Optimierung der Plasmaparameter zur Abscheidung von kubischem Bornitrid in Hohlkatodenbogen

Diplomarbeit von Jochen Ulmer

Einleitung:

Die immer größer werdenden industriellen Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe, sowie die Tendenz immer billiger zu produzieren, verlangen nach neuen Herstellungs- und Veredelungsmethoden einerseits, andererseits aber nach immer sparsamerem Einsatz der teuren Ausgangsprodukte.

Diese zwei Gesichtspunkte lenkten die Entwicklung in Richtung neuartiger, innovativer Materialien und deren Herstellungsmethoden.

Die beiden wichtigsten Vertreter der neuen Materialien sind der Diamant und das kubische Bornitrid, die bisher härtesten bekannten Stoffe. Wurde lange Zeit besonderes Augenmerk auf die Erforschung des Diamants gelegt, so ist seit dem letzten Jahrzehnt eine rasante Entwicklung bei der Untersuchung des kubischen Bornitrids zu beobachten. Es zeigte sich, daß es dem Diamant in vielen Eigenschaften wie außergewöhnlich hoher Härte, hoher optischer Transparenz sowie chemischer Beständigkeit ebenbürtig ist. In anderen Eigenschaften jedoch, zum Beispiel der höheren Beständigkeit gegen Sauerstoff unter Temperatureinwirkung und dem geringeren Verschleiß bei der Bearbeitung von Metallegierungen im Vergleich zum Karbidbildner Diamant ist kubisches Bornitrid ihm weit überlegen. Der wohl wichtigste Vorteil des kubischen Bornitrids ist die Möglichkeit, den Kristall sowohl p- als auch n- zu dotieren. Beim Diamant ist es bis heute nicht gelungen, eine n-Dotierung zu erreichen. Die Bandstruktur des kubischen Bornitrids ermöglicht direkte Übergänge und läßt so an die Entwicklung photoaktiver Halbleiterbauelemente für den UV-Bereich denken. Der große Bandabstand erlaubt den Einsatz von kubischen Bornitridschichten als Isolatormaterial.

Die Beschichtung von Oberflächen, sei es als Verschleißschutz (Bohrer, Fräser) oder lediglich als Schutz vor schädlicher Fremdeinwirkung (Gläser, optische Bauteile, Bauteile in chemisch ätzenden Umgebungen) ist vor allem in Hinblick auf den vergleichsweise geringen Materialeinsatz (die Schichten müssen lediglich wenige Mikrometer dick sein) von Bedeutung.

Obwohl weltweit seit über einem Jahrzehnt intensiv die Herstellung kubischer Bornitridschichten erforscht wird, ist es bis zu diesem Zeitpunkt nur wenigen Forschungseinrichtungen gelungen, Schichten hoher Phasenreinheit zu synthetisieren.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit der Abscheidung kubischer Bornitridschichten im Hohlkatodenbogenverdampfer. Außerdem soll die Frage geklärt werden, ob die aus der Titanabscheidung mit Hilfe des Hohlkatodenbogens bereits bekannten hohen Abscheideraten auch bei der Herstellung von kubischen Bornitridschichten erreichbar sind, denn bei einer möglichen Skalierung auf industrielle Dimensionen ist dies ein wichtiger Gesichtspunkt.

Es werden die Parameterbereiche für die Existenz der kubischen Phase in Bezug auf die Plasmakenngrößen ermittelt. Außerdem wird deren Einfluß auf die Schichtbildung untersucht. Die erzielten Ergebnisse werden im Licht der zur Zeit diskutierten Wachstumsmodelle betrachtet.

Gang der Untersuchung:

Im ersten Kapitel werden die physikalischen Grundlagen der BN-Modifikationen wie Bindungstyp und Gitterstruktur dargestellt. Das zweite Kapitel gibt eine Übersicht über die bereits bekannten Abscheideverfahren zur Herstellung von kubischen Bornitridschichten, sowie die mit diesen Methoden erzielten Ergebnisse. Das dritte Kapitel beschäftigt sich detailliert mit dem Hohlkatodenbogenverdampfer und der in dieser Arbeit verwendeten Apparatur. Außerdem werden der Beschichtungsablauf, die Schichtcharakterisierung, sowie die Messergebnisse vorgestellt. Im vierten Kapitel werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit im Licht der existierenden Wachstumsmodelle betrachtet. Es wird versucht, die in der Literatur sehr breit gefächerten Vorstellungen des Aufwachsprozesses von Bornitridschichten und der hierbei wirksamen physikalischen Prozesse mit Hilfe der im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse so zu vereinen, daß ein schlüssiges Bild der während der Beschichtung ablaufenden Vorgänge entsteht.

Schließlich wird in einer Zusammenfassung die hier angewandte Beschichtungstechnik bewertet und ein Ausblick auf die zukünftigen Untersuchungen gegeben.

Inhaltsverzeichnis: