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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein diamantähnliches Kohlenstofffilmmaterial, welches ein Substrat und einen auf dessen Oberfläche ausgebildeten diamantähnlichen Kohlenstofffilm sowie eine dazwischen angeordnete Zwischenschicht aufweist, und auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials.
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Es ist bekannt, dass ein diamantähnlicher Kohlenstoff (nachfolgend auch als ”DLC” (diamond-like carbon) bezeichnet)-Film aus einem amorphen Kohlenstoff besteht, eine hohe Härte und einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist und daher als ein abrasionsresistenter Schmierfilm auf verschiedenen Substraten eingesetzt wird. Im Einzelnen wird der DLC-Film als eine Oberflächenbeschichtung auf Magnetscheibenleseköpfen, Arbeitswerkzeugen und dergleichen verwendet. Bekannte Verfahren zum Ausbilden des DLC-Filmes umfassen die plasmachemische Dampfsynthese (CVD), Zerstäubungsverfahren, Bogen-Ionen-Plattierungs-Verfahren und dergleichen.
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Die Bindungsfestigkeit zwischen dem DLC-Film und dem Substrat ist nicht sehr hoch und der DLC-Film neigt dazu, sich relativ einfach von dem Substrat abzuschälen. Daher gibt es verschiedene Studien über die Verhinderung des Abschälens von DLC-Filmen.
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Beispielsweise wird in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 10-203897 A ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Substrats vorgeschlagen, welches die Schritte der Bestrahlung des Substrats mit Wasserstoffionen zur Induzierung einer Reduktionsreaktion der Oberfläche und anschließendes Aufbringen eines Zerstäubungsgases (Sputtergases) auf die Oberfläche umfasst. Wenn das Substrat aus einer Substanz besteht, die nicht einfach in ein Karbid umgewandelt werden kann (wie Aluminium, Magnesium, Silizium oder deren Legierungen), ist es aber schwierig, das Abschälen des DLC-Films zu verhindern, auch wenn eine solche gereinigte Oberfläche verwendet wird.
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 10-203897 A beschreibt in Abschnitt 0023 ein Verfahren, welches die Schritte des Implantierens von Kohlenstoffionen in ein Substrat zur Bildung einer Kohlenstoff enthaltenden Schicht als einer Ionen implantierten Schicht und anschließenden Ausbildens eines DLC-Filmes auf dieser Schicht umfasst. Bei diesem Verfahren wird allerdings die Kohlenstoff enthaltende Schicht innerhalb des Substrats ausgebildet, so dass sich die Oberflächenzusammensetzung des Substrats durch die Ionenimplantation wahrscheinlich kaum verändert. Daher ist es schwierig, eine zufriedenstellende Bindungsfestigkeit zwischen dem DLC-Film und der Oberfläche zu erreichen und dadurch das Abschälen des DLC-Films zu verhindern.
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Ein anderes vorgeschlagenes Verfahren zum Verhindern des Abschälens des DCL-Films umfasst die Ausbildung einer Zwischenschicht zwischen dem Substrat und dem DLC-Film. Beispielsweise beschreibt die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 10-203896 A ein Verfahren, welches die Schritte des Ausbildens einer aus Silizium, Wolfram, Titan oder Aluminium bestehenden Adhäsionsschicht und einer aus Siliziumcarbid, Wolframcarbind, Titancarbid oder Aluminiumcarbid bestehenden DLC-Vorbehandlungsschicht in dieser Reihenfolge auf einer Oberfläche des Substrats sowie das Ausbilden des DLC-Films auf der DLC-Vorbehandlungsschicht umfasst.
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Außerdem beschreibt die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2008-024996 A ein Verfahren, welches die Schritte des Ausbildens einer Metall enthaltenden DLC-Schicht als der Zwischenschicht auf einem aus einer Legierung aus Aluminium, Magnesium oder Titan bestehenden Substrat und des anschließenden abwechselnden übereinander Anordnens des DLC-Films und der Metall enthaltenden DLC-Schicht umfasst. Das Metall in der Metall enthaltenden DLC-Schicht ist Wolfram, Molybdän, Chrom oder Titan, und der Gehalt des Metalls beträgt 5–15 Gew.-%.
