6.7 Materialsynthese und Design
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- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (1)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (1)
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Eingeladener Vortrag
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3D coherence scanning interferometry (CSI) is anoptical, non-contact and rapide measurement technique using a defined bandwidth of white light at normal incidence. White light interference microscopy (WLIM) providest here-dimensional surface topometry data up to a resolution of 0.4 µm lateral and 0.1 nm vertical. Three operating modi, surface, films and advanced films, enable measurements of step heights, roughness, wear volume, cone angle, surface pattern and layer thickness. Traceability to SI system is ensured by certified standards (PTB/NIST) within a DAkkS DIN EN ISO/IEC 17025:2018 accredited lab.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is expected to from. These adsorbed layers have shown greate potential for technological applications. However, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. This is partly due to the hard accessibility of these layers in thin films. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. First, the growth kinetics of these layers is investigated as a function of annealing time, annealing temperature, leaching time and the original filme thickness. The film thickness, topography and the quality of the adsorbed layer is controlled by Atomic Force Microscopy (AFM). Secondly, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated by Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor arrangement is employed to measure the layer with a free surface. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the crystallinity of the framework. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by Electron Probe Microanalysis (EPMA) with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) at an SEM.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the crystallinity of the framework. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by Electron Probe Microanalysis (EPMA) with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) at an SEM.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the crystallinity of the framework. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by Electron Probe Microanalysis (EPMA) with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) at an SEM.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the crystallinity of the framework. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge for modern analytical techniques and requires approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by spectroscopic ellipsometry (SE).
Mesoporous iridium oxide - titanium oxide (IrOx-TiOx) films were prepared via dip-coating of a solution containing a triblock-copolymer as structure-directing agent, an iridium precursor as well as a titanium precursor in ethanol. Deposited films with different amounts of iridium (0 wt%Ir to 100 wt%Ir) were synthesized and calcined in air. The thin films were analyzed with SE using the Bruggeman effective medium approximation (BEMA) for modelling. The results were compared with electron probe microanalysis (EPMA) as part of a combined SEM/EDS/STRATAGem Analysis.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile wie z.B. das Verbinden schwieriger Materialklassen, geringe thermische Belastung (Strukturveränderung/-schwächung) der Fügepartner und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen ist dabei ebenfalls vielfältig. Einige Polymere weisen darüber hinaus Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Klebverbindungen erschweren. Mittels Oberflächenbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. –aktivierung, können die Grenzflächern solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteilpartner – optimiert werden. Schnelle Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbundeigenschaften sind somit erforderlich.
Das Messprinzip Centrifugal Adhesion Testing Technologie verwendet die radial gerichtete Zentrifugalkraft als Belastungsgröße des zu testenden Verbunds, die durch Variation der Drehzahl gesteuert wird. Bei Erreichen der kritischen Beanspruchung trennt sich ein aufgeklebter Prüfstempel vom Substrat. Zeitgleich wird ein positionsbezogenes IR-Signal aus dem drehenden Rotor an das Basisgerät gesendet und zusammen mit der Drehzahl an die PC-Software übertragen. Für jede Probe wird die Bruchkraft berechnet und in Echtzeit angezeigt. Der Adhesion Analyser LUMiFrac® untersucht bis zu acht Prüfkörper unter identischen Bedingungen. Das neue Messprinzip erfüllt die Anforderungen von DIN EN 15870, DIN EN 14869-2, ISO 4624 sowie DIN EN 13144.
Die Multiprobentestung ermöglicht schnelle Charakterisierungen von Klebverbindungen. So kann der Effekt einer Plasmabehandlung von Bauteilen auf die Verbundfestigkeit zeitsparend bestimmt werden. Die gezielte Veränderung unterschiedlicher Plasma-Parameter, wie beispielsweise, die Plasmazusammensetzung, der Abstand vom Plasmabrenner zur Oberfläche oder die Verweildauer unter dem Brenner, beeinflußt die Festigkeit des Klebsystems und ist dem LUMiFrac direkt quantifizierbar.
