Oberflächentechnik
Prüfungsvorbereitung
Prüfungsvorbereitung
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Lernkarten
Anwendungsgebiete Vakuum- Bedampfen
Turbinenschaufeln
Gasturbinenschaufeln, Photovoltaik
Halbzeugherstelung Beschichtung vers. Werkstoffe
Optik Kratzschutz, Antireflexe, Filter und Linsen
Mikroelektronik: Metallisierung, Funktionschichten
Kathodenzerstäubung (Vakuumbestäubung) Verfahrensprinzip
- Bombardierung eines Targets mit Ionen
- Prozess läuft im Vakuum zur Verminderung von Stoßprozessen zw. Gasteilchen
- Verwendung eines Prozessgases als Ionenlieferant
- negative Spannung am Target beschleunigt positiv geladene Ionen
- herauslösen von Targetteilchen (Zerstäubung Dampfphase)
- Transport und Kondensation auf "kaltem"BT
Schichten aus Metallen, Legierungen und Keramiken herstellbar
Sputterprozess (Kathodenzerstäubung)
- Prozessgasionen (i.d.R. Ar+) werden zur negativ geladenen Kathode beschleunigt
- Ionenstöße zerstäuben die auf der Oberfläche vorhandenen Atome
- Zusätzlicher Erzeugung von Elektronen, die neutrale Gasatome durch Kollisionen ionisieren -> Stabilisierung des Prozesses
- Zerstaübung (neutel) Teilchen aus dem Target werden auf das Substrat aufgestäubt -> Schichtbildung
Anwendungen von Plasma in der Oberflächentechnik
- Was ist Plasma? ionisierter Zustand von Materie
- Komponenten: Elektronengas, Ionengas, Neutralgas
Anwendung: Oberflächen abtragen, aktivieren oder reinigen
- thermomech. Wärmebehandlung initiieren
- Elemente vom festen in gasförmigen zustand überführen z.B Schichtbildung
- chem. Reaktionen auslösen
Schichten mir besonderen Eigenschaften
Magnetron- Kathodenzerstäubung
Magnetron- Sputtern: Mit Magneten unter zusätzlicher Zugabe von Reaktivgas: O2, N2 Bildung von Oxiden oder Nitriden
- e- werden durch das mag. Feld auf Spiralbahn gezwungen, e- werden in der Nähe des Targets gehalten
längere Verweildauer
mehr Stöße zw. e- und Prozessgas
höherer Ioniosierungsgrad
durch Magnetfeld lokaler Abtrag des Targetmaterials -> Konsequenz
keine Vollständige Materialausnutzung des Targets
Änderung der Zerstäubungsrate durch Veränderungder Position im Magnetfeld
mögliche Änderung der Zusammensetzung der Schciht bei Legierungen
Wechselwirkungsprozesse bei MagnetronKathodenzerstäubung
- Gasdesorption
Verbindungsbildung
Implantation
- Kollisionskaskaden (Energieübertrag von bewegen auf ruhendes Atom an der Of)
- Thermischer Spike ( ähnlich lokaler Schmelze aus der Atome verdampfen)
Punktdefekte und Schockwellen
- Topographieänderung
- chem. Oberflächenreakion
Wovon hängt die Zerstäubungsausbeute Magnetron ab?
