Kontaktwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Abstract

 Kontaktwerkstoff in Form einer Schicht aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Perio­dischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat, wo­bei die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifi­ziert ist, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Kontaktwerkstoffes.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff in Form einer Schicht aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

[0002] Die spezifischen Einsatzbedingungen elektrischer Kontakte und die daraus resultierenden Werkstoffanforderungen haben zur Folge, daß für die meisten Kontaktsysteme vorzugsweise Kontaktwerkstoffe auf Edelmetallbasis eingesetzt werden. Der technische Fortschritt, insbesondere in der Elektronik und Elektrotechnik, erfordert nun eine Bereitstellung von Edelmetallen in ständig steigenden Mengen, der nur ein be­grenztes und stark rückläufiges Aufkommen an Edelmetallen auf dem Weltmarkt gegenübersteht. Der Einsatz und die Wei­terentwicklung von Kontaktwerkstoffen sind deshalb vor allem bestimmt von der Notwendigkeit zur Substitution von Edelmetallen, was durch Herabsetzung des Legierungs­anteils, durch geometrische Minimierung des Kontaktvolu­mens und durch Entwicklung neuer Kontaktwerkstoffe, die ohne Edelmetalle auskommen, erreicht werden kann. Aus die­sem Grund werden heute z.B. Kontaktwerkstoffe auf Basis hochschmelzender Metalle wie Wolfram, Molybdän und Rhenium eingesetzt, die sich neben ihren hohen Schmelzpunkten durch hohe Härte und Festigkeit auszeichnen, was eine hohe Verschleiß- und Abbrandfestigkeit der aus ihnen herge­stellten Kontakte zur Folge hat. Mit dem Einsatz von rei­nen hochschmelzenden Metallen als Kontaktwerkstoff sind jedoch gewisse Probleme verbunden.

[0003] Reine Wolframkontakte sind im Hinblick auf ihre Strombe­lastbarkeit infolge der geringen elektrischen Wärmeleitfä­higkeit nur begrenzt einsetzbar, außerdem ist Wolfram ge­genüber Sauerstoff oberhalb einer Temperatur von 400 °C unbeständig und es bilden sich beim Schalten an Luft oxi­dische Fremdschichten, die zu einem Fremdschichtwiderstand und damit zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes füh­ren. Für eine sichere Kontaktgabe sind deshalb Kontakt­kräfte von wenigstens 1 N erforderlich, oder es ist eine reibende Betätigung der Kontakte vorzusehen. Die Her­stellung des Ausgangshalbzeugs für Wolframkontakte erfolgt pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern von Pulver, aufgrund der geringen Duktilität und der hohen Festigkeit ist die mechanische Bearbeitung von Wolfram jedoch schwie­rig.
Molybdän erreicht, bedingt durch seine physikalischen Ei­genschaften, nicht die herausragenden Kontakteigenschaften von Wolfram. Es wird als billigeres Metall jedoch für solche Fälle bevorzugt, die den Einsatz von Wolfram nicht unbedingt erforderlich machen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktwerk­stoffe auf Basis von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des PSE bereitzustellen, aus denen auf wirtschaftliche Weise Dünn- und Dickschichtkontakte beliebiger Konfigura­tion herstellbar sind, die die oben genannten Nachteile nicht aufweisen und die den besonderen Vorzug haben, daß sie sehr niedrige Gleitreibungskoeffizienten aufweisen.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifiziert ist.

[0006] Nach vorteilhaften Weiterbildungen des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung sind die Chalkogenide, vorzugsweise der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram, aus den Chalkogenen Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildet, wo­bei vorteilhafterweise in die Chalkogenid-Schicht Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 0,5 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n x 10¹⁸/cm² implantiert sind. Nach weiteren vorteilhaften Ausgestal­tungen des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung sind Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, oder Edelgas­ionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert.

[0007] Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes in Form einer durch Chemical oder Physical Vapour Deposition auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht aus Chalkogeni­den von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) ist dadurch ge­kennzeichnet, daß die Struktur der Schicht durch Teilchen­beschuß modifiziert wird.

[0008] Schichten aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen besitzen sehr niedrige Gleitreibungskoeffizienten, weisen jedoch einen relativ hohen Kontaktwiderstand R_K auf, so daß sie als Kontaktwerkstoff nicht gut geeignet sind. Überraschen­derweise wurde jedoch gefunden, daß die Werte für den Kon­taktwiderstand R_K um bis zu drei Größenordnungen ver­ringert werden können, wenn die Struktur der Chalkogenid-­Schichten während oder nach Aufbringen auf ein Substrat modifiziert wird, was vorteilhafterweise durch einen Teil­chenbeschuß, vorzugsweise durch Ionenimplantation, er­reicht werden kann.

