Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer verschleißfesten, diamantähnlichen Beschichtung (DLC) sowie ein mit einer solchen Beschichtung versehenes Verschleißteil etwa einer Textilmaschine.

Bei bestimmten Maschinenteilen, insbesondere bei fadenverarbeitenden Textilmaschinen, unterliegen diese Teile einem hohen Oberflächen-Verschleiß, indem die Oberfläche entweder mit dem laufenden Faden ständig oder des öfteren in Berührung kommt, oder mit anderen harten, bewegten Teilen in Kontakt gerät.

Gerade wenn das Verschleißteil im ganzen eine ausreichende Elastizität besitzen muß, wurde bereits auf vielfache Art und Weise versucht, die Oberfläche dieses Verschleißteiles verschleißmindernd zu behandeln.

In der Vergangenheit geschah dies durch Oberflächenhärten von Stahlwerkstoffen, mechanische Gefügeveränderung im Oberflächenbereich wie Kaltwalzen etc., oder auch durch Aufbringen einer vergleichsweise verschleißfesten Beschichtung wie etwa Hartverchromen.

in der jüngsten Vergangenheit wurde auch in der industriellen Anwendung versucht, für die unterschiedlichen Anwendungsfälle auf einem Substrat als Träger, meist einem Metallwerkstoff, eine dünne Diamantschicht oder diamantähnliche Schicht, also bestehend aus polykristallinen bzw. mikrokristallinen Diamanten oder hartem, amorphem Kohlenstoff, auch als DLC (DIAMOND LIKE CARBON) oder ACH (AMORPHEUS, HYDROGENATED CARBON) bezeichnet, aufzubringen.

Gerade für den Verschleiß gegenüber flächig kontaktierenden anderen Bauteilen wie bei den Veschleißteilen von Textilmaschinen, beispielsweise den Lochnadeln einer Wirkmaschine, bieten sich hier solche diamantähnliche Schichten theoretisch an.

Derartige Schichten werden meist nach dem CVD-Verfahren chemisch aus einer Gas- bzw. Plasma-Atmosphäre abgeschieden, wobei eine Anregung des Plasmas durch elektro-mag netische Welleneinstrahlung erfolgt und bestimmte Druck- und Temperaturparameter sowie geeignete Precursor als Ausgangsstoffe für die Abscheideatmosphäre vorliegen müssen.

Dabei hat sich weniger die diamantähnliche Schicht selbst als Problem erwiesen, sondern deren Haftung auf dem Substrat und eine möglichst gleichmäßige Schichtabscheidung über die zu beschichtende n Bereiche. Um erstere zu verbessern, wurde in der Vergangenheit versucht, auf das Substrat zunächst eine Haftvermittlerschicht aufzubringen, und auf dieser dann die diamantähnliche Schicht.

Zusätzlich hängt vor allem die Haftung, aber auch die Abscheidungsrate, also die Geschwindigkeit, mit der die jeweilige Schicht aufgebaut wird, von günstiger Kombination der am Verfahren beteiligten Parameter ab.

Es ist daher eine Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen einer diamantähnlichen Beschichtung auf einem Substrat zu schaffen, welches trotz schnellem und wirtschaftlichem Schichtaufbau eine gute Haftung der diamantähnlichen Beschichtung auf dem Substrat, vorzugsweise mittels einer dazwischen anzuordnenden Haftvermittlungsschicht, erzeugt und dabei eine gleichmäßige Qualität über den auf Verschleiß beanspruchten Bereich, sowie ein mit einer solchen Beschichtung ausgestattetes Verschleißteil zu bieten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 24 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die Anregung der Abscheideatmosphäre und Aufspaltung der schichtbildenden Kohlenwasserstoffe erfolgt meist mittels einer Einstrahlung mit Radiofrequenz, etwa 13,56 MHz. Aber auch durch andere Strahlungen vom KHz-Bereich bis zum Mikrowellenbereich von mehreren GHz, aber auch mittels Gleichspannung, gepulster Gleichspannung, mittel- oder hochfrequenter Wechselfelder anderer Frequenzen, sind möglich.

