏特)之間的範圍內的週期變化的中頻電壓、和以20-250 kHz之間的範圍內的頻率應用到安裝在桌子20上的工件12。
連接短截線40（connection stub）被設置在真空室14的頂部（但也可以位於其他位置）、且可以經由閥42和另外的導管44連接到真空系統，用於排空處理室14的目的。在實踐中，這個連接短截線40比所顯示的大，其形成與抽氣座（pumping stand）的連接，抽氣站適合於在室中產生高真空且用法蘭連接在導管44上或直接連接在室14上。未顯示真空系統或抽氣站，但它們是本領域眾所周知的。
同樣地，適於將惰性氣體(尤其是氬氣)供給到真空室14的線路50經由閥48和另外的連接短截線46連接到真空室14的頂部。為了供應其他製程氣體，比如乙炔、氧氣或氮氣，可以使用額外的氣體供應系統43、45、47。
通常所描述的類型的真空塗覆裝置是現有技術已知的、且經常配備有兩個或更多個陰極16。例如，可從Hau-zer Techno Coating BV公司購得真空塗覆裝置，其中室具有通常為正方形形狀的橫截面和在四個側面中每一個上的一個陰極。這種設計具有被設計為允許進入室14的門的一個側面。在另外的設計中，室的橫截面約為八邊形，具有兩個門，每一個門形成室的三個側面。每一個門可以攜帶多達3個磁控管和相關的陰極16。典型的真空塗覆裝置包括多個另外的裝置，另外的裝置在本申請案的示意圖中未顯示。這樣的另外的裝置包括物品，比如以不同設計的暗區遮罩（dark space shield）、用於基板的預熱的加熱器和有時的電子束源或電漿源。用於電漿增強的化學氣相沉積模式的離子源藉由元件符號21顯示在第1圖中、且通常被定位在真空室的中心縱軸上。其可以是連接到其自己的電源的電阻加熱絲或任意其他已知設計的離子源。離子源21被連接到直流電壓供應（未顯示）的負輸出上。在PECVD塗覆方法期間，直流電壓供應的陽極可以經由開關應用到桌子20、且因此應用到固持裝置和工件12上。
第1圖的真空室還分別在室的頂部和底部處配備有兩個線圈23和25。這些可以連接到DC電源上或連接到相應的DC電源上，它們作為赫姆霍茲（Helmholz）線圈操作且增強沿著室的軸線的磁場。在相同意義上，電流流過線圈23和25中的每一個。已知的是，電漿強度和在工件12上流動的電流與在線圈23和25中流動的電流成正比，且因此與由此產生的磁場成正比。
還可能的是，除了磁控管陰極外，在相同的室中設置電弧陰極和相應的電弧電源。
塗覆裝置的各個物品優選地都連接到基於電腦的方法控制器。這使得協調真空塗覆裝置的所有基本功能（抽真空系統、真空等級（真空室中的壓力）、電源、開關、製程氣體供應和氣流控制、線圈23和25中的電流、任意可變地定位的磁鐵的位置、安全性控制等）成為可能。還使得允許所有相關的可變參數的特定值在任意點下及時靈活地匹配塗層或方法要求、和生產匹配特定的可重複配方的塗層成為可能。
在使用裝置時，首先藉由抽真空系統經由導管44、閥42和短截線40從真空室14中抽出空氣，且經由線路50、閥48和連接短截線46供應氬氣。在抽空的過程中，預熱室和工件，以驅逐出粘附到工件或室的壁的任意揮發性氣體或化合物。
供給到室的惰性氣體（氬氣）總是例如藉由宇宙輻射被離子化到初始程度、且分裂成離子和電子。
藉由在工件上產生足夠高的負偏置電壓，可以在工件上產生輝光放電。氬離子被吸引到工件上且在那裏與工件的材料碰撞，從而蝕刻工件。
可選擇地，Ar離子可以藉由電漿源產生。所產生的離子藉由負基板偏置電壓被吸引到工件12且蝕刻工件12。
一旦蝕刻處理已經進行，就可以開啟塗覆模式。對於噴濺放電，沉積期間，陰極將被活化。Ar離子與目標碰撞且從目標中敲出原子。由於噴濺，電子從目標中被逐出且藉由暗區電壓梯度被加速。用它們的能量，它們可以與Ar原子碰撞，其中將放出次級電子且有助於維持放電。陰極中的每一個被設置有磁鐵系統（未顯示在第1圖中），磁鐵系統本身是眾所周知的且通常產生以延伸遍及相關陰極的表面的閉環的形式的磁性隧道。形成為閉環的這個隧道迫使電子圍繞環移動且與氬原子碰撞，造成真空室14的氣體氛圍中的進一步離子化。這又造成來自相關陰極的材料在室中的進一步離子化及另外的氬離子的產生。沉積的過程中，這些離子可以藉由例如10 V-1200 V的應用負偏置電壓被吸引到基板上，且用適當的能量敲擊工件的表面，以控制塗層性能。
在HIPIMS放電的情況下，不同的放電模式是有效的。離子數量顯著增加且因此從目標中敲出的目標材料顆粒將被離子化。對於正常的噴濺放電，情況不是這樣的。因此，存在於室中的氣體也將被高度離子化。當應用摻雜劑時，這是特別有益的。
供應到一個或多個陰極的功率引起陰極材料的離子的流出，以移動到由工件12佔據的空間中，且用相應的陰極材料塗敷它們。塗層的結構受到應用的負偏置電壓影響，負偏置電壓影響離子朝著工件的移動。
已知以各種形式的噴濺方法。存在用陰極處的固定電壓和工件處的固定負壓來操作的那些方法，且這被稱為DC磁控管噴濺。同樣地，脈衝DC噴濺是已知的，其中至少一個陰極以脈衝模式來操作，即脈衝功率藉由脈衝電源應用到陰極上。
特定形式的脈衝放電是HIPIMS放電。在HIPIMS模式中，在功率脈衝期間被供給到每一個陰極的功率可以比DC噴濺模式的功率高得多，因為每一個脈衝之間存在相當大的間隔。然而，平均功率保持與用於DC噴濺的平均功率相同。對功率的限制性約束為在這個陰極過熱之前可以在陰極處消散的熱量。
