Studie der Si-Diffusion in Übergangsmetalldiboriden mittels Sekundärionenflugzeitmassen spektrometer (TOF-SIMS)

Abstract

Die Nachfrage an neuen Ultrahochtemperatur-Materialbeschichtungen, mit einer Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit von über 1600 °C steigt kontinuierlich an, besonders für Flugzeugbestandteile, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind. Aufgrund ihrer einzigartig hohen Schmelzpunkte und hervorragenden mechanischen Eigenschaften gelten Materialien basierend auf dem Übergangsmetall Hafnium (Hf) wie Hafniumdiboride (HfB2) als vielversprechende Kandidaten für neue hochtemperaturbeständige Beschichtungsmaterialien. Auch die Diboride anderer Übergangsmetalle wie Chrom (Cr), Titan (Ti) oder auch Zircon (Zr) zeigen diese Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde das Diffusionsverhalten von Silicium (Si) in Chromdiborid (CrB2), Hafniumdiborid (HfB2) und Titandiborid (TiB2) -Dünnfilmen untersucht. Die Proben sind mit Hilfe eines hochauflösenden Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometers (TOF-SIMS) untersucht worden. Dieses Vorgehen ist eine herausragende und einzigartige Methode für die Analyse von festen glatten Oberflächen. Zur Unterstützung und Verifizierung der Messergebnisse wurden weitere Analysemethoden (REM, XRD) herangezogen. Die Herstellung der Dünnfilmschichten erfolgte durch Abscheidung mit Hilfe eines Hochenergieimpuls Magnetron-Sputter Verfahren an Silicium Wafern. Anschließend wurden die hergestellten Proben im Hochvakuum bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1200 °C für jeweils eine Stunde geglüht. Von diesen Proben wurden die Tiefenprofile mit Hilfe von TOF-SIMS erstellt. Mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) wurden Bilder zur genauen Betrachtung der Oberflächenbeschaffenheit aufgenommen und zur zusätzlichen Charakterisierung der einzelnen Isotopen wurde Röntgenbeugung XRD als unterstützende Analysemethode gewählt. Beim Auswerten der Messungen wurde festgestellt, dass die Proben für eine TOF–SIMS-Analyse einige Schwierigkeiten lieferten, da sie sehr schlechte Substrathaftung aufweisen, eine viel zu große Oberflächenrauigkeit besitzen und die Korngrößen viel zu fein sind, um vom Raster der TOF-SIMS sinnvoll erfasst werden zu können. Mit Hilfe einer Auswertesoftware der TOF-SIMS wurden einige potenzielle Bereiche (ROIs) auf den Proben ausgewählt und zur Interpretation der Ergebnisse herangezogen. Hierfür wurden Bereiche auf den jeweiligen Proben gewählt, die möglichst keine Krater und Risse aufwiesen, was zu sehr starken Einbußen der Signalintensität führte. Darunter leidet auch die Vergleichbarkeit der verschiedenen untersuchten Schichten zueinander. Grundsätzlich kann ein gewisser Nachweis der Diffusion von Silicium durch die verschiedenen Dünnfilmschichten nachgewiesen werden. Was auf jeden Fall einen positiven Effekt auf die Verbesserung der Materialeigenschaften hat und dadurch auch in der Anwendung im Bereich der Luft- und Raumfahrt Anklang finden wird. Dafür sollte die Probenherstellung noch etwas abgeändert werden, um die einwandfreie Beschaffenheit der Schichten aufrecht zu erhalten und die Haftung auf dem Substrat zu sichern, was die Untersuchungen zum tatsächlichen Diffusionspfad des Siliciums durch die Dünnschichtfilme wesentlich vereinfachen würde.

Nowadays it’s really necessary to improve characteristics of materials used in aircraft technology. The demand on new ultra-high temperature material coatings with a temperature and oxidation resistance over 1600 °C is continuously increasing. According to their uniquely high melting points and excellent mechanical properties, materials based on the transition metal hafnium (Hf) such as hafnium diborides (HfB2) are considered promising candidates for new high-temperature-resistant coating materials. The same properties are shown by diborides of other transition metals such as chromium (Cr), titanium (Ti) or zircon (Zr). The following thesis investigates the diffusion behavior of silicon (Si) through different thin film layers of chromium diboride (CrB2), hafnium diboride (HfB2) and titanium diboride (TiB2). The samples were examined using a high-resolution time-of-flight secondary ion mass spectrometer (TOF-SIMS). This procedure is an outstanding and unique method for the analysis of solid smooth surfaces. Further analysis methods (SEM, XRD) were used to support and verify the results of the previous measurement. The thin film layers were produced using a high-energy pulse magnetron sputtering process to deposit the layers on silicon wafers. The preparation of the samples continues by annealing them in a high vacuum at temperatures between 800 °C and 1200 °C for one hour each. To investigate the process of diffusion of silicon through the layers, the depth profiles were created by using TOF-SIMS. For a better investigation of the sample surface images were acquired with a scanning electron microscope (SEM) and to support the isotope characterization the method of X-ray diffraction (XRD) was chosen. The interpretation of the TOF-SIMS measurements wasn’t that easy, due to the poor substrate adhesion, the roughness of the surface and the size of the grains. But with the help of the software, some regions of interests (ROIs) on the samples could be selected and used to interpret the diffusion through the thin films. For this purpose, areas on the respective samples were selected that had as few craters and cracks as possible, which led to a very strong loss of signal intensity. Unfortunately, the comparability of the different layers from the different diboride films examined with each other was almost impossible. As a result, some evidence of the diffusion of silicon through the various thin film layers can be detected. This has definitely a positive effect on improving the material properties and will therefore be well received in the aerospace sector. For this purpose, the sample preparation should be modified slightly in order to maintain the perfect quality of the layers and to ensure adhesion to the substrate, which would significantly simplify the investigations of the actual diffusion path of the silicon through the thin-film films.