KR20030063109A

KR20030063109A - 디엘씨층 시스템 및 이러한 층 시스템을 제작하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20030063109A
Application number: KR1020027013744A
Authority: KR
Inventors: 마슬러오를로; 페드라찌니마우로; 볼라브크리스챤; 에버를휴버트; 그리쉬케마틴; 미힐러토르스텐
Original assignee: 어낵시스 발처스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2003-07-28
Also published as: PT1362931E; ES2244870T3; DE50011775D1; US20040219294A1; JP4849759B2; WO2001079585A1; ES2252092T3; EP1362931B1; ATE311483T1; EP1362931B2; US7160616B2; US20040038033A1; EP1362931B9; US20100018464A1; BR0017216A; EP1272683A1; HK1050553A1; DE50010785D1; KR100762346B1; EP1362931A1

Abstract

본 발명은 마모 및 침식을 방지하고 슬라이딩 성질 등을 향상시키기 위한 층 시스템을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 층 시스템은 기판상에 배열되는 접착층, 상기 접착층상에 배열되는 전이층 및 다이아몬드 유사 탄소로 제조된 외부층을 포함한다. 상기 접착층은 주기율표상의 4번째, 5번째 및 6번째 하위그룹 원소들로 이루어진 그룹중 적어도 하나의 원소 및 실리콘을 포함한다. 상기 전이층은 다이아몬드 유사 탄소 및 앞서 언급한 그룹중 적어도 하나의 원소로 이루어지고, 및 상기 외부층은 실질적으로 다이아몬드 유사 탄소로 이루어진다. 상기 층 시스템은 15 GPa 이상, 바람직하게는 20 GPa 이상의 경도, 및 VDI 3821, 시트 4에 따른 3HF 이상의 접착력을 가진다.

Description

디엘씨층 시스템 및 이러한 층 시스템을 제작하기 위한 방법{DLC LAYER SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING SAID LAYER SYSTEM}

매우 견고하고 우수한 슬리핑(slipping) 특성을 갖고 있는 다이아몬드-유사 탄소 층(Diamond-like carbon layers; DLC layers)의 우수한 특성과 이에 대한 세계적인 연구 활동에도 불구하고, 보다 실질적인 층 두께(>1㎛)의 경우에서 조차도 일반적인 마모방지 응용에 있어서 산업적으로 이용하기에 충분한 층 접착력을 갖고 있으며, 또한, 이들을 생산하기 위한 고-주파(high-frequency; HF) 공정을 수행하지 않기에 충분하고 그리고 이와 같은 공정과 연관된 많은 어려움들을 직면하지 않을 수 있을 만큼 충분한 전도성을 갖는 어떠한 순수 DLC 층을 제작하는 가능성이 아직까지 제시되지 못하였다.

일반적인 마모 방지 응용중에서 기계 제작과 연관된 응용으로서, 슬라이딩 마모(sliding wear), 피팅(pitting), 냉결합(cold bonding), 기타 등에 대한 보호와 관련된 응용, 특히 서로 연관되어 이동하는 기계 부분, 예를 들면, 기어 휠(gear wheels), 펌프(pump) 및 주형다이(컵) 램(moulding die(cup) rams), 피스톤 링(piston rings), 주입 니들(injection needles), 완전 베어링(complete bearings) 또는 이들 각각의 구성 요소, 및 다양한 기타의 것들에 대한 보호와 연관된 응용들이 행해질 수 있을 뿐만 아니라, 치핑(chipping) 또는 냉작업(cold working)에 사용되는 도구들을 보호하기 위한 물질 가공 섹터 및 다이 캐스팅에서의 응용들도 일반적인 마모 방지 응용으로 행해질 수 있다.

마모 방지와 연관된 이러한 많은 부가적인 응용 가능성 이외에도, 또한, DLC 층들이 사용될 수 있는 또 다른 매우 유망한 분야인 부식 방지에 관하여 본 발명에 간략하게 언급되어 있다.

높은 내부 스트레스 및 이와 관련되어 보다 문제성있는 접착성이 주어진 순수 DLC 층은, 특히, 매우 변형된 표면이 마모에 대해 보호받아야 할 경우, 오늘날 많은 응용들에 대해 불충분한 두께로 증착될 수 있거나, 또는 대안적으로, 다른 원소들, 예를 들면, 그들의 성질을 변형시키는 실리콘, 다양한 금속들, 플루오린(fluorine)들을 포함시켜 변형되어야 한다. 그러나, 이러한 방법으로 얻어진 개선된 접착성과 층내에 있는 변형의 감소는 항상 견고함을 사라지게 하였고, 이는, 특히 마모 방지 적용에서, 종종 코팅된 대상의 사용가능한 수명에 나쁜 영향을 미칠 것이다.

흑연탄소(graphitic carbon) 및/또는 금속의 혼합물 또는 금속성 탄화물(metallic carbides) 및 탄소로서 이러한 물질들을 포함하는 런닝-인 지지층(running-in layers)의 부가적인 증착은 고려될 수 없다. 왜냐하면, 런닝-인 효과를 얻기 위해 요구되는 최소 지지층 두께는 보다 유해한 내부 변형을 증가시킬뿐만 아니라, 순수한 탄소층에 불확실한 접착성을 공급한다. 그러나, 매우 견고한 탄소 또는 다이아몬드층의 결합과 슬리핑 또는 여기에 놓여진 런닝-인 층이, 예를 들면, 현대적인 자동차 엔진에 사용되는 부품을 제조하기 위한 요구를 만족시킬 수 있는 것은 이러한 형의 층 시스템뿐이다.

견고한 DLC층의 높은 전기적 저항때문에, 오늘날 일반적으로 사용되는 DLC층의 제작을 위한 플라즈마에 바탕을 둔 공정은 종종, 특히, 13.56MHz의 산업적일 주파수에서 HF 바이어스 또는 플라즈마(여기서 HF, 즉 높은 주파수란 10MHz 보다 높은 주파수를 의미함)를 이용하여 코팅 동안에 전하의 교란을 증가시키는 것을 피하려고 한다. 이러한 기술의 알려진 단점은 HF 과잉 스파크, 코팅된 기판의 안테나 효과 그리고 여기에 결합된 코팅된 물질들간의 상대적으로 큰 최소 거리를 피하기 위하여 높은 손실을 피하거나, 또는 억제(HF 자동제어, 발송 효과 등)하기에 어려움이 있는 전기적으로 민감한 조절 유니트와 간섭이 일어난다는 것인데, 코팅 챔버에 이용할 수 있는 공간과 지역의 최적 개발을 방해한다. HF 공정이 사용될 때, 과도한 전하 밀도 또는 잘못된 기판/지지대 틈과 같은 요소들이 어두운 공간의 중복과 이차 플라즈마의 지속적인 생산을 이끌지 않음을 확신하기 위한 많은 주의가 요구된다. 이러한 이차 플라즈마는 에너지 강하를 야기하고 따라서 플라즈마 발전기를 위한 부가적인 노력을 유도할 뿐만 아니라, 이러한 한정된 플라즈마 집중은 종종 기판의 과열과 원하지 않는 층의 흑연화를 유도한다.

따라서, HF 공정에서 기판 전압은 다음 식과 같이 기판 표면에 의존한다.

U_S/U_E= C_E/C_S= (A_E/A_S)⁴

여기서 U는 전압(voltage)을, C는 정전용량(capacitation)을, A는 표면적을 의미하며, 아래첨자 S와 E는 각각 기판과 반대 전극(counter-electrode)을 의미한다. 기판 전압 U_S는 기판 면적 A_S가 증가됨에 따라 급격하게 줄어들 것이고, 이는 전력 손실의 실질적인 증가를 수반할 것이다. 결과적으로, 사용된 플라즈마 발전기의 수용 능력에 따라서 최대 면적이 코팅될 수 있다. 그렇지 않다면, 시스템에 충분한 전력을 전할 수도 없고, 전위차(기판 전압)가 밀집되고 잘 접착된 층들을 보증하기 위해 필요한 이온 플레이팅 효과를 얻기에 충분히 높을 수 없다.

또한, HF 공정들이 사용될 때, 소위 매치박스(matchbox)와 같은 적절한 전기적 회로망에 의한 공정 동안에 서로에게 발전기와 플라즈마 임피던스를 적용하기 위하여 설비에 부가적인 장치를 도입하는 것이 대개 필요하다.

다음의 몇개 단락은 종래 알려진 다양한 공정들 및/또는 층 시스템의 간략한 내용을 기재하고 있다.

EP 87 836은 음극의 스푸터링(sputtering)에 의해 증착된 금속 성분들을 0.1-49.1% 분담한 DLC 층 시스템을 개시하고 있다.

DE 43 43 354 A1은 티타늄 니트리드(titanium nitrides), 티타늄 카바이드(titanium carbides) 및 티타늄 보라이드(borides)로 이루어진 기계적 저항층(resisting layer)과 티타늄과 질소가 계속적으로 표면으로 옮겨지는, 탄소가 포함된 마찰-경감 표면층(friction-reducing surface layer)을 갖는 Ti-함유 다중층 층 시스템(Ti-containing multi-layer layer system)을 제조하는 공정을 개시하고 있다.

US 5 078 848에 기재된 DLC 층의 제조를 위한 공정은 펄스된 플라즈마 분출에 유용하다. 작은 출력부가 있는 재료로부터의 지향적인 입자 방사물 덕분에 이러한 공정들은 보다 큰 표면을 일정하게 코팅하기에 충분하다.

이러한 공정들에 의해 제조된 다양한 CVD 과정들 및/또는 혼합된 SiDLC/DLC 층들은 다음에 기재하였다:

EP-A-651 069는 DLC 및 SiDLC 층들을 교류하는 2-5000의 마찰-경감 마모 방지 시스템(friction-reducing wear protection system)을 개시하고 있다. 접착성을 개선시키기 위해 그들의 근처에 중간 Si 층과 SiC:H 과도 지역을 갖는 DLC 층의 증착을 위한 공정은 EP-A-600 533에 기재되어 있다. 마찬가지로 EP-A-885 983과 EP-A-856 592는 이러한 층들의 제조를 위한 다양한 공정들은 기재하고 있다. 예를 들면, EP-A-885 983에서는 직류 전압 또는 20-10,000 kHz 사이의 MF가 기판에 적용되는 동안 플라즈마가 직류에 의해 가열된 필라멘트(filament)에 의해 제조된다(MF = 중간 주파수는 1-10,000 kHz 사이의 주파수 범위를 의미함).

US 4 728 529는 HF 플라즈마를 이용하는 것에 의한 DLC를 증착하는 방법을 기재하고 있는데, 층은 산소가 없는 하이드로카본(oxygen-free hydrocarbon) 플라즈마로부터 103-1 mbar 사이의 압력 범위에서 형성되고, 만일 필요하다면, 불활성 기체 또는 수소가 첨가될 수 있다.

DE-C-195 13 614에 기재된 공정은 103-1000 Pa 사이의 압력 범위에서 보다 짧은 양성 펄스 기간으로 양극 기판 전압을 이용한다. 이러한 공정으로 15-40 Gpa 사이의 경도와 10nm-10㎛ 사이 범위에 있는 층들의 축적을 얻을 수 있다.

독립적으로 코팅 플라즈마를 생산하는 기판 전압을 갖는 CVD 공정은 DE-A-198 26 259에 기재되어 있는데, 적용된 기판 전압은 바람직하게는 양극이지만, 다른 변형된 전압 또한 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 공정은 이중으로 제공되야 하기 때문에, 공정을 실행하기 위해서는 상대적으로 값이 비싼 전기 공급 유니트를 필요로한다.

또한, 우수한 슬리핑 특성을 갖는 탄소가 풍부한 덮개층(carbon-rich covering layer)이 있는 전통적인 경질층(hard-material layers)의 혼합을 제공하는 공정들은 긴 시간 동안 알려져 왔다.

예를 들면, US 5,707,748은 금속 함유 경질층(TiN, TiA1VN, WC)과 흑연이 결합된 탄소(즉, sp²혼성화된 탄소)의 함량이 증가한 경질이 다소 완화된 금속 탄화물층으로 이루어진 복합층을 기재하고 있다. 금속/탄소의 우수한 슬리핑 특성 및/또는 금속 탄화물/탄소(MeC/C)층을 제공하고 있는데, 이들은 바람직하게는 마찰력의 감소를 얻기위해 및/또는 덮여진 부분의 방어는 말할 것도 없이 그들이 접촉하고 있는 몸체를 방어할 때, 트리보시스템(tribosystem)에 사용되는 것이 바람직하다. 높은 산소 성분을 갖고 있는 Me/C/C 층은 이러한 면에서 효과적임이 입증되었다. 산소 입자의 전달이 전체 트리보시스템의 윤활 효과를 얻는 것을 가능하게 하는 동안에, 부드러운 덮개층은 런닝-인 효과를 생산하기 때문이다. 흑연 탄소를 포함하는 Me/C 또는 Me/C/C 층과 경질층 사이의 접착력이 향상된 금속 중간층을 갖는 유사 복합층은 WO 99-55929에 기재되어 있다.

