用于形成无定形硬碳涂层的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于形成无定形硬碳涂层的方法和设备。在等离子加工设备中包括限定加工腔的圆柱形电极、置于所述加工腔的中心区域中的杆状电极、并且所述杆状电极和所述圆柱形电极之间的距离是1至10mm，通过连续进行以下一系列的步骤来执行无定形且硬的碳涂层的形成：在存在氩气、氢气和氮气的情况下使衬底受到等离子氮化预处理，在该预处理的衬底上形成中间层，并且在存在碳源的情况下使该衬底受到等离子CVD处理以形成无定形且硬的碳涂层。根据本发明专利技术，形成类金刚石碳（DLC）涂层，同时确保在高强度电场的施加下高密度等离子的稳定形成成为可能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及用于形成无定形硬碳涂层的方法和设备。在等离子加工设备中包括限定加工腔的圆柱形电极、置于所述加工腔的中心区域中的杆状电极、并且所述杆状电极和所述圆柱形电极之间的距离是1至10mm，通过连续进行以下一系列的步骤来执行无定形且硬的碳涂层的形成：在存在氩气、氢气和氮气的情况下使衬底受到等离子氮化预处理，在该预处理的衬底上形成中间层，并且在存在碳源的情况下使该衬底受到等离子CVD处理以形成无定形且硬的碳涂层。根据本专利技术，形成类金刚石碳（DLC）涂层，同时确保在高强度电场的施加下高密度等离子的稳定形成成为可能。【专利说明】用于形成无定形硬碳涂层的方法和设备
本专利技术涉及用于形成由无定形碳组成的硬涂层的方法和设备。更特别地，本专利技术涉及用于通过等离子CVD (化学气相沉积)方法形成无定形且硬的碳涂层(即也被称作类金刚石碳(DLC)的碳涂层)的方法和设备。除了当该涂层被用作需要耐磨性的诸如汽车零件的机械零件中的防护涂层时的诸如良好的耐磨性之类的DLC涂层所固有的特性之外，该DLC涂层还能够展示出对衬底的良好固定性。
技术介绍
迄今为止，由于等离子处于反应活性状态，所以等离子已经在诸如表面处理、膜或者涂层的形成、和刻蚀的加工领域中被广泛利用。进一步，为了增加等离子处理的速度的目的，存在增加等离子密度的想法，由此增加反应活性品类的量，即反应中间物的量。此外，一种典型的等离子应用存在于DLC涂层的形成中。该DLC涂层已经在诸如金属塑模、切削工具、磁性以及光学零件、半导体零件、以及汽车零件的多种多样的工业零件或元件中被广泛用作表面防护涂层。通常，在DLC涂层的形成中，诸如甲烷和乙炔的碳氢化合物气体在等离子空气中被电解分离或电离，并且得到的原子团和离子在该衬底的表面上形成DLC涂层时被用作反应活性品类。如在上面提到的等离子处理中，通常通过为了以高速形成DLC涂层的目的使用具有高密度的反应活性品类的高密度等离子，来执行DLC涂层的形成。将进一步描述通过使用等离子处理进行的DLC涂层的形成。例如，JP2004-323973A描述了用于在衬底的表面 上形成DLC涂层的方法，其中使用了合成过程，该合成过程是基于对使用至少一种碳氢化合物气体的脉冲等离子的使用的对离子注入过程和沉积过程的组合，以便改进涂层形成的工作效率。进一步，JP2010-146683A描述了在叠层上形成防护DLC涂层的方法，该叠层包括衬底和利用将碳氢化合物气体用作为起始材料的等离子CVD方法而在衬底(即磁记录介质)上形成的薄金属层，得到的DLC涂层对防止由于与该介质接触或者在磁头的介质上滑动而引起的磁记录层的损坏和腐蚀是有效的。如上述JP公开以及其他专利公开中所述的，由于所使用的等离子具有高反应活性，所以该等离子处理能够展示出在诸如表面改性和涂层的多种多样的应用中的利用价值的高度增加的水平。然而，当将被处理的大量制品在等离子处理的实践中必须分批受到等离子处理时，出现了等离子的生成速度被延缓的问题。进一步地，在大量制品的分批处理中所使用的加工设备意味着，其引起商业投资的成本的增加。也就是说，当DLC涂层被用于多种多样的制品的制造中时，出现了增加制造成本的问题。进一步，当将DLC涂层所应用至的制品意图重复受到任何滑动移动时，换句话回所，当该制品是被广泛用于汽车零件的领域中的滑动构件时，尤其是其衬底是由任何含铁材料所形成的滑动构件时，因为这种DLC涂层不能被坚固固定至该衬底，所以出现了一种问题，即该制品不能在长时间段内被稳定使用而不引起DLC涂层的分离。DLC涂层为何具有低固定属性的原因是，因为在DLC涂层的形成期间，在DLC涂层中能够生成显著增加的内应力，并且DLC涂层展示出与底层衬底的不充分的兼容性。