Durch das Wechselfeld zwischen dem Substrat bzw. dem Substratträger, auf dem meist eine Vielzahl von einzelnen Substraten angeordnet ist, und der Masseelektrode, meist der Innenwand der Reaktionskammer, wird ein Plasma aus z. B. Kohlenwasserstoffgasen mit oder ohne Zusatz anderer Gase gezündet. Durch die auf dem Substrat sich ausbildende Biasspannung werden positive Ionen aus dem Plasma heraus gegen das Substrat beschleunigt und schlagen auf dem Substrat auf. Ionen-Energien und Ionen-Dichten des Plasmas sind für die Schichteigenschaften von großer Bedeutung

Ionen-Energien und Ionen-Dichten des Plasmas hängen sowohl vom Gas und dessen Druck als auch der eingebrachten elektrischen Leistung und der Geometrie sowohl der Teile als auch deren Anordnung ab.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Substrate im Reaktionsraum auf einer theoretischen Aufspann-Fläche, auf der sich die Substrate befinden, so anzuordnen, daß die zwischen der Masse-Elektrode, also meist den Innenwänden der Reaktionskammer oder zu diesem Zweck eingebrachte Hilfselektroden, und dem Substrat sich ausbildenden elektrischen Feldlinien zu einem möglichst großen Teil möglichst senkrecht und eng, gleichmäßig beabstandet, auf dieser Aufspann-Fläche enden.

Wenn die Aufspann-Fläche durch das Substrat hindurch verläuft, enden die Feldlinien natürlich auf der zu beschichtenden Fläche des Substrates und damit vor der Aufspann-Fläche. In diesem Fall sollen die der Aufspann-Fläche nächstliegenden Enden der Feldlinien am Endpunkt zu einem möglichst großen

Teil möglichst senkrecht und eng, gleichmäßig beabstandet, gegen die Aufspann- Fläche gerichtet sein.

Insbesondere wenn an einem Substrat vorzugsweise eine bestimmte Fläche beschichtet werden soll, können die Substrate so angeordnet werden, daß die zu beschichtende Hauptfläche auf bzw. parallel zu der Aufspann-Fläche angeordnet wird. In diesem Fall kann die Aufspann-Fläche beispielsweise eine in der Aufsicht ringförmig geschlossene, endlose Aufspann-Fläche innerhalb des Reaktionsraumes sein, in deren Inneren dann jedoch ebenfalls eine Masseelektrode angeordnet werden muss.

Häufig tritt jedoch der Fall auf, daß ein flächiges, vorzugsweise sogar ebenes, flächiges Bauteil als Substrat beschichtet werden soll, und zwar nicht nur auf den beiden flächigen Seiten, sondern vorzugsweise auch entlang der Schmalseiten. Dabei tritt gerade bei Verschleißteilen wie Lochnadeln von Wirkmaschinen der Fall auf, daß auch die Innenflächen von Durchbrüchen oder die nach innen gerichteten Flächen von Kavitäten beschichtet werden sollen.

In diesem Fall ist natürlich die gleichzeitige Beschichtung beider gegenüberliegender Seitenflächen erwünscht, weshalb als Aufspann-Fläche eine einzige, meist ebene, Fläche gewählt wird, auf welcher die relativ dünnen flächigen Substrate so angeordnet werden, daß deren flächige, einander gegenüberliegenden Außenseiten links und rechts mit geringer Distanz zur theoretischen Aufspann-Fläche liegen, wodurch auch noch gegen die dazwischenliegende Aufspann-Fläche die an den Außenseiten des Substrates endenden Feldlinien überwiegend im rechten Winkel gerichtet sind .

Eine ebene Aufspann-Fläche ist in der Regel die Haupt-Symmetrie-Ebene der räumlichen Anordnung der Masse-Elektroden. Bei einer quaderförmigen Anordnung der Masse-Elektroden, also einer quaderförmigen Reaktionskammer, bei der die Innenflächen als Masse-Elektroden fungieren, wird dies vorzugsweise diejenige Symmetrie-Ebene oder Mittelebene der Reaktionskammer sein, die

parallel .zwischen den beiden größten, einander gegenüberliegenden Innenflächen verläuft.

