Schneidwerkzeug, Verfahren zu seiner Herstellung und dessen Verwendung Cutting tool, method for its manufacture and its use
Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug aus einem metallischen und/oder Hartstoff enthaltenden Materi¬ al, wobei die Schneidkante einen Verrundungsradius < 10 μm und eine Oberflächenrauhigkeit < 5 μm auf¬ weist.The invention relates to a cutting tool made of a metallic and / or hard material containing Materi¬, wherein the cutting edge has a radius of curvature <10 microns and a surface roughness <5 microns auf¬ has.
Bei Schneidwerkzeugen, insbesondere bei Rasierklin¬ gen, kommt es entscheidend darauf an, dass die Schneidkante als solches nicht nur eine extreme Schärfe aufweist, sondern auch, dass dessen Standfes¬ tigkeit im Dauerbetrieb gewährleistet ist. Als Lösung wird hierbei u.a. vorgeschlagen, die Schneidkante als solches in Form eines Profils, z.B. in Wellenprofil, auszuführen und/oder dass die Schneidkante als sol¬ ches durch physikalische Nachbearbeitung geschärft wird. Obwohl es hier im Stand der Technik schon zahl¬ reiche Lösungen gibt, ist die Dauerstandfestigkeit bei gleich bleibender Schärfe der Schneidkante im
With cutting tools, in particular with shaving razes, it is crucial that the cutting edge as such not only has an extreme sharpness, but also that its stability during continuous operation is ensured. In this case, the solution proposed is, inter alia, to carry out the cutting edge as such in the form of a profile, eg in wave profile, and / or that the cutting edge is sharpened as such by physical post-processing. Although there are already numerous solutions in the prior art, the creep rupture strength is constant while the sharpness of the cutting edge is constant
bei gleich bleibender Schärfe der Schneidkante im Dauerbetrieb nicht befriedigend.at the same sharpness of the cutting edge in continuous operation not satisfactory.
Bei den Schneidwerkzeugen des Standes der Technik ist es bisher zusätzlich äußerst schwierig, in einem Schneidwerkzeug innenliegende Schneidkanten mittels Schleifen zu realisierren. Auch ist eine Fertigung von derartigen Schneidwerkzeugen mit innenliegenden Schneidkanten, wie sie heute auch zunehmend an Bedeu¬ tung gewinnen, nur serir schwer bzw. mit großem ver¬ fahrenstechnischem Aufwand möglich.In the cutting tools of the prior art, it has hitherto additionally been extremely difficult to realize internal cutting edges in a cutting tool by means of grinding. Also, a production of such cutting tools with internal cutting edges, as they are increasingly gaining importance today, is only possible with difficulty or with great technical complexity.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schneidwerkzeug anzugeben, dessen Schneidkante auch im Dauerbetrieb in ihrer Schärfe keiner Beeinträchtigung unterliegt und somit eine lange Standzeit aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, dass auch Schneidwerkzeuge mit innenliegender Schneidkante herstellbar sind. Eine zusätzliche Auf¬ gabe ist es, ein Herstellungsverfahren für ein derar¬ tiges Schneidwerkzeug anzugeben, das verfahrenstech¬ nisch einfach und kostengünstig ist.Proceeding from this, it is the object of the present invention to provide a cutting tool whose cutting edge is subject to no impairment in continuous operation in its sharpness and thus has a long service life. Another object is that also cutting tools with internal cutting edge can be produced. An additional object is to specify a production method for a derer¬ tiges cutting tool, which is procedurally simple and inexpensive.
Die Aufgabe wird in Bezug auf das Schneidwerkzeug durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung durch die Merkmale des Patentanspruchs 22 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.The object is achieved with respect to the cutting tool by the features of patent claim 1 and with respect to the method of manufacture by the features of claim 22. The dependent claims show advantageous developments.
Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug zeichnet sich somit dadurch aus, dass es einen Verrundungsradius rc von < 10 μm aufweist, -wobei gleichzeitig eine Ober¬ flächenrauhigkeit Rw < 5 μm vorhanden ist. Beim er¬ findungsgemäßen Sehnei<dwerkzeug ist es besonders her¬ vorzuheben, dass es auch möglich ist, ein Schneid¬ werkzeug zu realisieren, dessen Verrundungsradius
< 2 μm, bevorzugt < 1 μm, besonders bevorzugt < O/ 5 μm ist. Es hat sich gezeigt, dass sogar Verrundungs- radien realisierbar sind, die im Nanometerbereicti, d.h. von 100 nm bis zu 20 nm liegen.The cutting tool according to the invention is thus distinguished by the fact that it has a radius of curvature r c of <10 μm, whereby at the same time a surface roughness R w <5 μm is present. It is particularly noteworthy in the stringing tool according to the invention that it is also possible to realize a cutting tool whose rounding radius <2 μm, preferably <1 μm, particularly preferably <O / 5 μm. It has been shown that even rounding radii can be realized which lie in the nanometer range, ie from 100 nm to 20 nm.
