用于在多个工件和一个工件上沉积无氢四面体非晶碳层的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于在多个工件和一个工件上沉积无氢四面体非晶碳层的装置和方法，该装置包括至少下列部件：a）真空室，其可连接到一种惰性气体源和一真空泵，b）用于一个或多个基底（工件）的支撑装置，其被插入或可插入该真空室，c）至少一个具有相应的磁体排列的石墨阴极形成磁控管，该石墨阴极用作碳材料源，d）用于向位于该支撑装置上的一个或多个基底施加负偏置电压的偏压电源，e）至少一个用于该阴极或每个阴极的阴极电源，其可连接到至少一个石墨阴极和相应的阳极，将其设计用来传输间隔于（优选可编程的）时间间隔处的高功率脉冲序列，每个高功率脉冲序列包含一系列适合被提供的高频DC脉冲，可选在形成期之后连接到至少一个石墨阴极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于制造在金属或陶瓷材料的基底(工件)上至少基本无氢的四面体非晶碳(ta-C)层的装置和方法，还涉及一种具有此类四面体非晶碳层的基底。四面体非晶碳层(ta-C layer),亦称涂层,是在VDI指南2840中标题为“Carbon Films, basicknowledge and film properties，，一文中定义的。
技术介绍
一篇标题为 “Diamond-like Carbon Coatings for tribological applicationson Automotive Components，，，由 R.Tietema, D.Doerwald, R.Jacobs 和 T.Krug 在 the 4thWorld Tribology Congress, Kyoto, September 2009 上提出，讨论了自 20 世纪 90 年代开始至今，类金刚石碳涂层的制造。如文中所描述的，最初的类金刚石碳涂层(DLC-涂层)被引入汽车零配件市场。这些涂层促使了高压(HP)柴油喷射技术的发展。全世界越来越多严格的环境条例的应用(如欧4和5 (欧洲排放标准))，促进了对减少摩擦的要求，以节约燃料消耗量并减少CO2排放。最近，涂层、表面结构和润滑油的适当组合已导致摩擦力的最小化。这是在调查中所报导的,特别是,如Kan0.M, Yasuda, Y等人进行的研究中，M, Yasuda, Y 等人在他们的文章 Ultralow friction of DLC in presence ofglycerol mono-oleate (GMO), Tribology Letters, Vol.18，N0.2 (2005) 245 中加以描述。他们指出了，通过利用油和涂层类型(coating type)的适当组合可以使摩擦力显著下降,特别是无氢DLC-涂层。对于在钢表面上的非晶C:H (a-C:H)涂层(氢化DLC)而言，当表面干燥时，其摩擦系数值为0.13，当使用5W30润滑剂时，(其摩擦系数)为0.12，当使用含有PAO(即聚α-烯烃)和GMO (即甘油单油酸酯)混合物的润滑剂时，(其摩擦系数)为0.9。当使用无氢四面体非晶碳DLC层时,对于干燥表面`,相应的值为0.13,对于使用5W30发动机油润滑的表面，其值为0.09，但是当施加的润滑剂中含有PAO和GMO的混合物时，其值仅在0.02以下。德国标准VDI 2840 “Carbon films:Basic knowledge, film types andproperties (碳膜:基本知识、膜类型及性能)”提供了对多种碳膜定义明确的综述，这些碳膜都作为金刚石或类金刚石涂层被指出。本文中，无氢四面体非晶碳涂层和适当的润滑剂的使用显然是非常重要的。至今已使用电弧法制造了这些涂层。认为在范围为20GPa至90GPa的硬度，特别是43GPa至80GPa，是有用的(金刚石的硬度是lOOGPa)。然而，由于电弧法导致小颗粒(droplet)的产生，使得涂层非常粗糙。由于小颗粒会在表面形成粗糙点(rough points)。