Dabei sollen die Substrate - vor allem wenn auch die Schmalseiten von flächigen Substraten ausreichend beschichtet werden sollen - in der Aufspann-Ebene so zueinander angeordnet werden, daß ein ausreichender Abstand zwischen den Substraten besteht, um ausreichend viele Feldlinien auf den von zwei benachbarten Substraten gegeneinander gerichteten Schmalseiten auftreffen zu lassen. Insbesondere sollte die Bedeckung der Aufspann-Fläche durch die Substrate - nicht durch die Substrathalter - nur ca. 5 bis 30 %, vorzugsweise nur 10 bis 25 %, betragen.

Als Substrat wird entweder kohlenstoffhaltiger Stahl verwendet, der ggfs. bereits auf den zu beschichtenden Flächen z.B. hartverchromt ist, oder ein Edelstahl, welcher aus einer Chrom aufweisenden Legierung besteht.

Auch elektrisch nicht Substrat sind denkbar.

Für das Erstellen der diamantähnlichen Schicht wird dabei vorzugsweise so vorgegangen, daß die Substrate zunächst auf geeignete Weise vorgereinigt werden, also z.B. entfettet, mit einem alkalischen Reiniger behandelt, gewässert etc. werden.

Anschließend erfolgt - vorzugsweise bereits in der Reaktionskammer - die Entfernung der auf die Oberfläche des Substrates meist vorhandenen Oxidschicht, vorzugsweise durch Beschüß mit Argonionen oder Ionen von einem anderen Edelgas. Im Prinzip könnte man dies als atomares Sandstrahlen bezeichnen.

Anschließend erfolgt das Absaugen des Ätzgases und das Eingeben eines anderen, gasförmigen, Stoffes, welcher als Precursor zum Aufbau der Abscheideatmosphäre der nun aufzubringenden Haftvermittlungsschicht dient.

Da die äußere, diamantähnliche Verschleißschicht aus Kohlenstoff besteht, und der Untergrund (Substrat) aus einem Metallgitter, meist einem Fe-Gitter mit eingelagerten Chromatomen, sollte die Haftvermittlerschicht einen Hauptbestandteil aufweisen, der (zur äußeren diamantähnlichen Schicht hin) mit dem dortigen Kohlenstoff eine stabile Verbindung eingehen kann und/oder mit diesem gut mischbar ist, also insbesondere etwa gleiche Atomgröße aufweisen. Dies ist z.B. für Silicium gegeben, da Silicium-Carbid eine stabile, mechanisch belastbare Verbindung darstellt, und auch Silicium mit Kohlenstoff gut mischbar ist.

Auf der anderen Seite, also zwischen der Haftvermittlerschicht und dem Substrat muß ebenfalls eine gute Vermischbarkeit des Hauptbestandteiles der Haftvermittlerschicht mit der Außenfläche des Substrates möglich sein, oder eine stabile chemische Verbindung gestaltbar sein.

Die Vermischung kann z.B. durch Beschüß von Ionen aus dem Plasma heraus gefördert werden, oder durch Beeinflussung der Temperatur (falls hohe Temperaturen vom Substrat her möglich sind), welche mit Ansteigen die Diffusion fördert. Die Anbindung an das Substrat erfolgt im wesentlichen über die chemische Anbindung des Siliziums an die Atome des Substrates.

Daher ist Silicium als Hauptbestandteil der Haftvermittlerschicht gut geeignet, so daß als Precursor hierfür Gase mit einem möglichst hohen Siliciumgehalt wie etwa Hexamethyldesilazan, Monosilan oder Disilan etc. in Frage kommen.

Nachdem die Haftvermittlerschicht eine Schichtdicke von mindestens 10 Ä, aber bis zu einigen μm, vorzugsweise etwa 50 bis 150 nm erreicht hat, wird der Aufbau der Haftvermittlerschicht beendet und zum Aufbau der diamantähnlichen Schicht übergegangen.

Zu diesem Zweck wird der Precursor gewechselt, indem der Precursor für die Haftvermittlerschicht nicht mehr zugeführt und anschließend ein neuer Precursor als Grundstoff für die Abscheideatmosphäre für die diamantähnliche Schicht in

den Reaktionsraum eingegeben, und das in der Reaktionskammer enthaltene Gas währenddessen weiterhin abgesaugt wird.