Auch die Oberflächenrauhigkeit Rm ist bedingt durch das nachfolgend näher beschriebene Herstellungsver¬ fahren so steuerbar, dass eine Oberf lächenrauhigkieitThe surface roughness R m is also controllable by the production method described in more detail below in such a way that a surface roughness kieit
< 5 μm, bevorzugt < 1 um, besonders bevorzugt sogar<5 μm, preferably <1 μm, more preferably even
< 0,5 μm, realisierbar ist.<0.5 microns, is feasible.
In Verbindung mit einer spezifischen Materialauswahl aus Hartstoffen bzw. Metallen ist es damit möglich, ein Schneidwerkzeug herzustellen, das einen extrem kleinen Verrundungsradius bei gleichzeitig kleiner Oberflächenrauhigkeit aufweist. Wenn als MateriaL ausgewählte Hartstoffmaterialien eingesetzt werden, wird zudem eine ausgezeichnete Dauerstandfestigkeit erreicht.In combination with a specific choice of materials made of hard materials or metals, it is thus possible to produce a cutting tool which has an extremely small radius of curvature with simultaneously low surface roughness. When used as MateriaL selected hard materials, also an excellent creep resistance is achieved.
Bevorzugt beim erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug ist es, wenn dieses aus mindestens zwei Schichten aufge¬ baut ist, wobei die erste Schicht eine Schicht aus einem metallischen Material darstellt und die zweiten Schicht, ±n der auch die Schneidkante eingebracht ist, aus Hartstoff gebildet ist.It is preferred in the case of the cutting tool according to the invention if this is made up of at least two layers, wherein the first layer represents a layer of a metallic material and the second layer, which also incorporates the cutting edge, is formed of hard material.
Beispiele für metallische Materialien sind dabei Alu¬ minium, Kupfer, Titan, Nickel und Chrom und eisenhal¬ tige Werkstoffe wie Stahl. Geeignet ist weiterhin Mo, MoC, Niobr WC, Tantal und Wolfram. Bei den Hartstof¬ fen sind als Beispiele zu nennen Keramiken, wie z-B. kohlenstoff- und stickstoffhaltige Keramiken, im spe¬ ziellen z.B. Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Bor¬ nitrid, Tantal, Tantalkarbid, Wolfram, Wolframkarfcdd, Molybdän, Molybdänkarbid, Vanadium, Diamant, Titan-
nitrid, TiAlN, TiCN, CBN, TiB2, Aluminiumoxide sowie Aluminium-basierte Keramiken. Weiterhin sind diamant¬ artige Kohlenstoff schichten besonders geeignet. Bei den diamantartigen Kohlenstoffschichten sind wasser¬ stofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C), tetra- edrische Wasserstoff frei amorphe Kohlenstoff schichten (ta-C) , metallhaltige wasserstofffreie amorphe Koh¬ lenstoff schichten (a-C:Me) , wasserstof fhaltige amor¬ phe Kohlenstoffscliichten (a-C:H), Tetraedrische was¬ serstof fhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C:H) sowie metallhaltige, wasserstof fhaltige amorphe Koh¬ lenstoff schichten (a-C:H:Me) und modifizierte wasser- stoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:X) zu nennen. Selbstverständlich können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Hartstoffe verwendet werden.Examples of metallic materials are aluminum, copper, titanium, nickel and chromium and iron-containing materials such as steel. Also suitable is Mo, MoC, Niobr WC, tantalum and tungsten. In the case of the hard materials, examples are ceramics, for example. carbon-containing and nitrogen-containing ceramics, in particular silicon carbide, silicon nitride or boron nitride, tantalum, tantalum carbide, tungsten, tungsten carbide, molybdenum, molybdenum carbide, vanadium, diamond, titanium nitride, TiAlN, TiCN, CBN, TiB 2 , aluminum oxides and aluminum-based ceramics. Furthermore, diamond-like carbon layers are particularly suitable. In the diamond-like carbon layers are hydrogen-free amorphous carbon layers (aC), tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon layers (ta-C), metal-containing hydrogen-free amorphous carbon layers (aC: Me), hydrogen-containing amorphous carbon layers (aC: H), tetrahedral hydrogen-containing amorphous carbon layers (ta-C: H) and metal-containing, hydrogen-containing amorphous carbon layers (aC: H: Me) and modified hydrogen-containing amorphous carbon layers (aC: H: X) , Of course, other known from the prior art hard materials can be used.
