Structure, phase evolution and mechanical properties of HiPIMS, pulsed DC and DC sputtered Ta-N films

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Abstract

Der mikrostrukturelle Schichtaufbau von reaktive abgeschiedenen Tantal-Nitrid Schichten ist in Abhängigkeit von Stickstoffpartialdruck und Betriebsart der metallischen Tantalkathode mit „high power impulse magnetron sputtering“ (HiPIMS), gepulstem Gleichstrom oder Gleichtrom „sputtern“ (pulsed DC, DC) untersucht worden. Die Phasenentwicklung von Ta-N Dünnschichten wurde abhängig von den verwendeten Stickstoffpartialdrücken, pN2, bei konstantem Gesamtdruck, pT, von 0.3 oder 0.6 Pa, für alle Abscheidungstechniken untersucht. Die wesentlichsten kristallinen Phasen, die identifiziert werden konnten, sind α- und β-Ta, orthorhomisches o-Ta4N, hexagonales γ-Ta2N, sowie kubisches δ- und hexagonales ε-TaN. Das minimale Verhältnis von Stickstoff- zu Gesamtdruck, pN2/pT, welches für die Bildung der jeweiligen Nitridphase notwendig ist, nimmt von DC Sputtern zu HiPIMS ab. Dies beruht hauptsächlich auf der wesentlich höheren Teilchen-Reaktivität beim HiPIMS Prozess. Bei einem Stickstoffpartialdruck von 13.4 % des Gesamtdrucks, weisen HiPIMS Schichten einen Stickstoffgehalt von ~38.5 at.% auf, wohingegen Schichten, die mit pulsed DC oder DC Sputtern hergestellt wurden, nur ~26.5 at.% N enthalten. Deshalb besteht der überwiegende Anteil von HiPIMS Dünnschichten aus γ-Ta2N (mit Anteilen von ε-TaN), wobei gepulst DC und DC gesputterte Schichten neben γ-Ta2N auch noch Ta-reiches, orthorhombisches o-Ta4N enthalten. Diese Schichten, mit derartiger Phasenzusammensetzung, weisen die höchsten Härtewerte von allen untersuchten Proben auf (38.2±4.6, 38±2.3 und 40±3.8 GPa). Ein weiterer Anstieg des Stickstoffpartialdrucks führt zur Bildung der Phasen δ- und ε-TaN, welche im Allgemeinen für pN2/pT-Werte über 38.1 % dominieren. Bei noch höheren Verhältnis von Stickstoff- zu Gesamtdruck nimmt der Phasenanteil von ε-TaN auf Kosten der δ-Phase zu, dadurch wird auch eine signifikante Abnahme der Härte bis zu ~20 GPa beobachtet. Zusammenfassend können wir aufgrund unserer Untersuchungsergebnisse festhalten, dass γ-Ta2N dominierte Hartstoffschichten die höchsten Härte- und E-Modul-Werte aufweisen. Folglich ist in Bezug auf mechanische Eigenschaften der pN2/pT Bereich zwischen 13.4 und 38.1 % von großer Bedeutung, da hier die Phasenumwandlung von γ-Ta2N (sowie o-Ta4N) zu δ- und ε-TaN stattfindet. Bei HiPIMS wird diese Phasenumwandlung bereits bei geringeren pN2/pT-Werten erhalten als bei gepulst DC oder DC gesputterten Schichten.

Details

Titel in ÜbersetzungStruktur-, Phasenentwicklung und mechanische Eigenschaften von HiPIMS, gepulst DC und DC gesputterten Ta-N Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung26 Juni 2015
StatusVeröffentlicht - 2015