Duplex-Plasma-Oberflächenbehandlung von Aluminiumkolben Oberflächenfunktionalisierung durch Duplex-Plasmatechnologie (ODPat) Tobias Slawik Fraunhofer IWM Effizienzfabrik-Treff "Ressourceneffiziente Oberflächentechnik" Frankfurt, 15. November 2011 1 www.mikrotribologiecentrum.de
Agenda Projektmotivation Projektansatz Duplextechnologie Sputtern Nitrieren Verschleißschutzschicht Effizientere Beschichtungstechnik HF-Equipment-Model Prozessmonitoring Zusammenfassung und Ausblick 2 www.mikrotribologiecentrum.de
Projektmotivation Allgemeiner Trend in der Motorentechnik 100 90 80 PKW Otto, Aufgeladen 70 Spec. Power (kw/l) 60 50 40 30 PKW Otto PKW Diesel 20 10 LKW Diesel 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 3
Projektmotivation Allgemeiner Trend in der Motorentechnik 4
Verbundstruktur und Aufgaben Ressourceneffiziente Oberflächentechnik 5
Duplextechnologie für Aluminiumbauteile Ursprünglicher Lösungsansatz bis 200 C ca. 300 C 480-550 C Sputtern Vornitrieren Nitrieren Abschrecken (LN 2 ) Auslagern Nachnitrieren Beschichten Lösungsglühen Entfernen der Oxidschicht Al2O3 Barriere für Stickstoffdiffusion Aufrauhung durch Sputtern Nitrieren Hohe Diffusionsraten nur bei hohen Temperaturen Wärmebehandlung Integration in den Nitriervorgang Probleme: Hohe Temperaturen, Soliduslinie, Abschrecken * Patent eingereicht Beschichten 6
Concentration [at%] Concentration [at%] Entfernung der Oxidschicht mittels Ar-H-Plasma Nachweis mittels SIMS Aluminiumprobe mit einer SiH 4 -Schicht als Reoxidationsschutz Fraunhofer IST: Willich/Schiffmann:26 January, 2010: MCs+ -SIMS Quantitive Depth Profile: FhG-IWM : Meier : #39 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 vor Sputterschritt 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Depth [µm] H C N O Al Si Ar 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Fraunhofer IST: Willich/Schiffmann:26 January, 2010: MCs+ -SIMS Quantitive nach Sputterschitt Depth Profile: FhG-IWM : Meier : #47 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Depth [µm] H C N O Al Si Ar 7
Aluminiumnitrierung Hochtemperatur-Hochdruck-HF-PECVD-Technik 8
Aluminiumnitrierung Hochtemperatur-Hochdruck-HF-PECVD-Technik GDS-Analyse der AlN-Schicht DLC-Haftungstest auf AlN-Schicht Vickers Eindurck keinerlei Rissbildung 9
Diffusionsprozesse beim Nitrieren Theoretische Betrachtung Beschränkungen beim Nitrieren : Diffusion des Al durch AlN-Schicht Sputterprozesse an der Oberfläche Telbizova et al, Appl. Phys. Lett. 76-11 (2000) 1404-1406 Initiale AlN-Schicht bildet sich Für weiteres Schichtwachstum ist Al-Diffusion durch AlN-Schicht erforderlich Diffusionsanteil Sputteranteil 10
Diffusionsprozesse beim Nitrieren Theoretische Betrachtung Zwei Bereiche können unterschieden werden: Dünne AlN-Schicht Sputtern gegenüber Diffusion vernachlässigbar Schichtwachstum mit: Sputtern und Diffusion halten Finale Schichtdicke erreicht sich die Waage (temperaturabhängig) Vergleich mit erreichter Nitriertiefe: gemessene Schichtdicke nach 4 Stunden: 1,5µm Annahme: Sputtern spielt keine Rolle Schichtdicke in Abhängigkeit von t: Zeitaufwand für 100µm: ca. 18000h = 2Jahre! 11
Duplextechnologie für Aluminiumbauteile Spezielles PECVD-Verfahren zur Kavitäten-Beschichtung Ergebnisse: Extrem gute Haftwirkung durch AlN Max. Pressung in Kolbennut von 80 MPa Schematische Darstellung: Eindringen eines Plasmas in Kavitäten ist plasmaphysikalisch problematisch Plasma Kolbennut Schichtsystem: 5-10µm DLC auf AlN-Interface Entwicklung eines speziellen kontinuierlichem PECVD-Verfahrens zur Beschichtung von sehr schmalen Kavitäten Stabilisierung des Prozesses über plasmadiagnostische Verfahren 12
