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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung ist auf ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen
Hartschicht und eine Vorrichtung dafür ausgerichtet. Die Erfindung
ist insbesondere auf ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer neuartigen
kohlenstoffhaltigen Hartschicht mit einer dramatischen, die Oberfläche verbessernden
Wirkung, die in Werkzeugen und beweglichen Teilen, wo eine große Härte, Verschleißfestigkeit
und verringerte Reibung gefordert sind, und in Teilen von elektronischen
Präzisionsinstrumenten und
desgleichen verwendbar ist.
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In
den letzten Jahren werden immer mehr größere Härte und höhere Funktionalität von Hartbeschichtungen
zur industriellen Verwendung gefordert. Unter diesen Umständen haben
harte kohlenstoffhaltige Beschichtungen, die durch diamantartige Kohlenstoffschichten
repräsentiert
werden, als ein Material, das die drastischeren Anforderungen einer neuen Ära erfüllt, Aufmerksamkeit
auf sich gelenkt. Derartige harte kohlenstoffhaltige Beschichtungen wurden
Versuchen zur Dampfphasenschichtabscheidung durch verschiedene Verfahren
unterzogen, führend
ist dabei die chemische Dampfabscheidung (CVD), doch es treten verschiedene
Probleme auf dem Weg zur praktischen Verwendung auf und der Anwendungsbereich
war bisher beschränkt.
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Beispielsweise
wurde in den erfolgreichsten Fällen
eine maximale Höhe
von 3 000 kg/mm2 Vickers-Härte in einer
harten kohlenstoffhaltigen Schicht durch plasmagestützte CVD-Verfahren
erreicht, doch es besteht ein Problem darin, dass 3 000 kg/mm2 eine eigentliche Grenze darstellte. Hafteigenschaften
und die Substrattemperatur während der
Schichtbildung stellen auch Probleme dar, die hinsichtlich konventioneller
harter kohlenstoffhaltiger Schichten, die durch Dampfphasenschichtabscheidung
entstehen, gelöst
werden müssen.
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Bei
harten kohlenstoffhaltigen Schichten, die unter Verwendung von plasmaunterstützten CVD-Prozessen
gebildet werden, sind Hafteigenschaften an verschiedenartigem Stahl
und anderen metallischen Substratmaterialien, hauptsächlich Werkzeugen,
in der Tat schlecht und die Umsetzung in praktischen Anwendungen
war problematisch. Der Grund dafür
ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient
einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht extrem niedrig ist (0,80 × 10–6/K).
Wenn somit eine Schicht auf einem Substratmaterial mit einem großen Koeffizienten,
wie zum Beispiel rostfreiem Stahl (13,8 × 10–6/K
im Hauptmaterial, Eisen) gebildet wird, war es unmöglich, das
Erreichen von relativ hohen Temperaturen im Substratmaterial während der
Bildung der harten kohlenstoffhaltigen Schicht zu vermeiden. Wenn
die Temperatur des Substratmaterials von der hohen Temperatur, die
während
der Schichtbildung erreicht wurde, auf Umgebungstemperatur nach
der Schichtbildung abkühlt,
entsteht Spannung zwischen der Schicht und dem Substratmaterial
und die Schicht löst
sich folglich ab.
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Konventionelle
Verfahren, die zur Verbesserung der schlechten Haftung einer Schicht
untersucht wurden, schließen
die Bildung einer Zwischenschicht zwischen dem Substratmaterial
und der Schicht (eine Siliconverbindung oder desgleichen) und das
Aufrauhen der Substratmaterialoberfläche ein. Während jedoch das erste Verfahren
die Haftung zwischen der harten kohlenstoffhaltigen Schicht und
der Zwischenschicht, in eigentlicher Anwendung in Werkzeugen und
desgleichen, zunächst
zu verbessern scheint, war die Haftung weiter unzureichend und die
Schicht löst
sich ab. Es war außerdem
nicht möglich,
eine Zwischenschicht mit einer ausreichenden Härte zu erhalten, um die Aufbringung
unter einer kohlenstoffhaltigen Schicht großer Härte zu ermöglichen. Das zweite Verfahren,
wie das erste Verfahren, erzielt keine geeignete Haftstärke in der
eigentlichen Verwendung.
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Während der
Schichtbildung war eine Erhitzungstemperatur des Substrats von mindestens 200°C oder mehr
erforderlich, um eine kohlenstoffhaltige Schicht großer Härte zu erhalten.
