Oberflächentechnik

- spiegel für opt. und Röntgenmikroskope

- nachtsichtgeräte

- Flugtiebwerke

- Gasturbinenschaufeln

- Solarpaneele

- DVD

-Magnetspeicher

- Architikturglas

- Filter und Linsen

- Verschleißschutz: Werkzeuge, Bohrer, Motorenkomponenten

- Lichtbogen- sehr hohe Energuedichte- schnelles Aufheizen der Targetoberfläche-> explosionsartiges Verdampfen

- Kondensation BT meist für Hartstoffschichten

- Substrat ständig unter negativer Bias-Spannung

- Beschichtungstemperatur 250-400°C

- hoher Ionenanteil- verdampftes Material

- gute Schichtdickengleichmäßigkeit

- Kathoden können in jeder Positon verwendet werden

Eigenschaften:

- hohe Härte,

- äußerst dichtes Gefüge,

- sehr gute Haftung Grundwerkstoff,

- niedriger Reibkoeffizient

- chem. stabil und reaktionsträge

- schlecht wärmeleitend

Vorteile:

- viele Schichtmaterialien

- Legierungen behalten zusammensetzung (Dampfdruck weniger wichtig)

- hoher Ionisierungsanteil -> dichte Schichten

Nachteile

- Dropletbildung ohne Filter

- komplexe BR nut eingeschränkt beschichtbar (line of sight)

- aufwendige Anlagentechnik

Vorteile:

- viele Schichtmaterialien mgl,

- Vielfalt der beschichteten Substratmaterialien

- gute Schichthaftung

- Schichteigenschaften durch Prozessparameter gut steuerbar

- hochreine Schichten

Nachteile:

- aufwendige, teure und tech. anspruchsvolle Verfahren

- schichtdicke meist nur dünn (Ausnahme Verdampfen)

- komplexe BT nur eingeschränkt beschichtbar (line of sight)

- thermisch aktivierte Atomprozesse

- Keimbildung durch Adatomwanderung

- Keimwachtum durch Oberflächendiffusion

- Kornwachstum durch Volumendiffusion

- Keimbildung

- Inselwachstum (Of-diff., Kristallwachstum auf Substrat, Keimbildung

- Koaleszens 1 ( Of-diff., Kristallwachstum, Massendiff., sek. Keimbildung)

- Koaleszens2 Kanalwachstum ( Of-diff., Kristallwachstum, Massendiff., Kornwachstum, sek. Keimbildung)

- Dickenwachstum (Of-diff., Kristallwachstum, Vol.diff., Kornwachstum)

- Abscheidetemp. ist entscheident

-wenig therm. Energie ->geringe Of diff, kein Vol. diff

- keine Beweglichkeit

- Abschattung

- Ballistisch geprägtes Wachstum

- Höhlräume. Stengelgefüge

- nahezu Amopher Werkstoff

- keine bevorzugte Orientierung

Ergebnis: poröse, kulumnare Schicht mit amophem oder teilkristallinem Charakter -> keine techn. Verwendung

ähnlich wie Zone 1a allerdings bevorzugte Orientierung

- Stoßkaskaden führen zu einer atomistischen Verschiebung ganzer Kristallbereiche, Höhlräume zwischen den Kristalliten werden aufgefüllt

- keine Diff. prozesse

Oberflächendiff

keine Diff zw. Körnern

Abschattung

facettierte Säulen

polykrist. Ws

keine bevorzugte Orientierung

Hohlraumwachstum und Breitenwachstum von Atommobilitätabhängig

- starke Of- diff

- Kristallwachstum mit Wachstumsauslese (überwachsen von Körnern)

- V-förmige Facettierte Säulen

- bevorzugte Orientierung: Kristallebenen mit schnellster Wachstumsrichtung

- Strukturänderung mit zunehmender Schichtdicke

- adatome diff. auf Kornoberfläche und von Korn zu Korn

starke Ofdiff

Kristallwachstum

Rekristallisation

keine abschattung

rechteckige Säulen

Plykrist. Ws

bevorzugte Orientierung: Kristallebene mit niedriger Of- energie

homogene Schichtstruktur

- rasche Wachstumsauslese sorgt für wenig Kolumnen, die in Dickenrichtung wachsen können

-Ausbildung gleichmäßige Schichtmorphologie

Ausbildung vollständig globulares Gefüge

Oberflächen- und Volumendiff. sorgen für Diffusionsaktivität

-kristallwachstum

- Rekristallisation

- große Körner

- polykrist. Werkstoff

- nicht immer bevorzugte Orientierung

- Bevorzugte AAbstäubung von Kanten und Spitzen

- Überwinden von Abschattungseffekten

- Verstärke Diffusion in der Schicht

- Verstärte interdiffusion

- Punktförmige Ortsveränderung in der Schicht

- pulverförmiger Spritzzusatz wird über eine geeignete Pulverdüse in den Laserstrahl eingebracht