HIPIMS的使用導致真空室中的更高的離子化和改進的塗層。例如，在眾所周知的HIPIMS噴濺（高功率脈衝磁控管噴濺）中，每一個功率脈衝可以具有例如10 μs的持續時間，且脈衝重複時間以例如2000 μs被使用（相應於500 Hz的脈衝重複頻率，即脈衝之間的間隔為1990 μs）。作為另一個實例，脈衝重複頻率可以為50 Hz且脈衝持續時間為100 μs，即脈衝之間的間隔為20 ms - 100 μs。這些值僅僅是作為實例給出且可以在寬的界限中變化。例如，脈衝持續時間可以在10 μs-4 ms之間選擇，且脈衝重複時間可以在200 μs與1 s之間選擇。由於在將非常高的峰值功率應用到陰極上期間的時間是短的，可以將平均功率保持在相當於DC噴濺方法的功率的中等位準。已經發現，通過在陰極上應用高功率的脈衝，以不同的模式來操作這些，其中出現離子的非常高程度的離子化，離子被逐出陰極：材料依賴性的這種離子化程度可以在40%與90%之間的範圍內。作為這種高程度的離子化的結果，更多的離子被工件吸引且以較高的速度到達那裏，這與用定期噴濺或電弧塗覆可能發生的相比，導致緻密的塗層且使得實現完全不同的且更好的塗層性能成為可能。
然而，事實上，功率是以功率峰值的方式被提供的，在這些功率峰期間，相對高的電流流入偏置電源，且電流消耗不能容易地藉由正常的電源來供應。
為了克服這個困難，WO 2007/115819描述了如本申請案的第1圖所示的關於偏置電源BPS（32）的解決方案，其中提供額外的電壓源60。額外的電壓源60最好是通過電容器來實現的。電容器62通過慣常的偏置電源來充電，以達到期望的輸出電壓。當功率脈衝到達來自HIPIMS電源18的陰極中的一個時，那麼這導致增加的離子材料流，實質上是陰極材料到工件12的離子，且這表明經由工件支撐桌子20和線路27，偏置電源處的偏置電流增加。當正常的偏置電源被設計用於固定的DC操作而不是HIPIMS操作時，正常的偏置電源不能供給這樣的峰值電流。然而，在功率脈衝之間的週期中，藉由偏置電源充電以達到期望電壓的電容器62能夠在窄的界限之內使基板處的期望偏置保持固定、且能夠供應所需的電流，所需的電流僅引起電容器的小程度的放電。以這種方式，偏置電壓保持至少基本上固定。
作為實例，放電可以用使得功率脈衝期間的-50 V的偏置電壓下降到-40 V的方式來發生。
在本教導的簡單形式中，陰極16中的一個是Cr、Ti或Si目標，用於提供結合層材料。可能地，其他材料也可以用於結合層。
當沉積以ta-C層的形式的DLC層時，工件被定位在桌子20上且藉由PVD電弧方法以本身已知的方式從碳陰極製備。室10具有空間工作高度，其中工件位於850 mm處。為了確保硬的不含氫的碳層在基板上的良好粘附，裝置初始使用標準ARC粘附層，例如當藉由碳電弧沉積ta-C時使用的。將不作詳細描述，因為它不是優選的解決方案且在任何情況下，電弧方法是眾所周知的。
第2圖顯示了第1圖的真空室在垂直於縱軸的橫截面的視圖，具有額外的細節，但沒有工件。室還具有四個陰極，作為結合層材料的一個Cr陰極、作為碳源的一個石墨陰極和用於藉由雙磁控管噴濺在反應性的氧氣氛中形成Al₂O₃層的兩個鋁陰極。
也標記為Al的兩個陰極16具有鋁且具有關於極性“北”（N）的中心極點和極性“南”（S）的外極點的磁鐵佈置，以產生眾所周知的磁控管的磁性隧道。從對面看時，陰極具有長形矩形的形狀且在此以垂直於它們的長軸的橫截面顯示。代替具有所示的SNS極性，它們可以具有NSN極性，如關於第2圖的頂部和底部處的Cr和C陰極的磁鐵佈置所示的。然後，Cr和C陰極16可以具有帶有SNS極性的磁鐵佈置。
磁鐵佈置可以用相應的雙箭頭82的方向朝著相應的陰極16移動和遠離相應的陰極16移動。這是用於HIPIMS陰極的操作的重要控制參數。
想法是，磁控管具有圍繞真空室14行進的交替的極性。關於偶數的陰極，這意味著，當圍繞室行進時，磁極總是交替的，即N、S、N、S、N、S、N、S、N、S、N、S。這導致電漿的增強的磁約束。如果所有的陰極具有相同的極性，比如NSN，還可以實現類似的磁約束。然後，需要用相鄰的磁控管之間的輔助的S磁極來操作，以得到圍繞室的類似的N、S、N、S、N佈置。將理解，所描述的佈置僅在偶數個磁控管下起作用。然而，還可能的是，藉由使一些磁極比其他磁極強或藉由使用輔助磁極，用奇數個磁控管來獲得類似的效果。得到封閉的電漿的這樣設計是眾所周知的且記載在各種專利申請案中。實現封閉的電漿不是必需的。
第2圖還顯示了與具有SNS磁極或NSN磁極的磁鐵一樣定位在室14的外面的四個矩形線圈80。線圈形成電磁鐵且具有與用於相應的陰極16的外部磁鐵相同的極性。這些電磁鐵線圈80使得陰極16前面的以及室14內部的磁通量能夠被改變。
真空塗覆系統可以如下操作：
室和位於其中的工件首先被抽空到低於10^-4毫巴的低壓(比如10^-5毫巴)、且在以例如75 sccm的流速將氮氣供應至室的同時被預熱。在這期間，室和工件的加熱驅出污染物(比如吸附在工件的表面上以及室的壁上的氣體和水、且藉由真空系統除去污染物和真空室中剩下的環境氣體及供應的部分氬氣。因此，氬氣逐漸沖洗真空室。在這個預熱和清潔步驟後，在清潔和蝕刻處理的過程中，實現另外的清潔。這種處理是使用真空室中的氬氣氛，用Ar離子在工件12上進行的。這個步驟進行10-30分鐘的時間週期。離子源可以是上面提及的離子源21或另一種離子源。
