Phase formation processes in the synthesis of boron nitride thin films
Phasenbildungsprozesse bei der Synthese von dünnen Filmen aus Bornitrid
von Sören Eyhusen
Datum der mündl. Prüfung:2005-10-27
Erschienen:2005-11-02
Betreuer:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Gutachter:PD Dr. Christian Jooß
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Name:eyhusen.pdf
Size:7.05Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
As a diamond-like material, cubic boron nitride (c-BN) exhibits extraordinary mechanical, electrical, chemical, and thermal properties, making it a promising material for corrosion- and wear-resistant coatings for machinery and cutting tools, especially in those cases where the reactivity of diamond makes this unsuitable. Many deposition techniques have been applied to grow c-BN films, but it turned out that ion bombardment is imperative to form the cubic phase. The influence of the ion bombardment is subject of active research, however, a satisfactory explanation of the fundamental mechanisms involved is still lacking.Among the deposition methods applied, mass separated ion beam deposition (MSIBD) is a very attractive approach for the synthesis of c-BN films. In the present work, MSIBD is used to study the formation of c-BN thin films, taking advantage of the simple and well-defined growth conditions of this particular technique. As deposition with this technique is not hindered by resputtering, it is shown that c-BN film growth can be maintained with ion energies in excess of 40 keV. However, the substrate temperature has a major influence on the phase formation, allowing c-BN growth only if a critical, energy-dependent temperature is maintained or exceeded during deposition. After an extensive review of the existing models applied to boron nitride film formation, it is shown that neither model is able to explain the new experimental results. A new model based on temperature-driven diffusion processes of boron and nitrogen interstitial recoils is presented, and its predictions are discussed in light of the experimental findings. Furthermore, the stability of c-BN thin films upon ion bombardment is investigated, indicating that the cubic phase is extremely stable against ion irradiation. However, if the t-BN/c-BN interface is bombarded, a complete transformation of sp3- into sp2-bonded BN can be induced by using comparatively low ion fluences.
Keywords: cubic boron nitride; ion beam deposition; implantation defects; dynamic annealing
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Als ein diamantartiges Material weist kubisches Bornitrid (c-BN) eine Reihe außergewöhnlicher mechanischer, elektrischer, chemischer und thermischer Eigenschaften auf, die es zu einem vielversprechenden Material insbesondere als Beschichtung für Schleif- und Schneidewerkzeuge macht. Viele unterschiedliche Depositionsmethoden wurden angewendet um c-BN-Schichten herzustellen, jedoch hat sich gezeigt, dass Ionenbestrahlung während der Schichtherstellung unabdingbar für die Herstellung der kubischen Phase ist. Der Einfluss des Ionenstrahls auf die Phasenbildung wird daher aktiv untersucht, allerdings sind die fundamentalen Prozesse, die zum c-BN-Wachstum führen, bislang weitestgehend unverstanden.Massenseparierte Ionenstrahldeposition (MSIBD) ist eine sehr attraktive Technik zur Herstellung von kubischen Bornitrid-Schichten. In der vorliegenden Arbeit werden die Vorteile dieser Methode ausgenutzt, um die Phasenbildung bei der Synthese von BN-Schichten systematisch zu untersuchen. Da die Deposition mittels MSIBD nicht durch Resputtering behindert ist, wird gezeigt, dass das Wachstum der kubischen BN-Phase mit Ionenenergien von über 40 keV aufrechterhalten werden kann. Allerdings hat die Substrattemperatur ein großen Einfluss auf die entstehende Phase, wobei c-BN-Wachstum nur möglich ist, wenn die Temperatur einen kritischen, energieabhängigen Wert erreicht oder überschreitet. Nach einem ausführlichen Überblick über die existierenden BN-Wachstumsmodelle wird gezeigt, dass keines dieser Modelle in der Lage ist, die beobachteten experimentellen Ergebnisse zu erklären. Ein neues Modell basierend auf temperaturgetriebenen Diffusionsprozessen von Bor- und Stickstoff-Zwischengitteratomen wird vorgestellt und dessen Vorhersagen im Hinblick auf die experimentellen Beobachtungen diskutiert. Weiterhin wird die Stabilität von dünnen Filmen aus kubischem Bornitrid untersucht, woraus hervorgeht, dass die kubische Phase extrem stabil gegenüber Ionenbeschuss ist. Falls allerdings die t-BN-Zwischenschicht in diesem Prozess bestrahlt wird, ist eine sp3- nach sp2-Umwandlung schon bei vergleichsweise niedrigen Ionendosen möglich.
Schlagwörter: kubisches Bornitrid; Ionenstrahldeposition; Implantationsdefekte; Dynamisches Ausheilen