In Bezug auf die Strukturierung der Schneidkante und die Schneidgeometurie unterliegt das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug aufgrund des Herstellungsverfahrens, wie nachfolgend dargelegt wird, keinerlei Beschrän¬ kungen .With regard to the structuring of the cutting edge and the cutting geometry, the cutting tool according to the invention is not subject to any restrictions due to the production method, as will be explained below.
So kann das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug so aus¬ gebildet sein, dass es mindestens eine außenliegende Schneidkante aufweist. Derartige Schneidwerkzeuge finden dann z.B. Verwendung zum Schneiden von Sub¬ straten, wie Teppiche, Kunststoffsubstrate oder auch Kunststoff Verbundstoffe. Ein Schneidwerkzeug nach der Erfindung mit einer außenliegenden Schneidkante kann dabei auch so ausgebildet sein, dass dieses zwei spitz zueinander zulaufende Schneidkanten aufweist, die in Form einer Speerspitze ausgebildet sind. Das strukturierte Profil mit abnehmender Schichtdicke kann dabei auch auf den Anwendungsfall abgestimmt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Schneid¬ werkzeugs nach der Erfindung sieht vor, dass dieses mindestens eine innenliegende Schneidkante aufweist. Die innenliegende Schneidkante kann in diesem Fall eine durchgängige Kontur mit beliebiger Form besit¬ zen. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch alle anderen Ausfüϊirungsformen von Schneidwerkzeugen mit einer innenliegenden Schneidkante, z.B. eine El¬ lipse oder auch eine geschwungene Kontur. Das Schneidwerkzeug kann dabei auch so ausgebildet sein, dass 2 bis 50 dieser innenliegenden Schneidkanten im Schneidwerkzeug angeordnet sind. Die Abstände bz-w. die Anordnung dieser Schneidkanten im Schneidwerkzeug kann dabei vom Anwendungsfall abhängig beliebig ein¬ gestellt werden.Thus, the cutting tool according to the invention can be formed such that it has at least one outer cutting edge. Such cutting tools are then used, for example, for cutting substrates, such as carpets, plastic substrates or plastic composites. A cutting tool according to the invention with an outer cutting edge can also be designed so that it has two tapered cutting edges, which are formed in the form of a spear tip. The structured profile with decreasing layer thickness can also be adapted to the application. A further preferred embodiment of the Schneid¬ tool according to the invention provides that this has at least one inner cutting edge. The inner cutting edge can in this case have a continuous contour of any desired shape. Of course, the invention also encompasses all other Ausfüϊirungsformen of cutting tools with an inner cutting edge, for example, a El lipose or a curved contour. The cutting tool can also be designed so that 2 to 50 of these inner cutting edges are arranged in the cutting tool. The distances bz-w. The arrangement of these cutting edges in the cutting tool can be set arbitrarily ein¬ depending on the application.
Eine weitere Ausfüϊirungsform der Erfindung sieht dann vor, dass die innenliegende Schneidkante ein Scϊineid- system darstellt, das aus zwei zueinander zugewandten Schneidkanten besteht, die beabstandet sind. Erfin- dungsgemäß kann dieses Schneidwerkzeug so aufgebaut sein, dass eine Metirzahl von derartigen Schneidsyste¬ men, bevorzugt 2 bis 50 im Schneidwerkzeug angeoirdnet sind. Die Anordnung" der beiden Schneidkanten zueinan¬ der in einem derartigen Schneidwerkzeug kann dabei parallel oder auch in einer von der parallelen abwei¬ chenden Form vorliegen. Der Abstand kann dabei z,B. im Bereich von 0,03 mm bis 20 mm variieren. Derartige Schneidwerkzeuge haben dann eine Schneidkantenlänge, die bevorzugt im Bereich von 0,03 mm bis 100 im liegt.A further embodiment of the invention then provides that the inner cutting edge represents a scurf system, which consists of two mutually facing cutting edges, which are spaced apart. According to the invention, this cutting tool can be designed such that a metir value of such cutting systems, preferably 2 to 50, are provided in the cutting tool. The arrangement of the two cutting edges with one another in such a cutting tool can be parallel or else in a shape deviating from the parallel one, and the spacing can vary in the range from 0.03 mm to 20 mm Cutting tools then have a cutting edge length that is preferably in the range of 0.03 mm to 100 μm.
