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Thermodynamic Prediction of Metastable Coating Structures in PVD Processes

  • Philip Spencer EMAIL logo
Veröffentlicht/Copyright: 13. Januar 2022
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Abstract

The application of thermodynamic calculation methods to the prediction of ranges of composition of metastable coating structures formed in PVD processes is described. Particular attention is given to available methods for obtaining the stable-to-metastable structural transformation energies necessary to carry out the calculations. Using these methods in combination with experimental calorimetric data, calculations have been carried out with respect to (Ti, Al) N coatings with the hexagonal wurtzite and cubic NaCl structures. Comparison of the predicted ranges of these two structures is also made for a number of other (Me, Al) N systems, where Me is a transition metal.

Abstract

Es wird die Anwendung thermodynamischer Rechen-methoden zur Vorhersage der Zusammensetzungsbereiche metastabiler Schichtstrukturen beschrieben, welche in PVD-Prozessen gebildet werden. Besondere Beachtung liegt dabei auf den verfügbaren Methoden, um die Umwandlungsenergien von der stabilen in die metastabile Struktur zu erhalten, welche für die Berechnung notwendig sind. Mit Hilfe dieser Methoden wurden in Verbindung mit experimentellen kalorimetrischen Daten Rechnungen für (Ti, Al) N-Schichten mit hexagonaler Wurtzit- und kubischer NaCl-Struktur durchgeführt. Die vorhergesagten Existenzbereiche dieser beiden Strukturen werden für mehrere andere (Me, Al) N-Systeme verglichen, wobei Me ein Übergangsmetall ist.


Dr. P. J. Spencer The Spencer Group P. O. Box 393, Trumansburg, NY14886, U.S.A. Fax: +1 607 387 4039

Dedicated to Professor Dr.-Ing. Dieter Neuschütz on the occasion of his 65th birthday


Appendix

Data used for calculations in the AlN–TiN system. Both nitride components are assumed to have the stoichiometric composition.

System: AlN–TiN

HEXAGONAL PHASE – Redlich-Kister-Muggianu model

2 SUBLATTICES, SITES 1: 1 CONSTITUENTS: AL, TI : N

G(HEXAGONAL,AL:N;0)-H298(FCC_A1,AL;0)-H298(1/2_MOLE_N2(G),N;0) = -345837.00+359.862*T-54.3087*T*LN(T)+8.56E-04*T**2+2326000.0*T**(-1)-1.26000E+08*T**(-2)

G(HEXAGONAL,TI:N;0)-H298(1/2_MOLE_N2(G),N;0)-H298(HCP_A3,TI;0) =

-260305.0+330.498*T-52.4587*T*LN(T)-9.28E-04*T**2+1.48976561E-08*T**3 +871000.00*T**(-1)

L(HEXAGONAL,AL,TI:N;0) = 50000

CUBIC PHASE – Redlich Kister-Muggianu model

2 SUBLATTICES, SITES 1: 1

CONSTITUENTS: AL,TI : N

G(CUBIC,AL:N;0)-H298(FCC_A1,AL;0)-H298(1/2_MOLE_N2(G),N;0) = -305837.0+359.862*T-54.3087*T*LN(T)+8.56E-04*T**2+2326000.0*T**(-1) -1.2600E+08*T**(-2)

G(CUBIC,TI:N;0)-H298(1/2_MOLE_N2(G),N;0)-H298(HCP_A3,TI;0) =

-357905.00+330.498*T-52.4587*T*LN(T)-9.28E-04*T**2+1.48976561E-8*T**3 +871000.00*T**(-1)

L(CUBIC,AL,TI:N;0) = 50000

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Received: 2001-04-24
Published Online: 2022-01-13

© 2001 Carl Hanser Verlag, München

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