EP1773734A1 - Borhaltiges schichtsystem, bestehend aus einer borcarbid-, einer b-c-n und einer kohlenstoffmodifizierten kubischen bornitridschicht sowie verfahren zur herstellung eines solchen schichtsystems - Google Patents

Borhaltiges schichtsystem, bestehend aus einer borcarbid-, einer b-c-n und einer kohlenstoffmodifizierten kubischen bornitridschicht sowie verfahren zur herstellung eines solchen schichtsystems

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EP1773734A1
EP1773734A1 EP05757258A EP05757258A EP1773734A1 EP 1773734 A1 EP1773734 A1 EP 1773734A1 EP 05757258 A EP05757258 A EP 05757258A EP 05757258 A EP05757258 A EP 05757258A EP 1773734 A1 EP1773734 A1 EP 1773734A1
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EP
European Patent Office
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layer
layer system
transition
carbon
less
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05757258A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Keunecke
Klaus Bewilogua
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C04B2235/767—Hexagonal symmetry, e.g. beta-Si3N4, beta-Sialon, alpha-SiC or hexa-ferrites

Definitions

  • Boron-containing layer system consisting of a boron carbide, a B-C-N and a carbon-modified cubic boron nitride layer and method for producing such a layer system
  • the present invention relates to a boron-containing layer system which contains at least one boron carbide, a BCN layer which contains boron, carbon and nitrogen and which need not be monophasic, and a carbon-modified cubic boron nitride layer.
  • the boron carbide is also abbreviated by BC
  • the BCN layer by BCN
  • the cubic boron nitride by c-BN Boron-containing layer systems are used in particular for the representation of hard material layers for the reduction of wear, friction, corrosion and for material processing.
  • the cubic boron nitride c-BN due to its extreme hardness (the only through diamond is exceeded) and because of other outstanding properties, such as the high temperature resistance even in air is a promising material for potential applications.
  • c-BN layers can be produced with many PVD and PACVD techniques. Thicker layers are documented here only by a few publications, for example Barth et al., Suf. &
  • Coating systems of boron / boron carbide, boron carbide / cubic boron nitride and boron / boron nitride / boron carbide are described in the patent US 005670252A.
  • the patent WO 96/35820 describes a layer in which cubic boron nitride is dispersed in a boron and / or carbon atrix. In this layer, the cubic fraction increases slowly.
  • the patent US 006054185 A also describes a boron and nitrogen-containing layer system and a corresponding production method.
  • the prior art also discloses a plurality of methods for producing cubic boron nitride individual layers.
  • the object of the present invention is to provide a cubic boron nitride-containing layer system and a corresponding production method in which the intrinsic c-BN nucleation, for example in PVD techniques, accompanies intrinsic see layer stresses are designed so that there is an overall better mechanical properties of the layer system in the form of better layer adhesion.
  • a boron-containing layer system comprises a first layer containing boron and carbon, a second layer containing boron, carbon and nitrogen and a third cubic boron nitride-containing layer thereon and characterized in that the first layer contains boron carbide and the cubic boron nitride phase of the third layer contains carbon as the stabilizing element.
  • the second layer is a mono- or multiphase layer which contains boron, carbon and nitrogen, and which may contain boron carbonitride or other compounds of the composition B x C y N z
  • the relative weight or volume fraction of the c-BN phase in the third layer is substantially constant and is preferably between 50 and 95 weight percent (wt .-%).
  • the relative fluctuation of the inventorsible Volume fraction of the c-BN phase in the third layer is preferably less than 10 wt .-%, particularly preferably less than 5 wt .-%, particularly preferably less than 2 wt .-%, in particular particularly preferably less than 1 wt .-%, particularly preferably less than 0.5 wt .-%, particularly preferably less than 0.1 wt .-%, particularly preferably less than 0.01 wt .-%.
  • the boron-containing layer system has a transition or a transition region from the second to the third layer such that the mean distance of the transition region or the distance of the transition from the surface of the first layer facing the second layer in one direction substantially parallel to this surface of the first layer.
  • Boundary surface or a boundary region so that the boundary surface or the boundary region in a direction substantially parallel to the second layer facing surface of the first layer at a different distance from this surface of the first
  • the layer system according to the invention is advantageously configured such that the average distance of the transition region or the distance of the transition and / or the distance of the boundary surface or the boundary region from the surface of the first layer facing the second layer in the direction substantially parallel to this surface of the first layer varies wavy and / or that the transition region or the transition and / or the Vietnamese vomsky- marriage or the border region is formed substantially wave-shaped.
  • the average distance of the transition region or the distance of the transition and / or the distance of the interface or the boundary region from the second layer facing surface of the first layer by more than 1 nm, more preferably by more than 5 nm and / or below 1000 nm , particularly preferably more than 20 nm and / or less than 200 nm.
  • the second layer is a gradient layer, i. H. the second layer is designed to increase the relative nitrogen content in the direction from the first layer to the third layer.
  • the third layer also contains hexagonal boron nitride h-BN.
  • the carbon content of the first layer is above 5 atomic percent (At%) and / or below 50 At%, preferably above 10 At% and / or below 30 At%.
  • the carbon content of the second layer is advantageously above 2 At% and / or below 40 At%, preferably above 5 At% and / or 20 At%.
  • the carbon content of the third layer is advantageously above 1 At% and / or below 30 At%, more preferably above 2 At% and / or below 15 At%.
  • a B-C-N-containing constructed according to one of the second layers of one of the preceding embodiments
  • Layer wherein preferred a transition or a transition region from the fourth to the third layer and / or an interface or a boundary region between the fourth and the third layer is arranged or designed such as a transition or a transition region from the second to the third layer or as an interface between the second and third layers as it has already been described above.
  • a layer (fifth layer) containing carbon and cubic boron nitride c-BN which has been constructed according to one of the previously described third layers, is arranged on or at the fourth layer, preferably a transition or a transition region from the fourth to the fifth Layer and / or an interface or a boundary region between the fourth and the fifth layer is constructed, arranged or designed as a transition or a transition region from the second to the third layer or as an interface or a boundary between the second and third layer as he or she has already been described in the above embodiments.
  • a layer comprising boron carbide BC and constructed in accordance with one of the first layers already described above is arranged on or on the fourth layer.
  • a further layer sequence may then advantageously be arranged on or at this layer, this layer sequence having in the direction from the first to the third layer: a further BCN-containing layer constructed in accordance with one of the second layers described so far and a further layer.
  • At least one further layer sequence of the following form is arranged on or on the already described layer system: a layer comprising boron carbide BC and constructed according to one of the first layers described so far, containing a BCN according to one of the previously described second layers constructed layer and a carbon and cubic boron nitride c-BN containing, constructed according to one of the previously described third layers layer.
  • the first, the second and / or the third layer and / or one of the other already mentioned layers has an extent of more than 10 nm in an essentially perpendicular direction to the surface of the first layer facing the second layer and / or less than 10 ⁇ m, in particular of more than 50 nm and / or less than 1 ⁇ m.
  • At least one of the previously described layers on or on a substrate in particular arranged on or on a silicon substrate.
  • one of the layer systems described so far is on or on a hard material layer system consisting of at least one layer and / or on or on a metallic layer system consisting of at least one layer and / or on or at least one of at least one layer existing ceramic layer system and / or on or on a at least one layer consisting of mixed ceramic layer system (a layer system comprising an oxidic and a metallic component, cermet) arranged or as an adhesive, intermediate, upper or lower layer with at least one of layer systems mentioned (hard material layer systems, metallic layer system, ceramic layer system, mixed ceramic layer system) combined.
  • the hard material layer system advantageously TiN, TiAlN, TiCN, A1 2 0 3, CrN, TiBN, TiB 2, diamond and / or diamond-like carbon DLC contains.
  • the metallic layer system advantageously contains Ti and / or Cr.
  • one of the layer systems described above on or on tool or component substrates, in particular in the form of carbide indexable inserts, ceramics, cermet layers, composite materials, HSS, steels (for example for automotive components), glasses or U forming or punching tools to arrange.