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Wenn die Zwischenschicht in der oben beschriebenen Weise ausgebildet wird, sind ein Target (Ziel) und eine Anlage zur Generierung eines Metalls für die Zwischenschicht erforderlich, wie es in
2 der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 10-203896 A und in Absatz 0031 der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2008-024996 A beschrieben ist. Dadurch erhält die Vorrichtung zur Herstellung des Filmes einen komplizierten großen Aufbau, was in nachteiliger Weise zu hohen Ausrüstungskosten führt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein diamantenähnliches Kohlenstofffilmmaterial vorzuschlagen mit einem DLC-Film, der sich nicht einfach von einem Substrat abschält.
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Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines diamantähnlichen Kohlenstofffilmmaterials, welches mit einer herkömmlichen Filmausbildungsvorrichtung durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst:
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein diamantähnliches Kohlenstofffilmmaterial vorgeschlagen, welches ein Substrat und einen auf eine Oberfläche des Substrats ausgebildeten diamantähnlichen Kohlenstofffilm mit einer dazwischen ausgebildeten Zwischenschicht aufweist, wobei die Zwischenschicht eine Verbundschicht ist, die eine Metallatomkomponente, die von dem Substrat abgeleitet ist, und einen diamantähnlichen Kohlenstoff enthält. Die Metallatomkomponente, die von dem Substrat abgeleitet ist, bezeichnet ein Metallatom, das von dem Substrat als der Erzeugungsquelle erhalten wird, und umfasst kein Metallatom, das mit Hilfe eines anderen Targets oder dergleichen als dem Substrat als der Erzeugungsquelle erhalten wird.
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Die solche Komponenten enthaltende Zwischenschicht ist fest an das Substrat und an den DLC-Film gebunden. Da die Zwischenschicht die Metallatomkomponente von dem Substrat enthält, ist die Zwischenschicht mit dem Substrat hochkompatibel. Da die Zwischenschicht das DLC enthält, ist die Zwischenschicht auch mit dem DLC-Film hochkompatibel.
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Daher ist die Zwischenschicht mit ausreichender Bindungskraft sowohl mit dem Substrat als auf dem DLC-Film verbunden. Als Folge hiervon wird der DLC-Film durch die zwischenliegende Zwischenschicht fest an das Substrat gebunden und kann sich nicht abschälen.
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Bevorzugte Beispiele von Komponenten des Substrats umfassen Aluminium, Magnesium, Silizium und Legierungen, die Aluminium, Magnesium und/oder Silizium enthalten. Es ist bekannt, dass sich der DLC-Film relativ leicht von solchen Metallen abschält. Mit der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, den DLC-Film so auszubilden, dass er sich auch von diesen Metallen nicht leicht abschält.
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Die oben genannten Metalle sind Leichtmetalle, so dass das resultierende DLC-Filmmaterial ein geringes Gewicht erreichen kann.