Die bereits eingangs näher beschriebenen spezifischen Rauhigkeiten werden beim erfindungsgemäßen Schneid¬ werkzeug dadurch earreicht, dass ein spezifisches^
trockenchemisch.es Ätz^rerfahren angewandt wird, wie nachfolgend beschrieben.The specific roughnesses already described in more detail above are earmarked in the cutting tool according to the invention in that a specific ^ dry chemical etching is used as described below.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeuges. Beim Herstellungsverfahren wird dabei so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt eine Schicht aus einem Metall und/oder Hartstoff ent¬ haltenden Material ZUJΓ Verfügung gestellt wird. In diese Schicht vorgegebener Dicke, die z.B. von 0,05 mm bis 10 nun liegen kann, wird dann eine Vertie¬ fung eingearbeitet. Die Vertiefung kann dabei nach der Erfindung durch Heiß- oder Kaltverfσrmung, wie z.B. durch Prägen, hergestellt werden. Durch diesem ersten Verfahrensschritt wird somit in der Metall- und Hartstoff-enthaltenden Schicht bereits eine Vorr- kontur eingebracht. Durch den nun nachfolgenden Ätz:- schritt, mit dem ein gleichmäßiger Abtrag erfolgt, wird somit dann automatisch eine entsprechende Kontur mit einer Schneidkante in dem Schneidwerkzeug ausge¬ bildet.The invention further relates to a method for producing a cutting tool as described above. In the manufacturing process, the procedure is such that, in a first step, a layer of material containing metal and / or hard material is made available. In this layer of predetermined thickness, e.g. may be from 0.05 mm to 10 now, then a Vertie¬ tion is incorporated. The recess can be made according to the invention by hot or Kaltverfσrmung, such as. by embossing, are produced. As a result of this first method step, a pre-contour is thus already introduced into the metal- and hard-material-containing layer. As a result of the etching which follows: Step by step, with which a uniform removal takes place, a corresponding contour is automatically formed with a cutting edge in the cutting tool.
Abhängig von der Ausführungsform der vorliegenden Er¬ findung, d.h. ob ein einschichtiges Material oder ein zweischichtiges Material aus Hartstoff und metalli¬ schem Material verwendet wird, wird ein Ein- oder e in Zweistufenätzprozess angewandt.Depending on the embodiment of the present invention, i. Whether a single-layered material or a two-layered material of hard material and metalli¬ cal material is used, a single or e is applied in Zweistufenätzprozess.
Das Einbringen der Vertiefung in die Schicht kann z.B. auch erfindungsgemäß so erfolgen, dass mittels eines Druckwerkzeuges die Vertiefung z.B. in die me¬ tallische Schicht eingeprägt wird. Für die Ausfüh¬ rungsform, bei der innenliegende Schneidkanten oder mehrere Schneidsysteme realisiert werden, kann auch ein Einprägen mittels einer Walze auf eine zugeführiie Schicht erfolgen. Auf diese Weise ist eine sehr kos—
tengünstige Herstellung möglich.The introduction of the depression into the layer can, for example, also take place according to the invention in such a way that the depression is impressed into the metallic layer, for example, by means of a pressure tool. For the embodiment in which internal cutting edges or several cutting systems are realized, embossing by means of a roller can also be effected on a fed layer. In this way, a very cost-effective low-cost production possible.
Für den FaIIL, dass ein zweischichtiger Aufbau vorge¬ sehen ist, wird dann nach dem Einbringen der Ve rtie- fungen in die metallische Schicht eine Hartstof f- schicht, die auch z.B. diamanthaltige Kohlenstoff¬ schicht oder: eine Diamantschicht sein kann, aufge¬ bracht. Im Anschluss daran, wird dann durch den. zwei¬ stufigen Ätzschritt das strukturierte Profil mi t ab¬ nehmender Schichtdicke eingebracht.For the case that a two-layered construction is provided, after introduction of the depressions into the metallic layer, a hard material layer, which is also present e.g. diamond-containing carbon layer or: may be a diamond layer aufge¬ introduced. After that, then by the. zwe¬ stage etching step introduced the structured profile with decreasing layer thickness.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to Figures 1 to 6.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfin¬ dungsgemäßen Schneidwerkzeuges aus zwei Schichten.Figure 1 shows schematically the structure of a cutting tool according to the invention from two layers.
