DE102004028112A1

DE102004028112A1 - Borhaltiges Schichtsystem, bestehend aus einer Borcarbid-, einer B-C-N und einer kohlenstoffmodifizierten kubischen Bornitridschicht sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems

Info

Publication number: DE102004028112A1
Application number: DE102004028112A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Phys. Keunecke; Klaus Dr. Bewilogua
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: EP1773734A1; WO2005121047A1; DE102004028112B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein borhaltiges Schichtsystem, welches eine Borcarbidschicht, eine Bor, Kohlenstoff und Stickstoff (B-C-N) enthaltende Schicht und eine kohlenstoffmodifizierte kubische Bornitridschicht in der genannten Reihenfolge enthält. Im erfindungsgemäßen Schichtsystem übernimmt der Kohlenstoff eine dreifach stabilisierende Rolle sowohl in der Borcarbidschicht und der B-C-N-Schicht als auch in der kubischen Bornitridschicht. Der in der kubischen Bornitrid-Phase enthaltene Kohlenstoff hat insbesondere eine die Struktur stabilisierende Funktion. Der Kohlenstoff ist das wesentliche und das Schichtsystem verbindende Element.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein borhaltiges Schichtsystem, welches mindestens eine Borcarbid-, eine B-C-N-Schicht, die Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält und nicht einphasig sein muss, und eine kohlenstoffmodifizierte kubische Bornitrid-Schicht enthält. Das Borcarbid wird im folgenden auch durch BC abgekürzt, die B-C-N-Schicht durch B-C-N, sowie das kubische Bornitrid durch c-BN. Borhaltige Schichtsysteme werden insbesondere zur Darstellung von Hartstoffschichten zur Reduktion von Verschleiß, Reibung, Korrosion und zur Materialbearbeitung eingesetzt. Hierbei stellt das kubische Bornitrid c-BN aufgrund seiner extremen Härte (die nur durch Diamant übertroffen wird) sowie aufgrund weiterer herausragender Eigenschaften, wie beispielsweise der hohen Temperaturbeständigkeit auch an Luft ein vielversprechendes Material für potentielle Anwendungen dar.

Borhaltige Schichtsysteme sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So sind c-BN-Schichten mit vielen PVD- und PACVD-Techniken herstellbar. Dickere Schichten sind hierbei nur durch wenige Veröffentlichungen belegt, beispielsweise Barth et al., Suf. & Coat. Technol. 92 (1997) 96-103 und oft nur bei höheren Temperaturen und bei geringer Rate (beispielsweise Litvinov et al., Appl. Phys. Let., 74 (1999) 7; Mirkarimri et al., Journal of Applied Physics 82 (4) 1997 p. 1617; Matsumota et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 39 (2000) pp L422-444).

Schichtsysteme aus Bor/Borcarbid, Borcarbid/kubisches Bornitrid und Bor/Bornitrid/Borcarbid werden in der Patentschrift US 005670252 A behandelt. Die Patentschrift WO 96/35820 beschreibt eine Schicht, in der kubisches Bornitrid in einer Bor- und/oder Kohlenstoffmatrix dispergiert ist. In dieser Schicht nimmt der kubische Anteil langsam zu. Auch die Patentschrift US 006054185 A beschreibt ein Bor und Stickstoff enthaltendes Schichtsystem sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Aus dem Stand der Technik ist auch eine Mehrzahl von Verfahren zur Herstellung von Einzelschichten aus kubischen Bornitrid bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kubisches Bornitrid enthaltendes Schichtsystem sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, in welchem die eine c-BN-Nukleation, beispielsweise bei PVD-Techniken, begleitenden intrinsi schen Schichtspannungen so ausgestaltet sind, dass es insgesamt zu besseren mechanischen Eigenschaften des Schichtsystems in Form von besserer Schichthaftung kommt.

Diese Aufgabe wird durch ein borhaltiges Schichtsystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein entsprechendes Beschichtungsverfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schichtsystems sowie des Beschichtungsverfahrens und Verwendungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem weist eine erste, Bor und Kohlenstoff enthaltende Schicht, darauf angeordnet eine zweite, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthaltende Schicht und darauf angeordnet eine Dritte, kubisches Bornitrid enthaltende Schicht auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Schicht Borcarbid enthält und dass die kubische Bornitridphase der dritten Schicht Kohlenstoff als stabilisierendes Element enthält. Die zweite Schicht ist eine ein- oder mehrphasige Schicht, die Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält, und welche Borcarbonitrid oder andere Verbindungen der Zusammensetzung B_xC_yN_z enthalten kann

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der relative Gewichts- bzw. Volumenanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht im wesentlichen konstant und liegt bevorzugt zwischen 50 und 95 Gewichtsprozent (Gew.-%). Die relative Schwankung des Gewichts- bzw. Volumenanteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht beträgt hierbei bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, insbe sondere bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.1 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.01 Gew.-%.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist das borhaltige Schichtsystem einen Übergang bzw. einen Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht so auf, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht variiert. In dieser Ausgestaltungsform besteht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich so, dass die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in unterschiedlichem Abstand von dieser Oberfläche der ersten Schicht verläuft. Somit variiert der genannte Abstand des
Übergangs bzw. des Übergangsbereiches bzw. der genannte Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs in Richtung senkrecht zur Schichtebene. Vorteilhafterweise ist hierbei das erfindungsgemäße Schichtsystem so ausgestaltet, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert und/oder dass der Übergangsbereich bzw. der Übergang und/oder die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich im wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist. Hierbei variiert vorteilhafter weise der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten
Oberfläche der ersten Schicht um über 1 nm, besonders bevorzugt um über 5 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere bevorzugt um über 20 nm und/oder unter 200 nm.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die zweite Schicht eine Gradientenschicht, d. h. die zweite Schicht ist so ausgeführt, dass in ihr der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt.