Neben der Festigkeitsbestimmung von Klebverbindungen ist die Haftung von Schichtsystemen ein wichtiger Anwendungsbereich. Ergebnisse für Zug- und Scherbeanspruchung, realisiert mit unterschiedlichen Prüfkörper-Geometrien, werden vorgestellt. Ferner werden verschiedene festigkeitsbeeinflussende Faktoren, wie Prüfgeschwindigkeit oder Substratverformung bei Beanspruchung untersucht
The in-situ monitoring of electrochemical deposition (ECD) processes is still a challenge regarding the measurement of the effective temperature of the substrate and the formation of mechanical stress in the layer under given plating conditions. Monitoring problems can be solved by applying a pre-coated fiber Bragg grating (FBG) to the electrolytic process as the shift of the Bragg wavelength is affected by both the temperature of the electrolyte near the substrate and the stress formation in the growing layer. The experimental FBG set-up and the quantitative determination of temperature- and stress-related strain is described for a nickel-iron electrolyte.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie z.B. das Verbinden unterschiedlicher Materialklassen, geringe thermische Belastung (und damit ggf. verbundene Strukturveränderung/-schwächung) der Fügeteile und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen sind dabei - wie die Applikationen auch - vielfältig. Es werden vier Applikationsbeispiele zu Referenzklebverbunden aus Edelstahl, zur Plasmaaktivierung von Niedrigenergie-Polymeren, zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Lackierungen auf GFK und zur Wirkung von Primern vorgestellt. Einige Polymere weisen z.B. Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Kleb-verbindungen erschweren. Im Allgemeinen geht dies mit geringen Oberflächenenergien einher. Mittels Oberflächenvorbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. Plasmaaktivierung, können die Grenzflächen solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteile (Klebfestigkeit) oder als Substrat (Haftfestigkeit) – optimiert bzw. die Oberflächenenergie erhöht werden. Schnelle, zuverlässige und statistisch abgesicherte Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbund-eigenschaften sind dabei unverzichtbar.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material, as well as the crystallinity of the framework. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution, we characterise thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by electron probe microanalysis (EPMA) with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) at an SEM.
Mesoporous iridium oxide - titanium oxide (IrOx-TiOx) films were prepared via dip-coating of a solution containing a triblock-copolymer as structure-directing agent, an iridium precursor as well as a titanium precursor in ethanol. IrOx-TiOx films were synthesized with different amounts of iridium and calcined in air. The SEM micrographs reveal for all films the achievement of a well-ordered mesoporous structure and homogeneous films with thicknesses between 67 nm and 152 nm.
For the determination of film elemental composition and porosity, EPMA can be used as part of a combined SEM/EDS/STRATAGem analysis. Elemental compositions and mass depositions (in μg cm-2) of IrOx-TiOx films were calculated with the thin film analysis Software STRATAGem via k-values measured with SEM/EDS. Pure bulk Ir, TiO2 and Si were measured as references. The average density of the films was obtained from the mass Deposition and the film thickness as measured by cross-section SEM. The porosity was then extracted from the measured average film density divided by a theoretical bulk density. The latter is calculated from the weight fractions of IrOx and TiOx as determined with STRATAGem and the bulk mass densities of IrO2 and TiO2 (rutil) from literature.
The fitting results of the k-values from the STRATAGem software, which are in fair agreement with the measured k-values.
The application of the SEM/EDS/STRATAGem approach for accurate porosity determination on pure mesoporous TiOx films and pure porous IrOx films has been recently demonstrated.
The porosities of pure IrOx, TiOx and mixed IrOx-TiOx films in this study have been determined. The contribution will assess in detail the advantages and limitations of the combined SEM/EDS/STRATAGem analysis for the morphology and porosity of thin metal oxide films. Moreover, the comparison with other measurement techniques and the combination of datasets from multiple measurements will be discussed.
