Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück umfassend einen Grundkörper, gegebenenfalls eine oder mehrere Vermittlerschichten und eine Si-DLC enthaltende Deckschicht, sowie ein Verfahren zum PVD-Beschichten von Werkstücken, umfassend einen oder mehrere Schritte S _\ bis SN, mit N = l, 2, 3, wobei im Schritt S _N eine Si-DLC enthaltende Deckschicht mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Silizium- haltigem Target und gegebenenfalls einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Graphit- Target abgeschieden wird.

Die Verwendung von tribologischen Si-DLC-Schichten ist im Stand der Technik bekannt. DE 100 18 143 B3 beschreibt ein Schichtsystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Schichtsystem eine Deckschicht aus im Wesentlichen diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) mit einer Härte von wenigstens 15 GPa und einer Haftfestigkeit von 3 HF oder besser umfasst. Neben der Deckschicht umfasst das Schichtsystem eine Haft- und eine Übergangsschicht, wobei die Haftschicht und ggf. die Übergangsschicht mindestens ein Element der 4., 5. oder 6. Nebengruppe und/oder Silizium enthalten. Die Deckschicht wird bevorzugt mittels Plasma-CVD-Abscheidung aus einem Kohlenstoff-haltigen Gas, wie Acetylen erzeugt und hat einen Wasserstoffgehalt von 5 bis 30 atom-%.

EP 87 836 offenbart ein DLC-Schichtsystem mit einem 0,l-49,l%igen Anteil metallischer Komponenten, welches beispielsweise mittels Kathodenzerstäubung abgeschieden wird.

Die DE 43 43 354 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Ti-haltigeh Schichtsystems mit einer Hartstoffschicht aus Titannitriden Titancarbiden und Titanboriden sowie einer reibungsmindernden C-haltigen Oberflächenschicht, wobei der Ti- und N-Anteil in Richtung der Oberfläche fortschreitend verringert wird.

Einen gepulsten Plasmastrahl verwendet das in der US 5,078,848 beschriebene Verfahren zur Herstellung von DLC-Schichten. Auf Grund der gerichteten Teilchenstrahlung aus einer Quelle mit geringem Austrittsquerschnitt eignen sich aber solche Verfahren nur bedingt zur gleichmäßigen Beschichtung größerer Flächen.

Verschiedene CVD Verfahren bzw. mit solchen Verfahren hergestellte Si-DLC/DLC Mischschichten werden in den folgenden Dokumenten beschrieben: Die EP-A-651 069 beschreibt ein reibminderndes Verschleißschutzsystem aus 2 - 5000 alternierenden DLC und Si-DLC-Schichten. Ein Verfahren zur Abscheidung von a-DLC-Schichten mit einer Si- Zwischenschicht und daran anschließender a-SiC:H-Übergangszone zur Verbesserung der Haftung wird in der EP 600 533 beschrieben. Auch in der EP 885 983 und der EP 856 592 werden verschiedene Verfahren zur Herstellung solcher Schichten beschrieben. In der EP 885 983 beispielsweise wird das Plasma mit einem DC-beheizten Filament gespeist und die Substrate mit negativer Gleichspannung oder Frequenzen zwischen 30-1.000 kHz beaufschlagt.

Die US 4 728 529 beschreibt eine Methode zur Abscheidung von DLC unter Anwendung eines HF-Plasmas, bei der die Schichtbildung in einem Druckbereich zwischen 10 ^' und 1 mbar aus einem sauerstofffreien Kohlenwasserstoffplasma, dem bei Bedarf Edelgas oder Wasserstoff beigemischt wird, erfolgt.

Der in der DE-C-195 13 614 beschriebene Prozess verwendet eine bipolare Substratspannung mit einer kürzeren positiven Pulsdauer in einem Druckbereich zwischen 50-1000 Pa. Damit werden Schichten im Bereich von 10 nm bis 10 μηι Schichtdicke und einer Härte zwischen 15-40 GPa abgeschieden.

Ein CVD Verfahren mit unabhängig vom Beschichtungsplasma erzeugter Substratspannung wird in der DE-A-198 26 259 beschrieben, wobei bevorzugt bipolare, jedoch auch andere periodische veränderte Substratspannungen angelegt werden.

Einige der im Stand der Technik bekannten tribologischen Si-DLC-Beschichtungen weisen eine hohe Härte von über 15 GPa und einen Gleitreibungs-Koeffizienten μ von kleiner 0,2 auf. Jedoch genügt die Verschleißbeständigkeit und damit die Laufleistung der mit den bekannten Si-DLC-Schichten ausgerüsteten Komponenten, wie Zahnräder und Wellen für Antriebe, Motorenteile aus einem Verbrennungsmotor, Getriebeteile aus einem Automobilgetriebe, Pleuel, Getriebeteile, ein Zahnräder, Wellen, Lagerschalen, Wälzlager, Kugellager, Nadellager, Kolbenringe, Kolbenbolzen, Zylinderlaufbuchsen, Teilen von Treibstoffeinspritzvorrichtung z.B. für die Direkteinspritzung von Diesel oder Benzin für Automobilmotoren, Teilen aus dem Ventiltrieb eines Automotors, Tassenstößel, Schlepphebel, Kipphebel, Ventilstößel, Linearführungen, Schließbügel für Automobiltüren, Gleitbuchsen nicht in jedem Fall den hohen Anforderungen der Automobil- und Flugindustrie.

Dementsprechend hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, Komponenten bzw. Werkstücke mit einer tribologischen Beschichtung bereitzustellen, die zusätzlich zu einer hohen Härte und einem niedrigen Gleitreibungs-Koeffizienten eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Werkstück umfassend einen Grundkörper, gegebenenfalls eine oder mehrere Vermittlerschichten und eine Si-DLC enthaltende Deckschicht, wobei die Deckschicht einen Wasserstoffgehalt von 5 bis 20 atom-% aufweist.

Weitere Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Werkstücke sind dadurch gekenn- zeichnet, dass:

- die Deckschicht einen Wasserstoffgehalt von 5 bis 18 atom-%, vorzugsweise 5 bis 15 atom-%, und insbesondere 5 bis 10 atom-% aufweist;

- die Deckschicht eine Dicke von 0,4 bis 5,0 μπι, vorzugsweise 0,6 bis 3,0 μπι, und insbesondere 0,8 bis 2,0 μπι hat; - die Deckschicht eine Härte HU _p iast von 15 bis 40 GPa, vorzugsweise 20 bis 40 GPa, und insbesondere 25 bis 40 GPa aufweist;

- die Deckschicht einen Reibungskoeffizienten μ von 0,05 bis 0,20, vorzugsweise 0,05 bis 0,15, und insbesondere 0,05 bis 0,12 aufweist;

- die Deckschicht gemäß Kalotest mit Al ₂ 0 ₃ -Pulver in Glyzerin einen Verschleißkoeffizient von 0,5 x 10 ^{'15 "} bis 3,0 x 10 ^"15 m ³ /(N-m), vorzugsweise 0,5 x 10 ^"15 bis 2,5 x 10 ^"15 m ³ /(N-m), und insbesondere 0,5 x 10 ^"15 bis 1,5 x 10 ^"15 m ³ /(N-m) aufweist;

- die Deckschicht eine mittels Rockwell A Test für Grundkörper aus Hartmetall oder mittels Rockwell C Test für sonstige Grundkörper gemessene Haftfestigkeit HF1 bis HF4, vorzugsweise HF1 bis HF3, und insbesondere HF1 bis HF2 aufweist; - die Deckschicht einen Si-Gehalt von 5 bis 50 atom-%, vorzugsweise 5 bis 30 atom-%, und insbesondere 5 bis 25 atom-% aufweist;

- die Deckschicht einen Gehalt von 0,01 bis 6,0 atom-% eines Additivs gewählt aus Bor, Schwefel und Mischungen davon, aufweist;

- die Deckschicht eine oder mehrere Doppellagen umfasst, die wechselweise aus Lagen aus Si-DLC und Lagen aus DLC oder wechselweise aus Lagen aus Si-DLC und Lagen aus

Me-DLC bestehen, wobei Me-DLC vorzugsweise als W-DLC ausgeführt ist;