此外，例如，为了获得高密度等离子以便以高速形成DLC涂层的目的，例如已经提出了通过增加所应用气体的压强来增加反应活性品类本身的量的方法、通过增加电场强度来增加电离程度的方法、以及利用电场的施加来将所生成等离子保持在反应腔内的方法。然而，依靠磁场的施加的方法不足以获得显著增加的等离子密度，该等离子密度比常规上施加的108/cm3至IOicVcm3的等离子密度高一个数量级。进一步地，对于增加气体压强的方法以及增加电场强度的方法，即增加电源的电压的方法，出现了关于等离子加工过程的问题。也就是说，所生成的等离子能够被转变为电弧放电(高温等离子)，而不被转变为在等离子加工过程中所常规使用的辉光放电(低温等离子)。能够通过将被施加至电极的电压除以该对置电极之间的距离，来计算该电场的强度。因此，如果缩短该电极之间的距离以便提供电极区域的最小规模，则将增加电场的强度。然而，当缩短该距离时，出现了关于等离子生成的新问题。即，在这种情况下，必须将高度增加的电压施加至该电极，以生成所期望的等离子水平。换句话说,在Paschen定律下,在放电的起始点处的电压(V)与气体压强(P)和电极的距离(d)的乘积之间存在用具有向下伸出的线的曲线所说明的相关性。该相关性由公式V = f (Pd)所表示。由于上述相关性的存在，当利用相同气体压强的施加来缩短该电极之间的距离时，开始放电所需要的电压必须增加，因为被用于开始放电的常规电压水平不足以实现所期望的放电水平。结果，由于电场的集中，能够局部且不稳定地生成电弧放电，并因此不能实现稳定放电。
技术实现思路
本专利技术的一个目标是解决上面提到的现有技术问题，因而提供用于形成类金刚石碳涂层(简称，DLC涂层)的方法和设备，该涂层能够在对置电极之间增加的电场强度和缩短的距离的条件下稳定生成高密度等离子，从而当利用等离子加工过程来沉积DLC涂层时，形成最小化的电极区域。进一步，本专利技术的另一个目标是提供用于形成DLC涂层的方法和设备，当分批处理大量制品时该DLC涂层能够实现快速的等离子生成速度，以减少等离子加工设备中的商业投资成本，并且以高速沉积DLC涂层。此外，本专利技术的另一个目标是为制品提供能够稳定使用而无需用新的DLC涂层进行替换的DLC涂层，当该制品是诸如汽车零件的滑动构件时，尤其是包括作为衬底的含铁材料的滑动零件时，该DLC涂层展示出对该制品的衬底的高固定强度。该含铁材料包括诸如铁以及铁的合金的多种多样的铁材料。在本专利技术的一个方面中，本专利技术存在于用于在衬底的表面上形成无定形且硬的碳涂层的方法中。该方法包括以下步骤: 提供等离子加工设备，该设备包括限定加工腔的圆柱形电极和置于该加工腔的中心周围或者该加工腔 的中心区域附近的杆状电极，并且其中该杆状电极与该圆柱形电极之间的距离是I至10臟； 将电场施加至等离子加工设备中的杆状电极与圆柱形电极之间，以通过等离子处理生成供涂层的形成中使用的等离子；和 连续进行以下一系列步骤:使该衬底在存在氩气、氢气和氮气的情况下受到等离子氮化预处理以形成该衬底的预处理表面，在该衬底的预处理表面上形成中间层，并且使该衬底在存在碳源的情况下受到等离子CVD处理以形成无定形且硬的碳涂层。在本专利技术的另一方面中，本专利技术存在于用于在该衬底的表面上形成无定形且硬的碳涂层的设备中。该设备包括等离子加工设备，该等离子加工设备包括限定加工腔的圆柱形电极、置于该加工腔的中心周围或者该加工腔的中心区域附近的杆状电极、以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在衬底的表面上形成无定形且硬的碳涂层的方法，所述方法包括以下步骤：提供等离子加工设备，所述等离子加工设备包括限定加工腔的圆柱形电极和置于所述加工腔的中心区域周围的杆状电极，并且其中所述杆状电极与所述圆柱形电极之间的距离是1至10?mm；将电场施加至所述等离子加工设备中的所述杆状电极与所述圆柱形电极之间，以通过等离子处理来生成用于涂层的形成的等离子；和连续进行以下一系列步骤：使所述衬底在存在氩气、氢气和氮气的情况下受到等离子氮化预处理以形成所述衬底的预处理表面，在所述衬底的所述预处理表面上形成中间层，并且使所述衬底在存在碳源的情况下受到等离子CVD处理以形成无定形且硬的碳涂层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：糸村大辅，寺亮之介，
申请(专利权)人：株式会社电装，
类型：发明
国别省市：