- Masseverhältnis Ion- Target Kombination
- Energie einfallender Teilchen
- Bindung der Targetatome im Gitter
Einschusswinkel
Besp. für Systemschichten DC- Kathodenzerstäubung
- elek. Leitfähige Schichten
- rein Metalle Ti, Al, Cu, Ni
- Legierungen: TiAl, NiCr, CoNi
- Grafit
- Herstellung Keramikschichten (reaktive Zerstäubung)
- Verwendung von O2, N2, Acetylen als Reaktivgas
- TiC, Al2O3, TiO2, TiAlN,, DLC
Magnetron Sputtern Wichtige Verfahrensparameter
- Beschichtungstemperatur: T. des Substrates beeinflusst beweglichkeit der Aome in aufwachsender Schicht und damit Kristalinität und Gefüge, bei niedrigen Temp. amorphe Schichten
- Kammerdruck: zu wenig: nicht genug e- für Ionisierung, zu hoch: zu viele Zusammenstöße mit anderen Atomen ->Streuprozesse
- Kothodenleistung: kontrolliert Anziehungskräfte zu Argonionen im Plasma-> Zerstäubungs bzw Aufwachsrate wird bestimmt
- BIAS- Spannung: verursacht Argonionen-Bombardement auf aufwachsende Schicht-> Verdichtung Gefüge
- Position Target- Substrat: line- of-sight Prozess
Wichtige Parameter welche Schichtqualität beim Magnet. Sputtern bestimmen
- Substrattemperatur
- Schichtwachstumsrate und Beschichtungsdauer
- Ionisierungsgrad und Substrat BIAS
- Kammer- und Partialdrücke
- Targetmaterial
- Anordung BT , Quelle und Bewegung
-Substratkenngrößen: Material, Oberflächenzustand (Rauheit, Verunreinigung, chem. Beschaffenheit)
- Form des BT
Vergleich EB-PVD und Kathodenzerstäubung
Teilchenquelle:
- EB-PVD:
- therm. Verdampfungsmechanismus
- niedrige kin. Energie der Dampfatome (0,1eV)
- hohe Verdampfungsrate
- gerichtetes Schichtwachstum
- verfügbarkeit hochreiner Verdampferquellen
- Magnetron:
- Zerstäubung mittels Ionenbeschuss
- hohe Kin. Energie der zerstäubten Atome (2-30eV)
- niedrige Verdampfungsrate
- gerichtetes Schichtwachstum
- große Zahl an Zerstäubungstargets verfügbar. Reinheit materialabhängig
Dampfphase
- EB-PVD:
- Verdampfte Atome in Ultrahochvakuum (10^-6mbar)
- mittlere freie Weglänge größer als Substrat- Quellen abstand
- wenig Kollisionen, wenig Reaktion mit Gasen
- Magnetron:
- Zerstäubte Atome im Hochdruckbereich (10^-3mbar)
- mittlere freie Weglänge kürzer als Substrat-Quellen-Abstand
- viele Kollisionen
- große Bereitschaft zur Reaktion mit Gasen
die kondensierte Schicht
- EB-PVD:
- kondensierte Atome relativ niedriges Energieniveau
- geringfügige Gaseinbringung
- Korngröße größer als bei Kathodenzerst.
- geringfügere Texturierung der Schicht
- Magnetron
- kondensierte Atome besitzen noch viel Energie
- gasatome teilweise in Schicht eingebracht
- gute Haftung auf Substrat
- stärkere Texturierung
Bsp. für Magnetronschichten
- spiegel für opt. und Röntgenmikroskope
- nachtsichtgeräte
- Flugtiebwerke
- Gasturbinenschaufeln
- Solarpaneele
- DVD
-Magnetspeicher
- Architikturglas
- Filter und Linsen
- Verschleißschutz: Werkzeuge, Bohrer, Motorenkomponenten
Besonderheiten, Verfahrensmerkmale, Eigenschaften Acr PVD
- 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
Vor- und Nachteile Arc PVD
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
Allgemein Vor und Nachteile PVD
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)
Grundsätzliche Phänomene der Strukturentwicklung
- thermisch aktivierte Atomprozesse
- Keimbildung durch Adatomwanderung
- Keimwachtum durch Oberflächendiffusion
- Kornwachstum durch Volumendiffusion
Stufen des PVD- Schichtwachstums
- 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)
Strukturzone T
Strukturzone II
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
Einfluss der Bias-Spannung auf die Morphologie
- Bevorzugte AAbstäubung von Kanten und Spitzen
- Überwinden von Abschattungseffekten
- Verstärke Diffusion in der Schicht
- Verstärte interdiffusion
- Punktförmige Ortsveränderung in der Schicht
Laser/ Laserauftragsschweißen
- 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
Flammspritzen mit Draht oder Stab
- 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)
Flammpritzen mit Pulver
- 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
Hochgeschwindigkeitsspritzen
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
Lichtbogenspritzen
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
Plasmaspritzen
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