Jian YE. (Kolbergerstrasse 28d, Karlsruhe, 76139, DE)
Sell, Konrad (Sophienstrasse 45, Karlsruhe, 76133, DE)
Stüber, Michael (Queichheimerhauptstrasse 218, Landau, 76829, DE)
Ulrich, Sven (Gernot Strasse 13, Stutensee-Blankenloch, 76297, DE)
Jian YE. (Kolbergerstrasse 28d, Karlsruhe, 76139, DE)
Sell, Konrad (Sophienstrasse 45, Karlsruhe, 76133, DE)
Stüber, Michael (Queichheimerhauptstrasse 218, Landau, 76829, DE)
| 1. | Schichtverbund auf einem Substrat, wobei mindestens eine Einzelschicht des Schichtverbunds kubisches Bornitrid enthält und über eine Abscheidung hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das kubische Bornitrid Sauerstoff enthält, welches während der Abscheidung zugegeben wird. |
| 2. | Schichtverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund aus einer Einzelschicht besteht. |
| 3. | Schichtverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung mittels PVD oder Plasma unterstützten CVD Verfahren erfolgt. |
| 4. | Schichtverbund nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ganz oder teilweise durch die Oberfläche eines spangebenden Werkzeugs oder eines Umformwerk¬ zeuges gebildet ist. |
| 5. | Schichtverbund nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund eine Borreiche Ionen energiegradierte Haftvermittlerschicht, eine Zusammensetzungs gradierte BornitridSauerstoffNukleationsschicht sowie eine kubischeBornitridSauerstoffDeckschicht auf einem Substrat in der genannten Reihenfolge umfasst. |
| 6. | Schichtverbund nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische Abfolge von mindestens zwei Einzelschichttypen umfasst und mindestens eine der Einzelschichttypen sauerstoffhaltiges kubisches Bornitrid enthält. Schichtverbund nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einzelschicht ein Nanocomposite darstellt, bei dem ein Bestandteil Sauerstoff¬ haltiges kubisches Bornitrid enthält. |
Die Erfindung betrifft ein Schichtverbund auf einem Substrat gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dabei enthält mindestens eine Schicht des Schichtverbunds kubisches Bornitrid.
Kubisches Bornitrid (BN) ist aufgrund seiner ausgezeichneten Materi¬ aleigenschaften und insbesondere als superhartes Material - nach dem Diamant das härteste Material überhaupt - besonders geeignet als Verschleißschutzschicht für Span gebende Werkzeuge wie beispielsweise Meißel, Schneid-, Fräs- oder Bohrwerkzeuge sowie für Umformwerkzeuge, um deren Standzeit und / oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit im Einsatz zu erhöhen. Der große Vorteil des kubischen Bornitrids gegenüber dem Diamant ist die chemische Beständigkeit gegenüber Eisenwerkstoffen.
Die Synthese von dünnen kubischen Bornitridschichten, d.h. mit einer Schichtdicke zwischen 50 nm und 300 nm, ist nur mittels PVD- oder PECVD-Methoden möglich, weil für die Ausbildung der superharten, kubischen Phase während des Schichtwachstums der Ionenbeschuss eine unabdingbare Voraussetzung ist. Durch den Ionenbeschuss entstehen aber als negativer Begleiteffekt so hohe Eigenspannungen, dass die Schichten ab einer bestimmten Dicke - je nach Bedingung typischerweise zwischen 50 nm und 300 nm - versagen, d.h. von Substrat abplatzen. Deshalb konnten solche Schichten trotz ihres hohen Potentials noch nicht in die Anwendung überführt werden.