  • the proposed layer system according to the invention which comprises a boron carbide, a BCN and a carbon-modified cubic boron nitride c-BN-containing layer or consists of a carbon-stabilized c-BN layer, is thus realized by certain deposition conditions a crucial and advantageous role of the carbon in the layer systems.
  • the layer system is produced, for example, in a PVD or PVD hybrid process.
  • the carbon can be distributed or arranged in the layers and modified (hybridization and bonds) in such a way that it has a stabilizing effect on the layer system and each of the individual layers. So ensures the carbon z.
  • the c-BN grain boundaries where normally sp 2 bonds typical of h-BN dominate, through bonds to this BN network for a stable, less sensitive BCN region or for an additional stabilizing carbon phase.
  • the stabilization is based here on a mechanical (the mechanical properties of BCN are better than hexagonal boron nitride h-BN) and a structural component (the ripple or the extent of the transition region to the c-BN).
  • the essential aspect of the present layer systems is therefore a modification of the carbon by varying the coating process so that the carbon has a triple stabilizing role both in the BC layer and in the BCN layer and in particular in the c-BN layer takes over.
  • carbon is thus also contained in the c-BN phase and here has a function stabilizing the layer (ie the c-BN crystallites and the grain boundaries or the borders of the grown c-BN columns) (h BN, which is usually present in the c-BN layer as well is is z. B. mechanically and very sensitive to moisture).
  • the carbon present in all single layers is absolutely necessary as an essential element of stabilization in all layers.
  • the carbon is thus the essential element connecting the individual components of the layer system.
  • the carbon thus also provides structural reinforcement, namely the extended transition region to the c-BN (ripple region).
  • a layer system according to the invention is produced according to the methods described below: First, a boron carbide layer (first layer) which can be deposited in a bias voltage range of about 0 to 300 V is produced. Typical target outputs in the production of the boron carbide layer are about 500 to 10,000 W.
  • the pressure range is approximately in the range of 0.1 to 10 Pa.
  • argon can be used as the sputtering gas.
  • the deposition of a B-C-N gradient layer (second layer) takes place in that the nitrogen content in the sputtering gas is gradually increased. This increase can be completed at a nitrogen content of about 5% to 100% of the sputtering gas. Under the sputtering atmosphere with about 5% to 100% nitrogen content then the c-BN nucleation takes place. Typical nitrogen contents in the sputtering gas are about 8% to 20% for this purpose.
  • the carbon is the stabilizing element in this layer.
  • the carbon content in the first layer is, for example, 10 to 30 at%, that in the second layer is, for example, 5 to 20 at%, and the carbon content in the third layer is 2 to 15, for example At% is.
  • the c-BN content is about 50 to 95% by weight, in particular about 60 to 90% % By weight or 60 to 90% by volume, the remainder of the layer consists of h-BN or BCN (grain boundaries, etc.)).
  • the c-BN content should be as high as possible.
  • a high grain boundary fraction in the volume can not be avoided. Therefore, the typical c-BN Volu enanteile range between the mentioned 60 to 90 wt .-%.
  • the nucleation of the c-BN nuclei takes place abruptly or the said c-BN concentration is reached abruptly, the BCN gradient layer generates a temporal and spatial fluctuation of the nucleation, which leads to an increased ripple of the nucleation zone and thus to an extended range the nucleation leads.
  • Extended does not mean a slow increase in the c-BN content or the c-BN content, so there is no arbitrary distribution of the c-BN in the layer at which the c-BN content or content slowly increases but there is a nucleation, from which a nanocrystalline stem-shaped growth occurs and from which the c-BN content remains constant.
  • the c-BN phase is essential to the invention stabilized by the carbon.
  • the c-BN growth layer can also be deposited under slightly different conditions for nucleation. Typical nega- In this case, for example, positive bias voltage values are 100 to 500 V, particularly preferably 200 V.
  • the growth layer is also referred to as a third layer.
  • the c-BN nucleation and the c-BN growth occur under bombardment of ions with energies in the range of 200 eV.
  • the exact value of the ion energy required for nucleation or growth also depends on the ion current density at the substrate. The general rule here is that with increasing ion current density at the substrate, the ion energy required for the c-BN nucleation or for the c-BN growth decreases.
  • c-BN nucleation and c-BN growth further techniques or process steps for minimizing the layer intrinsic stress can be employed.
  • continuous or sequential ion bombardment with ions in the energy range of about 1000 to 10000 eV for example, permanent or sequential heating to temperatures in the range of about 600 to 1200 ° C, or for example, the addition of chemical components for Sputteratmos- phere, such as BF 3 or BC1 3 in concentrations up to about 10% at the sputtering site.
  • Sputteratmos- phere such as BF 3 or BC1 3
  • precise process control and intensive ion bombardment with defined energy is necessary.
  • Typical values here are ion densities greater than about 10 10 / cm 3 , ion current densities on the substrate of greater than about 1 mA / cm 2 and, as already mentioned, ion energies in the range of about 200 eV.
  • the parameter window is dependent on the generation of the ion density. It is conceivable to generate the necessary high ion density magnetic field as well as additional activations of the plasma or ion and plasma sources.
  • the carbon in the layers is responsible for all major improvements in the layer system. For example, it enables the B-C-N layer in the first place.
  • the gradual increase in the nitrogen content, also referred to as the ramp, in the BCN layer makes it possible, in turn, to extend the range of the c-BN nucleation to a certain layer area and this area through a different duration of this ramp and / or a bias variation to influence. From such a range only follows the ripple or irregularity of the transition to the c-BN, which is essential to the invention.
  • a hard material layer for example made of TiN, TiAlN, Al 2 0 3
  • a corresponding metal layer can be deposited on a layer system or multilayer system executed as described, on this a corresponding hard material layer and on this in turn a corresponding layer system or multilayer system.
  • the layer systems or multilayer systems described can be deposited or bonded in particular to tool and component substrates such as carbide indexable inserts, ceramics, cermets, composite materials, HSS, steels (for example for automotive components), forming tools or glasses become.
  • a layer system according to the invention has a number of significant advantages over the known layer systems:
  • the structural component (waviness of the transition to the c-BN) leads to a larger transition region between the hexagonal BCN layer and the carbon-modified or carbon-containing c-BN layer , As a result, this layer transition can withstand the high intrinsic voltages of the c-BN.
  • the ripple of the transition region to the c-BN or the The enlargement of the transition region thus achieved is the property essential for good adhesion of the layer system, in spite of the high intrinsic stresses in the c-BN layer.
  • Possible applications of the layer systems described are in the field of component and tool coating, for example for tribologically highly stressed mechanical contacts (for example, dry-running bearings or engine components) or, and here in particular, for cutting, cutting and forming tools.
  • c-BN is the second hardest of all known materials after diamond and, in contrast to diamond, is suitable for machining steel.
  • C-BN bulk material has a steadily increasing share as a cutting material in industrial production.
  • the inventions Measurements made according to layers yield comparable properties and thus show enormous potential.
  • this layer system can be combined with other layers or layer systems and surface technology methods, such as plasma nitriding. The layer system is then an integral part of a surface treatment.
  • coating systems of the invention may be combined with conventional hard coating systems (such as titanium aluminum nitride, etc.) or metallic layers (such as titanium, etc.). This can be done as an adhesive, sub, intermediate or top layer or layer system.
  • hard coating systems such as titanium aluminum nitride, etc.
  • metallic layers such as titanium, etc.
  • the tools or components described here may be made of metal, in particular of steel or hard metal, but other materials are also conceivable, such as ceramics or cermets.
  • Boron-containing layer systems according to the invention can be built up or used as shown in the following example.
  • FIG. 1 shows both a conventional boron-containing layer system according to the prior art (FIG. 1a) and a boron-containing layer system according to the invention (FIG. 1b).
  • Fig. 1A shows a conventional boron-containing layer system.
  • a hexagonal boron nitride h-BN-containing layer 4 is applied.
  • a cubic boron nitride c-BN-containing layer 3 is arranged.