用於蝕刻步驟的另外的選項是使用具有以具有- 500至-2000 V的相對高的基板偏置的HIPIMS磁控管蝕刻模式操作的Cr、Ti或Si目標的HIPIMS蝕刻。這是本領域眾所周知的且在Sheffield Hallam University的EP-B-1260603中描述。應用到Cr、Ti或Si陰極的典型時間平均等效DC蝕刻功率是在1-25 kW的範圍內。
在第二步驟中，Cr、Ti或Si的結合層被沉積在金屬表面上。這在約10-20分鐘內完成，始於以噴濺放電模式或以HIPIMS塗覆模式操作的Cr、Ti或Si的目標。在這一點上，應注意，在使用HIPIMS模式的情況下，可以藉由陰極消散且因此有效地被應用到陰極的最大平均功率是不導致陰極的不期望的溫度增加或陰極的不想要的熔化的功率。因此，在DC噴濺操作下，在間接冷卻的目標的情況下，約15 W/ cm²的最大功率可被應用到特定的陰極，相當於目標的容許熱負荷。在HIPIMS操作下，使用脈衝電源，其可以典型地在小於1 Hz - 5 kHz的脈衝重複頻率下應用10-4000 μs寬脈衝功率。在一個實例中：如果在20 μs期間開啟脈衝且應用5 kHz的脈衝頻率，那麼每一個脈衝將具有與之相關的180 kW的功率，導致以下的平均功率：

P = 180kW x (20μs/(200-20)μs = 20kW。
因此，對於這個實例，在HIPIMS脈衝期間可以供給的最大脈衝功率是180 kW。
在結合層的沉積期間，應提供約0至200V的合適的負基板偏置。室中的壓力可以在10^-4和10^-3毫巴之間。結合層的沉積還可以用過濾電弧陰極（filtered arc cathode）來完成。並且，非過濾電弧陰極的使用是一種可能性，但這是較不利的，因為其將導致歸因於液滴產生的塗層的額外的粗糙度。
在第三步驟中，Cr-C、Ti-C或Si-C過渡層被沉積約1-5分鐘，同時以HIPIMS模式或用具有約-50至-2000 V基板偏置的碳電弧陰極操作Cr、Ti或Si目標和石墨目標。室中的壓力可以再次在10^-4和10^-3毫巴之間的範圍內。
因此，本發明的裝置通常包括多個磁控管和相關的陰極，陰極中的至少一個包括結合層材料（Cr、Ti或Si）。用於結合層材料的至少一個陰極還可以是電弧陰極（過濾的或非過濾的）。裝置還包括用於結合層材料的噴濺的電源，用於在DLC層的沉積之前，在一個或多個基板上沉積結合層材料。結合層材料的典型實例是如已經陳述的Cr、Ti或Si。因此，將通常存在最少兩個陰極，通常一個Cr陰極和一個石墨陰極。在實踐中，可以更便利的是，使用具有四個或更多個陰極的噴濺裝置。這使得佈置磁控管及/或電弧陰極相對容易，使得存在以本身已知的方式圍繞真空室的外周佈置的N、S、N（磁控管1）；S、N、S（磁控管2）；N、S、N（磁控管3）和S、N、S（磁控管4）的交替磁極佈置，以確保電漿（閉合場）的較強的磁約束。
脈衝重複頻率優選地在1 Hz至2 kHz的範圍內，尤其是在1 Hz至1.5 kHz的範圍內，且尤其為約10至30 Hz。
如果使用a-C:H或ta-C塗層，那麼摻雜劑可以被添加到塗層中。在這方面，摻雜劑可以為來自用電弧噴濺或磁控管噴濺操作的噴濺目標或來自HIPIMS陰極（Si、Cr、Ti、W、WC）的金屬。摻雜劑還可以由氣相中的前驅物（比如烴氣體、氮氣、氧氣、含Si的前驅物比如矽烷、HMDSO、TMS）提供。本發明還包括將摻雜劑用於ta-C塗層），只要摻雜劑不會不期望地減少絕緣性能，使得計算的電流密度超過容許值。
現在將描述用於a-C:H層(即含氫的DLC層塗層)的沉積的特定實例：
以已知的方式，首先藉由以下開始處理方法：抽氣使室下降到相對低的壓力，相對低的壓力為比用於沉積方法的實際的室壓力低至少一個數量級，即達到小於10-4比如10-5 毫巴的壓力。在這期間，或在這之後，以已知的方式，使室及其內含物經歷加熱過程，以驅出室中的及吸附在室和其中存在的物品的表面上的揮發性氣體。在預熱期間，藉由經由入口供應氬氣且經由真空泵除去氬氣，在室中維持氬氣的流動。加熱階段通常持續約20-25分鐘。
在預熱過程後，一旦達到穩定的溫度，發生蝕刻。例如，蝕刻是用如由歐洲專利EP-B-1260603所包括的HIPIMS蝕刻方法來進行的，但還可以使用其他蝕刻方法。在蝕刻的過程中，氬氣例如以75sccm被供應到真空室中、且藉由操作在其中結合的磁控管中的一個或多個而被離子化，例如可以使用具有Cr目標16的磁控管。
如果認為必要，工件可以設置有粘附層，也稱為結合層，以利於DLC塗層的粘附。這樣的結合層通常不是必要的。對於一些工件材料，尤其是具有Cr、Ti或Si含量的那些(比如100 Cr6，DLC層或一些類型的DLC層)可以直接被沉積在清潔的且蝕刻過的工件上，而不使用結合層。如果粘附層被設置在工件上，那麼其可以選自IV、V和VI副族的元素及Si的群組。優選地，使用元素Cr或Ti的粘附層，其被發現特別適合於這個目的。
粘附層可以藉由電弧噴濺或過濾電弧噴濺來沉積，但優選使用磁控管噴濺從第2圖的Cr目標16沉積。
再次，將氬氣供給到真空室中。在這個階段期間，氬氣流比預熱和蝕刻期間的高，且可以例如被設定在120 sccm。真空室中的壓力通常為約10^-3毫巴，但可以多達比10^-3毫巴低一個數量級或可以稍微比10^-3毫巴高。將約50 V的負偏壓應用到基板載體上，且用應用到陰極上的約10 kW功率（平均功率，如果磁控管陰極是以HIPIMS模式操作的），結合層的沉積僅需要幾分鐘。
提供粘附層和DLC層之間的梯度層還可以是有利的。這樣的梯度層還可以改進工件上的DLC層的粘附。