- die Deckschicht ein erstes Schichtsystem mit einer oder mehreren Doppellagen und ein zweites Schichtsystem mit einer oder mehreren Doppellagen umfasst, wobei die Doppellagen des ersten und des zweiten Schichtsystems wechselweise aus Lagen aus Si-DLC und Lagen aus DLC bestehen, das Verhältnis der Dicken der DLC-Lagen zu den Si-DLC-Lagen in dem ersten Schichtsystem größer/gleich 0,9, vorzugsweise größer 1 ,2 ist und das Verhältnis der Dicken der DLC-Lagen zu den Si-DLC-Lagen in dem zweiten Schichtsystem kleiner 0,9, vorzugsweise kleiner 0,8 ist; die alternierenden Lagen aus Si-DLC und DLC bzw. Me-DLC jeweils eine Dicke von 0,1 bis 100 nm, vorzugsweise 1 bis 10 nm, und insbesondere 1 bis 5 nm haben; der mittlere Silizium-Anteil der Deckschicht 5 bis 50 atom-%, vorzugsweise 5 bis 30 atom-%, und . insbesondere 5 bis 25 atom-% beträgt und vorzugsweise mit zunehmendem Abstand vom Grundkörper ansteigt; das Werkstück eine zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper angeordnete und zum Grundkörper benachbarte Haftschicht aus Ti, V, Cr, CrN, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si oder Ni umfasst; das Werkstück eine zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnete und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbarte erste Vermittlerschicht aus SiCx, MeCx oder WCx umfasst sowie gegebenenfalls eine zwischen der ersten Vermittlerschicht und der Deckschicht angeordnete und zur ersten Vermittlerschicht benachbarte zweite Vermittlerschicht aus DLC, Si-DLC oder Me-DLC, insbesondere aus W-DLC umfasst und in den Vermittlerschichten die folgenden Materialpaarungen vorliegen:

erste Vermittlerschicht zweite Vermittlerschicht

SiC _x

SiCx DLC

SiCx Si-DLC

SiC _x Me-DLC

WC _X

WCx DLC

WCx Si-DLC

WC _X Me-DLC

MeCx

MeCx DLC

MeCx Si-DLC

MeC _x Me-DLC wobei Me-DLC vorzugsweise als W-DLC ausgeführt ist; ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes erstes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten aus (SiC _x / WC _x ), (SiC _x / MeC _x ), (WC _x / SiC _x ) oder (MeCx / SiCx) sowie gegebenenfalls ein zwischen der Deckschicht und dem ersten Schichtsystem angeordnetes und zum ersten Schichtsystem benachbartes zweites Schichtsystem umfasst, wobei das zweite Schichtsystem eine Schicht oder zwei Schichten gewählt aus SiC _x , (SiC _x / DLC), (SiC _x / Si-DLC), (SiCx / Me-DLC), insbesondere (SiC _x / W-DLC), oder MeCx, (MeC _x / DLC), (MeC _x / Si-DLC), (MeCx / Me-DLC), insbesondere (MeCx / W-DLC), wobei MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist, umfasst und in den Schichtsystemen die folgenden Materialpaarungen vorliegen: erstes Schichtsystem zweites Schichtsystem

n x (SiC _x / WC _X ) SiCx

n x (SiC _x / WC _X ) SiCx DLC

n x (SiC _x / WC _X ) SiCx Si-DLC

n x (SiCx / WC _X ) SiCx Me-DLC

n x (SiCx / MeC _x ) SiC _x

n x (SiCx / MeCx) SiCx DLC

n x (SiCx / MeC _x ) SiCx Si-DLC

n x (SiC _x / MeC _x ) SiCx Me-DLC

n x (WC _X / SiCx) MeCx

n x (WC _X / SiCx) MeCx DLC

n x (WC _X / SiCx) MeC _x Si-DLC

n x (WC _X / SiCx) MeCx Me-DLC

n x (MeC _x / SiC _x ) MeC _x

n x (MeCx / SiC _x ) MeC _x DLC

n x (MeC _x / SiCx) MeCx Si-DLC

n x (MeC _x / SiCx) MeCx Me-DLC wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist; ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes erstes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten aus (SiCx / DLC), (SiCx / Si-DLC), (SiC _x / Me-DLC), insbesondere (SiC _x / W-DLC) oder (MeC _x / DLC), (MeC _x / Si-DLC), (MeCx / Me-DLC), insbesondere (MeCx / W-DLC) sowie gegebenenfalls ein zwischen der Deckschicht und dem ersten Schichtsystem angeordnetes und zum ersten Schichtsystem benachbartes zweites Schichtsystem umfasst, wobei das zweite Schichtsystem zwei Schichten gewählt aus (SiC _x / DLC), (SiC _x / Si-DLC), (SiCx / Me-DLC), insbesondere (SiC _x / W-DLC) oder (MeC _x / DLC), (MeCx / Si-DLC), (MeC _x / Me-DLC), insbesondere (MeCx / W-DLC) umfasst und in den Schichtsystemen die folgenden Materialpaarungen vorliegen: erstes Schichtsystem zweites Schichtsystem nx (SiCx/DLC) SiC _x DLC n (SiCx/DLC) SiCx Si-DLC nx (SiCx/DLC) SiCx Me-DLC nx (SiCx/Si-DLC) SiCx DLC n x (SiC _x / Si-DLC) SiCx Si-DLC nx (SiCx/Si-DLC) SiC _x Me-DLC nx (SiCx/Me-DLC) SiCx DLC nx (SiCx/Me-DLC) SiCx Si-DLC nx (SiCx/Me-DLC) SiCx Me-DLC nx (SiCx/DLC) MeCx DLC nx (SiCx/DLC) MeC _x Si-DLC nx (SiCx/DLC) MeC _x Me-DLC nx (SiC _x / Si-DLC) MeC _x DLC nx SiC _x / Si-DLC) MeC _x Si-DLC nx (SiC _x /Si-DLC) MeCx Me-DLC nx (SiCx/Me-DLC) MeCx DLC n x ( SiC _x / Me-DLC) MeCx Si-DLC nx (SiCx/Me-DLC) MeC _x Me-DLC nx (MeCx/DLC) SiCx DLC n (MeCx/DLC) SiCx Si-DLC n (MeCx/DLC) SiC _x Me-DLC n x (MeC _x / Si-DLC) SiCx DLC n x (MeC _x / Si-DLC) SiCx Si-DLC n x (MeC _x / Si-DLC) SiCx Me-DLC n x ( MeC _x / Me-DLC) SiCx DLC n x ( MeCx / Me-DLC) SiCx Si-DLC nx (MeCx /Me-DLC) SiCx Me-DLC n x (MeC _x / DLC) MeC _x DLC n x (MeC _x / DLC) MeC _x Si-DLC n (MeC _x / DLC) MeC _x Me-DLC

n (MeCx / Si-DLC) MeC _x DLC

n (MeCx / Si-DLC) MeC _x Si-DLC

n x (MeC _x / Si-DLC) MeC _x Me-DLC

n x ( MeCx / Me-DLC) MeC _x DLC

n x ( MeCx / Me-DLC) MeC _x Si-DLC

n x ( MeCx / Me-DLC) MeCx Me-DLC wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist; ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes erstes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten gewählt aus (Si-DLC / SiCx), (Si-DLC / MeCx), vorzugsweise (Si-DLC / WC _X ) oder (Me-DLC / SiC _x ), insbesondere (W-DLC / SiC _x ), (Me-DLC / MeC _x ), insbesondere (W-DLC / WCx) oder (DLC / SiC _x ), (DLC / MeC _x ), vorzugsweise (DLC / WCx) sowie gegebenenfalls ein zwischen der Deckschicht und dem ersten Schichtsystem angeordnetes und zum ersten Schichtsystem benachbartes zweites Schichtsystem umfasst, wobei das zweite Schichtsystem zwei Schichten gewählt aus

