JP2004518026A - 基板をセラミックコーティングするための装置 - Google Patents

Abstract

基板（２）をセラミックコーティングするための装置が提案される。この場合、材料（５，７）を特にプラズマ（８）によって基板（２）の表面に被着させるための手段が設けられている。装置は、公知先行技術に対して、比較的温度に対して敏感な基板（２）のセラミックコーティング（３）を可能にしている。このことは、本発明によれば、コーティングのために設けられた材料（５，７）の材料源（４，６）と異なる、表面の前方にかつ／または表面上に位置する材料（３，５，７，８）への局所的に規定されたエネルギ供給のためのエネルギ源が設けられていることによって達成される。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した形式の、基板をセラミックコーティングするための装置に関する。
【０００２】
背景技術
特にプラズマ法によって、優れた機械的な特性、電気的な特性、光学的な特性および化学的な特性を備えたセラミックス層を製作することができる。相応の方法は、すでに長い間、工具のコーティング、機械的に負荷される構成部材または機械エレメント、たとえば軸、軸受け構成要素、ピストン、歯車またはこれに類するものの耐用年数延長または寿命の増加ならびに表面の装飾的な構成のために使用される。この場合、数多くの金属化合物、たとえばアルミニウム、チタン、ジルコニウム、クロムまたはケイ素の高融点の酸化物、窒化物および炭化物が使用される。特にチタンベースの層システム、たとえばＴｉＮ層システム、ＴｉＣＮ層システムまたはＴｉＡｌＮ層システムは特に摩耗防護層として切削工具に使用される。
【０００３】
ナノ結晶質（ｎｃ）の硬質の遷移金属窒化物Ｍｅ_ｎＮと非晶質（ａ）のＳｉ_３Ｎ_４との組合せを成す超硬質の材料も知られている。このようなｎｃ−ＭｅＮ／ａ−Ｓｉ_３Ｎ_４複合材料では、たとえば硬さが、減少した約４〜５ナノメートル未満の結晶サイズによって著しく増加し、２〜３ナノメートルでダイヤモンドの硬さに近づく。特にコーティング層の多相の構造は、たとえば比較的少ない脆弱性のまま２５００ＨＶ（ビッカース硬さ）よりも大きな硬さを備えた層を生ぜしめる。
【０００４】
相応の層は、特にＰＡＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、つまりプラズマＣＶＤ法によって約５００〜６００℃の温度で製作される。したがって、特に基板ひいてはコーティング層の比較的高い温度によって、相応に非晶質で析出されたコーティング成分の拡散ひいては非晶質のマトリックスへのナノ結晶の形成が可能となる。
【０００５】
しかし、この場合、比較的温度に対して敏感な材料、たとえば数多くのプラスチックまたは複合材料、組織変化しがちな合金またはこれに類するものをコーティングすることができないという欠点がある。
【０００６】
発明の利点
これに対して、本発明の課題は、基板をセラミックコーティングするための装置であって、材料を特にプラズマによって基板の表面に被着させるための手段が設けられている形式のものを改良して、公知先行技術に比べて、比較的温度に対して敏感な基板のセラミックコーティングが可能となるようにすることである。
【０００７】
この課題は、冒頭で述べた形式の装置から出発して、請求項１の特徴部に記載した特徴によって解決される。
【０００８】
従属請求項に記載した手段によって、本発明の有利な構成および改良形が可能となる。
【０００９】
これに相応して、本発明による装置は、コーティングのために設けられた材料の材料源と異なる、表面の前方にかつ／または表面上に位置する材料への局所的に規定されたエネルギ供給のためのエネルギ源が設けられている点で優れている。
【００１０】
本発明によれば、これによって、特に１つの層の内部でナノ構造化された品質的に高価値のセラミックス層システムが実現可能となる。この層システムは、最大約１００ｎｍの結晶サイズを備えたナノ構造化された、たとえばＭｅＯ、ＭｅＮまたはＭｅＣから成る金属結晶を別の組織に有している。この別の組織は非晶質、結晶質または金属性であり、たとえば非晶質のケイ素化合物またはこれに類するものから成っている。
【００１１】
ナノ構造化された層は少なくとも１つの結晶質の硬質材料相を有している。これによって、特に層硬さが著しく高められ、たとえばＴｉＯ結晶の中間層の場合に４０００ＨＶを上回る硬さを達成することができる。同時にセラミックス層の脆弱性は特にナノ構造化によって低減される。全層システムは単層であってもよいしまたは多層であってもよく、化学的にかつ割合的にグレーディングされていてもよいしかつ／またはグレーディングされていなくてもよい、つまり、物質の組成に関してかつ層システム内の１つの相の割合に関して変化させられていてもよいしかつ／または変化させられていなくてもよい。さらに、炭素含有のカバー層によって擦合せ運転層を実現することができる。