Daher war die Aufbringung von harten kohlenstoffhaltigen Schichten
auf Substratmaterialen, die bei hohen Temperaturen Deformation oder
Schädigung
erfahren, z.B. Substratmaterialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt,
oder die enthärten
und ihre Härte
innerhalb dieses Temperaturbereichs verlieren, nicht geeignet.
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In
verschiedenen konventionellen CVD-Prozessen werden Gasgemische von
Wasserstoff und Methan oder andere Kohlenwasserstoffgase als Quelle
für Schichtbildungsmaterial
verwendet und die Einbringung von Wasserstoff in die kohlenstoffhaltige
Schicht war bewusst. Jedoch, wie vorstehend vermerkt, betrug die
so erhaltene Härte
maximal lediglich 3 000 kg/mm2 Vickers-Härte. Hinsichtlich
Hitzebeständigkeit
beginnt Graphitisierung in harten kohlenstoffhaltigen Schichten,
die Wasserstoff enthalten, bei 350°C, während die Graphitisierung in
einer Schicht, die keinen Wasserstoff enthält, erst bei einer Temperatur
von 500°C
oder höher
beginnt. Der Einsatz von Graphitisierung verursacht einen Abfall der
Härte und
eine Schwächung
der Eigenschaften.
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Mit
Wasserstoff ist die Entzündungsgefahr außerdem extrem
hoch und die gleichzeitige Verwendung von Methangas oder einem anderen
derartigen Kohlenwasserstoffgas stellt ein Risiko der Entflammbarkeit
dar.
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Verfahren
zur Bildung einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht, die keinen
Wasserstoff enthält, schließen Zerstäubungsverfahren,
Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren
und direkte Ionenstrahlverfahren ein, doch bei diesen Verfahren
wurde gefunden, dass Härte,
Verschleißfestigkeit
und andere derartige Eigenschaften unzureichend sind und aus Gründen, die
den engen Bereich von Parametern, in dem der schichtbildende Prozess
abläuft,
einschließen,
kann zur praktischen Verwendung ein hinreichender Artikel derzeit
nicht erhalten werden.
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CVD-Verfahren
und andere derartige Plasma-Prozesse führen auch darin zu Problemen,
dass die Erzeugung von Schichten mit einer gleichmäßigen, großen Oberfläche schwierig
ist. Wenn Plasma angrenzend an eine isolierende harte kohlenstoffhaltige
Schicht erzeugt wird, tritt, sobald das Plasma abgeschaltet wird,
an der gleichen Stelle kein Wachstum wieder auf, selbst wenn das
Plasma erneut erzeugt wird, was somit für die Erzeugung einer großen, gleichmäßigen Oberflächenschicht
ein Hauptproblem darstellt.
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Die
europäische
Patentschrift Nummer EP-A-0 280 198 offenbart ein eine Diamantdünnschicht
bildendes Verfahren und ein Gerät
dafür,
in dem Kohlenstoffabscheidung und Ionenstrahlbestrahlung auf einem
Substrat in einem Vakuum ausgeführt
werden, um dadurch eine Diamantdünnschicht
auf dem Substrat zu bilden.
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Die
europäische
Patentschrift Nr. EP-A-0 724 023 offenbart harte, amorphe, wasserstofffreie Kohlenstoffschichten.
Die harte, dünne,
amorphe Schicht hat eine glatte, gleichmäßige Oberflächenmorphologie, die aus reinem
Kohlenstoff ohne Metallkomponenten und/oder mit weniger als 0,5
Atom-% Wasserstoff besteht. Die Schicht wird mit Hilfe eines Vakuumbogenentladungsprozesses,
insbesondere mit Laserregelung, abgeschieden. Die verschleiß- und korrosionsfeste
Schicht, die bei Temperaturen unterhalb von 100°C abgeschieden wird, hat ein Elastizitätsmodul
von höher
als 400 GPa oder eine Härte
[Lakune] als 40 GPa und sie hat einen Reibungskoeffizienten von
geringer als 0,1 ohne Schmierung und geringer als 0,02 bei einer
verringerten Schmiermittelzufuhr. Die Schicht hat eine Dicke von
300 nm. Die Schicht wird als ein Stapel mit wechselnden Metallschichten
aufgebaut. Das Substratmaterial besteht aus Hochgeschwindigkeitszerspanungs-Stählen, Aluminium,
Aluminiumlegierungen, Messing, Bronze oder Plastik. Die Schicht
ist optisch durchsichtig.
