Materialwissenschaften (Fach) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lektion)

Verfahren der Oberflächentechnik

Diese Lektion wurde von Tobi08151 erstellt.

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• Wie hoch wird das Beschichtungsmaterial beim thermischen Verdampfen durch eine Verdampfungsquelle erhitzt? ▪ Beschichtungstemperaturen: 100 – 600 °C
• Wie lautet die Definition der Zerstäubungsausbeute oder Sputterrate S0? Zerstäubungsausbeute oder Sputterrate S0 ist ein Maß für die Effektivität des Prozesses:S0 ist das Verhältnis der Anzahl herausgeschlagener Teilchen zur Anzahl senkrechtauftreffender Ionen. S0 ist abhängig von EB und Ei.
• Welche zwei Formen von Plasmen gibt es? Kalte Plasmen: Glimmentladung (z.B. MSIP) Warme Plasmen: Lichtbogenentladung (z.B. CAE)
• Was sind die Elementarprozesse in einem Plasma? ▪ Anregung▪ Elektronenionisation▪ Photonenionisation▪ Dissoziation
• Was beschreibt der Ionisationsgrad η? Der Ionisationsgrad η beschreibt den Anteil der Ionen ni an der Gesamtzahlatomarer bzw. molekularer Bestandteile nn des Plasmas (Σ ni+nn)
• Welches Verhältnis ist bei den Strukturzonenmodellen maßgebend? Das Verhältnis der Substrattemperatur TS zur Schmelztemperatur des Metalls Tm
• Welchen Einfluss hat die Mikrostruktur? Die Mikrostruktur (Morphologie) beeinflusst stark die funktionellen Eigenschaften desSchicht-Substrat-Verbunds
• Welcher Effekt begrenzt die Schichtdicke beim Mono- und Multilayer? ▪ Monolayer: maximale Schichtdicke begrenzt durch steigende Druckeigenspannungen▪ Multilayer: maximale Schichtdicke begrenzt durch Beschichtungskosten oderSchneidkantenverrundung
• Was sind die Vorteile eines Multilayers? Vorteil Multilayer:▪ Lebensdauer▪ Abbau von Eigenspannungen▪ Steigerung der Schichtdicke▪ Steigerung der Härte▪ Steigerung der Duktilität▪ Rissumlenkung▪ Dichte, glatte Strukturen
• Welche Schichtarchitekturen zur Leistungssteigerung gibt es? - Monolayer - Multilayer - functional gradation - hard/soft combination - Nanolaminate - nanocomposite
• Wie läuft ein Beschichtungsprozess ab? Welche Schritte sind dafür notwendig? - Reinigen - Chargieren {- Evakuieren - Heizen - Plasmaätzen - Beschichten - Abkühlen, Belüften} - Dechargieren {} --> Verweilzeit in der Anlage
• Welche Gemeinsamkeit und welche Verfahrensvariation weisen PVD- Beschichtungsprozesse auf? ▪ Gemeinsamkeit : Sichtliniencharakteristik ▪ Verfahrensvariationen : Reaktives BeschichtenBias unterstütztes Beschichten
• Was wird in der PVD-Technologie als Target bezeichnet? „Target“ ist das meist zur Kathode geschaltete Ausgangsmaterial für die PVD-Schicht.
• Was beschreibt die Sichtliniencharakteristik im PVD-Beschichtungsprozess? Skizzieren Sie anhand untenstehender Beispielgeometrie eines dieser Phänomene. SichtliniencharakteristikDamit wird das Phänomen beschrieben, das▪ ungleichmäßige Schichtdicken durchAbschattungseffekte▪ ungleichmäßige Spannungsverteilungdurch überhöhte Schichtdickenauftreten, da eine Schichtausbildungvorzugsweise im „direkten Sichtfeld“der Kathode stattfindet.