Beispielhaft wird für die Abscheidung von dicken kubischen Borni¬ tridschichten sind folgende Veröffentlichungen verwiesen:
[1] beschreibt kubische Bornitridschichten, die über eine Plas¬ mafackel abgeschieden werden. Mit dieser Technik können jedoch nur kleine Flächen im Bereich von einigen mm2 beschichtet werden. Auch sind innerhalb dieses kleinen Beschichtungsbereichs die Schichtdickenverteilung sowie der Schichtaufbau Verfahrens bedingt extrem inhomogen. Die Schichtdicke fällt im Rahnbereich kontinuierlich bis auf Null ab, und es gibt andererseits beschichtete Bereiche, in denen das Bornitrid nahezu ausschließlich nicht in der kubischen abgeschieden wird. Desweiteren ist eine begrenzte Reproduzierbarkeit zu beobachten, welche sich in erheblichen Schwankungsbreiten der Aufwachsrate äußert. Hinsichtlich der Werkzeug- und Bauteilbeschichtung ist die erforderliche gezielte Rasterung des Plasmafackelstrahls entsprechend der komplexen Werkzeug- und Bauteilgeometrien extrem aufwendig aus o.g. Gründen in einer hohen Qualität praktisch nicht möglich.
In [2] wird die Erzeugung von dicken, kubischen Bornitridschichten mit einem Borkarbidtarget in Sauerstofffreier Atmosphäre vor¬ geschlagen. Die Schichten, welche Kohlenstoff und keinen Sauerstoff enthalten, weisen jedoch ein hohes Eigenspannungsniveau von bis zu 17 GPa auf.
In [3] wird die Abscheidung dicker kubischer Bornitridschichten bei hohen Temperaturen von typischerweise 1200°C beschrieben. Dabei werden Eigenspannungen in der Schicht durch beginnendes Fließen des Siliziumsubstrats abgebaut. Dieser Mechanismus zum Abbau der Eigenspannungen sowie die1 hohen Substrattemperaturen schließen die Beschichtung von Werkzeugen aus.
In [4] werden kubische Bornitridschichten ohne Sauerstoffzugäbe hergestellt, wobei deren Eigenspannung durch hochenergetische Argonionenimplantation mit einer Energie von 300.000 eV abgebaut wurde. Durch alternierendes Beschichten und Ionenimplantieren, was in zwei verschiedenen Apparaturen stattfindet, konnten kubische Bornitridschichten mit Dicken von 1,3 μm hergestellt werden. Die Fläche, die der Ionenimplantation ausgesetzt werden kann, beträgt dabei typischerweise 1 cm2, das Substratvolumen ist auf 1 cm3 begrenzt und die Reichweite der Ionen liegt bei ungefähr 180 nm. Für die Abscheidung einer 1,3 μm dicken Schicht mit einer Fläche von 1 cm2 benötigt man dann für 7 Zyklen, bestehend aus Beschichten, Ionenimplantieren und Wärmenachbehandeln, einen halben Monat.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Schichtverbund vorzu¬ schlagen, bei der Bornitrid mindestens einer Einzelschicht in einer kubischen Modifikation vorliegt, eine verbesserte Haftfestigkeit aufweist und die vorgenannten Einschränkungen und Nachteile insbesondere für die Beschichtung von Werkzeugen oder anderen Komponenten auch bei Schichtdicken oberhalb 2 μm oder bei größeren lateralen Abmessungen aber nicht aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen Schichtverbund mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Wesentliches Merkmal der Erfindung betrifft die gezielte Zugabe von Sauerstoff bei der Abscheidung einer kubischen Bornitridschicht durch Zugabe von Sauerstoff ins Prozessgas. Zur besseren Dosierungskontrolle kann die Zugabe beispielsweise durch Argon (Ar) und durch ein Ar:C>2-Gasgemsich erfolgen, wobei Ar durch ein anderes Prozessgas ersetzbar ist, beispielsweise durch Helium (He) , Neon (Ne) , Krypton (Kr) , Xenon (Xe) oder Stickstoff (N2) . Ferner kann der Sauerstoff auch durch ein sauerstoffhaltiges Target über einen PVD- Prozess in die Gasphase überführt und von dort abgeschieden werden.
Der Sauerstoff nimmt die N-Plätzen des kubischen Bornitrit-Gitters ein, lagert sich Zwischengitterplätze ein oder reichert sich in den Korngrenzen zwischen den Kristalliten an. Grundsätzlich beeinflusst der Sauerstoff die Abscheidekinetik in positiver Weise, sodass Oberflächen- und Volumendiffusionsprozesse optimierbar werden und dadurch die Eigenspannungen noch während des Schichtwachstums verstärkt abgebaut werden.