梯度層的想法是為了逐漸減少Cr在梯度層中的比例，同時增加碳在梯度層中的比例，從而形成碳化鉻且允許碳含量增加，直到僅DLC塗層被應用。
存在用於沉積梯度層的幾種可能性。一種可能性是操作同時具有碳目標16和Cr目標的磁控管，例如再次使用HIPIMS噴濺。供給到Cr目標的功率被逐漸減小或逐步減小，同時供給到C目標的功率被逐漸增加或逐步增加。另一種可能性是以反應性氣體(比如乙炔或甲烷)的形式將碳添加到真空室，且逐漸增加存在於室的氣氛中的碳的量，同時減小供給到Cr目標的功率。
另一種可能性是使用EP-B-1272683中所描述的技術，用於粘附層、分級層（graded layer）及隨後DLC層的沉積。
如果使用該方法，那麼在部分的Cr層即部分的粘附層的沉積之後，藉由使用開關19，將基板偏置從直流電轉換到中頻，以將為雙極產生器的電壓供應17連接到桌子20而不是固定的偏置電源32。用500與2,500 V之間的優選振幅電壓(例如700 V)和20與250 kHz之間的頻率(例如50 kHz)來操作電壓供應。真空室中的壓力通常為約10^-3毫巴，但可以達到比10^-3毫巴低一個數量級或可以稍微比10^-3毫巴高。約2分鐘後，乙炔斜線上升（acetylene ramp）以50 sccm開始、且在約30分鐘的時間週期內升高到350 sccm。在開啟中頻產生器後約5分鐘，所使用的Cr目標的功率被減小到7 kW；在另外的10分鐘後，該功率被減小到5 kW且被維持固定另外的2分鐘。因此，對於分級粘附層的產生，在沉積粘附層或結合層的期間，在該層的約三分之一被沉積之後，可以用增加的量將乙炔（或另外的含碳氣體）供給到真空室中，使得粘附層或結合層的組成逐漸從鉻變成碳化鉻。
一旦梯度層已經完成，移動在目標前面的屏蔽（screen）且關閉這些，由此開始“純”的DLC層的沉積，該DLC層基本上由碳原子、少量的氫和較少量的氬原子組成。
為了這個目的，在最簡單的情況下，方法可以用關閉的蒸發源，然而在別的方面卻用如在前述梯度層的情況中相同的參數來完成。然而，發現有利的是增加純DLC層的沉積的過程中的氣流中的烴部分或降低惰性氣體部分，或尤其優選地同時進行兩種措施。並且在此，如上所述的，使用線圈23和25來形成縱向磁場對於維持穩定的電漿再次具有特定的重要性。
在應用純DLC層的期間，在關閉Cr目標之後，中頻供應被調節為保持固定且氬氣流保持相同，在梯度層期間開始的乙炔斜線上升被均勻地增加約10分鐘，達到約200與400 sccm之間的流量。隨後，在5分鐘的時間週期內，氬氣流被不斷減少到約0與100 sccm之間的流量，例如減少到50 sccm。在隨後的55分鐘的期間，在設定保持相同的同時，完成方法。真空室中的壓力通常為約10^-3毫巴，但可以達到比10^-3毫巴低一個數量級或可以稍微比毫巴高。用約10A的激勵電流操作上面的線圈，且用約為上面的線圈的激勵電流的三分之一的激勵電流操作下面的線圈。
因此，藉由電漿輔助的CVD（化學氣相沉積）方法，發生DLC層的沉積。電漿輔助來自藉由與室中的真空組合的離子源21產生的電漿和分別藉由上面和下面的線圈23和25在室中產生的磁場及存在或起作用的其他磁鐵(比如與磁控管相關聯的磁鐵)（其對產生磁場是有效的，即使沒有發生磁控管噴濺）對磁場的貢獻。
這些情況導致相對高的沉積率，且由於氬氣的存在，確保電漿的離子化。沉積率將通常為約每小時1-2微米。
DLC塗層具有約25 GPa的硬度和約0.2的摩擦係數。其具有約13%的氫含量和約500 kOhm的電阻。可以根據DVI 3824第4頁測量的DLC塗層的粘附是非常好的且可以根據DVI 3824文件歸類為HF1。
DLC層的層粗糙度具有Ra = 0.01 - 0.04的值；如根據DIN測量的Rz為<0.8，且通常<0.5。
對於在鋼工件上沉積DLC層，存在很多其他的可能性。例如，可以用於本發明的一些可能的方法被描述在各種現有技術的文件中。因此，用於沉積作為具有良好的摩擦性能和硬度以及耐腐蝕性的硬塗層的DLC層和矽-DLC層的交替層的電漿輔助的化學氣相沉積技術被描述在EP-A-651069中。
EP-A-600533描述了藉由PACVD，使用富含氫的矽烷氣體作為Si源和富含氫的甲烷作為碳源，在具有a-Si1-xCx:H的分級過渡層的鐵基板上沉積DLC塗層的方法。15 nm厚度的Si薄層首先被沉積，之後沉積具有減少的Si比例和增加的C比例的25 nm厚度的分級層，且藉由相對厚的DLC層覆蓋到2.3微米的總層厚度。
DE-C-19513614亦描述了使用類似於EP-A-600533的薄分級Si碳層的薄分級Si碳層，藉由在50 - 1,000 Pa之間的壓力範圍下操作的電漿增強的CVD方法，在鋼基板上製備DLC層。沉積方法使用連接到工件的雙極電壓源，且雙極電壓源被設計成使得在沉積方法的過程中，正脈衝持續時間小於負脈衝持續時間。因此，以10nm-10 μm的範圍和15 - 40 GPa之間的硬度範圍沉積各層。
通過電漿增強的化學氣相沉積應用硬DLC層的又一個方法被描述在US-A-4,728,529中。這個美國文件描述了用於在應用HF電漿的同時，沉積DLC的方法，在該方法期間，使用包括混合的惰性氣體或氫氣的不含氧的烴電漿，在10^-3與1毫巴之間的壓力範圍內發生層形成。
DE-A-19826259描述了與a-C:H（DLC）層交替的金屬碳化物層（碳化鈦或碳化鉻）的多層結構。