본 발명은 청구항 제 1항에 따른 층 시스템, 제 21항에 따른 방법 및 제 41항에 따른 장치에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항 제 2항 내지 제 22항, 제 22항 내지 제 39항 및 제 41항에 개시되어 있고, 또한 명세서, 실시예 및 도면에도 기재되어 있다.

도 1 본 발명의 장치의 단면도

도 2 위에서 본 도 1의 발명의 평면도

도 3 기판 전류에 대한 코일 전류의 영향

도 4 슬리핑층 증착 중의 공정 파라미터

도 5 DLC 층 증착 중의 공정 파라미터

도 6 본 발명에 따른 DLC 층 분열 표면 부분의 REM 사진

도 7 DLC 층 시스템의 증착 중의 공정 파라미터

도 8 흑연화된 DLC 층의 증착 중의 공정 파라미터

도 9 역경사층의 증착 중의 공정 파라미터

도 10 경사층의 증착 중의 공정 파라미터

도 11 수소-풍부층의 증착의 공정 파라미터

따라서, 본 발명은 상당한 견고함과 우수한 접착력에 의해 특징되는 상대적으로 두꺼운 DLC 층 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 시스템은 HF 성향없이 축적되는 것을 허용하기 위해 충분히 높은 전기전도도를 갖고 있으며, 이에 따라, 가격이 낮아지고 산업적인 이용을 위해서는 효과적인 공정과 장치를 이용할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 적합한 공정과 적합한 장치를 이용하게 하는 것이다.

이러한 목적은 도면 1의 특성을 갖는 층과 도면 11에 따른 공정, 그리고 도면 30에 따른 장치에 의해 해결된다. 유익한 실시예들은 종혹된 도면들에 기재한다.

놀랍게도 특별히 우수한 슬리핑을 갖는 부가적인 층이 있는 상대적으로 두꺼운 DLC와 만약 원한다면, 런닝-인 특성을 갖아 이로인해 더 나쁜 접착력이 없는DLC 조차 제공될 수 있음이 밝혀졌다. 처음으로, 금속 탄소층의 우수한 슬리핑 특성을 갖는 DLC에 높은 견고함을 더할 수 있게 되었다. 이것은 본 발명에 따른 DLC 층에 슬리핑층을 축적하는 것에 이루어질 뿐만 아니라, 알려진 DLC 층 및/또는 알려진 DLC 층 시스템에 슬리핑층을 축정하기 위한 기재된 공정의 한가지 사용에 의해서도 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 또한 우수한 접락성과 높은 마모 저항성을 갖는 DLC 및/또는 다이아몬드층을 제공하는 것인데, 이는 종래의 DLC 및/또는 다이아몬드층과 비교하여 개선된 슬리핑 특성 및 바람직하게는 런닝-인 특성을 갖게될 것이다. 이러한 DLC-슬리핑층 시스템은 마모 방지, 부식 방지 및 슬리핑 특성의 개선에 유리할 수 있으며, 이는 층 시스템에서 실현되기에 어려운 특성들을 원할 때 특별히 유리할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층 시스템의 제작을 위한 장치 및 공정을 유리하게 하는 것이다.

본 발명에 있어서, 이러한 목적은 명세서의 첫번째 문단에 의해 해결된다.

층 시스템(Layer system)

본 발명에 있어서, DLC 층 시스템은 다음의 층 구조를 갖는 층의 제작에 의해 얻어진다.

아족 IV, V 및 VI의 원소들과 실리콘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소가 기판에 직접적으로 위치한다. 바람직한 것은 크로뮴(chromium) 또는티타늄(titanium)의 접착층인데, 이들은 본 발명의 이러한 목적에 특별히 적합하다.

이것은 바람직하게는 경사층으로 형성된 전이층 다음인데, 여기서 금속 함량은 오른쪽 각도 방향에서 기판 표면을 작게하고, 그동안 탄소 함량은 증가한다.

전이층은 반드시 탄소와 접착층을 구성하는 원소들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 이에 더하여, 전이층과 접착층 모두는 외부 공기로부터 층에 유입된 원소들, 본 공정에 사용된 아르곤(argon) 또는 크세논(xenon) 같은 불활성 기체의 원소들에 의해 이루어진 피할 수 없는 불순물을 함유하고 있다.

전이층이 경사층의 형태로 축적될 때, 덮개층의 방향에 있는 탄소의 증가는 상이한 탄화물상의 증가 또는 자유 탄소의 증가에 의해 이루어질 수 있거나 또는 전이층의 금속상과 함께 상들의 혼합에 의해서도 이루어질 수 있다. 당업자에 공지된 바와 같이, 경사층 및/또는 전이층의 두께는 적합한 공정 경사(ramps/slopes)를 정비하는 것에 의해 조절될 수 있다. 탄소 함량의 증가 및/또는 금속상의 감소는 지속적일 수도 있고 각각의 단계로 이루어질 수도 있으며, 전이층의 적어도 한 부분에서 금속과 탄소가 풍부한 각각의 층들이 층의 변형을 감소시키는 것을 제공할 수 있다. 경사층을 형성하는 언급된 방법들에 의해서, 접착증와 근접한 DLC층의 물질 특성들(탄력 계수, 구조, 등)이 지속적인 방법으로 서로 조화되며, 이러한 상황은 금속 또는 실리콘과 DLC 사이에 형성된 경계면을 끼고 형성한 크랙의 위험을 없앤다.

층 패키지의 말단은 탄소, 바람직하게는 수소가 배타적으로 구성되어 있는 층에 의해 이루어져 있는데, 접착층과 전이층과 비교하여 역시 높은 두께를 갖고 있다. 탄소와 수소 이외에, 이 층은 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 기체를 포함하고 있을 수 있다. 그러나, 이러한 경우 다른 금속 원소들 또는 실리콘이 함께 있으면 안된다.

전체 DLC 층 시스템의 경도는 15 GPa 보다 높은 값으로 조절되며, 바람직하게는 10 Gpa 이상이다. 도달된 접촉력은 HF 3 이상이고, 바람직하게는 HF 2 이상이며, VDI 3824 4장에 따르면, 구체적으로 HF 1이다. 눕(Knoop) 방법에 의해 측정된 경도는 0.1 N Last, 즉, HK 0.1에 대응되는 양이다: DLC 층의 표면 저항력은 δ= 10^-6Ω과 δ= 5 ㏁ 사이에 있고, 바람직하게는 20mm의 전극차와 함께 1 Ω과 500 ㏀ 사이에 있다. 동시에, 결코 DLC 층은 특별한 마찰 계수에 의해 구별되지 않을 것인데, DLC를 위해서는 낮고, 바람직하게는 핀(pin)/디스트(disk) 테스트에서 μ≤0.3이다.

층 두께는 총 1㎛ 보다 두꺼우며, 바람직하게는 2㎛ 보다 두꺼운데, 여기서 접착층과 전이층은 0.05㎛와 1.5㎛ 사이의 층 두께는 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로 0.1㎛와 0.8㎛ 사이의 층 두께이다. 반면, 덮개층은 0.5㎛와 20㎛ 사이의 두께는 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로 1㎛와 10㎛ 사이의 두께이다.

덮개층에 있는 수소 함량은 바람직하게는 5 내지 30 원자%(atom%)이며, 구체적으로 10-20 원자%이다.

램(REM) 사진들은 본 발명에 따라 축적된 DLC 층 시스템이 분열된 표면을 갖고 있음을 보여주는데, 종래의 DLC 시스템과 비교하여 유리와 같은 무정형 구조를 갖고 있지 않고, 미세한 나뭇결 구조를 갖고 있다. 여기서 나뭇결 크기는 바람직하게는 300mm 이상이며, 구체적으로 100mm 이상이다.

물질의 마찰학적 테스트에서 코팅(coating)는 다른 DLC 층, 예컨대 금속/탄소 층, 특히 WC/C 층보다 더 유용한 몇 번의 수명을 가지는가에 대해 시험한다. DLC 층이 장치된 내부 연소 엔진의 주입 노즐에 있어서, 예컨대 가벼운 마모(wear)는 1000h 후의 테스트에서 확인되는 반면, WC/C 층으로 코팅된 노즐은 바로 주기재로 닿는 표면의 많은 마모 때문에 10h 후의 동일한 테스트로는 확인되지 않는다.

본 발명에 따른 DLC 층의 바람직한 층 조도(거칠기 정도; roughness)는 Ra = 0.01-0.04로서, 이 때 DIN으로 측정되는 Rz는 ＜ 0.08, 바람직하게는 ＜ 0.5인 바람직하다.

상기 언급한 특성을 갖는 본 발명에 따른 층 시스템의 첫 번째 이점은 산업생산에서 비교적 간단한 과정을 가능하게 하는데 더욱 충분한 전도력에 의하여 보충되는 우수한 부착력을 갖는 두꺼운 대형 층을 성공적으로 결합할 수 있다는 것이다.

상기 층은 ＞ 15 GPa, 바람직하게는 ≥20 GPa의 재료 경도에도 불구하고, 그의 구조와 본 발명에 따른 공정 단계로 인해, 명확하게 향상된 부착력을 보인다. 종래 층 시스템은 층 스트레스를 감소시키기 위하여, 도핑이 경도를 감소시킬 지라도, 기능 층(DLC)의 도핑을 필요로 한다.

본 발명에 따른 층의 분열 표면의 REM 사진은, 종래 알려진 DLC 층과는 대조적으로, 부분적으로 바닷조개와 유사한 함몰, 미세한 나뭇결, 그리고 일직선의 분열 표면을 가지는 부서지기 쉬운 무정형 층의 전형성인 분열을 있음을 보여준다. 상기 언급한 특성 프로파일을 갖는 층은, 장치, 예컨대 무겁게 로드된 톱니바퀴(gearwheel), 플런저(plunger), 펌프축(pump spindle) 및 좋은 슬리핑(slipping) 특성을 갖는 특히 무겁고 매끄러운 표면을 가지는데 필요한 기타 요소 뿐 아니라, 내부 연소 엔진, 모터 장치를 위한 기어에 사용되는 무겁게 로드된 펌프의 코팅 또는 다이 홀더 피스톤(die holder piston)과 밸브 드라이브, 캠 및/또는 캠축의 제조에 적용하는데 특히 적합하다.

이들 층(높은 경도와 매우 매끄러운 표면을 가짐)은, 비록 철물의 가공시, 특히 적용이 높은 경도와 더불어 작은 마찰 계수가 요구되는 경우 어떤 제한 요소에 영향을 받기 쉬우나, 도구 분야(tool sector), 특히 도구의 절단 뿐 아니라, 비절단 조작(압축, 펀칭, 딥 드로잉(deep drawing)...)의 도구와 사출 성형 다이(injection moulding die)를 위한 도구에 편리하게 사용될 수 있다.

DLC의 성장율은 1-3㎛/h의 순서(order)이다. 전체 시스템의 층 스트레스는 약 1-4 GPa로, 경질 DLC 층의 통례의 범위 내이다. 상기에서 언급한 바와 같이,전도력은 δ= 10^-6Ω와 δ= 5MΩ사이, 보다 바람직하게는 10^-3Ω와 δ= 500kΩ사이(이는 20 ㎜의 전극 갭을 갖는 표면 저항인 경우에 측정된 것임)로 될 것이다,

본 발명에 따라 증착된 DLC 시스템에서 통용되는 슬리핑 특성이 다른 경질재(hard material), 예컨대 경질 질화물 및/또는 탄화물 층 표면의 것보다 더욱 유리할 지라도, 상기 특성은 금속/탄소 층과 실현할 수 있는 매우 작은 마찰 계수에 도달하지 못하고, 런닝-인-층(running-in layer)에 적합하지 않다.

만약 DLC 층 또는 DLC 층 시스템의 슬리핑 및/또는 런닝-인 층 특성이 더 형상된다면, 비교적 많은 비율의 흑연 탄소(graphitic carbon)를 포함하는 매끄러운 층도 적용시킴으로써 상기 시스템을 종결시킬 수 있다. 상기 층은 본 발명에 의하지 않은 DLC 층 및 층 시스템, 특히 비결정체 다이아몬드 층에 유용하게 적용될 수 있다.

본 명세서는, 이에 한정되지는 않으나, 상기 기술한 DLC 층 시스템과 그 위에 증착되는 슬리핑 층을 유용하게 구성할 수 있는 본 발명에 따른DLC-슬리핑 층 시스템에 대해 기술하고 있다. 놀랍게도, 매우 다르게 구조된 슬리핑 층 때문에, 슬리핑 뿐 아니라 런닝-인 특성을 향상될 수 있음이 밝혀졌다. 그러나, 매우 두꺼운 층임에도 불구하고, 그것은 DLC- 슬리핑 층 시스템을 위한 DLC 층 시스템의 우수한 부착력을 얻는다.

상기에서 기술한, 본 발명에 다른 DLC 층 시스템에 사용하는데 가장 적합한 마찰 감소 층(friction-reducing layer)의 바람직한 일 예는 부가적인 금속 재료없이 DLC 구조의 적용, 바람직하게는 흑연 층 구조에서 sp²결합 비율을 증가, 이로 인한 커버링 층의 경도 감소 및 런닝-인 특성이 필요한 경우 슬리핑 특성의 향상으로 구성된다.

