No description available.

No description available.

Mittels thermischer Plasmen werden Hartstoffschichten auf der Basis von Silicium - SiC, Si3N4 sowie ternäre Si-C-N Verbindungen, aus flüssigen Single Precursoren synthetisiert. Durch die hohen Abscheideraten von bis zu 1.500 µm/h wird das hohe Potenzial der Beschichtungswerkstoffe für den Schutz von Bauteilen, die starken Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen insbesondere bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bei wirtschaftlich interessanten Prozesszeiten nutzbar. Der Einfluss der Precursorstruktur und der Prozessführung auf die Mikrostruktur der Schichten sowie die Abscheiderate wird systematisch erarbeitet. Zur Schichtcharakterisierung kommen Lichtmikroskopie, REM, EDX, XRD und im Fall röntgenamorpher Schichten FTIR zum Einsatz. Das Verwenden unterschiedlicher thermischer Plasmen erlaubt das Einstellen eines weiten Prozessfeldes. Mit Hilfe von Enthalpiesonden Messungen werden die Einflüsse der Maschinenparameter auf den Prozesszustand untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Prozess - Gefügekarte zusammengefasst. Da das Gefüge der Schichten die Eigenschaften im Einsatz bedingt, bieten diese Arbeiten die Grundlage für das reproduzierbare Herstellen von Schichten mit angepassten Eigenschaften. Über die emissionsspektroskopischen Analysen zu den plasmachemischen Reaktionen gelingt es, die Schichtabscheidemechanismen in Abhängigkeit von den Prozessparametern zu klären und einen Ansatz für eine online Prozesskontrolle zu erarbeiten.

L'aluminium est fabriqué en phase liquide à 1000°C dans une cuve à électrolyse par réduction de l'alumine dissoute dans un bain fluoré contenant essentiellement de la cryolithe Na3AlF6. Les parois latérales des cuves d'électrolyse sont revêtues par des briques réfractaires, dites " dalles de bordure ", à base de SiC lié par Si3N4. Ces dalles, qui déterminent en grande partie la durée de vie de la cuve d'électrolyse, sont soumises à la corrosion par le bain, l'aluminium liquide et les gaz fluorés dégagés. Afin de contribuer à une meilleure connaissance des mécanismes de corrosion de ces dalles, l'étude des échantillons " post-mortem " prélevés des cuves industrielles a été effectuée. La mise au point d'un dispositif de simulation de corrosion en laboratoire a permis de suivre l'évolution du matériau en fonction de la composition de l'agent de corrosion. Ces études ont permis de mettre en évidence la forte réactivité de la phase liante de la dalle dans tous les zones de la cuve. Le rôle majeur de sodium, qui provient du bloc cathodique et la pâte de brasque, comme accélérateur de la corrosion de la dalle a été confirmé. La corrélation entre l'oxydation et la corrosion a été démontrée. La dissolution de SiO2 dans le bain fluoré a été étudiée par RMN haute température in situ et par RMN MAS à température ambiante sur les échantillons solidifiés. Nous avons montré la formation de phases aluminosilicatées (albite et néphéline) qui ont une solubilité non négligeable dans la cryolithe.