Durch die Zugabe lassen sich so in vorteilhafter Weise die Eigenspan¬ nungen in der abgeschiedenen Beschichtung so weit reduzieren und die Haftfestigkeit so weit erhöhen, dass Schichten mit einer für den Verschleißschutz relevanten Dicke von mindestens 2 μm herstellbar sind. Die gezielte Zugabe von Sauerstoff erfolgt vorzugsweise während des gesamten Beschichtungsvorgangs .
Sauerstoff-haltige, kubische Bornitridschichten lassen sich grund¬ sätzlich mit allen PVD-Verfahren und allen Plasma unterstützten CVD- Verfahren herstellen.
Mit diesen genannten PVD- und Plasma unterstützen CVD-Verfahren tref¬ fen Schicht bildende Teilchen mit einer bestimmten Stromdichte und einer bestimmten Energie als Neutralteilchen oder als ionisierte Teilchen auf das Substrat bzw. auf die aufwachsende Schicht auf und werden dabei in das Gitter der Schichtoberfläche ein- oder angebaut. Vorzugsweise, aber nicht zwingend dient das Substrat dabei als eine Elektrode für das vorgenannte elektrische Feld. Die Schicht bildenden Teilchen können sein: • Bor (B) : neutral, einfach- oder mehrfach ionisiert, • Stickstoff (N) : neutral, einfach- oder mehrfach ionisiert, • Sauerstoff (0) : neutral, einfach- oder mehrfach ionisiert, • Moleküle oder Cluster, aufgebaut aus Bor-, Stickstoff und Sauer¬ stoffatomen: neutral, einfach- oder mehrfach ionisiert, • Helium (He) , Neon (Ne) , Argon (Ar) , Krypton (Kr) oder Xenon (Xe), d.h. die Elemente der Gruppe 0 des Periodensystems (Edel¬ gase, Plasmaatmosphäre) , neutral, einfach- oder mehrfach ioni¬ siert, • Fremdatome, Ionen, Moleküle oder Cluster, die außer Bor, Stick¬ stoff, Sauerstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon auch andere elementare Bestandteile enthalten, neutral, einfach- oder mehrfach ionisiert.
Ferner müssen Ionen mit einer bestimmten Energie Ei0n und einer be¬ stimmten Stromdichte Φion auf das Substrat bzw. auf die aufwachsende Schicht treffen. Diese Ionen können sein: • Bor: einfach- oder mehrfach ionisiert, • Stickstoff: einfach- oder mehrfach ionisiert, • Sauerstoff: einfach- oder mehrfach ionisiert, • Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon, einfach- oder mehrfach ionisiert, • Fremdionen, Fremdmolekülionen oder Fremdclusterionen, die außer Bor, Stickstoff, Sauerstoff oder Edelgase auch andere elementare Bestandteile enthalten, einfach- oder mehrfach ionisiert.
Dabei müssen die Stromdichten und die Energien der schichtbildenden Teilchen und der Ionen so gewählt werden, dass hinsichtlich der ele¬ mentaren Zusammensetzung der Schicht folgende Bedingungen erfüllt sind• • das Verhältnis von Bor- zu Stickstoff [B] : [N] muss zwischen 0,85 und 1,15 liegen: 0,85 ≤ [B] : [N] < 1,15, • die Sauerstoffkonzentration [O] muss zwischen 3 At% und 15 At% liegen: 3 At% < [0] < 15 At%, • die Summe der Konzentration von Helium [He] , Neon [Ne] , Argon [Ar], Krypton [Kr] oder Xenon [Xe] darf bis zu 7 At% betragen: [He] + [Ne] + [Ar]+ [Kr] + [Xe] < 7 At% • die Konzentration anderer elementarer Teilchen außer Bor,' Stick¬ stoff, Sauerstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon darf bis zu 5 At% betragen, muss jedoch geringer gehalten werden, falls das Teilchen die Ausbildung der kubischen Phase ab einer bestimmten Konzentration verhindert und diese Konzentration un¬ ter 5 At% liegen sollte.