슬리핑 층의 다른 바람직한 일 예는 표면 방향으로 금속 함량이 증가하되, 탄소 함량은 감소하는 두 번째 역방향의 경사층을 형성함으로써 얻어질 수 있다. 금속 함량은 마찰 계수가 바람직한 낮은 수치에 도달될 때까지 증가된다. 바람직하게는 실리콘(silicon) 뿐만 아니라 (주기율 표의) 서브그룹 Ⅳ, Ⅴ 및 Ⅵ의 하나 또는 그 이상의 금속들이 상기 용도로 사용된다. 특히 바람직한 금속은 크로뮴(chromium), 텅스텐(tungsten), 탄탈륨(tantalum), 니오븀(niobium) 및/또는 실리콘이다. 층의 금속양은 0.1 내지 50 원자%, 보다 바람직하게는 1 내지 20 원자% 사이이다.

마찰 감소 층의 또 다른 바람직한 일 예는 금속성 또는 탄화성 중간 층, 특히 크로뮴 또는 WC를 탄소 또는 수소로만 구성된 층위에 증착시키고, 이를 다시 첫 번째 경사층과 비슷한 방법으로 제조된, 감소된 금석 함량과 증가된 탄소함량을 가지는 커버링 층에 증착시킴으로써 제조될 수 있다. 이 결합은 편리하나, 코팅 장치의 복잡성을 적당한 최소한도로 유지하기 위하여 첫 번째 경사층과 동일한 금속성 원소 또는 원소의 사용을 필수적으로 하지 않는다. 이 때에도 층의 금석 부분은 0.1 내지 50 원자%, 바람직하게는 1 내지 20 원자%의 사이이다.

놀랍게도 금속을 포함하는 슬리핑 층이 종래 방법에 의해 증착된 DLC 층에 적용되는 경우, 명확한 성능의 향상을 야기하는데 특히 적합하다는 것이 밝혀졌다. 상기 시스템의 전체 부착성에 영향을 끼치는 작은 작용이 일어나는 이유는 도입된 부가적인 층 스트레스가 작고, 또 용이하게 될 수 있기 때문이다.

세 가지의 모든 가능성을 고려할 때, 층의 마모가 있다 할지라도 특정 조건에 적합한 층 특성(마찰 계수, 표면 장력, 습도 등)을 유지하기 위해서는 불변의(일정한) 층 조성물을 말단 부분에 제공하고 층의 런닝-인이 가능하도록 하는 것이 유익하다는 것이 확인되었다.

사용되는 금속과 여분의 흑연 탄소 초과에 의존하여, 마찰 계수는 μ= 0.01과 μ= 0.02가 될 수 있다(도면은 50% 습도의 표준 대기에서의 핀/디스크 테스트에 관한 것이다).

DLC 층의 경도는 15 GPa보다 더 큰 수치가 바람직하며, 보다 바람직하게는 20 GPa보다 더 크거나 같은 수치가 바람직하다. 반면, 보다 부드러운 말단 슬리핑층의 경도는 각 특정의 경우 필요에 따라 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 층 시스템의 완전한 수소 함량은 5 내지 30 원자%, 보다 바람직하게는 10 내지 20 원자% 사이이다.

층 조도는 0.04보다 적은, 바람직하게는 0.01보다 작은 Ra 수치 또는 0.8보다 작은, 바람직하게는 0.5보다 적은 Rz_DIN수치가 될 수 있다.

본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층 시스템의 이점은, 종래 DLC 층의 우수한 슬리핑 작용과 비교할 때, 하나의 매그니튜드(magnitude)까지 향상된 슬리핑 특성을 가진 큰 경도의 DLC 층의 결합으로 이루어진다. 예를 들어, 마찰 계수는 μ= 0.1보다 적은 수치까지 감소될 수 있다. 그러므로, 접촉(contact) 시 초기 층의 감소 및 본체(body)의 흑연 윤활(lubrication)로 인하여 처음으로 DLC 층 위에서 런닝-인 작용이 부여될 가능성이 있다. 따라서, 보호적인 코팅이 없을 때 조차도 다른 본체의 마모가 명확히 감소하게 된다.

게다가, 상기 기술한 순수한 DLC 층의 하나의 용도는 종래 사용된 경질재 층, 특히 arc 과정에 의해 증착된 층으로 조절될 수 있던 것보다 더 작은 Rz 또는 Ra 수치, 예컨대, 코팅된 표면의 더 작은 조도를 조절하는 것을 가능하게 하는 것이다. 특정한 경질 조도 피크 때문에, 경질재와 슬리핑 층의 공지된 결합은, 특히다른 본체가 경질층에 의해 보호된 그 자체가 아닐 경우, 트리보시스템(tribosystem)의 런닝-인 작동을 저지 및 방해하여 다른 본체 표면이 부분 또는 전체적으로 파괴될 수도 있다. 이는 경질 슬리핑 요소를 가지고 있는 트리보시스템, 예컨대 컵 플런저(cup plunger) 또는 다른 기어에 있어서, 트리핑 및 슬리핑 레버(lever)에서 특히 중요하다.

여기서 경질재와 슬리핑 층의 결합과 순수한 DLC 층 시스템을 비교할 때, DLC-슬리핑 층의 우수성은 여러 가지 적용에서 앞선다.

이들의 매우 높은 경도와 매우 미끄러운 표면 때문에, 이들 층은 철물의 가공시, 특히 한정된 런닝-인 효과와 결합하여 작은 마찰 계수가 필요할 때 어떤 제한 요소에 영향을 받기 쉬운 경우가 있다 하더라도 도구 분야, 특히 절단 도구 이외에 비절단 작동(압축, 펀칭, 딥 드로잉...)과 사출 성형 다이를 위한 도구에 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 코팅된 드릴 비트(drill bit)를 이용하는 경우, 예컨대, 단일 사용(단 하나의 홀(hole)) 후에 이미 기계화된 표면에서 폴리싱 효과(polishing effect)가 관찰되어지는데, 이는 예컨대, 깊은 홀이 뚫어지게 되는 경우 큰 이익이 된다.

본 발명에 따른 DLC-슬리핑 층은 -예컨대- arc 증발기(vaporizer)에 의해 증착된 종래 경질재와 슬리핑 층의 결합(예: TiAIN/WC/C)보다 더 매끄러운 표면으로증착시킬 수 있으며, 예를 들면, 공지된 Ti-DLC // MoSx 층 결합보다 더욱 간단한 연속공정으로 통합될 수 있다.

공정

본 발명에 따른 DLC 층 시스템을 제조하기 위한 공정은 다음과 같은 특성에 의해 더욱 구별된다.

코팅될 부분을 PVC 공정에 적합한 공지 방법에 따라 세척한 후, 홀더 장치를 이용하여 마운트(mount)시킨다. HF 공정과는 대조적으로, 필수적으로 1, 2 및 3- 정확한 숫자는 입자의 지오메트리(geometry)에 의존함-의 병렬 회전 축(parallel rotation axes)을 갖는 홀더 장치를 이 용도로 사용하는 것이 가능하며, 이것은 더 큰 로딩 밀도를 얻는 것을 가능하도록 한다. 코팅될 부분을 가지는 홀더 장치를 공정 챔버 내로 넣은 후, 10^-4mbar, 바람직하게는 10^-5mbar보다 더 작은 압력에서 펌핑(pumping)를 하여 공정 순서를 시작시킨다.

공정의 첫 부분(단계, part)은, 기판 표면을, 예컨대 가열 공정으로 기판 표면에 붙어있는 휘발성 물질들을 제거하여 세척한다. 이 사용으로 인해, 상기 기판부의 양전기로 치우친 홀더 장치와 공정에 인접한 이온화 챔버 내 음전기로 치우친 하나 이상의 필라멘트 사이에 고전류/저전압을 방전(discharge)시킴으로써 연소된, 화학작용을 일으키지 않는 가스 플라즈마가 만들어지게 된다. 이것은 강화된 전자충격(electron bombardment)과 기판부의 가열(heating)을 생성한다. 이 결합(connection)에 특히 유리하다고 증명된 아그론-수소 혼합물의 사용은, 수소의 감소효과로 인해 기판부의 표면을 세척하는 효과를 나타낸다. 고전류/저전압 방전은 공전 또는 국부적으로 변화 많은 이동성의 자장(magnetic field) 중 어느 하나로 조절될 수 있다. 이온화 챔버 공간은 상기한 바와 같이 할로우 캐소드(hollow cathode) 또는 알려진 기타 이온 또는 전자 원에 의해 얻어질 수 있다.

물론, 선택적으로 다른 가열 공정, 예컨대 방사선 가열 또는 유도 가열이 사용될 수도 있다.

기판부의 주재에 적합하도록 특정화된 온도에 도달된 후, 부가적인 또는 선택적인 세척 공정과정으로서 이온화 챔버와 보조 전극사이에 저전압을 가하는 에칭 공정을 시작하는 것이 가능하다. 50-300V의 음극 바이어싱 전압로 이온이 기판부 위에 생성된다. 상기 이온은 기판부 표면에 가해져서 잔여 불순물이 제거되고, 이로써 깨끗한 표면을 얻게 된다. 공정 대기에는 아르곤과 같은 화학작용을 일으키지 않는 가스 이외에 수소가 포함될 수도 있다.

에칭 공정은, 바로 위에서 언급한 바와 같이, 바람직하게는 1 내지 10,000 kHz, xmrgl 20 내지 250 kHz 사이 내의 중파(medium freqency) 바이어스로 만들어진 저전압 arc의 지지가 있거나 없는 펄스된 기판 바이어싱 전압을 가함으로써 수행될 수 있다.

기판에 DLC 부착을 확인하는 것에 대해서는, 바람직하게는 금속성 흡착 층, 특히 크로뮴 또는 티탄늄으로 구성된 층은 공지된 PVD 또는 플라즈마-CVD 공정, 예컨대 arc 증발화 또는 다양한 이온 플레이팅 공정, 그러나 바람직하게는 적어도 하나의 타켓에 대한 캐소딕 스퍽러링(cathodic sputtering)에 의해 증착된다. 상기 증착은 음극 기판 바이어싱 전압을 가함으로써 지지된다. 이온 충격과 스퍽터 공정동안에 영향을 끼치는 층 컴팩션(compaction)은 저전압 arc에 의해 지지될 수 있으며, 플라즈마 및/또는 기판이나 기판과 1 내지 10,000 kHz, 특히 20 내지 250 kHz 범위의 중파 바이어스를 갖는 공정 챔퍼 사이에 대한 DC 바이어싱 전압의 적용을 안정화시키거나 및/또는 강화시키기 위하여 적용되는 병행 및/또는 자장에서 작동될 수 있다.

부착층의 두께는 스퍽터링(sputtering) 또는 증착 시간과 주어진 공장의 특정 지오메트리(geometry) pf를 유지하기 위한 전력을 선택함으로써 공지된 방법에 의해 조절된다.

공장 지오메트리가 하기에 기재된 것일 때, 예컨대 크로뮴이 - 편리하게 각각 반대로 배열된 - 2개의 타켓에 아르곤 대기 하에서 10^-4내지 10^-3mbar 사이의 압력, Ubias = -75 V의 기판 바이어스 및 약 8 kW의 전력으로 6분 간격으로 스퍽터링된다.

본 발명은 부착층과 DLC-층 사이에 가능한 점차적인 전이를 확인하기 위하여 부착증의 적용 다음에 전이층의 증착을 하였다.

플라즈마에 의해 지지된 부착증의 구성요소의 증착을 가스 페이스로부터 탄소의 증착에 의해 수행하는 것과 동일한 방법에 따라 전이층을 증착시켰다. 이 때 반응가스로서 탄소를 포함하는 가스, 바람직하게는 탄화수소, 특히 에틸렌을 사용하는 플라즈마-CVD 공정에 의해 행하는 것이 바람직하다.

중파의 특정 "펄스드(pulsed)" 바이싱 전압은 전이층 적용 동안에 기판에 가해져서 자장이 포개진다.

경사층을 형성하기 위한 바람직한 방법을 얻기 위하여, 증착된 탄소 부분을 전이층이 증착됨에 따라 증가시킨다. 이 과정은 마침내 필수적인 순수 탄소가 증착될 때까지 연속적으로 또는 단계적으로 할 수 있다.

다이아몬드 유사 탄소 층의 공정에서 가스 페이스로부터 플라즈마-CVD 증착을 이용하여 제조된다. 상기 가스는 탄소를 포함하는 가스, 바람직하게는 탄화수소 가스, 특히 에틸렌이 반응가스로서 이용된다.

상기 공정이 수행되는 동안, 기판 바이어싱 전압은 유지되고 중복발생된 자기장은 작용하기 위하여 지속된다.

바람직한 실시예에서, 상기 반응 가스는 탄소를 포함하는 가스 및 수소와 불활성 가스가 포함된 가스, 바람직하게는 아르곤(argon)과 크세논(xenon)으로 이루어진 다이아몬드 유사 탄소로 구성된 전이층(transition layer)과 커버층(covering layer)을 형성하기 위하여 탄소를 증착하는데 사용된다. 상기 공정 챔버에서 압력은 10^-4내지 10^-2mbar로 설정한다.

다이아몬드 유사 탄소로부터 커버층을 증착하는 공정에서 불활성가스 특히, 아르곤의 비율이 감소하는 동안 탄소를 함유한 가스의 비율은 증가된다.

