Boron nitride thin films deposited by magnetron sputtering on Si3N4

Abstract

O Nitreto de boro é um material polimorfo, sendo as fases hexagonal (h-BN) ecúbicas (c-BN) as predominantes. A fase hexagonal do nitreto de boro apresenta uma estrutura em camadas sp2, semelhante a grafite, enquanto que a fase cúbica do nitreto de boro tem forte ligações sp3, como o diamante. O h- BN apresenta boas propriedades dieléctricas, é um material refractário, resistente a corrosão, é conhecido por ser um lubrificante sólido que tem aplicações na protecção de moldes de injecção e em outros processos mecânicos de elevadas temperaturas ou lubrificação em ambientes de elevada humidade. Contudo, o h-BN é extremamente macio. Em contraste, o c-BN apresenta excelentes propriedades térmicas, eléctricas e ópticas, sendo ainda um dos materiais conhecidos com dureza mais elevada (70 GPa). Além disso, c-BN apresenta propriedades superiores em relação ao diamante quando aplicado em ferramentas de corte na maquinagem de materiais ferrosos, devido a sua alta estabilidade química a altas temperaturas durante a maquinagem. Essa combinação de propriedades faz dele um forte candidato no campo das ferramentas de corte e em dipositivos electrónicos. No presente trabalho, filmes finos de nitreto de boro foram depositados por DC e RF magnetron sputtering, utilizando alvos de B4C e h-BN prensados a quente, numa atmosfera de deposição contituída por misturas de Ar e N2. Os filmes finos de BN foram depositados simultâneamente em dois tipos de substratos: cerâmicos de Si3N4 com diferentes acabamentos superficiais e em discos de Si(100). A influência dos parâmetros de deposição, tais como a temperatura do substrato, composição da atmosfera de deposição na espessura dos filmes, taxa de deposição, cristalinidade, tensão residual, fases presentes e dureza, foram sistematicamente investigados usando técnicas como, SEM, XRD, FT-IR e nanodureza. O h-BN foi a principal fase observada nas análises dos espectros de FT-IR e nos difractogramas de XRD. O estado de tensão dos filmes finos de BN films é estremamente afectado pela temperatura do substrato, composição do gás de trabalho e pelo acabamento superficial dos substratos. O estudo da influência da temperatura mostraram que a taxa de deposição aumenta com o aumento da temperatura do substrato. Tensões residuais elevadas ocorrem para altas concentrações de árgon e para substratos polidos em suspensão de diamante 15 μm. Nos espectros de FT-IR, a forma das bandas de vibração variam de uma forma alargada para uma configuração estreita, correspondendo a uma menor desordem da fase hexagonal do BN, devido a variação da composição da atmosfera de deposição. Os valores de dureza obtidos estão numa faixa que vai desde os valores do h-BN macio (6 GPa) até valores próximos dos limites encontrados para filmes contendo a fase cúbica (16 GPa ), acima de 40%.

ABSTRACT: Boron nitride is a polymorphic material, the hexagonal (h-BN) and the cubic (c- BN) being its main crystalline structure. The hexagonal boron nitride has a layered sp2-bonded structure, similar to graphite, while the cubic boron nitride has a hard sp3-bonded diamond-like structure. h-BN presents good dielectric properties, refractoriness, corrosion-resistant characteristics, low friction and low wear rate, and it is a well-known solid lubricant which has wide applications in metal-forming dies and other metal working processes at high temperatures or lubrication in high relative humidity environments. However, h-BN is mechanically soft. In contrast, c-BN presents excellent thermal, electrical and optical properties, with a hardness up to 70 GPa. Moreover, c-BN is superior to diamond as cutting tool for ferrous materials due to its high thermal chemical stability during machining. In the present work, thin films of boron nitride have been deposited by D.C. and R.F. magnetron sputtering from hot-pressed B4C and h-BN targets, using mixtures of Ar and N2, as working gases. The BN thin films were deposited simultaneously on two different substrates: Si3N4 ceramics with different surface finishing and Si(100) wafers. The influence of parameters such as substrate temperature and working gas composition ratio, on film thickness, deposition rate, cristallinity, residual stress, phase composition and hardness, were systematically investigated using techniques like SEM, XRD, FT-IR and nanohardness. h-BN was the main observed phase. The stress-state of the thin BN films is largely affected by the substrate temperature, working gas composition and the substrate surface finishing. The substrate temperature studies show that the deposition rate increases with an increasing of the substrate temperature. Large high residual stresses are developed for higher argon ratios and for substrate finishing with 15 μm diamond paste. In the FT-IR spectra, the shape of the vibration band changes from broad to narrow, corresponding to a less disorder h-BN phase, due to the working gas composition. The hardness values obtained are typical in the range of a soft h-BN (6 GPa) to values approaching the limit of the range reported for films containing a fraction of cubic phase (16 GPa ) up to 40%.