Dieser Wechsel von einem Precursor zum anderen kann zwar theoretisch in Sekunden aufgrund leistungsfähiger Evakuierungspumpen geschehen, sollte jedoch kontinuierlich, im Verlauf von einigen 10 Sekunden bis zu einigen Minuten, geschehen, um eine Mischzone am Übergang zwischen der Haftvermittlerschicht und der diamantähnlichen Schicht zu erzeugen.

Die DLC-Schicht wird bis zu einer Schichtdicke von einigen μm, vorzugsweise etwa 1 bis 10, insbesondere 2 bis 3 μm, aufgebaut. Bei Schichtdicken unter 1 μm ist die Schicht trotz ihrer Härte zu schnell durch Verschleiß abgetragen, und bei Schichtdicken ab 10 μm treten i.a. durch zu hohe Eigenspannungen Haftungsprobleme der diamantähnlichen Schicht gegenüber der Zwischenschicht und dem Substrat auf.

Bei der Abscheidung sowohl der Haftvermittlungsschicht als auch der diamantähnlichen Schicht liegt in der Regel ein Druck von nur 5 x 10 ^'3 mbar bis 5 x 10 ^"1 mbar vor. U. u. ist auch ein Druck von 5 bis 10 mbar möglich. Als optimaler Wertebereich haben sich jedoch 2 bis 20 x 10 ^'2 mbar, vorzugsweise etwa 5 x 10 ^"2 mbar erwiesen.

Als Precursor für die Abscheideatmosphäre der diamantähnlichen Schicht kommen kohlenstoffhaltige Stoffe und insbesondere Kohlenwasserstoffe, insbesondere die Gase Methan, Buthan und Hexan sowie Acethylen in Frage.

Die Biasspannung bewegt sich dabei in einem Bereich .zwischen 100 Volt und 1000 Volt, vorzugsweise 300 bis 700 Volt, vorzugsweise etwa um die 450 Volt, wobei jedoch die Biasspannung nicht direkt geregelt wird, sondern über die Leistungsregelung der eingestrahlten Radiofrequenz, die so gesteuert wird, daß die gewünschte Biasspannung im Ergebnis erzielt wird.

Zusätzlich kann man auch eine externe Spannung, z.B. eine Gleichspannung zwischen den Masseelektroden und dem Substrat anlegen, was jedoch auch zusätzliche Probleme mit sich bringt.

Die Anregung erfolgt mit einer Sendefrequenz von 13,56 MHz, welche in Deutschland von der Bundespost hierfür freigegeben ist, jedoch sind auch andere Frequenzen vom KHz-Bereich bis Microwellen-Bereich sowie Gleichspannungen und gepulste Gleichspannungen möglich, wobei dann andere Werte für Biasspannung und Druck gewählt werden können.

Bei zusätzlicher Beaufschlagung mit einem Magnetfeld kann auch mit 10 ^"1 mbar gearbeitet werden.

Unter einem Edelstahl werden in der vorliegenden Anmeldung insbesondere nichtrostenden Stähle verstanden.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Radiofrequenzreaktors,

Fig. 2 die apparative Anordnung einer bekannten RF-PECVD- Reaktionskammer für einseitige Beschichtung

Fig. 3 die apparative Anordnung einer erfindungdgemässen RF-PECVD- Reaktionskammer und

Fig. 4 eine andere Reaktionskammer im Schnitt.

Fig. 1 zeigt die Reaktionskammer 6, in welcher sich der Substrathalter 21 mit den daran befestigten und nicht dargestellten Substraten befindet. Der Substrathalter 21 ist mit dem externen Abstimmkreis 16 elektrisch verbunden, welcher wiederum

mit dem Frequenzgenerator 14 gekoppelt ist, wobei in dieser Verbindung ein Leistungsmesser 15 angeordnet ist.