(SiCx / DLC), (MeC _x / DLC), (SiC _x / Si-DLC), (MeC _x / Si-DLC), (SiC _x / Me-DLC), insbesondere (SiC _x / W-DLC) oder (MeCx / Me-DLC), insbesondere (MeC _x / W-DLC) umfasst und in den Schichtsystemen die folgenden Materialpaarungen vorliegen: erstes Schichtsystem zweites Schichtsystem

n x (Si-DLC / SiC _x ) SiCx DLC

n x (Si-DLC / MeC _x ) SiCx DLC

n x (Si-DLC / SiC _x ) MeC _x DLC

n x (Si-DLC / MeC _x ) MeCx DLC

n x (Si-DLC / SiC _x ) SiCx Si-DLC

n x (Si-DLC / MeCx) SiCx Si-DLC

n x (Si-DLC / SiC _x ) MeCx Si-DLC

n x (Si-DLC / MeC _x ) MeCx Si-DLC n x (Si-DLC / SiC _x ) SiCx Me-DLC

n x (Si-DLC / MeC _x ) SiCx Me-DLC

n x (Si-DLC / SiC _x ) MeC _x Me-DLC

n (Si-DLC / MeCx) MeC _x Me-DLC

n x (Me-DLC / SiCx) SiCx DLC

n x (Me-DLC / MeC _x ) SiC _x DLC

n x (Me-DLC / SiCx) MeC _x DLC

n (Me-DLC / MeC _x ) MeCx DLC

n x (Me-DLC / SiC _x ) SiCx Si-DLC

n x (Me-DLC / MeC _x ) SiCx Si-DLC

n x (Me-DLC / SiC _x ) MeC _x Si-DLC

n x (Me-DLC / MeC _x ) MeC _x Si-DLC

n x (Me-DLC / SiC _x ) SiCx Me-DLC

n x (Me-DLC / MeC _x ) SiCx Me-DLC

n x (Me-DLC / SiCx) MeC _x Me-DLC

n x (Me-DLC / MeC _x ) MeC _x Me-DLC

n x (DLC / SiCx) SiCx DLC

n x (DLC / MeCx) SiCx DLC

n x (DLC / SiC _x ) MeC _x DLC

n x (DLC / MeC _x ) MeC _x DLC

n x (DLC / SiCx) SiCx Si-DLC

n x (DLC / MeCx) SiCx Si-DLC

n x (DLC / SiCx) MeC _x Si-DLC

n x (DLC / MeCx) MeC _x Si-DLC

n x (DLC / SiCx) SiCx Me-DLC

n x (DLC / MeCx) SiCx Me-DLC

n x (DLC / SiCx) MeCx Me-DLC

n x (DLC / MeCx) MeCx Me-DLC wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeCx vorzugsweise als WCx ausgeführt ist; das Werkstück ein zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper oder der Haftschicht angeordnetes und zum Grundkörper oder zur Haftschicht benachbartes Schichtsystem aus einer oder mehreren Doppelschichten aus (Si-DLC / DLC), (Si-DLC / Me-DLC), insbesondere (Si-DLC / W-DLC) oder (DLC / Si-DLC), (DLC / Me-DLC), insbesondere (DLC / W-DLC) oder (Me-DLC / Si-DLC), insbesondere (W-DLC / Si-DLC), (Me-DLC / DLC), insbesondere (W-DLC / DLC) sowie gegebenenfalls eine zwischen der Deckschicht und dem Schichtsystem angeordnete und zum Schichtsystem benachbarte Vermittlerschicht aus DLC, Si-DLC oder Me-DLC, insbesondere aus W-DLC umfasst und in dem Schichtsystem und der Vermittlerschicht die folgenden Materialpaarungen vorliegen:

Schichtsystem Vermittlerschicht

n (Si-DLC / DLC)

n x (Si-DLC / DLC) Si-DLC

n x (Si-DLC / DLC) Me-DLC

n x ( Si-DLC / Me-DLC)

n ( Si-DLC / Me-DLC) Si-DLC

n x ( Si-DLC / Me-DLC) DLC

n x (DLC / Si-DLC)

n x (DLC / Si-DLC) DLC

n x (DLC / Si-DLC) Me-DLC

n x (DLC / Me-DLC)

n x (DLC / Me-DLC) DLC

n x (DLC / Me-DLC) Si-DLC

n x (Me-DLC / Si-DLC)

n x (Me-DLC / Si-DLC) DLC

n x (Me-DLC / Si-DLC) Me-DLC

n x (Me-DLC / DLC)

n x (Me-DLC / DLC) Si-DLC

n x (Me-DLC / DLC) Me-DLC wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 und Me-DLC vorzugsweise als W-DLC ausgeführt ist;

- das Werkstück eine zwischen der Deckschicht und dem Gnindkörper angeordnete und zur Deckschicht benachbarte Schicht aus DLC umfasst; - der Grundkörper aus einem Werkstoff gewählt aus Stahl, Stahllegierungen, Titan, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Keramikmaterial, Hartmetall, Wolfram, Wolframlegierungen, Tantal, Tantallegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Silizium, Siliziumverbindungen, Bronze, Kunststoff oder einer Mischung aus diesen Werkstoffen besteht; und

- das Werkstück ein Motorenteil aus einem Verbrennungsmotor, ein Getriebeteil aus einem Automobilgetriebe, ein Pleuel, ein Getriebeteil, ein Zahnrad, eine Welle, eine Lagerschale, ein Wälzlager, ein Kugellager, ein Nadellager, ein Kolbenring, ein Kolbenbolzen, eine Zylinderlaufbuchse, ein Teil einer Treibstoffemspritzvorrichtung z.B. für die Direkteinspritzung von Diesel oder Benzin für Automobilmotoren, ein Teil aus dem Ventiltrieb eines Automotors, ein Tassenstößel, ein Schlepphebel, ein Kipphebel, ein Ventilstößel, eine Lmearführung, ein Schließbügel für Automobiltüren, eine Gleitbuchse oder eine Solarzelle ist.

Diamant-artiger Kohlenstoff bzw. DLC sowie Verfahren zum Abscheiden von Beschichtungen aus DLC mittels CVD und/oder PVD sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. In DLC-Schichten sind die Kohlenstoffatome in einem dreidimensionalen unregelmäßigen Gitter angeordnet, wobei ein großer Teil der Kohlenstoffatome sp ³ -hybridisiert und jeweils mit vier benachbarten Kohlenstoffatomen kovalent gebunden ist.

Im Rahmen der Erfindung bezeichnen die Abkürzungen "SiCx", "MeCx" und "WCx" Schichtmaterialien, die einen metallischen oder carbidischen Charakter aufweisen und die insbesondere überwiegend aus Silizium oder Siliziumcarbid (SiC), aus einem Metall, gewählt aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Ni oder Metallcarbid (MeC), bzw. aus Wolfram oder Wolframcarbid (WC) bestehen. In reinem SiC, MeC oder WC beträgt das stöchiometrische Verhältnis von Si, Me bzw. W zu C genau 1 atom-% zu 1 atom-%. Die in der vorliegenden Anmeldung mit "SiCx", "MeCx" und "WCx" bezeichneten Schichtmaterialien weisen in der Regel eine von reinem SiC, MeC bzw. WC abweichende Stöchiometrie auf, wobei X das Verhältnis des Kohlenstoffanteils relativ zum Silizium-, Metall- bzw. Wolframanteil angibt und typischerweise im Bereich 0,1 < X < 2,0 liegt, d.h. je 1 atom-% Silizium, Metall bzw. Wolfram enthalten die Schichten 0,1 bis 2,0 atom-% Kohlenstoff. Derartige Schichten bestehen im Allgemeinen aus einer Mischung mehrerer Phasen, z.B. aus SiC-, MeC- oder WC-Kristalliten, die in eine Matrix aus metallischem Silizium, Metall bzw. Wolfram (X < 1) oder eine Matrix aus graphitartigem, sp -hybridisiertem oder ggf. diamantartigem, sp ³ -hybridisiertem Kohlenstoff (1 < X < 2) eingebettet sind. Erfindungsgemäß sind zudem "gradierte" SiCx-, MeCx- oder WCx-Schichten vorgesehen, in denen X, d.h. das stöchiometrische Verhältnis von Kohlenstoff zu Silizium, Metall bzw. Wolfram durch gezielte Änderung der Abscheideparameter derart variiert wird, dass es stetig zu oder abnimmt. Im Rahmen der Erfindung sind vor Allem SiCx-, MeCx- oder WCx-Schichten mit zunehmendem X bzw. Kohlenstoffgehalt vorgesehen, um einen mehr oder minder kontinuierlichen Übergang zu einer nachfolgend abgeschiedenen Deckschicht aus Si-DLC oder Vermittlerschichten aus DLC oder Me-DLC zu schaffen. Derartig gradierte SiCx-, MeCx- oder WCx-Schichten reduzieren die thermische Fehlanpassung und verbessern die Haftung.

Im Weiteren bezeichnet der Begriff "Me-DLC" Schichtmaterialien aus Diamant-artigem Kohlenstoff (DLC), die bis zu 40 atom-%, insbesondere 5 bis 15 atom-% eines Metalls, gewählt aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Ni und W enthalten, wobei Wolfram bevorzugt ist. Neben einer Härte HUpiast von bis zu 40 GPa und einem niedrigen Reibungskoeffizienten μ von 0,05 bis 0,20 zeichnet sich die Beschichtung auf den erfindungsgemäß beschichteten Werkstücken durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Im Gegensatz zu Schichten aus DLC und Me-DLC, die bereits ab 350 °C degradieren, halten erfindungsgemäße Deckschichten aus Si-DLC mit einem Siliziumgehalt von größer 5 atom-% im bestimmungsgemäßen Betrieb Temperaturen von bis zu 500 °C stand.

