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Oberflächentechnik

Prüfungsvorbereitung

Prüfungsvorbereitung

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M. H.
Study
M. H.
Diese Lernkarten behandeln auf Universitätsniveau verschiedene Techniken der Oberflächentechnik, mit Fokus auf Beschichtungsverfahren wie Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen und Magnetron-Sputtern. Sie erklären die Prozesse, Materialien und Anwendungen, etwa in der Luftfahrt oder für Korrosionsschutz. Praktiker und Studierende profitieren von detaillierten Erkenntnissen zu Schichtwachstum, Haftung und Energieeinsatz, um Beschichtungen gezielt zu optimieren.
Flashcards
71
Students
3
Language
German
Category
Technology
Level
University
Created / Updated
02.08.2015 / 22.06.2020
  • 1  / 71

Flashcards

Definition Oberflächentechnik

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Funktionstrennung zwischen Volumen des BT und Oberfläche

- Volumen erfüllt Primärfunktion (Gewicht, Festigkeit, Zähigkeit ect.)

- Oberflächenbeschichtung erfüllt bestimmte Funktion

Funktionen von Oberflächen

- mech. Schutz

- Barrierefunktion (Korrosionsbest., Rermeation, Eindiffusion, Wärmeisolation)

- Grenzflächenwechselwirkung (Biokompatibilität, Benetzbarbeit, Lackierbarkeit)

- elek. Funktionen (Leifähigkeit, elek. Isolation)

- opt. Funkionen (Reflexion, Absorption, Dekoration)

Untersuchungsmethoden für Oberflächen

- Mikro- Nanohärte

- Kalottenschliff

- Scratchtest

- Tribometertest

- Profilometer

- Lichtmikroskopie

- Elektronenmikroskopie

- Energiedispersive Röntgenspektroskopie

- Röntgendiff.

Härtemessung

- Definition: Widerstand, den WS dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt

- Prüfprinzip: eindrücken, genormter, harter Prüfkörper mit definierter Prüfkraft, Ermittlung Härte durch vermessung Eindringtiefe oder Eindruckoberfläche

- Ziel: bewertung der Festigkeit (schnell, kostengünstig)

- Methoden: Vickers, Brinell, Rockwell

Einteilung der Härte

Makrohärte: 49...981N   Härtemessung an Gesamtgefüge

Kleinlasthärte: 1,96...<49N Härtemessung in Randschichten

Mikrohärte: < 1,96N  lokale Härtemessung in einzelnen Gefügebestandteilen

Nanohärte: <0,5N Härtemessung sehr dünner Schichten d<20µm

 

Schichtdickenmessung

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Prinzip: Kugel schleift mit mit Diamantsuspention Kalotte in Schicht, mit Lichtmikroskop Ring und darunterliegende Schicht erkennbar

Ausmessen innerer und äußerer Durchmesser  x=(D-d)/2  y=d+x

Schichtdicke: s =(x+y)/2R  r...Kugelradius

scratchtest

Ziel: Charakterisierung: Kratzbeständigkeit, Schichthaftung, evtl. Reibkoeffizient

Analyse: krit. Krafte, Verformungsverhalten

Prüfung von einfachen dicken Schichten  mit Gitterschnitt

- Aufbringen von definierten Schnitten mit einem Schnittwerkzeug

- Abziehender Schicht mit Norm- Klebeband

- Bewertung der Schichthaftung nach Kennwert

Lichtmikroskopie

Vergrößerung bis 1000fach

Hellfeld: Teilchen auszählen, Korngroßenbestimmung, Scratchtestauswertung

Dunkelfeld: Risse, Poren, Korngrenzen

Polarisationskontrast: Kontrasierung unterschiedlicher Kristallitorientierungen, besserer Kontrast bei Karlottenschliff

Differenzieller Interferenzkontrast: topographische Untersuchung

Elektronenmikroskopie

Sekundärelektronen: 1-10 nm OF- Kontrast für Topograhie

Rückstreuelektronen: Materialkontrast

EDX: Bestimmung quantitative und quantitative Zusammensetztung der Elemente

abhängig von Anregungsvolumen: Energie des Elektronenstrahls so gering, das nur Schichtangeregt wird, kein Substrat

Was kann mit XRD bestimmt werden?

Phasenanalyse, Kristallorientierung, Texturmessung, Versetzungsdichte, Giterfehler, Korngröße im Nanobereich, Gitterparameter, mech. Spannung, Schichtdickenmessung 1...500nm

Vorteile der Oberflächenbeschichtung

definierte Herstellung von Materialien mit

fast beliebiger Zusammensetzung

fast beliebiger Struktur

höchster Reinheit

präziese laterale Srukturierbarkeit

geringer Materialverbrauch

maßgeschneiderte Oberfläche

Nachteile der Oberflächentechnik

- aufwendige Anlagentechnik mit mäßigem Durchsatz

- hohe Stück- bzw. Flächenkosten

- Bauteileinschränkung durch Kammerprozesse

- Geometrie- Einschränkung durch Zugänglichkeit

Wichtige Größen für die Wirtschaftlichkeit

- Investitionskosten

- Produktivität

- Materialkosten

- Personalaufwand (Nebenprozesse, Qualitätskontrolle)

Wie können die Kosten für die Wirtschaftlichkeit von Beschichtungsverfahren eingeteil werden?

 

- Feste Kosten

  • Hauptinvestition:
    • Beschichtungsanlage einschließlich Peripherie
    • Vakuumtechnik, Prozesskontrolle, Sicherheitstechnik
  • Nebeninvestition
    • Reinigung, Probenhandling, Qualitätskontrolle

- Variable Kosten

  • Personal
    • insbesondere auch für Nebenprozesse
  • Material
    • Targes, Precusoren, Hilfsgase, insbesondere bei geringer Ausnutzung, hohem Durchsatz, teurem Material
  • Energie
    • besonders bei HT und Hochrateprozessen

Anlagenkosten, Vor und Nachteile von Anlagen

Anlagentypen:

  • Batchanlagen (alle Prozesse nacheinander in einer Kammer)
  • offene Batchanlagen (mit Ein- und Ausgabeschleuse)
  • verkettete Batchanlagen/ Durchlaufanlagen

Vorteile der Verkettung:

- konst. Bedingungen

- keine Brechung des Vakuums

Probleme der Verkettung:

- eingeschränkte Bt- flexibilität

- anpassung der Durchlaufzahlen der verschiedenen Technologiestationen

Vorraussetzungen:

 - kontnuierliche Bereitstellung der BT

- hinreichend lange Betriebszeiten

typische Verfahrensschritte beim Beschcihten

- Vorbereitung der Bt/ Reinigung/ Oberflächenbehandlung/ Haftschicht

- Beschichten

- Prüfung/ Qualitätssicherung/ Analyse

Verfahrensprinzip der chem. Dampfphasenabscheidung (CVD)

- Ausscheidung einer Feststoffkomponente an einer erhitzten Substratoberfläche über eine flüchtige Verbindung der Schichtkomponente

- mind. eine Reaktion an der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils: mind. eine gasförmige Ausgangsverbindung und mind. 2 Reaktionsprodukte davon mind. eines in fester Phase

- reduzierter Druck um Bildung fester Partikel in der Gasphase zu vermeiden (typisch: 0,01-10 hPa)

- konforme Schichtabscheidung: gleichmäßige Beschichtung komplex dreidim. geformter Oberflächen

- präzises Abscheiden durch Hiilfe von fokussiertem Elektronen.- oder Ionenstrahl

