Analyse von multinÃ¤ren PVD N-Schichten auf Magnesium ...

Technische Universität Darmstadt 

Zentrum für Konstruktionswerkstoffe 

Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA) 

Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) 

 

Analyse mittels PVD- Sputtern synthetisierter multinärer 

Nitridschichten mit Hilfe der 

Glimmentladungsspektroskopie (GDOES) 

Anwendertreffen Glimmentladung Dresden 2011 

 

Stefan Groß, Casper Pusch, Holger Hoche 

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Fachbereich Maschinenbau 

27 Fachgebiete / Professoren 

(inkl. 2 CSI) 

~ 2500 Studenten 

~ 250 Abschlüsse als Dipl.-Ing., 

oder M.Sc. p.a. 

~ 570 Wiss. Mitarbeiter / Stip. 

~ 65 Promotionen zum Dr.-Ing. 

p.a. 

~ 250 Verwaltungsangestellte 

und Technische Mitarbeiter 

~ 370 studentische Hilfskräfte 

26.10.2011 | FB 16 | MPA-IfW | KB-F | Hh | Hauspräsentation | Folie Nr.: 2

Das Zentrum für Konstruktionswerkstoffe 

104 Jahre Innovation aus Darmstadt 

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MPA/IfW 

Kunststoffe 

Baustoffe 

Lehre – Forschung – Kooperationen 

Werkstoff-, Bauteil- und Produktentwicklung 

Werkstoff- und Produktqualifizierung 

Werkstoffanalytik 

Oberflächen- und Beschichtungstechnik 

Prüfverfahren 

Lebensdaueranalyse 

Schadensforschung 

Mess- und Kalibriertechnik 

Qualitätssicherung, Zertifizierung 

12 

3, 

,4 

Mess- und 

Kalibriertechnik 

Hochtemperaturwerkstoffe 

Werkstoffanalytik 

Bauteilfestigkeit 



Forschung und Entwicklung 

 

 

Energie, Mobilität, Gesundheit, Nachhaltigkeit 

und Sicherheit stehen im Mittelpunkt unserer Arbeit 

Unsere Tätigkeiten decken die gesamte 

Wertschöpfungskette ab: 

- Idee 

- Forschung 

- Prototypbewertung 

- Zulassung 

- Normung 

- Qualitätssicherung 

Unsere Forschung und Entwicklung adressieren 

gesellschaftlich relevante Zukunftsthemen 



Forschung für unsere Zukunft 

Bessere 

Ausnutzung 

vorhandener 

Energieträger 

Einsatz von 

regenerativen 

Energieträgern 

Erschließen von 

neuen Möglichkeiten 

der Energiegewinnung 

Substitution 

toxischer 

Stoffe im Alltag 

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Entwicklung von 

Cr VI und Cd 

freien Beschichtungen 

ohne 

Funktionseinbußen 


Kompetenzbereich Werkstoffanalytik 

Metallkunde, Chemische Analytik und 

Schadensanalyse 

EBS 

D 

REM 

EDX 

 

Metallkunde 

− vom sichtbaren Licht (LiMi) über den 

Elektronenstrahl (REM) zur Röntgenstrahlung 

(XRD) 

− Untersuchung des Werkstoff- und 

Bauteilzustands bis auf die Nanoebene 

 

Chemische Analytik 

− Oberflächen- und Grundwerkstoffanalyse 

− Spektroskopie 

− Chromatographie, etc. 

REM 

 

Schadensanalyse 

− Ursachenermittlung 

− Abhilfemaßnahmen 

− Schadensverhütung 

− Sachverständigentätigkeit 


•Makroskopie 

•Werkstoffspezifische metallographische 

Präparationsrouten 

•Ätzlabor 

•Lichtmikroskopie (Hellfeld, 

Dunkelfeld) 

•Quantitative Bildanalyse 

•Mikrohärteprüfungen 

•EDX-Analyse 

•Linienprofilanalysen / 

Elementverteilungsanalysen 

•EBSD-Analysen 

•Ortsausgelöste Kristallographie 

•Texturanalysen 

•Rekristallisation 

•2 Diffraktometer 

(mobil und stationär) 

•Phasenanalysen 

•Eigenspannungsmessungen mit 

Tiefenabtrag 

•Restaustenitmessungen 

•Messungen an Bauteilen 

•Rasterelektronemikro 

skopie (REM) 

•Mikrostruktur 

•Mikrofraktographie 

•Untersuchung nichtleitender 

Proben 

•Bauteile bis Ø 300 mm 


•Physical Vapour Deposition 

(PVD) 

•Si-X-C-N-Schichten für extreme 

thermische Beanspruchungen 

•Korrosionsbeständige und 

dekorative Überzüge für 

Magnesium 

•Induktives Randschichthärten 

•Einfluss des 

Werkstoffzustandes auf das 

Wärmebehandlungsergebnis 

•Plasmanitrieren 

•f(Werkstoffzustand) 