접착층(adhesion layer), 전이층 및 커버층의 증착을 위한 공정 단계 동안에 특히 전이층 및 커버층을 형성하는 동안 기판에 이용되는 바이어싱 전압(biasing voltage)은 중간-주파수(medium-frequency) 범위가 1 내지 10,000kHz, 바람직하게는 20 내지 250kHz의 펄스를 가지는 중복발생된 AC 또는 펄스 또는 조절된 직류전압 특히, 단극(음극) 또는 양극 기질 바이어싱 전압으로 이루어진 직류전압(direct voltage, DC)을 사용할 수 있다. 상기 목적을 위하여 사용된 펄스 형태는 긴 음극 및 짧은 양극 펄스 기간 또는 긴 음극 및 낮은 양극 진폭(amplitudes)에 이용될 수 있는 방법에 있어서 예를 들어, 사인곡선(sinusoidal), 직사각형(rectangular) 또는 톱니 형태와 같이 대칭적인 형태이거나 또는 비대칭적인 형태 일 수 있다.

이외에, 전체 코팅 공정동안에는 일정한 장 라인 패턴(uniform field linepattern)을 가지는 종파 자기장(longitudinal)이 이용될 수 있다. 상기 코팅 공정에서 자기장은 연속적으로 또는 단계적으로 측면적 및/또는 공각적인 변경을 할 수 있다.

접착층의 증착을 위하여 DC바이어스가 사용될 때, 중간-주파수 발전기는 홀더 장치에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 발전기는 사인곡선(sinusoidal) 또는 다른 몇 가지의 양극 또는 음극 신호 패턴의 형태에서 발전기의 전압 펄스(전력 공급의 변동으로 인한 컨트롤도 가능하다, 그러나, 바람직하지 않다)를 송신한다. 진폭 전압이 100 내지 3000V, 바람직하게는 500 내지 2500V 사이 일 때, 상기에서 이용된 주파수 범위는 1 내지 10,000kHz, 바람직하게는 20 내지 250kHz가 된다. 바람직하게는 기판 전압의 변경은 특히, 직류 및 중간-주파수 전압의 송신을 위해 디자인된 발전기의 스위칭(switching)에 의해 수행될 수 있다. 본 실시예의 다른 이점으로서, 중간-주파수 전압은 에칭공정(etching process)과 접착층의 증착을 수행하기 위해서도 기판에 이용될 수 있다. 양극 기판 전압(bipolar substract voltage)이 사용될 때, 특히 비대칭 펄스 형태로 이용하는 것이 바람직하다 : 예를 들면, 상기 양극 펄스는 음극 펄스에 비해 보다 짧은 기간 또는 보다 작은 양의 전압에 사용될 수 있다. 그 이유로는 상기 작은 양의 전자들이 양극 펄스의 장에서 보다 빠르게 보다 강하게 충돌하여 부분들의 부가적인 열을 생산하게 되고 이는 특히, 온도-민감성 기제 물질의 경우에 과열로 인한 손상을 유도할 수 있기 때문이다. 비록 다른 신호 패턴을 사용할 경우에도, 이러한 위험은 전원 구성요소("ON-time")를 가지는 개별적 또는 여러 개의 신호기간의 이용 사이에 영 신호(zerosignal)를 개재시키는 소위 "오프 타임(OFF-tim)"을 제공하는 것에 의해 방해될 수 있다.

DC 바이어스가 접착층의 이용을 위해 사용되거나 또는 중간-주파수를 이용하는 경우 접착층의 목적으로 하는 층 두께로 증착 한 후 동시에 중간-주파수의 이용 또는 어떤 지연과 함께 탄화수소가스, 바람직하게는 아세틸렌은 단계적으로 또는 바람직하게는 연속적으로 증가하는 유속으로 수용기(recipient)에 들어가게 된다. 또한, 동시에 또는 지연된 시간에, 적어도 하나의 금속 또는 실리콘 타겟의 전력은 단계적으로 또는 연속적으로 감소된다. 상기 결합에서, 최소 전력을 위해 타겟의 전력을 감소시키는 것이 바람직하다. 이때 중독 현상 없이 안정적인 작동이 가능하며 당업자라면 도달된 탄화수소 유량에 따라 쉽게 결정할 수 있다. 그 다음으로, 적어도 하나의 타겟은 바람직하게는, 이동식 방법으로 배열된 하나 또는 그 이상의 실드(shields)와 스위치 오프(switched off)에 의해 공정 챔버로부터 차단된다. 개별적인 DLC 코팅 전하 사이에 필수적인 자유 스퍼터링(free sputtering) 없이도 가능하기 때문에 상기 수단은 실질적으로 타겟이 DLC 층으로 커버되는 것을 방지한다. 이는 다음의 전하가 전달될 때, 접착층의 증착에 적합하도록 타겟 표면이 완전히 블랭크(blank)가 되도록 하기 위하여 실드가 닫혀져 있는 동안 적어도 하나의 타겟의 전력을 재확립하도록 한다.

본 발명에 따른 DLC 코팅 공정의 안정화에 중요한 부분은 종파 (longitudinal) 자기장의 형성에 의해 제조된다. 접착층의 사용을 위해 종래의 공정단계에서 사용되지 않았다면, 상기 기판 전압이 중간-주파수 발전기로 전환될 때상기 장(field)은 연속적으로 확립될 수 있다. 상기 자기장은 공정 챔버 내의 장 라인 패턴(field line pattern)이 가능한 일정하게 되도록 디자인된다. 2개의 전자기 코일에서 기원된 동일한 자기장을 생성함으로써 서로를 강화하는 것과 같은 방법으로 상기 최종 전류는 2개의 반대 면에 위치한 필수적인 공정 챔버의 한계를 결정하는 2개의 전자기 코일을 통과한다. 작은 공정 챔버를 사용할 때는 한 개의 코일을 가지고도 적절한 효과를 획득할 수 있다. 상기 방법에서, 실질적인 챔버 부피 이상의 분포가 일정한 중간-주파수 플라즈마를 수득할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 특정되지 않는 기하학적 및 전자기적인 한계 조건이 충족될 때 코팅된 부분 및/또는 홀더 장치의 기하학적인 차이로 인하여 2차 플라스마는 단일 케이스에서 형성될 수 있다. 이는 코일 전류가 일치되거나 또는 바람직하게는, 대립되도록 변형을 목적으로 하는 2차적 및 공간적 변성 자기장의 형성에 의해 억제될 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 코일을 통한 전류 흐름은 두 번째 코일에서의 전류에 비해 120초 동안 더 높을 수 있다. 다음의 90초 동안, 상기 전류값은 전도되고, 두 번째 자기장이 첫 번째 자기장 보다 더 강하게 된다. 상기 자기장의 설정은 상기에서 기술한 바와 같이 연속적으로 또는 단계적으로 정기적으로 변화되고, 안정적인 2차 플라즈마의 형성은 각각의 코일 전류의 적절한 선택에 의해 회피될 수 있다.

상기 자기장의 사용과 그 결과 획득된 플라즈마 강도의 증가로 인해 종래 기술과는 반대가 되는 낮은 압력 범위에서도 예를 들어, 10^-3내지 10^-2mbar의 압력에서도 0.5 내지 5μm/hr, 바람직하게는 1 내지 4μm/hr의 높은 증착율을 가지는 순수한 DLC 층이 증착될 수 있는 안정적인 CVD 공정을 수행할 수 있다. 기판 전류와 플라스마 강도는 자기장의 활성과 직접적으로 비례한다. 또한, 상기 두 파라미터는 바이어싱 전압이 적용되는 이용 가능한 기판의 크기에 의해 결정된다. 보다 낮은 공정 압력을 사용하는 것은 보다 작은 성장 오류(growth error)를 가지게 하고 보다 부드러운 표면 증착을 가능하게 하며, 이질적인 요소의 충돌로 인해 공해를 감소시킬 수 있다.

공정 파라미터를 제외하고, 성장률은 로딩된 물질과 홀더 장치에 의해 결정된다. 상기 결합에 있어서, 구체적으로 상기 코팅된 부분이 하나, 둘 또는 세 개의 회전축이 구비된 자기 홀더 장치에 고정되었는지(fixed) 또는 클램프로 고정되었는지(clamped) 또는 플러그 되었는지(plugged)의 여부가 중요하다. 홀더 장치의 총 질량과 플라스마 투과성은 중요하며 더욱 빠른 성장률과 층의 보다 나은 품질은 예를 들어, 보다 가벼운 빌트 홀더 장치(built holder devices), 예를 들어, 풀 디스크(full disks)에 비해 스포크 디스크(spoke disks)를 사용함으로써 수득될 수 있다.

전체 공정 챔버(원거리장, far field)를 투과하는 종파 자기장에 추가하여 다른 지역 자기장-소위 근거리장(near field)-은 보다 증가된 플라스마 강화 자기장(plasma-intensifying magnetic field)을 획득하기 위하여 제공될 수 있다. 구체적으로 상기 결합의 이점은 -적어도 하나의 타겟의 적어도 하나의 마그네트론 자기 시스템(magnetron magnet system)에 추가하여- 보다 바람직한 영구적인 자석 시스템이 적어도 하나의 마그네트론 자기 시스템으로써 유사하거나 또는 동일한 자기효과(magnetic effec)를 가지는 플라스마 챔버의 한계를 결정하는 월(walls)에 부착될 수 있도록 배열 될 수 있다. 상기 결합에서 모든 마그네트론 자기 시스템 또는 상기 보다 바람직한 마그네트론 자기 시스템은 동일한 구조로 제공되거나 또는 바람직하게는, 극성이 전도된 구조로 제공될 수 있다. 상기 방법에서 공정 챔버의 월(walls)에 의해 자유 전자의 흡수가 방지됨으로써 자기 시스템 및/또는 마그네트론 자기 시스템의 개별적인 근거리장의 형성이 가능하다.

본 발명에 따른 공정의 필수적인 특성의 결합만으로 상기에서 상술한 층의 생산을 가능하게 한다. 자기장에 의해 안정된 플라스마의 사용과 적합하게 배열된 기판 바이어싱 전압의 사용은 높은 패킹 밀도 및 공정 정확성을 가지는 통상적인 PVD 공정을 위해 최적화된 홀더 장치의 사용을 가능하게 한다. 상기 공정은 직류 전류와 중간-주파수 플라스마의 순서 및/또는 조합이 DLC 층의 증착을 위한 최적 방법에서 사용될 수 있도록 한다.

각기 다른 공정은 각기 다른 슬리핑층(slipping layer)의 제조를 위해 사용된다.

그래파이트된 DLC 층(graphitized DLC layer)을 증착할 때, 순수한 DLC층의 응용은 연속적으로 또는 단계적으로 전압이 2000V 이상, 바람직하게는 2000 내지 2500V로 바이어싱 전압을 설정한 다음에 수행된다-주어진 파라미터 설정은 동일하거나 또는 유사하다- 또한, 전압의 증가에 따라, 그래파이트(graphitic) sp²를 가지는 탄소원자 비율이 증가한다. 상기 방법에서 향상된 슬리핑 부분(slipping properties)은 특별히 간단한 방법으로 상기에서 기술한 순수한 DLC층에 수여될 수있다.

전도 경사층(inverse gradient layer)이 증착될 수 있는 다양한 방법이 있다. 가장 간단한 경우에 있어서, 상기 공정은 하나 또는 그 이상의 금속 또는 금속 탄화물을 추가하여 이전의 DLC층에 사용된 파라미터를 유지하는 것에 의해 개시될 수 있다. 그러나, 상기 공정은 가스 흐름의 탄화수소 성분의 감소 또는 불활성 가스 성분의 증가 또는 이러한 예방을 제거하는 것에 의해 타겟 공해를 피하는 것과 결과적으로 발생되는 불안정한 공정 조건이 발생할 수 있다. 나아가, 닫힌 상태로 유지된 실드 뒷면 타겟의 개시는 기판에 작은 방울이 도달하는 것을 방지하기 위한 장점을 증명할 수 있다. 층이 목적으로 하는 특성(마찰계수 등)을 갖도록 하기 위해 적어도 하나의 타겟의 전력은 단계적, 바람직하게는 연속적으로 증가된다. 상기 유지된 파라미터는 바람직하게는 변경되지 않지만, 부가적인 조절로서, 원한다면 아무 때나 변경이 가능하다. 상기 공정은 전도 경사층의 목적으로 하는 전체 두께가 수득될 때까지 상수 파라미터 설정하에 지속된다.

전도 경사층의 형성을 위한 더 나은 유리한 가능성은 층의 특성 특히, 경도와 마찰계수에 영향을 주기 위하여 -상기에서 언급한 탄화수소가스 또는 다른 것으로 대체된 가스이던간에- 예를 들어: 모노-(mono-) 또는 디실란(disilane), 실록산(siloxane), 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane), 헥사메틸디실라젠(h examethyldisilazane), 디메틸-디에톡시실란(dimethyl-diethoxysilane), 테트라메틸실란(tetramethylsilane) 등과 같은 실리콘 또는 실리콘과 산소 또는 질소를 도입함으로써 수득될 수 있다. 상기 방법에서, 예를 들어, 표면 방향에서 실리콘,산소 및/또는 질소 함량이 증가된 -하나 또는 그 이상의 스퍼터 타겟의 부가적인 사용없이- 경사층(gradient layer)의 수득이 가능하다.