• Wie können Abschattungseffekte vermindert werden? Durch Rotation und Translation des Substrats oder durch Kombination von Rotation undTranslation
• Welche Funktion erfüllt die Haftvermittlerschicht und an welcher Stelle wird sie aufgetragen? 1. Haftvermittler zwischen Substrat und Beschichtung2. Reduktion der Spannungskonzentration an der Grenzfläche
• Was ist reaktives Beschichten? ▪ Ausnutzung der hohen chemischen Reaktivitätder Teilchen ▪ Zugabe von Reaktivgasen, z.B. N2 oder O2,in den Beschichtungsprozess
• Was ist der wesentliche Nachteil des reaktiven Beschichtens während des Prozesses? ▪ verringerte Sputterraten durch Targetvergiftung, d.h.Senkung der elektrischen Leitfähigkeit der Targetsdurch elektrisch nicht leitende Reaktionsschichten
• Was geschieht durch die Verwendung einer Bias-Spannung beim Beschichten? Beschichten mit Bias durch Anlegen einer negativen Spannung an das SubstratDurch das negative Potential kommt es zu einem Beschuss des Substrats durch Ionen.
• Wozu dient das Plasmaätzen im PVD-Beschichtungsprozess? 1. Plasmaätzen:▪ Reinigung der Schicht von anhaftenden Verunreinigungen▪ Aktivieren der Oberfläche
• Welche Funktion hat der Permanentmagnet beim (MISP)? Erhöhen der Stoßrate bzw. des Ionisationsgrades
• Welche Bedingung muss erfüllt werden, um ein Magnetfeld zu verwenden? Die Targetwerkstoffe dürfen keine ferromagnetischen Eigenschaften besitzen
• Was sind die Vorteile gepulster Prozesse gegenüber Gleichspannungsprozessen? Vorteile gepulster Prozesse gegenüber Gleichspannungsprozessen:▪ Steigerung der Ionisationsrate (4 %  > 40 %)▪ Abscheidung elektrisch isolierender Schichtwerkstoffe möglich▪ Beeinflussung der Schichtmorphologie▪ Beschichtung elektrisch isolierender Substrate▪ Reduzierung der Sichtliniencharakteristik (Aspektverhältnis)▪ Senkung der Prozesstemperatur▪ Steigerung der Schichthaftung▪ Dichtere Schichten mit höherer Härte, Festigkeit und glatteren Oberflächen
• Wie funktioniert die Teilchenerzeugung durch Lichtbogenverdampfung? ▪ Teilchenerzeugung durch Lichtbogenverdampfung▪ anodische Verdampfung▪ kathodische Verdampfung
• Welches Phänomen tritt Prinzip bedingt beim Lichtbogenverdampfen auf? ▪ Verfahrensbedingt hohe kinetischeEnergie der Teilchen
• Welche Bedingung müssen die Targetmaterialien erfüllen? Es können ausschließlich elektrisch leitfähige Targetmaterialien verwendet werden, dabei der Schichtsynthese die Zündung eines Lichtbogens in einem Hochvakuum mit einemzum Targetmaterial als Kathode geschalteten, geerdeten Zünddraht stattfindet.
• Welche zwei Möglichkeiten bestehen für den Vakuumbogen zu wandern? ▪ Regellos (random arc)▪ Kontrolliert/geführt (steered arc)
• Wovon hängen u.a. Ionisationsgrade ab? Die Ionisationsgrade hängen u.a. von der Schmelztemperatur des Kathodenmaterials ab.
• Wodurch sind Niedervoltbögen gekennzeichnet? Niedervoltbögen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung in einem Arbeitsgasmit einer Brennspannung betrieben wird, welche unterhalb der Ionisierungsspannungdes Arbeitsgases liegt
• Wie werden Entladungen gebündelt? Über Magnetspulen an der Brennkammer wird ein magnetisches Längsfeld erzeugt, dasdie Entladungen bündelt und auf die Anode fokussiert.
• Wie funktioniert die Teilchenerzeugung durch Elektronenstrahlverdampfung? Nahezu vollständige Umwandlung der kinetischen Energie der Elektronen in Wärme
• Wofür ist die Emissionsstromdichte eine Maß? Die Emissionsstromdichte ist ein Maß für die Anzahl der austretenden Elektronen
• Durch welche drei Effekte wird die Emissionsstromdichte bestimmt? ▪ Raumentladungsbestimmte Emission▪ Temperaturbestimmte Emission bzw. Sättigungsstromdichte▪ Feldemission
• Welche entscheidenden Vorteile hat die PVD-Technologie gegenüber der CVD- Technologie im Bereich der Werkzeugbeschichtungen? ▪ Deutlich niedrigere Abscheidetemperaturen, wodurch auch Werkzeugstähle ohneerreichen der Anlasstemperatur beschichtet werden können▪ Die Möglichkeit, auch metastabile Schichtsysteme wie TiAlN synthetisieren zu können▪ Durch den Abscheideprozess einstellbare Druckeigenspannungen in der Schicht
• Welchen Vorteil bieten Nanocomposite gegenüber Multilayerschichten? Nanocomposite ermöglichen bei Werkzeugbeschichtungen höhere Prozesstemperaturenund verlängern die Standzeit
• Wovor schützen PVD-Schichten im Druckguss von Leichtmetallen? - Metallphysikalischer Korrosion▪ Brandrissen
• Wovor schützen PVD-Schichten im Kunststoffspritzguss? ▪ Korrosion▪ Adhäsion▪ Abrasion
• Wie ist der CVD-Prozess definiert? Chemische Abscheidung aus der Gas- bzw. Dampfphase
• Erklären Sie die drei CVD- Hauptprozessphasen durch die folgende Reaktion: TiCl4 + CH4 --> TiC + 4 HCl - In einen Reaktor werden gasförmige Edukte TiCl4 und CH4 eingeleitet▪ Gezielte Einstellung thermodynamischer Bedingungen führt zur Reaktion (Energiezufuhr)▪ Die Schicht entsteht durch chemische Reaktionder gasförmigen Ausgangsmaterialien ander Festkörperoberfläche
• Nennen Sie vier wichtige Anwendungen der CVD-Technologie. ▪ Halbleiterschichten (z.B. Si, Ge) für Mikroelektronik, Optoelektronik, Solarzellen▪ Stoffsynthese zur Werkstoffherstellung▪ Faser- und Pulverbeschichtung in der Werkstoffherstellung▪ Kratzschutz transparenter Kunststoffbauteile: Linsen, Brillengläser,▪ Kunststoffscheiben (z.B. SiOx)
• Wie kann abgeschätzt werden, dass eine Reaktion bei gegebenen thermodynamischen Bedingungen (Druck, Temperatur, chemische Konzentration) abläuft? Durch Berechnung der freien molaren Reaktionsenthalpie ΔGR, das ist Gibb‘sche Enthalpie: ΔGR = ΔHR - T∙ ΔSRΔHR: ReaktionsenthalpieΔSR: ReaktionsentropieT: Temperatur
• Wie ist die Gibbs‘sche Enthalpie bei jedem Zeitpunkt einer Reaktion definiert? Beschreiben Sie die Gleichung durch die folgende allgemeine Reaktion. aA + bB --> cC + dD Mit Verlauf der chemischen Reaktion verändert sich die Gaszusammensetzung und es gilt: ΔGR =ΔG°R +R . T. ln (c . d / a . b) Van‘t Hoff‘ sche Reaktionsisothermie R: GaskonstanteT: TemperaturP: Partialdrücke der Gase in Gasgemischen ist:ΔGR =ΔG°R +R . T. ln (PC . PD / PA . PB)→Van’t Hoff-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Lage des Gleichgewichts einer chemischen Reaktion und der Temperatur (bei konstantem Druck).