Die Erfindung hat im Weiteren die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einem Beschichtungssystem der vorstehend beschriebenen Art bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend einen oder mehrere Schritte Si bis SN, mit N = 1, 2, 3, wobei im Schritt S eine Si-DLC enthaltende Deckschicht mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Silizium-haltigem Target und gegebenenfalls einer oder mehreren Magnetronkathoden mit Graphit-Target abgeschieden wird und die Abscheidung in einer Atmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt von kleiner 30 atom-%, vorzugsweise kleiner 20 atom-%, insbesondere kleiner 15 atom-%, und besonders bevorzugt kleiner 10 atom-% ausgeführt wird.

Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass:

- im Schritt SN der Atmosphäre ein inertes, aus Argon, Neon, Helium, Xenon, Krypton oder einer Mischung davon bestehendes Sputtergas oder ein aus einer Mischung von inerten Gasen und Acetylen (C2H2) bestehendes Sputtergas zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Gasflüsse von inertem Gas zu Acetylen von 95:5 bis 50:50 beträgt;

- im Schritt SN ein oder mehrere Targets aus Materialien gewählt aus Si, SiC, einer Mischung aus Si und SiC, einer Mischung aus Graphit und SiC, einer Mischung aus Graphit und Si, einer Mischung aus Graphit und Si und SiC, W, WC, Ti, TiC, V, VC, Cr, CrC, Zr, ZrC, Nb, NbC, Mo, Mo ₂ C, Hf, HfC, Ta, TaC, Ni oder NiC _x verwendet werden;

- das Verfahren einen oder mehrere Schritte Si bis SN-I, mit N = 2, 3, ... umfasst, wobei durch Magnetronsputtem eines oder mehrerer Targets aus Materialien gewählt aus Graphit, W, WC, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si, Ni und SiC oder einer Mischung dieser Materialien in einem inerten oder reaktiven, gegebenenfalls wasserstoffhaltigen Plasma eine Haftschicht und/oder eine oder mehrere Vermittlerschichten bzw. Schichtsysteme abgeschieden werden;

- in einem oder mehreren der Schritte Si bis SN Targets verwendet werden, die einen Dotierstoff, wie Bor oder Schwefel enthalten;

- in einem oder mehreren der Schritte Si bis S Gase verwendet werden, die einen Dotierstoff, wie Bor oder Schwefel enthalten;

- unbalancierte Magnetronkathoden verwendet und/oder an die zu beschichtenden Werkstücke ein Biaspotential von bis zu -300 V, vorzugsweise von -50 bis -200 V, und insbesondere von -100 bis -200 V angelegt wird; und

- vor Ausführung der Schritte S] bis S die Oberfläche der Werkstücke mittels Ionenätzen vorbehandelt wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Abscheidung der Deckschicht und der optionalen Vermittlerschichten in einer Atmosphäre, umfassend ein inertes, aus Argon, Neon, Helium, Xenon, Krypton oder einer Mischung davon bestehendes Gas und ggf. ein oder mehrere Reaktivgase, wie Acetylen (C ₂ H ₂ ), Methan (CH ₄ ), Stickstoff (N ₂ ), Silane (Si _m H _n ), insbesondere Monosilan (S1H ₄ ), Organosilane, insbesondere Tetramethylsilan (C4H ₁₂ Si) und Hexamethyldisiloxan (C ₆ H ₁₈ OSi ₂ ) und Organosilazane.

Die Atmosphäre bzw. das Plasma, in dem die Abscheidung der Deckschicht aus Si-DLC erfolgt, hat einen Wasserstoffgehalt von nominell kleiner 30 atom-%. Im Rahmen der Erfindung bezieht sich die nominelle Angabe des Wasserstoffgehaltes auf vollständig dissoziierte Gasmoleküle. Wird z.B. eine Mischung aus 80 vol-% Argon (Ar) und 20 vol-% Acetylen (C ₂ H ₂ ) als Atmosphäre für die Abscheidung verwendet, so wird der nominelle Wasserstoffgehalt gemäß der folgenden Gleichung (I) berechnet:

(I) 20 x 2 H / ( 80 x 1 Ar + 20 x 2 C + 20 x 2 H ) = 40 H / 160 (Ar+C+H) = 25 atom-%

Nach Gleichung (I) werden sämtliche Gasmoleküle bzw. -atome als vollständig dissoziiert betrachtet. Während der Abscheidung bzw. während des Sputterns wird der Atmosphäre kontinuierlich frisches Gas zugeführt. Die pro Zeiteinheit zugeführte Menge der verschiedenen Gase bzw. der Gasfluss wird mittels, einschlägig als Massflow-Controllern (MFC) bezeichneten Reglern eingestellt, die über eine Speicher-programmierbare-Steuerung (SPS) oder einen Computer programmatisch angesteuert werden. Üblicherweise wird der Gasfluss in der Einheit "Standard cubic centimeter per minute" (sccm) angegeben. Während der Abscheidung der Deckschicht aus Si-DLC wird die Menge der pro Minute zugeführten bzw. eingelassenen Gase jeweils so geregelt, dass in dem resultierenden Gasgemisch der gemäß Gleichung (I) berechnete nominelle Wasserstoffgehalt kleiner/gleich 30 atom-% ist. Die tatsächliche stöchiometrische Zusammensetzung der Atmosphäre bzw. des Plasmas, in dem die Abscheidung erfolgt, weicht aufgrund verschiedener Effekte, wie z.B. der von der Gasspezies abhängigen Pumpleistung von Turbomolekularpumpen, der gasartabhängigen Leitwerte der Vakuumverrohrung und Ventile zwischen Pumpe(n) und Rezipient und der Einlagerung der Gasatome in der abgeschiedenen Schicht von dem nach Gleichung (I) berechneten nominellen Wert ab. Der nominelle Wert ist mittels MFC präzise regelbar und wird deshalb zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei

Fig. 1-4 beschichtete Werkstücke;

Fig. 5 ein Sekundärionen-Massenspektrum (SIMS) einer Beschichtung; und Fig. 6a, 6b Vorrichtungen zum PVD-Beschichten zeigen.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Werkstücks 10 mit einem Grundkörper 1 und einer Si-DLC enthaltenden Deckschicht 6, die einen Wasserstoffgehalt von 5 bis 20 atom-%, vorzugsweise 5 bis 18 atom-%, insbesondere 5 bis 15 atom-%, und besonders bevorzugt 5 bis 10 atom-% aufweist. Die Deckschicht 6 hat einen Siliziumgehalt von 5 bis 50 atom-%, bevorzugt 10 bis 30 atom-%, und insbesondere 15 bis 25 atom-%. In einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung enthält die Deckschicht 6 zudem 0,01 bis 6,0 atom-% Bor und/oder Schwefel. Der Gehalt an Wasserstoff und Silizium wird durch das Beschichtungsverfahren, insbesondere die Wahl des Targetmaterials der verwendeten Magnetronkathoden bestimmt. Erfolgt die Abscheidung in einer industriellen Beschichtungsanlage mit einer üblichen Leistungsdichte an der Targetoberfläche von etwa 5 bis 15 W-cm ^' in einer Gasatmosphäre mit einem geringen Wasserstoffanteil, z.B. Argon zu Acetylen (C ₂ H ₂ ) im Verhältnis 350 sccm zu 25 sccm, so liegt der Wasserstoffgehalt in der Deckschicht 6 im Bereich von 5 bis 6 atom-%. Indem der Anteil von Acetylen oder Methan (CH ₄ ) erhöht wird, kann der Wasserstoffgehalt in der Deckschicht 6 auf Werte von bis zu 20 atom-% angehoben werden. Um den Siliziumgehalt der Deckschicht einzustellen, werden eine oder mehrere Magnetronkathoden mit Targets aus Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC) und Graphit (C) verwendet. Insbesondere werden die folgenden Kombinationen von Magnetronkathoden bzw. Targets eingesetzt:

(i) mxSiC + nxC mit m = 1 bis 6, n = 0 bis 5 und 1 < m + n < 6;

(ii) kxSi + nxC mit k = 1 bis 6, n = 0 bis 5 und 1 < k + n < 6; und

(iii) kxSi + mxSiC + nxC mit k = 1 bis 5, m = 1 bis 5, n = 0 bis 4 und

2 < k + m + n < 6

Je nach Wahl der Targetmaterialien und des Sputtergases werden der Silizium- und Wasserstoffgehalt der Deckschicht 6 innerhalb der vorstehend erwähnten Grenzen von 5 bis 20 atom-% Wasserstoff und 5 bis 50 atom-% Silizium eingestellt.