Der Abstimmkreis 16 umfaßt mindestens eine veränderbare Induktivität 18 zwischen dem Frequenzgenerator 14 und dem Substratträger 21 , sowie eine veränderbare Kapazität 19, die zur Induktivität 18 parallel geschaltet ist. In Reihe mit der Induktivität 18 ist vorzugsweise ein zusätzlicher Koppelkondensator 17 geschaltet, um den direkten Kontakt zwischen Sender und Antenne zu verhindern, was insbesondere für den Anschluß einer stationären externen Biasspannung notwendig ist.

Mit Hilfe des Abstimmkreises kann die Phasenlage eingestellt werden.

In die Reaktionskammer 6 wird weiterhin der Precursor, meist gasförmig, eingegeben, dessen Moleküle durch die eingespeiste Frequenz soweit angeregt werden, daß sie teilweise gecrackt und damit als freie Radikale vorliegen und Ionen erzeugt werden.

In der Reaktionskammer 6 wird ein ständiger, relativ starker Unterdruck aufrechterhalten, indem die Pumpe 23 ständig aus der Reaktionskammer 6 Gas absaugt, wobei der Grad des Unterdruckes durch das Dosierventil 22 eingestellt werden kann.

In Fig. 1 ist der Substratträger 21 elektrisch leitend, aber galvanisch getrennt, über den Abstimmkreis 16 mit dem Frequenzgenerator 14 verbunden. Dadurch wird zwischen dem Substratträger 21 und der als Massenelektrode 2 dienenden Innenwand 5 des Reaktionsbehälters 6 eine Hochfrequenz erzeugt, deren Leistung über den Frequenzgenerator 14 eingestellt wird und am Leistungsmesser 15 abgelesen werden kann. Dadurch wird an dem Substratträger und somit auch am Substrat eine Biasspannung erzeugt (self-bias). Es kann auch eine externe Biasspannung aufgeprägt werden.

Figur 2 zeigt eine bekannte Reaktionskammer, gemäß dem Stand der Technik, in der Schnittdarstellung. Diese Reaktionskammer hat eine Einleitmöglichkeit für den Precursor meist an der Oberseite, während die Frequenz von der Unterseite her eingebracht wird. Ebenfalls im unteren Bereich erfolgt auch meist das Absaugen mittels der angeschlossenen Pumpe 23.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Reaktionskammer werden die Substrate 1 auf einen in der Reaktionskammer 6 befindlichen Teller flach aufgelegt. Unterhalb des Tellers befindet sich eine Abschirmung 53, die mit der Abschirmung des die Frequenz zuführenden Koaxkabels in Verbindung steht und die gesamte Unterseite des Tellers und damit der Substrate 1 abdeckt.

Damit erfolgt die Ausbildung von Feldlinien und somit auch die Beschichtung der Substrate 1 schwerpunktmäßig an deren Oberseite bzw. seitlichen Kanten.

In Fig. 3 ist schematisch eine konkrete erfindungsgemäße Reaktionskammer 6 in der Aufsicht mit darin angeordneten Substraten 1 dargestellt, und den notwendigen Einleitmöglichkeiten für Precursor und Frequenz. Auch hier wird die Reaktionskammer 6 mittels einer Pumpe 23 evakuiert.

Wie in der rechten Bildhälfte der Fig. 3 eingezeichnet, verlaufen die Feldlinien 4 von der als Masse-Elektrode 2 dienenden Innenwand 5 der Reaktionskammer 6 aus zu den Außenflächen der Substrate 1 hin, so daß sie auf diesen rechtwinklig auftreffen.

Die Substrate 1 sind dabei in Form einer Ellipse angeordnet, welche die Aufspannfläche 3 darstellt.

Im Inneren der elliptischen Aufspannfläche 3 ist eine ebenfalls elliptische, zusätzliche Masseelektrode 51 angeordnet, welche das gleiche Potential besitzt wie die Innenwand 5 der Reaktionskammer 6, welche ebenfalls als Masseelektrode dient. Auch in Fig. 3 sind die Substrate 1 auf einem

Substrathalter angeordnet, der jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.

Deshalb bilden sich auch .zwischen dieser zentralen Masseelektrode 51 und den Oberflächen der Substrate 1 ebenfalls Feldlinien 4 aus, die wiederum senkrecht auf den Oberflächen der Substrate auftreffen.

