Structure and mechanical properties of sputtered AlBN coatings

Abstract

Vor kurzem wurde postuliert, dass wurtzitisches Bornitrid (w-BN) höhere Härten als Diamant haben könnte. [1] In Kombination mit einer exzellenten Korrosionsresistenz, wäre w-BN ein ideales Material für Beschichtungen im Bereich der Schneidwerkzeuge. Jedoch hat es sich herausgestellt, dass w-BN nur sehr schwer herzustellen ist. Eine Möglichkeit das Wachstum von AlBN in der wurtzitischen Phase zu begünstigen, ist mit Hilfe von Aluminiumnitrid, welches auch in dieser Phase existiert (w-AlN). In dieser Arbeit soll der Einfluss vom Borgehalt auf die w-AlN Kristallstruktur und die daraus resultierende Härte untersucht werden. Polykristalline AlBN Schichten wurden mit Hilfe eines reaktiven Sputterprozesses beschichtet. Dabei wurden einige Kombinationen aus 3- und 2- Targets, aus Bor und Aluminium verwendet. Der Prozess wurde unter Einfluss von Argon und Stickstoff bei verschiedenen Substrattemperaturen durchgeführt. Um den Borgehalt in den Schichten zu variieren, wurden die Stromstärken schrittweise angepasst. Zur Bestimmung von Härte, Mikrostruktur und Zusammensetzung wurden folgende Prüfverfahren verwendet: energiedispersive Röntgenspektroskopie, Röntgenbeugung und Nanoindentierung. Die Ergebnisse der Untersuchungen mittels Röntgenbeugung haben ergeben, dass es nicht möglich war, eine Beschichtung herzustellen, die über 10 at.% Borgehalt hat und die w- AlN Phase besitzt. Bei einem Borgehalt von über 10 at.%, wurden die Schichten amorph und zeigten vereinzelte Reflexionen der hexagonalen Bornitrid (h-BN) Phase. Der höchste Borgehalt wurde mit 46 at.% gemessen. Auch diese Schicht zeigte nur ein amorphes Muster. Da bei Aluminiumnitrid mit Härten um 25 GPa zu rechnen ist, [2] konnte bei Schichten unter 10 at.% Borgehalt, ein Anstieg der Härte auf bis zu 30 GP a beobachtet werden. Beim maximalen Borgehalt von 46 at.% fiel die Härte auf ein minimum von 6 GP a. Es zeigt sich somit eine Abhängigkeit der Härte von der Kristallstrukur , wobei hohe Härtewerte nur bei Schichten mit der w-AlN Phase beobachtet wurden.

Recently wurtzite boron nitride (w-BN) was proposed to exhibit hardness values higher than diamond. [1] In combination with an excellent corrosion resistance, w-BN would be an ideal material for coatings of cutting tools. However, w-BN has proven to be hardly accessible by standard deposition techniques. Therefore, a possibility to access the properties of w-BN may be the growth of AlBN with high boron content, using the assistance of aluminum nitride to promote the growth of the wurtzite structure. Within this study, we investigated the influence of different boron contents on the w-AlN crystal lattice. Main objective was to show the dependency of the hardness on the boron contents in the coatings. Polycrystalline AlBN coatings were grown, using reactive mag- netron sputtering with different combinations of 3- and 2-, boron and aluminum targets. The deposition was performed at various substrate temperatures in an Ar/N atmosphere. Diverse boron contents were achieved by adjusting the current on the targets. To determine hardness, microstructure and the material contents, the coatings were analyzed by nanoindentation, x-ray diffraction (XRD) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). XRD results have shown, that it was not possible to grow a thin film with over ~10 at.% boron content in the w-AlN crystal structure. With higher boron contents, the thin films are mostly amorphous with traces of h-BN reflections. The maximal achieved boron content in the amorphous structure was 46 at.%. With w-AlN having hardnesses around 25 GP a, [2] at boron contents of 0-10 at.%, we see a slight raise in hardness up to 30 GP a. At the maximum boron content of 46 at.%, the hardness drops significantly to a minimum of 6 GP a. Coatings consisting of AlBN have shown, that high hardnesses only occur in the w-AlN crystal structure.