  • the junction between the h-BN layer 4 and the c-BN layer 3 (labeled by the reference numeral 3-4) has only a slight ripple or irregularity:
  • the variation of the distance of the interface or the transition region 3-4 of the substrate surface of the substrate bordering on the layer 4 in the direction perpendicular to this substrate surface (ie in direction A) is only about 20 nm.
  • nanocrystaline stem-shaped growth of c-BN occurring after c-BN nucleation is outlined by columns 3a.
  • the layer system has a hardness of about 10 GPa and a modulus of elasticity of ⁇ 100 GPa.
  • FIG. 1B shows a boron-containing layer system according to the invention.
  • a first, B 4 C-containing layer 1 is arranged on the silicon substrate 5.
  • a second layer, a BCN layer 2 is arranged on this first BC-containing layer 1, a second layer, a BCN layer 2, is arranged on this first BC-containing layer 1, a second layer, a BCN layer 2, is arranged.
  • This BCN layer 2 contains boron, carbon and nitrogen and in the present case is single-phase. However, it can also contain several phases.
  • the BC layer 2 may contain a phase of the composition B x C y N z or boron carbonitride.
  • the BCN layer is a gradient layer in which the N content increases in the direction A.
  • a third, carbon-modified or c-BN-containing layer 3 is arranged on this second layer 2.
  • the carbon content of the first layer 1 is 20 at%, the carbon content of the second layer 2 is 15%, and the carbon content of the third layer 3 is 8 at%.
  • the thickness of the B 4 C layer 1 is in the direction perpendicular to the substrate surface (ie in the direction A) 100 nm.
  • the transition region between the second layer 2 and the Carbon and c-BN-containing layer 3 has a large waviness (the interface between the layers 2 and 3 is indicated by the reference numeral 2-3).
  • the extent of the ripple region 2-3 or the boundary region between the layers 2 and 3 is up to 200 nm in the direction A.
  • the distance between the interface 2-3 and the surface of the substrate 5 facing it thus varies in the direction A up to 200 nm.
  • the nanocrystalline stem-shaped growth of the c-BN nuclei is outlined by the columns 3a.
  • the c-BN content of the third layer 3 is about 70 to 80%, the remainder is hexagonal boron nitride h-BN.
  • the h-BN attempts to avoid the pressure induced by strong ion bombardment, and due to various mechanical constants of the crystal directions, a preferred orientation of the hexagonal planes (normal perpendicular to the surface normal) and associated stem growth occurs. These stems set the structure for further growth.
  • the BCN gradient layer 2 is largely also h-BN-structured and thus stengeiförmig. Therefore, the c-BN nucleation and the further growth also occur in this structure given by the stems. In the layer system according to the invention, this c-BN nucleation and the Continuing to grow, however, laterally at different times and thus in the layer cross section or perpendicular to the interface between the first layer 1 and the BCN gradient layer 2 in an extended region (waviness).
  • the nucleation of the c-BN nuclei takes place abruptly, the BCN gradient layer 2 produces a temporal and spatial variation of the nucleation, which leads to the illustrated increased waviness of the nucleation zone and thus to an extended range of nucleation.
  • a broad expansion does not mean a slow but uniform increase in the c-BN component in the direction of arrow A, but nucleation takes place at different distances from the surface of the silicon substrate, from which the c-BN content in direction A then remains constant.
  • the c-BN is thus not distributed arbitrarily, but it appears from the nucleation, the nanocrystalline stem-shaped growth shown.
  • the transition from the layer 2 to the carbon-stabilized c-BN phase 3 thus proceeds wave-shaped, ie at different distances from the substrate surface of the substrate 5, whereby the large differences in the mechanical compressive stresses occurring during the transition over a layer thickness range of several tens nm extend up to 200 nm.
  • the distance between two adjacent "wave peaks” or “wave troughs” in the direction parallel to the interface between the first layer 1 and the BCN layer 2 in the present case has the same size order as the extension of the transition region or the "amplitude height" (this is mechanically advantageous, in particular if the waviness is essentially sinusoidal or the maximum gradient of the boundary surface between the layer 2 and the layer 3 corresponds to approximately 45 °.)
  • the extension of a wave train of the ripple region in the lateral direction is therefore in the same order of magnitude as the extent of the transition region (here: about 50 to 200 nm). Due to the nanocrystalline structure of the c-BN sets in the preparation of the illustrated layer system a
  • Germination at different times, d. H. at different distances A to the substrate surface or at different nitrogen concentrations then, if locally the conditions for a c-BN nucleation are met (BN stoichiometry and momentum). These germs then continue to grow in height (direction A) (stencil-shaped growth). This may possibly lead to a limited association with growth with neighboring germs or neighboring stalks. Island growth or coalescence of islands also known in other layer systems, also in the lateral direction (perpendicular to A), is to be expected only to a very limited extent due to the kinetic inhibition of c-BN growth.
  • the illustrated layer system has a hardness of about 25 to 30 GPa and a modulus of elasticity of about 250 to 300 GPa.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein borhaltiges Schichtsystem, welches eine Borcarbid­schicht, eine Bor, Kohlenstoff und Stickstoff (B-C-N) enthaltende Schicht und eine kohlenstoffmodifizierte kubische Bornitridschicht in der genannten Reihenfol­ge enthält. Im erfindungsgemäßen Schichtsystem über­nimmt der Kohlenstoff eine dreifach stabilisierende Rolle sowohl in der Borcarbidschicht und der B-C-N-­Schicht, als auch in der kubischen Bornitridschicht. Der in der kubischen Bornitrid-Phase enthaltene Koh­lenstoff hat insbesondere eine die Struktur stabilisierende Funktion. Der Kohlenstoff ist das wesentli­che und das Schichtsystem verbindende Element.

Description

Borhaltiges Schichtsystem, bestehend aus einer Borcarbid-, einer B-C-N und einer kohlenstoffmodifizierten kubischen Bornitridschicht sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtsystems
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein borhaltiges Schichtsystem, welches mindestens eine Borcarbid-, eine B-C-N-Schicht, die Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält und nicht einphasig sein muss, und eine kohlenstoffmodifizierte kubische Bornitrid- Schicht enthält. Das Borcarbid wird im folgenden auch durch BC abgekürzt, die B-C-N-Schicht durch B-C-N, sowie das kubische Bornitrid durch c-BN. Borhaltige Schichtsysteme werden insbesondere zur Darstellung von Hartstoffschichten zur Reduktion von Verschleiß, Reibung, Korrosion und zur Materialbearbeitung eingesetzt. Hierbei stellt das kubische Bornitrid c-BN aufgrund seiner extremen Härte (die nur durch Diamant übertroffen wird) sowie aufgrund weiterer herausragender Eigenschaften, wie beispielsweise der hohen Temperaturbeständigkeit auch an Luft ein vielversprechendes Material für potentielle Anwendungen dar.
Borhaltige Schichtsysteme sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So sind c-BN-Schichten mit vielen PVD- und PACVD-Techniken herstellbar. Dickere Schichten sind hierbei nur durch wenige Veröffentli- chungen belegt, beispielsweise Barth et al., Suf. &
Coat. Technol. 92 (1997) 96-103 und oft nur bei höheren Temperaturen und bei geringer Rate (beispielsweise Litvinov et al . , Appl. Phys . Let., 74 (1999) 7; Mirkarimri et al., Journal of Applied Physics 82 (4) 1997 p. 1617/ Matsumota et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 39 (2000) pp L422-444) .
Schichtsysteme aus Bor/Borcarbid, Borcarbid/kubisches Bornitrid und Bor/Bornitrid/Borcarbid werden in der Patentschrift US 005670252 A behandelt. Die Patentschrift WO 96/35820 beschreibt eine Schicht, in der kubisches Bornitrid in einer Bor- und/oder Kohlen- stoff atrix dispergiert ist. In dieser Schicht nimmt der kubische Anteil langsam zu. Auch die Patent- schrift US 006054185 A beschreibt ein Bor und Stickstoff enthaltendes Schichtsystem sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Aus dem Stand der Technik ist auch eine Mehrzahl von Verfahren zur Herstellung von Einzelschichten aus kubischen Bornitrid bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kubisches Bornitrid enthaltendes Schichtsystem sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, in welchem die eine c-BN-Nukleation, beispielsweise bei PVD-Techniken, begleitenden intrinsi- sehen Schichtspannungen so ausgestaltet sind, dass es insgesamt zu besseren mechanischen Eigenschaften des Schichtsystems in Form von besserer Schichthaftung kommt .
