analytik und qualitätssicherung - fraunhofer ist · kurtosis, power spectral density, etc. mit dem...
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AnAlytik und QuAlitätssicherung
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R S c H I c H T- U N d O b E R F l ä c H E N T E c H N I k I S T
Unser Service
Bei der Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsver-
fahren, zur Qualitätssicherung in der Produktion sowie zur
Aufklärung von Schadensfällen ist die Verfügbarkeit von
Analyse- und Prüfverfahren entscheidend. Das Fraunhofer-
Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST bietet eine
Vielzahl an Verfahren und eine breite Expertise im Bereich
Schichtanalytik und Prüftechnik. Mit mehr als 1500 Untersu-
chungsaufträgen für über 230 Kunden hat das Fraunhofer IST
ein umfangreiches Erfahrungsspektrum in der Bearbeitung
industrierelevanter Fragestellungen, wie z. B.
� Unterstützung von Material- und Prozessentwicklung
� Qualitätssicherung in der Produktion
� Schadensanalysen
� Entwicklung kundenspezifischer Prüftechnik
1
1 Aufnahme eines Punkt
gitters mittels konfokaler
Laser mikroskopie CLM.
2 Laserstrukturierter
Graben, mit dem Raster
kraft mikroskop AFM
aufgenommen.
3 CLMAufnahme von
VickersEindrücken in einer
Oberfläche.
4 CLMAufnahme von Par
tikeln auf einer Oberfläche.
2
Unser Dienstleistungsangebot
� Beratung zu optimalen Analyse- und Prüfverfahren
� Auftragsarbeiten mit modernsten Analyse- und Prüfgeräten
� Analyse von Oberflächen und Beschichtungen auch auf technischen Objekten wie Bauteilen, Werkzeugen und Gebrauchsgegenständen aller Art
� Schnelle Bearbeitung, auch innerhalb von 24 Stunden
� Dokumentation und elektronische Ergebnisübermittlung
� Bearbeitung durch erfahrene Mitarbeiter
� Nutzung des Know-how aus allen Abteilungen des Fraunhofer IST
AnAlytik und QuAlitätssicherung
Analytik
� Rasterelektronenmikroskopie REM
� Energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX
� Elektronenstrahl-Mikroanalyse EPMA
� Sekundärionen-Massenspektrometrie SIMS
� Röntgenphotoelektronenspektroskopie XPS
� Glimmentladungs-Spektroskopie GDOS
� Röntgenbeugung XRD
� Röntgenreflektometrie XRR
� Rasterkraftmikroskopie AFM
� Konfokale Lasermikroskopie CLM
� Nanoindentierung NI
Mess- und Prüfverfahren für
Reibung und Verschleiß
� Pin-on-Disc (adhäsiv)
� Kalottenverschleiß (abrasiv)
� Hochlasttribometer
� Hochtemperaturtribometer
� Impact-Tester
� Taber Abraser Test
� Mikrotribologie
3 4
Optische Charakterisierung
� IR / Vis / UV-Spektroskopie
� Farbmessung
� Ellipsometrie
� Streulicht (Haze)
� IU-Kennlienienmessung
� Quantenausbeutemessung
� CPM-Messung
Weitere Analysemethoden
� Schichtdickenmessung
� Profilometrie (2-D, 3-D)
� Optische Mikroskopie (2-D, 3-D)
� Härte, E-Modul (Mikrohärtemessung)
� Schichthaftung (Scratch- und Rockwelltest)
� Oberflächenenergie (Benetzungsverhalten)
� Korrosionsprüfung
� Klimatest
� Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
unsere untersuchungsmethoden im Überblick
65
Rasterelektronenmikroskopie – REM
Die Rasterelektronenmikroskopie REM erlaubt die Abbildung
von Oberflächen, Brüchen oder Querschliffen mit hoher
Auflösung (~ 2–5 nm) und hoher Tiefenschärfe. Es ist ein
vielseitiges Werkzeug, welches es ermöglicht, innerhalb von
Sekunden den Vergrößerungsbereich von 20 bis 200.000-fach
zu durchfahren, schnell von einer Probe zur nächsten zu wech-
seln und mittels Bedampfung auch nichtleitfähige Oberflächen
abzubilden. In Verbindung mit der Röntgenspektroskopie
EDX ist es das ideale Werkzeug zur Schadensanalyse, weil es
mikroskopische Visualisierung und chemische Punktanalyse
miteinander verbindet. An Brüchen oder Querschliffen kann
es zur präzisen Schichtdickenbestimmung im Nanometer- bis
Millimeterbereich verwendet werden. Durch verschiedene
Detektoren (Inlens, SE, BSE) können unterschiedliche
Kontraste hervorgehoben werden, z. B. der Element- oder
Topografiekontrast.