Gegebenenfalls beinhalten die Si-, SiC- und Graphit-Targets Zusatzstoffe wie Bor, Aluminium, Wolfram, Vanadium und/oder Schwefel, welche den Reibungskoeffizienten μ der Deckschicht 6 mindern und/oder die elektrische Leitfähigkeit der Si- und SiC-Targets erhöhen. Die in den Si-, SiC- und Graphit-Targets enthaltenen Zusatzstoffe werden beim Sputtern in der Deckschicht 6 deponiert. Bevorzugt weist die Deckschicht 6 einen Gehalt an Bor und/oder Schwefel von 0,01 bis 6,0 atom-% auf. Die Deckschicht 6 ist 0,4 bis 5,0 μηι, vorzugsweise 0,6 bis 3,0 μπι, und insbesondere 0,8 bis 2,0 μηι dick. Die Dicke der Deckschicht 6 ist durch das Produkt aus Abscheiderate und Abscheidedauer bzw. bei variabler Abscheiderate durch das Zeitintegral der Abscheiderate bestimmt. Die Abscheiderate wiederum ist eine Funktion mehrerer Variablen, wie Anzahl, Targetgröße und Targetmaterial der Magnetronkathoden, Sputterstrom und der verwendeten Gasmischung sowie der geometrischen Anordnung der zu beschichtenden Teile und deren Bewegung bzw. Mehrfachrotation usw. Durch entsprechende Anpassung der Abscheiderate und der Abscheidedauer wird die Dicke der Deckschicht 6 eingestellt.

Werden für die Abscheidung der Deckschicht 6 zwei oder mehr voneinander verschiedene Magnetronkathoden bzw. Targetmaterialien verwendet, beispielsweise lxSiC + l Graphit, so bilden sich in der PVD-Beschichtungsvorrichtung vor den jeweiligen Magnetronkathoden Zonen aus, deren Gehalt an Kohlenstoff- und Siliziumatomen sich voneinander unterscheidet. So bildet sich vor einer Magnetronkathode mit Graphit-Target eine Plasmazone aus, die im Wesentlichen frei von Silizium ist. Demgegenüber enthält eine Zone vor einer Magnetronkathode mit SiC-Target sowohl Silizium als auch Kohlenstoff. Alternativ werden ein oder mehrere SiC- oder Si-Targets in Verbindung mit einem Kohlenstoff-haltigen Sputtergas, beispielsweise einer Mischung aus Argon und Acetylen (C ₂ H ₂ ) in einem Volumenverhältnis von 350 : 40, d.h. mit einem nominellen Wasserstoffgehalt von 40x2 / (350x1 + 40x2 + 40x2) = 80/510 = 15,7 atom-% verwendet. Die Beschichtungszone vor einem Si-Target enthält dann sowohl Silizium wie auch Kohlenstoff, so dass auf einem in dieser Beschichtungszone befindlichen Werkstück 1 eine Si-DLC-Schicht abgeschieden wird. Wie bereits vorstehend erläutert, wird ein Volumenverhältnis von Argon zu Acetylen in der Sputteratmosphäre von beispielsweise 350:40 eingestellt, indem die über die MFC eingelassenen Gasflüsse auf 350 sccm Argon und 40 sccm Acetylen geregelt werden.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung werden die zu beschichtenden Werkstücke während des Beschichtungsvorgangs mittels eines Planetenantriebs innerhalb der PVD-Beschichtungsvorrichtung durch die Beschichtungszonen bewegt und vorzugsweise mittels Magnetronkathoden, die in Verbindung mit elektromagnetischen Feldspulen ein tunnelartiges Magnetfeld und ein großvolumiges Plasma erzeugen, unter Anwendung eines negativen Substratpotentials bewirkten Ionenbeschusses beschichtet. Die zu beschichtenden Werkstücke sind auf Substrathaltern befestigt. Die Substrathalter sind auf einem Drehteller gelagert und um ihre Längsachse rotierbar. Während der Abscheidung der Deckschicht 6 werden der Drehteller und die Substrathalter mit den Werkstücken mittels des Planetenantriebs gedreht, wobei die zeitabhängige Bahn s(t) eines Werkstücks in einer durch Koordinaten ( x ; y ) definierten horizontalen Ebene durch folgende Formel beschreibbar ist: s(t) = ( x(t) ; y(t) ) = ( R _D cos(co _D t) + Rs-cos(Q _S t + Δφ) ; R _D -sin(ro _D 't) + Rs sin(cö _S t + Δφ) ) mit t = Zeit ; R _D = Drehteller-Radius ; Rs = Substrathalter-Radius ;

OO _D = Drehteller- Winkelgeschwindigkeit ; cos— Substrathalter- Winkelgeschwindigkeit ; und Δφ = Winkelversatz zwischen Substrathalter und Drehteller

Vorzugsweise ist das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten CÖ _S /CO _D eine gebrochen rationale, insbesondere irrationale Zahl, so dass die Bahn s(t) nicht stationär ist.

Bei einer vollständigen Rotation des Drehtellers wird jedes Werkstück einmal durch die Beschichtungszone vor jeder der Magnetronkathoden geführt. Je nach Silizium- und Kohlenstoffgehalt der verschiedenen Beschichtungszonen wird dabei auf dem Werkstück eine dünne Lage aus Si-DLC oder DLC abgeschieden. Folglich weist die Deckschicht 6, wie in Fig. 2a, 3 und 4 dargestellt, eine Feinstruktur aus alternierenden Lagen 6A/6B/6A/6B/... aus Si-DLC und DLC bzw. Me-DLC, insbesondere W-DLC auf, d.h. eine Feinstruktur der Gestalt Si-DLC/Me-DLC/Si-DLC/Me-DLC/... bzw. Me-DLC/Si-DLC/Me-DLC/Si-DLC/... Die Dicke der alternierenden Lagen 6A und 6B liegt im Bereich von jeweils 0,1 bis 100 nm, vorzugsweise 1 bis 10 nm und insbesondere 1 bis 5 nm.

Fig. 2b zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein Werkstück 11' ist mit einer Deckschicht 6 ausgerüstet, die eine oder mehrere Doppellagen (6A/6B) sowie eine oder mehrere Doppellagen (6C/6D) umfasst. Die Doppellagen (6C/6D) bilden die obere Deckschicht und damit die Oberfläche der Deckschicht 6 bzw. sind die Doppellagen (6A/6B) zwischen den Doppellagen (6C/6D) und dem Grundkörper 1 angeordnet. Die Doppellagen (6A/6B) bestehen wechselweise aus Si-DLC und DLC und bilden eine Lagenfolge des Typs Si-DLC/DLC/Si-DLC/DLC/... oder DLC/Si-DLC/DLC/Si-DLC/... Auch die Doppellagen (6C/6D) bestehen wechselweise aus Si-DLC und DLC und bilden eine Lagenfolge des Typs Si-DLC/DLC/Si-DLC/DLC/... oder DLC/Si-DLC/DLC/Si-DLC/... Die Doppellagen (6A 6B) und (6C/6D) unterscheiden sich voneinander durch das relative Verhältnis der Dicken der alternierenden DLC- und Si-DLC-Lagen, d.h. den Quotienten (Lagendicke DLC)/(Lagendicke Si-DLC). In den Doppellagen (6A/6B) ist der Quotient (Lagendicke DLC)/(Lagendicke Si-DLC) größer/gleich 0,9, vorzugsweise größer 1,2. Demgegenüber ist in den Doppellagen (6C/6D) der Quotient (Lagendicke DLC)/(Lagendicke Si-DLC) kleiner 0,9, vorzugsweise kleiner 0,8. Hierdurch wird erreicht, dass der obere, mit einem Gegenkörper in Kontakt befindliche Teil (6C/6D) der Deckschicht 6 einen sehr geringen Reibungskoeffizienten aufweist und nach lokalem Verschleiß der oberen Deckschicht der verschleißfestere untere Teil (6A/6B) das Fortschreiten des Verschleißes reduziert. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Siliziumgehalt der Deckschicht 6 variiert, indem das Verhältnis der elektrischen Leistungen und damit der Abscheideraten der Magnetronkathoden mit SiC- bzw. Si-Target relativ zu den Magnetronkathoden mit Graphit-Target erhöht oder erniedrigt wird. Alternativ oder ergänzend hierzu wird die Zusammensetzung des Sputtergases, beispielsweise das Volumenverhältnis (sccm) von Acetylen zu Argon variiert. Insbesondere wird das Beschichtungsverfahren so geführt, dass der Siliziumanteil der Deckschicht 6 in Richtung einer Oberflächennormale 16 des Grundkörpers 1, d.h. mit zunehmendem Abstand vom Grundkörper 1 ansteigt. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Figuren 2a, 2b, 3 und 4 gezeigt. Demnach sind zwischen dem Grundkörper 1 und der Deckschicht 6 eine Haftschicht 2 und/oder eine erste und zweite Vermittlerschicht 3, 4 bzw. ein erstes und zweites Schichtsystem 30, 40 und/oder eine dritte Vermittlerschicht 5 angeordnet. Die Haftschicht 2 grenzt unmittelbar an den Grundkörper 1 und gegebenenfalls an die Deckschicht 6. Die erste Vermittlerschicht 3 bzw. das erste Schichtsystem 30 grenzt unmittelbar an den Grundkörper 1 oder die Haftschicht 2 und ggf. an die Deckschicht 6. Die zweite Vermittlerschicht 4 bzw. das zweite Schichtsystem 40 grenzt unmittelbar an den Grundkörper 1, die Haftschicht 2, die erste Vermittlerschicht 3 oder das erste Schichtsystem 30 und ggf. an die Deckschicht 6. Die dritte Vermittlerschicht 5 grenzt unmittelbar an die Deckschicht 6 sowie an den Grundkörper 1 , die Haftschicht 2, die erste Vermittlerschicht 3, das erste Schichtsystem 30, die zweite Vermittlerschicht 4 oder das zweite Schichtsystem 40.