In einer weiteren vorteilhaften Variante enthält die dritte Schicht auch hexagonales Bornitrid h-BN.

In einer weiteren Ausgestaltungsform beträgt der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht über 5 Atomprozent (At%) und/oder unter 50 At%, bevorzugt über 10 At% und/oder unter 30 At%. Der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht beträgt vorteilhafterweise über 2 At% und/oder unter 40 At%, bevorzugt über 5 At% und/oder 20 At%. Der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht beträgt vorteilhafterweise über 1 At% und/oder unter 30 At%, insbesondere bevorzugt über 2 At% und/oder unter 15 At%.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist auf oder an der dritten Schicht eines erfindungsgemäßen Schichtsystems eine B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ausgestaltungsformen aufgebaute Schicht (vierte Schicht) angeordnet, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur dritten Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der dritten Schicht so aufgebaut angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht wie er bzw. sie bereits vorstehend beschrieben wurde.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist auf oder an der vierten Schicht eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht (fünfte Schicht) angeordnet, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur fünften Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der fünften Schicht so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht wie er bzw. sie bereits in den vorstehenden Gestaltungsformen beschrieben wurde.

In einer weiteren vorteilhaften Variante ist auf oder an der vierten Schicht eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der bisher bereits beschriebenen ersten Schichten aufgebaute Schicht angeordnet. Auf oder an dieser Schicht kann dann vorteilhafterweise eine weitere Schichtenfolge angeordnet sein, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine weitere B-C-N enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen zweiten Schichten aufgebaute Schicht und eine weite re, Kohlenstoff und kubisches Bornitrid
c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen diesen beiden weiteren Schichten so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht, wie er bzw. sie bereits beschrieben wurden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist auf oder an dem bereits beschriebenen Schichtsystem mindestens eine weitere Schichtenfolge der folgenden Form (in Richtung von der ersten zur dritten Schicht) angeordnet: eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen ersten Schichten aufgebaute Schicht, eine B-C-N enthaltende entsprechend einer der bisher beschriebenen zweiten Schichten aufgebaute Schicht und eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht.

In einer weiteren vorteilhaften Variante weist die erste, die zweite und/oder die dritte Schicht und/oder eine der anderen bereits genannten Schichten in einer zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht im wesentlichen senkrechten Richtung eine Ausdehnung von über 10 nm und/oder unter 10 μm, insbesondere von über 50 nm und/oder unter 1 μm auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der bisher beschriebenen Schichten auf oder an einem Substrat, insbesondere auf oder an einem Siliziumsubstrat angeordnet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eines der bisher beschriebenen Schichtsysteme auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Hartstoffschichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden metallischen Schichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden keramischen Schichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Mischkeramikschichtsystem (ein Schichtsystem, welches eine oxidische und eine metallische Komponente aufweist, Cermetschicht) angeordnet oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit mindestens einem der genannten Schichtsysteme (Hartstoffschichtsysteme, metallisches Schichtsystem, keramisches Schichtsystem, Mischkeramikschichtsystem) kombiniert. Dabei enthält das Hartstoffschichtsystem vorteilhafterweise TiN, TiAlN, TiCN, Al₂O₃, CrN, TiBN, TiB₂, Diamant und/oder diamantartigen Kohlenstoff DLC. Das metallische Schichtsystem enthält hierbei vorteilhafterweise Ti und/oder Cr.

Insbesondere ist es vorteilhaft, eines der vorstehend beschriebenen Schichtsysteme auf oder an Werkzeug- oder Bauteilsubstraten, insbesondere in Form von Hartmetall-Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermetschichten, Verbundmaterialien, HSS, Stählen (beispielsweise für Automobil-Komponenten), Gläsern oder Umform- oder Stanzwerkzeugen anzuordnen.

Das vorgestellte erfindungsgemäße Schichtsystem, welches aus einer Borcarbid-, einer B-C-N und einer kohlenstoffmodifiziertes kubisches Bornitrid c-BN enthaltenden Schicht bzw. aus einer kohlenstoffstabilisierten c-BN Schicht besteht, ist somit durch bestimmte Abscheidebedingungen eine entscheidende und vorteilhafte Rolle des Kohlenstoffs in den Schichtsystemen realisiert. Das Schichtsystem wird beispielsweise in einem PVD- oder PVD-Hybrid-Prozess hergestellt. Durch spezielle Depositionsbedingungen bzw. durch eine entsprechende Abfolge von Depositionsbedingungen lässt sich der Kohlenstoff so in den Schichten verteilen bzw. anordnen und modifizieren (Hybridisierung und Bindungen), dass er eine stabilisierende Wirkung auf das Schichtsystem und jede der Einzelschichten hat. So sorgt der Kohlenstoff z. B. an den c-BN-Korngrenzen, in denen normalerweise für h-BN-typische sp²-Bindungen dominieren, durch Bindungen zu diesem BN-Netzwerk für einen stabilen, unempfindlicheren B-C-N-Bereich bzw. für eine zusätzliche stabilisierende Kohlenstoff-Phase.