[0009] Dieser Effekt beruht nicht auf einer Dotierung des Schichtmaterials mit Fremdionen, wie es z.B. aus der Halb­leitertechnologie bekannt ist. Die Verringerung des Kon­taktwiderstandes der erfindungsgemäßen Schichten ergibt sich auch bei Beschuß mit Ionen von Elementen, die gemein­hin nicht zu Dotierungszwecken eingesetzt werden, z.B. Edelgas- oder Inertgasionen. Es kann angenommen werden, daß die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit oder die Herabsetzung des Kontaktwiderstandes von Chalkogenid-­Schichten eine Folge von Strukturveränderungen der Schich­ten nach einem Teilchenbeschuß ist. Nach einem Beschuß mit z.B. hochenergetischen Ionen zeigte sich bei Untersuchun­gen an im Rahmen der vorliegenden Erfindung hergestellten Schichten eine Erhöhung der Dichte der Schichten um bis zu 40 %.

[0010] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ge­mäß der Erfindung wird der Teilchenbeschuß während des Aufbringens der Schicht durchgeführt. Für diesen Fall er­gibt sich der Vorteil, daß auch Schichten größerer Dicke, vorzugsweise einer Schichtdicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm, in ihrer Struktur modifiziert werden können, wozu vor­teilhafterweise niederenergetische Ionen einer Implan­tationsenergie im Bereich von 0,5 keV bis 100 keV und ei­ner Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n x 10¹⁸/cm², vorzugs­weise einer Dosis im Bereich von 3 x 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm², eingesetzt werden.

[0011] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ver­fahrens gemäß der Erfindung wird der Teilchenbeschuß nach Aufbringen der Schicht durchgeführt. Dieses Verfahren ist besonders geeignet, wenn Schichten geringerer Dicke, vor­zugsweise im Bereich von einer Monolage bis 2 µm, in ihrer Struktur modifiziert werden sollen.

[0012] Vorteilhafterweise erfolgt dies mittels Implantation von höherenergetischen Ionen einer Implantationsenergie im Be­reich von 50 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n x 10¹⁸/cm², vorzugsweise einer Dosis im Be­reich von 3 x 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm².

[0013] Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung werden Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, oder Edelgas­ionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert.

[0014] Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Chalkogenid-Schicht durch Ka­thodenzerstäubung hergestellt, wobei der Abscheidungspro­zess vorteilhafterweise Magnetfeld-unterstützt, also unter Einsatz eines Magnetrons, durchgeführt werden kann. Die Chalkogenid-Schichten können jedoch auch mittels anderer Verfahren, die zum Abscheiden von dünnen oder dicken Schichten bekannt sind, abgeschieden werden. Zu denken ist hier insbesondere an eine Abscheidung mittels Chemical Va­pour Deposition, wie Plasma-unterstützte Abscheidung aus der Gasphase, an reaktive Kathodenzerstäubung, an Plasma-­unterstützte Abscheidung aus der Gasphase, an Aufdampfver­fahren, an Ionenplattierungsverfahren mit einer hohen Vor­spannung am Substrat oder an eine Ionisierung des abzu­scheidenden Schichtmaterials im Lichtbogen, gegebenenfalls in einer reaktiven Gasphase aus z.B. Schwefelwasserstoff­gas oder Schwefel in der Gasphase.

[0015] Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­sondere darin, daß Kontaktwerkstoffe bereitgestellt wer­den, die keine Edelmetalle benötigen, aus denen auf wirt­schaftlich günstige Weise Kontakte beliebiger Konfi­ guration hergestellt werden können und die besonders nie­drige Gleitreibungskoeffizienten, auch im Vakuum, aufwei­sen, was für die Herstellung von z.B. Kontakten, die einer mechanischen Schiebe- oder Schleifbeanspruchung ausgesetzt werden sollen, sehr günstig ist.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktwerk­stoffe und der aus ihnen hergestellten Kontaktschichten ist, daß ihr Kontaktwiderstand weniger als bei Kontakten aus reinen unedlen Metallen durch einen Fremdschichtwider­stand infolge Ausbildung von Fremd- oder Deckschichten durch z.B. oxidierende Einwirkung des umgebenden Mediums in unerwünschter Weise erhöht wird.
Die erfindungsgemäßen Schichten zeigen eine besonders gute Haftfestigkeit auf Stahlsubstraten, haftverbessernde Zwi­schenschichten sind hier nicht erforderlich.
Ein weiterer erheblicher Vorteil aus ökonomischer Sicht ist darin zu sehen, daß sowohl der für die Herstellung der Chalkogenid-Schichten vorzugsweise vorgesehene Kathoden­zerstäubungsprozeß als auch der für die Strukturverände­rung der Chalkogenid-Schichten vorzugsweise vorgesehene Ionenimplantationsprozeß mit kommerziell erhältlichen Ma­schinen ausführbar ist.

[0016] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be­schrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert.