Figur 2 zeigt die Anordnung eines Schneidsystems aus zwei zueinander zugewandten Schneid¬ kanten.FIG. 2 shows the arrangement of a cutting system consisting of two cutting edges facing each other.
Figur 3 zeigt schematisch das Einbringen von Ver¬ tiefungen mittels einer Druckwalze d.n ei¬ ne metallische Trägerschicht.FIG. 3 schematically shows the introduction of depressions by means of a pressure roller, ie a metallic carrier layer.
Figur 4 zeigt den schematischen Ablauf des J\tz- verfahrens und die Ausbildung des struk¬ turierten Profils.FIG. 4 shows the schematic sequence of the etching process and the formation of the structured profile.
Figur 5 gibt einen Überblick über verschiedeneFigure 5 gives an overview of various
Möglichkeiten der Anordnung der Schneid- systeme.Possibilities of arrangement of the cutting systems.
Figur 6 zeigt schematisch den Aufbau von zwei An¬ lagen zum trockenchemischen Ätzen.
Figur 1 zeig~t den schematischen Aufbau eines erff in- dungsgemäßen Schneidwerkzeuges 1 aus einer metaL Ii- schen Träger Schicht 4 und einer Hart stoff Schicht 5 , die die Schneidkante 3 bildet . Zur besseren Über ¬ sichtlichkei t: ist in Figur Ib dargestellt, was e rfin¬ dungsgemäß unter einem Verrundungsradius ( rc) ver¬ standen wird . Die Oberflächenrauhigkeiten des st ruk¬ turierten Profils 2 können im Beispielsfall der Jlus- führungsform nach Figur 1 für die HartstoffschichtFIG. 6 shows schematically the construction of two plants for dry-chemical etching. Figure 1 show ~ t the schematic structure of a domestic erff to the invention the cutting tool 1 from a metal Ii's carrier layer 4 and a hard material layer 5 which forms the cutting edge. 3 For better clarity, it is shown in FIG. 1b what, according to the invention, is understood to mean a rounding radius (r c ). The surface roughness of the struc tured profile 2 can in the example of the Julus leadership form of Figure 1 for the hard material layer
(RMs2) und für die Metall enthaltende Trägerschic ht(R M s2) and for the metal-containing Trägerschic ht
( RMSI ) gleich oder verschieden sein . Bevorzugt ist es j edoch h- ier- bei, wenn di e Oberflächenrauhigkeit RMsi in etwa der von RMS2 entspricht .(RMSI) be the same or different. However, it is preferred if the surface roughness R M si corresponds approximately to that of R MS2 .
Figur 2a zei ςjt wiederum schematisch den Aufbau e ines erfindungsgemäßen Schneidsystems aus zwei zueinander zugewandten Schneidkanten 3 / 3' . In Figur 2b ist eine mögliche Anordnung gezeigt, wie derartige zueinamder beabstandete Schneidkanten 3, 3 ' im Schneidwerkz eug angeordnet sein können . Bei der Aus führungs form xiach Figur 2 besteht hierbei das Schneidwerkzeug wied erum aus einem zweischichtigen Aufbau, nämlich einer .me¬ tallischen Trägerschicht 4 und einer Hartstoffsclhicht 5 . Die in Figur 2b gezeigte Anordnung hat sich a ls besonders bevorzugt herausgestellt . In Figur 2b ist mit 10 symbolisch ein Haar dargestellt, das durclh die schräg angeordneten Schneidkanten 3 , 3 ' besonder s ef¬ fektiv abgetrennt wird . Der Pfeil zeigt schemati -sch die Richtung,- mit der das Schneidwerkzeug bewegt wird .Figure 2a zei ςjt again schematically the structure e ines cutting system according to the invention comprises two mutually facing cutting edges 3/3 '. In Figure 2b, a possible arrangement is shown how such zueinamder the spaced cutting edges 3, 3 'Eug can be arranged in Schneidwerkz. In the case of the embodiment according to FIG. 2, in this case the cutting tool again consists of a two-layer structure, namely a metallic support layer 4 and a hard material cladding 5. The arrangement shown in FIG. 2b has proven to be particularly preferred. In FIG. 2 b, symbolically a hair is represented by 10, which is separated particularly clearly by the obliquely arranged cutting edges 3, 3 '. The arrow schematically shows the direction in which the cutting tool is moved.