5 REMAbbildung einer
Bruchkante einer nur 200 nm
dicken SiOx / AlOx / SiOx
3fach Schicht, 100.000fach
Schicht.
6 Querschliff einer galva
nischen NiSchicht auf Stahl
mit eingebauten TiO2 Na
nopartikeln an der Grenz
fläche und in der Schicht
(REMBild+EDXMapping).
7 - 8 SIMS
Röntgenspektroskopie – EDX/EPMA
Für die Röntgenspektroskopie steht am REM ein EDX Detektor
(energiedispersive Röntgenanalyse) zur Verfügung sowie eine
Elektronenstrahlmikrosonde (EPMA; wellenlängendispersive
Röntgenanalyse). Beide Methoden ermöglichen die qualitative
und quantitative chemische Elementanalyse mit hoher
Orts- und Tiefenauflösung und hoher absoluter Genauigkeit.
Beide Methoden eignen sich für den Nachweis fast aller
Elemente - bis auf H, He, Be und Li, wobei eine Ortsauflösung
von ca. 0,5 µm und eine absolute Genauigkeit von 1 bis 3
Prozent erreicht werden. Die Nachweisgrenzen liegen bei
0,1 - 0,01 Prozent. Durch Rastern des Elektronenstrahls ist
die Aufnahme von Elementverteilungsbildern möglich. Zur
Messung von Tiefenprofilen werden Schräg- oder Querschliffe
abgetastet. Eine kombinierte Bestimmung von Schichtdicke
und Zusammensetzung geht bei dünnen Schichten (≤ 300 nm)
auch zerstörungsfrei durch Bestimmung der Gesamtmassen-
belegung. Das Fraunhofer IST verfügt über umfangreiche
Erfahrungswerte zur quantitativen Analyse von Materialien,
die Metalle in Kombination mit »leichten« Elementen (B, C, N,
O, F) enthalten.
Durch ihren hohen Automatisierungsgrad bei der Messung ist
die EPMA auch zur Untersuchung großer Serien von Proben
(50–100 Stück) oder zur ortsabhängigen Messung (Linescans,
Mappings) etwa in der Produktkontrolle oder Schadensanalyse
geeignet.
Sekundärionenmassenspektrometrie – SIMS
Bei der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) wird die
Probenoberfläche von einem Ionenstrahl Lage für Lage ab-
getragen. Ein Massenspektrometer ermöglicht die chemische
Charakterisierung des abgetragenen Materials.
Die Vorteile
� Quantitative Konzentrations-Tiefenprofile im Bereich weniger Nanometer bis einiger Mikrometer Tiefe
� Chemische Untersuchung von Grenzflächen und Oberflächen
� Nachweis von Spurenelementen mit sehr hoher Empfind-lichkeit (< 1 ppm)
� Nachweis aller Elemente (auch Wasserstoff)
� Erstellung von Tiefenprofilen auch auf technischen Objekten wie Bauteilen oder Werkzeugen
SIMS-Tiefenprofil einer TiCN-Schicht mit Zwischenschichten.