경사 커버층(gradient covering layer)으로서 슬리핑층은 DLC층에 직접적으로 이용되거나 또는 금속 또는 카바이드 전이(중간물)층의 증착 후에 이용될 수 있다.

예를 들어, 마찰-감소 커버층의 제조를 위해 사용된 적어도 하나의 재료는 상기에서 상술한 바와 유사한 방법에 사용될 수 있다, 그러나 공정 가스의 탄소 함량의 보다 현저한 감소 후에 필요한 경우 0%까지 감소시킨 후에 사용될 수 있다. 카바이드 또는 금속 표적은 마찰-감소 커버층의 제조를 위해 사용될 수 있다. 카바이드 표적은 보다 많은 전체 탄소 함량을 제조하는 이점이 있으며, 이로 인해 보다 저항성을 가지는 층을 제조할 수 있는 이점이 있다. 그래파이트된 탄소는 램프 기능과 코팅 최종 시간동안 유지된 상수에 의해 가스 흐름이 유리하게 증가된 탄소를 함유한 반응 가스의 도입에 의해 -MeC/C층의 생산을 위해 사용된 타겟의 스위칭 순간으로부터 또는 약간 지체된 순간으로부터- 다시 한번 설정될 수 있다.

상기 층의 구체적인 실시예로는 예를 들어, WC층과 같은 얇은(0.01-09μm) 카바이드층(carbidic layer)이 DLC층에 첫 번째로 증착될 때 상기 층은 수득된다. 본 발명자들은 DLC층에 증착된 카바이드층은 우수한 접착성을 가지기에 적합함을 발견하였다. 상기 층의 구조는 탄소함량이 증가되고 약 0.1-0.5 두께를 가지는 WC/C층에 의해 외면에 종결된다. 유리하게, MeC/C층의 두께는 순수한 DLC층에 비해 보다 작게 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 DLC-슬리핑층 시스템의 보다 바람직한 실시예는 -예를 들어- 높은 전류/낮은 전압 방전 또는 핫 필라멘트 기술(hot filament technique)에 의해 최종 슬리핑층이 증착된 다이아몬드층에 적용된다.

플랜트

상기에서 기술된 과업은 10 내지 26 특징중 하나의 특징에 따른 코팅방법을 수행하기 위한 이용가능한 장치를 제조함으로써 추가로 면제되며, 상기 장치는 진공챔버내에 진공을 발생시키기 위한 펌프 시스템을 갖춘 진공챔버, 코팅될 기판을 수용하기 위한 기판수용장치, 제조 가스를 공급하고 조절하는 적어도 하나의 가스공급유닛, 증착용 코팅물질을 제공하기 위한 적어도 하나의 증발장치(14), 저-전압 d.c. 아크를 점화시키기 위한 아크 발생장치(10, 13), 기판 바이어스 전압 발생 장치(16), 및 원자기장 형성을 위한 적어도 하나 또는 다수의 자기장 발생장치(17)를 포함한다.

상기 자기장 발생장치는 적어도 하나의 Helmholtz 코일, 바람직하게는 한 쌍의 Helmholtz 코일로 구성되는 것이 바람직하다.

Helmholtz 코일이 사용될 경우에는, 코일내 전류 흐름을 통하여 자기장 및/또는 자력선속 밀도가 위치와 시간에 따라 조절될 수 있다.

두 개의 마그네트론이 수용체의 반대편에 배열되어 있고, 이들 각각이 적어도 하나의 전자기 코일과 연결되어 있을 경우 종축 자기장의 발생 가능성이 추가로 획득된다. 각 마그네트론과 연결된 적어도 하나의 코일은 실질적으로 마그네트론 자기 배열의 전체 측면범위를 결정하는 방식으로 부착되면 유리하다. 마주보는 마그네트론 자기 시스템들의 극성은 완전히 반대가 되도록 배향되다, 즉, 한 시스템의 북극은 다른 시스템의 남극을 향하고, 그 반대의 경우도 마찬가지로 배향된다. 동시에, Helmholtz 배열에 따라서 자기코일 필드들이 서로를 보충하여 폐쇄 자기장을 이루고, 마그네트론 자기 시스템들의 외부 폴 및 자기 코일들의 극성이 동일한 방향으로 작용하는 방식으로 마그네트론과 연결된 코일들이 전류원에 연결된다. 이와 같은 장치들은 플라즈마-CVD 공정중에 마그네트론 플라즈마를 증대시키고, 이온화를 증가시키는데 유용하게 사용될 수 있다.

상기 장치는 적용된 기판 바이어스 전압을 연속적으로 또는 단계적으로 변형시킬 수 있고, 또한 적절한 단극 또는 양극방식으로 작동될 수 있는 기판 바이어스 전압을 제조하기 위한 장치를 추가로 포함한다. 상기 장치는 중주파 범위에서 펄스된 기판 바이어스 전압을 생성시키는데 특히 적당하다.

상기 장치와 함께 사용된 증발장치는 스푸터(sputter) 목표, 특히 마그네트론 스푸터 목표, 아크 출처, 열증발기 등을 포함한다. 이와 관련하여 상기 증발장치가, 예를 들면, 선회 실드(shield)에 의해서 가공챔버의 잔여물로부터 분리될 수 있는 것이 유리하다.

상기 장치에는 가열단계를 통해 기판이 세척되도록 하기 위하여, 유도 가열, 방사 가열 등과 같은 형태를 취할 수 있는 기판 가열이 유리하게 제공된다.

결국 다른것들과의 사이에서, 장치는 양극과 직류 전압 공급뿐만 아니라, 이온화된 챔버 내에서 필라멘트, 바람직하게는 특히 텅스텐, 탄탈 또는 이와 유사한것으로 만들어진 내화성의 필라멘트를 가진 이온 공급처를 포함하는 저전압 아크 생산 장치를 제공한다. 바람직하게는 직류 전압 공급의 양극은 양극(anode) 또는 기판 유지 장치에 선택적으로 연결되어질 것이므로, 저전압 아크는 이온 공급처와 양극(anode) 사이 또는 이온 공급처와 기판 사이에서 발화되어질 수 있다. 증발기와 유사하게 이온 공급처는 예를 들어, 텅스텐, 탄탈 또는 이와 유사한 내화성 금속에 의해 만들어진 격판에 의하여 실질적인 공정 챔버로부터 분리될 수 있다.

기판의 모든 면에서 균일한 코팅 공정을 가능하게 하기 위하여, 기판 유지 장치는 가동의 방법으로 설치되고, 적어도 하나 이상의 축에 대하여 바람직하게 회전할 수 있다.

매개-진동수 기판 전압 공급과, 측면에 설치된 두개의 맞은 편의 목적물을 싸고 있는 코일에 의하여 역시 실행될 수 있는 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)의 유용한 조합 때문에, 낮은 압력에서도 공업적 규모로 DLC공정을 수행하기 위한 안정한 매개-진동수 플라즈마를 이용하는 것이 처음으로 가능하게 되었다. 다른 시스템에 의해 생산된 DLC 층과 비교할 때, 이러한 방법으로 생산된 층은 매우 향상된 특성을 가지고 있다.

여기서 기술한 코팅 설비와 앞서 기술한 공정을 사용하여, 뛰어난 점착성을 가진 순수한 DLC의 두꺼운 층을 생산하는 것이 처음으로 가능하다. 게다가, 공정 파라미터를 변경함에 의하여, 금속-탄소 층 또는 다른 요소, 예를 들어, 실리콘, 불소를 가진 혼합된 층의 생산 및 PVD와/또는 CVD공정에 의하여 증착된 다층 시스템 또는 단순히 알려진 층 시스템의 생산을 위하여 알려진 플라즈마 공정의 대부분을 수행하는 것이 역시 가능하다.

조절할 수 있는 슬리핑과 가동을 가진 DLC 슬리핑층 시스템을 증착하는 것이 가능하다.

나아가 DLC 시스템의 유용성, 특성 및 특질은 본원 명세서에 첨부된 "특징들"에 포함되어 있다.

나아가 본 발명의 유용성, 특성 및 특질은 주어진 바람직한 실시예와 여기에 첨부된 도면에 대한 상세한 설명에 의하여 분명하게 된다. 단순한 개략도이기는 하나, 도면은 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따라 코팅된 설비의 챔버(1)의 단면도를 나타낸 것이다. 코팅되어질 부분(2)은 적어도 단일의 회전(4)과 필요하다면 두번째의 회전(5)을 위한 수단을 포함하는 하나 이상의 지지 장치(3)를 갖춘다. 특히 유용한 실시예에서 지지 장치(3)는 설비축(6)에 대하여 자체로 회전하는 단(7)에 위치된다.

여러가지 공정 기체, 특히 아르곤과 아세틸렌,은 가스 흡입구(8)와 도면에는 나타나지 않았지만 적절한 조절 장치를 통하여 공정 챔버에 공급될 수 있다.

높은 진공을 생산할 수 있는 펌프 세트(9)는 플랜지된 연결에 의하여 챔버에 부착된다.

이온 공급처(10)는 바람직하게 설비 축 영역에 위치되어 있고, 직류 전압 공급기(11)의 음극 출력기에 연결되어 있다. 특정한 공정 단계에 따라 직류 전압 공급기(11)의 양극은 지지 장치(3)이거나 이것에 의한 전기적 접촉과 함께(가열 방법) 부분(2)에 또는 보조 양극(anode)(13)(만약 필요하다면 코팅과정중의 에칭 과정)에 단(7) 상의 스위치(12)에 의하여 연결될 수 있다.

챔버(1)의 벽에 부착된 것은 적어도 하나의 증발기(14), 바람직하게는 점착의 적용과 경사층을 위한 전자관 또는 아크 증발기이다. 여기에서는 나타나지 않았지만, 증발기(14) 공급의 또 다른 실시예에서 공급처는 챔버(1)의 층에 양극처리되어 스위치된 도가니로서 위치될 수 있다. 전이 또는 경사층의 생산을 위한 물질은 저전압 아크(15)에 의한 가열에 의하여 기체 상태를 초래할 수 있다.

더욱이, 챔버는 부가적인 전압 공급기(16)에 제공된다. 이것은 주기적으로 1에서 10,000 ㎑, 바람직하게는 20에서 250㎑ 사이의 범위에서 여러가지 매개-진동수 전압을 기질에 적용시킬 수 있다.

완전한 플라스마 공간을 투과하는 경도의 자기 영역의 생산에 있어서의 전자기적 코일은 챔버(1)의 반대쪽 벽면에 위치되고, 같은 방향에서 동작하는 방법으로서 적어도 하나, 바람직하게는 여기에는 나타나지 않았지만 두개의 분리된 직류 전압 공급처에 의하여 공급된다.

모든 코팅 실험은 도 1에서 보여진 높이 920㎜, 직경 846㎜, 부피 560ℓ와 유사한 챔버에서 수행된다.

자기 영역을 증대하기 위하여, 그리고/또는 영역 그리고 이로 인한 매개-진동수 플라즈마(18) 단일화, 몇몇의 가까운 영역(21)의 형성을 위한 자기 시스템(20)이 되도록 하기 위하여, 부가적 측정기는 플라즈마 챔버(1)의 측벽(19)에 부착될 것이다. 이러한 연결에서, NSN과 SNS극을 지닌 선택적인 자기 시스템을정열하는 것은, 도 2에 나타낸 것과 같이 가능한 적어도 하나의 전자관 자기 시스템(22)을 사용하는 것과 그것에 의하여 터널 또는 루프 모양의 자기관을 싸는 금속 또는 유리에서 공정 챔버에서 싸여진 플라즈마를 둘러싸는 것에 의하여 유용할 것이다.

인접한 영역의 자기 시스템(20)은 전자관 자기 시스템으로서 바람직하게 형성된다.

코팅 설비에서의 각각의 시스템은 유용하고, 공정 제어에 의하여 바람직하게 상호 연관된다. 이러한 방법으로, 진공 코팅 설비(펌프 세트 제어, 안전한 제어 회로 등)의 기본적 기능뿐만 아니라, 다양한 플라즈바 생산 시스템을 상호 유연하게 적용하고 다른 공정들에 적합하게 할 수 있을 것이다. 플라즈마 생산 시스템은 전자관 공급(여기서는 상세하게 기술하지 않았지만)을 가진 전자, 이온화 챔버(1)와 보조적 양극(anode)(13) 그리고 단(7)과 직류 전압 공급기(11)와 같은 것이며, 또한, 가능한 다른 코일 전류뿐만 아니라 단(7)과 매개-진동수 발생기(16) 그리고 가스 흐름의 적합한 세팅과 같은 것이다.

도 3은 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)이 자기 영역을 만들때 사용될 때 기판 전류와 코일 전류 사이의 관계를 도시한 것이다. 기판 전류-그리고 이로 인한 플라즈마 강도 역시-는 코일 전류와 생성된 자기 영역에 직접 비례하는 것으로 보여진다. 이것은 겹쳐진 자기 영역의 양(+)의 효과를 초래한다.