Figur 3 zeigt eine mögliche Aus führungs form, wie die Vertiefungen in die Schicht eingebracht werden kön¬ nen . Im Beispielsfall nach Figur 3 wird in eine rne-
ta3.lisch enthaltende Trägerschicht 4 mittels Druck- walzen 11, die ein vorbestimmtes strukturiertes Pro¬ fiIL aufweisen, eine entsprechende Form eingeprägt. Der weitere Verfahrensablauf zur Herstellung eines entsprechenden Schneidwerkzeugs ist dann aus der Fi¬ gur 4 zu entnehmen.FIG. 3 shows a possible embodiment in which the recesses can be introduced into the layer. In the example of Figure 3 is in a rne- Ta3lisch containing carrier layer 4 by means of pressure rollers 11, which have a predetermined structured Pro¬ fiIL impressed a corresponding shape. The further process sequence for producing a corresponding cutting tool can then be taken from FIG. 4.
In Figur 4a ist der Zustand gezeigt, bei der dann die Hartstoffschicht 5, hier im Beispielsfall Diamant, auf die Rückseite des strukturierten Profils aufge¬ bracht worden ist. Selbstverständlich ist es auch mö«glich, beidseitig der Trägerschicht 4 eine Hart¬ stoffSchicht 5 aufzubringen. Figur 4b zeigt nun den Zustand, der durch das Ätzen erzeugt wird. Durch den Ätzangriff erfolgt ein gleichmäßiger Materialabtrag, sodass sich, wie aus der Bildfolge 4b)-d) taervorgeht, ein strukturiertes Profil bildet. Im Beispiels!all nach der Figur 4 wurde dabei ein metallisches Sub¬ strat mit einem Titan-ätzenden Plasma geätzt. Nach¬ folgend wird dann (Figur 4c) ein gleichzeitiges Ätzen mit einem Titan- und einem Diamant-ätzenden Plasma durchgeführt, bis das strukturierte Profil 2 mit der Schneidkante 3 entstanden ist.FIG. 4 a shows the state in which the hard material layer 5, here diamond in the example, has been applied to the rear side of the structured profile. Of course, it is also possible to apply a layer of hard material 5 on both sides of the carrier layer 4. FIG. 4b now shows the state which is produced by the etching. The etching attack results in a uniform material removal, so that, as shown in the image sequence 4b) -d), a structured profile is formed. In the example, all according to FIG. 4, a metallic substrate was etched with a titanium-etching plasma. Subsequently, a simultaneous etching with a titanium and a diamond-etching plasma is then carried out (FIG. 4 c) until the structured profile 2 with the cutting edge 3 is created.
In den Figuren 5a bis e sind nun einige Ansführungs- beispiele dargestellt, wie die Schneidsysteme 6 in einem Trägermaterial 4 angeordnet sein können. Die Erfindung schließt selbstverständlich auch alle hier¬ von abweichenden Ausführungsformen mit ein.FIGS. 5a to e now show some examples of how the cutting systems 6 can be arranged in a carrier material 4. Of course, the invention also includes all of these deviating embodiments.
Ficj. 6 zeigt nun verschiedene Anlagen, die für den Ätzschritt verwendet werden können.Ficj. Figure 6 now shows various equipment that can be used for the etching step.