Porous materials play an important role in several fields of technology, especially for energy applications like photovoltaics, electrolysis or batteries. The activity of thin porous films is affected by properties like porosity, film thickness, chemical composition of the material as well as the homogenous dispersion of the active species within the porous matrix. The complex morphology of such porous films constitutes a challenge even for modern analytical techniques and requires new approaches employing the combination/complementation of data of different analytical methods. In this contribution we characterize thin mesoporous iridium-titanium mixed oxide film properties by complementary analysis of SEM/EDS, ToF-SIMS, NanoSIMS, AES and spectroscopic ellipsometry.
Mesoporous iridium oxide - titanium oxide (IrOx-TiOx) films can be prepared by a well-established Synthesis route via soft-templating. IrOx-TiOx films are very sensitive to the conditions of synthesis. Analysis by SEM and NanoSIMS imaging suggests IrOx-TiOx films with and without a homogenous dispersion of IrOx within the TiOx film matrix under different synthesis conditions.
Auger electron spectroscopy (AES) analysis in the depth-profile mode as well as cross-section line-scan AES measurements of an inhomogeneous IrOx-TiOx film indicate the presence of an IrOx-rich Phase dispersion both at the surface of IrOx-TiOx film as well as within the film.
The contribution will assess in detail the sensitivity of the synthesis conditions and the characterization of the thin metal oxide films. Moreover, the correlation between and comparison to other measurement techniques will be discussed.
Heating oil storage tanks made of polyethylene grades have been on the market in Germany since the early 1970s. To ensure safety, their replacement is recommended by tank manufacturers after a period of 30 years. Polyethylene is subject to ageing by alteration of the properties during its life cycle. The degree of degradation and the nature of the process mainly depend on the chemical alteration of the polyethylene, the wall thickness of the tank and the environmental conditions. There are no data available on the long-term behaviour of the polyethylene grades, especially after a service life of more than 30 years.
The aim of this investigation was to find a suitable test method to determine the factual degree of damage in comparison to the uncontaminated polyethylene grades. Material data of the used polyethylene grades are available because the BAM was the competent authority for the tests and expert reports for the approval of these tanks until the middle of the 1990s. Therefore, tank sections from the bottom, the shell and the roof of 22 individual storage tanks produced of polyethylene grades A and B have been examined by Melt Flow Rate (MFR) and Attenuated Total Reflectance (ATR). Their service life was in the range between 20 and 41 years.
The MFR measurements of the tank sections showed differences in the values depending on the weight which was used (5 kg or 21.6 kg). An increase of the MFR was determined for the samples of polyethylene grade A, whereas a reduction of the MFR values was measured for most samples of polyethylene grade B. This grade is mainly subject to the internal ageing by cross-linkages, increased degree of branched molecules and loss of the plasticizer.
ATR analysis exhibits an absorption band at 909 cm‒1 predominantly in samples of polyethylene grade A indicating chain scission and concomitantly formed terminal vinyl groups. This absorption band can be used for the characterization of the ageing of the polyethylene grades.
Some critical discussion of the state of the art of uncertainty evaluationin Instrumented Indentation Testing IIT
Nowadays the Instrumented Indentation Testing (IIT), in the nano range often named as nano indention, is one of the most commonly used methods to determine the mechanical properties of materials in the micro and nano range. This method is already extensive standardized in ISO 14577 part 1-4. In the past, the application of this standard in testing praxis shows that the established values have an excellent precision.If an uncertainty is calculated, the range of values within which the true value is asserted to lie with some level of confidencewill be known. In part 1 of ISO 14577 [1] two methods for evaluation of the uncertainty in IIT are mentioned:
Method 1 for determining uncertainty considers only those uncertainties associated with the overall measurement performance of the testing machine with respect to the reference blocks.
Method 2calculates a combined uncertainty from individual contributions. These may be grouped into random and systematic uncertainties.
Both methods will be described in detail using examples from the dailyexperimental praxis. The comparabilityof both methods will be critically discussed. Finally, it will be showedhow the calculated uncertaintiescan be used for performancetests and product specifications.