실시예의 방법에 의하여, 도 4는 경사층 이용 중, 각각의 파라미터의 다양성을 도시한 것이다. 모든 다른 파라미터들이 부착층을 위한 것으로서 남아있음에 반해, 기판 바이어스는 500에서 2500V 사이의 진폭 전압과 20에서 250㎑사이의 진동수로 직류 전압부터 중간 진동수까지 스위치된다. 아세틸렌 램프가 50scm으로 출발한 약 2분 후에, 약 30분을 넘어 350sccm까지 된다. 매개-진동수 발전기의 스위치를 켠 5분후, 사용된 크롬의 전력은 7㎾까지 되고, 그 뒤 2분동안 더 일정하게 유지된 곳에서 다시 10분 후에 5㎾까지 되돌아 간다. 그리고 나서 방패가 스위치가 꺼진 목적물의 앞으로 이동하고, 이리하여 탄소, 적은 양의 수소와 소량의 아르곤 원자로 실질적으로 구성된 "순수한" DLC 층의 퇴적을 시작한다.

이 공정의 가장 간단한 경우는 앞선 경사층을 위한 것으로서의 다른 파라미터를 제외하고 스위치가 꺼진 증기 공급기와 함께 완성된다. 그러나, 만약 순수한 DLC층의 침적 동안 가스 흐름의 탄소 함유량을 증가시키거나, 내부 가스 함유량을 감소시키거나, 바람직하게는 이러한 두가지 측정을 적용한다면, 유용하게 됨이 밝혀져 왔다. 여기에서, 다시한번, 상기 설명한 경도의 자기 영역의 형성이 안정한 플라즈마의 유지를 위하여 현저히 중요하게 된다.

도 4와 5는, 실시예의 방법에 의하여, 순수한 DLC층 이용 중 각각의 파라미터의 다양성을 도시한다. 이용된 크롬 목적물의 스위치가 꺼짐에 따라, 매개-진동수 공급기와 아르곤 흐름 모두 그들의 앞선 수치를 가지는 동안, 경사층의 침적 동안 시작된 아세틸렌 램프는 약 10분 이상 약 200에서 400sccm의 사이에서 정형적으로 된다. 결론적으로 아르곤 흐름은 0에서 100sccm의 순서의 흐름 속도에서 5분 넘게 계속적으로 감소된다. 그 후, 방법은 일정한 파라미터가 세팅됨과 함께 이후의 55분동안 완성된다.

도 6은 본 발명에 따른 DLC 층 시스템의 분열 표면의 래스터 전자 현미경 사진을 보여준다. 다이아몬드 유사 탄소의 커버 층의 범위는 정제된 나무결 무뉘의 구조를 가지는 것으로 명백하게 보여지고, 그 결과 DLC 층은 다결정질 특성을 갖는다.

도 7은 실시예의 방법에 의하여, 본 발명에 따른 DLC 층 시스템의 이용 중 각각의 파라미터의 전반적인 다양성을 도시한 것이다.

다른 실시예에서 보여지는 도 8은 본 발명에 따른 DLC 슬리핑층 시스템 이용 중 각각의 파라미터의 전반적인 다양성을 보여준다. DLC 층 이용의 마지막은, 1500에서 2500V 사이의 수치로 전압 램프에 의하여 펄스된 기판 바이어스를 세팅하고 나서, 모든 다른 파라미터가 전과 같이 남아있는 일정한 상태 아래 가동층을 침전한 뒤-바람직한 층의 두께는 가능한 33 에서 60분 사이에 계속된 침적 후에-이다.

실시예에서 보여지는 도 9는 역경사층에서 본 발명에 따른 DLC 슬리핑층 시스템의 이용 중 각각의 파라미터의 전반적인 다양성을 보여준다. DLC 층의 이용의 결과-가능한 증착이 33과 60분 사이에 계속된 후, 바람직한 층의 두께에 의하여-적어도 하나의 목적물의 전력은 먼저 10분 동안 5㎾로 유지되고, 반면에 목적물은 닫힌 스크린 뒤로 발사음을 자유로이 낸다. 그후 스크린은 열려지고 전력은 약 30분 이상 7㎾로 증가한다. 동시에 아세틸렌 램프는 350sccm에서 시작하여, 약 30분 이상을 지나 50sccm까지 감소된다. 가동층이 원하는 두께에 도달할 때까지, 파라미터의 일정함이 유지되고, 결과적으로 공정은 완성된다.

도 10은 슬리핑층으로서 경사층의 침적 동안 각각의 파라미터의 다양성의 예를 제시한다. 이것은 금속성 접착층 없이 전이층과 유사한 상태에서 이루어진다. 여기에서, 역시, 가동층은 말단 층으로서 유용하게 공급되고, 파라미터를 일정하게 유지한다.

도 11은 수소가 풍부한 슬리핑층에서 본 발명에 따른 각각의 파라미터의 전반적인 다양성의 예를 보여준다. 여기에서 DLC 층의 침적은 공급이 예를 들어, 약 30분 동안 0에서 100sccm까지 단계적으로 올라가는 동안 메탄 램프에 의한 결과로서 일어난다. 아세틸 램프는 예를 들어 250sccm에서 동시에 시작되고, 약 30분의 과정에서 120sccm까지 감소된다. 가동중인 층은 최종층으로서 일정한 파라미터와 함께 증착된다.

실시예 1 방법

가열 방법

공정 시퀸스(process sequence)가 시작된 다음에 공정 챔버는 약 10^-5mbar의압력으로 진공된다. 가열 공정은 코팅될 기판의 온도가 상승되도록, 그리고 이것의 표면에 점착되어 있는 휘발성 물질을 제거하기 위하여 공정의 첫번째 부분으로 실시된다. 이 때문에 아르곤-수소 프라즈마는 이온환 챔버와 보조 양극판 사이에 저-전압 아크에 의하여 점화된다. 하기 표 1은 가열 공정의 공정 파라미터를 정리한 것이다.

아르곤 흐름	75 sccm
기판 바이어싱 전압[V]	0
저-전압 아크의 전류세기	100 A
수소 흐름	170 sccm
위쪽 코일의 전류세기	20 내지 10 A 사이에서 변동
아래쪽 코일의 전류세기	반대방향으로 20 내지 5 A에서 변동
최고 전류세기와 최저 전류세기 사이의 지속 기간	1.5분
가열 시간	20분

헤름홀츠 코일(Helmholtz coil)은 프라즈마를 활성화하는데 사용되고, 주기적으로 조절된다. 위쪽 코일의 전류 세기는 1.5분 동안 20 내지 10 A 사이에서 변하는 반면에, 아래쪽 코일의 전류 세기는 같은 기간동안 5 내지 20 A 사이에서 변화하나 방향이 반대이다.

진공 펌프에 의해 빨아들여 기판을 가열하고 표면에 점착된 휘발성 물질을 제거하는 것을 대기압에서 행한다.

에칭 방법

일단 온도가 도달되어 지면, 에칭 공정은 기판에 저-전압 아크로 부터 이온을 방출하기 위하여 음(negative) 바이어싱 전압 150 V를 사용함으로써 시작된다. 이를 위하여 저-전압 아크 방향 및 플라즈마 강도는 한쌍의 헤름홀츠 코일에 의해 지지되고, 양쪽은 수평선으로 고정되어 있다. 에칭 공정이 파라미터는 하기 표에 나타낸 바와 같다.

아르곤 흐름	75 sccm
기판 전압	-150 V
저-전압 아크의 전류세기	150 A

크롬점착층

크롬점착층의 침적은 크롬-마그네트론 스퍼터 타켓을 활성화시킴으로써 시작된다. 아르곤 흐름은 115sccm으로 설정한다. 크롬 스퍼터 타켓은 8kW에서 작동되며 기판은 6분동안 타겟을 지나 회전된다. 설정될 압력은 10^-3내지 10^-4mbar가 될 것이다. 스퍼터 진행은 낮은 전압 아크에 의하여 지지되며 75V의 음성 직접 바이아스 전압의 기판에 적용된다.

크롬 스퍼터 시간의 반이 경과한 후 낮은 전압아크를 끄고 크롬 스포터 시간이 남아있는 동안 침적은 타겟앞 활성플라즈마의 도움으로만 계속된다.

경사층

이 시간이 경과한 후 플라즈마는 사인파 진동기(sinusoidal oscillator)를 켬으로써 점화된다. 아세틸렌이 초기 50sccm압력에서 챔버로 도입되며 그 후 그 흐름은 분당 10sccm씩 증가된다.

사인파 플라즈마 발생기는 40kHz 진동에서 2400V진폭전압으로 설정된다. 발생기는 기판홀더 및 챔버벽사이에서 플라즈마 방전을 점화시킨다. 수용자(recipient)가 부착된 헤름홀츠 코일은 둘다 일정한 전류 처리량, 저부코일에서의 3A 및 상부코일에서의 10A의 전류로 활성화 된다. 크롬타겟은 아르곤 흐름이 230sccm에 달했을 때 비활성화 된다.

DLC 코팅

아세틸렌 흐름이 350sccm 에 도달했을 때 아르곤 흐름은 50sccm까지 떨어진다.

다음 표는 본 실시예의 파라미터를 보여준다.

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 들뜸 전류	10A
저부코일에서의 들뜸 전류	3A
전압진폭	2400 V
들뜸 주파수	40kHz

이러한 조건들은 높은 침적률 및 플라즈마의 이온화가 아르곤의 도움으로 유지될 수 있게 한다. 코팅과정에서 설정되는 침적률은 0.5 내지 4.0㎛/h이며 정확률은 또한 진행챔버에서 코팅되어야 하는 범위에 달려있게 된다.

코팅기간 끝에서 사인파 발생기 및 가스흐름이 꺼지고 기판은 진행챔버에서 제거되게된다.

결과층의 성질에 관하여는 다음 표에 요약하였다:

성질- 실시예 1
미세경도	약 2200 HK
침적률	1-2㎛/h
점착력	HF1
저항	<10㏀
수소량	12%
마찰률	0.2
내부응력	약 2 GPa
분절모양	유리모양이 아님

방법 실시예 2

방법 실시예 2는 실시예 1의 것과 유사한 과정을 포함한다. 그러나, 실시예 1과 달리 플라즈마는 펄스발생기에 의하여 재생된다. 들뜸주파수는 진폭전압 700V로 50kHz순이다.

본 실시예의 파라미터는 다음 표와 같이 설정되었다:

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 들뜸 전류	10 A
저부코일에서의 들뜸 전류	3 A
전압진폭	700 V
들뜸 주파수	40 kHz

본 실시예에서 생산된 코팅은 25 GPa의 경도를 가지며, HF1의 점착력 및 0.2의 마찰률을 갖는다.

성질- 실시예 2
미세경도	약 2400 HK
침적률	약 1.5㎛/h
점착력	HF1
저항	>500 ㏀
수소량	13%
마찰률	0.2
내부응력	약 2 GPa

방법 실시예 3

방법 실시예 3은 실시예 1의 것과 유사한 과정을 포함한다. 그러나 실시예 1과 달리 플라즈마는 지금 단극성 펄스파 전압에 의하여 들뜨게 된다.

본 실시예의 파라미터는 다음 표와 같이 설정되었다:

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 들뜸 전류	10 A
저부코일에서의 들뜸 전류	3 A
전압진폭	1150 V
들뜸 주파수 f	30 kHz

본 실시예에서 생산된 코팅은 다음표에 기재된 성질을 갖는다.

성질- 실시예 3
미세경도	> 2400 HK
침적률	약 1.8 ㎛/h
점착력	HF1
저항	>1 ㏀
수소량	12-16%
마찰률	0.2
내부응력	약 2 GPa

방법 실시예 4

아르곤 흐름	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm
상부코일에서의 들뜸 전류	0 A
저부코일에서의 들뜸 전류	0 A
전압진폭	2400 V
들뜸 주파수 f	40 kHz

방법 실시예 1과 비교했을 때, 실시예 4는 종파 자기장의 지지없이 과정이 진행된다. 두 코일을 통한 전류흐름은 0A까지 감소되었다. 진행 파라미터는 다음표와 같이 설정되었다:

실시예 1과 비교하였을 때 챔버내 설정된 플라즈마는 높은 압력에서만 안정되었고 챔버에 균일하지 않게 분산되었고 매우 강한 기하효과 영향을 받았다. 이러한 이유 때문에, 진행챔버내 침적률은 설정 진행 압력 때문에 균일하지 않았으며 또한 실시예 1보다 느렸다. 바람직한 진행압력에서 제2의 플라즈마원, 예를들면 타겟을 사용하지 않고, 또는 필라멘트를 켜지 않고 플라즈마를 형성할 수 없었다. 헤름홀쯔 코일을 사용하여서만 진행챔버내 플라즈마를 안정화시킬 수 있었고 진행챔버의 높이에 걸쳐 균일한 침적을 수득할 수 있었다. 더구나, 이코드의 사용없이 높은 지역 온도가 생성되는 이온화챔버의 영역에서 플라즈마가 점화되었으며 따라서 파괴를 감수해야만 하였다.