一旦期望厚度的DLC塗層已經實現，PVD塗覆過程完成，且工件可以被轉移到如第5圖的另外的真空室中，用於ALD塗層的沉積。
首先轉到第3A圖-第3C圖，可以看到用於形成第一ALD層的一系列步驟。在第3A圖的步驟中，產生具有-O-H封端的表面的工件或製品12。這可以在稍後參考第5圖描述的真空室中藉由在CVD（化學氣相沉積）條件下，尤其是在PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）條件下，即在電漿的存在下，允許水進入室中來進行，如晶片結合的領域中眾所周知的。在這個步驟之前，例如在PVD（物理氣相沉積）條件下，基板可以經歷大量的清潔和蝕刻，例如藉由使表面經歷如下面參考第5圖討論的氬離子轟擊。
一旦-O-H封端的表面已經形成，藉由真空泵從室中除去水，且在相同的條件下，將具有-O-H封端的表面的基板曝露於三甲基鋁(CH₃)³Al的氣氛，且這導致Al原子代替氫原子且鋁原子的另外兩個鍵分別被CH₃基團佔據。這種情況顯示在第3B圖中。現在與三甲基鋁的反應已經停止，因為不存在用於化學反應的另外的可能性。藉由真空系統抽出過量的三甲基鋁和藉由三甲基鋁和-O-H封端的表面的氫原子的反應
((CH₃)³Al + H → (CH₃+ H + 2 CH₃Al)和CH₃+ H →CH₄)
而形成的CH₄，且在僅產生一個原子（分子）層之後，反應在化學上停止。
在下一步驟中，在CVD或PECVD條件下，再次允許水進入室中，且導致在表面上與CH₃封端的Al的以下反應：
2 CH₃+ H2O → 2 CH₄+ 2(-OH)。

兩個-OH自由基結合到鋁上，導致第3C圖所示的情況。這些反應通常在100℃-400℃範圍內的溫度下發生。通過真空泵，將形成的CH4和過量的水蒸氣抽出真空室。一旦所有的CH₃基團已經被-OH基團取代，反應再次在化學上停止。
將理解，顯示在第3C圖中的情況等效於第3A圖的情況，且因此，每一次可以重複方法，建立的另外的ALD層。原則上，儘管較多的層意味著較長的處理時間且因此不提供多於需要的層，但未限制可以以這種方式建立的層的數目。在提供Al₂O₃層的沉積的實例中，這些是高品質的層，所述層是非常緻密的且能夠停止腐蝕性物質到達基板10。應注意，本發明不限於Al₂O₃層的沉積，但原則上可以與能夠通過ALD生長的所有層材料一起使用，包括：Al₂O₃、TaO、SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、包括前述氧化物中的兩種或更多種的混合層、包括前述氧化物中的兩種或更多種的交替層的多層結構或甚至DLC層(比如ta-C層)（如果其可以藉由ALD生長）。這些材料藉由ALD的沉積可以用IC Knowledge publication“2004 IC Technology”中所描述的試劑來進行。ALD方法的一個特定應用是在積體電路的生產中，且關於這一點的方法被相當詳細地描述在IC Knowledge publication “2004 IC Technology”中。在那裏描述的細節可以有助於實現本教導，且將該參考文獻在這一方面的揭露內容通過引用包括在本文中。
可以藉由ALD方法生產的塗層的更長的列表可以在Riikka L. Puurunen的題目為“Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process”的文章中發現，所述文章發表在Journal Of Applied Physics 97，2005年的121301期，第121301-1頁到第121301-52頁中。這篇文章給出了ALD方法的大量細節且概述了本領域其他人已經公佈的工作。在那裏描述的細節可以有助於實現本教導，且將該參考文獻在這一方面的揭露內容藉由引用包括在本文中。如藉由前面所參考的Puurunen的文章所證明的，術語ALD層或原子層沉積稍微令人誤解。但是如果所使用的塗層是以上的列表中諸如Cu、Mo、Ni、Ta、Ti或W的元素的塗層，則該方法可以方便地被視為，好像該方法的每一個循環被用來沉積每層基本上一個原子厚的一個或多個層。如果塗層是分子，例如Al₂O₃塗層，那麼嚴格來說，該名稱是不正確的，但是在國際上被理解的。而且，如Puurunen所強調的，ALD方法的每一個循環的實際生長可以少於一個，因為出於各種原因，並不是基板上或前述ALD層上的所有位點都必定是反應位點。
應注意，上面所描述的ALD方法是方法可以如何進行的一個實例且不以任何方式被理解成限制性實例。三甲基鋁還可以“同時”結合到表面上的兩個OH基團上，且然後僅有一個突出的甲基。將發生兩種情況。將會發生哪一種優選地與空間位阻的程度（以及其他）有關，這或多或少地是指具有最佳幾何配合的哪種。使用三甲基鋁和水的ALD方法的另外的變形被描述在由Technical University of Eindhoven的Stephan Heil編纂的文件“Plasma Assisted Atomic Deposition of TiN films, June 23rd 2004”中。在那裏描述的細節可以有助於實現本教導，且將該參考文獻在這一方面的揭露內容藉由引用包括在本文中。