•Verschleiß / Korrosion 

•Ursachenanalyse 

•Berücksichtigung neuster 

Erkenntnisse aus F&E 

•Rückkopplung in 

F&E 

•Aktivierung neuer 

F&E-Vorhaben 

26.10.2011 | FB 16 | MPA-IfW | KB-F | Hh | Hauspräsentation | Folie Nr.: 9 

•Diffusionsgesteuerte 

Schädigungsmechanismen 

•Rissbildung beim 

Schmelztauchverzinken 

•Einfluss Schmelze 

•Entwicklung von Prüfverfahren

Röntgen-Computertomographie 

• Mikro- und Nanofokusröhre 

• Bis 40 kg Bauteilgewicht / 600 mm Ø 

• Auflösung < 1 µm 

• Metrologie 

• Schadensanalyse 

• Porositätsanalyse (VDG P201) 

• … 

ab 01/2012 


Gliederung 

• Einleitung PVD 

• Beispielhafte PVD-Schichtsysteme (Si(X)CN, TiMgN) 

• Prüfmethoden der chemischen Analytik dünner Schichten 

• Unser GDOES-Equipment 

• Kalibration von Stickstoff 

• Zusammenfassung 

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Einleitung 

Industrielle Anwendungen 

Physical Vapour Deposition (PVD) Dünnschichttechnologie: 

Etabliertes Beschichtungsverfahren für unterschiedlichste Anwendungen 

• Dekorative Schichten: 

• Farbe, Glanz, Haptik, etc. 

Konsumgüter, Armaturen, Automotive Interieur & Exterieur,.. 

Einleitung 

Eigene Anwendungen 

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3 

4 

1 

2 

Nitridbasierte Schichtsysteme: CrN, SiCN, SiBCN, SiAlCN, SiYCN, TiN, TiMgN, TiMgAlN, 

TiMgYN, TiMg(SE)N 

Reaktivgase: N, Ethin (C 2 H 2 ) 

Substratmaterialien: Stahl, Si-Wafer, Glas, Mg, 3D-Bauteile 

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Prüfmethoden 

Chemische Analyse 

Methode Vorteile Nachteile 

EDX 

XPS 

AES 

SIMS 

GDOES 

Intergriert in REM, 

Unabhängig von Probengeometrie, 

Einfache, schnelle Messungen 

Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie: 

Chemische Zusammensetzung und 

Bindungszustand / Oxidationszustand im 

Oberflächenbereich 

Auger-Elektronen-Spektroskopie: 

Oxidationszustand und Konzentration von 

Elementen im Oberflächenbereich 

Sekundärionen-Massenspektroskopie: 

Messung der Atommassen im Tiefenprofil der 

Oberfläche (quantitativ); Ortsaufgelöst 

Tiefenauflösung, leitende & nichtleitende Schichten 

(DC & RF), schnelle Messungen 

Keine Tiefenauflösung, 

Schichten müssen leitfähig sein; 

Quantifizierung leichter Elemente; 

Nachweisgrenzen 

Aufwendige Messung, nur 

oberflächennahe Messung (nm), 

Hohe Vakuumbedingung (UHV), 

Nur oberflächennahe Messung 

Analysegeschwindigkeit; 

Verschlechterung der 

Tiefenauflösung mit zunehmender 

Tiefe 

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Schichtsysteme 

Beispiele - SiCN 

a-SiCN 

C% 

C% 

• Der Stickstoffgehalt liegt in Schichten in einem breiten Spektrum vor 

• Die Messung des Stickstoffgehaltes muß deshalb exakt sein 

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Beispiele - TiMgAlN 

TiMgAlN 

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Beispiele - TiMgAlN 

Phasendiagramm 

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GDOES-Equipment 

Spectruma GDA 750 + CCD Spektrometer: 

• Multimatrix-Messmethode mit Standardkalibration 

• Standardmethode nicht abgestimmt auf Stickstoffmessung bei hohen N- 

Gehalten ? 

• Eventuell Matrixeinflüsse auf Messergebnis ? 

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Kalibration von Stickstoff 

Ziel: GDOES-Kalibrationsproben mit N-Gehalte 30 at.% bis 60 at.% 

Geeignete Referenzmaterialien 

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Kalibration von Stickstoff 

GDOES 

GDOES 

ICP 

Originalbeschichtung 

auf Stahlprobe 

An reproduzierter 

Beschichtung auf 

Stahlprobe 

von Beschichtung 

(abgelöst von NaCl) 

Element 

Gehalt 

Gehalt 

Gehalt 

Gehalt 

[at%] 

[mass.%] 

[at%] 

[mass.%] 

Mg 28 32,7 28 32,27 

Al 2 3,5 3 2,38 

Ti 11 24,5 10 19,56 

N 60 38,4 57 

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Zusammenfassung 

• Verschiedene nitridbasierte Schichtsysteme in aktuellen Forschungsprojekten 

• Die Messung des exakten Stickstoffgehaltes ist wichtiger Bestandteil bei der 

Schichtentwicklung 

• Wir messen die Stickstoffgehalte in der Standardkalibrierung (Stahlreferenz JK41) 

Fazit: 

Welche weiteren Möglichkeiten der Stickstoffkalibrierung für höhere N-Gehalte gibt es ? 

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Analyse von multinÃ¤ren PVD N-Schichten auf Magnesium ...

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