Mechanical properties and thermal stability of non-reactively sputtered Ti-Al-N coatings

Abstract

Nicht-reaktives Magnetronsputtern von Titanaluminiumnitrid (Ti-Al-N) wurde trotz einiger Vorteile gegenüber der reaktiven Variante bisher nur wenig untersucht. So tritt beispielsweise der sogenannte "poisoning"-Effekt nicht auf, der den Sputter- und Abscheidungsprozess in manchen Fällen stark beeinträchtigen kann. Diese Arbeit geht daher der Frage nach, welche Auswirkungen das nicht-reaktive Sputtern auf die Eigenschaften von Ti-Al-N-Schichten hat. Zu diesem Zweck wurden drei verschiedene Targets mit den folgenden Zusammensetzungen ausgewählt: Ti0.5Al0.5N (50/50), Ti0.33Al0.67N (33/67) und Ti0.2Al0.8N (20/80). Bei verschiedenen Substrattemperaturen (ohne zusätzliche Heizung, 200 °C, 300 °C, 450 °C und 600 °C) wurde die Abscheidung mit Gleichstrom oder bipolar gepulstem Gleichstrom (50 kHz und 250 kHz) durchgeführt.Es hat sich gezeigt, dass der Gleichstrommodus für die Beschichtung mit dem 50/50-Target vorteilhaft ist. Mit zunehmendem Aluminium-Gehalt im Target sind jedoch die bipolar gepulsten Gleichstromverfahren, insbesondere mit 250 kHz, besser geeignet. Wird eine einphasige Dünnschicht erzeugt, bilden sich eher Säulen aus, als wenn mehrerer Phasen vorliegen. Letzteres führt zu einer feineren Struktur. Die chemische Zusammensetzung der Schichten hängt in erster Linie vom Sputtermodus ab. Sowohl der Gleichstrommodus als auch der bipolar gepulste 50-kHz-Gleichstrommodus ergaben eine Überstöchiometrie von Aluminium im Vergleich zu den Target-Konzentrationen, während die mit dem bipolar gepulsten 250-kHz-Gleichstrommodus hergestellten dünnen Schichten überstöchiometrisch in Titan sind. Stickstoff hingegen ist immer unterstöchiometrisch und der Gehalt hängt stark vom Titan-Gehalt ab, sodass das 50/50-Target beispielsweise zu den höchsten Stickstoff-Konzentrationen führt. In allen Dünnschichten vom 50/50-Target ist die Hauptphase ein kubischer Mischkristall. Dies wurde bei nur einer weiteren Probe vom 33/67-Target beobachtet. Alle anderen Schichten bildeten entweder eine hexagonale Mischkristallphase oder eine hexagonale Hauptphase aus. Das 33/67- und das 20/80-Target führten auch zur Bildung von röntgenamorphen Dünnschichten bei Substrattemperaturen von unter 200 °C. Die höchste Härte (38,21 GPa) konnte in der Probe erreicht werden, die mit dem 50/50-Target unter Verwendung des bipolar gepulsten 50-kHz-Gleichstrommodus bei 600 °C hergestellt wurde. Der höchste Härtewert der 33/67- und 20/80-Targets, die im Allgemeinen ähnliche Werte aufwiesen, beträgt 29,91 GPa. Weiters hat sich ergeben, dass die Härte hauptsächlich von der Kristallstruktur und nicht von der chemischen Zusammensetzung abhängt. Nach Glühexperimenten zeigten einige Schichten mehrfach Risse oder Abplatzungen. Je nachdem, welche Phasen und Kristallstrukturen zu Beginn vorhanden waren, entwickelten sich die Dünnschichten sehr unterschiedlich in Bezug auf die Bildung weiterer Phasen oder Entmischung. Durch die entstandenen Oberflächenschäden ist die Härte sehr stark gesunken, während sie durch die Bildung weiterer Phasen gestiegen ist.

Non-reactive magnetron sputtering of titanium aluminum nitride Ti-Al-N has been little studied despite some advantages over the reactive variant. For example, the so-called "poisoning" effect does not occur, which can sometimes severely hinder the sputtering and deposition process. This thesis addresses the question of the effects of non-reactive sputtering on the properties of Ti-Al-N coatings. For this purpose, three different targets with the following compositions were selected: Ti0.5Al0.5N (50/50), Ti0.33Al0.67N (33/67) and Ti0.2Al0.8N (20/80). At different substrate temperatures (no additional heating, 200 °C, 300 °C, 450 °C and 600 °C), the depositions were performed with direct current or bipolar pulsed direct current (50 kHz and 250 kHz) sputtering.The direct current mode has been shown to be favorable for the depositions of the 50/50 target. However, with increasing aluminum content in the target, the bipolar pulsed direct current modes, especially with 250 kHz, are more suitable. If a single-phase coating is produced, the structure is more columnar than if multiple phases are formed. The latter is characterized by a more globular structure. The chemical composition of the coatings depends primarily on the sputter mode. Both the direct current mode and the 50 kHz bipolar pulsed direct current mode resulted in overstoichiometry of aluminum compared to the target concentrations, while the thin films produced with the 250 kHz bipolar pulsed direct current mode are overstoichiometric in titanium. Nitrogen, on the other hand, is always understoichiometric and its content depends strongly on the titanium content, so that the 50/50 target leads to the highest nitrogen concentrations. In all coatings from the 50/50 target, the main phase is a cubic solid solution. This was observed in only one other sample from the 33/67 target, while all other coatings formed either a pure hexagonal solid solution phase or a hexagonal main phase. The 33/67 and the 20/80 target led also to the formation of X-ray amorphous thin films at substrate temperatures below 200 °C. The highest hardness (38.21 GPa) could be achieved with the sample produced with the 50/50 target using the 50 kHz bipolar pulsed direct current mode at 600 °C. The highest hardness value of the 33/67 and 20/80 targets, which showed similar values in general, is 29.91 GPa. It has also been found that the hardness depends mainly on the crystal structure and not on the chemical composition. After annealing experiments, some coatings cracked multiple times or showed spalling. Depending on which phases and crystal structures were present at the beginning, the coatings developed very differently with regard to the formation of further phases or decomposition. Due to the resulting surface damage, the hardness has dropped very sharply, whereas it shows an increase when further phases have formed.