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Die
Patentschrift der Vereinigten Staaten Nr. US-A-5 561 326 offenbart
einen integrierten Schaltungsbaustein, einschließlich einer Grenzschicht als eine
unterliegende Schicht für
eine verdrathende Leiterschicht. Die Grenzschicht wird aus Titanoxid-Titannitrid
oder Titannitrid oder Verbundschichten von Titan, 2-Titannitrid
und Titannitrid gebildet. Die Grenzschicht kann Sauerstoff oder
Kohlenstoff enthalten. Ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltungsbausteins
schließt
Schritte des Einbringens von Gas in die Umgebung eines Substrats,
das innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet ist, und des Bildens
einer Titanoxid-Titannitrid-Dünnschicht oder
Titannitridschicht oder der Verbundschicht durch Abscheiden von
Titan in die Dampfphase unter Verwendung einer Quelle für clusterartige
Ionen während
des Bestrahlens des Substrats mit Stickstoffionen ein. Ein Gerät zur Bildung
von dünnen
Schichten umfasst eine Quelle für
clusterartige Ionen und eine Gasionenquelle.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Dampfphasenbildung, wie
in Anspruch 1 beschrieben, offenbart. Gemäß eines weiteren Aspekts der
vorliegenden Erfindung wird ein Gerät, wie in Anspruch 8 beschrieben,
offenbart.
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Entsprechend
stellt die Erfindung ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer neuartigen
kohlenstoffhaltigen Hartschicht bereit, die eine große Härte aufweist,
die das Härteniveau übersteigt,
das zuvor als eine übliche
Grenze erachtet wurde, bei der die Haftung an ein Substratmaterial
besser ist, die Auswirkungen, die aus der Substrattemperatur resultieren,
vermeidet und auch ein besseres Potenzial bei der Erzeugung einer
großen
Oberfläche
aufweist.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren und Gerät zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen
Hartschicht durch Bestrahlung mit Gascluster-Ionen während der Abscheidung
einer Schicht von kohlenstofflhaltigem Material aus Dampf, der teilweise
ionisiert sein kann oder nicht, bereit, worin genanntes Verfahren
ein Verfahren zur Dampfphasenschichtabscheidung einer kohlenstoffhaltigen
Hartschicht auf einem Substratmaterial unter einem Vakuum-reduzierten
Druck darstellt. Das verdampfte kohlenstoffhaltige Material, das
ionisiert oder nichtionisiert sein kann, wird auf einer Substratoberfläche abgeschieden.
Gascluster, die aus atomarem oder molekularem Aggregat eines Materials
aufgebaut sind, das bei Umgebungstemperatur und -druck gasförmig ist,
werden ionisiert, beschleunigt und auf die Oberfläche, die
die Schicht des kohlenstoffhaltigen Materials enthält, gestrahlt.
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Die
Erfindung stellt auch ein Bildungsverfahren bereit, worin das kohlenstoffhaltige
Material eins oder mehrere von einem Fulleren, einer Kohlenstoffnanoröhre, Graphit,
amorphem Kohlenstoff oder einem Carben, das keinen Wasserstoff enthält, ist.
Das Bildungsverfahren ist derart, dass die Atome oder Moleküle, die
die Gascluster umfassen, eins oder mehrere der Folgenden umfassen:
ein Edelgas, Sauerstoff, ein Kohlenoxid, Stickstoff, ein Nitrid,
ein Halogen oder ein Halogenid. Die Vickers-Härte der genannten kohlenstoffhaltigen
Hartschicht beträgt
mehr als 4 000 kg/mm2 und der Reibungskoeffizient
beträgt 0,15
oder weniger. Außerdem
enthält
die kohlenstoffhaltige Hartschicht keinen Wasserstoff.
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Die
Erfindung stellt ein Gerät
zur Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substrat
durch Bestrahlung mit Gascluster-Ionen bereit, worin das Gerät mit einem
Gascluster-Strahl-Erzeugungsmittel, einem Gascluster-Ionisierungsmittel, Beschleunigungsmittel
für ionisierte
Gascluster, Mittel zur Erzeugung von verdampften Teilchen von kohlenstoffhaltigem
Material, Ionisierungsmittel für
verdampfte Teilchen, Mittel zur Beschleunigung der verdampften und
ionisierten Teilchen von kohlenstoffhaltigen Materialien, und folglich
eine Schichtbildungseinheit, die nach Bedarf angeordnet werden,
und Vakuum-Ansaugungsmittel ausgestattet ist. Die Gascluster-Ionisierungs-
und -Beschleunigungseinheiten und das verdampfte Teilchenprodukt
des kohlenstoffhaltigen Materials, oder das dazugefügte Produkt von
Ionisierungs- und -Beschleunigungseinheiten, sind auf eine Substratoberfläche, die
in der Schichtbildungseinheit angeordnet ist, derart ausgerichtet, dass
einzelne Gascluster-Ionen
und ionisierte oder nichtionisierte verdampfte Teilchen von kohlenstoffhaltigem
Material auf das Susbrat gestrahlt werden.