Fiςj. 6A zeigt eine RIE-Anlage (Reactive Ion. Etching) mit rein kapazitivem Betrieb. Diese Anlage weist eine Kammer 20 auf, in der eine Schicht 26 (z.B. Schicht
4,5 wie in Figur 4) auf einer Unterlage 21b angeord¬ net ist. Der Schicht 26 gegenüber ist eine Elektrode 21a angeordnet. Die Elektrode 21a und die Unterlage 21b sind über Leitungen 22a und 22b mit einer Span¬ nungsquelle 23 verbunden, die eine Leistung zwischen 1 W und 30O0 W erzeugt. Hierdurch wird ein Plasma 25 aus einem Gasgemisch (Ar, 0z, CF4) zwischen dem Sub¬ strat 26 und der Elektrode 21a erzeugt, das das Sub¬ strat großflächig ätzt. Dabei ergibt sich eine SeIf- bias-Spanmxng mit negativem Potential. Der Self-Bias- Spannung kann eine zusätzliche, erzwungene Spannung überlagert werden. Dies geschieht durch Einfügen ei¬ nes Gleichstromgenerators zwischen Elektrode und Er¬ dung. Über die Ätzparameter kann der Ätzangriff (Rate und Isotropie) sowohl für das metallische Trägermate- rial als aiαch für die Hartstoffschient 5 gezielt ein¬ gestellt werden.Fiςj. 6A shows a RIE (Reactive Ion. Etching) system with purely capacitive operation. This system has a chamber 20 in which a layer 26 (eg layer 4,5 as in FIG. 4) is arranged on a base 21b. The layer 26 opposite to an electrode 21 a is arranged. The electrode 21a and the base 21b are connected via lines 22a and 22b to a voltage source 23, which generates a power between 1 W and 30O0W. As a result, a plasma 25 is generated from a gas mixture (Ar, O z , CF 4 ) between the substrate 26 and the electrode 21 a, which etches the substrate over a large area. This results in a bias bias with negative potential. The self-bias voltage can be superimposed with an additional, forced voltage. This is done by inserting a DC generator between electrode and ground. By means of the etching parameters, the etching attack (rate and isotropy) can be specifically set for the metallic carrier material as well as for the hard material splitter 5.
Fig. 6B zei-gt eine weitere Anlage nach dem ICP-Ver- fahren (Inctuctive Coupled Plasma) . Hier wie zuvox auch sind g-leiche oder ähnliche Bauelemente mit «glei¬ chen oder ähnlichen Bezugszeichen wie in den anderen Figuren versehen. Statt der Elektrode 21a ist nun in¬ nerhalb der- Kammer 20 eine Elektrode 21a mit einer Spule angeordnet, über die induktiv die Leistung in das Plasma 25 eingekoppelt wird. Die Kammer 20 und die Unterlage 21b sind ebenfalls über eine Spanniαngs- quelle 23 rαiteinander verbunden.FIG. 6B shows another system according to the ICP method (Inctuctive Coupled Plasma). Here as well as zuvox g-leiche or similar components are provided with the same or similar reference numerals as in the other figures. Instead of the electrode 21a, an electrode 21a with a coil is now arranged within the chamber 20, via which the power is inductively coupled into the plasma 25. The chamber 20 and the base 21b are also connected to one another via a tension source 23.
Zum Ätzen, der Hartstoffschient, wie z.B. DLC odeαr Di¬ amant, beträgt die Self-Bias-Spannung vorteilhafter¬ weise 20 bis 1.000 V, vorzugsweise 250 bis 800 V, vorzugsweise zwischen 350 und 700 V.For etching, the hard material splitter, e.g. DLC odeαr Di¬ amant, the self-bias voltage is advantageously 20 to 1000 V, preferably 250 to 800 V, preferably between 350 and 700 V.
Wesentliche Parameter bei der Verfahrensführung für den Ätzscharitt sind Gaszusammensetzung, der Kammer-
druck und die Partialdruckverhältnisse .Essential parameters in the etching process are gas composition, the chamber pressure and the partial pressure conditions.
Insbesondere der Kammerdruck ist für die hohe Ani¬ sotropie des Ätzangriffs von wesentlicher Bedeutung. Ziel ist dabei ein niedriger Kammer druck bei gleich¬ zeitig ausreichender Menge von reaktiven Spezies . Als geeignete Druckwerte für die Hartstof fschicht für die RIE-Anlage wurden Werte < 150 mTorr, vorzugsweise < 75 mTorr, vorzugsweise < 35 itiTTorr ermittelt . Für die ICP-Anlage beträgt der Kammer druck vorzugsweise 0, 1 bis 20 mTorr .In particular, the chamber pressure is essential for the high anisotropy of the etching attack. The aim is a low chamber pressure at the same time sufficient amount of reactive species. Values <150 mTorr, preferably <75 mTorr, preferably <35 itiTTorr, were determined as suitable pressure values for the hard material layer for the RIE system. For the ICP system, the chamber pressure is preferably 0, 1 to 20 mTorr.
Die genannten Bereiche des Kainmerdrucks führen zu ei¬ ner anisotropen Ätzung, währerxd sich bei hohem Druck zu viele Atome in der Kammer befinden, die die Argon¬ ionen während des Beschüsses ablenken . Bei zu hohem Kammerdruck wird daher eine is otrope Ätzung bewirkt .The mentioned ranges of the chamber pressure lead to an anisotropic etching, whereby at high pressure there are too many atoms in the chamber which distract the argon ions during the bombardment. If the chamber pressure is too high, therefore, an isotropic etching is effected.