- mittels Laser werden Pulver und minimaler Teil des Grundwerkstoffs (µm) aufgeschmolzen -> metallurgische Verbindung

- Schutzgas zum Schutz Schmelzbad

- Einsatzgebiet: partielees Beschichten von Stanz, Biege oder Schneidwerkzeug

- Pulvereintrag seitlich (Pulver geht daneben) oder koachsial mgl  Nachteil Pulver: Pulverpartikel können anhaften-> raue OF

- Eintrag koachsial auch mit Draht mgl. sehr gute OF aber schlechtere Strukturauflösung: 600µm

- kontinurierliches Aufschmelzen des Spritzwerkstoffes im Zentrum einer Acetylen-Sauerstoffflamme

- mit hilfe von Trägergas werden die abgelösten Teilchen auf WSof geschleudert

- Werkstoffe: Cu, Zn, Al zum Korrschutz sowie Chromstähl und Mo

- Anwendung für Schaltgabeln, Synchronringe und Kolbenringe (Automobil)

- Pulverförmiger Spritzzusatz wird in Acetylen-Sauerstoffflamme an oder aufgeschmolzen mit expandierendem Verbrennungsgas aufgeschleudert

- ggf. zusätzliches gas wie Ar oder N

- Werkstoffe sehr vielfältig

durch therm. Prozess Haftung auf OF erheblich gesteigert -> Spritzschicht wird gas- und flüssigkeitsdicht

Einsatzgebiete: Wellenschonbuchsen, Lagersitze, Ventilatoren, Rotoren von Extruderschnecken

wie Pulverspritzen nur mit hohen Drücken, nachgeordnete Expansionsdüseerzeugt gewünscht hohe Expansionsgeschwindigkeit

enorm dichte Schicht mit ausgezeichneter Hafteigenschaft

für dünne Schichten mit hoher Maßgenauigket

Einsatzgebiete: Luftfahrtbauteile, Walzen, Teile für petrochem. und chem Maschinen, mech. Dichtungen

Erzeugung Lichtboden (2elek. leitende Drähte werden gekreuzt + elekt. Spannung)

Drähte werden aufgeschmolzen + Zerstäubergas auf Substrat geschleudert

nichtelek. leitende Materialen in Fülldrähten

Verwendung: Beschichten großer Flächen wie Behälter, Rohre und Rollen z.b gegen Korr

pulverförmiger Werkstoff durch Plasmastrah aufgeschmolzen

Plasma durch Lichtbogenerzeugt -> Gase werden durch Plasma und Lichtbogen dissoziert und ionisiert -> hohe Ausströmgeschwindigkeit

-APS (in normaler Atmosphäre) gute Haftung und niedrige Porosität

Einsatz: Luft und Raumfahrt: Wärmedämmschichten Einflaufflächen

Werkstoffe: hohe Schmelztem. WC/Cr3C2, Cr2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2

- mech. Schutz

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

- Grenzflächenwechselwirkung (Biokompatibilität, Benetzbarbeit, Lackierbarkeit)

- elek. Funktionen (Leifähigkeit, elek. Isolation)

- opt. Funkionen (Reflexion, Absorption, Dekoration)

- Mikro- Nanohärte

- Kalottenschliff

- Scratchtest

- Tribometertest

- Profilometer

- Lichtmikroskopie

- Elektronenmikroskopie

- Energiedispersive Röntgenspektroskopie

- Röntgendiff.

- 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

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

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

Ziel: Charakterisierung: Kratzbeständigkeit, Schichthaftung, evtl. Reibkoeffizient

Analyse: krit. Krafte, Verformungsverhalten

- Aufbringen von definierten Schnitten mit einem Schnittwerkzeug

- Abziehender Schicht mit Norm- Klebeband

- Bewertung der Schichthaftung nach Kennwert

Vergrößerung bis 1000fach

Hellfeld: Teilchen auszählen, Korngroßenbestimmung, Scratchtestauswertung

Dunkelfeld: Risse, Poren, Korngrenzen

Polarisationskontrast: Kontrasierung unterschiedlicher Kristallitorientierungen, besserer Kontrast bei Karlottenschliff

Differenzieller Interferenzkontrast: topographische Untersuchung

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

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

definierte Herstellung von Materialien mit

fast beliebiger Zusammensetzung

fast beliebiger Struktur

höchster Reinheit

präziese laterale Srukturierbarkeit

geringer Materialverbrauch

maßgeschneiderte Oberfläche

- aufwendige Anlagentechnik mit mäßigem Durchsatz

- hohe Stück- bzw. Flächenkosten

- Bauteileinschränkung durch Kammerprozesse

- Geometrie- Einschränkung durch Zugänglichkeit

- Investitionskosten

- Produktivität

- Materialkosten

- Personalaufwand (Nebenprozesse, Qualitätskontrolle)

- 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

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

- Vorbereitung der Bt/ Reinigung/ Oberflächenbehandlung/ Haftschicht

- Beschichten

- Prüfung/ Qualitätssicherung/ Analyse

- 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

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

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