Die Stabilisierung basiert hier auf einer mechanischen (die mechanischen Eigenschaften von B-C-N sind besser als von hexagonalem Bornitrid h-BN) und einer strukturellen Komponente (der Welligkeit bzw. der Ausdehnung des Übergangsbereichs zum c-BN). Der wesentliche Aspekt der vorliegenden Schichtsysteme ist also eine Modifikation des Kohlenstoffs durch Variation des Beschichtungsprozesses so, dass der Kohlenstoff eine dreifach stabilisierende Rolle sowohl in der BC-Schicht als auch in der B-C-N-Schicht als auch insbesondere in der c-BN-Schicht übernimmt. Im Gegensatz zu bekannten Schichtsystemen ist Kohlenstoff somit auch in der c-BN-Phase enthalten und hat hier eine die Schicht (d. h. die c-BN Kristallite und die Korngrenzen bzw. die Grenzen der aufgewachsenen c-BN-Säulen) stabilisierende Funktion (h-BN, welches in der Regel in der c-BN-Schicht ebenfalls vorhanden ist, ist z. B. mechanisch und gegen Feuchtigkeit sehr empfindlich). Der in allen Einzelschichten vorkommende Kohlenstoff ist als wesentliches Element der Stabilisierung in all den Schichten absolut notwendig. Der Kohlenstoff ist somit das wesentliche, die einzelnen Bestandteile des Schichtsystems verbindende Element. Neben der mechanischen Verstärkung des Schichtsystems sorgt der Kohlenstoff somit auch für eine strukturelle Verstärkung, nämlich den ausgedehnten Übergangsbereich zum c-BN (Welligkeitsbereich).

Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem wird hierbei gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt: Zunächst wird eine Borcarbidschicht (erste Schicht), die in einem Biasspannungsbereich von etwa 0 bis 300 V abgeschieden werden kann, hergestellt. Typische Targetleistungen bei der Herstellung der Borcarbidschicht sind etwa 500 bis 10000 W. Der Druckbereich liegt etwa im Bereich von 0,1 bis 10 Pa. Als Sputtergas kann beispielsweise Argon verwendet werden. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer B-C-N-Gradientenschicht (zweite Schicht) dadurch, dass graduell der Stickstoffanteil im Sputtergas erhöht wird. Diese Erhöhung kann bei einem Stickstoffgehalt von etwa 5 % bis 100 % am Sputtergas abgeschlossen sein. Unter der Sputteratmosphäre mit etwa 5 % bis 100 % Stickstoffanteil erfolgt dann die c-BN-Nukleation. Typische Stickstoffanteile im Sputtergas sind hierfür etwa 8 % bis 20 %. Der Kohlenstoff ist das stabilisierende Element in dieser Schicht.

Es wird so abgeschieden, dass der Kohlenstoffanteil in der ersten Schicht beispielsweise 10 bis 30 At% beträgt, dass derjenige in der zweiten Schicht beispielsweise 5 bis 20 At% beträgt und der Kohlenstoffgehalt in der dritten Schicht beispielsweise 2 bis 15 At% beträgt.

Nach der Nukleation bzw. der Bildung der c-BN-Keime wachsen diese Keime bei weiterer Sputterabscheidung und es kommt schließlich zur Ausbildung einer c-BN enthaltenden Schicht (der Wachstumsschicht). Ab dem Zeitpunkt der Nukleation kommt es also zum Aufwachsen einer Schicht mit sehr hohen Anteilen der c-BN-Phase (der c-BN-Gehalt liegt bei ca. 50 bis 95 Gew.-%, insbesondere bei ca. 60 bis 90 Gewichts-% oder 60 bis 90 Volumenprozent, der Rest der Schicht besteht aus h-BN bzw. B-C-N (Korngrenzen etc.)). Grundsätzlich sollte der c-BN-Gehalt möglichst hoch sein. Allerdings lässt sich aufgrund des nanokristallinen Aufbaus der c-BN-Schicht ein hoher Korngrenzenanteil am Volumen nicht vermeiden. Daher liegen die typischen c-BN-Volumenanteile im Bereich zwischen den genannten 60 bis 90 Gew.-%.

Die Nukleation der c-BN-Keime findet sprunghaft statt bzw. die genannte c-BN-Konzentration wird sprunghaft erreicht, die B-C-N-Gradientenschicht erzeugt eine zeitliche und örtliche Schwankung der Nukleation, was zu einer erhöhten Welligkeit der Nukleationszone und somit zu einem ausgedehnten Bereich der Nukleation führt. Ausgedehnt meint hierbei keine langsame Zunahme des c-BN-Anteils bzw. des c-BN-Gehaltes, es liegt also keine willkürliche Verteilung des c-BN in der Schicht vor, bei der der c-BN-Gehalt bzw. -Anteil langsam zunimmt, sondern es erfolgt eine Nukleation, ab der ein nanokristallines-stengelförmiges Wachstum auftritt und ab der der c-BN-Gehalt konstant bleibt. Die c-BN-Phase ist hierbei erfindungswesentlich stabilisiert durch den Kohlenstoff. Die c-BN-Wachstumsschicht kann auch unter leicht geänderten Bedingungen zu der Nukleation abgeschieden werden. Typische nega tive Biasspannungswerte sind hierbei beispielsweise 100 bis 500 V, besonders bevorzugt 200 V. Die Wachstumsschicht ist auch als dritte Schicht bezeichnet.