Siliciumkarbid (SiC) und Siliciumnitrid (Si3N4) zeichnen sich durch hervorragende mechanische, thermische und chemische Materialeigenschaften und, insbesondere für das SiC, durch niedrige Kosten aus. Da beide Werkstoffe inkongruent schmelzen, können sie in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeitet werden. Es werden metallurgische Lösungskonzepte erarbeitet, die darauf abzielen, die Hartstoffe zu benetzen und die Reaktivität herabzusetzen. Durch den Einsatz von Verbundpulvern besteht die Möglichkeit die Hartstoffpartikel gegen die rein thermisch induzierte Zersetzung beim spritztechnischen Verarbeiten weitgehend zu schützen. Zum Herstellen der Verbundpulver werden im Rahmen der experimentellen Untersuchungen unterschiedlichen Herstellungsverfahren eingesetzt. Unter Ausnutzen der prozessspezifischen Charakteristika der unterschiedlichen thermischen Spritzverfahren werden die so hergestellten Verbundpulver zu dichten, fest haftenden und hoch hartstoffhaltigen Spritzschichten verarbeitet. Neben der metallographischen Charakterisierung der Verbundschichten hinsichtlich Schichtmorphologie werden zudem die mechanisch-technologischen und chemisch-technologischen Eigenschaften untersucht.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Korrosionsbeständigkeit von gelöteten Metall-Keramik-Verbindungen gegenüber verschiedenen Medien mit geeigneten Untersuchungsmethoden zu bestimmen. Durch elektrochemische Messverfahren sind die Korrosionsvorgänge von metallischen Werkstoffen und ihren Fügeverbunden charakterisierbar. Es wird eine erhebliche Reduzierung der Prüfzeit gegenüber Prüfkammer- bzw. Realprüfungen erreicht. Die Auswertung der Untersuchungen ergab eine Korrelation zwischen Korrosionsbelastung und mechanischen Eigenschaften. Folgende Grundwerkstoffe und Aktivlote wurden für die Messungen verwendet: - Stähle: 1.0037, 1.4301, 1.4016 - Keramiken: Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4 - Lote: AgCu28-Basislot mit variierenden Titangehalten (Schwerpunkt Lot mit 3% Ti) Das Korrosionsverhalten der aktivgelöteten Metall-Keramik-Verbindungen wird entscheidend vom am stärksten korrosiv angegriffenen Teil der Probe bzw. des Bauteils bestimmt. Liegt ein chloridhaltiges Korrosionsmedium (3,5 % NaCl-Lösung) vor, dominiert der Metallpartner das Korrosionsverhalten. Die eingesetzten Stähle werden durch Lochfraß stark angegriffen. Dieser geht in flächigen Abtrag über und mit zunehmender anodischer Polarisation werden die Stähle regelrecht zerstört. In den Stählen enthaltene sulfidische Einschlüsse fördern den Korrosionsangriff. Dies wird besonders deutlich beim Stahl 1.4301, in dem sehr viele Mangansulfide zu finden sind. Die Korrosion der Lötnaht ist vergleichbar mit der des Stahles. Bei einem sulfathaltigen Korrosionsmedium (3,5 % Na2SO4-Lösung) wird zuerst die Lötnaht und dann der Stahl angegriffen. Dies wird neben der Lichtmikroskopie auch von den topographischen Messungen bestätigt. Im Falle der Verbindungen mit 1.4016 bewirken die Keramiken eine Verbreiterung des Passivbereiches im Vergleich zu Stahl, wenn auch bei höheren Stromdichten. Die Vorbelastung der Biegeproben durch anodische Polarisation bis 200 mV in 3,5 % NaCl-Lösung bewirkt die gleiche Schädigung wie die Exposition von 96 h im Salzsprühnebel gemäß DIN 50021 SS. Die Ergebnisse aus den Festigkeitsuntersuchungen an Verbindungen mit dem Stahl 1.4016 zeigen, dass gegenüber dem nichtkorrodierten Zustand die Festigkeit abnimmt. Dennoch erfolgt der Bruch in der Keramik und nicht in der Lötnaht. Mit der Bereitstellung von Stromdichte-Potential-Kurven steht ein Messverfahren zur schnellen und vergleichenden Bewertung von Metall-Keramik-Verbindungen hinsichtlich der Korrosionsanfälligkeit zur Verfügung. Die Schädigung der Verbindungen durch Korrosion bleibt im technisch beherrschbaren Bereich und steht somit dem Einsatz von Stahl als Verbindungspartner nicht entgegen.

With the desire to lighten the frame while keeping or increasing the strength, Advanced High-Strength Steels (AHSS) have been developed for use in the automotive industry. AHSS meet many vehicle functional requirements because of their excellent strength and acceptable ductility. But joining AHSS is a challenge, because weldability is lower than that of mild steels. Friction stir spot welding (FSSW) is a solid state joining process that can provide a solution to the weldability issues in AHSS, but FSSW has not been studied in great detail for this application. In this work, Si3N4 tools were used for FSSW experiments on DP 980 steel with 1.2mm thickness. Joint strength was measured by lap shear tension testing, while thermocouples were used for the temperature measurements. A finite element model was developed in order to predict material flow and temperatures associated with FSSW. Since a 3D model of the process is very time consuming, a novel 2D model was developed for this study. An updated Lagrangian scheme was employed to predict the flow of sheet material, subjected to the boundary conditions of the fixed backing plate and descending rotating tool. Heat generation by friction was computed by including the rotational velocity component from the tool in the thermal boundary conditions. Material flow was calculated from a velocity field while an isotropic, viscoplastic Norton-Hoff law was used to compute the material flow stress as a function of temperature, strain and strain rate. Shear stress at the tool/sheet interface was computed using the viscoplastic friction law. The model predicted welding temperatures to within 4% of the experiments. The welding loads were significantly over predicted. Comparison with a 3D model of FSSW showed that frictional heating and the proportion of total heat generated by friction were similar. The position of the joint interface was reasonably well predicted compared to experiment.