Des Weiteren definieren alle Teilchen, die auf das Substrat bzw. die aufwachsenden Schicht mit einer bestimmten Stromdichte treffen und in die Schicht eingebaut werden, den gesamten Fluss der Schicht bildenden Teilchen Φo. Durch eine Mittelung über die Energie dieser Teilchen wird die mittlere Energie E0 definiert. Alle Ionen, die auf die Oberfläche des Substrates bzw. die aufwachsende Schicht mit einer bestimmten Stromdichte treffen, definieren den Fluss der Ionen Φion. Durch eine Mittelung über die Energie dieser Teilchen wird die mittlere Ionenenergie E10n definiert. Das Verhältnis Φion / Φo und di>e Energien E0 und Ej0n müssen so gewählt werden, dass sich die kubische Phase ausbildet.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, Sauerstoff zur Reduzierung von Eigenspannungen bei Verbundwerkstoffen (Corαposites und Nanocom- posites) , Mehrlagen-, Viellagen- und nanolaminierte Viellagen- schichten sowie eine beliebige Kombination dieser Schichtkonzepte zu verwenden, welche ganz oder teilweise aus kubischen Bornitrid (c-BN) bestehen. Desweiteren sind die beiden ersten Lagen keine notwendige Voraussetzung zur Abscheidung dicker c-BN:O-Schichten.
Mit der Beschichtung von Werkzeugen mit kubischen Bornitrid wird insbesondere im zerspanenden Bereich von eisenhaltigen Legierungen gegenüber allen bisher erhältlichen Beschichtungen die höchste Bearbeitungsgeschwindigkeit und die größte Standzeiterhöhung erwartet.
Die Erfindung wird anhand einer beispielhaften Versuchsserie mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein experimentell ermitteltes Parameterfeld für die Ab¬ scheidung von Sauerstoff-haltigen, kubischen Bornitridschichten,
Fig. 2 a und b AES-Übersichtsspektren einer 500 nm dicken Sauerstoff¬ haltigen kubischen Bornitridschicht,
Fig. 3 ein AES-Übersichtsspektrum einer 2550 nm dicken Sauerstoff¬ haltigen kubischen Bornitridschicht,
Fig. 4 ein FTIR-Spektrum einer 1800 nm dicken Sauerstoff-haltigen, kubischen Bornitridschicht sowie Fig. 5 ein Röntgenbeugungsdiffraktogramm einer 1800 nm dicken Sauerstoff-haltigen kubischen Bornitridschicht.
Mit einer CVD/PVD-Hybridbeschichtungsapparatur wurden Sauerstoff¬ haltige kubische Bornitridschichten auf planaren Siliziumsubstraten erfolgreich hergestellt, und zwar mit Schichtdicken von 500 nm, einer 1,8 μm und einer 2,5 μm. Als Beschichtungsquellen standen Magnetronzerstäubungseinheiten, eine ECR-Ionenkanone und eine ECR- Plasmaquelle zur Verfügung. Der rotationsfähige Substrathalter wurde mit einer Gleichspannungs- oder einer Hochfrequenz- Substratvorspannung beaufschlagt und bis auf 85O0C beheizt.
Alle Schichten wurden auf einem Siliziumsubstrat als Dreilagensystem, bestehend aus einer Bor-reichen Ionenenergie-gradierten Haftvermittlerschicht (hexagonale Bornitrid-Sauerstoff-Schicht, h- BN:O-Schicht) , einer Zusammensetzungs-gradierten Bornitrid- Sauerstoff-Nukleationsschicht sowie einer kubische-Bornitrid- Sauerstoff-Deckschicht (c-BN:0-Deckschicht) in der genannten Reihenfolge hergestellt. Im vorliegenden Fall liegt somit ein Schichtsystem mit drei Einzelschichttypen in drei Einzellagen (Einzelschichten) vor. Es ist durchaus möglich, im Rahmen eines Vielschichtsystems mindestens zwei der Einzelschichttypen in periodischer Reihenfolge als weitere Einzellagen vorzusehen.