Die c-BN-Nukleation und das c-BN-Wachstum erfolgt unter Beschuss von Ionen mit Energien im Bereich von 200 eV. Der genaue Wert der Ionenenergie der zur Keimbildung bzw. zum Wachstum benötigt wird, hängt hierbei auch von der Ionenstromdichte am Substrat ab. Die allgemeine Regel ist hierbei, dass mit zunehmender Ionenstromdichte am Substrat die für die c-BN-Nukleation bzw. die für das c-BN-Wachstum notwendige Ionenenergie abnimmt.

Im Prozess der c-BN-Nukleation und des c-BN-Wachstums können weitere Techniken oder Verfahrensschritte zur Minimierung der schichtintrinsischen Spannung angewendet werden. Beispielsweise ständiger oder sequentieller Ionenbeschuss mit Ionen im Energiebereich von etwa 1000 bis 10000 eV, beispielsweise ständiges oder sequentielles Heizen auf Temperaturen im Bereich von etwa 600 bis 1200° C, oder auch beispielsweise die Zugabe von chemischen Komponenten zur Sputteratmosphäre, wie z.B. BF₃ oder BCl₃ in Konzentrationen bis etwa 10 % an der Sputteratmosphäre. Für die Nukleation bzw. das Wachstum von c-BN und die zusätzliche Verteilung des Kohlenstoffs als stabilisierendes Element (Welligkeitsbereich) ist eine genaue Prozesssteuerung und ein intensives Ionenbombardement mit definierter Energie notwendig. Typische Werte hierbei sind Ionendichten größer etwa 10¹⁰/cm³, Ionenstromdichten am Substrat von größer etwa 1 mA/cm² und wie bereits erwähnt, Ionenenergien im Bereich von etwa 200 eV. Das Parameterfenster ist hierbei abhängig von der Erzeugung der Ionendichte. Denkbar sind zur Erzeugung der notwendigen hohen Ionendichten Magnetfel der sowie Zusatzaktivierungen des Plasmas oder Ionen- und Plasmaquellen.

Der Kohlenstoff in den Schichten ist für alle wesentliche Verbesserungen des Schichtsystems verantwortlich. Er ermöglicht beispielsweise überhaupt erst die B-C-N-Schicht. Die graduelle Erhöhung des Stickstoffanteils, auch als Rampe bezeichnet, in der B-C-N-Schicht ermöglicht es wiederum, durch eine unterschiedliche zeitliche Dauer dieser Rampe und/oder eine Biasvariation den Bereich der c-BN-Nukleation in einen gewissen Schichtbereich auszudehnen und diesen Bereich zu beeinflussen. Aus einem solchen Bereich folgt erst die Welligkeit bzw. die Unregelmäßigkeit des Übergangs zum c-BN, der erfindungswesentlich ist.

Für einen Mehrlagenaufbau können beispielsweise dann optional die folgenden weiteren Prozessschritte durchgeführt werden:

• Langsames Unterbrechen des c-BN-Wachstums durch eine Reduktion des Stickstoffanteils in der Sputteratmosphäre (umgekehrte Vorgang zur Nukleation). Es wird also quasi eine umgekehrte Nukleationsschicht abgeschieden, die dann wiederum in eine B-C-N-Schicht, wie sie bereits beschrieben wurde, führt.
• Der Stickstoffanteil im Sputtergas kann dann wieder erhöht werden, um eine erneute c-BN-Nukleation zu erzielen, oder der Stickstoffanteil kann weiter reduziert werden, bis schließlich wieder eine BC-Schicht abgeschieden wird. Auf dieser BC-Schicht kann dann wiederum eine B-C-N-Schicht und/oder ein Schichtsystem wie bereits beschrieben abgeschieden werden (Mehrlagenschichtsystem).
• Das beschriebene Schichtsystem oder Mehrlagenschichtsystem kann dann mit metall-, hartstoff- und/oder tribologischen Schichten in allen Kombinationen und Permutationen kombiniert werden. So kann auf einer Metallschicht (beispielsweise aus Ti oder Cr) eine Hartstoffschicht (beispielsweise aus TiN, TiAlN, Al₂O₃) folgen, auf der dann wiederum ein beschriebenes Schichtsystem bzw. Mehrlagenschichtsystem abgeschieden wird. In einer weiteren Variante kann auf einem wie beschrieben ausgeführten Schichtsystem oder Mehrlagenschichtsystem eine entsprechende Metallschicht abgeschieden werden, auf dieser eine entsprechende Hartstoffschicht und auf dieser wiederum ein entsprechendes Schichtsystem bzw. Mehrlagenschichtsystem. Die beschriebenen Schichtsysteme bzw. Mehrlagenschichtsysteme können insbesondere auf Werkzeug- und Bauteilsubstraten wie beispielsweise Hartmetall-Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermets, Verbundmaterialien, HSS, Stählen (z. B. für Automobilkomponenten), Umform- bzw. Stanzwerkzeugen oder Gläsern abgeschieden werden oder mit diesen verbunden werden.

Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem weist gegenüber den bekannten Schichtsystemen eine Reihe wesentlicher Vorteile auf:

• Die strukturelle Komponente (Welligkeit des Übergangs zum c-BN) führt zu einem größeren Übergangsbereich zwischen der hexagonalen B-C-N-Schicht und der kohlenstoffmodifizierten bzw. Kohlenstoff enthaltenden c-BN-Schicht. Hierdurch kann dieser Schichtübergang den hohen intrinsischen Spannungen des c-BN widerstehen. Die Welligkeit des Übergangsbereichs zum c-BN bzw. die dadurch erzielte Vergrößerung des Übergangsbereiches ist die für eine gute Haftung des Schichtsystems trotz der hohen intrinsischen Spannungen in der c-BN-Schicht wesentliche Eigenschaft. Dadurch treten die Spannungen innerhalb der Schicht, die eine c-BN-Nukleation bei PVD-Techniken begleiten, nicht in einem kleinen Bereich auf, sondern können auf einen größeren Schichtbereich ausgedehnt werden (raues Interface) und so besser durch die Schicht kompensiert werden. Durch die beschriebene Modifikation von Kohlenstoff in den c-BN-Schichten ist somit überraschenderweise eine verbesserte Haftung von Borcarbid auf c-BN zu erzielen, so dass Mehrlagenschichten (Komponenten BC, B-C-N und c-BN) erst dadurch haftfest abgeschieden werden können.
• Im Vergleich zu einer kohlenstofffreien h-BN-Schicht (wie sie sonst zur c-BN-Nukleation notwendig ist) weist die verwendete B-C-N-Schicht viel bessere mechanische Eigenschaften auf.
• Die Schichtsysteme weisen eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit bei guten tribologischen Eigenschaften auf.

Mögliche Anwendungen der beschriebenen Schichtsysteme liegen im Bereich der Bauteil- und Werkzeugbeschichtung, beispielsweise für tribologisch hoch beanspruchte mechanische Kontakte (so z.B. trockenlaufende Lager oder Motorkomponenten) oder, und hier insbesondere, für Zerspanungs-, Schneid- und Umformwerkzeuge. c-BN ist nach Diamant das zweithärteste aller bekannten Materialien und eignet sich im Gegensatz zu Diamant zur Stahlbearbeitung. Bulk-Material aus c-BN hat einen stetig wachsenden Anteil als Schneidstoff in der industriellen Produktion. Die an erfindungsge mäßen Schichten vorgenommenen Messungen ergeben vergleichbare Eigenschaften und zeigen somit ein enormes Potential. Bei Werkzeugen zur Zerspanung aber auch bei den anderen Anwendungen kann dieses Schichtsystem mit anderen Schichten bzw. Schichtsystemen und oberflächentechnischen Verfahren, wie z.B. der Plasmanitrierung, kombiniert werden. Das Schichtsystem ist dann integraler Bestandteil einer oberflächentechnischen Behandlung. Beispielsweise können bei Werkzeugen erfindungsgemäße Schichtsysteme mit herkömmlichen Hartstoffschichtsystemen (wie beispielsweise Titanaluminiumnitrid usw.) oder metallischen Schichten (wie beispielsweise Titan usw.) kombiniert werden. Dies kann als Haft-, Unter-, Zwischen- oder Ober- Schicht bzw. Schichtsystem erfolgen. Die beschriebenen Werkzeuge oder Bauteile können hierbei aus Metall, insbesondere auch aus Stahl oder Hartmetall sein, es sind jedoch auch andere Stoffe denkbar wie Keramiken oder Cermets.