此外，已知藉由ALD以使用氧氣（O₂）作為前驅物來沉積Al₂O₃。這是特別有吸引力的，因為水的使用需要有效吹洗ALD室。例如，用於藉由ALD沉積Al₂O₃的O₂的使用被描述在Stephan Heil博士2008年6月29日提出的且題目為“Atomic layer deposition of Metal Oxide and Nitrides”的博士論文中。在那裏描述的細節可以有助於實現本教導，且將該參考文獻在這一方面的揭露內容藉由引用包括在本文中。
根據本發明製造的第一塗敷製品12顯示在第4A圖中。其中僅表面區域110被顯示在這裏且其在下面被稱作基板的製品具有藉由PVD（物理氣相沉積）方法或藉由CVD（化學氣相沉積）方法(例如PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）)方法在表面區域110上應用的至少一個第一層112、和包括藉由ALD（原子層沉積）方法在相同的表面區域110上沉積的電絕緣材料的一個或多個原子層的第二層114。
PVD或CVD層112是如上面參考第1圖和第2圖所述的電絕緣層、且通常具有高的硬度和高的耐磨性，任選地具有低的摩擦係數。在這個實例中，層110是直接應用到麻田散體(martensitic)鋼工件的表面上的DLC層，即在DLC層和工件之間沒有結合層或分級層，儘管如果需要或如果必要，這樣的層可以被設置，以得到DLC層的良好粘附及/或以防止剝落。ALD層114是層。DLC層112通常具有柱狀結構及/或多孔結構，這將另外允許腐蝕性物質(比如液體或氣體)到達基板且在那裏造成腐蝕。
儘管塗層本身是良好的絕緣體的事實，但從電絕緣的角度，沒有電絕緣的ALD層114，這樣的柱狀結構及/或多孔結構可以是差的塗層。問題在於柱狀或多孔結構是指製品表面的小區域被有效地曝露，且尤其具有薄的塗層，可以容易地導致必須避免的局部傳導路徑。這是藉由以ALD層（層系統）114的形式的共形密封層來實現的。
在軸承元件(比如滾動元件軸承)中，塗層將通常被應用到外軸承座圈的外表面上及/或應用到內軸承座圈的放射狀內表面上，但通常不應用到滾道表面本身上，滾道表面與滾動元件接觸。然而，存在這個的一個例外，當藉由PVD（物理氣相沉積）方法、藉由CVD（化學氣相沉積）方法或藉由PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法（但排除ALD方法或電漿增強的ALD方法）應用的層具有高的硬度和高的耐磨性時，比如DLC層，那麼內座圈及/或外座圈的滾道也可以被塗覆。由於ALD層僅僅是非常薄的，即使應用到前述層的ALD層從前述層的表面磨損，這也適用。
應用到外軸承座圈的外表面及/或應用到內軸承座圈的放射狀內表面的塗層不一定必須是極其硬的或耐磨損的，因為它們並非意圖在殼體內或在相關的軸上運動。然而，在這樣的位置中，硬且耐磨損的塗層是優選的，因為內座圈和外座圈可以在殼體內或在軸上移動（shuffle）。
由於本發明的塗層趨向於是極其硬或耐磨損且還極其薄，因此它們還可以被形成在滾道表面上，如果它們足夠硬且耐磨損。從理論上來說，如果期望，至少塗層還可以被設置在滾動元件上。
如第4A圖所示的，製品或基板的表面區域110具有直接沉積在其上的PVD或CVD層112，且ALD層（層系統）114被沉積在PVD或CVD層112上。關於這個實施方式，第4B圖的放大圖是非常有啟發性的。在此，放大圖以誇大的方式被描繪，以顯示PVD或CVD層112的柱狀結構。僅為了闡述，第4B圖闡述了在PVD或CVD層112的柱118之間形成的空隙通道116。
這個實施方式認識且利用了ALD方法的重要優勢，優勢為原子層生長可以發生在深且窄的間隙中，即在此，發生在空隙通道的側壁上且發生在開孔的側壁和任意其他缺陷(比如裂紋)的側壁上。這意味著即使僅通過ALD生長幾個層，這些層足以密封PVD層。如果生長了足夠的ALD層，它們可以密封如第4B圖所示的開孔和空隙通道，且實現優良的電絕緣。
然而，對於將用ALD生長材料完全填充的開孔、空隙空間或其他缺陷來說，這不是必要的。如果ALD層114僅位於存在的任意柱、孔或其他缺陷的側壁，這是足夠的。這種情況顯示在第4D圖中。通常來說，如果ALD層114包括具有在1nm-50nm的範圍內的厚度的多個單層，這是足夠的。1nm或幾個nm厚度的薄層可以被相對快速地沉積，因為限制了建立層114所需要的ALD方法的重複（循環）次數。
當其本身通常是極其硬的共形ALD層114在使用中顯著磨損時，那麼直到PVD或CVD層的表面被曝露，其才磨損，如第4C圖和第4E圖所示的，且之後，在一個長的時間週期內，由於硬的DLC層，磨損是微不足道的。在這個長的時間週期過程中，藉由PVD或CVD層112保護基板10，PVD或CVD層112藉由ALD層材料來保持電密封，ALD層材料位於或完全填充PVD或CVD層112中的“開口”。
因此，當ALD層已經磨損到PVD或CVD層的自由表面時，第4A圖-第4E圖的實施方式也是有益的，因為儘管腐蝕性物質可以到達PVD或CVD或PECVD層的自由表面，但它們還不能到達製品本身的表面。
當然，第4D圖和第4E圖（尤其）的PVD層112仍然具有帶有腐蝕性物質可以滲透到其中的空隙通道的多孔結構或柱狀結構。然而，由於在這樣的通道中向下延伸到製品的實際表面的ALD層（層系統）114，它們不能到達基板。
PVD或CVD層112還可以包括層系統（未顯示，但包括多個不同的PVD及/或CVD層或交替層系統或超晶格結構）或分級層。這樣的層結構本身是眾所周知的。