- Nachteil: hohe Beschichtungstemperatur, limitierte Schichtsysteme

Beispiele für CVD- Schichten und Prozesse der Schichtbildung

Pyrolyse oder thermische Auflösung

  • SiH4 -> Si + 2H2  bei 650°C
  • Ni(CO)4 -> Ni + 4CO  bei 180°C

Reduktion

  • SiCl4 + 2H2 -> Si + 4HCl  bei 1200°C
  • WF6 + 3 H2 -> W + 6 HF  bei 300°C

Oxitation

  • SiH4 + O2 -> SiO2 + 2H2   bei 450°C  bei 450°C
  • 2AlCl3 + 3H2 + 3CO2 -> Al2O3 + 3CO + 6HCl  bei 1000°C

Verbindungsbildung

  • SiCl4 + CH4 -> SiC + 4HCl bei 1400°C
  • TiCl4 + CH4 -> TiC + 4HcL  bei 1000°C

Disproportionierung

  • 2 Ge(g) -> Ge (s) + Ge (g)  bei 300°C

Verfahrensablauf beim CVD

  1. Konvektion und Diffusionstransport der Reaktanden zur Reaktionszone
  2. Bildung neuer Nebenpodukte und Speziesdurch chem. Gasreaktion
  3. Transport der Reaktanden und Nebenprodukte zur Substratoberfläche
  4. Adsorption (chem. und phys.) und Diffusion der Spezies auf der Oberfläche
  5. Heterogene Reaktion ist durch die Oberfläche zur Schichtbildung katalysiert
  6. Desorption der volatilen Nebenprodukte aus der Oberflächenreak.
  7. Konvektion und Diffusionstransport der Nebenprodukte aus der Reaktionszone

Welche Verfahrensvarianten gibt es?

- plasmaunterstütze chem Gasphasenabscheidung (PECVD): Vorteil niedrigere Temperatur durch Zünden von Plasma

- "heißdraht-aktivierte" Gasphasenabscheidung (HFCVD)

- Niederdruck CVD

- chem. Gasphaseninfiltration

 

CVD Verfahren, Arbeistemperatur und Verwendungszweck

APCVD- 1000-1300°C thermisch aktiviert, Si für Leiterbahnen, Wafer

LPCVD 500 - 1000°C  thermisch aktiviert, Leiterbahnen, Gateoxid, Si3N4

HFCVD 150 - 750°C thermisch aktiviert, kohlenstoffbasierte Abscheidungen, C-Nanoröhren,

PECVD 200 - 500°C plasma + thermisch, Sio2 für Dielektrika, Si3N4 Passivierungsschichten

 

Definition Thermisches Spritzen

Prozess bei denen ein Spritzmaterial (Pulver, Drähte, Stäbe)an-, auf-, oder abgeschmolzen wird und dann auf eine vorbereitete Oberfläche geschleudert werden

Vorgang beim Thermischen Spritzen

Spritzmaterial wird durch Energiequelle (Flamme, Lichtbogen, Plasma) auf, abgeschmolzen

- große Spezifische Oberfläche der Partikel

- rasche Wärmeabgabe

-temperaturabhängiges Gaslösungsvermögen

- Reaktion mit Gasatmosphäre mgl

Schichtwachstum:

- extrem hohe Abkühlgeschwindigkeiten, (häufig kein Gleichgewichtszustände  im Gitter

- viele Fehlstellen, teils haftungsverbessernd

Oberflächenvorbereitung beim therm. Spritzen

- Entfetten

- Strahlen für Rauheit

- Nachreinigen

- Reinigen mit übertragenem Lichtbogen (Vakuumplasmaspritzen)

- Haftschicht aus Al, Ni oder Mo

- Vorwärmen: minderung Zugeigenspannung, Vermeidung von Feuchtigkeit

Haftmechanismus therm. Spritzen

- mech Verklammerung zw. Schicht und Substrat

- Haftung durch Rauheit Substrat

- Schmelzpartikel dringen iaufgrund thermischer und kinetischer Energie in Unebenheiten ein

