Table Of ContentOptische in situ Me8techniken bei der Entwicklung und
Anwendung von plasmaunterstiitzten
Oberflachentechniken fUr raumlich ausgedehnte und
komplexe Geometrien
Von cler Fakultiit Konstruktions-uncl Fertigungstechnik cler Universitiit Stuttgart zur
Eriangung cler Wiircle eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhancllung.
Vorgelegt von:
DipI.-Ing. Peter Stratil
Hauptberichter: Prof. Dr. h. c. mult. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke
Mitberichter: Prof. Dr. rer. nat. A. Lunk
Tag cler Einreichung: 19.6.1995
Tag cler miinclIichen Priifung: 25.7. I 996
Peter Stratil
Optische in situ MeBtech
niken bei der Entwicklung und
Anwendung von plasmaunter
stutzten Oberflachentechniken
fur raumlich ausgedehnte und
komplexe Geometrien
Mit 96 Abbildungen und 14 Tabellen
Springer
Dr.-Ing. Peter Stratil
Fraunhofer-Institut liir Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Praf. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universităt Stuttgart
Prăsident der Fraunholer-Gesellschaft, Munchen
Praf. Dr.-Ing. Dr. h. c. E. Westkămper
o. Professor an der Universităt Stuttgart
Fraunhofer-Institut liir Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Praf. Dr.-Ing. habil. Praf. e. h. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Prolessor an der Universităt Stuttgart
Fraunholer-Institut far Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Stuttgart
D 93
ISBN 978-3-540-64400-2 ISBN 978-3-642-47916-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-47916-8
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gOltigen Fassung zulăssig. Sie ist grundsătzlich vergOtungspilichtig. Zuwiderhandlungen
unterliegen den Stralbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1998.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1998
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wăren und daher von jedermann benutzt werden dOrften.
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Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim
SPIN 10677566 62/3020-543210
Geleitwort der Herausgeber
Ober den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer marktwirtschaftlichen
Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt. Das bedeutet, moglichst frOhzeitig
absatzmarktorientierte Anforderungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und
darauf zu reagieren.
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und eroffnen neue
Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechnologien verwandeln signifikant
und nachhaltig unsere industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Verande
rungen signalisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unseren Indu
striebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und anspruchsvoller ge
worden. Die Integration des europaischen Marktes, die Globalisierung vieler Industrien,
die zunehmende Innovationsgeschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft
und die Obergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung die Wirt
schaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den FOhrungskraften erweiterte Perspek
tiven und Antworten, die Ober den Fokus traditionellen Produktionsmanagements deut
lich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten Bereich sind heute
schon feste Bestandteile innovativer Unternehmen. Die Entkopplung der Arbeitszeit von
der Betriebszeit, integrierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, welche die aktuellen Entwicklungsrichtungen kennzeich
nen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Menschen in den Mittelpunkt der
Arbeitsgestaltung zu stellen - die traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze
weichen einer starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizierungspro
gramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterentwicklung gewinnen als Diffe
renzierungsmerkmal und als Zukunftsinvestition in Human Resources an strategischer
Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses BemOhen durch die Entwicklung von Methoden
und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems
Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stOtzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusammenarbeit mit anderen
Disziplinen, z. B. der Informatik, der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswissen
schaft, Losungen zu erarbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung
tragen.
Die von den Herausgebern langjahrig geleiteten Institute, das
- Institut fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fOr Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT),
- Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA),
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeig
ten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter
haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefOhrt, die fOr die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriften
reihe ..IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt
diese Reihe fort. Eine Obersicht Ober bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses
Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fOr die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer-Verlag fOr die Auf
nahme dieser Schriftenreihe in seine Angebotspalette und der Druckerei fOr saubere und
zOgige AusfOhrung. Mage das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H. J. Warnecke E. Westkamper H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und im Rahmen eines
interdisziplinaren Forschungsprojektes des Fraunhofer Instituts fUr Produktionstechnik und
Automatisierung IPA Stuttgart mit den den franzosischen Instituten: L.P.LA.M. Laboratoire Plasmas
Reactifs en Interaction Avec les Materiaux (CNRS / ONERA) sowie am L.P.G.P. Laboratoire de
Physique des Gaz et des Plasmas, Universite Paris-Sud, Orsay.
Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr. h. c. mult. Dr. -Ing. H.-J-Warnecke fUr die groBzUgige UnterstUtzung
und Forderung welche die Durchflihrung dieser Arbeit ermoglichte.