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Die
Erfindung stellt auch eine kohlenstoffhaltige Hartschicht bereit,
die auf ein Substratmaterial aus der Dampfphase aufgebracht wird,
worin die Vickers-Härte
mehr als 4 000 kg/mm2 beträgt und der Reibungskoeffizient
0,15 oder weniger beträgt,
und die Erfindung ermöglicht
eine kohlenstoffhaltige Hartschicht, die keinen Wasserstoff enthält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Strukturplan eines schichtbildenden Geräts, das einen erfindungsgemäßen Gascluster-Ionenstrahl
verwendet.
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2A–2D sind
Diagramme, die die Veränderung
im Raman-Spektrum zeigen, wenn die Clusterionen-Beschleunigungsenergie
variiert wird;
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3 ist
ein Diagramm, das die Veränderung
der Vickers-Härte
zeigt; und
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4 ist
ein Diagramm, das die Messergebnisse des Reibungskoeffizienten zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren zur Bildung einer erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Hartschicht
ist entsprechend eines Verfahrens aufgegliedert, das durch Dampfphasenschichtbildung
durch Gascluster-Ionenstrahl-gestützte Abscheidung gekennzeichnet
ist. Speziell wird ein Verfahren der Dampfphasenschichtbildung einer
kohlenstoffhaltigen Hartschicht auf einem Substratmaterial unter
einem Vakuum-reduzierten
Druck beschrieben. Wenn ein verdampftes kohlenstoffhaltiges Material
auf einer Substratmaterialoberfläche
mit oder ohne Ionisierung abgeschieden wird, wird ein Gascluster,
das ein Aggregat von Atomen oder Molekülen eines Materials, das bei
Umgebungstemperatur und -druck gasförmig ist, umfasst, ionisiert
und die Schichtbildung wird durch Bestrahlen der Gascluster-Ionen
auf genannte Schicht des kohlenstoffhaltigen Dampfes, der auf der
Oberfläche eines
Substratmaterials abgeschieden ist, ausgeführt.
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Erfindungsgemäß kann das
kohlenstoffhaltige Material von verschiedener Art, ausschließlich Diamant,
sein und Beispiele schließen
eins oder mehrere der Folgenden ein: ein Fulleren, eine Kohlenstoffnanoröhre, Graphit,
amorphen Kohlenstoff oder ein Carben, das keinen Wasserstoff enthält. Diese verschiedenen
kohlenstoffhaltigen Materialien sind insofern geeignet, da sie keinen
Wasserstoff, mit Ausnahme als eine mögliche Verunreinigung, enthalten.
Unter diesen haben Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren, oder
Homologe davon, aus Sicht der neuen Kohlenstoffmaterial-Technologie
kürzlich
Aufmerksamkeit auf sich gelenkt und werden als ideale Ausgangsmaterialen
angeführt.
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Diese
kohlenstoffhaltigen Materialien werden verdampft und auf einer Substratoberfläche entweder
direkt oder nach Ionisierung abgeschieden. Das Mittel zur Verdampfung
kann ein geeigneter Prozess, wie zum Beispiel Zerstäubung, Laserablation, Ionen-
oder Elektronenstrahl oder Erhitzen im Tiegel sein. Im Fall von
ionisierten Teilchen können
diese beschleunigt und auf einer Substratoberfläche abgeschieden werden. Die
Atome oder Moleküle,
die ein Gascluster umfassen, sind unter Bedingungen von Umgebungstemperatur
und Umgebungsdruck ein Gas. Beispiele schließen eins oder mehrere der Folgenden
ein: Argon, Helium, Neon und andere Edelgase; Sauerstoff; CO2 und andere Kohlenstoffoxide; Stickstoff;
Nitride; Halogene und SF6 und andere Halogenide.
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Die
Anzahl von Atomen (Molekülen),
die ein Cluster oder Clusterion umfassen, kann durch Regeln der
Bildungsbedingungen des Gasclusters kontrolliert werden und im Verfahren
der Erfindung ist die Anzahl davon nicht begrenzt, doch kann begrenzt werden,
beispielsweise 10–10
000.
