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Ionengestützte Laserpulsabscheidung von kubischen Bornitridschichten



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Abb.1: Beschichtungs-apparatur

Kubisches Bornitrid (c-BN) ist aufgrund seiner hohen Härte, hohen thermischen Leitfähigkeit, hohen Beständigkeit gegenüber chemischen Reaktionen, hohen thermischen Stabilität und großen optischen Energiebandlücke von großem Interesse für den Einsatz als Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten sowie als optische Vergütungsschichten. Im Vergleich zum Einsatz von Diamant als verschleißminderndes Material bietet das kubische Bornitrid den Vorteil, daß es sich auch als Verschleißschutzschicht für Werkzeuge zum Bearbeiten von Eisenlegierungen eignet und bei Temperaturen bis 1300 °C eingesetzt werden kann.

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Abb.2: TEM-Hellfeldaufnahme und TED-Aufnahmen vom jeweiligen Bereich.

Bei dem von uns verwendeten Verfahren der ionengestützten Laserpulsabscheidung werden c-BN-Schichten durch den Abtrag von Bor- oder Bornitridtargets mittels Excimer-Laserstrahlung bei gleichzeitigem kontinuierlichen Stickstoff- bzw. Stickstoff/Argon-Ionenstrahlbeschuß der aufwachsenden Schichten erzeugt. Die Besonderheiten dieses Verfahrens bestehen in der hohen momentanen Aufwachsrate infolge des gepulsten Teilchenstromes hoher Intensität bei relativ hohen

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Abb.3: TEM-Dunkelfeldaufnahme unter Verwendung eines h-BN (0002) Reflexes der unteren TED-Aufnahme.

Teilchenenergien, die eine hohe Materialdichte, ein nahezu zweidimensionales Wachstum und damit eine geringe Oberflächenrauhigkeit bewirkt, die unabhängige Beeinflussung des Schichtwachstums durch die kontinuierliche Ionenstrahleinwirkung auf die aufwachsende Schicht sowie die Möglichkeit der Erzeugung einer speziellen hexagonalen BN-Phase (l-BN) als haftvermittelnde Zwischenschicht.

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Abb.4: TEM-Dunkelfeldaufnahme unter Verwendung eines c-BN (111) Reflexes der unteren TED-Aufnahme.

Im Ergebnis der bisherigen Untersuchungen wurden mit diesem Verfahren nahezu phasenreine kubische Bornitridschichten abgeschieden, wobei vor der Nukleation des c-BN stets eine wenigstens 10 nm dicke hexagonale Zwischenschicht aufwächst, deren c-Achse parallel zur Substratoberfläche orientiert ist. Die maximalen Aufwachsraten betragen bei Verwendung eines Bornitridtargets bislang 6 nm/min für die Nukleationsphase und 17 nm/min für die Wachstumsphase des c-BN, wobei die Substrattemperatur auf einen Wert im Bereich von 160 bis 400 °C eingestellt wurde. Die Kristallite der kubischen Phase, deren Größe im Bereich einiger 10 nm liegt, weisen über den gesamten Schichtquerschnitt entweder eine Orientierung der (111)-Netzebenen oder der (001)-Netzebenen parallel zu den (0002)-Netzebenen der h-BN-Nukleationsschichten auf, wobei senkrecht zur Substratoberfläche keine Vorzugsorientierung beobachtet wird. Eine Vergrößerung der c-BN-Kristallite um den Faktor 2 wurde durch Bestrahlung der aufwachsenden c-BN-Schichten mit UV-Photonen der Laserwellenlängen 248 nm oder 193 nm erzielt.

Die allgemein bekannte geringe Haftfestigkeit von c-BN-Schichten konnte von uns dadurch wesentlich verbessert werden, daß ebenfalls durch Laserpulsabscheidung jedoch bei wesentlich geringerer Ioneneinwirkung eine stöchiometrische Bornitridphase mit einer der hexagonalen Nukleationsschicht vergleichbaren Mikrostruktur jedoch höherer Dichte und Härte als Zwischenschicht abgeschieden wurde, die wir als l-BN-Phase bezeichnen. Unter Verwendung solcher

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Abb.4: Zuordnung der Reflexe zu den Orientierungen der Netzebenen der c-BN-Kristallite.

l-BN-Zwischenschichten mit 50 nm Schichtdicke konnten bislang bis zu 400 nm dicke nahezu phasenreine c-BN-Schichten haftfest auf Silicium- und Stahlsubstrate abgeschieden werden, wobei der Übergang zur c-BN-Phase durch die Variation der Abscheideparameter ohne Unterbrechung des Beschichtungsprozesses erfolgt.

Gegenwärtig werden im Rahmen eines gemeinsam von den Sächsischen Ministerien für Wissenschaft und Kunst sowie Wirtschaft und Arbeit geförderten Verbundprojektes zwischen der Hochschule Mittweida und der Roth & Rau Oberflächentechnik GmbH Wüstenbrand Untersuchungen zur Erzeugung und Charakterisierung von l-BN/c-BN-Schichtsystemen mit Dicken im µm-Bereich auf realen Werkzeugen durchgeführt.



Kontakt: Steffen Weißmantel

 
 
Erstellt: 07.02.2012 16:48:24 | Letzte Änderung: 01.02.2002 18:21:28 | Autor: Steffen Weißmantel, Günter Reiße
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