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Das Zusammensetzungsverhältnis der Metallatomkomponente in der Zwischenschicht kann in einer Richtung von dem Substrat zu dem diamantenähnlichen Kohlenstofffilm verringert werden. In diesem Fall kann die Zwischenschicht als eine Gradientenschicht erhalten werden, deren Eigenschaften in Abhängigkeit von der Änderung des Metalls und den DLC-Zusammensetzungsverhältnissen variieren. Dadurch hat auch in einem Fall, in dem das Substrat und der DLC-Film unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der substratseitige Abschnitt der Zwischenschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa gleich dem des Substrats ist, und gleichzeitig hat der DLC-filmseitige Abschnitt der Zwischenschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa dem des DLC-Filmes ist. Wird beispielsweise das DLC-Filmmaterial in einer Hochtemperaturumgebung eingesetzt, kann hierdurch ein Abschälen des DLC-Films aufgrund einer fehlenden Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und dem DLC-Film verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines diamantähnlichen Kohlenstofffilmmaterials, welches ein Substrat und einen an dessen Oberfläche ausgebildeten diamantähnlichen Kohlenstofffilm sowie eine dazwischenliegende Zwischenschicht aufweist, vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer negativen Vorspannung auf das Substrat in einem Plasma, um eine Metallatomkomponente von dem Substrat in das Plasma freizusetzen, Erzeugen eines Kohlenstoffatoms von einer Kohlenstoffquelle, wobei das Aufbringen der negativen Vorspannung auf das Substrat fortgesetzt wird, Verringern eines Absolutwertes der Spannung der negativen Vorspannung, wodurch sich die Metallatomkomponente von dem Substrat und das Kohlenstoffatom auf der Oberfläche des Substrats ablagern, um die Zwischenschicht als eine Verbundschicht, welche die Metallatomkomponente von dem Substrat und einen diamantähnlichen Kohlenstoff aufweist, auszubilden, und Reduzieren des Absolutwertes der Spannung der negativen Vorspannung auf null, wodurch lediglich das Kohlenstoffatom auf der Zwischenschicht abgelagert wird, um den diamantähnlichen Kohlenstofffilm auszubilden.
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Die Zwischenschicht, die die von dem Substrat abgeleitete Metallatomkomponente (das Metallatom, das von dem Substrat als der Erzeugungsquelle erhalten wird), enthält, und der DLC-Film können mit den oben beschriebenen Schritten einfach ausgebildet werden.
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Da das Metallatom für die Zwischenschicht von dem Substrat als der Erzeugungsquelle erhalten wird, sind ein weiteres Target und eine Anlage zur Ausbildung der Zwischenschicht nicht erforderlich. Dadurch kann der Aufbau der Filmbildungsvorrichtung vereinfacht werden, ohne die Vorrichtung zu vergrößern, was zu geringen Ausrüstungskosten führt.
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Die ursprünglich zur Freisetzung der Metallatome von dem Substrat in das Plasma aufgebrachte negative Vorspannung (die ursprüngliche Vorspannung) kann eine Spannung von –100 bis –1.000 V sein.
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Vorzugsweise wird der Absolutwert der Spannung der negativen Vorspannung schrittweise oder allmählich von der ursprünglichen Vorspannung, die zur Freisetzung der Metallatome von dem Substrat in das Plasma aufgebracht wird, zur Bildung des diamantähnlichen Kohlenstofffilms auf null verringert. In diesem Fall kann die Zwischenschicht einfach so ausgebildet werden, dass sich der Anteil des Metalls verringert und der Anteil des DLC in der Zusammensetzung in Richtung von dem Substrat zu dem DLC-Film erhöht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Zwischenschicht, die das aus dem Substrat generierte Metallatom enthält, und der DLC auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet, und der DLC-Film wird darauf ausgebildet. Die Zwischenschicht ist sowohl mit dem Substrat als auch dem DLC-Film hochkompatibel und wird dadurch fest an diese gebunden. Dadurch wird die Zwischenschicht sowohl mit dem Substrat als auch dem DLC-Film mit zufriedenstellender Bindungskraft verbunden. Als Folge hiervon kann der DLC-Film durch die dazwischenliegende Zwischenschicht fest an das Substrat gebunden werden und ein Abschälen des DLC-Films wird verhindert.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil eines DLC-Filmmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Gesamtdarstellung einer Filmbildungsvorrichtung zur Herstellung des DLC-Filmmaterials gemäß 1;
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3A–3C sind vergrößerte schematische Darstellungen, die einen wesentlichen Teil der Bildung einer Zwischenschicht und eines DLC-Filmes zeigen;
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4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Änderung der negativen Vorspannung über der Zeit zeigt;
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5 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Ball-auf-Scheibe-Reibungsverschleißtestes für Proben eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels zeigt;
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6 ist eine Fotografie eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) mit 100-facher Vergrößerung einer Verschleißspur, die durch den Reibungsverschleißtest bei der Probe des Vergleichsbeispiels ausgebildet wird;
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7 ist eine Fotografie eines Rasterelektronenmikroskops bei 1.000-facher Vergrößerung der Verschleißspur bei der Probe des Vergleichsbeispiels;
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8 ist eine Fotografie eines Rasterelektronenmikroskops mit 100-facher Vergrößerung einer Verschleißspur, die durch den Reibungsverschleißtest bei der Probe gemäß dem Erfindungsbeispiel ausgebildet wird, und
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9 ist eine Fotografie eines Rasterelektronenmikroskops bei 1.000-facher Vergrößerung der Verschleißspur bei der Probe gemäß dem Erfindungsbeispiel.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine bevorzugte Ausführungsform des DLC-Filmmaterials und das Herstellverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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1 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil eines DLC-Filmmaterials 10 gemäß dieser Ausführungsform. Das DLC-Filmmaterial 10 wird erhalten durch Ausbilden einer Zwischenschicht 14 und eines DLC-Filmes 16 in dieser Reihenfolge auf einer Oberfläche eines Substrats 12.
