DE19521477A1 - Sputtertarget zur Herstellung von Bornitrid-Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff zum Einsatz als Sputtertarget für die Kathodenzerstäubung oder als Verdampfermaterial für Lichtbogenverdampfung zur Herstellung von Bornitrid-(BN)-Schichten. BN wird vor allem als Verschleißschutzschicht mit tribologischen Anwendungen sowie als harte, op­ tisch transparente Schicht eingesetzt.

Zum Herstellen von BN-Schichten über Kathodenzer­ stäubung stehen zwei Verfahren zur Verfügung:

• 1. Hochfrequenzsputtern unter Einsatz von BN-Targets mit einem Prozeßgas, das aus einem Edelgas (üblicherweise Ar) und geringen Bei­ mischungen aus N₂ besteht.
• 2. Reaktivsputtern von Bor-Targets. Wegen der sehr schlechten Leitfähigkeit des Bors kommen auch hier nur Hochfrequenzverfahren in Frage.

Beim Abscheiden der Schichten über Lichtbogenver­ dampfen stellt sich das Problem, daß man ein elek­ trisch leitfähiges Verdampfermaterial benötigt.

Obwohl die unter 1. und 2. genannten Sputterver­ fahren zu brauchbaren BN-Schichten führen, ist die großtechnische Nutzung sehr schwierig, da die er­ reichbaren Sputterraten zu niedrig sind, um eine wirtschaftliche Großflächenbeschichtung zu ermög­ lichen.

Man sucht deshalb nach Target- bzw. Verdampfer­ werkstoffen auf der Basis von B oder BN, die eine ausreichend gute Leitfähigkeit haben, um DC-Magne­ tronsputtern bzw. Lichtbogenverdampfung durchfüh­ ren zu können.

Bekannt sind Versuche, elektrisch gut leitfähige intermetallische Verbindungen des Bors einzu­ setzen. Eine Möglichkeit ist z. B. der Einsatz von LaB₆ oder LaB₁₂.

Alle intermetallischen Verbindungen des Bors mit hohen B-Gehalten besitzen wegen der hohen Stabili­ tät der Boride extrem hohe Schmelztemperaturen (T_s < 2000°C). Dies macht die Herstellung kompak­ ter, hochdichter Sputtertargets bzw. Verdampfer­ werkstoffe aus Metall-Boriden relativ schwierig. Da das Ziel die Herstellung von BN-Schichten ist, ist außerdem auf einen hohen Bor-Gehalt der inter­ metallischen Verbindung zu achten. Andernfalls findet man zu hohe Gehalte des zweiten Elements der intermetallischen Verbindung in der Schicht. Insbesondere, wenn es sich um optische Schichten handelt, kann das zweite Element auch zu einer er­ heblichen Veränderung der optischen Eigenschaften (Absorption, Brechungsindex) führen. Beim Einsatz als reine Verschleißschutzschicht ist vor allem darauf zu achten, daß die mechanischen Eigenschaf­ ten nicht durch das zugegebene Element verschlech­ tert werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ei­ nen Werkstoff zum Einsatz als Sputtertarget oder Verdampfermaterial zur Herstellung von BN-Schich­ ten zu entwickeln, der elektrisch gut leitfähig ist und eine geringe Porosität aufweist. Außerdem ist es eine Zielsetzung, die optischen Eigenschaf­ ten, und hier insbesondere die geringe Absorption der BN-Schichten, weitgehend zu erhalten bzw. me­ chanisch harte und widerstandsfähige Schichten zu erhalten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens 70 at % amorphes oder kristallines Bor mit höchstens 30 at % eines Metalls vermischt und kompaktiert werden, so daß sich ein Gefüge herausbildet, bei dem der Werkstoff von einem ma­ kroskopisch zusammenhängenden Netzwerk elektrisch gut leitfähiger Phasen durchzogen wird. Diese Pha­ sen können dabei sowohl das zugesetzt Element al­ lein oder in einer Verbindung mit Bor enthalten.

