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«

kirsten.schiffmann@ist.fraunhofer.de

Telefon +49 531 2155­577

20

17

10

27