C Ti N Fe H
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4 5Tiefe [µm]
Kon
zent
ratio
n [%
]
7 8
Die Kalibrierung der Konzentrationen ist bei der Sekundärio-
nenmassenspektrometrie eine besondere Herausforderung,
da die Rohintensitäten durch Matrixeffekte um viele
Größenordnungen schwanken können. Möglich wird sie
durch Verwendung der Cs+-Cluster Methode und durch einen
Fundus von über 300 verschiedenen Eichmaterialien, die als
angepasste Kalibrierstandards verwendet werden. Besonders
viel Erfahrung besteht im Bereich tribologischer Schutzschich-
ten (DLC, Metall-DLC, Nitride, Carbide, etc.) und optischer
Vielschichtsysteme mit metallischen und oxidischen Schichten
im Bereich weniger Nanometer Dicke. Anwendungen kommen
aus allen Bereichen des Maschinen- und Werkzeugbaus, der
Automobilindustrie, der Glasbeschichtungsindustrie sowie den
Bereichen dekorative Schichten und Konsumgüter.
SIMS-Tiefenprofil einer Low-E Architekturglasbeschichtung.
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 120Tiefe [nm]
Kon
zent
ratio
n [%
]
ZnOSiN
SnO2
ZnO
TiONSiO2
TiON Ag
N O Si TiZn Nb Ag Sn
Röntgenreflektometrie – XRR
Mittels der Röntgenreflektometrie (XRR) lassen sich Schicht-
dicke, Dichte und Grenzflächenrauhigkeiten von ultradünnen
Schichten und Schichtsystemen auf sehr glatten Substraten
bestimmen. Der erfassbare Schichtdickenbereich liegt bei
etwa 2–200 nm. Substrate sollten vorzugsweise Glas oder
Silizium-Wafer sein. Bei der Schichtdickenbestimmung werden
Genauigkeiten von ~ 0.2 nm erreicht. XRR ist eines der we-
nigen Verfahren, das eine Dichtebestimmung ohne Wägung
ermöglicht und auch die Rauhigkeit von »vergrabenen«
inneren Grenzflächen zwischen Schichten bestimmen kann.
Layer Dichte [g/cm3] Dicke [mm] Rauheit [nm]
SiO2 1,9 - 0,71
ZnO 4,6 18,99 1,19
Ag 9,5 9,47 1,93
Reflektometriekurve einer Ag-ZnO-Doppelschicht auf Glas.
Bestimmung von Dichte, Dicke und Rauhigkeit
Einfallswinkel (°)
Inte
nsitä
t
0
1
10
100
1.000
10.000
100.000
1.000.000
10.000.000
0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0
Röntgenbeugung – XRD
Die Röntgenbeugung (XRD) ist eine vielseitige Technik zur
Untersuchung der Struktur kristalliner Materialien. Neben der
Bestimmung kristallographischer Phasen ist die Ermittlung von
Korngrößen, Texturen und Eigenspannungen möglich. Die
Untersuchung kann sowohl an flachen als auch an gewölbten
Bauteiloberflächen durchgeführt werden. Ein Spezialgebiet des
Fraunhofer IST ist die Charakterisierung dünner Schichten
(Mikrometer bis Nanometer).
Diffraktogramme von Pb-Zr-Titanat-Schichten, hergestellt
mit unterschiedlichen Prozessparametern, gemessen im
streifenden Einfall.
0
100
400
Intensität
Position [°2Theta]
20 30 40 50 60 70 80 90 100
9 XRD-Polfiguren einer
galvanischen NiSchicht.
10 Inverse Polfigur der
NiSchicht, berechnet aus der
Orientierungsverteilungs
funktion (ODF).