Acknowledgement
This work was performed under the support of the EMPIR project 17NRM05Advancing measurement uncertainty̶ comprehensiveexamples for key international standards
References
[1] ISO 14577 part 1 (2017)
In der DIN EN ISO 14577 Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter sind die Durchführung und Auswertung des Verfahrens, sowie die Kalibrierung der zu verwendenden Prüfmaschine genormt. In dieser Norm werden auch grundsätzliche Aussagen zur Bestimmung der Messunsicherheit gemacht.
An Beispielen aus der täglichen Prüfpraxis werden verschiedene Möglichkeiten, aber auch die Grenzen der Bestimmung der Messunsicherheitbei der Instrumentierten Eindringprüfung beschrieben und kritisch diskutiert.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is formed. These adsorbed layers have shown enormous potential for technological applications. Due to the hard accessibility of these layers, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. Here, the irreversibly adsorbed layers of Poly(2-vinylpyridine) (P2VP) and Poly(vinyl methyl ether) (PVME) thin films are revealed by solvent-leaching experiments. The growth kinetics of these layers is investigated as a function of original film thickness and annealing times. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is determined with Atomic Force Microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry. Additionally, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor (NSC) is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer depending on annealing and solvent-leaching time. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is formed. These adsorbed layers have shown enormous potential for technological applications. The growth kinetics and molecular dynamics of these buried layers in thin films are still not fully investigated due to the hard accessibility. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. The growth kinetics of these layers is investigated as a function of original film thickness and annealing times. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is determined with Atomic Force Microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry. Additionally, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor (NSC) is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer depending on annealing and solvent-leaching time. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
The authors describe and interpret curvature-related changes to the ellipsometric readout. As model system for a concave curvature, a set of three spherical microscopic indents in silicon (100) of different sizes was prepared by instrumented indentation testing using a spherical indenter. For reference, these samples were characterized by AFM to reveal the topography of each structure. The concavelike indents were analyzed by Mueller-Matrix imaging ellipsometry to extract lateral intensity images of 12 elements of the Mueller-Matrix. As a result of the detailed analysis of the image elements m22, m23, and m14, it was possible to correlate intensity changes and symmetry properties to depolarization and cross polarization induced by the edge threshold and the curved surface of the indent.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometrie
(2019)
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen.
In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
In the last years, the implementation of imaging ellipsometry in the variety of optical characterization techniques has shown tremendous potential to analyze the topology of surfaces in the lateral dimension. In the later studies, this contrast-rich surface images were affiliated with changes of the refraction indices, Absorption bands or layer thicknesses. However, it was realized that additional factors like curvature or scattering can have a great Impact on the ellipsometric readout of the analyzed system. In this study, we focus on the systematic evaluation of structural anomalies and inhomogenities of several Basic systems. This includes spherical particles as a model for microscopic curved surfaces in a range of 0.25 to 25 μm in diameter. In the macroscopic regime several conventional convex lenses were analyzed. Additional affords were made to generate microscopic concave model systems by applying nanoindentation with a spherical indentation unit. With this method calottes with a depth of 0.04 to 2 μm and radius of 2.5 μm were made. The macroscopic counterpart is delivered by conventional concave lens systems. For all systems, a variety of different bulk materials was investigated. This includes metal oxides, metals and polymers as well as combinations of each by applying coatings on the bulk materials with different layer thicknesses.
To analyze these structural anomalies and inhomogenities properly, Mueller-Matrix imaging ellipsometry is the method of choice to address cross- and depolarization effects that occur due to the curved surfaces.
Supplementary methods were used for an independent characterization of the topological properties of all structural anomalies and inhomogenities. This includes AFM and SEM for the microscopic samples (microparticles and nanoindented holes) and white light interferometry for the macroscopic lenses.