DLC-Echtkolben-Beschichtung Spezielles PECVD-Verfahren zur Kavitäten-Beschichtung 13
DLC-Echtkolben-Beschichtung Spezielles PECVD-Verfahren zur Kavitäten-Beschichtung Prozesssicherung Reduktion des Verzugs Abnahme der Schichtdicke in der Nutflanke beobachtbar Klassisches DLC Neuentwickeltes Verfahren Härte 1000-2500 HV 1000 HV E-Modul 70-180 GPa 70 GPa 14
Geplante Prüfstandsläufe Zeitraum 12/11 02/12 Floating-Liner-Test am optimierten Kolbendesign Modelltests: Kolbennut / Kolbenringflanke Kolbenhemd / Zylinderlaufbahn Modelltests: Pumpengehäuse und deren Axialscheiben 15
Mehrquellen-Hochtemperatur-PECVD-Anlage Prozesszusammenführung Duplexschichtsysteme ohne Prozessunterbrechung Zusammenführung der Einzelprozesse 16
Komplexität der PECVD-Technik Match-Box und Generator Effizienz Verlust ~ 80 % ~ 20 % HF-Leistung ins Plasma Depositionsprozess Substrat Relative Gaskonzentration Neutralteilchendichte Gasfluss vom Substrat Gasfluss von der Kammerwand Gastemperatur Ionenenergie Bias-Spannung Reinigungsprozess Ionenenergie Bias-Spannung Reinigungsprozess HF-Leistung ins Plasma Dunkelraum Ionen-Kollisionsrate 17
Effizientere Beschichtungstechnik Fingerprinting HF-Generator Lösung: Fingerprinting Identifikation und Überwachung der prozessrelevanten Plasmaparametern Vorteil: Erhöhte Reproduzierbarkeit Weniger Ausschuss Mögliches Entgegensteuern bei Kenntnis der Abhängigkeiten Prekursorfluss HF-Zuleitung, Matchbox Plasma Depositionsmechanismus Schichteigenschaften 18
Effizientere Beschichtungstechnik Plasmamonitoring Klassisches Prozessmonitoring Überwachung einzelner Tooloder Plasmagrößen Projektziel Erfassung prozessrelevanter Plasmaparametern 19
Effizientere Beschichtungstechnik Self-Excited-Electron-Resonance-Spectroscopy Elektronendichte und elastische Kollisionsrate 20 Quelle: Plasmetrex, Plasma School
Intensität [n.e.] Effizientere Beschichtungstechnik Optische Emissionsspektroskopie Gastemperatur Simulation der Emissionsprofile zweiatomiger Moleküle Elektronentemperatur und absolute Teilchendichten Corona Modell 1,0 0,9 0,8 Gastemperatur 300 K 900 K 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 387,0 387,5 388,0 388,5 389,0 389,5 390,0 390,5 391,0 391,5 Wellenlänge [nm] Aktinometrie (Line-Ratio) 21
Effizientere Beschichtungstechnik Plasmamonitoring Projektziel: Erfassung von Plasmaparametern Identifikation prozessrelevanten Schlüsselgrößen Entwicklung eines Plasmamonitors Gastemperatur Korrelationen Toolparameter, Plasmaparameter, Schichteigenschaften PLASMAMONITOR (Electron-Resonance- Tomography) Quantitative und qualitative Bestimmung der Plasmazusammensetzung Elektronentemperatur Elektronendichte und Elastische Kollisionsrate 22
Effizientere Beschichtungstechnik Multivariate Diagramme Zur Identifikation der Prozessschlüsselgrößen und deren Abhängigkeiten 23
Zusammenfassung und Ausblick Duplextechnologie für Aluminium Prozessentwicklung: Entwicklung eines speziellen, kontinuierlichen Duplex-PECVD-Verfahrens zur Kavitäten-Beschichtung von Aluminiumbauteilen Stabilisierung des Prozesses über plasmadiagnostische Verfahren Prüfstandtests ab Dezember Prozesszusammenführung mittels neuer Mehrquellen-Hochtemperatur-PECVD-Anlage 24 Prozessüberwachung: Aufsetzen HF-Equipment-Model Erfassung prozessrelevanter Plasmaparameter Identifikation der Prozessschlüsselgrößen und deren Abhängigkeiten
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