因此，尽管可以获得低摩擦，但是由于由小颗粒引起的表面粗糙度，摩擦系统中相应的磨损率相对较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种替代装置和方法，通过该装置和方法可以制造具有所需的硬度范围但是相对非常光滑的表面的(掺杂的)无氢四面体非晶碳涂层，该涂层呈现低磨损(并导致滑动配合件(sliding partner)的低磨损),并且该涂层可以简单相对经济地沉积。为了满足这一目的,现提供最初命名种类(the initially named kind)的装置，其特征在于，该装置至少包括以下部件:a)真空室，其可连接到一种惰性气体源和一真空泵，b)用于一个或多个基底(工件)的支撑装置，其被插入或可插入真空室，c)至少一个具有相应的磁体排列(磁铁排列,magnet arrangement)的石墨阴极形成磁控管，石墨阴极用作碳材料源，d)用于向位于支撑装置上的一个或多个基底施加负偏置电压的偏压电源，e)至少一个用于阴极或每个阴极的阴极电源，其可连接到至少一个石墨阴极和相应的阳极，其被设计用来传输间隔于(spaced at)(优选可编程的)时间间隔处的高功率脉冲序列，每个高功率脉冲序列包括一系列适合被提供的高频DC脉冲，可选地在形成期(build-up phase)之后连接到至少一个石墨阴极,该石墨阴极具有峰值功率范围为IOOkW至高于2MW的高频DC功率脉冲，并且其脉冲重复频率在IHz至350kHz的范围。脉冲重复频率优选在IHz至2kHz的范围，尤其在IHz至1.5kHz的范围，特别是约10至 30Hz。脉冲图形由长度为10至5000μ sec范围的可控巨脉冲(macro-pulse)组成,通常是在50至3000 μ sec的范围之间，尤其是在400至800 μ sec之间。该巨脉冲由I至100 μ sec范围的可控微 脉冲(micro-pulse)组成,通常是5至50μ sec,在每个微脉冲期间，连接到阴极的电源被接通和断开。用于接通的范围通常是2至25 μ sec之间，而用于断开电源的范围通常是6至1000 μ sec之间。如果适当地选择脉冲频率，则每一个微脉冲产生一个被放大至很高值的振荡，从而产生高度电离的等离子体。这种电源也被称为HIPMS+0SC(高功率脉冲磁控溅射+振荡器)电源。已经令人惊讶地发现，利用这类装置，可以容易地在金属或陶瓷表面沉积硬度为50GPa的无氢(或至少基本无氢)四面体非晶碳涂层，涂层表面相对光滑，基本没有小颗粒。这样的涂层实现了常规运转配合件(转动组件，running partner)的低磨损和约0.02的低摩擦(系数)，这些常规运转配合件如气门机构组件(气门系组件，valve train component)(例如挺杆)、燃油喷射组件、发动机组件(例如活塞环)和动力传动系组件(例如齿轮)。而且对于在切削工具和成型工具上使用这些涂层对于也具有较高的潜力，特别是用于切削涉及强粘着磨损的材料(BUE:切削瘤形成(刀瘤形成，Built-Up-Edge formation))。提供至少一个另外的磁控管阴极可以是有利的，该磁控管阴极用作碳基涂层的掺杂材料源。偏压电源，用于向位于支撑装置上的一个或多个基底施加负偏置电压，优选是下列中的一个:-直流电源(DC电源)(特征在于具有提供强电流脉冲同时维持负偏置电压几乎恒定的能力，即，根据如W02007/115819公布的EP申请07724122.2的教导，在一个所需范围内提供必要的离子能量)， -脉冲直流电源(脉冲DC电源)(具有提供脉冲电流同时维持负偏置电压在所需范围内，不因过流而断电的能力)，-或射频电源(RF电源)(具有提供射频电流同时维持自身负偏置电压在所需范围内，不因过流而断电的能力)。脉冲偏压可以同射频偏压(RF偏压)一样使用。