Laserpulsabscheidung von superharten Schichten auf der Basis von diamantartigem Kohlenstoff und kubischem Bornitrid

Rost, Dirk GND

In this work theoretical and experimental investigations on the deposition of superhard hydrogen free tetrahedral amorphous carbon films (ta-C) and superhard cubic boron nitride films (c-BN) prepared by pulsed laser deposition are presented. At the beginning a short introduction into the film materials carbon and boron nitride is given and the state of the art is analysed. Experimental and theoretical investigations on the laser ablation process provide informations on number per pulse, the angular ablation distribution and the kinetic energy of the ablated particles, furthermore, about the parameters of the entire particle flux and its composition. These results represent the basis for the following investigations on the deposition of ta-C and c-BN films. The investigations on the deposition of ta-C films by means of pulsed laser ablation yielded the process parameters, at which a high content of sp³-bondings in the films and because of that a high hardness can be achieved. It will be shown that by using a novel procedure for the reduction of film stress, up to 5 µm thick nearly stress free ta-C films with sp³-content of 80 - 85 % can be prepared. The method is a combination of pulsed laser deposition and pulsed laser annealing. High adhesion in the range of 30 to 50 N on several types of substrates can be achieved by using intermediate layers. The Vickers micro hardness of the ta-C films was found to be in the range of 60 to 65 GPa, the Young’s modulus is about 900 GPa and the density 3.1 to 3.3 g/cm3. Furthermore, it is shown that nanokristalline cubic boron nitride films can be prepared by ion-beam-assisted pulsed laser deposition. As a result of the high mean kinetic energy of the ablated particles in the range of 130 to 180 eV at laser fluences of more than 25 J/cm² the ion bombardment, which is necessary for the growth of c-BN, can be reduced strongly and, thereby, film growth rates up to 50 nm/min can by achieved at relatively low substrate temperatures of 250 °C. Depending on deposition parameters, the Vickers micro hardness of the c-BN films was found to be in the range of 40 to 45 GPa, the Young’s modulus was measured to be in the range of 480 to 520 GPa, and the density is between 3.05 and 3.4 g/cm³. Additionally, c-BN films with good adhesion to silicon and hard metal substrates could be prepared by using hexagonal boron nitride intermediate layers. The final part of this work deals with investigations on the incorporation of hexagonal particulates (droplets) into the c-BN films due to the ablation process. The effects of those particulates on film properties are shown and solutions are presented how the density of particulates can be reduced by using a second target laser beam or various magnetic field arrangements.

In dieser Arbeit werden theoretische und praktische Untersuchungen zur Abscheidung von superharten wasserstofffreien tetragonal gebundenen amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C) und superharten kubischen Bornitridschichten (c-BN) mittels Laserpulsablation durchgeführt. Zu Beginn erfolgt eine Einleitung zu den beiden Schichtmaterialien Kohlenstoff und Bornitrid und eine Analyse des derzeitigen Erkenntnisstandes der Forschungen und der Technik. Die in diesem Umfang erstmalig durchgeführten experimentellen Untersuchungen und die darauf basierenden theoretischen Berechnungen hinsichtlich der Eigenschaften der Teilchen des durch Laserpulsablation erzeugten schichtbildenden Teilchenstroms liefern wichtige Erkenntnisse über die Anzahl, die Ablationsverteilung, die mittlere kinetische Energie und die Bewegung der ablatierten Teilchen vom Target zum Substrat sowie über die Parameter des gesamten Teilchenstromes und dessen Zusammensetzung. Diese Ergebnisse stellen die Grundlage für die nachfolgenden Untersuchungen zur Abscheidung der ta-C- und c-BN-Schichten dar. Die Untersuchungen zur Abscheidung von ta-C-Schichten mittels Laserpulsablation zeigen die Prozessparameter, bei denen ein hoher sp³-Bindungsanteil in den Schichten und damit verbunden eine hohe Härte erreicht werden kann. Durch die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Reduzierung der mechanischen Schichtspannungen werden bis zu 5 µm dicke nahezu spannungsfreie ta-C-Schichten mit einem sp³-Bindungsanteil von bis zu 85 % durch sukzessive Laserpulsabscheidung und Laserpulsentspannung von Subschichten abgeschieden. Die Schichten erreichen durch den Einsatz von Haftvermittlerzwischenschichten eine hohe Haftfestigkeit von 30 bis 50 N auf verschiedenen Substraten. Die Schichten besitzen dabei eine Vickersmikrohärte von 60 – 65 GPa, einen E-Modul von etwa 900 GPa und eine Dichte im Bereich von 3,1 bis 3,3 g/cm³. Weiterhin wird gezeigt, wie nanokristalline kubische Bornitridschichten mittels ionengestützter Laserpulsabscheidung erzeugt werden können. Durch die hohe mittlere kinetische Energie der ablatierten schichtbildenden Teilchen von 130 – 180 eV bei einer Targetlaserpulsfluenz von über 25 J/cm² kann der für das c-BN-Wachstum erforderliche Ionenbeschuss sehr stark reduziert werden, wodurch bei einer relativ niedrigen Substrattemperatur von 250 °C Schichtaufwachsraten von bis zu 50 nm/min erreicht werden. In Abhängigkeit von den Beschichtungsparametern besitzen die c-BN-Schichten eine Vickersmikrohärte von 40 – 45 GPa, einen E-Modul im Bereich von 480 – 520 GPa, eine Dichte zwischen 3,05 und 3,4 g/cm³ und zusätzlich eine hohe Haftfestigkeit durch die Verwendung von hexagonalen Bornitridschichten als Haftvermittlerzwischenschicht. In den Untersuchungen hinsichtlich des Einbaus von hexagonalen Partikulaten in die c-BN-Schichten werden die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Schichten aufgezeigt und Lösungen dargestellt, wie die Dichte der Partikulate in den Schichten durch den Einsatz eines zweiten Targetlaserstrahles oder durch die Verwendung von verschiedenen Magnetfeldanordnungen reduziert bzw. vollständig beseitigt werden kann.

Zitieren

Zitierform:

Rost, Dirk: Laserpulsabscheidung von superharten Schichten auf der Basis von diamantartigem Kohlenstoff und kubischem Bornitrid. 2009.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Export