[0017] Zur Ausbildung der Chalkogenid-Schichten kommen Chalkoge­nide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vana­dium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram in Betracht, wobei es sich nicht um stöchiometrische Chalko­genide handeln muß. Es wurden z.B. dünne MoS_x-Schichten mit x = 1,5 bis 2,1 in Schichtdicken im Bereich von 0,11 bis 0,43 µm im Hinblick auf ihre Gleitreibungskoeffizien­ten und ihre Kontaktwiderstände untersucht.

[0018] Als Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer MoS_1,8-Schicht auf einem Substrat aus 100 Cr₆-Stahl mittels HF-Kathodenzerstäubung bei einer Leistung von 6 W/cm² beschrieben. Zur Herstellung von derartigen Schich­ten werden folgende Parameter eingesetzt:

1. Ionenätzen des Substrates in einer Argonatmosphäre über eine Dauer von 10 min;

2. MoS_1,8-Abscheidung durch Kathodenzerstäubung eines Targets der Zusammensetzung MoS_2,2 in einer Atmosphäre aus Argon eines Drucks von 3 x 10⁻² mbar.

Die Abscheidedauer betrug zur Herstellung einer 0,11 µm dicken Schicht 6 min, zur Herstellung einer 0,43 µm dicken Schicht 20 min.

[0019] Nach Beendigung des Abscheidungsprozesses wurden die erhaltenen Schichten unter Anwendung einer Hochstrom-­Ionenimplantationsanlage mit Argon- oder Stickstoffionen beschossen:

Implantationsparameter für Argon:
Schichtdicke 0,43 µm:	Implantationsenergie	150 keV
	Dosis	3x 10¹⁵/cm²
	Implantationsenergie	400 keV
	Dosis	1x 10¹⁶/cm²

Implantationsparameter für Stickstoff:
Schichtdicke 0,11 µm:	Implantationsenergie	150 keV
	Dosis	1x 10¹⁶/cm²
Schichtdicke 0,43 µm:	Implantationsenergie	100 keV
	Dosis	1x 10¹⁶/cm²
	Implantationsenergie	150 keV
	Dosis	3x 10¹⁵/cm²
	Implantationsenergie	150 keV
	Dosis	1x 10¹⁶/cm²

[0020] Anstelle von Argon- oder Stickstoffionen können z.B. auch Silicium- oder Wasserstoffionen in die Chalkogenid-Schich­ten implantiert werden. Die Implantationsparameter sind im Rahmen des vorliegenden Verfahrens vom Fachmann ohne Schwierigkeiten ermittelbar.

[0021] In der nachfolgenden Tabelle sind die Werte für den Rei­bungskoeffizienten µ und die Werte für den Kontaktwider­stand R_K vor und nach einer Ionenimplantion für unter­schiedliche Chalkogenid-Schichten angegeben.
Die Werte für den jeweiligen Kontaktwiderstand wurden mittels einer Gegenelektrode aus Gold gemessen.

Ansprüche

1. Kontaktwerkstoff in Form einer Schicht aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifiziert ist.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenide aus den Chalkogenen Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildet sind.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontaktwerstoff aus Chalkogeniden der Übergangs­metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram gebildet ist.

4. Kontaktwerkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Chalkogenid-Schicht Ionen einer Implantations­energie im Bereich von 0,5 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵/cm² bis n x 10¹⁸/cm² implantiert sind.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Chalkogenid-Schicht Ionen einer Implantations­energie im Bereich von 3 x 10¹⁵/cm² bis 10¹⁶/cm² implan­tiert sind.

6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert sind.

7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalko­genid-Schicht implantiert sind.

8. Kontaktwerkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht eine Dicke im Bereich von ei­ner Monolage bis 10 µm hat.

9. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 bis 2 µm, hat.

10. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes in Form einer durch Chemical oder Physical Vapour Deposition auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht aus Chalkogeni­den von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Struktur der Schicht durch Teilchenbeschuß modifi­ziert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenbeschuß während des Aufbringens der Schicht durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenbeschuß nach Aufbringen der Schicht durchgeführt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht durch Kathodenzerstäubung hergestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kathodenzerstäubungsprozeß Magnetfeld-unterstützt durchgeführt wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenide aus den Chalkogenen Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß Chalkogenide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram gebildet werden.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 0,5 bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵/cm² bis n x 10¹⁸/cm² in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Dosis im Bereich von 3 x 10¹⁵/cm² bis 10¹⁶/cm² in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 0,5 bis 100 keV in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.

20. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ionen einer Implantationsenergie im Bereich von 50 keV bis 400 keV in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.

21. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.

22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, in die Chalkogenid-Schicht implantiert werden.

23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich einer Monolage bis 10 µm abgeschieden wird.

24. Verfahren nach den Anspüchen 11 und 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm abgeschieden wird.

25. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich von einer Monolage bis 2 µm abgeschieden wird.