Herrn Prof. Dr. rer. nat. A. Lunk danke ich fUr die eingehende Durchsicht der Arbeit und die wertvollen
Hinweise, die sich daraus ergaben.
DarUber hinaus danke ich allen Mitarbeitern der Institute die durch kritische Anregungen, konstruktive
Diskussionen aber auch durch ihre Hilfsbereitschaft und Motivation zu dieser Arbeit beigetragen
haben. Mein besonderer Dank gilt den Herren Dr. K. Melchior, Dr.-Ing. D. Mann, Dr.-Ing. W. Olbrich,
Fr. Dill und Hr. P. Willems. FUr die UnterstUtzung an den franzosischen Instituten mochte ich
insbesondere den Herren Dr. J. Jolly, Dr. J. Perrin, Dr. G. Baravian, Dr. G. Sultan, Dr. P. Kae-Nun und
Dr. M. Ganz danken, mit denen sich Uber die sehr fruchtbare Zusammenarbeit auch eine
freundschaftliche Verbundenheit entwickelt hat.
Der RUckhalt meiner Familie und guter Freunde, die geholfen haben auch schwierige Situationen zu
bestehen, motivierte mich immer wieder bei der DurchfUhrung dieser Arbeit. Ich widme daher dieses
Buch meinen Eltern und Sylvie.
SaarbrUcken, September 1997 Peter Strati I
InhaItsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ..................... .......... ............ ....................... ......................... 9
o
Abkiirzungsverzeichnis .. .......... .... ...... ........ .... ...... ... ......... ..... ...... ...... ...... ....... II
Einleitung ....................................................................................................... 15
I. 1 Entwicklungsbedarfund L5sungsstrategie ..................................................... 17
I. 2 Motivation und Aufgabenstellung .................................................................. 18
2 Einteilung der plasmaunterstUtzten Oberflachentechnologie ......................... 19
2. I Prinzipien der plasmaunterstUtzten Oberflachentechnik ................................ 21
2. 2 Grundlagen der Niederdruck-Glimmentladung .............................................. 25
2. 3 Druck, eine verfahrensbestimmende aul3ere Plasmagr5l3e ............................. 29
2. 4 GrundzUge der homogenen Plasma-Volumenreaktionen ............................... 32
2. 5 Inhomogene Plasma-Festk5rperinteraktion: Leuchtsaum und Kathodenfall . 37
2. 6 Reaktionskinetik ............................................................................................. 40
3 Technischer Stand plasmauntestlltzter Oberflachenprozesse ......................... 41
3. I PlasmaunterstUtzte Thermo-Diffusionsbehandlung ....................................... 41
3.2 Beschichtung aus der plasmaaktivierten Gasphase ........................................ 49
3.3 Amorphe, wasserstoffbaltige Kohlenstoffphase a-C:H ..................................... 57
3.4 Kombinationsprozesse und Verbundschichten ............................................... 61
3.5 Charakterisierung von Schicht-und Schichtverbundeigenschaften ............... 63
4 In situ Plasma-Diagnostik .............................................................................. 68
4. I Aktive und passive optische Plasmadiagnostik .............................................. 69
4. 2 Basisprinzip der optischen Emissionsspektroskopie (OES) ........................... 70
4. 3 Mel3technische Methodik der passiven OES .................................................. 74
4. 4 Aktive, laserunterstlitze optische Plasmadiagnostik ....................................... 82
4. 5 Wechselwirkungseffekte mit Photonen: Lichtstreuung .................................. 83
4. 6 Wechselwirkungseffekte mit Photonen: Induzierte Fluoreszenz ................... 84
4. 7 Anwendungsbeispiel: Spektroskopische Temperaturrnessung in Gasen ....... 86
10
5 Umsetzung der Plasmadiagnostik .................................................................. 90
5. 1 Vergleich experimenteIIer und industrieIIer Aufbauten ... ..... ..... ...... ..... ......... 90
5. 2 IndustrieIIer Aufbau ..... .... ..... .... .... ........ ...... ..... ........... ... .... ...... .... ...... ...... ........ 94