【００１２】
さらに、有利には、相応のナノ複合材料を、たとえば４００℃未満の基板温度Ｔ、有利には２５０℃未満の温度Ｔで析出することができるので、比較的温度に対して敏感な基板もコーティング可能となる。
【００１３】
本発明によれば、表面可動性の増加ひいては析出された材料成分の拡散のための運動エネルギの供給は、有利には付加的なプラズマ励起を介して行われるので、公知先行技術に比べて特に著しく高いイオン密度を得ることができる。このことは、プラズマの色ならびに明るさの相応の変化に基づいても明瞭となる。たとえばＴｉＯ結晶をナノメートルサイズで基板に形成することができるようにするためには、プラズマ励起もしくはより高いイオン密度ひいてはより高いエネルギ密度によって、最初に非晶質で基板に析出された粒子が拡散のためのエネルギを十分に獲得する。また、これに対して、特により低い圧力、たとえば中真空〜高真空で運転される別のプラズマ源も可能となる。
【００１４】
有利には、高いイオンエネルギもしくはイオン密度によって、特にすでに形成されたミクロ結晶の粉砕を介して、このミクロ結晶の増加が阻止されると同時に有利なナノ結晶質の成長が助成される。これによって、特に全く異なる三次元的な構成部材も相応にコーティングすることができる。
【００１５】
本発明の特別な構成では、表面に位置する材料へのエネルギ供給が行われるので、やはり最初に非晶質で基板に析出された粒子が拡散のためのエネルギを十分に有している。これによって、同じく基板に、たとえば立方晶、六角晶、金属結晶またはその他の結晶をナノメートルサイズで形成することができる。
【００１６】
有利には、エネルギ供給のためのマイクロ波ユニットが設けられているので、たとえばスパッタリング時に材料のイオン密度を付加イオン化によって増加させることができる。これによって、１ｃｍ^３あたり約１０^１０〜１０^１３イオンの有利なイオン化密度を実現することができるので、最初に非晶質で基板に析出された粒子が拡散のためのエネルギを十分に有している。このためには、有利には、いわゆる「電子サイクロトロン共鳴」（ＥＣＲ）励起のためのマイクロ波放射装置が設けられる。
【００１７】
本発明の特別な構成では、エネルギ供給のためのイオン源ユニットが設けられているので、同じく有利なプラズマ励起もしくはイオン化密度の増加が実現される。これによって、最初に非晶質で基板に析出された材料の拡散が可能となる。
【００１８】
これに対して択一的には、たとえば本発明によるエネルギ供給のためのＤＣ（直流）励起式のまたはＲＦ（無線周波もしくは高周波）励起式の中空陰極ユニットも設けられてよい。このユニットには、有利には基板の表面の前方に位置する材料への局所的に規定された本発明によるエネルギ供給が共通している。
【００１９】
さらに、有利には、ＵＶ（紫外線）ユニットまたはこれに類するものが設けられている。このユニットによって、有利には、基板の表面に位置する材料における、最初に基板に非晶質で析出された粒子の拡散のための付加的な運動エネルギの供給が行われる。
【００２０】
本発明の特別な改良形では、基板を冷却するための冷却装置が設けられている。これによって、有利には、基板温度の可能な限り十分な低下が実現されることが保証される。特にこの手段によって、温度に対して敏感な基板がコーティング可能となる。
【００２１】
有利には、冷却装置は、良熱伝導性の金属製のまたはその他の基板支持体によって実現される。さらに、冷却装置は有利な冷媒によって通流されてもよく、これによって、基板温度のさらなる低下を達成することができる。
【００２２】
本発明の特別な構成では、材料源と基板との間に電界を発生させるための電圧源が設けられている。これによって、たとえば有利な電位経過が材料源と基板との間に発生させられ、基板の帯電が特にＲＦ基板電圧またはバイアス電圧によって阻止されることが保証される。
【００２３】
実施例
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２４】
図１には、コーティング過程の間のコーティングチャンバ１の一部が概略的に示してある。この場合、基板２には、層３が約１０^−３〜１０^−２ｍｂａｒのチャンバ圧で被着させられる。したがって、スパッタリング源４から第１の材料５がスパッタリングされる。相応して、スパッタリング源６から第２の材料７が材料５と同時にまたは時間的にずらされてスパッタリングされる。本発明により局所的に規定された、両材料５，７へのエネルギ供給は、図１に概略的に示したプラズマ８によって行われる。プラズマ発生もしくはプラズマ励起も、たとえばＥＣＲマイクロ波源（図示せず）によって行われる。この場合、たとえばアルゴン、ヘリウム、酸素またはこれに類するものがプラズマガスとして設けられている。プラズマ８は、たとえば層厚さに関連した有利には１ｋＷの出力を備えた、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波放射線によって発生させられる。このマイクロ波放射線は、たとえばロッドアンテナ（図示せず）を介して入力結合される。
【００２５】
たとえばスパッタリング源４は金属、金属酸化物ターゲットまたは混合ターゲットを有していてよい。この場合、金属は、たとえばチタン、クロム、銅、ジルコニウムまたはこれに類するものであってよい。
【００２６】
ガス供給部９，１０によって、コーティングの間、必要に応じて互いに異なる二種類の反応ガスを調量供給することができる。たとえば酸化セラミックス層を製作するためには、ガス供給部９によって酸素がコーティングチャンバ１内に調量供給され得る。場合によって金属酸化物ターゲットを備えたスパッタリング源４が使用される場合には、酸化セラミックス層をガス供給部９による酸素供給なしに製作することもできる。
【００２７】
スパッタリング源６は、たとえばケイ素ターゲットおよび／または炭素ターゲットを有していてよいので、スパッタリング源６は、特にガス供給部１０によって供給された窒素と共に非晶質のマトリックス、たとえば窒化ケイ素またはこれに類するものの形成を可能にしている。択一的には、ガス供給部１０が別のガスを供給することもできるので、必要な場合に別のマトリックスを製作することもできる。
【００２８】
経験上、スパッタリング成分の反応は大部分まず基板で行われる。本発明によれば、基板がさほど加熱されることなしに、ＥＣＲマイクロ波源を用いてプラズマ８によって付加的なエネルギが、スパッタリングされた粒子もしくは析出された粒子に供給される。これによって、基板温度を比較的低く保つことができる。ＥＣＲマイクロ波源によって供給されたエネルギに基づき、最初に非晶質で析出された粒子の拡散によって、ナノメートルサイズでの粒子の形成、たとえば酸化チタン粒子の形成が、基板に設けられたコーティング層３で行われる。したがって、公知先行技術によりナノ構造化されたコーティング層を形成する基板の高い温度は不要となるので、本発明によれば、温度に対して敏感な基板もコーティングすることができる。
【００２９】
本発明によれば、コーティング層は、たとえば基板が、被着させられたコーティング層の圧縮のための電極として使用される必要なしに任意にスケーリング可能（増減可能）である。しかし、本発明の特別な構成は、たとえばＲＦバイアス電圧を基板に印加する電圧源を有している。これによって、特に基板の帯電だけは阻止されるので、特に材料５，７の析出は比較的長いコーティング期間わたっても不都合に変化させられない。
【００３０】
図２には、多成分の少なくとも２つの相１１，１２を備えた層３の概略的な三次元的な一部が明瞭に示してある。この場合、ナノ結晶１１は非晶質の不反応性のネットワーク１２に結合されている。たとえばナノ結晶１１は、５〜２０ｎｍの範囲内の粒度を備えたＴｉＯ結晶、ＴｉＮ結晶、ＺｒＮ結晶、ＺｒＯ結晶、ＴｉＣ結晶、ＳｉＣ結晶、炭素結晶または相応のナノ結晶１１ならびに前記結晶とは全く異なる混合物であってよい。この場合、本発明によれば、総容積に対する表面容積の割合は極めて高く設定されており、ナノ結晶１１と非晶質のマトリックス１２との間の境界面は比較的はっきりしている。
【００３１】
図３には、本発明により製作されたコーティング層３の層構造が概略的に示してある。この場合、基板２には、ナノスケールの多層３が被着させられている。この場合、層３は定着剤１３を有している。この定着剤１３は選択的に塗布されてよく、金属層、たとえば約３００ｎｍの厚さのチタン定着層から成っている。後続の層１４として、たとえば図２に示した層、すなわち、たとえばナノスケールの酸化チタン粒子および／または炭素粒子１１を備えた非晶質の窒化ケイ素層１２を被着させることができる。次いで、選択的には、たとえばカバー層１５が被着させられてよい。このカバー層１５は有利には非晶質の炭素から成っている。
【００３２】
本発明によれば、ほぼ平らな基板のほかに、三次元的な構成部材、たとえばドリルまたはこれに類するものを相応のナノスケールの多層３によってコーティングすることができる。
【００３３】
三層の層構造は、特に定着剤１３によって、基板２に対する超硬質のセラミックス性の金属酸化物層１４の良好な定着を保証している。カバー層１５は、たとえば類似の硬さで高い摩擦係数を確保しているので、特にナノ構造化された層の摩擦特性は、両摩擦パートナの、機械的に負荷される構成部材または機械エレメント、たとえば軸、軸受け構成要素、ピストン、歯車またはこれに類するものの擦合せ運転段階でまたは両摩擦パートナの全耐用年数にわたって改善される。
【００３４】
図３に示した層構造に対して択一的には、図４に示した層構造を設けることができる。この場合、図３に相応して、選択的に定着剤１３と、たとえばナノスケールの酸化チタン粒子１１を備えた非晶質の炭素ネットワーク１２を有する層１４とが設けられている。
【００３５】
図５によれば、やはり選択的に被着させたい定着剤１３と、非晶質の炭素層１６と、非晶質の窒化ケイ素層１２およびナノスケールの酸化チタン粒子１１を有する層１４とを備えた択一的な層構造を設けることができる。したがって、たとえばより低い摩擦係数を備えた摩耗防護層の擦合せ運転特性を改善するためには、ダイヤモンド状の炭素層１６に、ナノ構造化された金属酸化物層１４が被着させられてもよい。
【００３６】
基本的には、特にナノ構造化された金属酸化物層１４を、中間層もしくは上側のカバー層１５の有無にかかわらず、新たな多機能特性を備えた最も高い負荷集合体に対する摩耗防護層として使用することができる。したがって、この摩耗防護層は、たとえば付着防止特性および有利には摩擦特性に基づき、特殊鋼、アルミニウムまたはこれに類するものを加工するための乾燥潤滑剤層として使用することができる。さらに、酸化チタン層の自己清浄化特性を引掻き防止特性と組み合わせることもできる。
【００３７】
一般的に酸化セラミックス層は有利である。なぜならば、この酸化セラミックス層は高い化学的な不活性を有していて、選択的に透明であり、たとえば窒化物層よりも低い摩擦係数を有しているからである。しかし、従来、セラミックス性の酸化物層は、特に窒化物層システムの場合よりも敏感な反応性のプロセスガイドに基づき、制限されてしか製造に使用されない。この場合、化学量論的な酸素含有量の調整は、たとえば光学的な放射の調整によって行うことができる。同時に酸化セラミックスは使用において、高い層硬さによる良好な摩擦特性および高い化学的な安定性の点で優れている。
【００３８】
基本的には、図１に相応して、たとえば酸化クロムナノ粒子を中空陰極（図示せず）で製作することもでき、ケイ素スパッタリングによる窒化ケイ素の付加下ならびに窒素ガスの付加下と同時の、本発明によるマイクロ波波源または高電流イオン源による付加イオン化時に、たとえばｎｃ−ＣｒＯ_Ｘ／ａ−ＳｉＮ_Ｘを製作することができる。次いで、選択的には、同じく炭素層１５が、相応の構成部材の擦合せ運転特性を改善するために被着させられてよい。本発明によれば、一般的にナノ結晶質の粉末材料がイオン源に供給され得るかまたはイオン源によって合成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による装置の概略的な構造を示す図である。
【図２】
本発明により製作されたコーティング層の一部の概略的な３Ｄ（三次元）図である。
【図３】
本発明により製作された多層の概略図である。
【図４】
本発明により製作された別の多層の概略図である。
【図５】
本発明により製作された第３の多層の概略図である。
【符号の説明】
１ コーティングチャンバ、 ２ 基板、 ３ 層、 ４ スパッタリング源、 ５ 材料、 ６ スパッタリング源、 ７ 材料、 ８ プラズマ、 ９ ガス供給部、 １０ ガス供給部、 １１ ナノ結晶、 １２ ネットワーク、 １３ 定着剤、 １４ 層、 １５ カバー層、 １６ 炭素層

Claims (10)

1. 基板（２）をセラミックコーティングするための装置であって、材料（５，７）を特にプラズマ（８）によって基板（２）の表面に被着させるための手段が設けられている形式のものにおいて、コーティングのために設けられた材料（５，７）の材料源（４，６）と異なる、表面の前方にかつ／または表面上に位置する材料（５，７）への局所的に規定されたエネルギ供給のためのエネルギ源が設けられていることを特徴とする、基板をセラミックコーティングするための装置。
2. エネルギ供給のためのマイクロ波ユニットが設けられている、請求項１記載の装置。
3. エネルギ供給のためのイオン源ユニットが設けられている、請求項１または２記載の装置。
4. エネルギ供給のための中空陰極ユニットが設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. エネルギ供給のためのＵＶユニットが設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 基板（２）を冷却するための冷却装置が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 材料源（４，６）と基板（２）との間に電界を発生させるための電圧源が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 材料（５，７）を特にプラズマ（８）によって基板（２）の表面に被着させて、基板（２）のセラミックコーティング層（３）を製作するための方法において、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置を使用することを特徴とする、基板のセラミックコーティング層を製作するための方法。
9. 材料供給と異なる、表面の前方にかつ／または表面上に位置する材料（５，７）への局所的に規定されたエネルギ供給を行う、請求項８記載の方法。
10. 粒子をナノメートルサイズで形成するために、表面に位置する材料（５，７）の拡散を行う、請求項８または９記載の方法。