성질- 실시예 4
미세경도	균일하지 않음 1200- 2500 HK
침적률	균일하지 않음
점착력	균일하지 않음
저항	>1 ㏀

슬리핑층 시스템

일련의 방법 실시예들은 본 발명에 따라 층 시스템을 제조하기 위하여 상기한 DLC층으로 다른 슬리핑을 적용하였다. 이것이 완료되었을 때 모든 플라즈마의 예비처리 및 코팅단계를 포함하는 과정이 계속적으로 수행되었으며 적층 점착력을 얻기 위하여 진공개입을 하지 않았다.

흑연화 슬리핑층을 제조하는 각기 다른 방법 실시예의 상세사항

방법 실시예	5	6	7
DLC층 시스템	전압진폭이 1000V를 제외하고 실시예 1과 같음	실시예 2와 같음	실시예 3과 같음
아르곤 흐름	50 sccm	50 sccm	50 sccm
아세틸렌 흐름	350 sccm	350 sccm	350sccm
상부코일내들뜸 전류	3 A	10A	10A
하부코일내들뜸 전류	10 A	3A	3A
기판전압 진폭	2400 V	2400V	2400V
전압경사	15분	25분	15분
들뜸 주파수 f	40 kHz	40kHz	30kHz
들뜸형	AC 사인파	양극성 펄스	단극성 펄스

말단 경사층 (실시예 8), 역경사층 (실시예 9), 또는 수소가 많은 탄소층(실시예 10) 과 같은 슬리핑층을 형성하는 다양한 방법

방법 실시예	8	9	10
DLC층 번호	1	2	3
아르곤 흐름 1	30 sccm	50 sccm	50 sccm
아르곤 흐름 2	30 (100) sccm	-	-
아르곤 경사	0 (10분)	-	-
아세틸렌 흐름 1	0 sccm	350 sccm	350sccm
아세틸렌 흐름 2	350 sccm	350 sccm	350sccm
아르곤 경사	15분	20분	20분
메탄 흐름 1	-	-	0 sccm
메탄 흐름 2	-	-	150 sccm
메탄 경사	-	-	20분
전력크롬 타겟 1	8 kW	7kW	-
전력크롬 타겟 2	7 kW	-	-
크롬타겟 경사	20분	30분	-
상부코일내들뜸 전류	10A	10A	10A
저부코일내들뜸 전류	3A	3A	3A
기판전압 진폭	2400 V	700V	1150V
들뜸 주파수 f	40 kHz	40kHz	30kHz
들뜸형	AC 사인파	양극성 펄스	단극성 펄스

* 이 경우의 아세틸렌 경사는 크롬타겟이 켜진 후 5 내지 10분 시작될 것이다. 이러한 과정은 DLC 층 및 슬리핑층이 다른 진행챔버 또는 코팅장치내에 침적될 때 특히 유리하다. 사인파 발생기의 기판에 바이어스 전압을 적용하기 위하여 직류전압원이 사용될 것이다.

더욱이, 탄화성 타겟 (carbidic taget), 가능하게는 WC 및/또는 흑연타겟을 동시 스퍼터링함으로서, 이것은 동시에 또는 시간지체를 수반하면서 켜지는데, 흑연성분이 증가될 것이다. 특히 텅스텐 또는 탄탈륨 층 또는 니오브/탄소 층의 바람직한 슬리핑 성질을 이용하려면 점착 및/또는 경사층의 형성 또는 이들의 단계를 내리고 적당한 금속 또는 금속 탄화물 타겟만으로 과정을 완결시킨 후에 크롬 타겟을 끄는것이 유리할 것이다.

다음 표 8 및 표 9에 결과물 DLC층의 성질을 요약하였다.

시험번호	5	6	7
점착력	HF1	HF1	HF1
저항	<100 ㏀	<100 ㏀	<100 ㏀
마찰률	약 0.08	약 0.07	약 0.13

시험번호	8	9	10
점착력	HF1	HF1	HF1
저항	<1 ㏀	<1 ㏀	<100 ㏀
수소량	n.s.	n.s.	>30원자%
마찰률	약 0.08	약 0.07	약 0.13

DLC 층(DLC layer system)의 특징

1. 기판에 배열되는 접착층, 접착층 위에 배열된 전이층 및 DLC(diamond-like carbon)의 보호층(covering layer)을 포함하는 마모방지, 부식방지 및 슬리핑 성질의 향상 등을 위한 층시스템은 상기 접착층이 주기율표의 제4, 제5, 제6 아족(subgroup)의 원소들과 실리콘을 포함하는 족(gourp)의 하나 이상의 원소로 이루어지며, 전이층은 탄소 및 제4, 제5, 제6 아족의 원소들과 실리콘을 포함하는 족의 적어도 하나의 원소로 이루어지며, 보호층은 반드시 DLC를 포함하고, 상기 레이어 시스템이 15 GPa 이상, 바람직하게는 20 GPa 이상의 경도를 가지며, 3 HF 이상의 접착도를 가지는 것에 특징이 있다.

2. 제 1의 특징에 있어서 레이어 시스템은, 전이층은 단일층 혹은 복층 시스템으로 될 수 있는 경사층이며, 연속적으로 혹은 단계적으로 변화하는 합성물을 가지며, 더욱 명확하게는 그 합성물의 변화는, 탄소 성분이 기판으로부터 분리되는 방향으로 증가하고 반면에 그 제4, 제5 및 제6 아족의 원소들과 실리콘을 포함하는 족의 하나 이상의 원소로 구성된 상기 성분은 감소하는 방법으로 이루어지는 것에 특징이 있다.

3. 제 1 내지 제 2의 특징 중 어느 하나에 있어서, 보호층이 접착층이나 전이층 보다 더 두껍다는 것에 특징이 있다.

4. 제 1 내지 제 3의 특징 중 어느 하나에 있어서 레이어 시스템은, 전이층 및/혹은 보호층 역시 수소와 불가피한 불순물로 이루어지며, 그 불가피한 불순물은 비활성 가스, 특히 아르곤 및 크세논으로 이루어지는 것에 특징이 있다.

5. 제 4의 특징에 있어서 레이어 시스템은, 보호층이 탄소만을 포함하거나 탄소와수소를 함께 포함하는 것에 특징이 있다.

6. 제 4의 특징에 있어서 레이어 시스템은, 보호층은 4 내지 30 원자 %, 바람직하게는 10 내지 20 원자 %의 수소함량을 갖는 것에 특징이 있다.

7. 제 1 내지 제 6의 특징 중 어느 하나에 있어서 레이어 시스템은, 제4, 제5 및 제6 아족의 원소를 포함하는 족의 하나 이상의 원소가 티탄 및/혹은 크롬임에 특징이 있다.

8. 제 1 내지 제 7의 특징 중 어느 하나에 있어서 레이어 시스템은, 접착층과 전이층 모두 0.05 ㎛ 내지 1.5 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 두께를 가지는 것에 특징이 있다.

9. 제 1 내지 제 8의 특징 중 어느 하나에 있어서 레이어 시스템은, 보호층이 0.5 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 것에 특징이 있다.

10. 제 1 내지 제9의 특징 중 어느 하나에 있어서 레이어 시스템은, DLC로 이루어진 보호층이 미세입상 층구조를 가지는 것에 특징이 있다.

11. 레이어 시스템, 특히 제 1 내지 제 10의 특징중 어느 하나에 따른 레이어 시스템의 기판을 제조하는 방법은,

a) 기판을 진공 방(chamber)에 넣고, 압력이 10-4 mbar 이하, 바람직하게는 10-5 mbar 이하에 도달할 때까지 상기 방(chamber)을 흡입하는 단계,

b) 기판 표면을 세척하는 단계,

c) 기판상의 접착층을 플라스마-지지 증착시키는 단계,

d) 접착층 성분을 플라즈마-지지 증착시키는 동시에 기체 상태로부터 탄소를 증착시켜 접착층상의 전이층을 증착시키는 단계,

e) 기체상태로부터 탄소를 플라즈마-지지 증착시켜 전이층 상에 다이아몬드와 유사한 성질의 보호층을 적용시키는 단계를 포함하며,

여기서, 적어도 c), d), e)단계 공정 동안에 기판 바이어스 전압이 기판에 적용되며, 적어도 d), e)단계 공정 동안에 플라스마가 자기장에 의해 안정화되는 것에 특징이 있다.

12. 제 11의 특징에 있어서 방법은, 기판 표면의 세척단계가 가열단계와 부식단계를 포함하는 것에 특징이 있다.

13. 제 12의 특징에 있어서 방법은, 가열단계가 복사가열, 유도가열 및/혹은 전자충격(bombardment with electrons)을 포함하는 것에 특징이 있다.

14. 제 13의 특징에 있어서 방법은, 저전압 아크(arc)를 연소하는 것과, 연속적인 AC 혹은 AC-지지될 수 있는 기판 바이어스 전압, 특히 펄스된 양기판 바이어스 전압의 동시적인 적용에 의해 전자 충격이 영향을 받는 것에 특징이 있다.

15. 제 10의 특징에 있어서 방법은, 부식단계가 이온 부식에 의하여 수행되며, 여기서 저-전압 아크는 프로세스기체(process gas)인 불활성 기체, 특히 아르곤 및/혹은 수소와 연소되고, 연속적인 음 바이어스 전압은 기판에 적용되는 것에 특징이 있다.

16. 제 10의 특징에 있어서 방법은, 부식단계가 프로세스 가스(process gas)인 불활성 기체, 바람직하게는 아르곤 및 /혹은 수소에 의한 이온부식에 의하여 수행되며, 여기서 AC 혹은 AC-중복 바이어스 전압, 특히 펄스 바이어스 전압, 더 바람직하게는 중주파의 펄스 바이어스 전압이 기판에 적용되는 것에 특징이 있다.

17. 제 10 내지 제 16의 특징에 있어서 방법은, 접착층의 증착이 플라스마-CVD 방법, PVD 방법(특히 아크 증발), 이온 도금 방법, 혹은 음극 스파터링(sputtering)에 의해 수행되는 것에 특징이 있다.

18. 제 17의 특징에 있어서 방법은, 접합부의 증착이 부가된 저-전압 아크 배출에의하여, 그리고 음 바이어스 전압이 기판에 적용되는 것에 의하여 유지되는 것에 특징이 있다.

19. 제 17의 특징에 있어서 방법은, 접착층의 증착이 부가의 펄즈된 기판 바이어스 전압에 의하여 유지되고, 그 부가의 펄즈된 기판 바이어스 전압이 AC 혹은 AC-중복 바이어스 전압, 특히 1 내지, 20,000 kHz, 더욱 바람직하게는 20 내지 250 kHz 사이의 중주파 범위내의 펄즈된 기판 바이이어스 전압이 될 수 있다는 것에 특징이 있다.

20. 제 10 내지 19의 특징에 있어서 방법은, 플라스마를 연소하기 위해, 비활성 기체 혹은 비활성 기체/수소 혼합, 바람직하게는 아르곤/수소 혼합을 진공 방으로 넣는 것에 특징이 있다.

21. 제 10 내지 20의 특징에 있어서 방법은, 특징17 내지 20 중의 어느 하나에 따른 방법에 의하고 전이층의 형성과 동시에 이루어지는 제4, 제5, 제6 아족의 원소들과 실리콘을 포함하는 족의 하나 이상의 원소의 증착 및, 기체상태로부터의 탄소의 플라즈마-지지 증착에 의하여 전이층이 형성되며, 여기서 탄소 함유가스(바람직하게는 탄화수소로서 특히 아세틸렌)가 부가 반응 기체로 사용되는 것에 특징이 있다.

22. 제 21의 특징에 있어서 방법은, 탄소 증착의 백분율 분이 전이층이 두꺼워짐에 따라 연속적으로 혹은 단계적으로 증가되는 것에 특징이 있다.

23. 제 10 내지 제 22의 특징중 어느 하나에 따른 방법은, 보호층을 구성하는 DLC 층이, 반응 기체로 사용되는 탄소를 함유한 기체, 바람직하게는 탄화수소(특히 아세틸렌)인 기체상태로부터 탄소를 플라스마-CVD 증착시키는 것에 의하여 생산되는 것에 특징이 있다.

24. 제 21 혹은 23의 특징중 어느 하나에 따른 방법은, 탄소의 증착을 위한 반응기체는 탄소함유 기체뿐만이 아니라 수소 및/혹은 불활성 기체, 바람직하게는 아르곤 및/혹은 크세논으로 구성되는 것에 특징이 있다.

25. 제 24의 특징에 따른 방법은, 탄소 함유 기체의 백분율 분이 증가하고/혹은 비활성 기체, 바람직하게는 아르곤이, 보호층의 증착 동안 감소하는 것에 특징이 있다.

26. 제 21 내지 제 25의 특징 중 어느 하나에 따른 방법은, 1 내지 10,000 kHz, 바람직하게는 20 내지 250 kHz의 중주파 범위에서 펄스된 단극 혹은 양극 바이어스 전압이 기판에 적용되는 것에 특징이 있다.

27. 제 26의 특징에 있어서 방법은, 사인곡선이나 긴 음극 및 짧은 양극 펄수 신호 또는 큰 음극 및 작은 양극 넓이에 적용하는 것과 같은 방법으로 기판 바이어스 전압이 펄스되는 것에 특징이 있다.