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Das Substrat 12 ist ein metallisches Element. Bei dieser Ausführungsform enthält das Substrat 12 vorzugsweise Aluminium, Magnesium, Silizium oder eine Legierung, welche wenigstens eines dieser Elemente enthält. Im Allgemeinen können solche Metalle, insbesondere Silizium, nicht einfach in ein Carbid umgewandelt werden, und es ist schwierig, das Abschälen des DLC-Filmes 16 von dem Metall zu verhindern. Dennoch kann bei dieser Ausführungsform das Substrat 12 aus dem Metall bestehen.
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Das DLC-Filmmaterial 10 kann vorzugsweise bei einem Magnetscheibenlesekopf, einem Arbeitswerkzeug oder dergleichen eingesetzt werden, ist aber nicht hierauf beschränkt.
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Die Zwischenschicht 14 ist eine Verbundschicht, die einen DLC und eine Metallatomkomponente, welche von dem Substrat 12 abgeleitet ist (bei dieser Ausführungsform Aluminium, Magnesium, Silizium oder dergleichen), enthält. Die Zwischenschicht 14 enthält die Metallatomkomponente von dem Substrat 12 und wird dadurch fest an das Substrat 12 gebunden.
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In der Zwischenschicht 14 hat ein Abschnitt, der dem Substrat 12 näher liegt, einen höheren Metallanteil und einen geringeren DLC-Anteil. Im Gegensatz dazu hat ein Abschnitt, der von dem Substrat 12 weiter entfernt ist, einen geringeren Metallanteil und einen höheren DLC-Anteil. Dadurch ist die Zwischenschicht 14 eine Gradientenschicht, deren Metall- und DLC-Anteile in der Dickenrichtung variieren.
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Eine zufriedenstellende und bevorzugte Dicke der Zwischenschicht 14 beträgt 0,01 bis 1,0 μm, obwohl hierauf keine Beschränkung besteht.
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Der DLC-Film 16, der auf der Zwischenschicht 14 ausgebildet ist, besteht lediglich aus dem DLC. Somit ist der DLC-Film 16 frei von der Metallatomkomponente aus dem Substrat 12. Mit anderen Worten ist in dem DLC-Film 16 der Anteil der Metallatomkomponente aus dem Substrat 12 (das Metall, das in der Zwischenschicht 14 enthalten ist) gleich null.
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Die Zwischenschicht 14 und der DLC-Film 16 werden nacheinander ausgebildet, indem die Bedingungen für das Sputtern (Zerstäuben) der Metallatomkomponente auf das Substrat 12 zu einer Bedingung, in welcher keine Atome gesputtert werden, geändert wird. Dies wird nachfolgend beschrieben. Daher ist der DLC-Film 16 hochkompatibel mit der Zwischenschicht 14 und fest an diese gebunden.
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Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass die Zwischenschicht 14 fest sowohl an das Substrat 12 als auch an den DLC-Film 16 gebunden ist und dass ein Abschälen des DLC-Films 16 verhindert wird.