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Die
Gascluster, die aus Aggregaten aufgebaut sind, die eine Anzahl von
Atomen (Molekülen) zwischen
10–10
000 umfassen (die vorherbestimmt werden kann), werden beispielsweise
durch Elektronenbeschuss ionisiert und durch Beschleunigung mit Energie
ausgestattet, um einen Cluster-Ionenstrahl zu bilden, der dann gestrahlt
wird.
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Bedingungen
bei der Schichtbildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht schließen auch
den Grad der Vakuumdruckreduzierung während der Schichtbildung, die
Temperatur des Substratmaterials während der Schichtbildung, das
Verhältnis
der Anzahl von Atomen oder Molekülen
in den verdampften Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials oder den
ionisierten Teilchen davon zur Anzahl von Gascluster-Ionen und die
Gascluster-Ionen-beschleunigende Spannung ein. Diese Bedingungen
können auch,
soweit angemessen, unter Betrachtung derartiger Faktoren, wie die
Art des kohlenstoffhaltigen Materials oder die Eigenschaften der
kohlenstoffhaltigen Hartschicht und die Rate der Schichtbildung, festgelegt
werden.
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Beispielsweise
wird eine Menge von 1–10 Gascluster-Ionen
pro 1–5
000 Molekülen,
die das kohlenstoffhaltige Material umfassen, erwogen. Es gibt auch
keine besondere Beschränkung
hinsichtlich der Clusterionen-beschleunigenden Spannung und die
Spannung wird innerhalb eines Bereichs, bei dem eine kohlenstoffhaltige Schicht
gewünschter
Qualität gebildet
wird, festgesetzt. Beispielsweise kann die Clusterionen-beschleunigende
Spannung in dem Bereich von 1 keV–100 keV festgesetzt sein.
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Im
Gegensatz zu konventionell eingesetzten Plasma-CVD-Verfahren besteht
absolut keine Notwendigkeit, das Substrat im Verfahren der Erfindung zu
erhitzen. Es kann stattdessen eine kohlenstoffhaltige Hartschicht
auf einem Substrat, das ohne Erhitzen bei Raumtemperatur gehalten
wird, gebildet werden. Natürlich
ist es auch akzeptabel, wenn gewünscht,
innerhalb von Grenzen, die das Verfahren nicht beeinträchtigen,
zu erhitzen.
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Im
Gegensatz zu konventionellen Plasmaschicht-bildenden Verfahren tritt
ein geringfügiger Anstieg
der Temperatur des Substrats während
des Bildungsprozesses der Schicht im hierin beschriebenen Verfahren
auf. Aus diesem Grund kann das Verfahren ohne jedwede besondere
Beschränkungen bei
der eingesetzten Substratart verwendet werden. Ferner tritt das
Problem, auf das in der konventionellen Technik gestoßen wurde,
worin ein erheblicher Anstieg der Temperatur des Substrats während der Schichtbildung
auftritt, nicht bei dem vorliegenden Verfahren auf. Außerdem sind
Vorbehandlungen, wie zum Beispiel die Bereitstellung einer Zwischenschicht
oder das Aufrauhen der Substratoberfläche im Verfahren der Erfindung
nicht erforderlich.
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Im
Verfahren zur Bildung einer erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Hartschicht
ist die Energie pro Atom der Wert, der erhalten wird, wenn die Gesamtenergie
durch die Anzahl der Atome, die den Cluster bilden, geteilt wird,
wenn die Ar-Atome, die ein Ar-Clusterion bilden, beispielsweise
in der Menge von 1,000 Atom/Ion vorliegen und eine Beschleunigungsenergie
von 5 keV auf dieses Gascluster-Ion angewendet wird. In diesem Fall
beträgt
diese Energie 5 eV/Atom. Entsprechend ist es möglich, da dies ein gleichwertig
niedriger Energieionenstrahl ist, eine kohlenstoffhaltige Hartschicht
hoher Qualität
zu bilden, in der ein minimaler Bestrahlungsschaden, wie zum Beispiel
Hohlräume,
auftritt.
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Ferner
kann im Fall eines Gascluster-Ions ein lokalisierter unverzögerter Hochtemperatur-, Hochdruckzustand
auf der Oberfläche
während mehrfacher
Einwirkungen mit der Oberfläche
des Substrat erzielt werden. Somit wird es möglich, sich dem Hochtemperatur-,
Hochdruckzustand, der zur Diamantsynthese erforderlich ist, anzunähern. Infolge
kann eine kohlenstoffhaltige Hartschicht erhalten werden, die eine
große
Härte aufweist,
gegen Reibung und Verschleiß beständig ist
und die viele sp3-Diamantbindungen einschließt, die
mit den konventionellen Verfahren zur Bildung von Schichten nicht
erhalten werden könnten.