This study results in a systematic screening of different coated and uncoated material systems with a topology that does not fit into conventional ellipsometry and thus is analyzed by Muller-Matrix imaging ellipsometry. This will help in quality control and is a contribution to the understanding of the polarizing effects of non-ideal Systems analyzed by ellipsometry.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometry
(2019)
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen.
In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
Ellipsometry has become a powerful measurement tool in semiconductor industry since the sixties of the last century.
Early standardization activities focused exclusively on SiO2/Si (ASTM F 576-01, SEMI 3624). The first generic standard dealing with ellipsometry is DIN 50989-1:2018 Ellipsometry – Part 1: Principles. Standardization is a prerequisite for accreditation according to DIN EN ISO/IEC 17025 and the evaluation of uncertainty budgets.
For the vast majority of ellipsometric measurements, the application of planar substrates is mandatory and requires a proper sample alignment prior to the measurement. Here, the authors present a generalized approach of how to extract the isotropic ellipsometric sample parameters from an imaging Mueller-matrix measurement even if the sample is significantly misaligned. They validate the method by layer-thickness calculations based on imaging Mueller-matrix measurements of flat crystalline silicon samples that were misaligned on purpose. Furthermore, they also exploit this method’s capabilities to perform spatially resolved layer-thickness measurements of a single-layer indium-tin-oxide coating on a fused-silica microlens without the need of realignment or repositioning of the sample during the measurement.
Outline
- maging ellipsometry: oncept and setup
- Basic theory: ellipsometry on tilted/curved surfaces
- Geometric considerations
- Tilt-induced cross-polarization
- Application: coating analysis on microlensarray
- Mueller-Matrix Imaging
- Conversion to Delta-Psi Image
- Layer-thickness of ITO coating
Im Fokus des Vorhabens steht das mit dem Innovationspreis Berlin-Brandenburg 2012 ausgezeichnete Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Festigkeitsprüfung unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge mit dem Ziel des Einsatzes in der Qualitätssicherung. Nachdem im MNPQ-Projekt QUO VADIS die grundsätzliche Anwendbarkeit der Zentrifugentechnologie auf Beanspruchungen auf Zug (Kleb-, Haft- und Verbundfestigkeit) nachgewiesen worden war, wurden im Vorhaben QUO VADIS PLUS folgende erweiterte Prüfszenarien und technische Weiterentwicklungen etabliert: 1. Beanspruchung auf Druck (Härte von Materialien, Kompressibilität von Schäumen, Kompaktierbarkeit von Pulvern), 2. Erweiterung der Beanspruchung auf Zug (Kombination von Normal- und Lateralkräften), 3. Erweiterung auf die Bewertung plasto-elastischenn Materialverhaltens, 4. Vermeidung von Schockwellen im Hochlastbereich
Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zerstörend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal: nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar
Mechanische, topometrische und optische Charakterisierung von Schichten mit Stand der Normung
(2019)
Der Vortrag „MECHANISCHE, TOPOMETRISCHE UND OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG VON SCHICHTEN MIT STAND DER NORMUNG“ widmet sich unterschiedlichen Beschichtungssystemen und deren mechanischer, topometrischer und optischer Charakterisierung. Über die entsprechenden aktuellen Normen wird informiert. Es betrifft Verfahren wie die Instrumentierte Eindringprüfung (IIT), Centrifugal Adhesion Testing, Weißlichtinterferenzmikroskopie, Tastschnittverfahren und Ellipsometrie (SE).
Der Vortrag gibt den aktuellen Stand der Normung im Bereich der Oberflächentechnik insbesondere der Oberflächenanalytik und der Oberflächenmess- und -prüftechnik wider. Vorgestellt wird der Status technischer Berichte, Normenentwürfe und Normen u.a. zur Bewertung von Auflösung und Schärfe mit strahlbasierten Methoden im Nanometer- und Mikrometerbereich, zur Messung von Schichtdicken und Nanopartikeln in kritischen Dimensionen einschließlich Größen- und Formverteilungen mittels REM, zur Messung der Schichtdicke von Nanomaterialien und zur Klassifizierung von Kohlenstoffschichten mittels Ellipsometrie, zur Standardisierung der Ellipsometrie, zur Kalibrierung von Konfokalmikros-kopen für die Formmessung, zur linear elastisch dynamischen instrumentierten Eindringprüfung, zur Messung der flächenbezogenen Masse mittels AAS und ICP, zur Schichtpotentialmessung von Mehrfach-Nickelschichten, zur Schichtdicken und Flächen-widerstandsbestimmung sowie zur Bestimmung der Schichthaftung mittels Zentrifugentechnologie.