11 Röntgendiffraktometer
12 XPS Gerät
9 10
Röntgenphotoelektronenspektroskopie – XPS
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie ist ein
Verfahren zur chemischen Analyse, das sich durch besondere
Oberflächenempfindlichkeit mit einer Signaltiefe von ca. 5 nm
auszeichnet. Durch Röntgenbeschuss werden Photoelektronen
erzeugt, deren Energie aufgrund elementspezifischer Ener-
gieniveaus Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung
zulässt (alle Elemente außer H und He). Die Nachweisgrenze
liegt bei etwa 0,1 Prozent, während sich die Analysengenauig-
keit im Prozentbereich bewegt. Mit dieser Methode lassen sich
selbst Monolagen oder geringste Oberflächenverunreinigun-
gen analysieren.
XPS-Spektren einer 50 nm Ni-Ag-Schicht vor und nach
Abtrag (ca. 30 nm) der Oberfläche. Das Ag ist an der Ober-
fläche angereichert.
900 850
0
2
4
6
380 360 340
Ag-3d
Inte
nsitä
t
Bindungsenergie [eV]
Ni-2p
5% Ni90% Ni
nach Herstellung nach Absputtern
Häufig besitzt die Oberfläche von Materialien oder Beschich-
tungen aufgrund von Reaktionsschichten, Adsorbaten oder
oberflächenspannungsgetriebener Prozesse eine andere
Zusammensetzung als das Grundmaterial. In Kombination mit
ionenstrahlinduzierter Erosion (Sputtern) lassen sich beispiels-
weise Oberflächenanreicherungen identifizieren und Tiefen-
profile von 100 nm Tiefe und mehr erstellen.
XPS bietet auch die Möglichkeit, Aussagen über Bindungszu-
stände, Oxidationszustände oder den Anteil unterschiedlicher
Bindungspartner beispielsweise bei Polymeren (z. B. CH2, =CH
und -CH2-O) zu treffen, da die chemische Umgebung eines
Atoms die Energieniveaus der Elektronen beeinflusst.
C-Peak einer XPS-Messung an PET-Folie. Die unter-
schiedlichen Bindungspartner der Kohlenstoffatome führen
zu einer Peakaufspaltung
294 292 290 288 286 284 2820
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
cts
Bindungsenergie [eV]
Bindungspartner
-CH2 / = CH
-C(O)-O (Estergruppe)
-CH2-O (Estergruppe)
Sattellitenpeak
11 12
Mikrotribologie
Mit dem gleichen Gerät lassen sich auch Reibungs- und Ver-
schleißtests auf Mikrometerflächen durchführen. Dabei wird
eine konische Diamantspitze mit definierter Last lateral über
die Oberfläche geführt und Reibung und Verschleiß bestimmt.
Darüber hinaus sind Ritztests mit steigender Last (siehe Grafik),
oszillierende Tests mit konstanter Last oder Flächenverschleiß-
tests möglich. Mit diesem Verfahren können auch an sehr
dünnen Schichten (Dicke 5–500 nm) Scratch- und Verschleiß-
tests durchgeführt werden, was mit konventionellen Ritz- oder
Tribotests nicht möglich ist.
Mikroscratchtest mit steigender Last auf AF45 Glas.
Maximallast 3,6 mN.
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7Laterale Verschiebung [µm]
Eind
ringu
ngst
iefe
[nm
]
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3-360 0 360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 3240 3600 3960
Last [µN]
Reibungskoeffizient
Tiefe unter Last Reibungskoeffizient
Scan nach dem ScratchScan vor dem Scratch
Nanoindentierung
Die Nanoindentierung erlaubt die lokale Bestimmung von
Härte und Elastizitätsmodul an ultradünnen Schichten
(> 300 nm) mit einer lateralen Auflösung im Mikrometerbe-
reich und ermöglicht damit auch lokale Härtemessungen oder
Härtemappings an inhomogenen Proben. Daneben können
mittels Kriech- oder Relaxationstests auch die viskoelastischen
Eigenschaften von Polymerschichten oder etwa das Selbsthei-
lungsverhalten von Kratzern in Lacken charakterisiert werden.
Serie von Nanoindents durch eine CrN-Ausscheidung in
nitriertem Stahl.