Diese Aufgabe wird durch ein borhaltiges Schichtsystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein entsprechendes Beschichtungsverfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Schichtsystems sowie des Beschichtungs- verfahrens und Verwendungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem weist eine erste, Bor und Kohlenstoff enthaltende Schicht, darauf angeordnet eine zweite, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthaltende Schicht und darauf angeordnet eine Dritte, kubisches Bornitrid enthaltende Schicht auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Schicht Borcarbid enthält und dass die kubische Bornitridphase der dritten Schicht Kohlenstoff als stabilisierendes Element enthält. Die zweite Schicht ist eine ein- oder mehrphasige Schicht, die Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält, und welche Borcarbo- nitrid oder andere Verbindungen der Zusammensetzung BxCyNz enthalten kann
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der relative Gewichts- bzw. Volumenanteil der c-BN- Phase in der dritten Schicht im wesentlichen konstant und liegt bevorzugt zwischen 50 und 95 Gewichtsprozent (Gew.-%) . Die relative Schwankung des Gewichtsbzw. Volumenanteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht beträgt hierbei bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, insbe- sondere bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.1 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.01 Gew.-%.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist das borhaltige Schichtsystem einen Übergang bzw. einen Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht so auf, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht variiert. In dieser Ausgestaltungsform besteht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht eine
Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich so, dass die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in unterschied- lichem Abstand von dieser Oberfläche der ersten
Schicht verläuft. Somit variiert der genannte Abstand des
Übergangs bzw. des Übergangsbereiches bzw. der genannte Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs in Richtung senkrecht zur Schichtebene. Vorteilhafterweise ist hierbei das erfindungsgemäße Schichtsystem so ausgestaltet, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenz- bereichs von der der zweiten Schicht zugewandten 0- berfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert und/oder dass der Übergangsbereich bzw. der Übergang und/oder die Grenzflä- ehe bzw. der Grenzbereich im wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist. Hierbei variiert vorteilhafter- weise der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht um über 1 nm, besonders bevorzugt um über 5 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere bevorzugt um über 20 nm und/oder unter 200 nm.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die zweite Schicht eine Gradientenschicht, d. h. die zweite Schicht ist so ausgeführt, dass in ihr der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Variante enthält die dritte Schicht auch hexagonales Bornitrid h-BN.
In einer weiteren Ausgestaltungsform beträgt der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht über 5 Atomprozent (At%) und/oder unter 50 At%, bevorzugt über 10 At% und/oder unter 30 At%. Der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht beträgt vorteilhafterweise über 2 At% und/oder unter 40 At%, bevorzugt über 5 At% und/oder 20 At%. Der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht beträgt vorteilhafterweise über 1 At% und/oder unter 30 At%, insbesondere bevorzugt über 2 At% und/oder unter 15 At%.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist auf oder an der dritten Schicht eines erfindungsgemäßen Schichtsystems eine B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ausgestaltungsformen aufgebaute
Schicht (vierte Schicht) angeordnet, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur dritten Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der dritten Schicht so aufgebaut angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht wie er bzw. sie bereits vorstehend beschrieben wurde.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist auf oder an der vierten Schicht eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht (fünfte Schicht) angeordnet, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur fünften Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der fünften Schicht so aufge- baut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht wie er bzw. sie bereits in den vorstehenden Gestal- tungsformen beschrieben wurde.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist auf oder an der vierten Schicht eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der bisher bereits beschriebenen ersten Schichten aufgebaute Schicht angeordnet. Auf oder an dieser Schicht kann dann vorteilhafterweise eine weitere Schichtenfolge angeordnet sein, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine weitere B-C-N enthal- tende, entsprechend einer der bisher beschriebenen zweiten Schichten aufgebaute Schicht und eine weite- re, Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Ubergangsbereich und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen diesen beiden weiteren Schichten so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbe- reich zwischen der zweiten und dritten Schicht, wie er bzw. sie bereits beschrieben wurden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist auf oder an dem bereits beschriebenen Schichtsystem mindestens eine weitere Schichtenfolge der folgenden Form (in Richtung von der ersten zur dritten Schicht) angeordnet: eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen ersten Schichten aufgebaute Schicht, eine B-C-N enthaltende entspre- chend einer der bisher beschriebenen zweiten Schichten aufgebaute Schicht und eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht.
In einer weiteren vorteilhaften Variante weist die erste, die zweite und/oder die dritte Schicht und/oder eine der anderen bereits genannten Schichten in einer zu der der zweiten Schicht zugewandten Ober- fläche der ersten Schicht im wesentlichen senkrechten Richtung eine Ausdehnung von über 10 nm und/oder unter 10 μm, insbesondere von über 50 nm und/oder unter 1 μm auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der bisher beschriebenen Schichten auf oder an einem Substrat, insbesondere auf oder an einem Siliziumsubstrat angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eines der bisher beschriebenen Schichtsysteme auf o- der an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Hartstoffschichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden metallischen Schichtsystem und/oder auf oder an einem aus indes- tens einer Schicht bestehenden keramischen Schichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Mischkeramikschichtsystem (ein Schichtsystem, welches eine oxidische und eine metallische Komponente aufweist, Cermetschicht) ange- ordnet oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit mindestens einem der genannten Schichtsysteme (Hartstoffschichtsysteme, metallisches Schichtsystem, keramisches Schichtsystem, Mischkeramikschichtsystem) kombiniert. Dabei enthält das Hart- stoffschichtsystem vorteilhafterweise TiN, TiAlN, TiCN, A1203, CrN, TiBN, TiB2, Diamant und/oder diamantartigen Kohlenstoff DLC. Das metallische Schichtsystem enthält hierbei vorteilhafterweise Ti und/oder Cr.
Insbesondere ist es vorteilhaft, eines der vorstehend beschriebenen Schichtsysteme auf oder an Werkzeugoder Bauteilsubstraten, insbesondere in Form von Hartmetall-Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermet- schichten, Verbundmaterialien, HSS, Stählen (beispielsweise für Automobil-Komponenten) , Gläsern oder U form- oder Stanzwerkzeugen anzuordnen.
Das vorgestellte erfindungsgemäße Schichtsystem, wel- ches aus einer Borcarbid-, einer B-C-N und einer koh- lenstoffmodifiziertes kubisches Bornitrid c-BN enthaltenden Schicht bzw. aus einer kohlenstoff- stabilisierten c-BN Schicht besteht, ist somit durch bestimmte Abscheidebedingungen eine entscheidende und vorteilhafte Rolle des Kohlenstoffs in den Schicht- Systemen realisiert. Das Schichtsystem wird beispielsweise in einem PVD- oder PVD-Hybrid-Prozess hergestellt. Durch spezielle Depositionsbedingungen bzw. durch eine entsprechende Abfolge von Depositionsbedingungen lässt sich der Kohlenstoff so in den Schichten verteilen bzw. anordnen und modifizieren (Hybridisierung und Bindungen) , dass er eine stabilisierende Wirkung auf das Schichtsystem und jede der Einzelschichten hat. So sorgt der Kohlenstoff z. B. an den c-BN-Korngrenzen, in denen normalerweise für h-BN-typische sp2-Bindungen dominieren, durch Bindungen zu diesem BN-Netzwerk für einen stabilen, unempfindlicheren B-C-N-Bereich bzw. für eine zusätzliche stabilisierende Kohlenstoff-Phase .