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1 ist
ein Strukturplan eines schichtbildenden Geräts 100, das einen
erfindungsgemäßen Gascluster-Ionenstrahl
verwendet. Das Gerät 100 schließt eine
Gascluster-erzeugende Kammer 102 und eine Schichtbildungskammer 120 ein.
Die Gascluster-erzeugende Kammer schließt eine Gasquelle 104,
eine Düse 108 und
eine Vakuumpumpe 106 ein. Ein Abstreicher 112 trennt
nicht-geclustertes Gas von Gasclustern, bevor sie in eine Differential-Pumpenkammer 114 eintreten,
die eine Vakuumpumpe 110 einschließt.
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Die
Schichtbildungskammer schließt
einen ersten Ionisator 122, einen ersten Beschleuniger 124 und
ein Ablenksystem 126 ein. Die Kammer 120 schließt auch
einen zweiten Ionisator 130 und einen zugehörigen Tiegel 128 und
einen zweiten Beschleuniger 132 ein. Eine Vakuumpumpe 134 dient
zur Evakuierung der Kammer, in der ein Substrat 141 durch einen
Substrathalter 140 positioniert ist.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform werden
die Gascluster folgendermaßen
erzeugt und gestrahlt. Ein Hochdruck-Ausgangsgas 104 wird
aus der Düse 108 des
Gascluster-erzeugenden Elements 103 in das Vakuum der Gascluster-erzeugenden Kammer 102 expandiert.
Die Energie der Ausgangsgasatome wird in translatorische Bewegungsenergie umgewandelt,
während
gleichzeitig ihre thermische Energie durch adiabatische Expansion
verringert wird. Die Ausgangsgasatome oder -moleküle, die aufgrund
des Verlusts von thermischer Energie unterkühlten, nukleieren die Atome
oder Moleküle
zur Bildung von Gasclustern. Diese neutralen Cluster, die sich gebildet
haben, werden durch einen Abstreicher 112 zur Differential-Pumpenkammer 114 und schließlich zur
Schichtbildungskammer 120 geleitet. Nachdem die Gascluster
durch Ionisator 122 ionisiert wurden, werden die Gascluster-Ionen durch Beschleuniger 124 in
Richtung auf das Substrat 141 beschleunigt. Das Ablenksystem 126 führt den
Gascluster-Ionenstrahl über
die Oberfläche
des Substrats 141.
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In
dem in 1 gezeigten Beispiel wird ein kohlenstoffhaltiges
Material durch Erhitzen innerhalb des Tiegels 128, der
das Element zur Erzeugung der verdampften Teilchen des kohlenstoffhaltigen
Materials ist, verdampft. Danach können die verdampften Teilchen
von kohlenstoffhaltigem Material, je nach Bedarf, teilweise durch
Ionisator 130 ionisiert werden und die ionisierten Teilchen
werden weiter durch Beschleuniger 132 beschleunigt. Die
verdampften kohlenstoffhaltigen Teilchen, ionisiert oder nichtionisiert, werden
auf der Substratoberfläche abgeschieden. Während der
Schichtbildung beschießt
der Gascluster-Ionenstrahl das Substratmaterial.
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Erfindungsgemäß kann eine
kohlenstoffhaltige Hartschicht bereitgestellt werden, in der (1)
es eine kohlenstoffhaltige Hartschicht ist, die in der Dampfphase
auf einem Substrat abgeschieden wird, (2) die Vickers-Härte größer als
4 000 kg/mm2 ist, (3) der Reibungskoeffizient
0,15 oder weniger beträgt und
(4) die kohlenstoffhaltige Hartschicht der Erfindung keine Wasserstoffatome
in der Hartschicht enthält.
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Der
Begriff „kohlenstoffhaltige
Hartschicht", wie
hierin unter Bezugnahme zur Erfindung verwendet, bedeutet, dass
die hauptsächliche
Schichtkomponente Kohlenstoff ist und dass das Schichtmaterial nur
aus Kohlenstoff zusammengesetzt ist, mit Ausnahme von Atomen oder
Molekülen,
die unabsichtlich als Verunreinigungen aus den Ausgangsmaterialien
zur Dampfphasenschichtbildung oder als anderweitig unbeabsichtigte
Kontaminanten eingemischt werden.