- weitere Mechanismen: Adhäsion, elek. Sat. Käfte, chem. metallurgische WW (Diffusion, Reaktion, Bildung neuer Phasen

- Epitaxie ( strukturgleiches, orientiertes Anwachsen des Schichtgitters auf Substratgitter)

- partielles Verschweißen

Struktur und Besonderheiten therm. Spritzen

- Porosität: Größe und Form von Viskosität und Geschwindigkeit der Spritzteilchen abhängig, Korrosionsanfällig, bei Gleitschichten, wärmedämmschichten erwünscht

- Oxidation: durch Reaktion Spritzteilchen mit Atmosphäre, verringern Haftung der Übergänge untereinander und beeinflussen Schichtfunktion, Verwendung Schutzgas Ar oder N2

- nicht geschmolzene Partikel oder bereits erstarrt: Verschlechern Haftung zw Substrat und Schicht und der Übergänge untereinander

- Risse: zu hohe Abkühlgeschwindigkeiten durch zu kaltes Substrat (lange Strupfrisse und segmentartiges Rissnetz -> schicht unbrauchbar

- Strahlmitteleinschlüsse: schlechte Schichthaftung

Einsatzgebiete Therm. Spritzen

Reparatur (z.B. Wellen)

Korrosionsschutz (Verzinkung)

TiO2 für Verschleißschutz

Reibbeläge aus Mo

 

Hauptverfahren beim therm. Spritzen

- Flammspritzen mit Draht oder Stab

- Flammspritzen mit Pulver

- Hochgeschwindigkeitsflammspritzen

- Lichtbogenspritzen

- Plasmaspritzen

- Detonationsspritzen

- Kaltgasspritzen

- Laserspritzen

wichtige Prozessparameter beim therm Spritzen

Direkter Einfluss auf Schichtwachstum

- Vpartikel und Vdraht

- Pulverform, -größe, -menge

- Temperatur ca. 500- 1500°C, Plasma ca. 2500°C, Energiemenge

- Abstand zum BT

- Bewegung Kinematik Pistole- BT

- Gaszusammensetzung/- bewegung

- Betriebszustand (Kühlung, Alterung, Elektrode)

Vorterile Therm. Spritzen

- viele Schichtmaterialien mgl

- Vielfalt beschichtbarer Substratmaterialien: Metalle, Legierungen, Keramik, Glas, Kunststoff

- hohe Beschichtungsrate ermöglicht Schichtdicken bis 30µm - mm

- relativ geringe Thermische Belastung BT

- lokale Beschichtung einfach mgl

Verfahren mit Hoher Partikelgeschw. und hoher Prozesstemperatur weisen niedrige Porosität und gut Haftung auf

Nachteile therm. Spritzen

- schichten meist porös

- Haftfestigkeit meist gering

- komplexe Teile nur eingeschränkt beschichtbar

- raue Oberfläche

 

Verfahrensprinzip der PVD Beschichtung Vakuumbedampfen

- Zufuhr von Energie auf eine Verdampfungsquelle im Vakkum -> thermische Verdampfung

- geradliniger Teilchentransport in der Gasphase

- Kondensation auf "kaltem" BT

Ablauf einer PVD Beschichtung

- BT-Reinigung

- Positionierung in Halter

- Einbau Halter in Beschichtungsanlage

- Evakuierung, ggf. Aufheizen Vakkum

- Vorheizen der Bauteile

- Reinigen der Oberfläche durch Ionenätzen

- Beschichten

- Abkühlen, Belüften, Ausbau des Halters

Qualitätssicherung/ Analyse

Auswahl der Materialien und Tiegel beim Bedampfen

Material: Nahezu alle Metalle mgl. z.B Al, Ag, -Si, Pt, Cu, Cr usw.

