1. Zwischenkolloquium des BMBF Projektes PU2000 IMAUF

„Innovative Methoden zur Auslegung von Umformwerkzeugen

 im Fahrzeugbau“, 16.07.2008, Düsseldorf, Stahlinstitut VDEh

 

Abscheidung von AlN-Schichten mit Hilfe industrieller Beschichtungsprozesse

 

P. Pesch1, S. Kolozsvari1, C. Ziebert2

 

1Technologiezentrum für Oberflächentechnik Rheinbreitbach GmbH

 

 2Institut für Materialforschung I, Forschungszentrum Karlsruhe

 

 

Am TZO wurde in einer Beschichtungsanlage von Typ CC800/8 der Firma CemeCon mit rotatorischer Substrathalterung als zweiter Schritt zur Aufskalierung der am IMF I entwickelten V-C-Al-N-Schichten ein industrieller Beschichtungsprozess zur reaktiven Abscheidung von Aluminumnitrid (AlN)-Schichten von metallischen Al-Targets erarbeitet. Der entwickelte DC-Prozess erlaubt die Abscheidung von 2 mm dicken AlN-Schichten auf runden Stahlproben (Werkstoffnummer: 1.2379) und auf (100) orientierten Si-Referenzproben in Ar/N2-Atmosphäre bei einer Leistung von 3 kW und einer Substrattemperatur von 400 °C. Für die Optimierung der AlN-Schichten wurden folgende Parametervariationen durchgeführt: Variation der Biasspannung von -80 V bis -200 V in 30 V-Schritten und Variation des Ar/N2-Verhältnisses von 0,12 bis 0,2. Die hergestellten Probenserien wurden mit Mikrohärte­messung; Ball-on-Disk-Tribometer-Messung zur Reibwertbestimmung; Profilometer-Messung sowie Kalottenschliff zur Schichtdicken­bestimmung und Scratchtest zur Bestimmung der kritischen Last des Versagens untersucht.

            Dabei ergaben sich bei höheren N2-Flüssen Schwierigkeiten mit der Prozessstabilität infolge einer Targetvergiftung, die zum Erlöschen des Plasmas aufgrund der deutlich reduzierten elektrischen Leitfähigkeit des Al-Targets und zur automatischen Schutzabschaltung der Anlage aufgrund der dadurch ausgelösten Lichtbogen (Arcs) führt. Dieser Effekt begrenzt die mögliche Variation des N2-Gasflusses. Bei einem Gasfluss von
30 ml/min lief der Prozess zwar stabil, aber es ergaben sich nur Härtewerte unterhalb von 1000 HV0.0005 und Werte für die kritische Last des Versagens unterhalb von 10 N. Dagegen lief der Prozess bei einer Erhöhung auf 40 ml/min nur noch für zwei von sieben Versuchen der Serie stabil. Die bei einer Substratvorspannung von -110 V erreichte Erhöhung der Härte auf 1300 HV0.0005 und der kritischen Last des Versagens auf 21 N zeigt jedoch, dass der Optimierung des Gasflusses eine entscheidende Rolle bei der weiteren Schichtentwicklung zukommt. Eine weitere Optimierungsmöglichkeit wäre der Übergang von einem DC- zu einem HF-Prozess.