在這個實施方式中，ALD層（層系統）114"可以不受限制地為Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、前述中的任何的混合層和前述中的兩種或更多種的多層結構中的一個。
PVD或CVD層112可以-不受限制且不包括可能的結合層- 包括DLC層、金屬-DLC層或與ALD層組成相同的組成的層中的一個。例如，PVD層還可以為層。
現在將參考第5圖來解釋用於ALD塗層的沉積的裝置。
當從其側面中的任一個看時，在第5圖中顯示的處理室130具有至少基本上矩形形式的中心。未顯示在第5圖中的室門關於垂直的樞軸（pivot axle），即平行於圖的平面的軸，樞軸地連接到室的前側。室的後側可以藉由負載鎖（load lock）連接到第1圖的室14的一個側面處相應設計的開口，室14通常藉由位於開口之內的門關閉，室14的門可以攜帶磁控管和關聯的陰極。然而，在實踐中，這樣的負載鎖不是必要的，在正常的環境氣氛下，來自第1圖和第2圖的室的處理製品可以簡單地被運輸到第5圖的室中。並且，用於應用DLC塗層的一個室(比如根據第1圖和第2圖的室)可以將經塗覆的工件供給到用於應用ALD塗層的多個裝置中，比如根據第5圖的裝置。
佈置可以是使得第1圖的工件桌子20和工件12可以在PVD塗層112的沉積後被轉移到ALD室中。如果使用負載鎖系統，這可以在沒有真空的損失且沒有工件表面的污染下進行。如果期望，桌子20可以在室130中旋轉，但這不是必需的。轉移系統未被顯示，但可以被設計，如在慣常的負載鎖系統中的。裝置還可以被設計成具有多個衛星（satellite）ALD室的叢集系統，比如圍繞用於沉積DLC塗層的一個室佈置的130，如第1圖和第2圖所示的。
當門和負載鎖被關閉時，室130可以在所有的側面上被關閉。門可以被打開，以允許接近室的內部且移除桌子20上的ALD塗覆的工件。元件符號132是指用於比如擴散泵、低溫泵或以已知的方式起作用以在處理室中產生需要的真空的簡單的機械泵之類的性能真空泵（未顯示）的連接導管的導管。該真空可以是約100毫托的等級，儘管其不一定需要達到如此的低，以致在高溫的室中產生熱空間。壓力通常可以在1-1000毫托的範圍內。
相對放置的真空連接導管162是用於從通過孔166經由閥系統（未顯示，但包括流量調節器和開/關閥）供給到室130的O₂氣體中產生電漿的電漿產生器164。元件符號168表示基本上包括用來自源172的rf能量供應的線圈170的rf電漿產生器。
元件符號174是指惰性氣體(比如氬氣)的源，其可以被允許在吹洗循環期間直接經由閥176進入室中且在允許Al(CH₃)₃作為用於藉由ALD沉積Al₂O₃層的前驅物進入室130時間接經由閥178和容器180進入室中。為了這個目的，另外的閥或閥系統182存在於容器180和室130之間，且可以被電控制（如裝置中的所有其他閥可以被電控制一樣），以允許藉由氬氣流夾帶的預定量的Al(CH₃)₃經由孔184進入室130中。
第5圖的裝置可以如下操作：
首先，室130中的氣氛經由導管162排空且被氬氣代替。這以已知的方式藉由真空泵的操作和氬氣經由閥176的同時供應來進行，以沖洗來自真空室130的原來存在的殘餘空氣。藉由壁加熱器，室130通常被加熱到200與400℃之間。
然後，裝置被轉換到進氧循環且藉由rf-產生器和供應到其中的氧氣以在室中產生電漿。之後，將預定量的Al(CH₃)₃添加到室中，用於藉由ALD形成第一Al₂O₃層。之後，重複方法，直到已經藉由電漿增強的ALD方法產生期望數量的ALD層。一旦已經藉由ALD方法沉積最後的層，即一旦ALD層（層系統）114已經完成，現在可以通過打開室門從室中取出製品。
應注意，用於進行如上所述的PVD及/或CVD方法和ALD方法的叢集裝置的實例僅作為實例給出，且裝置可以採用非常不同的形式。
由於ALD層或層系統114是相對薄的且可以在與藉由PVC或CVD沉積層112所需要的時間訊框相當的時幀內相對快速地被沉積，所以叢集佈置可能並不是理想的佈局。
例如，完整的裝置可以作為長的管狀裝置來實現，長的管狀裝置具有單個製品運動通過的用於PVD沉積方法及/或CVD沉積方法和ALD沉積方法的連續站。整個管狀裝置可以藉由使用用於允許製品進入裝置且在不損失真空下從裝置中將其取出的負載鎖來排空。將局部氣體供給到各個站且局部真空泵也可以被提供，以在製品例如在傳送帶上順序地運動通過的各個站中保持期望的氣氛。相對於非有利的真空產生週期，這樣的佈置可以有助於最小化所需氣體的消耗量且增強有用的處理時間。然而，可能最容易的是僅使用兩個單獨的室，一個室用於沉積DLC層以及一個室用於沉積ALD層。
現在，一些實施例將被提供有利的層系統，參考第6A圖-第6F圖，層系統可以根據本教導被沉積。
實施例1
首先轉向第6A圖，可以看到以100Cr6鋼的軸承座圈的形式的製品的表面區域110，100Cr6鋼的軸承座圈設置有4微米厚度的不含氫的ta-C層的層112。層112具有與第4D圖所闡述的結構類似的結構。在層112的上方，存在使用第5圖的裝置藉由ALD沉積的10 nm厚度的Al₂O₃層114。在這種情況下，沒有設置結合層，因為鋼的Cr含量和ta-C層的碳被認為是充足的。
實施例2（第6B圖）
這個實施例類似於實施例1，但具有在鉻的薄結合層112’上如上詳細描述沉積的a-C:H層（DLC層）和使用如上詳細描述的第1圖的裝置沉積的或藉由使用碳化鉻目標（陰極）沉積的分級的碳化鉻層。結合層112’只是相對薄的，且在這個實施例中為10-300 nm厚。