2 400
10
20
30
6 8 10
H (G
Pa)
Abstand [µm]
(a)
800 Å5 µm
13 14
13 Nanoindentoreindruck in
Polymerschicht.
14 Mikroscratch in
Quarzglas.
15 CLMBild von mikro
strukturiertem Gitter nach
Tribotest.
16 AFMBild eines SQUID
Sensors.
Konfokales Lasermikroskop – CLM
Das konfokale Lasermikroskop erlaubt dreidimensionale
optische Abbildungen von Oberflächen. Das Bild wird erzeugt,
in dem die sehr scharf definierte Fokusebene vertikal durch
das Objekt gefahren wird. Die laterale Auflösung liegt dabei
im Bereich von 1 µm, die Höhenauflösung erreicht dagegen
wenige Nanometer. Das Verfahren liefert innerhalb von weni-
gen Minuten quantitative Informationen unter anderem über
Oberflächentopografie, Rauhigkeit, Stufenhöhen, Steigungs-
winkel oder Partikelgrößen. Im Vergleich zu taktilen profilome-
trischen Verfahren ist es deutlich schneller und es können auch
weiche oder instabile Oberflächen, wie z. B. Polymere oder
Pulver abgebildet werden. Bis zu einem gewissen Grad kann
auch durch transparente Deckschichten hindurch gemessen
werden (Linescan Pitgrid).
Höhenprofil eines Punktgitters. (2. Seite, Bild 1)
00 50
Abstand [µm]
Höh
e [µ
m]
100 150
10
20
15 16
Rasterkraftmikroskopie – AFM
Für höhere Auflösungen eignet sich das Rasterkraftmikroskop
(AFM). Dabei wird die Oberfläche mittels einer ultrafeinen
Spitze abgetastet und auf diese Weise ein 3-D-Bild der Ober-
fläche generiert. Hier werden laterale Auflösungen von 1–10
nm erreicht und vertikale Auflösungen von unter 1 nm. Mono-
lagenstufen können aufgelöst werden. Das AFM eignet sich
besonders zur Charakterisierung extrem glatter Oberflächen.
Über Reibungsmikroskopie oder Modulationstechniken lassen
sich Materialkontraste darstellen.
Auch beim AFM lassen sich Rauhigkeit, Stufen oder Korngrö-
ßen vermessen, aber auch komplexere Größen wie Skewness,
Kurtosis, Power Spectral Density, etc. Mit dem Gerät am
Fraunhofer IST können nicht nur kleine Proben, sondern Pro-
ben von bis zu 10 cm Durchmesser und 3 cm Dicke untersucht
werden.
Ritztest
Der Ritztest (Scratch-Test) dient zur Ermittlung der Haftfestig-
keit zwischen Beschichtung und Grundwerkstoff. Dabei wird
ein Diamantstift mit steigender Last über das zu prüfende
Schichtsystem gezogen. Die entstandene Ritzspur wird dann
ausgewertet. Während der Ritzprüfung können verschiedene
Schichtdefekte wie Rissdefekte und Abplatzungen beobachtet
werden. Mittels mikroskopischer Betrachtung können z. B.
Schichtablösungen analysiert werden. Als ein Maß für die
Schichthaftung wird die kritische Last ermittelt, bei der erste
Abplatzungen zu beobachten sind. Zusätzlich werden wäh-
rend der Messung Reibungskraft und akkustische Emissionen
registriert, die die Interpretation der Ergebnisse unterstützen.
Ritztest an DLC auf Stahl. Kritische Last bei 35 N.