Die Stabilisierung basiert hier auf einer mechanischen (die mechanischen Eigenschaften von B-C-N sind besser als von hexagonalem Bornitrid h-BN) und einer strukturellen Komponente (der Welligkeit bzw. der Ausdehnung des Übergangsbereichs zum c-BN) . Der we- sentliche Aspekt der vorliegenden SchichtSysteme ist also eine Modifikation des Kohlenstoffs durch Variation des Beschichtungsprozesses so, dass der Kohlenstoff eine dreifach stabilisierende Rolle sowohl in der BC-Schicht als auch in der B-C-N-Schicht als auch insbesondere in der c-BN-Schicht übernimmt. Im Gegensatz zu bekannten Schichtsystemen ist Kohlenstoff somit auch in der c-BN-Phase enthalten und hat hier eine die Schicht (d. h. die c-BN Kristallite und die Korngrenzen bzw. die Grenzen der aufgewachsenen c-BN- Säulen) stabilisierende Funktion (h-BN, welches in der Regel in der c-BN-Schicht ebenfalls vorhanden ist, ist z. B. mechanisch und gegen Feuchtigkeit sehr empfindlich) . Der in allen Einzelschichten vorkommende Kohlenstoff ist als wesentliches Element der Stabilisierung in all den Schichten absolut notwendig. Der Kohlenstoff ist somit das wesentliche, die einzelnen Bestandteile des Schichtsystems verbindende Element. Neben der mechanischen Verstärkung des Schichtsystems sorgt der Kohlenstoff somit auch für eine strukturelle Verstärkung, nämlich den ausgedehn- ten Übergangsbereich zum c-BN (Welligkeitsbereich) .
Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem wird hierbei gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt: Zunächst wird eine Borcarbidschicht (erste Schicht) , die in einem Biasspannungsbereich von etwa 0 bis 300 V abgeschieden werden kann, hergestellt. Typische Targetleistungen bei der Herstellung der Borcarbidschicht sind etwa 500 bis 10000 W. Der Druckbereich liegt etwa im Bereich von 0,1 bis 10 Pa. Als Sputtergas kann beispielsweise Argon verwendet werden. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer B-C-N-Gradientenschicht (zweite Schicht) dadurch, dass graduell der Stickstoffanteil im Sputtergas erhöht wird. Diese Erhöhung kann bei einem Stickstoff- gehalt von etwa 5 % bis 100 % am Sputtergas abgeschlossen sein. Unter der Sputteratmosphäre mit etwa 5 % bis 100 % Stickstoffanteil erfolgt dann die c-BN- Nukleation. Typische Stickstoffanteile im Sputtergas sind hierfür etwa 8 % bis 20 % . Der Kohlenstoff ist das stabilisierende Element in dieser Schicht.
Es wird so abgeschieden, dass der Kohlenstoffanteil in der ersten Schicht beispielsweise 10 bis 30 At% beträgt, dass derjenige in der zweiten Schicht bei- spielsweise 5 bis 20 At% beträgt und der Kohlenstoffgehalt in der dritten Schicht beispielsweise 2 bis 15 At% beträgt.
Nach der Nukleation bzw. der Bildung der c-BN-Keime wachsen diese Keime bei weiterer Sputterabscheidung und es kommt schließlich zur Ausbildung einer c-BN enthaltenden Schicht (der Wachstumsschicht) . Ab dem Zeitpunkt der Nukleation kommt es also zum Aufwachsen einer Schicht mit sehr hohen Anteilen der c-BN-Phase (der c-BN-Gehalt liegt bei ca. 50 bis 95 Gew.-%, ins- besondere bei ca. 60 bis 90 Gewichts-% oder 60 bis 90 Volumenprozent, der Rest der Schicht besteht aus h-BN bzw. B-C-N (Korngrenzen etc.)). Grundsätzlich sollte der c-BN-Gehalt möglichst hoch sein. Allerdings lässt sich aufgrund des nanokristallinen Aufbaus der c-BN- Schicht ein hoher Korngrenzenanteil am Volumen nicht vermeiden. Daher liegen die typischen c-BN- Volu enanteile im Bereich zwischen den genannten 60 bis 90 Gew.-%.
Die Nukleation der c-BN-Keime findet sprunghaft statt bzw. die genannte c-BN-Konzentration wird sprunghaft erreicht, die B-C-N-Gradientenschicht erzeugt eine zeitliche und örtliche Schwankung der Nukleation, was zu einer erhöhten Welligkeit der Nukleationszone und somit zu einem ausgedehnten Bereich der Nukleation führt. Ausgedehnt meint hierbei keine langsame Zunahme des c-BN-Anteils bzw. des c-BN-Gehaltes, es liegt also keine willkürliche Verteilung des c-BN in der Schicht vor, bei der der c-BN-Gehalt bzw. -Anteil langsam zunimmt, sondern es erfolgt eine Nukleation, ab der ein nanokristallines-stengelförmiges Wachstum auftritt und ab der der c-BN-Gehalt konstant bleibt. Die c-BN-Phase ist hierbei erfindungswesentlich stabilisiert durch den Kohlenstoff. Die c-BN-Wachstums- Schicht kann auch unter leicht geänderten Bedingungen zu der Nukleation abgeschieden werden. Typische nega- tive Biasspannungswerte sind hierbei beispielsweise 100 bis 500 V, besonders bevorzugt 200 V. Die Wachstumsschicht ist auch als dritte Schicht bezeichnet. Die c-BN-Nukleation und das c-BN-Wachstum erfolgt unter Beschuss von Ionen mit Energien im Bereich von 200 eV. Der genaue Wert der Ionenenergie der zur Keimbildung bzw. zum Wachstum benötigt wird, hängt hierbei auch von der Ionenstromdichte am Substrat ab. Die allgemeine Regel ist hierbei, dass mit zunehmender Ionenstromdichte am Substrat die für die c-BN- Nukleation bzw. die für das c-BN-Wachstum notwendige Ionenenergie abnimmt.
Im Prozess der c-BN-Nukleation und des c-BN-Wachstums können weitere Techniken oder Verfahrensschritte zur Minimierung der schichtintrinsischen Spannung angewendet werden. Beispielsweise ständiger oder sequentieller lonenbeschuss mit Ionen im Energiebereich von etwa 1000 bis 10000 eV, beispielsweise ständiges oder sequentielles Heizen auf Temperaturen im Bereich von etwa 600 bis 1200° C, oder auch beispielsweise die Zugabe von chemischen Komponenten zur Sputteratmos- phäre, wie z.B. BF3 oder BC13 in Konzentrationen bis etwa 10 % an der Sputterat osphäre. Für die Nukleation bzw. das Wachstum von c-BN und die zusätzliche Verteilung des Kohlenstoffs als stabilisierendes Element (Welligkeitsbereich) ist eine genaue Prozesssteuerung und ein intensives Ionenbombardement mit definierter Energie notwendig. Typische Werte hierbei sind Ionendichten größer etwa 1010/cm3, Ionenstrom- dichten am Substrat von größer etwa 1 mA/cm2 und wie bereits erwähnt, Ionenenergien im Bereich von etwa 200 eV. Das Parameterfenster ist hierbei abhängig von der Erzeugung der Ionendichte. Denkbar sind zur Erzeugung der notwendigen hohen Ionendichten Magnetfei- der sowie Zusatzaktivierungen des Plasmas oder Ionen- und Plasmaquellen.
Der Kohlenstoff in den Schichten ist für alle wesent- liehe Verbesserungen des Schichtsystems verantwortlich. Er ermöglicht beispielsweise überhaupt erst die B-C-N-Schicht. Die graduelle Erhöhung des Stickstoffanteils, auch als Rampe bezeichnet, in der B-C-N- Schicht ermöglicht es wiederum, durch eine unter- schiedliche zeitliche Dauer dieser Rampe und/oder eine Biasvariation den Bereich der c-BN-Nukleation in einen gewissen Schichtbereich auszudehnen und diesen Bereich zu beeinflussen. Aus einem solchen Bereich folgt erst die Welligkeit bzw. die Unregelmäßigkeit des Übergangs zum c-BN, der erfindungswesentlich ist.