• Ergänzen Sie die Van’t Hoff-Gleichung im Gleichgewichtszustand. Im Gleichgewichtszustand ΔGR --> 0--> 0=ΔG°R +R . T. ln (PC . PD / PA . PB)Für den Reaktionsquotient im Gleichgewichtszustand wird die Gleichgewichtskonstante Keingeführt, dann gilt:ΔG°R = -R . T. ln KK: Gleichgewichtskonstante oder Aktivitätenquotient
• Welche Voraussetzungen für chemische Reaktionen in CVD-Prozessen gibt es? Voraussetzung:▪ Verfügbarkeit flüchtiger Verbindungen (= Precursor) mit den Komponenten desSchichtwerkstoffs.▪ Als flüchtige Verbindungen eignen sich insbesondere Fluoride, Chloride und Bromide,weil sie meistens bereits bei Raumtemperatur in gasförmiger oder flüssiger Formvorliegen.▪ Thermodynamische Reaktionsbedingungen müssen eingehalten werden, darausergeben sich zum Teil sehr hohe Beschichtungstemperaturen.
• Welche Rolle spielen die Precursoren in der Reaktionschemie der CVD-Prozesse? 1. Erzeugung eines Reaktionsgemisches:Sicherstellen gasförmiger Edukte bzw. Precursoren(Precursoren sind die Ausgangssubstanzen, deren Moleküle die Elemente der Schichtentweder teilweise oder vollständig beinhalten.)
• Nennen Sie die Arten der Precursoren, welche in CVD-Prozesse angewendet werden können. 2. Precursoren▪ gasförmig --> direkt einsetzbar▪ flüssig oder fest --> gasförmig durch▪ Verdampfenflüssig --> z. B. Bubblerfest --> z.B. Rohrverdampfer▪ Vernebelung▪ Aerosolherstellungmeist in Kombination mit einem Trägergas
• Wovon ist die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig? Die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Rate R hängt vonder Substrattemperatur T und der Aktivierungsenergie Ea ab (Arrhenius-Gleichung).Der langsamste Teilschritt ist geschwindigkeitsbestimmend für das Schichtwachstum.
• Welches Problem kommt in der CVD-Schichtbildung in einem Rohrreaktor vor und welche Lösungen gibt es dafür? Probleme:▪ Verarmung des Gasgemisches an Reaktionsprodukten bei der transportlimitierten Abscheidung▪ Abnahme der Schichtdicke und Schichtrate in Richtung des Gasflußes Lösungsansätze▪ Strömungsprofilgeber --> Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit▪ Umkehr des Gasstromes▪ Rotieren und Translationsbewegung der Substrate
• Welche sind die Teilschritte während einer CVD-Reaktion? 1. Transport der im Trägergas gelösten Reaktanden durch erzwungene Konvektion zurAbscheideregion2. Transport der Reaktanten durch Diffusion aus der konvektiven Zone des Gasstromesdurch die Grenzschicht zur Substratoberfläche3. Adsorption der Reaktanten an der Substratoberfläche4. Dissoziation der Moleküle, Oberflächendiffusion der Radikale, Einbau der Radikale inden Festkörperverband, Bildung der Reaktionsprodukte5. Desorption der flüchtigen Reaktionsprodukte6. Transport der Reaktionsprodukte durch Diffusion durch die Grenzschicht in die konvektive Zone des Gasstromes7. Abtransport der Reaktionsprodukte durch erzwungene Konvektion aus der Abscheideregion.
• Welche Formen der Energieeinbringung im CVD-Verfahren gibt es? Nennen Sie Diese. ▪ Thermisch▪ Substratheizung▪ Heißwandreaktor (Hotwall)▪ Molekularstrahl Epitaxie▪ Hot Filament▪ Plasma▪ Gleichstrom▪ Pulsen/Mittelfrequenz▪ Hochfrequenz▪ Mikrowelle▪ Ionenstrahl▪ Photonen▪ UV-Licht▪ Laser

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