Erfindungsgemäße borhaltige Schichtsysteme können wie in dem nachfolgenden Beispiel dargestellt, aufgebaut sein oder verwendet werden.
Die einzige 1 zeigt sowohl ein herkömmliches borhaltiges Schichtsystem nach dem Stand der Technik (1a) als auch ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem (1b).
1A zeigt ein herkömmliches borhaltiges Schichtsystem. Auf einem Siliziumsubstrat 5 ist eine hexagonales Bornitrid h-BN-enthaltende Schicht 4 aufgebracht. Auf dieser h-BN-Schicht ist eine kubisches Bornitrid c-BN-enthaltende Schicht 3 angeordnet. Der Übergang bzw. die Grenzfläche zwischen der h-BN-Schicht 4 und der c-BN-Schicht 3 (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 3-4) weist lediglich eine geringfügige Welligkeit bzw. Unregelmäßigkeit auf: Die Variation des Abstandes der Grenzfläche bzw. des Übergangsbereiches 3-4 von der an die Schicht 4 grenzende Substratoberfläche des Substrats in Richtung senkrecht zu dieser Substratoberfläche (also in Richtung A) beträgt lediglich etwa 20 nm.
Das ab der c-BN-Nukleation auftretende nanokristallin-stengelförmige Wachstum des c-BN ist durch die Säulen 3a skizziert.
Das Schichtsystem weist eine Härte von etwa 10 GPa auf und ein Elastizitätsmodul von < 100 GPa.
In 1B ist ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem dargestellt. Auf dem Siliziumsubstrat 5 ist eine erste, B₄C-enthaltende Schicht 1 angeordnet. Auf dieser ersten, B₄C-enthaltenden Schicht 1 ist eine zweite Schicht, eine B-C-N-Schicht 2 angeordnet. Diese B-C-N-Schicht 2 enthält Bor, Kohlenstoff und Stickstoff und ist im vorliegenden Fall einphasig ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Phasen enthalten. Die B-C-Schicht 2 kann eine Phase der Zusammensetzung B_xC_yN_Z bzw. Borcarbonitrid enthalten. Die B-C-N Schicht ist eine Gradienten-Schicht, bei der der N-Gehalt in Richtung A zunimmt. Auf dieser zweiten Schicht 2 ist eine dritte, kohlenstoffmodifiziertes bzw. -versetztes c-BN enthaltende Schicht 3 angeordnet. Der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht 1 beträgt 20 At%, der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht 2 beträgt 15 % und der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht 3 beträgt 8 At%. Die Dicke der B₄C-Schicht 1 beträgt in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche (also in Richtung A) 100 nm. Der Übergangsbereich zwischen der zweiten Schicht 2 und der Kohlenstoff und c-BN enthaltenden Schicht 3 weist eine starke Welligkeit auf (der Übergang bzw. die Grenzfläche zwischen den Schichten 2 und 3 ist durch das Bezugszeichen 2-3 gekennzeichnet). Die Ausdehnung des Welligkeitsbereiches 2-3 bzw. des Grenzbereiches zwischen den Schichten 2 und 3 beträgt in Richtung A bis zu 200 nm. Der Abstand zwischen der Grenzfläche 2-3 und der ihr zugewandten Oberfläche des Substrates 5 variiert also in Richtung A um bis zu 200 nm. Das nanokristallin-stengelförmige Wachstum der c-BN-Keime ist durch die Säulen 3a skizziert. Das in Richtung A in unterschiedlicher Höhe einsetzende Wachstum der c-BN-Kristallsäulen bzw. deren in Richtung A in unterschiedlicher Höhe liegendes unteres Ende symbolisiert hierbei die starke Welligkeit des Übergangsbereiches 2-3. Der c-BN-Gehalt der dritten Schicht 3 liegt bei etwa 70 bis 80 %, der Rest ist hexagonales Bornitrid h-BN. Wie die 1B (und auch 1A) zeigt, erstrecken sich die nanokristallinen Stengel 3a auch teilweise in die B-C-N-Gradientenschicht 2. Dies soll den folgenden Sachverhalt erläutern: Der Stengelförmige Aufbau der hexagonalen BN-Phase wird unterstützt durch einen hohen Ionenbeschuss während des Abscheidens. Das h-BN versucht dem durch starken Ionenbeschuss induzierten Druck auszuweichen und aufgrund verschiedener mechanischer Konstanten der Kristallrichtungen kommt es zu einer bevorzugten Orientierung der hexagonalen Ebenen (Normale senkrecht zur Oberflächennormalen) und damit verbunden zu einem Stengelwachstum. Diese Stengel geben die Struktur für das weitere Wachstum vor. Die B-C-N-Gradientenschicht 2 ist zum Großteil auch h-BN-strukturiert und damit stengelförmig. Deshalb erfolgen die c-BN-Nukleation und das Weiterwachsen auch in dieser durch die Stengel vorgegebenen Struktur. Bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem erfolgen diese c-BN-Nukleation und das Weiterwachsen jedoch lateral betrachtet zu verschiedenen Zeiten und damit im Schichtquerschnitt bzw. senkrecht zur Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der B-C-N-Gradientenschicht 2 in einem ausgedehnten Bereich (Welligkeit). Die Nukleation der c-BN-Keime findet sprunghaft statt, die B-C-N-Gradientenschicht 2 erzeugt eine zeitliche und örtliche Schwankung der Nukleation, was zu der dargestellten erhöhten Welligkeit der Nukleationszone und somit zu einem ausgedehnten Bereich der Nukleation führt. Ausgedehnt meint hierbei jedoch keine langsame aber gleichmäßige Zunahme des c-BN-Anteils in Pfeilrichtung A, sondern es erfolgt eine Nukleation in unterschiedlichem Abstand zu der Oberfläche des Siliziumsubstrates, ab der der c-BN-Gehalt in Richtung A dann konstant bleibt. Das c-BN ist somit nicht willkürlich verteilt, sondern es tritt ab der Nukleation das dargestellte nanokristallin-stengelförmige Wachstum auf. Der Übergang von der Schicht 2 zur kohlenstoffstabilisierten c-BN-Phase 3 verläuft somit wellenförmig, d. h. in verschiedenen Abständen von der Substratoberfläche des Substrates 5, wodurch sich die beim Übergang entstehenden großen Unterschiede der mechanischen Druckspannungen über einen Schichtdicken-Bereich von mehreren 10 nm bis hin zu 200 nm erstrecken. Der Abstand zweier benachbarter „Wellenberge" bzw. „Wellentäler" in Richtung parallel zur Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der B-C-N-Schicht 2 weist im vorliegenden Fall dieselbe Größenordnung auf wie die Ausdehnung des Übergangsbereichs bzw. die „Amplitudenhöhe" (dies ist mechanisch vorteilhaft, insbesondere wenn die Welligkeit im Wesentlichen sinusförmig ist bzw. die maximale Steigung der Grenzfläche zwischen der Schicht 2 und der Schicht 3 etwa 45° entspricht). Die Ausdehnung eines Wellenzuges des Welligkeitsbereiches in lateraler Richtung (d.h. in Richtung der Schichtebene) liegt somit in der selben Größenordnung wie die Ausdehnung des Übergangsbereiches (hier: ca. 50 bis 200 nm). Aufgrund der nanokristallinen Struktur des c-BN setzt bei der Herstellung des dargestellten Schichtsystems eine Keimbildung zu verschiedenen Zeiten, d. h. in unterschiedlichem Abstand A zur Substratoberfläche bzw. bei verschiedenen Stickstoffkonzentrationen dann ein, wenn lokal die Bedingungen für eine c-BN-Nukleation erfüllt sind (BN-Stöchiometrie und Impuls). Diese Keime wachsen dann in der Höhe (Richtung A) weiter (stengelförmiges Wachstum). Hierbei kann es gegebenenfalls mit Nachbarkeimen bzw. Nachbarstengeln zu einer begrenzten Vereinigung beim Wachstum kommen. Bei anderen Schichtsystemen zum Teil bekanntes Inselwachstum bzw. Zusammenwachsen von Inseln auch in lateraler Richtung (senkrecht zu A) ist aufgrund der kinetischen Hemmung des c-BN-Wachstums nur sehr begrenzt zu erwarten. Das dargestellte Schichtsystem weist eine Härte von etwa 25 bis 30 GPa und ein Elastizitätsmodul von etwa 250 bis 300 GPa auf.