實施例3（第6C圖）
在這個實施例中，塗層類似於實施例2的塗層、但包括在第1圖的裝置中藉由PVD沉積的200 nm-2 μm厚度的Al2O3的額外的層112"。為了這個目的，修改第1圖和第2圖的裝置，使得其可以從另外設置在真空室14中用於反應噴濺的兩個相對的Al磁控管陰極中進行雙磁控管噴濺。在室氣氛中使用氧氣。Al₂O₃的反應噴濺被詳細描述在作為EP-A-2076916公開的歐洲專利申請案中。裝置也可以被設計成利用HIPIMS和雙磁控管噴濺的結合使用，如歐洲專利申請案11007077.8中所描述的。
實施例4（第6D圖）
在這個實施例中，層結構是如第6A圖所示的雙層結構，但層112是藉由CVD方法（而不是ALD方法）沉積的1-4微米厚度的a-C:H層。此外，Al₂O₃的ALD層114具有10 nm的厚度。
實施例5（第6E圖）
這個實施例與實施例2相同，但是ALD層114具有26-50 nm的更大厚度。
實施例6（第6F圖）
這個實施例類似於實施例1，但在此，層112是藉由PVD（反應性氧氣氛中的雙磁控管噴濺）沉積的4微米厚的Al₂O₃層，如實施例3中的。
實施例7
在這個實施例中，層結構類似於實施例6（第6E圖）的層結構，但具有藉由PVD沉積的Cr或Ti的結合層112’。應注意，結合層是電傳導的還是絕緣的並不重要，因為即使其是電傳導的，這種情況並不比組件本身是電傳導的情況壞。
在所有的實施例中，除非特別說明某些不同，否則各層具有與其他實施例中的厚度相同的厚度。因此，層112通常為1-4微米厚。如果存在，層112"通常為50 nm - 2.5 μm厚，且ALD層114通常為10-50 nm厚。
在所有的實施例中，除非另有說明，否則各層的厚度為：層112’的10nm、層112的4微米、層112”的10nm和層114的10nm。發現所有實施例的電絕緣性和耐腐蝕性是良好的。

H．．．氫原子

O．．．氧原子

Al．．．原子

Claims

一種鋼的軸承元件，比如一滾動元件軸承的一直線軸承和一滑動軸承的一元件，例如從包括一軸承座圈、一滾動元件比如一錐形滾子、一桶狀滾子、一針狀滾子、一軸承滾珠和一滾動元件籠的一群組選出的一元件，該軸承元件在該元件的至少一個表面區域上具有藉由一PVD（物理氣相沉積）方法、藉由一CVD（化學氣相沉積）方法或藉由一PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法（但排除一ALD方法或一電漿增強的ALD方法）應用的具有一高電流絕緣性能的至少一個層，包括從包括一Al₂O₃層、一Ta_xO_y層、一Si_xO_y層、包括前述氧化物中的兩種或更多種的一混合層、包括前述氧化物中的兩種或更多種的交替層的一多層結構及一DLC層(比如一ta-C層)的材料的一群組選出的一非傳導性氧化物層，存在包括藉由一ALD（原子層沉積）方法沉積在具有一高硬度和一高電流絕緣性能的該至少一個層上的至少一個材料層的至少一個ALD層，該ALD層本身具有一高電流絕緣性能且包括從該材料的該群組選出的一材料或層結構。
如申請專利範圍第1項所述的軸承組件，其中藉由一PVD（物理氣相沉積）方法、藉由一CVD（化學氣相沉積）方法或藉由一PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法（但排除一ALD方法或一電漿增強的ALD方法）應用的該至少一個層的該組成至少基本上與藉由該ALD方法沉積的該層的該組成相同。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的軸承組件，其中藉由一PVD（物理氣相沉積）方法、藉由一CVD（化學氣相沉積）方法或藉由一PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法（但排除一ALD方法或一電漿增強的ALD方法）應用的該至少一個層具有在0.5微米-4微米的範圍內的一厚度，且該ALD層具有在1 nm至1000 nm的範圍內，尤其是10nm至50nm的一厚度。
如前述申請專利範圍中任一項所述的軸承組件，其中由其製成該製品的該鋼是一麻田散體等級的鋼。
如任一申請專利範圍第4項所述的軸承組件，其中該麻田散體等級的鋼是一軸承鋼和一可冷加工的鋼中的至少一種。
如前述申請專利範圍第4項和第5項中任一項所述的軸承組件，其中該麻田散體等級的鋼是100Cr6、100CrMn6、16MnCr5、C80或X30CrMoN 15 1、或根據Din: 1.4108或SAE:AMS5898的一鋼中的一種。
如前述申請專利範圍中任一項所述的軸承組件，其中藉由一PVD（物理氣相沉積）方法、藉由一CVD（化學氣相沉積）方法或藉由一PECVD（電漿增強的化學氣相沉積）方法（但排除一ALD方法或一電漿增強的ALD方法）應用的具有一高硬度和一高電流絕緣性能的該至少一個層被設置有一額外的PVD層，該額外的PVD層藉由電弧（過濾電弧、矩形源、圓形源、鐳射電弧、圓柱形源）、藉由磁控管噴濺、反應性磁控管噴濺、或藉由雙磁控管噴濺（矩形源、圓形源、圓柱形源）沉積，前述中任一種在該ALD層的該沉積之前任選地具有電漿增強。
一種包括如前述申請專利範圍中任一項所述的軸承組件的軸承。
一種包括如前述申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的軸承組件或如申請專利範圍第8項所述的軸承的機器。