Für einen Mehrlagenaufbau können beispielsweise dann optional die folgenden weiteren Prozessschritte durchgeführt werden:
• Langsames Unterbrechen des c-BN-Wachstums durch eine Reduktion des Stickstoffanteils in der Sputteratmosphäre (umgekehrte Vorgang zur Nukleation) . Es wird also quasi eine umgekehrte Nukleationsschicht abgeschieden, die dann wiederum in eine B-C-N-Schicht, wie sie bereits beschrieben wurde, führt. • Der Stickstoffanteil im Sputtergas kann dann wieder erhöht werden, um eine erneute c-BN- Nukleation zu erzielen, oder der Stickstoffanteil kann weiter reduziert werden, bis schließlich wieder eine BC-Schicht abgeschieden wird. Auf dieser BC-Schicht kann dann wiederum eine B- C-N-Schicht und/oder ein Schichtsystem wie be- reits beschrieben abgeschieden werden (Mehrla- genschichtsystem) . • Das beschriebene Schichtsystem oder Mehrlagen- schichtsystem kann dann mit metall-, hartstoff- und/oder tribologischen Schichten in allen Kombinationen und Permutationen kombiniert werden. So kann auf einer Metallschicht (beispielsweise aus Ti oder Cr) eine Hartstoffschicht (beispielsweise aus TiN, TiAlN, Al203) folgen, auf der dann wiederum ein beschriebenes Schichtsystem bzw. Mehrlagenschichtsystem abgeschieden wird. In einer weiteren Variante kann auf einem wie beschrieben ausgeführten Schichtsystem oder Mehrlagenschichtsystem eine entsprechende Metallschicht abgeschieden werden, auf dieser eine entsprechende Hartstoffschicht und auf dieser wiederum ein entsprechendes Schichtsystem bzw. Mehrlagenschichtsystem. Die beschriebenen Schichtsysteme bzw. Mehrlagenschichtsysteme können insbesondere auf Werkzeug- und Bauteilsubstraten wie beispielsweise Hartmetall- Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermets, Verbundmaterialien, HSS, Stählen (z. B. für Automobilkomponenten) , Umform- bzw. Stanzwerkzeugen oder Gläsern abgeschieden werden oder mit diesen verbunden werden.
Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem weist gegenüber den bekannten Schichtsystemen eine Reihe wesentlicher Vorteile auf: • Die strukturelle Komponente (Welligkeit des Übergangs zum c-BN) führt zu einem größeren Übergangsbereich zwischen der hexagonalen B-C-N- Schicht und der kohlenstoffmodifizierten bzw. Kohlenstoff enthaltenden c-BN-Schicht. Hierdurch kann dieser Schichtübergang den hohen intrinsi- sehen Spannungen des c-BN widerstehen. Die Welligkeit des Ubergangsbereichs zum c-BN bzw. die dadurch erzielte Vergrößerung des Übergangsbereiches ist die für eine gute Haftung des Schichtsystems trotz der hohen intrinsischen Spannungen in der c-BN-Schicht wesentliche Ei- genschaft. Dadurch treten die Spannungen innerhalb der Schicht, die eine c-BN-Nukleation bei PVD-Techniken begleiten, nicht in einem kleinen Bereich auf, sondern können auf einen größeren Schichtbereich ausgedehnt werden (raues Inter- face) und so besser durch die Schicht kompensiert werden. Durch die beschriebene Modifikation von Kohlenstoff in den c-BN-Schichten ist somit überraschenderweise eine verbesserte Haftung von Borcarbid auf c-BN zu erzielen, so dass Mehrlagenschichten (Komponenten BC, B-C-N und c- BN) erst dadurch haftfest abgeschieden werden können. • Im Vergleich zu einer kohlenstofffreien h-BN- Schicht (wie sie sonst zur c-BN-Nukleation not- wendig ist) weist die verwendete B-C-N-Schicht viel bessere mechanische Eigenschaften auf. • Die Schichtsysteme weisen eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit bei guten tribologischen Eigenschaften auf.
Mögliche Anwendungen der beschriebenen Schichtsysteme liegen im Bereich der Bauteil- und Werkzeugbeschich- tung, beispielsweise für tribologisch hoch beanspruchte mechanische Kontakte (so z.B. trockenlaufen- de Lager oder Motorkomponenten) oder, und hier insbesondere, für Zerspanungs-, Schneid- und Umformwerk- zeuge. c-BN ist nach Diamant das zweithärteste aller bekannten Materialien und eignet sich im Gegensatz zu Diamant zur Stahlbearbeitung. Bulk-Material aus c-BN hat einen stetig wachsenden Anteil als Schneidstoff in der industriellen Produktion. Die an erfindungsge- mäßen Schichten vorgenommenen Messungen ergeben vergleichbare Eigenschaften und zeigen somit ein enormes Potential. Bei Werkzeugen zur Zerspanung aber auch bei den anderen Anwendungen kann dieses Schichtsystem mit anderen Schichten bzw. Schichtsystemen und oberflächentechnischen Verfahren, wie z.B. der Plasma- nitrierung, kombiniert werden. Das Schichtsystem ist dann integraler Bestandteil einer oberflächentechnischen Behandlung. Beispielsweise können bei Werkzeu- gen erfindungsgemäße Schichtsysteme mit herkömmlichen Hartstoffschichtsystemen (wie beispielsweise Titanaluminiumnitrid usw.) oder metallischen Schichten (wie beispielsweise Titan usw.) kombiniert werden. Dies kann als Haft-, Unter-, Zwischen- oder Ober- Schicht bzw. Schichtsystem erfolgen. Die beschriebenen Werkzeuge oder Bauteile können hierbei aus Metall, insbesondere auch aus Stahl oder Hartmetall sein, es sind jedoch auch andere Stoffe denkbar wie Keramiken oder Cermets.
Erfindungsgemäße borhaltige Schichtsysteme können wie in dem nachfolgenden Beispiel dargestellt, aufgebaut sein oder verwendet werden.
Die einzige Fig. 1 zeigt sowohl ein herkömmliches borhaltiges Schichtsystem nach dem Stand der Technik (Fig. la) als auch ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem (Fig. lb) .
Fig. 1A zeigt ein herkömmliches borhaltiges Schichtsystem. Auf einem Siliziumsubstrat 5 ist eine hexago- nales Bornitrid h-BN-enthaltende Schicht 4 aufgebracht. Auf dieser h-BN-Schicht ist eine kubisches Bornitrid c-BN-enthaltende Schicht 3 angeordnet. Der Übergang bzw. die Grenzfläche zwischen der h-BN- Schicht 4 und der c-BN-Schicht 3 (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 3-4) weist lediglich eine geringfügige Welligkeit bzw. Unregelmäßigkeit auf: Die Variation des Abstandes der Grenzfläche bzw. des Übergangsbereiches 3-4 von der an die Schicht 4 gren- zende Substratoberfläche des Substrats in Richtung senkrecht zu dieser Substratoberfläche (also in Richtung A) beträgt lediglich etwa 20 nm.
Das ab der c-BN-Nukleation auftretende nanokristal- lin-stengelförmige Wachstum des c-BN ist durch die Säulen 3a skizziert.
Das Schichtsystem weist eine Härte von etwa 10 GPa auf und ein Elastizitätsmodul von < 100 GPa.