Claims

Borhaltiges Schichtsystem mit einer ersten, Bor B und Kohlenstoff C enthaltenden Schicht, einer zweiten, auf oder an der ersten Schicht angeordneten, B, C und Stickstoff N (B-C-N) enthaltenden Schicht und einer dritten, auf oder an der zweiten Schicht angeordneten, kubisches Bornitrid c-BN enthaltenden Schicht dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht Borcarbid BC enthält, und dass die kubische Bornitrid-Phase der dritten Schicht Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthält.
Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht einphasig oder mehrphasig ausgebildet ist und/oder eine Phase mit der Zusammensetzung B_xC_yN_z (Borcarbonitrid) aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht im wesentlichen konstant ist bzw. dass die relative Schwankung des Gewichtsanteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht kleiner als 10 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 2 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.01 Gew.-% ist und/oder dass dieser Gewichtsanteil zwischen 50 und 95 Gew.-%, insbesondere zwischen 60 und 90 Gew.-% liegt.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Übergang bzw. einen Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht, wobei der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht variiert und/oder durch eine Grenzfläche bzw. einen Grenzbereich zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht, wobei die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in unterschiedlichem Ab stand von dieser Oberfläche der ersten Schicht verläuft.
Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert und/oder dass der Übergangsbereich bzw. der Übergang und/oder die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich im wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht um über 1nm, bevorzugt um über 5 nm und/oder unter 1000 nm, besonders bevorzugt um über 20 nm und/oder unter 200 nm variiert.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Gradientenschicht ist, in der der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht hexagonales Bornitrid h-BN enthält.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht über 5 Atomprozent (At%) und/oder unter 50 At%, bevorzugt über 10 At% und/oder unter 30 At%, beträgt und/oder dass der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht über 2 At% und/oder unter 40 At%, bevorzugt über 5 At% und/oder unter 20 At%, beträgt und/oder dass der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht über 1 At% und/oder unter 30 At%, bevorzugt über 2 At% und/oder unter 15 At%, beträgt.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der dritten Schicht eine B, C und N (B-C-N) enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht (vierte Schicht) angeordnet ist, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur dritten Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der dritten Schicht so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6.
Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der vierten Schicht eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN-enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht (fünfte Schicht) angeordnet ist, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur fünften Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der fünften Schicht so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6.
Schichtsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der vierten Schicht eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der ersten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht angeordnet ist.
Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der Borcarbid BC enthaltenden, entsprechend einer der ersten Schichten aufgebauten Schicht eine weitere Schichtenfolge angeordnet ist, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine weitere B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht und eine weitere, Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen diesen beiden weiteren Schichten so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an dem Schichtsystem mindestens eine weitere Schichtenfolge angeordnet ist, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der ersten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht, eine B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht und eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, die zweite und/oder die dritte Schicht und/oder eine der anderen genannten Schichten in einer zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht im wesentlichen senkrechten Richtung eine Ausdehnung von über 10 nm und/oder unter 10 μm, insbesondere von über 50 nm und/oder unter 1 μm aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten auf oder an einem Substrat, insbesondere auf oder an einem Si-Substrat, angeordnet ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Hartstoffschichtsystem und/oder auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden metallischen Schichtsystem und/oder auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden keramischen Schichtsystem und/oder auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Mischkeramikschichtsystem, welches eine oxidische und eine metallische Komponente aufweist (Cermetschicht), angeordnet ist oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit mindestens einem der genannten Schichtsysteme (Hartstoffschichtsystem, metallisches Schichtsystem, keramisches Schichtsystem, Mischkeramikschichtsystem) kombiniert ist.
Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffschichtsystem TiN, TiAlN, TiCN, Al₂O₃, CrN, TiBN, TiB₂, Diamant und/oder diamantartigen Kohlenstoff DLC enthält und/oder dass das metallische Schichtsystem Ti und/oder Cr enthält.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf oder an Werkzeug- oder Bauteilsubstraten, insbesondere in Form von Hartmetall-Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermetschichten, Verbundmaterialien, HSS, Stählen beispielsweise für Automobilkomponenten, Gläsern oder Umform- oder Stanzwerkzeugen angeordnet ist.
Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines borhaltigen Schichtsystems, wobei in einem ersten Schritt eine erste, Bor B und Kohlenstoff C enthaltende Schicht abgeschieden wird, in einem zweiten Schritt auf oder an der ersten Schicht eine zweite, B, C und Stickstoff N enthaltende Schicht abgeschieden wird und in einem dritten Schritt auf oder an der zweiten Schicht eine dritte, kubisches Bornitrid c-BN enthaltende Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt eine Borcarbid BC enthaltende Schicht abgeschieden wird, und dass im dritten Schritt eine kubisches Bornitrid c-BN und Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthaltende Schicht abgeschieden wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht einphasig oder mehrphasig ausgebildet wird und/oder dass in der zweiten Schicht eine Phase mit der Zusammensetzung B_xC_yN_z (Borcarbonitrid) abgeschieden wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein borhaltiges Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19 hergestellt wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht so abgeschieden wird, dass der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht im wesentlichen konstant ist bzw. dass die relative Schwankung des Gewichtsanteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht kleiner als 5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 2 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.01 Gew.-% ist und/oder dass dieser Gewichtsanteil zwischen 50 und 95 Gew.-%, insbesondere zwischen 60 und 90 Gew.-% liegt.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Schicht so abgeschieden werden, dass sich ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht so ausbildet, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht variiert und/oder dass sich eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht so ausbildet, dass die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in unterschiedlichem Abstand von dieser Oberfläche der ersten Schicht verläuft.
Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass so abgeschieden wird, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert und/oder dass der Übergangsbereich bzw. der Übergang und/oder die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich im wesentlichen wellenförmig ausgebildet wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht als Gradientenschicht abgeschieden wird, indem der Stickstoffanteil im Sputtergas graduell erhöht wird.
Beschichtungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffanteil von Null auf einen Wert größer als 5% und kleiner als 100% erhöht wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht mit einer Biasspannung von über 0 und/oder unter 1000 V, insbesondere von über 0 und/oder unter 300 V, und/oder mit einer Targetleistung von über 100 und/oder unter 20000 W, insbesondere von über 500 und/oder unter 10000 W, und/oder mit einem Druck von über 0.05 und/oder unter 50 Pa, insbesondere im Bereich von über 0.1 und/oder unter 10 Pa, und/oder mit Argon als Sputtergas abgeschieden wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht mit einem Stickstoffanteil im Sputtergas von über 3% und/oder unter 100%, insbesondere von über 8% und/oder unter 20%, und/oder mit einem negativen Biasspannungswert mit einem Betrag von über 20 V und/oder unter 1000 V, insbesondere von über 100 V und/oder unter 300 V, abgeschieden wird.
Beschichtungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch und nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffanteil graduell so erhöht wird und/oder dass eine Variation der Biasspannung so stattfindet, dass der Übergang bzw. der Über gangsbereich und/oder die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich in einer Richtung senkrecht zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht eine Ausdehnung von über 1 nm, bevorzugt von über 5 nm und/oder unter 1000 nm, besonders bevorzugt von über 20 nm und/oder unter 200 nm aufweist.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht unter ständigem oder sequentiellem Ionenbeschuss und/oder unter ständigem oder sequentiellem Heizen und/oder unter Zugabe von chemischen Komponenten mit einem Anteil von bis zu 25 %, insbesondere von bis zu 10 % zur Sputteratmosphäre aufgewachsen wird.
Beschichtungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen Energien von über 50 und/oder unter 1000 eV, insbesondere von über 100 und/oder unter 500 eV aufweisen und/oder dass Ionendichten von größer 10⁹ pro cm³, insbesondere von größer 10¹⁰ pro cm³ verwendet werden und/oder dass Ionenstromdichten am Substrat von größer 0,1 mA pro cm², insbesondere von größer 1 mA pro cm² verwendet werden und/oder dass die Heiztemperatur über 300 °C und/oder unter 1800 °C, insbesondere über 600 °C und/oder unter 1200 °C liegt und/oder dass die chemischen Komponenten BF₃ oder BCl₃ enthalten.
Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Ionenbeschuss mit Ionen mit Energien von über 1 keV und/oder unter 100 keV, insbesondere von über 1 keV und/oder unter 10 keV erfolgt.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionendichten bzw. Ionenstromdichten mit Hilfe von Magnetfeldern, Ionenquellen und/oder Plasmaquellen und/oder durch Zusatzaktivierung des Plasmas erzeugt werden.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der dritten Schicht eine Bor, Stickstoff und Kohlenstoff (B-C-N) enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht (vierte Schicht) aufgewachsen wird, wobei bevorzugt so aufgewachsen wird, dass sich ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur dritten Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der dritten Schicht so aufbaut, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 24 bis 25.
Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der vierten Schicht eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht (fünfte Schicht) aufgewachsen wird, wobei bevorzugt so aufgewachsen wird, dass sich ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur fünften Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der fünften Schicht so aufbaut, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 24 bis 25.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der vierten Schicht eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der ersten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht aufgewachsen wird.
Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der Borcarbid BC enthaltenden, entsprechend einer der ersten Schichten aufgebauten Schicht eine weitere Schichtenfolge aufgewachsen wird, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine weitere B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht und eine weitere, Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht, wobei bevorzugt so aufgewachsen wird, dass sich ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen diesen beiden weiteren Schichten so aufbaut, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 24 bis 25.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an dem Schichtsystem mindestens eine weitere Schichtenfolge aufgewachsen wird, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der ersten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht, eine B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht und eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten auf oder an einem Substrat, beispielsweise einem Si-Substrat, abgeschieden wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mittels eines PVD- oder PVD-Hybrid-Verfahrens abgeschieden werden.
Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsverfahren mit anderen oberflächentechnischen Verfahren, insbesondere dem Plasmanitrieren, kombiniert wird.
Verwendung eines Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder eines Beschichtungsverfahrens nach einem der Ansprüche 20 bis 42 im Bereich der Bauteil- oder Werkzeugbeschichtung.
Verwendung nach Anspruch 43 im Bereich von Zerspanungs-, Schneid- oder Umformwerkzeugen oder im Bereich von tribologisch hoch beanspruchten mechanischen Kontakten, insbesondere im Bereich von trockenlaufenden Lagern oder Motorkomponenten.