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Die Dicke des DLC-Films 16 kann in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschalten, wie einer Gleiteigenschaft, passend ausgewählt werden. Die Dicke kann etwa 0,2 bis 10 μm betragen, obwohl hierauf keine Beschränkung besteht.
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Ein Verfahren zur Herstellung des DLC-Filmmaterials 10 wird nachfolgend beschrieben.
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2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Filmbildungsvorrichtung 20 (einer Plasmafilmbildungsvorrichtung) zur Herstellung des DLC-Filmmaterials 10 zeigt. Die Filmbildungsvorrichtung 20 enthält eine Vakuumkammer 22 zur Aufnahme des Substrats 12, eine Negativspannungszufuhr 24, beispielsweise eine Hochfrequenz oder Gleichstromzufuhr, und ein Kohlenstofftarget 27, welches durch eine Plasma erzeugende Elektrode 26 elektrifiziert wird.
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Die Plasma erzeugende Elektrode 26 ist an dem Boden der Vakuumkammer 22 angeordnet, während das Substrat 12 an der gegenüberliegenden Position angeordnet wird. Eine Plasmagenerierungsstromzufuhr 28 ist elektrisch an die Plasmagenerierungselektrode 26 angeschlossen, während die Negativspannungszufuhr 24 elektrisch an das Substrat 12 angeschlossen ist. Die Spannung, die durch die Negativspannungszufuhr 24 generiert wird, wird durch einen elektrisch angeschlossenen dynamischen Vorspannungssteuermechanismus 30 gesteuert.
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Ein Inertgaseinlass 32 ist an der Vakuumkammer 22 ausgebildet. Von einer Inertgasquelle (nicht dargestellt) wird ein Inertgas durch den Inertgaseinlass 32 in die Vakuumkammer 22 eingeführt und dann als eine Plasmaquelle verwendet.
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Die Vakuumkammer 22 ist über einen Abgasdurchgang 36 mit einer Abgaspumpe 38 verbunden. Eine Ablenkplatte 42, die durch eine Haltewelle 40 axial drehbar gehalten wird, ist stromaufwärts der Abgaspumpe 38 angeordnet. Wenn sich die Ablenkplatte 42 in der horizontalen Richtung in 2 erstreckt, wird die Fläche, welche den Abgasdurchgang 36 abschirmt, minimiert und die Abgasmenge wird maximiert. Wenn andererseits die Ablenkplatte 42 sich in der vertikalen Richtung in 2 erstreckt, wird die Abschirmfläche maximiert und die Abgasmenge minimiert.
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Das DLC-Filmmaterial 10 kann hergestellt werden, indem die Filmbildungsvorrichtung 20 mit dem oben beschriebenen Aufbau wie folgt eingesetzt wird.
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Zunächst wird das Inertgas, beispielsweise Argon, von dem Inertgaseinlass 32 in die Vakuumkammer 22 eingeführt und die Abgaspumpe 38 wird betätigt. Der Innendruck der Vakuumkammer 22 wird beispielsweise bei 0,1 bis 1 Pa gehalten.
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In der Zwischenzeit werden die Plasmagenerierungsstromquelle 28 und die Negativspannungszufuhr 24 betätigt, wodurch zwischen der Plasmagenerierungselektrode 26 und dem Substrat 12 ein elektrisches Feld generiert wird. In der Vakuumkammer 22 wird durch das elektrische Feld ein Plasma generiert. Auf das Substrat 12 wird eine negative Vorspannung von –100 bis –1.000 V, vorzugsweise etwa –600 V, aufgebracht. Die negative Vorspannung kann eine Wechselstrom- oder Gleichstromvorspannung sein.
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Das Substrat 12 wird durch das Aufbringen der negativen Spannung gesputtert (Kathodenzerstäubung). Somit werden, wie in 3A gezeigt ist, die Metallatome, die in dem Substrat 12 enthalten sind (d. h. Aluminium-, Magnesium- oder Siliziumatome oder dergleichen) aus dem Substrat 12 in das Plasma freigesetzt. Das Kohlenstofftarget 27 wird gleichzeitig gesputtert, so dass die Kohlenstoffatome in das Plasma freigesetzt werden.