Beim erfindungsgemäßen Verfahiren kann selbstverständ¬ lich auch ein Zumischen von Edelgasen erfolgen, so- dass eine physikalische Komporxente eingefügt wird, wohingegen CF4 und Sauerstoff eine reaktive Komponen¬ te darstellen .In the novel Verfahiren also a blending of noble gases can selbstverständ¬ Lich done so-that a physical Komporxente is inserted, whereas CF4 and oxygen reactive Komponen¬ te represent.
Insbesondere für die Hartstoff Schicht kann über die Partialdruckverhältnisse die Ä.tzgeschwindigkeit und damit auch die Anisotropie der Ätzung beeinflusst werden . Vorzugsweise steht der Gasfluss der einzelnen Gase in folgendem Verhältnis : Ar : 8 ; 02 : 17 ; CF4 : 14 ; N2 : 10 . Aus den in Figur 6 gezeigten Anlagen ergeben sich in oben genanntem Paramet er-Bereich Ätzgeschwin¬ digkeiten zwischen 100 nm/Std -und 10 μm/Std . In der Metallschicht ( 4b in Figur 4 ) kann auch unter Ver¬ zicht auf die reaktive Komponente der Hartstof f¬ schicht (O2) verzichtet werden » Die Raten betragen dann bis zu 100 μm/Std .
Statt Argon und Sauerstoff bzw. N2 und CF4 als Plas¬ ma-Gase können auch andere Systeme eingesetzt werden. Insbesondere kommen statt Argon alle Eclelgase der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente in Frage. Anstelle von CF4 kommen alle Gase in Frage, die mit der Metall-enthaltenden Träger schicht 4 eine flüchtige Verbindung eingehen. Anstelle von Sauer¬ stoff als reaktivem Gas kommen alle Gase in Frage, die mit der Hartstoffschicht eine flüclhtige Verbin¬ dung eingehen können, insbesondereIn particular for the hard material layer, the etching rate and thus also the anisotropy of the etching can be influenced via the partial pressure ratios. Preferably, the gas flow of the individual gases is in the following ratio: Ar: 8; 0 2 : 17; CF 4 : 14; N 2 : 10. From the systems shown in FIG. 6, etch rates of between 100 nm / hour and 10 μm / hour result in the above-mentioned parameter range. In the metal layer (4b in FIG. 4) it is also possible to dispense with the reactive component of the hardcoat layer (O2) in the future. The rates are then up to 100 μm / h. Instead of argon and oxygen or N 2 and CF 4 as plasma gases, other systems can also be used. In particular, instead of argon, all the eclipse gases of the second main group of the periodic table of the elements come into question. Instead of CF 4 , all gases come into question, the layer 4 with the metal-containing carrier form a volatile compound. Instead of oxygen as the reactive gas, all gases which can make a fluid connection with the hard-material layer are possible, in particular
1. chlorhaltige Gase, z.B. Cl2, CCl2, BCl3, PCl3 sowie weitere chlorhaltige Gase und/oder de¬ ren Mischungen;1. chlorine-containing gases, for example Cl 2 , CCl 2 , BCl 3 , PCl 3 and also other chlorine-containing gases and / or mixtures thereof;
2. fluorhaltige Gase, z.B. F, F2r CF4, CFn, C2F6, SF4, SF6, SF4 sowie weitere fluorhalti¬ ge Gase sowie deren Verbindunςjen und/oder Mischungen;2. fluorine-containing gases, for example F, F 2r CF 4 , CF n , C 2 F 6 , SF 4 , SF 6 , SF 4 and other fluorine-containing gases and their compounds and / or mixtures;
3. sauerstoffhaltige Gase O2, CC> CO2 sowie weitere sauerstoffhaltige Gase und/oder de¬ ren Mischungen;3. Oxygen-containing gases O2, CC> CO2 and other oxygen-containing gases and / or their mixtures;
4. Gase, die Fluor und/oder Chlour und/oder Sau¬ erstoff enthalten, z.B. CClF2, CClF5, CClF3 und/oder deren Mischungen.
4. Gases which contain fluorine and / or chloride and / or oxygen, for example CClF 2 , CClF 5 , CClF 3 and / or mixtures thereof.