cBN Dünnschicht Abscheidung

Experiment:

Fig 1: IBAD mit gleichzeitiger Ionenbestrahlung am Danfysik 200 keV Ionenimplanter

        Fig. 2: Magnetronzerstäubung mit komplexer bipolarer Impulsvorspannung

Kubisches Bornitrid (cBN) ist ein Material  für Anwendungen mit Hartstoffschichten und vereint eine Reihe von nützlichen Eigenschaften:

  • Sehr hohe Härte (nach Diamant das zweithärteste Material)
  • Beständig gegen Oxidation selbst bei hohen Temperaturen
  • Reaktionsträge gegenüber Eisenwerkstoffen
  • Große Bandlücke
  • p- and n- leitend dotierbar

Problem: Die cBN-Dünnfilmsynthese erfordert die Anwendung niederenergetischer Ionen (100 - 500 eV).  Als Folge sind starke innere Spannungen und Schichtablösungen zu beobachten.
Lösung: Zusätzliche Ionenimplantation mit mittleren Energien (2 - 30 keV), die zur Umgruppierung der Atome unter der Oberfläche führt, wodurch Defekte ausgeheilt und Spannungen abgebaut werden.

Im FZD wurde ein kombinierter Prozess einer cBN Dünnfilm Abscheidung mit einer gleichzeitigen Ionenimplantation bei mittleren Energien entwickelt.

  • Zeit und Kosten sparender kontinuierlicher Prozess ohne Unterbrechung des Vakuums
  • Keine Bearbeitung nach der Abscheidung

Die Technik kann in einer ionenstrahlgestützten Abscheidung angewandt werden, indem zusätzliche 35 keV Stickstoffionen genutzt werden.

Um die Abscheiderate und damit die Effektivität des Prozesses zu erhöhen, wurde diese Technik weiter entwickelt und mit einer Magnetronzerstäubung gekoppelt. Die Merkmale sind:

  • Hohe cBN-Abscheiderate
  • Komplexe bipolar gepulste Substratvorspannung mit Hochspannungsimpulsen führt zum Abbau von inneren Spannungen
  • Substratvorspannung von -2.5 kV sind geeignet zum Stressausgleich

In situ Stress Messung

Der Stressausgleich wird in situ und in Echtzeit mit dem Substrat-Biege-Prinzip gemessen. Es wird die Laser Deflektometrie in Kombination mit einer in situ Ellipsometrie benutzt, um den augenblicklichen Stress zu messen.

 

Fig. 3: “Force per unit width (FPUW)” als Funktion der Filmdicke, aufgenommen während der cBN-Abscheidung mit angelegter Hochspannung am Substrat. Der Anstieg der Kurve ist ein Maß für den augenblicklichen Stress bei entsprechender Filmdicke. Deutlich zu sehen ist der Stressausgleich bei Anlegen der Hochspannungsimpulse.

Referenzen:

Ullmann et al., J.Appl.Phys. 83 (1998) 2980Boyen et al., APL 76 (2000) 709Fitz et al., APL 80 (2002) 55
Abendorth et al. Thin Solid Films 447-448 (2004) 131

Projekte:

"Vergleich verschiedener Abscheideverfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid" (SMWK 7541.83-fzr/405)
"Super hard coatings c-BN and CNx" (PROCOPE/EU)
"Dicke c-BN-Schichten" (DFG SPP463/ Mo 297/6-1)
"Spannungen in c-BN-Schichten" (DFG)
"BN-Technologietransfer " (Industrie)

Kontakt: Prof. Dr. Kolitsch, Andreas