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Die auf das Substrat 12 aufgebrachte negative Vorspannung wird durch den dynamischen Vorspannungssteuermechanismus 30 gesteuert. Im Einzelnen wird, wie in 4 gezeigt ist, der Absolutwert der negativen Vorspannung in einem festen Zeitintervall verringert.
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Wenn die negative Vorspannung einen übermäßig hohen Absolutwert aufweist, werden die Kohlenstoffatome und die Metallatome von dem Substrat 12 in dem Plasma dispergiert. Wenn der Absolutwert verringert wird, werden die Kohlenstoffatome und die Metallatome von dem Substrat 12 zu dem Substrat 12 gezogen. Dann werden, wie in 3B gezeigt ist, die Kohlenstoffatome und die Metallatome von dem Substrat 12 auf dem Substrat 12 abgelagert, um die Bildung der Zwischenschicht 14 zu beginnen.
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Wenn die negative Vorspannung einen größeren Absolutwert aufweist, wird eine größere Menge der Metallatome aus dem Substrat 12 freigesetzt. Daher wird eine relativ kleinere Menge der Kohlenstoffatome bei der Filmbildung verwendet. Dadurch hat ein Abschnitt der Zwischenschicht 14, der in der Anfangsphase der Filmbildung abgelagert wird, einen höheren Metallanteil.
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Nachdem ein festgelegter Zeitraum verstrichen ist, wird der Absolutwert der negativen Vorspannung, die auf das Substrat 12 aufgebracht wird, in einem festen Zeitintervall in der oben beschriebenen Weise durch den dynamischen Vorspannungssteuermechanismus 30 schrittweise verringert (vgl. 4). Dann wird die Menge der Metallatome und/oder Kohlenstoffatome, die von dem Substrat 12 freigesetzt werden, verringert, und dadurch wird der relative Anteil der Kohlenstoffatome in dem Film erhöht. Somit hat in der Zwischenschicht 14 ein Bereich, der sich nach der Verringerung des Absolutwertes ablagert, einen geringeren Metallanteil und einen höheren Kohlenstoffanteil als ein Bereich, der vor der Verringerung abgelagert wurde.
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Durch Wiederholung der Steuerung der negativen Spannung kann die Zwischenschicht 14 als eine Gradientenschicht ausgebildet werden, bei welcher der Metallanteil mit der Dicke abnimmt und der Kohlenstoffanteil mit der Dicke zunimmt.
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Der Absolutwert der negativen Vorspannung wird schließlich auf null reduziert. In dieser Stufe werden von dem Substrat 12 keine Metallatome freigesetzt und es werden hauptsächlich die Kohlenstoffatome zur Filmbildung verwendet. Damit ist die Bildung der Zwischenschicht abgeschlossen und die Bildung des DLC-Filmes 16 beginnt, wie es in den 3C und 4 gezeigt ist.
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Die Ausbildung des DLC-Filmes 16 ist abgeschlossen, wenn die Ausbildung für eine festgelegte Zeit mit der negativen Vorspannung von null fortgesetzt wird. Dadurch wird das in 1 gezeigte DLC-Filmmaterial 10 erhalten, welches die Zwischenschicht 14 und den DLC-Film 16 in dieser Reihenfolge übereinander auf der Oberfläche des Substrats 12 aufweist.
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Wie oben beschrieben wurde, enthält die Zwischenschicht 14 die Metallatomkomponente von dem Substrat 12 und den DLC. Dadurch wird die Bindungsfestigkeit zwischen der Zwischenschicht 14 und dem Substrat 12 und zwischen der Zwischenschicht 14 und dem DLC-Film 16 erhöht. Der DLC-Film 16 wird durch die Zwischenschicht 14, welche die Metallatomkomponente von dem Substrat 12 und den DLC enthält, fest an das Substrat 12 gebunden. Es ist herkömmlicherweise schwierig, das Abschälen des DLC-Filmes von einer Substanz, wie Aluminium, Magnesium oder Silizium, zu verhindern. Bei dieser Ausführungsform kann auch in dem Fall, dass das Substrat 12 aus einer solchen Substanz besteht, dass Abschälen des DLC-Filmes 16 wirksam verhindert oder vermieden werden.
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Außerdem sind bei dem Verfahren gemäß der Ausführungsform ein weiteres Target und eine Anlage zur Ausbildung der Zwischenschicht 14 nicht erforderlich. Dadurch kann der Aufbau der Filmbildungsvorrichtung 20 einfach gehalten werden, ohne die Vorrichtung 20 zu vergrößern, was zu geringen Ausrüstungskosten führt.
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Das DLC-Filmmaterial 10 (d. h. das Substrat 12 mit der Zwischenschicht 14 und dem DLC-Film 16) hat durch die hohe Härte des DLC-Films 16 einen hohen Abrasionswiderstand und weist aufgrund des geringen Reibungskoeffizienten eine exzellente Schmierfähigkeit auf. Dadurch kann die Menge eines Schmieröls verringert werden, wodurch Ressourcen eingespart und die Belastung der Umwelt verringert werden können.
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Da sich der DLC-Film 16 nicht einfach abschält, kann ein Gleitelement, welches das DLC-Filmmaterial 10 einsetzt, über einen langen Zeitraum exzellente Schmiereigenschaften zeigen, was zu geringen Arbeits- und Wartungskosten führt.
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Außerdem sind Aluminium, Magnesium, Silizium und deren Legierungen, die für das Substrat 12 eingesetzt werden, Leichtmetalle, so dass das erhaltene DLC-Filmmaterial 10 bei dieser Ausführungsform ein geringes Gewicht mit niedrigem Reibungskoeffizienten erreichen kann.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform beispielhaft das Sputter-Verfahren mit dem Kohlenstofftarget beschrieben wurde, können die Zwischenschicht 14 und der DLC-Film 16 auch durch ein CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung) unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffgases hergestellt werden. In diesem Fall kann das Kohlenwasserstoffgas beispielsweise ein Methangas oder ein Acetylengas sein.
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Bei dieser Ausführungsform wird der Absolutwert der negativen Vorspannung, die auf das Substrat 12 aufgebracht wird, schrittweise reduziert, wie es in 4 gezeigt ist. Die Verringerung ist nicht hierauf beschränkt und der Absolutwert kann auch kontinuierlich (allmählich) mit der Zeit verringert werden.
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Obwohl als bevorzugte Beispiele der Komponenten des Substrats 12 bei der vorliegenden Ausführungsform Aluminium, Magnesium, Silizium und Legierungen, die wenigstens eines dieser Elemente enthalten, beschrieben wurden, ist die Komponente nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann das Substrat 12 auch aus einer Eisenlegierung, beispielsweise Stahl, bestehen.
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Beispiel 1
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail mit Bezug auf Beispiele erläutert, ohne dass hierbei die Absicht besteht, den Schutzumfang der Erfindung hierdurch einzuschränken.
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Eine Scheibe aus A2017 (einer Aluminiumlegierung nach japanischem Industriestandart JIS) mit einem Durchmesser von 24 mm und einer Dicke von 6 mm wurde als Substrat 12 vorbereitet. In der Filmbildungsvorrichtung 20, die in 2 gezeigt ist, wurden das Substrat 12 und ein Graphittarget (nicht dargestellt) in der Vakuumkammer 22 angeordnet.
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Dann wurde der Innendruck der Vakuumkammer 22 auf weniger als 5 × 10–4 Pa evakuiert, und ein Argongas wurde von dem Inertgaseinlass 32 in die Vakuumkammer 22 eingeführt. Das Argongas wurde mit einer Durchflussrate von 4 sccm zugeführt, um den Innendruck der Vakuumkammer 22 auf 1 Pa zu steuern. Das Substrat 12 wurde in diesem Zustand für zwei Stunden belassen, wobei eine negative Spannung von –600 V aufgebracht wurde, so dass eine Oberfläche des Substrats 12 durch Argonionenätzen gereinigt wurde.