Up until several years ago, tensile and compressive tests have been exclusively carried out as single-sample tests within a tensile, hardness or universal testing machine. The availability of centrifuge technology changed this situation in 2013 in several ways because centrifugal force is used as testing force within a rotational reference frame.
Firstly, multiple-sample strength testing became feasible for both tensile load condi-tions, e.g. determination of composite, bonding or adhesive strength, and compressive load conditions, e.g. hardness, compressibility and compactibility. Secondly, there is no need for a two-sided sample clamping and double-cardanic suspensions as samples are simply inserted using a one-sided sample support. Thirdly, shear forces can be avoided by means of guiding sleeves which steer test stamps acting as mass bodies for either tensile or compressive testing. Fourthly, up to eight samples can be tested under identical conditions within a very short period of time, typically within 15 minutes including sample loading and unloading. Hence, either a reliable statistics (of identical samples) or a ranking (of different samples) can be derived from one test run.
The bench-top test system is described in detail and demonstrated that centrifugal force acts as testing force in an appropriate way because Euler and Coriolis force do not affect the testing results. Examples for both tensile strength testing, i.e. bonding strength of adhesives-bonded joints and adhesive strength of coatings, and compres-sive strength testing, i.e. Vickers-, Brinell- and ball indentation hardness and deter-mination of spring constants, are presented, discussed and compared with conven-tional tests within tensile, hardness or universal testing machines.
At present, a maximum testing force of 6.5 kN can be realized which results at test stamp diameters of 5 mm, 7 mm, and 10 mm in tensile or compressive stress values of 80 MPa, 160 MPa, and 320 MPa. For tensile strength, this is already beyond bonding strength of cold- and warm-curing adhesives. Moreover, centrifuge technology is compliant to standards such as EN 15870, EN ISO 4624, EN ISO 6506/6507 and VDI/VDE 2616. Programmable test cycles allow both short-term stress and log-term fatigue tests. Based on a variety of examples of surface and bonding technology, applications in both fields R&D and QC are presented. Meanwhile, centrifuge technology is also accredited according to DIN EN ISO/IEC 17025.
Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zer-störend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal:nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar.
Der Vortrag widmet sich der „CAT-TECHNOLOGIE ZUR BESTIMMUNG DER HAFTFESTIGKEIT DÜNNER SCHICHTEN“ und beschreibt die Punkte „Motivation –CAT-Technologie“ (CAT: Centrifugal Adhesion Testing) und die „Haftfestigkeit von Schichten“, (Ag-Schichten auf N-BK7 Glas, Cr- und Al-Schichten auf Borofloat 33 Glas, Au-Schichten auf N-BK7 Glas und SiO2-Schichten auf CR39 Polymer) im Einzelnen.
Der Vortrag widmet sich der „ CAT-TECHNOLOGIE ZUR BESTIMMUNG DER KLEBFESTIGKEIT“ und beschreibt die Punkte „Motivation –CAT-Technologie (Centrifugal Adhesion Testing), Klebfestigkeit ( Materialscreening verschiedener Werkstoffklassen, Klebstoffscreening fürV2A gegenV2A als Referenz, Klebstoffscreening für Niedrigenergie-Polymere und Oberfächenmodifizierung von Niedrigenergie-Polymeren) und Verbundfestigkeit (“Stirnabzug vs. Zug-Scher-Prüfung an CFK) im Einzelnen.