Beginnend mit dem Grundkörper 1 sind die jeweiligen Schichten bzw. Schichtsysteme in Richtung einer Oberflächennormale 16 des Grundkörpers in aufsteigender Reihenfolge mit den Bezugszeichen 2, 3 bzw. 30, 4 bzw. 40, 5 und 6 gekennzeichnet. Die in den Figuren 2a, 2b, 3 und 4 gezeigten Ausfuhrungsformen repräsentieren lediglich eine Untermenge der erfindungsgemäß vorgesehenen 36 Kombinationsmöglichkeiten der zwischen dem Grundkörper 1 und der Deckschicht 6 liegenden Schichten bzw. Schichtsysteme 2, 3 bzw. 30, 4 bzw. 40 und 5. Die Zahl 36 der Kombinationsmöglichkeiten ergibt sich aus der folgenden Betrachtung: Schicht bzw. Schichtsystem Möglichkeiten Anzahl

Haftschicht nein | ja 2

erste Vermittlerschicht/erstes Schichtsystem nein | 3 | 30 3

zweite Vermittlerschicht/zweites Schichtsystem nein | 4 | 40 3

dritte Vermittlerschicht nein | ja 2

Möglichkeiten gesamt: 2 x 3 x 3 x 2 = 36

Wie in Fig. 4 gezeigt, besteht das erste Schichtsystem 30 aus einer oder mehreren Doppelschichten n (31, 32), wobei n eine ganze Zahl größer/gleich 1 ist. Das zweite Schichtsystem 40 umfasst eine oder zwei Schichten 41 bzw. 41, 42.

Die Dicke der Schichten 3, 31, 32, 4, 41, 42, 5 beträgt jeweils 0,1 bis 3,0 μπι, bevorzugt 0,1 bis 0,8 μπι, und insbesondere 0,1 bis 0,6 μπι.

Die Haftschicht 2, die Vermittlerschichten bzw. Schichtsysteme 3 bzw. 30, 4 bzw. 40 und 5 verbessern die Haftfestigkeit der Deckschicht 6 und oder mindern die thermische Fehlanpassung, d.h. die Differenz zwischen den Temperaturausdehnungskoeffizienten der Deckschicht 6 und des Grundkörpers 1.

Besteht der Grundkörper 1 aus einem weichen Werkstoff, so haben die Haftschicht 2, die Vermittlerschichten bzw. Schichtsysteme 3 bzw. 30, 4 bzw. 40 und oder 5 die zusätzliche Funktion, eine stützende Auflage mit erhöhter Festigkeit für die Deckschicht 6 bereitzustellen. Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere die Abscheidung einer Haftschicht 2 aus Ti, V, Cr, CrN, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si oder Ni auf dem Grundkörper 1 vorgesehen. Hierzu wird eine Magnetronkathode mit einem Target aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si oder Ni eingesetzt. Eine Haftschicht 2 aus CrN wird in einer Stickstoff-haltigen Gasatmosphäre, beispielsweise einer Mischung aus Argon und Stickstoff (N ₂ ) abgeschieden, d.h. mittels reaktivem Magnetronsputtern.

Zur Kompensation der thermischen Fehlanpassung werden zweckmäßigerweise eine erste Vermittlerschicht 3 bzw. eine oder mehrere Doppelschichten (31, 32), eine zweite Vermittlerschicht 4, 41 bzw. (41, 42) und/oder eine dritte Vermittlerschicht 5 aus SiCx, WCx, Si-DLC, Me-DLC, insbesondere W-DLC oder DLC direkt auf dem Grundkörper 1 oder einer zuvor erzeugten Haftschicht 2 aus Ti, V, Cr, CrN, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Si oder Ni abgeschieden, wobei 0,1 < X < 2,0 ist.

Die Dicke der alternierenden Schichten 31 und 32 beträgt jeweils 0,1 bis 3,0 μπι, vorzugsweise 0,1 bis 1,5 μπι und insbesondere 0,1 bis 0,6 μπι. Die Doppelschichten (31, 32) werden sequentiell abgeschieden, indem wechselweise mit ausgewählten Magnetronkathoden gesputtert wird, während die übrigen Magnetronkathoden ausgeschaltet sind bzw. mit einer geringen elektrischen Leistung unterhalb dem für Sputter-Abscheidung erforderlichen Wert betrieben werden. Alternativ zu einer Absenkung der elektrischen Leistung der Magnetronkathoden ist der Einsatz von Abschirmblenden vorgesehen, die automatisch bzw. mittels elektronischer Steuerung verfahren werden und das Target der jeweiligen Magnetronkathode freigeben oder abdecken. Derartige, im Stand der Technik gebräuchliche Abschirmblenden gestatten es, die Magnetronkathoden mit im Wesentlichen konstanter Leistung zu betreiben und die Sputterparameter zu stabilisieren.

Beispielsweise wird zunächst mittels einer oder mehreren Magnetronkathoden mit SiC-Target eine Si-DLC-Schicht erzeugt. Hieran anschließend wird die Magnetronkathode mit SiC- Target abgeschaltet bzw. heruntergeregelt und eine oder mehrere Magnetronkathoden mit WC-Target eingeschaltet, um eine W-DLC-Schicht abzuscheiden. Die vorstehenden Sputterschritte werden ggf. mehrfach wiederholt, um ein Schichtsystem 30 mit mehreren Doppelschichten (31, 32) zu erzeugen. In analoger Weise werden durch wechselweisen Einsatz von Magnetronkathoden mit Si-, SiC-, W-, WC-, Graphit-, MeC- oder Me-Target eine oder mehrere Doppelschichten (31, 32) der Typen (SiC _x /MeC _x ), (MeC _x , SiC _x ), (SiC _x /DLC), (SiC _x /Me-DLC), (MeC _x /Si-DLC), (Si-DLC/MeC _x ), (W-DLC/SiC _x ), (Si-DLC/DLC), (Si-DLC Me-DLC), (DLC/Si-DLC) oder (Me-DLC/Si-DLC) abgeschieden, wobei Me-DLC vorzugsweise als W-DLC und MeC _x vorzugsweise als WC _X ausgeführt ist.

Demgegenüber werden bei der Abscheidung der Deckschicht 6 alternierende Lagen aus Si-DLC und DLC bzw. aus Si-DLC und Me-DLC, insbesondere W-DLC mit einer Dicke von 0,1 bis 20 nm simultan in verschiedenen Beschichtungszonen vor den jeweiligen Magnetronkathoden abgeschieden.

Fig. 5 zeigt ein mit Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) aufgenommenes Tiefenprofil einer erfindungsgemäßen Beschichtung auf einem Substrat 1 aus Stahl der Sorte 100Cr6. Die Beschichtung umfasst eine 1,9 μπι dicke Deckschicht 6 aus Si-DLC mit etwa 77 atom-% Kohlenstoff, 15 atom-% Silizium und 8 atom-% Wasserstoff. Zwischen der Deckschicht 6 und dem Substrat 1 sind nacheinander eine Haftschicht 2 aus 0,5 μιη Cr, eine erste Vermittlerschicht 3 mit einer Dicke von 0,3 μπι aus WC _X und eine zweite Vermittlerschicht 4 mit 0,3 μπι Dicke aus W-DLC angeordnet. Der Übergang von der zweiten Vermittlerschicht aus W-DLC zur Si-DLC Deckschicht ist gradiert.