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Durch die Zufuhr eines elektrischen Stromes wurde eine Spannung auf das Graphittarget aufgebracht, um hieraus Kohlenstoffionen zu generieren. Der Beginn der Spannungsaufbringung wurde als Startpunkt der Filmbildung angesehen.
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Der Absolutwert der negativen Vorspannung wurde wiederholt durch den dynamischen Vorspannungssteuermechanismus 30 in einem Intervall von 5 min. um 100 V verringert. Dadurch wurde die negative Vorspannung schrittweise auf –500, –400, –300, –200 und –100 V geändert. Es hat sich herausgestellt, dass durch die negative Spannung von –500 bis –100 V ein Film auf dem Substrat 12 ausgebildet wurde.
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Die negative Vorspannung wurde dann weiter von –100 auf 0 V geändert und die Filmbildung für 5 min. weitergeführt. Auch unter der negativen Vorspannung von 0 V wurde ein Film ausgebildet.
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Die Filme der so erhaltenen Probe des Beispiels wurden auf ihre Komponenten untersucht. Hierbei ergab sich, dass der obere Film ein DLC-Film 16 und der untere Film eine Metall enthaltende DLC-Schicht war. Der Metallanteil der Metall enthaltenden DLC-Schicht erhöhte sich in Richtung zu dem Substrat 12.
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Im Vergleich wurde das gleiche Substrat 12 der oben beschriebenen Vorbehandlung unterworfen und dann die negative Vorspannung rapide auf 0 V geändert, um einen DLC-Film auszubilden. Hierdurch wurde eine Probe eines Vergleichsbeispiels erhalten.
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Die Proben des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wurden einem Reibungsverschleißtest mit Hilfe eines Ball-auf-Scheibe-Verfahrens unterworfen. In diesem Test wird ein Reibungsmaterial aus SUS304 (einem Edelstahl gemäß JIS) mit einer Last von 100 gf, einer linearen Geschwindigkeit von 0,785 cm/s, einer Rotationsgeschwindigkeit von 0,5 Drehungen/s und einem Rotationsradius von 5,0 mm verwendet.
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Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Wie in 5 gezeigt ist, hat sich bei der Probe des Vergleichsbeispiels der DLC-Film 16 bei etwa 600 m entsprechend 40.000 Umdrehungen abgeschält. Im Gegensatz dazu hat sich bei der Probe des erfindungsgemäßen Beispiels der DLC-Film 16 nicht abgeschält und die Bindung auch bei etwa 2.000 m entsprechend 120.000 Umdrehungen aufrechterhalten.
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Rasterelektronenmikroskop-Fotografien der Verschleißspuren, die durch den Reibungsverschleißtest bei der Probe des Vergleichsbeispiels erhalten wurden, sind in den 6 und 7 gezeigt, während Rasterelektronenmikroskop-Fotografien einer Verschleißspur bei der Probe des erfindungsgemäßen Beispiels in den 8 und 9 gezeigt sind. Die Rasterelektronenmikroskop-Fotografien gemäß den 6 und 8 wurde mit 100-facher Vergrößerung aufgenommen und diejenigen der 7 und 9 wurden mit 1.000-facher Vergrößerung aufgenommen.
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Wie in den 6 bis 9 gezeigt ist, schälte sich der DLC-Film 16 bei der Probe gemäß dem Vergleichsbeispiel ab, während der DLC-Film 16 bei der Probe gemäß dem Erfindungsbeispiel lediglich abgerieben wurde und seine Bindung an das Substrat 12 beibehielt. Hieraus wird deutlich, dass das Abschälen des DLC-Films 16 durch Ausbilden der Zwischenschicht 14, welche die Metallatomkomponente aus dem Substrat 12 enthält, verhindert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 10-203897 A [0004, 0005]
- JP 10-203896 A [0006, 0008]
- JP 2008-024996 A [0007, 0008]