Durch die gewählte Prozessführung wurde durch das Abscheiden der ersten Einzellage die Haftfestigkeit gesteigert, durch das Abscheiden der zweiten Einzellage die Nukleation der kubischen Phase kontrolliert und durch das Abscheiden der dritten Einzellage das eigentliche Wachtum von c-BN:O optimiert.
Die experimentell ermittelten Einzelschichtdicken und die Abschei¬ dezeiten des Dreilagensystems sind nachfolgend in Tab. 1 wiedergegeben. Die Realisierung der einzelnen Schichtdicken erfolgte allein durch eine Variation der Beschichtungszeiten für die einzelnen Lagen.
Tab. 1: Einzel- und Gesamtschichtdicken sowie die Abscheide¬ zeiten der Sauerstoff-haltigen kubischen Bornitrid¬ schichten.
Die Herstellungs- und Prozessparameter für die in Tab. 1 angeführten Einzelschichten sind folgende, wobei die Schichtdicken mit Hilfe rasterelektronischer Schnittbilder sowie mit Hilfe oberflächenprofilometrischer Messungen bestimmt.
Prozessparameter für Bor-reiche, Ionenenergie-gradierte h-BN:O- Schicht: Das stöchiometrische, hexagonale Bornitrid-Target einer Magnetron¬ zerstäubungseinheit wird mit 500 W H. F.-Targetleistung beaufschlagt und in einem Ar-C>2-Gemisch zerstäubt. Das Gasgemisch besteht aus 45 sccm Ar, 0 sccm N2, 3 sccm eines Ar-C>2-Gasgemischs mit einem Mischungsverhältnis von Ar zu O2 von 80% zu 20%. Der Arbeitsgasdruck beträgt 0,26 Pa und die Substrattemperatur 350 0C. Der Betrag der negativen Substratvorspannung wurde in äquidistanten Zeitintervallen von 0 V in 30 V Schritten bis auf 330 V und danach auf 350 V erhöht.
Prozessparameter für Zusammensetzungs-gradierte BN:0-Nukleation- sschicht: Das stöchiometrische, hexagonale Bornitrid-Target einer Magne¬ tronzerstäubungseinheit wird mit 500 W H. F.-Targetleistung be- aufschlagt und in einem Ar-N2-O2-Gemisch zerstäubt. Die Substrat¬ temperatur beträgt 350 °C und der Betrag der negativen Substrat¬ vorspannung 350 V. Das Gasgemisch besteht aus 45 sccm Ar und 3 sccm eines Ar-O2-Gasgemischs mit einem Mischungsverhältnis von Ar zu O2 von 80% zu 20%. Das Stickstoffgas wird in äquidistanten Zeitintervallen von 0 sccm in 0,5 sccm Schritten auf 5 sccm und danach in 1 sccm Schritten auf 10 sccm erhöht. Der Arbeitsgasdruck liegt anfangs bei 0,26 Pa und am Ende bei 0,29 Pa.
Prozessparameter für c-BN:O-Deckschicht: Das stöchiometrische, hexagonale Bornitrid-Target einer Magnetron¬ zerstäubungseinheit wird mit 500 W H. F. -Targetleistung beaufschlagt und in einem Ar-N2-O2-Gemisch zerstäubt. Die Substrattemperatur beträgt 350 °C und der Betrag der negativen Substratvorspannung 350 V. Das Gasgemisch besteht aus 45 sccm Ar, 3 sccm eines Ar-O2- Gasgemischs mit einem Mischungsverhältnis von Ar zu O2 von 80% zu 20% und 10 sccm N2. Der Arbeitsgasdruck beträgt 0,29 Pa.
Für die Ermittlung der möglichen Abscheideparameter kann grund¬ sätzlich die folgende Vorgehensweise angewandt werden. Wenn die Schicht bei einer gewählten Kombination von Φion / Φo^ Eo und Ei0n keine kubische Phase enthält, dann muss das Verhältnis ΦIon / Φo und/oder die Energien Eo und E10n so lange größer gewählt werden, bis sich die kubische Phase ausbildet, jedoch nicht so groß, dass durch Zerstäubungseffekte an der Oberfläche gar keine Schicht mehr auf¬ wächst (vgl. Fig. 1) .
