Phase formation processes in the synthesis of boron nitride thin films

Abstract

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.