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Die
kohlenstoffhaltige Hartschicht der Erfindung, die, wie vorstehend
beschrieben, in der Dampfphase gebildet wird, war nicht bekannt,
noch wurde sie zuvor konkret angeboten. Es ist beispielsweise besonders
durch Einsatz der Erfindung möglich,
ein Material mit einer Vickers-Härte
von größer als
4 000 kg/mm2 und einem Reibungskoeffizienten
von 0,15 oder weniger bereitzustellen. Die Dicke der kohlenstoffhaltigen
Hartschicht ist nicht besonders begrenzt, kann jedoch beispielsweise
innerhalb des Bereichs von 1~5 μm
liegen.
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Unter
Verwendung der folgenden Beispiele wird nun eine weitere Erläuterung
in größerem Detail gegeben
werden.
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Kohlenstoffhaltige
Hartschichten wurden unter Verwendung eines Verfahrens gebildet,
in dem ein kohlenstoffhaltiges Material Dampf-abgeschieden wurde,
während
auf jedem eines Silicon-, SUS 304-, Cr-, Ni- und organischen Substrats
Gascluster-Ionen angewendet wurden.
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Hier
wurde ein reines Kohlenstoff-Fulleren (hauptsächlich C60)
als das kohlenstoffhaltige Material verwendet, wobei Argon als das
Cluster-Ausgangsgas eingesetzt wurde. Wie in 1 gezeigt ist,
wurde das Fulleren durch Erhitzen des Tiegels verdampft und der
Dampf auf dem Substrat abgeschieden. Die Argon-Clusterionen wurden ionisiert und auf
1~10 keV beschleunigt und dann auf das Substrat bei Raumtemperatur
beschossen.
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Durch
Durchführen
von Dampfabscheidung und Bestrahlung bei einem Verhältnis von
1~10 Argon-Clusterionen pro 1~5 000 Fullerenmolekülen, die das
Substrat erreichen, war es möglich,
eine feste kohlenstoffhaltige Hartschicht auf den verschiedenen Substraten,
die vorstehend erwähnt
wurden, innerhalb des breiten Bereichs der Ionenbeschleunigungsenergie
von 3~9 keV zu bilden. Die Raman-Spektren
von kohlenstoffhaltigen Hartschichten, die nach Bestrahlung gebildet
wurden, bei der die Argon-Clusterionen-Beschleunigungsenergie zwischen 3,
5, 7 und 9 keV variiert wurde, sind jeweils in den Diagrammen der 2A–2D gezeigt.
Es konnten breite Raman-Spektren im Bereich von 1200 cm–1~1600
cm–1,
die die kohlenstoffhaltige Hartschicht nachweisen, erhalten werden.
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Die
Vickers-Härte
von kohlenstoffhaltigen Schichten (Schichtdicke: 2 μm), die nach
Bestrahlung gebildet wurden, bei der die Argon-Cluster-Beschleunigungsenergie
zwischen 5, 7 und 9 keV variiert wurde, ist im Diagramm von 3 gezeigt.
Die größte Härte wurde
bei einer Argon-Clusterionen-Beschleunigungsenergie
von 7 keV erhalten, wobei diese Härte ungefähr 5 000 kg/mm2 beträgt. Die
Messergebnisse des Reibungskoeffizienten sind im Diagramm von 4 gezeigt.
Es wurde gefunden, dass der Reibungskoeffizient extrem klein war,
bei einem Wert von 0,1. Außerdem
konnte eine kohlenstoffhaltige Hartschicht, die ausreichend am Substrat
haftete, für
alle Substrate ohne Ausführung
einer Vorbehandlung, wie zum Beispiel Bereitstellen einer Zwischenschicht,
erhalten werden.
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Im
Gegensatz dazu ist es in dem CVD-Verfahren, das derzeit in der Industrie
angewendet wird, nicht möglich,
dass die harte kohlenstoffhaltige Schicht ohne Ausführung einer
Vorbehandlung an dem Metallsubstrat haftet. Entsprechend wurde angenommen,
dass die Schicht, die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung
erhalten wurde, nicht durch konventionelle Verfahren zur Bildung
einer harten kohlenstoffhaltigen Schicht erhalten werden könnte.
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Außerdem war
es im Fall eines organischen Substrats auch möglich, eine kohlenstoffhaltige
Hartschicht ohne jedwede begleitende Veränderung der Beschaffenheit
oder Form des Substrats zu bilden, und das Substrat selbst erreichte
keine hohe Temperatur.