5. 3 Was, wie und wo detektieren? ....................................................................... 95
5.4 Lokale Plasmadiagnostik in groBvolumigen Reaktoren ................................. 98
5.5 ProzeBiiberwachung im Reaktionsvolumen ................................................... 102
6 Charakterisierung eines Plasmaprozesses .. ..... ... ..... .... .... ......... ...... ...... ...... .... 106
6. 1 EinfluB der Spannung und charakteristischen Stromdichte ............................ 108
6. 2 EinfluB der Gaszusammensetzung / Druck .................................................... 115
6.3 EinfluB der Frequenz ...................................................................................... 121
6. 4 Korrelation zu Schichteigenschaften .............................................................. 124
7 Oberpriifung der dargesteIIten Ansatze: Kombinationsbeschichtung ............ 128
8 Zusammenfassung und Ausblick .................................................................... 130
9 Literatur .......................................................................................................... 133
10 Anlagen: Wirkungsquerschnitte, Datensammlung Emissionslinien .............. 144
Abkiirzungen und haufig verwendeter BegrifTe
a-C:H Harte, amorphe Kohlenstoffschicht
ASE Verstiirkte spontane Emission (Amplified Spontaneous Emission)
CARS Koharcnt anti-Stokes Raman Streuung (Coherent anti-Stokes Raman scattering)
DC Gleichstrom (Direct Curent)
LIF Laser Induzierte Fluoreszenz (Laser Induced Fluorescence)
OES Optische Emissionsspektroskopie
PACVD Plasmaaktivierte Abscheidung aus der Gasphase (Plasma Asissted Chemical Vapor
Puis-DC Gepulster Gleichstrom Deposition)
PVD Abscheidung auf der Basis physikalischer Gasphasenverfahren (Physical Vapor
RF Radiofrcqucnz Deposition)
ThG Thermodynamisches Gleichgewicht (LTE Local Thermal Equilibrium)
DS Diffusionsschicht
EVF Energieverteilungsfunktion
GVF Geschwindigkeitsvcrteilungsfunktion
KF Kathodenfall
NhT Nitrierhartetiefe
OPAG Oberflachcntechnik auf Basis plasmaaktivierten Gasphasen
PS Plasmasaum
RT Raumtcmpcratur
VS Verbindungsschicht
N aturkonstanten
Allgemeine Gaskonstante R 8,314510 J mol-I K-I
Avogadro Konstante NA 6,022134 *1023 motl
Boltzmann-Konstante k 1,380658 *10-23 J K-I
Elektronenmasse me 9,109389 *10-31 kg
Elementarladung e 1,60217733 *10-19 C
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum CO 299792458 ms-I
Plankschcs Wirkungsquantum h 6,626075 5 *10-34 J s
12
GroBe Einheit Bezeichnung
A, .. X Stoff-oder Teilchenbezeichnung
[A], .. [X] % Stofikonzentration in einem Gasgemisch
Aji Koeffizient der spontanen Emission
Ar Korrekturfaktor bei Emission iiber Zwischenstufen
BG m Breite eines Gitterstriches
BV molekulare Rotationskonstante
dG m Abstand einzelner Gitterstriche
dlon m Eindringtiefe von loneR in die Fe stkorperoberflache
dKF m Ausdehnung des Kathodenfalls in einer Glimmentladung
Ee eV minimale Anregungsschwelle eines Teilchens
E*ionis eV lonisierungsniveau
E,L'iE W Energie, Energiedifferenz
EO eV energetischer Grundzustand eines Teilchens (Atom, Molekiil)
Eele elektronische Energie eines Molekiils
Ei, Ej eV Energieniveaus eines Atoms oder Molekiils
Elon, EM Energie eines Ions; Energie eines Molekiils
Eji eV Energiedifferenz zweier Besetzungsniveaus
Erot Rotationsenergie eines Molekiils
Evib Schwingungsenergie eines Molekiils
E Vim elektrisches Feld E
f lis Frequenz
foe lis Pulsfrequenz einer DC-Glimmentladung
fE(a) Energieverteilungsfunktion freier Elektronen
FR N Reibkraft
gji statistischer Gewichtsfaktor
I A Stromstarke, Gesamtstrom
1(1..) W/m' Intensitat eines Lichtwelle
1(1') W/m' Intensitat einer Emissionslinie einer Rotationsbande
ICH,IX(A) W/m' Emissionsintensitat eines Atomes oder Molekiils (bier: CH)
IEmis, W/m' Emissionsintensitat
IGl Aim' charakteristische Stromdichte in Glimmentladungen
Ipr Aim' aufgepragte Stromdichte (Strom bezogen auf ges. Kathodenoberflache)
Ionisationsgrad von Teilchen
J' Quantenzahl