In Fig. 6a und 6b sind schematische Draufsichten auf PVD-Beschichtungsvorrichtungen 100, 100' zum Erzeugen der erfindungsgemäßen Beschichtungssysteme wiedergegeben. Die PVD- BescMchtungsvorrichtungen 100, 100' umfassen eine Vakuumkammer 110, in welcher eine oder mehrere Magnetronkathoden (50, 50; 60, 60; 70, 70) mit Targets (51, 51; 61, 61; 71, 71) angeordnet sind. Die Magnetronkathoden (50, 50; 60, 60; 70, 70) sind als unbalancierte Magnetronkathoden ausgebildet, die in Verbindung mit elektromagnetischen Feldspulen, die tunnelartige Magnetfelder an den Magnetronkathoden sowie ein Fernfeld erzeugen, welches einen großen Teil der zu beschichtenden Teile umschließt und vor den Magnetrontargets vorliegende Elektronen in den Beschichtungsraum einleitet. Hierdurch wird in einem großen Bereich um die zu beschichtenden Teile ein großvolumiges dichtes Plasma erzeugt. An die zu beschichtenden Teile wird ein negatives Biaspotential von 200 V angelegt, wodurch ein intensiver Ionenbeschuss der Teile bei der Beschichtung hervorgerufen wird. Dieser Ionenbeschuss ist notwendig zur Abscheidung von qualitativ hochwertigen Hartstoff- und DLC-Schichten aller Ausfuhrungen. Die Beschichtungsvorrichtungen 100 und 100' unterscheiden sich lediglich in der Polarität der an zwei Magnetronkathoden (50, 50) eingesetzten Magnetfelder. Die zu beschichtenden Werkstücke 1 sind auf Substrathaltern 90 befestigt, die auf einem, in Fig. 6a und 6b nicht gezeigten Drehteller um ihre Längsachse rotierbar gelagert sind. Mittels eines Planetenantriebs (nicht gezeigt) werden der Drehteller und simultan die Substrathalter 90 mit den Werkstücken 1 rotiert. Die Rotation des Drehtellers und der Substrathalter 90 ist durch kreisförmige Pfeile 91 bzw. 92 angedeutet.

Die Abscheidung der erfindungsgemäßen Beschichtungssysteme erfolgt in einer kontrollierten Atmosphäre 80 bei einem Druck von 0,5x10 ^"3 bis 0,05 mbar. Zur Aufrechterhaltung des geringen Druckes ist die PVD-Beschichtungsvorrichtung 100 mit einem Pumpenstand, insbesondere mit Turbomolekularpumpen (nicht gezeigt) verbunden. Über eine oder mehrere Zuführungen 120 werden in die PVD-Beschichtungsvorrichtung 100 kontinuierlich inerte Gase, wie Argon, Krypton oder Xenon und ggf. Reaktivgase, wie Acetylen (C ₂ H ₂ ), Methan (CH4), Stickstoff (N ₂ ) ₅ Silane (Si _m H _n ), insbesondere Monosilan (S1H4), Organosilane, insbesondere Tetramethylsilan (C ₄ Hi ₂ Si) und Hexamethyldisiloxan (CöHigOS ) und Organosilazane sowie ggf. Mischungen von inerten Gasen und Reaktivgasen geleitet, um die Zusammensetzung der Atmosphäre bzw. des Plasmas 80 und der auf den Werkstücken 1 abgeschiedenen Schichten in gezielter Weise zu beeinflussen. Zur Kontrolle des Volumenstroms der verschiedenen Gase sind die Zuführungen 120 mit elektrisch regelbaren Ventilen bzw. Mengenflussreglern (mass flow Controller, abgekürzt MFC) ausgestattet. Jede der Magnetronkathoden (50, 50; 60, 60; 70, 70) ist mit einer separat regelbaren elektrischen Leistungsversorgung (nicht gezeigt) verbunden. Bevorzugt werden die Magnetronkathoden mit Gleichspannung oder gepulster Gleichspannung betrieben (sogenanntes DC-Magnetronsputtern).

Im Weiteren ist eine Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Biasspannung von bis zu -300 V, vorzugsweise -50 bis -200 V bzw. einer Ätzspannung von bis zu -2000 V, vorzugsweise -1000 V an die zu beschichtenden Werkstücke 1 vorgesehen. Hierbei ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine gepulste DC-Spannungsquelle an die Substrate angeschlossen. Dementsprechend sind der Drehteller und die Substrathalter 90 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie Stahl gefertigt und mit der Gleichspannungsquelle für die Biasspannung elektrisch leitend verbunden.

Durch die Biasspannung bzw. das Biaspotential werden ionisierte Gasatome, zum Beispiel Ar-Ionen aus dem Plasma 80 auf die zu beschichtenden Werkstücke beschleunigt. Durch die auf die Oberfläche der Werkstücke auftreffenden Ionen wird auf die Oberfiächenatome kinetische Energie übertragen (sogenanntes Ionenbombardement). Insbesondere werden bei der Abscheidung von DLC- und Si-DLC-Schichten durch Ionenbombardement mit einem Biaspotential zwischen -50 und -300 V die Schichteigenschaften, wie Härte, Verschleißbeständigkeit und Sc chtstruktur sowie der Anteil von sp ³ -gebundenem Kohlenstoff optimiert.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Oberfläche der Werkstücke 1 vor Abscheidung der Haftschicht 2, der Vermittlerschichten 3, 4 und gegebenenfalls 5 oder Schichtsysteme 30 und 40 bzw. vor Abscheidung der Deckschicht 6 mittels Ionenätzen, vorzugsweise mit Argonionen gereinigt. Hierfür wird an die Substrathalter 90 bzw. an die Werkstücke 1 eine Spannung von bis zu - 1000 V angelegt.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Werkstücke (10, 11, 11', 12, 13) bzw. der Deckschichten 6 werden mit den nachfolgend aufgelisteten Messverfahren bestimmt: Härte HUpiast gemäß ISO EN 14577 mit Fischerscope® H100C der Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen (DE) mit Vickers Diamantspitze und einer Prüfkran von 20 bis 50 mN;

Reibungskoeffizient μ mittels Stift-Scheibe Test (pin on disk test) gemäß DIN EN 50324 (ASTM G99) mit einem Tribometer der CSM Instruments SA, Peseux (CH) in Luft mit einer relativen Feuchte von etwa 50 % (~ 9 g/m ³ Wasserdampfgehalt);

Verschleißfestigkeit mittels Kalottenverschleißtest (üblicherweise auch als Ball-Crater- oder Calo-Test bezeichnet) gemäß ISO EN- 1071-6 mit dem Instrument kaloMAX NT der BAQ GmbH, Braunschweig (DE) mit einer Suspension von AI2O3 -Pulver mit einer Korngröße von 1 μηι in Glyzerin als Abrasivpaste, einer Stahlkugel mit 30 mm Durchmesser, einer Andruck- bzw. Auflagekraft von 0,54 N, und einer Umdrehungszahl von 50 bis 55 U/min bei einer Schleifdauer von 3 bis 9 Minuten, einem Schleifweg von 17 bis 51 m und einer Schleiftiefe von 0,4 bis 1,2 μπι;

Haftfestigkeit mittels Rockwell A Test bei Substraten aus Hartmetall und ansonsten mittels Rockwell C Test gemäß der Richtlinie VDI 3198 bei einer Andruckkraft von 588,4 N, respektive 1471 N;

Haftfestigkeit bzw. kritischer Lastwert Lc ₂ mittels Ritztest nach ISO EN 1071-3 mit einem CSM Scratch Tester Micro der CSM Instruments SA, Peseux (CH);

Silizium- und Kohlenstoffgehalt mittels Electron-Probe-Micro-Analysis (bzw. EDX oder ESCA) unter Verwendung eines Energie-dispersiven Si(Li)-Detektors; und

Elementzusammensetzung und Wasserstoffgehalt mittels Sekundärionen-Massen- spektrometrie (SEVIS) mit Cäsium-Ionen gemäß dem Verfahren von Willich et al. (P. Willich, M. Wang, K. Wittmack, Quantitative Analysis of W-C:H Coatings by EPMA, RBS (ERD) and SIMS, Mikrochim. Acta 114/115, 525-532 (1994); P. Willich, C. Steinberg, SIMS depth profile of wear resistant coatings on cutting tools and technical components, Applied Surface Science 179 (2001) 263-268). Das Massenspektrometer des SIMS-Instruments wurde anhand der Messergebnisse aus Elastic Recoil Detection (ERD) von drei Vergleichsproben kalibriert. Als Vergleichsproben wurden Stahlplatten mit einer ersten 0,5 μπι dicken Beschichtung aus Wolfram und einer zweiten 3 μπι dicken Beschichtung aus Si-DLC mit einem Wasserstoffgehalt von jeweils etwa 5, 10 und 15 atom-% verwendet. Die ERD-Messungen wurden im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf mit einem ⁴ He ²⁺ -Primärstrahl mit einer Energie von 2,4 MeV durchgeführt. Beispiele

