1. Zwischenkolloquium des BMBF Projektes PU2000 IMAUF

„Innovative Methoden zur Auslegung von Umformwerkzeugen

im Fahrzeugbau“, 16.07.2008, Düsseldorf, Stahlinstitut VDEh

Einfluss der Biasspannung auf die mechanischen Eigenschaften metastabiler V-C-Al-N-Schichten hergestellt durch Sputtern
von einem keramischen Komposittarget

S. Ulrich, C. Ziebert

Institut für Materialforschung I, Forschungszentrum Karlsruhe

Mithilfe einer Magnetronsputteranlage von Typ Leybold Z 550 wurden drei Serien von
V-C-Al-N-Schichten von einem keramischen Komposittarget (Mischungsverhältnis VC:AlN = 60 mol-%:40 mol-%) auf Hartmetallsubstraten abgeschieden. Für die drei Serien wurden folgende Werte für die Beschichtungsparameter Sputterleistung P und Gasdruck p verwendet: P = 250 W, p = 1,1 Pa; P = 250 W, p = 0,7 Pa; P = 500 W, p = 1,1 Pa. Der bei diesen Versuchen verwendete Substratteller ermöglichte zusätzlich in einem Beschichtungsprozess sieben Proben mit unterschiedlicher Substratvorspannung und damit Ionenenergie herzustellen. Damit erhielt man Proben, die bis auf die zwischen 0 und
-150 V in 25 V-Schritten variierte Biasspannung unter gleichen Beschichtungsbedingungen erzeugt wurden. Mit Hilfe des Verfahrens der tiefensensitiven Nanoindentierung wurden die mechanischen Eigenschaften Härte und reduzierter E-Modul bestimmt.

Die Auswertung dieser Untersuchungen ergab, dass die Härte sowohl bei hohem Druck als auch bei hoher Sputterleistung mit Zunahme der Substratvorspannung erhöht wird. Diese Erhöhung erfolgt bei hohem Druck von 20 auf 27 GPa und bei hoher Sputterleistung von 30 auf 35 GPa, während die Härte der mit niedrigerem Druck abgeschiedenen Schichten nahezu konstant bei 27 GPa bleibt. Im Vergleich dazu wies der reduzierte E-Modul keinen deutlichen Einfluss von der Substratvorspannung auf und lag bei 475-500 GPa. Des Weiteren ergab sich, dass die Schichten mit der größten Aufwachsrate auch die höchste Härte aufwiesen. Der Vergleich zwischen Serie 1 und Serie 2 zeigte, dass eine Reduzierung des Gasdruckes von 1,1 Pa auf 0,7 Pa bei etwa gleich bleibenden Aufwachsraten von ca. 2 mm/h zu einer Erhöhung der Härte von im Mittel 23 GPa auf 28 GPa führte. Eine Verdopplung der Sputterleistung von 250 W auf 500 W bei niedrigerem Druck bewirkte eine weitere Erhöhung der Härte auf Werte zwischen 30 und 35 GPa und eine Erhöhung der Aufwachsrate auf über 3 mm/h. Dies deutet auf einen linearen Zusammenhang zwischen Sputterleistung, Härte und Aufwachsrate hin. Hinsichtlich des reduzierten E-Moduls konnte dagegen keine vergleichbare Korrelation mit der Aufwachsrate festgestellt werden.