28. 제 10 내지 27의 특징중 어느 하나에 따른 방법은 접착층, 전이층, DLC로 된 보호층이 모두/혹은 선택적으로 세척되고/혹은 적용되는 동안, 정형적 필드 라인 패턴을 가진 종축의 자기장이 기판 위에 놓여지며, 여기서 자기장은 연속적 혹은 단계적으로 시간 및/혹은 공간상 변화될 수 있는 것에 특징이 있다.

29. 제 10 내지 28의 특징 중 어느 하나에 따른 방법은, 접착층, 전이층, DLC로 구성된 보호층 모두의 증착 혹은 이중 일부의 증착이 10-4 내지 10-5 mbar의 기압하에서 이루어지는 것에 특징이 있다.

30. 특히, 제 10 내지 20의 특징중 어느 하나의 코팅 방법을 실시하기 위한 하나 또는 그 이상의 기판을 코팅하는 장치는 멀리 떨어진 자기장을 형성하는 최소한 하나 또는 여러개 자기장 생성 장치(17), 기판 바이어싱 전압을 생성하는 장치(16), 저전압 직류 아크(low-voltage d.c. arc)를 발화하는 아크 생성 장치(10, 13), 침착용 코팅 물질을 만드는 최소한 하나의 기화기 장치(14), 공정 가스를 공급량을 투약하는 최소한 하나의 가스 공급 유닛(8), 코팅되는 기판을 받는 기판수용장치(3), 진공 챔버에서 진공을 생성하는 펌핑 시스템(9) 및 진공 챔버를부착하고 있다.

31. 제 30의 특징에 있어서 장치는 상기 자기장 생성 장치(17)가 최소한 하나의 헤름호르츠 코일(Helmholtz coil)로 이루어져 있는 것에 특징이 있다.

32. 제 31의 특징에 있어서 장치는 상기 헤름호르츠 코일(Helmholtz coil)는 이것을 만들 수 있는 자장 유입 밀도에 관련하여 조절될 수 있는 것에 특징이 있다.

33. 제 30 내지 31의 특징중 어느 하나의 장치에 있어서, 상기 기질 바이어싱 전압 생성 장치가 이것의 사인 및 이것의 크기와 관련하여 일치되게 또는 연속적으로 변화될 수 있고 및/또는 중간-주파수 범위에 주파수를 가지는 단일 극성 또는 양극성이 될 수 있도록 제작되는 것에 특징이 있다.

34. 제 30 내지 33의 특징중 어느 하나의 장치에서, 상기 기화기 장치(14)는 스퍼터 타겟(sputter target), 특히 마그네트론 스퍼터 타겟, 아크 소스, 열기화기 등을 포함하는 것에 특징이 있다.

35. 제 30 내지 제34의 특징중 어느 하나의 장치에 있어서, 상기 기화기 장치(14)는 공정 챔버(1)의 리메인더로 부터 분리될 수 있는 것에 특징이 있다.

36. 제 30 내지 제 35의 특징중 어느 하나의 장치에 있어서, 유도 가열, 방사 가열 등의 형태를 가지는 기판 가열장치도 포함하는 것에 특징이 있다.

37. 제 30 내지 제 36의 특징중의 어느 하나의 장치에 있어서, 상기 아크 생성 장치(10, 13)는 이온 소스(10)가 직류 공급장치(11)의 음극에 연결되어 있는 경우에 직류 전압 공급장치(11) 이외에 이온 소스(10) 및 양극판(13)을 포함하는 것에 특징이 있다.

38. 제 37의 특징에 있어서, 직류 전압 공급 장치(11)의 양극은 양극판(13) 또는 기질 홀더 장치(3)에 선택적으로 연결될 수 있는 것에 특징이 있다.

39. 제 37 또는 제 38의 특징의 장치에 있어서, 상기 이온 소스(10)는 이온화 챔버 내에 배열되어 있는 필라멘트, 바람직하게는 특히 텅스텐, 탄탈(tantalum)과 같은 내화 필파멘트를 포함하며, 공정 챔버(1)로 부터 차폐물(shield), 특히 텅스텐, 탄탈(tantalum)과 같은 내화 차폐물에 의하여 분리될 수 있는 것에 특징이 있다.

40. 제 30 내지 제39의 특징의 장치에 있어서, 상기 기판 홀더 장치(3)는 움직일 수 있으며, 바람직하게는 최소한 하나 또는 그 이상의 축을 중심으로 회전할수 있는 것에 특징이 있다.

41. 제 30 내지 제 40 특징의 장치에 있어서, 부가적 영구 자석(20)은 근접한 자기장 생성을 위하여 제공되는 것에 특징이 있다.

42, 제 30 내지 제 32 특징의 장치에 있어서, 상기 부가적 영구 자석은 진공 챔버(1) 옆에 있는 링에 위치하고, 바람직하게는 극 방향이 변경되게, 그리고 마그네트론 전자 트랩으로 제작될 수 있는 것에 특징이 있다.

참조 번호의 리스트

1공정 챔버

2코팅된 부분

3기질수용장치

4단순 회전(simple rotation)

5이중 회전(double rotation)

6플랜트 축(plant axis)

7회전단(rotating stage)

8공기 주입구(gas inlet)

9펌프 세트(pump set)

10이온원(on sources)

11직류전압공급(Direct voltage supply)

12스위치

13보조 음극판(auxiliary anode)

14증발장치(vaporizer source)

15저-전압 아크(low-voltage arc)

16전압공급(voltage supply)

17전자기코일(electromagnetic coil)

18MF 플라즈마(MF plasma)

19측벽(side wall)

20자기장 시스템(magnet systems)

21근접 영역(near fields)

22마그네트론 자기 영역(magnetron magnet fields)

Claims

기판상에 배열되는 접착층, 상기 접착층상에 배열되는 전이층 및 DLC 또는 다이아몬드층을 포함하는 마모 방지, 침식 방지 및 슬리핑 성질이 향상된 층 시스템에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층 상에 DLC 또는 다이아몬드층의 조성물과 상이한 화학조성물을 갖는 슬리핑층이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 sp2 결합 및/또는 sp2/sp3 할당량의 점유율이 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 점유율보다 큰 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 슬리핑층의 수소함량이 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 수소함량보다 크고, 상기 슬리핑층의 탄소함량은 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 탄소함량보다 작은 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 슬리핑층은 20 내지 60 원자%, 바람직하게는 30 내지 50 원자%의 수소함량을 갖는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 2항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리핑층의 결합비율 변경 및/또는 상기 슬리핑층의 전체층에 대한 수소함량의 증가가 동시에 또는 단계적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 금속함량이 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 금속함량보다 큰 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 슬리핑층의 탄소함량은 감소되는 반면에, 상기 슬리핑층의 금속함량은 단계적으로, 또는 바람직하게는 연속적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 5항 및 제 6항에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층이 위치된 후, 먼저, 높은 금속함량을 갖는 층, 바람직하게는 금속성 또는 탄소성층이 위치되고, 이후 금속 함량이 감소중이고 탄소함량이 증가중인 층이 위치되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 내지 8항중 어느 한 항에 있어서, 일정한 화학조성물 영역이 표면에 근접한 상기 슬리핑층의 일부에 배열되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 내지 9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리핑층 표면의 마찰계수가 μ=1.5 이하, 바람직하게는 μ=1.0 이하이고, 상기 층 시스템의 접착력이 3 HF 이상이거나, 바람직하게는 2 HF 이상인 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 내지 10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전이층의 두께가 전체 두께의 5 내지 60%, 바람직하게는 10 내지 50%를 차지하는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 내지 11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 접착층, 상기 전이층, 상기 DLC 또는 다이아몬드 층 및/또는 상기 슬리핑층은 수소 및/또는 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반면에, 상기 불가피한 불순물이 불활성 가스, 특히 아르곤 및 크세논을 포함하는 층 시스템.
제 1항 내지 12항중 어느 한 항에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층의 두께는 0.05 ㎛ 내지 10 ㎛, 바람직하게는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 내지 13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 유사 탄소의 DLC 또는 다이아몬드층은 미세입자층 구조를 가지거나 또는 나노결정성 다이아몬드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
제 1항 내지 14항중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리핑층이 DLC 층 시스템상에 적용되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
층 시스템, 특히 제 1항 내지 15항중 어느 한 항에 따른 층 시스템의 기판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법이 하기의 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

a) 기판을 진공 챔버내로 도입시키고, 챔버 압력이 10^-3mbar 이하, 바람직하게는 10^-5mbar 이하가 될 때까지 챔버를 흡입하는 단계;

b) 기판 표면을 세척하는 단계;

c) 기판상의 접착층을 플라즈마-지지 증착(plasma-supported depositon)시키는 단계;

d) 상기 접착층 성분을 플라즈마-지지 증착시키는 동시에 가스상으로부터 탄소를 증착시켜 상기 접착층상의 전이층을 증착시키는 단계;

e) 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-지지 증착시켜 상기 전이층상에 상기 DLC 또는 다이아몬드층을 적용시키는 단계;

f) 가스상으로부터 탄소를 증착시켜 상기 DLC 또는 다이아몬드층상에 상기 슬리핑층을 적용시키는 단계,

여기서, 적어도 상기 c), d), e) 및 f) 단계 공정중에 기판 바이어스 전압(substrate biasing voltage)이 상기 기판에 적용되고, 상기 플라즈마는 적어도 상기 d) 및 e) 단계 공정중에 자기장에 의해 안정화된다.
제 16항에 있어서, 상기 b) 내지 f) 단계 공정중 적어도 하나의 단계중에 양극성 또는 단극성 바이어스 전압이 기질에 적용되는 것을 특징으로 하며, 여기서 사인파 또는 기타 형상이 될 수 있는 상기 바이어스 전압이 1 내지 10,000 kHz, 바람직하게는 20 내지 250 kHz의 중주파 범위에서 펄스되는 방법.
제 16항 또는 17항에 있어서, 상기 b) 내지 f) 단계 공정중 적어도 하나의 단계중에, 바람직하게는 적어도 상기 d) 및 e) 단계 공정중에 기판을 감싸고, 시간 및/또는 공간에 따라 연속적이거나 단계적으로 변할 수 있는 균일한 필드라인 양식을 갖는 종축의 자기장이 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항 내지 18항중 어느 한 항에 있어서, 주기율표상의 제4, 제5 및 제6 아족 원소들을 포함하는 원소로 이루어진 족(group)중 적어도 하나의 원소 및 실리콘을 제 30 또는 31항에 따른 방법에 따라 증착시키고 동시에 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-지지 증착시켜 상기 전이층 및 상기 슬리핑층이 제조되는 것을 특징으로 하며, 여기서 탄소-함유 가스, 바람직하게는 탄화수소 가스, 특히 아세틸렌이 반응 가스로 사용되는 방법.
제 16항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서, 슬리핑층을 적용시키기 위하여, 금속함유층, 바람직하게는 금속성 또는 탄소성층이, 일차적으로 DLC 또는 다이아몬드층상에 증착되고, 슬리핑층의 두께가 증가함에 따라서 탄소 증착 점유율이 표면방향을 따라 연속적으로 또는 단계적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항 내지 20항에 있어서, 탄소 증착 점유율은 슬리핑층의 두께가 증가함에 따라서 표면 방향을 따라 연속적으로 또는 단계적으로 감소되고, 금속 또는 수소 증착 점유율은 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16항 내지 21항에 있어서, 상기 DLC 또는 다이아몬드층이 가스상으로부터 탄소를 플라즈마-CVD 증착시켜 제조되는 것을 특징으로 하며, 여기서 탄소함유 가스, 바람직하게는 탄화수소 가스, 특히 아세틸렌은 반응 가스로 사용되는 방법.
제 16항 내지 22항에 있어서, 상기 b) 내지 f) 단계 공정이 10^-4mbar 내지 10^-2mbar 압력하에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
진공챔버(1), 진공챔버(1)내에 진공을 발생시키기 위한 펌프 시스템(9), 코팅될 기판을 수용하기 위한 기판수용장치(3), 공정 가스 공급을 조절하는 적어도 하나의 가스공급유닛(8), 이용가능한 증착용 코팅물질을 제조하기 위한 적어도 하나의 증발장치(14), 저-전압 직류 아크를 점화시키기 위한 아크 발생장치(10, 13), 기판 바이어스 전압 발생 장치(16), 및 원자기장 형성을 위한 적어도 하나 또는 다수의 자기장 발생장치(17)를 포함하는, 바람직하게는 제 17 내지 24 특징에 따른코팅방법을 수행하기 위한, 하나 이상의 기판을 코팅하는 장치.
제 24항에 있어서, 상기 원자기장 형성을 위한 자기장 발생 장치(17)는 적어도 두 개의 전자기 코일을 포함하고, 각각의 코일은 서로 마주보며 배열된 두 개의 마그네트론 장치중 하나를 측면으로 감싸고 있으며, 여기서 마주 배열된 마그네트론 자기 시스템들의 극성은 한 시스템의 북극이 다른 시스템의 남극을 향하도록 배열되어 있고, 자기코일 필드들이 서로를 보충하여 폐쇄 자기장을 이루며 마그네트론 자기 시스템들의 외부 폴 및 자기 코일들의 극성이 동일한 방향으로 작용하는 방식으로 각 시스템과 관련된 코일들이 동시에 전류원에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.