Tiegel: Ta, Mo, W, C, TiC, BN, AL2O3

- keine chem. Reaktion zw. Schmelze und Tiegel

- alternative wassergekühlte Cu- Tiegel

- für Langzeitverdampfung und kont. Prozesse Nachbehandlung des Verdampfungsmaterials notwendig

Verfahrensablauf Elektronenstrahlbedampfen EB-PVD

- Hochleistungselektronenstrahl raster Of des zu verdampfenden Werkstoffs ab und erzeugt so Schmelzbad, Dampf kondensiert auf dem Bauteil und bildet Schicht

- Sichtlinienprozess (line of Sight) nur Schmelzbad zugewandte BTSeite wird beschichtet ->Bt Rotation erforderlich

- Während Verdampfung von Metalllegierungen können Gase hinzugefügt werden, z.B. Reaktives Verdampfen Erzeugung keramischer Schichten, bei Keramiken Einstellung der Stöchiometrie

- Oberflächenabbildendes Verfahren

 

drei Phasen der Schichtbildung bei PVD Prozessen (EB-PVD)

- Verdampfen

- Partikeltransport in der Gasphase (ohne Stöße mit Restgas)

- Kondensation

typische Line of Sight Prozesse

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- thermisches Spritzen

- Laserauftragsscheißen

- PVD

Problem: Hinterschneidungen werden nicht beschichtet

Bt Rotation notwendig

Wichtige Einflussgrößen auf das Schichtgefüge und die Schichteigenschaft

  • Dampfdruck der Elemente
    • Dampfdrücke der beteiligten Elemente müssen ähnlich sein
    • Übergang fest -> gasförmig Sublimieren
    • Übergang flüssig-> gasförmig Verdampfen
    • Temperatur wo Dapfdruck 1,33*10^-2mbar
  • Kammerdruck (Vakuum)
    • Kammerdruck größer als Verdampfungsdruck der Schicht
    • Abstand Verdampfer-BT in Größenordnungen von Lambda
    • bei zu hohem Kammerdruck Gefahr der rekombination und Streuverlust, sowie Oxidation durch Restgasathmosphäre
  • Rotationsgeschwindigkeit der BT
    • kontrolliert Verteilung Beschichtungswerkstoff, beeinflusst wesentlich die Morphologie der Schicht
  • Position Dapmfquelle-Substrat
    • Wachstum entlang der Quellen-Substrat-Achse
    • je geringer Target- Subsratabstand desto mehr Teilchen kommen an
    • evtl. Kippung des Verdampfers
    • um Effektivität (Materialausnutzung <5%) zu erhöhen größere Verdamfer, mehr Verdampfer
  • Beschichtungstemperatur
    • beeinflusst Beweglichkeit der Atome in aufwachsender Schicht -> damit Kristallinität und Gefüge, zu niedrige Temp. -> amorphe Schichten
    • Temperatur und Rotation wirken in ähnliche Richtung
  • weitere Einflussgrößen:
    • Beschichtungsrate
    • Ionisierung des Dapfes
    • Oberflächenbeschaffenheit der BT-Of
    • Schichtmaterial

Einfluss des Dampfdruckes auf die Schichtzusammensetzung

p(A) = p(B) -> c(A) = c(B)

p(A) >>p(B) -> c(A) >> c(B)

Anordung der Targets senkrecht zur Rotationsachse: Multilayerbildung durch Roation

Anordung der Targets parallel zur Rotaionsachse: Variation der chem. Zusammensetzung entlang der Achse(keine Multilayerschichtbildung)

Verdampfungsrate rund Schichtbildungsrate

geringe Tempschwankungen verändern Verdampfungsrate -> Regelung erforderlich T Verdampfungsgut=konst.

Kammerdruck muss ebenfalls konst. bleiben

Verdampfungsrate:

zu klein -> unökonomisch, geringe Schichtwachstumsrate

zu groß -> Dampfdruck über Quelle zu groß -> zu viele Stöße Dampfteilchen

sehr groß -> Gefahr von Dampfblasen, lokales Sieden, spitzer -> Schichtqualität sinkt

 

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