可达到的沉积速率相对较高，例如，使用下面针对无掺杂四面体非晶碳实例的方案，可以在约2至6小时的周期内，(在一旋转基底上)沉积I微米的涂层:该方法通常在约0.1至1.8Pa的氩气压力(Ar压)(I X 1(Γ3至8Χ I(T2Hib本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在金属或陶瓷材料的基底（工件）上制造至少基本无氢的四面体非晶碳层的装置，其特征在于，所述装置包括至少下列部件：a）真空室，其可连接到一种惰性气体源和一真空泵，b）用于一个或多个基底（工件）的支撑装置，其被插入或可插入所述真空室，c）至少一个具有相应的磁体排列的石墨阴极形成磁控管，所述石墨阴极用作碳材料源，d）用于向位于所述支撑装置上的所述一个或多个基底施加负偏置电压的偏压电源，e）至少一个用于所述阴极或每个阴极的阴极电源，其可连接到至少一个石墨阴极和相应的阳极，其被设计用来传输间隔于（优选可编程的）时间间隔处的高功率脉冲序列，伴随包括一系列适合被提供的高频DC脉冲的每个高功率脉冲序列，可选地在形成期之后连接到所述至少一个石墨阴极，其具有峰值功率范围为100kW至高于2MW的所述高频DC功率脉冲，并且其脉冲重复频率在1Hz至350kHz的范围，优选在1Hz至2kHz的范围，尤其在1Hz至1.5kHz的范围，特别是约10至30Hz。

【技术特征摘要】
2011.10.31 EP 11008717.81.于在金属或陶瓷材料的基底(工件)上制造至少基本无氢的四面体非晶碳层的装置，其特征在于，所述装置包括至少下列部件: a)真空室，其可连接到一种惰性气体源和一真空泵， b )用于一个或多个基底(工件)的支撑装置，其被插入或可插入所述真空室， c)至少一个具有相应的磁体排列的石墨阴极形成磁控管，所述石墨阴极用作碳材料源， d)用于向位于所述支撑装置上的所述一个或多个基底施加负偏置电压的偏压电源， e)至少一个用于所述阴极或每个阴极的阴极电源，其可连接到至少一个石墨阴极和相应的阳极，其被设计用来传输间隔于(优选可编程的)时间间隔处的高功率脉冲序列，伴随包括一系列适合被提供的高频DC脉冲的每个高功率脉冲序列，可选地在形成期之后连接到所述至少一个石墨阴极，其具有峰值功率范围为IOOkW至高于2MW的所述高频DC功率脉冲，并且其脉冲重复频率在IHz至350kHz的范围，优选在IHz至2kHz的范围，尤其在IHz至1.5kHz的范围，特别是约10至30Hz。2.据权利要求1所述的装置，其中所述脉冲图形由长度为10至5000μ sec范围的可控巨脉冲组成，通常是在50至3000 μ sec的范围之间，尤其是在400至800 μ sec之间。3.据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述巨脉冲由I至100μ sec范围的可控微脉冲组成，通常是5至50μ sec，在每个微脉冲期间，伴随连接到所述阴极的电源的接通和断开，其中，接通的范围通常是2至25 μ sec之间，而将所述电源断开的范围通常是6至 1000 μ sec 之间。4.据上述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述高功率脉冲序列的平均功率平均超过一个比较长的时间周期，该平均功率包括多个高功率脉冲序列，与具有范围在10至250kW之间的恒定DC功率的DC溅射系统的功率相当。5.据上述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述高功率脉冲序列的平均功率与HIPMS脉冲功率的功率相当，例如，其范围在100至300kW之间。6.据上述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置包括多个磁控管和相应的阴极，所述阴极之一包括结合层材料，所述装置还包括电源，在沉积所述四面体非晶碳层之前，用于溅射结合层材料用以在所述一个基底或多个基底上沉积所述结合层材料。7.据上述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少一个石墨电弧阴极和用于产生电弧的装置，该电弧用于由所...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克·帕帕，罗埃尔·蒂特曼，伊万·科列夫，吕德·雅各布斯，
申请(专利权)人：豪泽尔涂层技术有限公司，
类型：发明
国别省市：