Es hat sich weiter gezeigt, daß die Verdichtung bevorzugt dann gut zu erreichen ist, wenn ein Me­ tall zugesetzt wird, das eine hohe Plastizität aufweist oder einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt und damit eine Kompaktierung mit flüssiger Phase ermöglicht. Vorteilhafte Verdichtungsverfahren sind das Heißpressen oder heißisostatisches Pressen. Sofern reaktive Metalle eingesetzt werden, ist die Verdichtung unter Vakuum oder Schutzgas auszufüh­ ren. Je nach Sinteraktivität der eingesetzten Pul­ ver ist auch eine Verdichtung über druckloses oder druckunterstütztes Sintern möglich.

Es sind verschiedene Metallzusätze denkbar. Bevor­ zugt werden jedoch Metalle verwendet, die optisch transparente oder mechanisch stabile, harte Nitri­ de bilden. Geeignete Metalle sind also z. B. Al, Si, Ti, Zr, Cr.

Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß z. B. Mischungen aus B- und Al-Pulvern mit 5-30 at % Al-Gehalt gut verdichtet werden können. Beträgt der Bor-Gehalt weniger als 70 at %, ist der Einfluß des zugesetzten Elements in der Regel so stark, daß die Schichteigenschaften ungünstig beeinflußt werden. Liegt der Gehalt des zugesetz­ ten Elements unter 5 at %, bildet sich in der Re­ gel kein zusammenhängendes Netzwerk mit ausrei­ chend guter Leitfähigkeit aus. Zur Verdichtung wurde heißisostatisches Pressen bei Temperaturen knapp oberhalb oder unterhalb der Liquidustempera­ tur des Al eingesetzt. Die Drücke lagen im Bereich 1000-2000 bar. Die erhaltenen Körper wiesen Poro­ sitäten von weniger als 10% auf und waren wegen der enthaltenen Al- und Al-B-Phasen elektrisch gut leitfähig (ρ < 1 Ωm). Reaktives DC-Magnetron­ sputtern von PK 75 Targets unter N₂-Zugabe erfolgte ohne jegliches Arcing und führte zu transparenten BN-Schichten hoher Härte (ca. 1500 HV für hexago­ nale BN-Schichten). Die Schichten enthielten ent­ sprechend der Targetzusammensetzung auch gewisse AlN Anteile.

Vergleichbare Ergebnisse konnten mit Mischungen aus B und 5-30 at % Ti, 5-30 at % Cr oder 5-30 at % dotiertem Si erzielt werden. Die Kompak­ tierung erfolgte beim Ti wiederum in der Umgebung der Liquidustemperatur. Wegen der geringen Dukti­ lität von Ti im Vergleich zu Al ergaben sich je­ doch höhere Porositäten, wenn die Kompaktie­ rungstemperatur unterhalb der Liquidustemperatur lag. Bei Cr und Si war wegen der höheren Schmelz­ temperaturen die Kompaktierung nur unterhalb der Liquidustemperatur möglich. Bei Temperaturen im Bereich 1100-1400°C und HIP (heiß-isostatisches Pressen) Drücken von 1500-2000 bar ergaben sich dennoch Körper von mindestens 85% der theoreti­ schen Dichte. Die teilweise hohe Sauerstoffaffini­ tät der verwendeten Metalle erfordert dabei in der Regel eine Verdichtung unter Vakuum oder Schutz­ gas.

Claims (4)

1. Werkstoff zum Einsatz als Targetmaterial oder Verdampfermaterial zur Herstellung von BN-Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mindestens 70 at %, maximal 95 at % Bor sowie außerdem mindestens eine weitere Phase enthält, die elektrisch gut leitfähig ist und den Werkstoff in einem makroskopisch zusammenhängenden Netzwerk durchzieht, so daß der spezifische Widerstand kleiner 1 Ωcm ist.

2. Werkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Porenvolumen < 15% ist.

3. Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrisch leit­ fähige Phase überwiegend aus Al, Ti, Cr oder Si (oder deren Mischungen) bzw. den jeweiligen Verbindungen dieser Elemente mit Bor besteht.

4. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Pulvermischung aus Bor und 5-30 at % der entsprechenden Elementanteile über heißisostatisches Pressen oder Vakuum­ heißpressen bei Temperaturen im Bereich von ± 150°C um die Liquidustemperatur der zuge­ setzten Metallkomponente erfolgt.