"Laserpulsabscheidung von superharten h-BN/c-BN Schichten und h-BN/ c-BN/Hartstoff-Mehrschichtsystemen für mechanische und optische Anwendungen."

Bearbeitung:
Betreuung:

Dipl.-Ing. (FH) René Bertram
Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel

Der Einsatz von Hartstoffschichten hat sich in den letzten Jahren in weiten Bereichen der Industrie etablieren können. So finden derartige Schichten und Schichtsysteme Anwendung in der Automobilindustrie, der Medizin- und der Luft- und Raumfahrttechnik, der Elektroindustrie und dem Maschinen- und Werkzeugbau, aber auch als optisch wirkende Schichten in der Photonik. Als ein sehr interessanter Werkstoff stellt sich in dieser Hinsicht das kubische Bornitrid (c-BN) dar, da es nach Diamant die zweithöchste Härte aufweist und sich zudem durch Eigenschaften, wie einer hohen chemischen Beständigkeit, einer hohen thermischen Stabilität, einem hohen Brechungsindex und einer großen optischen Energiebandlücke auszeichnet [1] [2].

Als Hartstoffschicht auf spanabhebenden Werkzeugen, wie Fräsern, bietet kubisches Bornitrid den entscheidenden Vorteil, dass es auch als Schichtmaterial zur Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe geeignet ist. Im Gegensatz zu Hartstoffschichten aus Kohlenstoff wie etwa ta-C Schichten (tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff) oder Schichten aus nanokristallinem Diamant (n-D) findet hier keine Kohlenstoffdiffusion in das Werkstück, und damit keine Aufhärtung statt [3]. Zudem verlieren Hartstoffschichten auf Kohlenstoffbasis bereits ab etwa 600 °C im Zuge der Graphitisierung ihre Härte. Schichten aus c-BN behalten ihre Härte hingegen auch bei deutlich höheren Temperaturen von über 1500 °C [4].

Durch die Anwendung solcher c-BN-Schichten für eine spanende Materialbearbeitung werden sich, durch Verringerung der wirkenden Reibungskräfte, höhere Standzeiten der Werkzeuge, höhere Schnittparameter, sowie eine Energieersparnis mit den daraus resultierenden Vorteilen erzielen lassen. Ein industrieller Einsatz dieses Materials in Form von Dünnschichten wurde bisher jedoch durch zu geringe Haftfestigkeiten der Schicht auf dem Substrat und zu geringe Aufwachsraten im Abscheidungsprozess, sowie der Einlagerung von Partikulaten verhindert [5]. Daher ist es Ziel dieser Forschungsarbeit diese Probleme durch verschiedenste Strategien während der Schichtherstellung, aber auch durch Nachbehandlung, zu beseitigen bzw. zu minimieren. So soll eine Technologie erarbeitet werden, die den industrietauglichen Herstellungsprozess und den Einsatz von Dünnschichten aus kubischem Bornitrid ermöglicht. Besonderes Augenmerk soll hierbei auf eine möglichst hohe Haftfestigkeit der Schichten auf verschiedenen Substratmaterialien bei gleichzeitig großen Aufwachsraten gelegt werden. Dabei soll eine Einlagerung von Partikulaten in die Schicht vermieden und die Substrattemperatur mit weniger als 300 °C gering gehalten werden.

Bei der Durchführung der dazu nötigen Versuche kommt das Verfahren der Laserpulsabscheidung in Kombination mit einem zusätzlichen Stickstoff/Argon-Ionenbeschuss der entstehenden Schicht im Hochvakuum zum Einsatz. Bei dem dabei verwendeten Laser handelt es sich um einen Excimerlaser LPX PRO 305 der Firma Coherent Deutschland GmbH, welcher unter Verwendung von Kryptonfluorid als Arbeitsgas eine Wellenlänge von 248 nm emittiert.
Das Lasergerät erreicht maximale Laserpulsenergien von 1200 mJ und Laserpulsfolgefrequenzen bis 50 Hz bei typischen Laserpulsdauern von 25 ns. Der emittierte Laserstrahl (1) wird über eine Strahlführungs- und –formungseinrichtung in eine, mit einem Druckmessgerät (2) ausgestattete Hochvakuumkammer (3) eingekoppelt und auf das Target (4) fokussiert.
Da die Hochvakuumkammer durch eine Vorpumpe (5) und eine in Reihe geschaltete Turbomolekularpumpe (6) evakuiert wird, erreichen die durch den Laserstrahl ablatierten Teilchen den Substrathalter (7) und das darauf angebrachte Substrat (8) nahezu ohne Energieverlust. Der Substrathalter befindet sich gegenüber dem Target und verfügt zur Einstellung und Kontrolle der Substrattemperatur über ein Heizelement sowie einen Temperaturfühler.
Zur Nukleation von c-BN Keimen und für ein weiteres Aufwachsen der c-BN Schicht wird das Substrat einem, in einer Hochfrequenz-Ionenquelle (9) erzeugten, Ar- bzw. Ar/N-Ionenstrahl ausgesetzt. Der Anteil an Stickstoffionen ist dabei für die Beibehaltung der stöchiometrischen Verhältnisse von Bor und Stickstoff verantwortlich während eine Elektronenquelle (10) die Ladungskompensation realisiert.

Über einen separaten Stickstoffeinlass (11) wird die Hochvakuumkammer geflutet um zum Öffnen des Rezipienten einen Druckausgleich zu erreichen. Eine Bestimmung der Dicke und Qualität der entstehenden Schicht ist während des Abscheideprozesses mittels eines Ellipsometers (12) in situ möglich.


[1] Zhihai Cai, Ping Zhang, Jun Tan: Adhesion improvement of cubic boron nitride film on high speed steel substrate by BNX implanted buffer interlayer. In: Surface and Coatings Technology, Volume 201, Issue 15, 2007, Pages 6723-6725
[2]Kiyoshi Takahashi, Akihiko Yoshikawa, Adarsh Sandhu: Wide Bandgap Semiconductors, Fundamental Properties and Modern Photonic and Electronic Devices
Springer-Verlag Berlin 2007
[3] Atlantic GmbH: Diamant- und CBN-Schleifwerkzeuge für den richtigen Schliff. Atlantic GmbH 2007
[4]Schumacher, Alain: Untersuchungen zur Synthese von c-BN-Schichten mit ECWR-PACVD und Boran-Ammonia als Eduktmaterial. – 2000.
Kaiserslautern, Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Dissertation, 2000
[5]Jiesheng Wang, Yoke Khin Yap: Growth of adhesive cubic phase boron nitride films without argon ion bombardment. Diamond and Related Materials, Volume 15,
Issues 2-3, February-March 2006, Pages 444-447

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Dipl.-Ing. (FH) René Bertram
Tel.:03727/58-1072
E-Mail: rbertram@htwm.de
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