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Wie
vordem im Detail erläutert
wurde, stellt die Erfindung ein Bildungsverfahren bereit, in dem eine
kohlenstoffhaltige Hartschicht direkt auf ein Substrat, ohne Rücksicht
darauf, ob das Substrat ein Metall oder Nichtmetall ist, ohne Durchführung einer Vorbehandlung,
wie zum Beispiel die Bereitstellung einer Zwischenschicht, abgeschieden
werden kann. Die durch die Erfindung bereitgestellte kohlenstoffhaltige
Hartschicht kann bei Prozessen angewendet werden, die große Härte oder
niedrige Reibung oder beides erfordern, oder können als eine Schutzschicht hoher
Qualität
für ungeschmierte
gleitende Teile in verschiedenen Arten von Maschinerie, die in den letzten
Jahren in sauberer Umgebung in Betrieb genommen wurden, sowie optische
Linsen und Filter verwendet werden. Außerdem kann die kohlenstoffhaltige
Hartschicht der Erfindung auch als ein Oberflächenmaterial für eine Vielfalt
von metallgeformten industriellen Geräteteilen, wie zum Beispiel
die verschiedenen Walzen für
Feinguss, die reflektierend, schlagfest und beständig gegen Chemikalien sein, sowie
eine glatte Oberfläche
haben und verschleißfest
sein müssen,
verwendet werden. Entsprechend kann die kohlenstoffhaltige Hartschicht
der Erfindung als eine die Oberfläche verbessernde Schicht für verschiedene
Teile in jedwedem industriellen Bereich verwendet werden. Infolge
der vorliegenden Erfindung ist es möglich eine kohlenstoffhaltige
Hartschicht bereitzustellen, die eine Vickers-Härte von größer als 4 000 kg/mm2 aufweist und eine bessere Beständigkeit
gegen Reibung und Verschleiß und eine
ausgezeichnete chemische Stabilität bietet.
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Speziell
stellt die Erfindung die folgenden Ergebnisse bereit. Die Schicht
kann bei Raumtemperatur gebildet werden, wenn die Schicht unter
Verwendung eines Gascluster-Ionenstrahls gebildet wird. Entsprechend
war es möglich,
eine kohlenstoffhaltige Hartschicht von ausreichender Haftung an
einem Metallsubstrat, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, zu bilden,
wobei ein großer
Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient
zwischen dem Substratmaterial und der kohlenstoffhaltigen Hartschicht
besteht. Ferner war es möglich,
eine Schicht auf einem organischen Substrat mit einer niedrigen
Wärmeverformungstemperatur
zu bilden, was mit der konventionellen Technologie schwierig zu
erreichen war.
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Im
Verfahren der Erfindung besteht absolut keine Notwendigkeit, Wasserstoff
einzusetzen, der in vielen konventionellen CVD-Prozessen verwendet wird.
Folglich wird eine kohlenstoffhaltige Hartschicht gebildet, die,
im Vergleich zu den unter Verwendung von CVD-Prozessen gebildeten,
harten kohlenstoffhaltigen Schichten und desgleichen, keinen Wasserstoff
enthält.
Entsprechend treten keine der Probleme, die in Wasserstoff-enthaltenden,
harten kohlenstoffhaltigen Schichten beobachtet wurden, in dem beschriebenen
Verfahren auf, sodass es folglich möglich ist, eine kohlenstoffhaltige
Hartschicht zu bilden, die eine bessere thermische Stabilität aufweist.
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Durch
Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Gascluster-Ionenstrahl
nach Beschleunigung, wird das Abtasten davon durch Mittel, die in
der Ionenstrahl-Technik
gut bekannt sind, möglich.
Durch derartiges Abtasten wird es erleichtert, die Fläche, über die
es möglich
ist, eine Schicht von gleichmäßiger Beschaffenheit
und Dicke zu erhalten, zu vergrößern, was
unter Verwendung eines CVD-Verfahrens nicht erfolgen kann.
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Entsprechend
ermöglicht
die Erfindung die Bildung einer kohlenstoffhaltigen Hartschicht
mit einer großen
Härte,
starken Haftung an das Substrat, einem breiten Bereich von Substratauswahl
und struktureller Stabilität,
die bei Raumtemperatur gebildet werden kann und eine größere Fläche haben kann,
wobei die Bildung dieser Art von Schicht unter Verwendung eines
der konventionellen Verfahren zur Bildung einer harten kohlenstoffhaltigen
Schicht schwierig auszuführen
war.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, können darin verschiedene Änderungen,
Auslassungen und Zusätze
zur Form und zum Detail davon gemacht werden, ohne vom Rahmen der
Erfindung abzuweichen.