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm den im Rahmen des Ausführungsbeispiels experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen dem Ionenfluss Φion im Verhältnis zum Fluss der Schicht bildenden Teilchen ΦBN (entsprechend dem vorgenannten allgemein gehaltenen Fluss der Schicht bildenden Teilchen Φo) in Abhängigkeit zu der mittleren Ionenenergie Ei0n- Das Diagramm zeigt drei Parameterbereiche 1 bis 3 auf. Eine kubische Bor¬ nitrid-Sauerstoff-Schicht (c-BN:O) scheidet sich im Bereich 1 ab, in dem ein bestimmtes Flussverhältnis ΦIOΠ/ΦBN oder die mittlere Ionene¬ nergie Eion ein bestimmtes Niveau erreichen. Wird diese Niveau nicht erreicht (Bereich 2), dann reicht entweder die Energie oder / und das Flussverhältnis nicht mehr für eine Umwandlung in Richtung des kubi¬ schen BN:O während der Abscheidung aus; es wird somit die hexagonale Modifikation abgeschieden (h-BN:O) . Im Bereich 3 ist dagegen entweder die Energie und / oder das Verhältnis ΦIon / ΦBN zu groß, d.h. die schichtbildenen Teilchen werden wieder zerstäubt, sodass sich keine BN:O Schicht mehr aufbaut.
Die Substrattemperatur T3 muss während des Beschichtungsprozesses folgende Bedingungen erfüllen: • während des Nukleationsprozesses muss sie mindestens 1200C betragen: T3 > 1200C, • geringer als 90% der Schmelztempertur des Substrates TM,s sein: T3 < TM,s • geringer als 90% der Schmelztemperatur der Sauerstoff-haltigen kubischen Bornitridschicht TM/C_BN:O liegen: Ts < TM,C-BM:O
Die Zusammensetzung der vorgenannten einzelnen Schichten wurde mit Hilfe der AES (Auger-Elektronen-Spektroskopie) bestimmt. Fig. 2 a zeigt beispielhaft ein Übersichtsspektrum (c/s = Signale pro .Sekunde über die kintetische Energie in eV) der 300 nm starken Sauerstoff¬ haltigen kubischen Bornitridschicht des in Tab. 1 angeführten Schichtverbunds mit 500 nm Gesamtdicke nach einem Abtrag von 20 nm zwecks Oberflächenreinigung. Im Spektrum sind drei Signale erkennbar, die den Elementen Bor, Stickstoff und Sauerstoff zugeordnet werden können. Die elementare Konzentration ergibt sich hieraus für Bor zu 48,6 At%, für Stickstoff zu 46,5 At% und für Sauerstoff zu 4,9 At%.
Fig. 2 b zeigt beispielhaft ein AES-Tiefenkonzentrationsprofil eines in Tab. 1 angeführten Schichtverbunds mit 500 nm Gesamtdicke. Hieraus lässt sich die homogene Verteilung der Elementkonzentrationen in der 300 nm dicken Sauerstoff-haltigen, kubischen Bornitrid-Deckschicht sowie die Elementverteilung in der Haftvermittler und der Nukleationsschicht feststellen.
Mit zunehmender Schichtdicke nimmt bei diesem Analyseverfahren auch die elektrische Aufladung zu. Hierdurch erschweren sich Messung und eine exakte Auswertung der AES-Spektren, und zwar auch wenn die Aufladung der Analyseoberfläche durch den lonenbeschuß in Kombination mit dem Anbieten von Elektronen zumindest teilweise kompensiert wird. Deshalb musste bei dem Schichtverbund mit 2,55 μm Gesamtdicke die BN:O-Ξchicht lokal durch den Ionenstrahl bis auf das Siliziumsubstrat zerstäubt werden, wobei ein Krater mit einer der Gauß'sehen Verteilung ähnlichem Querschnitt (Kraterprofil) entsteht. Durch ein Abtasten dieses mathematisch beschreibbaren Kraterprofils konnte eine exakte Tiefenprofilierung vorgenommen werden, wobei Aufladungen durch einen Oberflächenstrom über das Kraterprofil zum Silizium deutlich leichter abbaubar sind.