Die theoretische Aufspannfläche 3, entlang welcher die Substrate 1 angeordnet sind, ist in der rechten Bildhälfte der Fig. 3 als diejenige elliptische Fläche definiert, welche entlang der nach außen gerichteten Hauptflächen 8 der entsprechend ausgerichteten Substrate 1 verläuft.

Dadurch wird ein besonders gutes Beschichtungsergebnis auf diesen entlang der Aufspannfläche 3 ausgerichteten Hauptflächen 8 der Substrate erzielt.

Wenn dagegen eine möglichst gleichmäßige Beschichtung über alle Außenflächen der Substrate 1 erzielt werden soll, wird gemäß der linken Hälfte der Fig. 3 die Aufspannfläche 3 als die durch die Mitten bzw. Mittelpunkte der Substrate 1 verlaufende, in diesem Fall elliptische, Aufspann-Fläche 3 definiert, und die Substrate 1 entsprechend angeordnet.

Die Einleitung von Precursor und Frequenz erfolgt dabei vorzugsweise auf der der Absaugung durch die Pumpe 23 gegenüberliegenden Seite.

Soll dagegen ein dünnes flächiges Substrat beidseitig, gleichmäßig und umfassend beschichtet werden, so werden gemäß Fig. 4 diese flächigen und vorzugsweise sogar ebenen Substrate 1 bis 1'" vorzugsweise in der Hauptsymmetrieebene der Masseelektrode, vorzugsweise der Innenwände 5 der Reaktionskammer 6, angeordnet, so daß die Substrate mit ihren gegenüberliegenden parallelen Außenflächen möglichst parallel zu dieser Hauptmittelebene, welche damit die Aufspannebene 7 darstellt, angeordnet.

Die Substrate 1 streben dabei beidseits von den Substrathaltern 24 ab, welche sich ebenfalls mittig auf dieser Aufspannfläche 7 befinden. Mehrere mit Substraten 1 bestückte Substrathalter 24 können dabei in Reihe hintereinander auf der Aufspannebene 7 angeordnet sein, wie in Fig. 4 ersichtlich.

Bei einer solchen Anordnung sind die sich zwischen der Masseelektrode, also den Innenwänden 5 der Reaktionskammer 6 oder einer statt dessen als Masseelektrode 2 dienenden, zusätzlich in der Reaktionskammer befindlichen, Platte ausbildenden Feldlinien (die in Fig. 4 nicht mehr eingezeichnet sind) zu einem möglichst großen Teil auch senkrecht gegen die Aufspannebene 7 gerichtet. Dabei empfiehlt sich eine relativ schmale Ausbildung der Reaktionskammer 6, also eine möglichst kurze Ausbildung der Erstreckung der Reaktionskammer, welche quer zur Aufspannebene 7 verläuft, relativ zu den möglichst großen Flächen, welche parallel zu dieser Aufspannebene 7 verlaufen.

Wie in Fig. 4 eingezeichnet bildet sich bei einer solchen Anordnung im Abstand um die Substrate 1 und die demgegenüber dickeren Substrathalter 24 der sogenannte Dunkelraum aus, welcher an den verdickten Substrathaltern 24 jeweils keulenförmig verdickt ist. Um die gesamte Anordnung aller Substrate und Substrathalter und deren Dunkelräume herum ist das etwa elliptisch geformte leuchtende Plasma zu erkennen.

Die gute und gleichmäßige Beschichtung wird dabei auch dann erzielt, wenn - wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 dargestellt - die Substrate 1", die von der einen Seite des unteren Substrathalters 24 abstreben gegenüber dem auf der anderen Seite desselben Substrathalters abstrebenden Substraten 1"' gegenüber der zum Substrathalter mittig verlaufenden Aufspann-Ebene 7 seitlich und auf gegenüberliegende Seiten geringfügig parallel versetzt sind.

Auch bei dieser Anordnung erfolgt die Einleitung von Precursor-Gas und Frequenz auf der einen Schmalseite der Reaktionskammer 6 - und die Absaugung des Gases mittels der Pumpe 23 von einer der anderen Schmalseiten, vorzugsweise der gegenüberliegenden Schmalseite der Reaktionskammer 6.