Normalkraft [N] Akkustische Emission [%]
Eindringtiefe [µm]Reibungskoeffizient
Distanz [mm]
50
40
30
20
10
0
0
6
12
18
24
30
0,2
0,1
1 10 20 30 40 50
0 1 2 3 4 5
100 %
80 %
60 %
40 %
20 %
0 %
Kalottenschliffverfahren
Mit dem Kalottenschliffverfahren lässt sich die Verschleißbe-
ständigkeit von Schichten und Oberflächen präzise bestim-
men. Eine mit Abrasivflüssigkeit benetzte Stahlkugel, die sich
gegen die Probe dreht, schleift eine Kalotte (Kugelkappe) in
die zu prüfende Schicht. Aus dem Volumen der Kalotte lässt
sich der Verschleißkoeffizient berechnen. Das Verfahren eignet
sich zur Prüfung von Schichten mit Schichtdicken ≥ 1 µm. Der
Abrasivverschleiß reagiert sehr empfindlich auf Änderungen
der Schichtzusammensetzung und Struktur und kann daher
als Kenngröße für die Bewertung der Schichtqualität in der
Fertigung herangezogen werden.
Ergebnisse des Kalottenschliffverfahrens.
Verschleißkoeffizienten von Stahl und Hartstoffschichten.
500
1
10
100
10 15 20
Ver
schl
eißr
ate
[m3 m
-1N
-110
-15 ]
Anzahl der Messungen
DLCTiNStahl 100 Cr6
17 18 19
17 KalottenVerschleißtester.
18 ScratchTester.
19 ScratchSpur
mit Rissbildung und
Schichtabplatzungen.
20 PinonDisc Tester.
21 ImpactTester mit
Schadens bild eines be
schichteten Kolbenrings.
Tribometer
Mit Tribometern wird das Reibverhalten von Werkstoff-
paarungen untersucht. Auf einem rotierenden Prüfkörper wird
ein Gegenkörper, z. B eine Stahlkugel, mit definierter Normal-
kraft (ca. 5 N) aufgebracht (Pin-on-Disc). Aus Reibkraft und
Normalkraft wird der Reibungskoeffizient berechnet. Tribolo-
gische Untersuchen werden herangezogen, um für technische
Bewegungssysteme reibungsarme und verschleißfeste Werk-
stoffpaarungen zu ermitteln.
Das Fraunhofer IST verfügt über spezielle Hochtemperatur-
tribometer für Prüftemperaturen bis 1000 °C sowie über
Hochlasttribometer mit Normalkräften im Bereich von 10 bis
1000 N. Untersuchungen unter Anwendung flüssiger Schmier-
mittel sind ebenfalls möglich.
Reibungskoeffizienten von Stahl und Hartstoffschichten
gegen eine Stahlkugel.
DLCTiNStahl 100 Cr6
0
0,4
0,2
0,6
0,8
1,0
Reib
koef
fizie
nt [µ
]
20 21
Impact-Test
Beschichtungen werden zunehmend dort eingesetzt, wo die
Festigkeit der technischen Bauteile nicht mehr ausreichend ist.
Die steigenden Ansprüche an technische Bauteile resultieren
aus erhöhten Temperaturen, erhöhten Betriebsdrücken sowie
verlängerten Serviceintervallen.
Für die Gewährleistung der Funktionssicherheit einer Beschich-
tung sind das Ermüdungsverhalten und die Schichthaftung
zentrale Kenngrößen. Mit dem am Fraunhofer IST verfügbaren
Impact-Test können Aussagen über die Dauerfestigkeit von
Schichtsystemen getroffen werden. Eine fest eingespannte
Kugel hämmert mit Kräften von bis zu 5 kN und einer
Frequenz von ca. 50 Hz auf den Prüfling. Es können Prüfungen
mit bis zu einer Millionen Zyklen durchgeführt werden. Diese
dynamische Beanspruchung kann den Werkstoff schädigen.
Das Schadensbild (Verformung, Schichtabplatzungen oder
Risse) wird visuell ausgewertet, und es können Lebensdauer-
eigenschaften für diese Art der Beanspruchung spezifiziert
werden.
kontAktFraunhoferInstitut für Schicht
und Oberflächentechnik IST
Bienroder Weg 54 E
38108 Braunschweig
Dr. Kirsten Schiffmann
Leiter der Abteilung
»Analytik und Qualitätssicherung«
Telefon +49 531 2155577
20
17
10
27