Fig. 3 zeigt das auf vorgenannte Übersichtsspektrum am Kraterprofil, d.h. die elementare Zusammensetzung der 2 μm dicken Sauerstoff¬ haltigen, kubischen Bornitrid-Deckschicht der in Tab. 1 angeführten 2,55 μm dicken BN:O-Schicht . Hierbei ergibt sich die Borkonzentration zu 49 At%, die Stickstoffkonzentration zu 46,3% und die Sauerstoff¬ konzentration zu 4,6 At%. Dies ist innerhalb der Messgenauigkeit in sehr guter Übereinstimmung mit der elementaren Zusammensetzung der Sauerstoff-haltigen, kubischen Bornitrid-Deckschicht der 500 nm di¬ cken BN:O-Schicht und entspricht den Erwartungen aufgrund der Pro¬ zessführung bei der Abscheidung der Deckschichten.
Der Nachweis der sp3-hybridisierten Bindungszustände erfolgt mittels Infrarotspektroskopie (FTIR, Fig. 4) und der Nachweis der kubischen Kristallstruktur durch Röngtenbeugung (XRD, Fig. 5) . Fig. 4 zeigt ein Transmissions-Infrarotspektrum im Wellenzahlbereich zwischen 400 cm"1 und 8400 cm"1. Zu erkennen ist die ausgeprägte Reststrahlenbande der 1405 nm dicken c-BN:O-Deckschicht bei 1080 cm"1. Weiterhin wird die B-N-B Biegeschwingung bei ungefähr 780 cm"1 und die B-N- Streckschwingung bei 1380 cm"1 beobachtet, die hauptsächlich von der Haftvermittlerschicht und der Nukleationsschicht hervorgerufen wer¬ den.
Die Oszillationen werden durch Schichtdickeninterferenzen her¬ vorgerufen. Deutlich zu erkennen sind die 5 Maxima bei 7850 cm"1, 6400 cm"1, 5080 cm"1, 3690 cm"1 sowie 2295 cm"1 und die vier Minima da¬ zwischen. Daraus kann die Schichtdicke des Gesamtsystems zu 1,8 μm abgeschätzt werden:
_ Anzahl der Perioden _ 4 gesamt ^ mittlerer Brechung sin dex ■ Wellemahlbereich 2 • 2 • (7850 cm"1 — 2295 cm~x J
Das Röntgenbeugungsdiffraktogramm, das im streifenden Einfall aufge¬ nommen wurde, zeigt drei Signale, die dem c-BN:O zugeordnet werden können. Sie korrespondieren mit den Signalen von (111) c-BN bei 43,3°, (220) c-BN bei 74,1° und (311) c-BN bei 89,8°. Somit wurde mittels FTIR und XRD der Nachweis der kubischen, Sauerstoff-haltigen Bornitridphase erbracht.
Mit Hilfe eines Nanoindenters der Firma Hysitron wurde an einer unge¬ fähr 2 μm dicken, Sauerstoff-haltigen, kubischen Bornitridschichte die Härte gemessen. Die Schichthärte ergab sich bei einer maximalen Belastung von 2 mN zu 59,2 GPa ± 2,3 GPa, bei 5 mN zu 59,6 GPa ± 1,9 GPa und bei 10 mN zu 60,5 GPa ± 1,6 GPa, was dem theoretisch erwarte¬ ten Wert entspricht. Literatur [1] S. Matsumoto, W. Zhang: Jpn. J. Appl . Phys. 39 (2000) L442 [2] K. Yamamoto, M. Keunecke, K. Bewilogua: Thin Solid Films, 377/378 (2000) 331 [3] D. Litvinov, CA. Taylor, R. Clarke: Diamond Relat. Mater. 7 (1998) 360 [4] H. -G. Boyen, P. Widmayer, D. Schwertberger, N. Deyneka, P. Ziemann: Appl- Phys. Lett. 76, (2000) 709
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