Insgesamt zehn Werkstücke wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Deckschicht aus Si-DLC mit einem Wasserstoffgehalt von kleiner 20 atom-% beschichtet. Als Substrat wurden 6 mm dicke Platten aus Stahl der Sorte 100Cr6 mit einer Fläche von 40 mm x 60 mm verwendet. Die Platten wurden in alkalischen Medien mit Ultraschall gereinigt, in Wasser abgespült und mit Heißluft- und Vakuumanwendung fleckenfrei getrocknet. Anschließend wurden die Platten auf einem Substrathalter befestigt der auf einem Drehteller in der Vakuumkammer einer PVD Beschichtungsanlage gelagert war. Die Vakuumkammer wurde geschlossen und mittels Vorvakuumpumpen (Sperrschieberpumpen und nachfolgend Rootspumpen) vorevakuiert. Nachfolgend wurde mittels Turbomolekularpumpen ein Hochvakuumdruck von kleiner lxl0 ^"5 mbar erzeugt wobei zur besseren Entgasung der Teile diese zeitweise mit einer Strahlungsheizung vorgeheizt wurden. Anschließend wurde über einen Massflow-Controller Argon eingelassen bis ein Totaldruck von 5xl0 ^"3 mbar erreicht wurde. Alle Platten wurden zunächst für 30 min mit Argonionen bei einer an die Substrate angelegten Ätzspannung von -600 V geätzt, um etwaig vorhandene Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Hieran anschließend wurden mittels DC- Magnetronsputtern in der gleichen Argon-Atmosphäre nacheinander (i) eine etwa 0,5 μπι dicke Haftschicht aus Cr, und (ii) eine erste Vermittlerschicht aus SiC aufgebracht. Nachfolgend wurde mittels Massflow-Controller Acetylen eingelassen wobei für die Herstellung (iii) einer zweiten Vermittlerschicht SiCx (mit X > 1) mit kontinuierlich erhöhtem Kohlenstoffanteil in der Schicht der Acetylenfluss im Bereich von 0 bis 80 sccm gesteigert wurde wodurch im letzen Teil der Acetylenrampe eine Abscheidung von Si-DLC mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt vorlag. Die erste und zweite Vermittlerschicht weisen jeweils eine Schichtdicke von etwa 0,2 μηι auf. Nach der Abscheidung der zweiten Vermittlerschicht wurden auf den Proben Si-DLC Deckschichten mit variablem Verhältnis von Silizium zu Kohlenstoff und voneinander verschiedener Lagenstruktur abgeschieden. Die Dicke der erzeugten Si-DLC Deckschichten liegt im Bereich von 1 bis 2 μιη. Zur Abscheidung der Deckschichten wurde eine Magnetronkathode mit SiC-Target sowie ggf. eine oder zwei Magnetronkathoden mit Graphit-Target eingesetzt. Die Schichtabscheidung erfolgte in einer Mischung aus Argon und Acetylen, wobei der zugeführte Argonfluss konstant auf 300 sccm und der Acetylenfluss auf Werte zwischen 15 und 120 sccm eingestellt wurde. Nach Abschluss des Beschichtungsvorgangs wurden die Teile für 15 Minuten in der Vakuumkammer abgekühlt und nachfolgend wurde die Kammer mit Luft auf Atmosphärendruck geflutet und die Teile wurden aus der Kammer entnommen.

Zu Vergleichszwecken wurden zudem zwei Proben mit Deckschichten aus DLC gemäß dem Stand der Technik (Konfiguration (d) bzw. Beispiele 11-12) beschichtet. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Deckschichten und der Vergleichsproben, wie Si- und H-Gehalt, Härte HUpiast, Reibungskoeffizient μ, Verschleiß und Haftung wurden mittels der vorstehend beschriebenen Methoden SIMS, EN 14577, Stift-Scheibe Test (EN 50324), Calo-Test (EN- 1071-6) und Rockwell C Test (VDI 3198) gemessen. Die Messergebnisse für die Abscheidung von verschiedenen Typen von Decksschichten ausgehend von verschiedenen Kathodenkonfigurationen unter Verwendung von SiC- und Graphit-Targets sind in Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1

a ⁾ Ein SiC Target für die Deckschicht genutzt

b ⁾ Ein SiC Target und zwei Graphittargets (mehrlagige Deckschicht)

c Ein SiC Target und ein Graphittarget (mehrlagige Deckschicht)

d ⁾ Zwei Graphittargets (Vergleichsproben mit Deckschicht aus DLC)

Verhältnis der Schichtdicken in einer Doppellage der Deckschicht

^** Die Verschleißwerte der Si-DLC Schichten ^b) und ^c) wurden mit langer Testdauer von 9 Minuten bestimmt, bei 3 Minuten Testdauer sind die Werte bis um 2/3 kleiner

Aus den in Tabelle 1 wiedergegebenen Werten ist ersichtlich, dass der Reibungskoeffizient μ bei der Konfiguration (c) (Beispiele 6-10) mit einem SiC Target und einem Graphittarget beim Vorliegen geringer Wasserstoffkonzentrationen in der Deckschicht von einigen atom-% die geringsten Werte erreicht. Das VerscUeißminimum für diese Schichten liegt im Bereich um 7 bis 11 atom-% Wasserstoff wobei 18 bis 22 atom-% Silizium vorlagen. Da in diesem Bereich die Schichthärte mit 28 GPa bzw. 28,5 GPa hoch ist sind diese Schichten optimal für tribologische Anwendungen zu nutzen. Bei den gemäß Konfiguration (a) (Beispiele 1-2) lediglich mit SiC-Target abgeschiedenen Schichten werden im Vergleich zu den Schichten der Konfiguration (c) (Beispiele 6-10) deutlich höhere Verschleißwerte erhalten, wobei für höhere Wasserstoffgehalte um 15 atom-% ebenfalls ein niedriger Reibwert erreicht wird. Da die Schichten ebenfalls hohe Härtewerte von 27,4 GPa bzw. 25 GPa aufweisen können diese Schichten bei geringeren Verschleißbeanspruchungen ebenfalls eingesetzt werden.

Bei den gemäß Konfiguration (b) (Beispiele 3-5) mit einem SiC-Target und zwei Graphit- Targets abgeschiedenen Schichten werden im Vergleich zu den Schichten der Konfiguration (c) (Beispiele 6-10) deutlich höhere Reibungskoeffizienten erhalten, wobei bei einem geringen Wasserstoffgehalt von 3,8 atom-% der Reibungskoeffizient deutlich ansteigt. Die abgeschiedenen Schichten weisen geringe Verschleißwerte auf die mit sinkendem Wasserstoffanteil in der Schicht abnehmen. Für die Schichten wurden hohe Härtewerte von 28,7 bis 30,4 GPa ermittelt, d.h. diese Schichten können bei hohen Verschleißbeanspruchungen eingesetzt werden, wobei der Reibungskoeffizient deutlich niedriger ist als bei reinen DLC-Schichten gemäß Konfiguration (d) (Beispiele 11-12).

Des Weiteren ist bei allen Si-DLC Deckschichten die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Luftfeuchtigkeit deutlich niedriger als bei reinen DLC-Schichten. Bei reinen DLC-Schichten nimmt der Reibungskeoffizient mit zunehmender Luftfeuchte deutlich zu (R. Gilmore, R. Hauert, Surface and Coatings Technology 133-134 (2000) 437-442 und U. Mueller, R. Hauert, Surface and Coatings Technology 177-178 (2004) 552-557).

Für die Abscheidung von Schichtsystemen mit niedrigem Reibungskoeffizienten und niedrigem Schichtverschleiss für die Deckschicht wurde zuerst ein Teil der Deckschicht mit Anwendung der Kathoden-Konfiguration (b) (Beispiele 3-5) und zum Abschluss ein Teil der Deckschicht mit Anwendung der Kathoden-Konfiguration (c) (Beispiele 6-10) aufgebracht. Hierdurch wird erreicht, dass der obere, mit einem Gegenkörper in Kontakt befindliche Teil der Deckschicht einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist und nach lokalem Verschleiß des oberen Teils der Deckschicht der verschleißfestere untere Teil der Deckschicht das Fortschreiten des Verschleißes reduziert.