In Fig. 1B ist ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem dargestellt. Auf dem Siliziumsubstrat 5 ist eine erste, B4C-enthaltende Schicht 1 angeordnet. Auf dieser ersten, BC-enthaltenden Schicht 1 ist ei- ne zweite Schicht, eine B-C-N-Schicht 2 angeordnet. Diese B-C-N-Schicht 2 enthält Bor, Kohlenstoff und Stickstoff und ist im vorliegenden Fall einphasig ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Phasen enthalten. Die B-C—Schicht 2 kann eine Phase der Zusam- mensetzung BxCyNz bzw. Borcarbonitrid enthalten. Die B-C-N Schicht ist eine Gradienten-Schicht, bei der der N-Gehalt in Richtung A zunimmt. Auf dieser zweiten Schicht 2 ist eine dritte, kohlenstoffmodifiziertes bzw. -versetztes c-BN enthaltende Schicht 3 ange- ordnet. Der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht 1 beträgt 20 At%, der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht 2 beträgt 15 % und der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht 3 beträgt 8 At%. Die Dicke der B4C- Schicht 1 beträgt in Richtung senkrecht zur Substrat- Oberfläche (also in Richtung A) 100 nm. Der Übergangsbereich zwischen der zweiten Schicht 2 und der Kohlenstoff und c-BN enthaltenden Schicht 3 weist eine starke Welligkeit auf (der Übergang bzw. die Grenzfläche zwischen den Schichten 2 und 3 ist durch das Bezugszeichen 2-3 gekennzeichnet) . Die Ausdehnung des Welligkeitsbereiches 2-3 bzw. des Grenzbereiches zwischen den Schichten 2 und 3 beträgt in Richtung A bis zu 200 nm. Der Abstand zwischen der Grenzfläche 2-3 und der ihr zugewandten Oberfläche des Substrates 5 variiert also in Richtung A um bis zu 200 nm. Das nanokristallin-stengelförmige Wachstum der c-BN-Keime ist durch die Säulen 3a skizziert. Das in Richtung A in unterschiedlicher Höhe einsetzende Wachstum der c- BN-Kristallsäulen bzw. deren in Richtung A in unterschiedlicher Höhe liegendes unteres Ende symbolisiert hierbei die starke Welligkeit des Übergangsbereiches 2-3. Der c-BN-Gehalt der dritten Schicht 3 liegt bei etwa 70 bis 80 %, der Rest ist hexagonales Bornitrid h-BN. Wie die Figur 1B (und auch Figur 1A) zeigt, erstrecken sich die nanokristallinen Stengel 3a auch teilweise in die B-C-N-Gradientenschicht 2. Dies soll den folgenden Sachverhalt erläutern: Der Stengeiförmige Aufbau der hexagonalen BN-Phase wird unterstützt durch einen hohen lonenbeschuss während des Abschei- dens. Das h-BN versucht dem durch starken Ionenbe- schuss induzierten Druck auszuweichen und aufgrund verschiedener mechanischer Konstanten der Kristallrichtungen kommt es zu einer bevorzugten Orientierung der hexagonalen Ebenen (Normale senkrecht zur Oberflächennormalen) und damit verbunden zu einem Sten- gelwachstum. Diese Stengel geben die Struktur für das weitere Wachstum vor. Die B-C-N-Gradientenschicht 2 ist zum Großteil auch h-BN-strukturiert und damit stengeiförmig. Deshalb erfolgen die c-BN-Nukleation und das Weiterwachsen auch in dieser durch die Sten- gel vorgegebenen Struktur. Bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem erfolgen diese c-BN-Nukleation und das Weiterwachsen jedoch lateral betrachtet zu verschiedenen Zeiten und damit im Schichtquerschnitt bzw. senkrecht zur Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der B-C-N-Gradientenschicht 2 in einem ausge- dehnten Bereich (Welligkeit) . Die Nukleation der c- BN-Keime findet sprunghaft statt, die B-C-N- Gradientenschicht 2 erzeugt eine zeitliche und örtliche Schwankung der Nukleation, was zu der dargestellten erhöhten Welligkeit der Nukleationszone und somit zu einem ausgedehnten Bereich der Nukleation führt. Ausgedehnt meint hierbei jedoch keine langsame aber gleichmäßige Zunahme des c-BN-Anteils in Pfeilrichtung A, sondern es erfolgt eine Nukleation in unterschiedlichem Abstand zu der Oberfläche des Silizium- Substrates, ab der der c-BN-Gehalt in Richtung A dann konstant bleibt. Das c-BN ist somit nicht willkürlich verteilt, sondern es tritt ab der Nukleation das dargestellte nanokristallin-stengelförmige Wachstum auf. Der Übergang von der Schicht 2 zur kohlenstoffstabi- lisierten c-BN-Phase 3 verläuft somit wellenförmig, d. h. in verschiedenen Abständen von der Substratoberfläche des Substrates 5, wodurch sich die beim Übergang entstehenden großen Unterschiede der mechanischen Druckspannungen über einen Schichtdicken- Bereich von mehreren 10 nm bis hin zu 200 nm erstrecken. Der Abstand zweier benachbarter „Wellenberge" bzw. „Wellentäler" in Richtung parallel zur Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der B-C-N- Schicht 2 weist im vorliegenden Fall dieselbe Größen- Ordnung auf wie die Ausdehnung des Übergangsbereichs bzw. die „Amplitudenhöhe" (dies ist mechanisch vorteilhaft, insbesondere wenn die Welligkeit im Wesentlichen sinusförmig ist bzw. die maximale Steigung der Grenzfläche zwischen der Schicht 2 und der Schicht 3 etwa 45° entspricht) . Die Ausdehnung eines Wellenzuges des Welligkeitsbereiches in lateraler Richtung (d.h. in Richtung der Schichtebene) liegt somit in der selben Größenordnung wie die Ausdehnung des Übergangsbereiches (hier: ca. 50 bis 200 nm) . Aufgrund der nanokristallinen Struktur des c-BN setzt bei der Herstellung des dargestellten SchichtSystems eine
Keimbildung zu verschiedenen Zeiten, d. h. in unterschiedlichem Abstand A zur Substratoberfläche bzw. bei verschiedenen Stickstoffkonzentrationen dann ein, wenn lokal die Bedingungen für eine c-BN-Nukleation erfüllt sind (BN-Stöchio etrie und Impuls) . Diese Keime wachsen dann in der Höhe (Richtung A) weiter (stengeiförmiges Wachstum) . Hierbei kann es gegebenenfalls mit Nachbarkeimen bzw. Nachbarstengeln zu einer begrenzten Vereinigung beim Wachstum kommen. Bei anderen Schichtsystemen zum Teil bekanntes Inselwachstum bzw. Zusammenwachsen von Inseln auch in lateraler Richtung (senkrecht zu A) ist aufgrund der kinetischen Hemmung des c-BN-Wachstums nur sehr begrenzt zu erwarten. Das dargestellte Schichtsystem weist eine Härte von etwa 25 bis 30 GPa und ein Elastizitätsmodul von etwa 250 bis 300 GPa auf.

Claims

Patentansprüche
1. Borhaltiges Schichtsystem mit einer ersten, Bor B und Kohlenstoff C enthaltenden Schicht, wobei die erste Schicht Borcarbid BC enthält, einer zweiten, auf oder an der ersten Schicht angeordneten, B, C und Stickstoff N (B-C-N) enthaltenden Schicht und einer dritten, auf oder an der zweiten Schicht angeordneten, kubisches Bornitrid c-BN enthal- tenden Schicht dadurch gekennzeichnet , dass die kubische Bornitrid-Phase der dritten Schicht Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthält.
2. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht über 1 Atomprozent (At%) und/oder unter 30 At%, bevorzugt über 2 At% und/oder unter 15 At%, be- trägt.
3. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Übergang oder einen Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht, wobei der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht variiert.
4. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert.
5. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Übergangs oder der mittlere Ab- stand des Ubergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht um über lnm, bevorzugt um über 5 nm und/oder unter 1000 nm, besonders bevorzugt um über 20 nm und/oder unter 200 nm variiert.
6. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet , dass der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht im wesentlichen konstant ist oder dass die relative Schwankung des Gewichts- anteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht kleiner als 10 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 2 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.01 Gew.-% ist.
7. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht zwischen 50 und 95 Gew.-%, insbesondere zwischen 60 und 90 Gew.-% liegt.
8. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht hexagonales Bornitrid h-BN enthält.
9. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht einphasig oder mehrphasig ausgebildet ist und/oder eine Phase mit der Zu- sammensetzung BxCyNz (Borcarbonitrid) aufweist.
10. SchichtSystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Gradientenschicht ist, in der der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt.
11. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht über 2 At% und/oder unter 40 At%, bevorzugt über 5 At% und/oder unter 20 At%, beträgt.
12. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht über 5 At% und/oder unter 50 At%, bevorzugt über 10 At% und/oder unter 30 At%, beträgt.
13. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, die zweite und/oder die dritte Schicht in einer zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht im wesentlichen senkrechten Richtung eine Ausdehnung von über 10 nm und/oder unter 10 μm, insbesonde- re von über 50 nm und/oder unter 1 μm aufweist.
14. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der dritten Schicht eine B, C und N (B-C-N) enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute vierte Schicht angeordnet ist.
15. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen Übergang oder einen Übergangsbereich von der vierten zur dritten Schicht, der so aufge- baut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5.
16. Schichtsystem nach einem der beiden vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der vierten Schicht eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN-enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus ei- nem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute fünfte Schicht angeordnet ist.
17. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen Übergang oder einen Ubergangsbereich von der vierten zur fünften Schicht, der so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5.
18. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der vierten Schicht eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der ersten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute fünfte Schicht angeordnet ist.
19. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an der Borcarbid BC enthaltenden, entsprechend einer der ersten Schichten aufgebauten fünften Schicht eine weitere Schichtenfolge angeordnet ist, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht auf- weist: eine weitere B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht und eine weitere, Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c- BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht.
20. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen Übergang oder einen Übergangsbereich zwischen diesen beiden weiteren Schichten, der so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht gemäß einem der An- Sprüche 3 bis 5.
21. SchichtSystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder an dem Schichtsystem mindestens eine weitere Schichtenfolge angeordnet ist, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der ersten Schichten aus einem der vorherge- henden Ansprüche aufgebaute Schicht, eine B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht und eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der dritten Schichten aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Schicht.
22. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzei chnet, dass die vierte und/oder die fünfte Schicht und/oder eine Schicht der weiteren Schichtenfolge in einer zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht im wesentlichen senk- rechten Richtung eine Ausdehnung von über 10 nm und/oder unter 10 μm, insbesondere von über 50 nm und/oder unter 1 μm aufweist.
23. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten auf oder an einem Si-Substrat angeordnet ist.
24. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Hartstoffschichtsystem angeordnet ist oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit einem Hartstoffschichtsystem kombiniert ist.
25. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffschichtsystem TiN, TiAlN, TiCN, A1203, CrN, TiBN, TiB2, Diamant oder diamantähnlichen amorphen Kohlenstoff DLC enthält.
26. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden metallischen Schichtsystem angeordnet ist oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit einem metallischen Schichtsystem kombiniert ist.
27. Schichtsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Schichtsystem Ti und/oder Cr enthält.
28. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden keramischen Schichtsystem angeordnet ist oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit einem keramischen Schichtsystem kombiniert ist.
29. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Schichtsystem auf, an, zwischen oder unter einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Mischkera ikschichtsystem, welches eine oxidische und eine metallische Komponente aufweist (Cermetschicht) , angeordnet ist oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit einem solchen Mischkeramikschichtsystem kombiniert ist.
30. Werkzeugsubstrat oder Bauteilsubstrat, insbesondere in Form einer Hartmetall- Wendeschneidplatte, einer Keramik, einer Cermetschicht, eines Verbundmaterials, eines HSS, eines Stahls beispielsweise für Automobilkomponen- ten, eines Glases oder eines U form- oder Stanzwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet , dass auf oder an dem Werkzeug- oder Bauteilsubstrat ein Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
31. Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines borhaltigen Schichtsystems, wobei in einem ersten Schritt eine erste, Bor B und Kohlenstoff C enthaltende Schicht abgeschieden wird, welche Borcarbid BC enthält, in einem zweiten Schritt auf oder an der ersten Schicht eine zweite, B, C und Stickstoff N enthaltende Schicht abgeschieden wird und in einem dritten Schritt auf oder an der zweiten Schicht eine dritte, kubisches Bornitrid c-BN enthaltende Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet , dass im dritten Schritt eine kubisches Bornitrid c-BN und Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthaltende Schicht abgeschieden wird.
32. Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzei chnet, dass ein borhaltiges Schichtsystem oder ein Werkzeugoder Bauteilsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 30 hergestellt wird.
33. Beschichtungsverfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die dritte Schicht mit einem Kohlenstoffgehalt von über 1 At% und/oder unter 30 At%, bevorzugt von über 2 At% und/oder unter 15 At%, abgeschieden wird.
34. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Schicht so abgeschieden werden, dass sich ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht so ausbildet, dass der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht variiert.
35. Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass so abgeschieden wird, dass der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert.
36. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht mit einem Stickstoffanteil im Sputtergas von über 3% und/oder unter 100%, ins- besondere von über 8% und/oder unter 20%, und/oder mit einem negativen Biasspannungswert mit einem Betrag von über 20 V und/oder unter 1000 V, insbesondere von über 100 V und/oder un- ter 300 V, abgeschieden wird.
37. Beschichtungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch und nach einem der Ansprüche 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffanteil für eine bestimmte Zeitdau- er graduell so erhöht wird und/oder dass eine Variation der Biasspannung so stattfindet, dass der Übergang oder der Übergangsbereich in einer Richtung senkrecht zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht eine Ausdehnung von über 1 nm, bevorzugt von über 5 nm und/oder unter 1000 nm, besonders bevorzugt von über 20 nm und/oder unter 200 nm aufweist.
38. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, dadurch gekennzei chnet, dass die dritte Schicht unter ständigem oder sequentiellem lonenbeschuss und/oder unter ständigem oder sequentiellem Heizen und/oder unter Zugabe von chemischen Komponenten mit einem Anteil von bis zu 25 %, insbesondere von bis zu 10 % zur Sputteratmosphäre aufgewachsen wird.
39. Beschichtungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass die Ionen Energien von über 50 und/oder unter 1000 eV, insbesondere von über 100 und/oder unter 500 eV aufweisen und/oder dass Ionendichten von größer 109 pro cm3, insbesondere von größer 1010 pro cm3 verwendet werden und/oder dass Io- nenstromdichten am Substrat von größer 0,1 A pro cm2, insbesondere von größer 1 mA pro cm2 verwendet werden und/oder dass die Heiztemperatur über 300 °C und/oder unter 1800 °C, insbe- sondere über 600 °C und/oder unter 1200 °C liegt und/oder dass die chemischen Komponenten BF3 oder BCI3 enthalten.
40. Beschichtungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich lonenbeschuss mit Ionen mit Energien von über 1 keV und/oder unter 100 keV, insbesondere von über 1 keV und/oder unter 10 keV erfolgt.
41. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzei chnet , dass die Ionendichten bzw. Ionenstromdichten mit Hilfe von Magnetfeldern, Ionenquellen und/oder Plasmaquellen und/oder durch Zusatzaktivierung des Plasmas erzeugt werden.
42. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mittels eines PVD- oder PVD- Hybrid-Verfahrens abgeschieden werden.
43. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsverfahren mit anderen oberflächentechnischen Verfahren, insbesondere dem Plasmanitrieren, kombiniert wird.
44. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht als Gradientenschicht abgeschieden wird, indem der Stickstoffanteil im Sputtergas graduell erhöht wird.
45. Beschichtungsverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffanteil von Null auf einen Wert größer als 5% und kleiner als 100% erhöht wird.
46. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht mit einer Biasspannung von über 0 und/oder unter 1000 V, insbesondere von über 0 und/oder unter 300 V, und/oder mit einer Targetleistung von über 100 und/oder unter 20000 W, insbesondere von über 500 und/oder unter 10000 W, und/oder mit einem Druck von über
0.05 und/oder unter 50 Pa, insbesondere im Bereich von über 0.1 und/oder unter 10 Pa, und/oder mit Argon als Sputtergas abgeschieden wird.
47. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten auf oder an einem Si-Substrat abgeschieden wird.
48. Verwendung eines Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 29 oder eines Beschichtungsver- fahrens nach einem der Ansprüche 31 bis 47 im Bereich der Bauteil- oder Werkzeugbeschichtung.
49. Verwendung nach Anspruch 48 im Bereich von Zerspanungs-, Schneid- oder Umformwerkzeugen oder im Bereich von tribologisch hoch beanspruchten mechanischen Kontakten, insbesondere im Bereich von trockenlaufenden Lagern oder Motorkomponenten.
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