The broad theme of the present research investigation is Ion Assisted Deposition of thin films and its effect on the properties of thin films. Though this activity has been of interest to researchers for more than a decade, the development of different types of ion sources with control over the ion flux and energy, makes it a current topic of interest. Ion assisted deposition was successful in depositing thin films of many material with desired qualities, however, there are certain class of materials whose deposition has been rather difficult. This has mainly been attributed to higher energies and low ion flux of conventional ion sources. The advent of ECR ion sources for thin film deposition has given impetus to the deposition of such materials. This is due to the low energy high-density plasma generated in this type of sources. Hitherto, these sources were widely used in PECVD techniques and only recently the importance of ECR sources in PVD techniques has been realized. This thesis is on the development of ECR plasma source for ion assisted deposition of thin films using PVD techniques. This thesis is organized into six chapters. The first chapter gives an introduction on the ion assisted growth of thin films and the importance of ECR plasma. A detailed discussion on various aspects of ECR sources has been included. The design details on the development of ECR source have been discussed in the second chapter. The performance of ECR source as analyzed by the Langmuir probe are also discussed. Variation of plasma parameters like ion density, electron temperature, plasma potential and floating potential as a function of pressure and microwave power have been studied using Langmuir probe analysis. An ion density of the order of 1011/cm3 was measured at a distance of 8 cm from the plasma source with a microwave power of 400 watts. This was comparable to the ion density reported in downstream plasma of ECR sources. The behavior of plasma parameters with variation in microwave power and pressure was explained on the basis of microwave transmission above critical ion density and the microwave power absorption. The uniformity of the plasma parameters at the substrate position (29 cm from the ECR source) was found to be ± 2% over a diameter of 12 cm, which makes the ion source suitable for ion assisted deposition. The third chapter deals with the simulation and experimental study of the ECR sputtering process. ECR sputter type sources are equipped with cylindrical targets. The sputtered flux distribution on the substrate depends on target geometry, sputtering pressure and target-substrate distance. The effect of cylindrical geometry on the distribution of sputtered flux has been simulated by Monte Carlo methods. It is found that the sputtered flux distribution at different pressures and target-substrate distances in ECR sputter type source differs from the conventional glow discharge sputtering system equipped with planar targets. The simulated results are compared with the experimental results. The simulated data agree very well with the experimental data. The deposition and characterization of the TiN thin films for diffusion barrier applications in copper metallization have been discussed in the fourth chapter. Titanium nitride films are prepared by ECR sputtering. The effect of high density ion bombardment on the morphology, orientation and resistivity of the films was studied. It was observed that films with atomic smoothness could be prepared by ECR sputtering. Also the high density ion bombardment has been found to be effective for the film growth in (100) orientation. The behavior of TiN films deposited by this method as a diffusion barrier in copper metallization has been investigated. The resistivity measurements and RBS depth profile studies showed that up to 700°C there is no diffusion of copper into silicon. This shows that ECR sputtered TiN can be used as an effective diffusion barrier in copper metallization. The fifth chapter contains investigations on the ECR assisted growth of silicon nitride films. The films are characterized for composition, morphology and chemical bonding using AES, RBS, AFM, XPS and FTIR. AFM studies revealed that ion bombardment results in the reduction of surface roughness, which indicates dense film growth. The effect of ion assistance on the optical and electrical properties is studied in detail. Films prepared with microwave power ranging from 100 to 200 watts are having bandgap and refractive index of 4.9 eV and 1.92 respectively. Interface state density of silicon nitride films prepared in the above mentioned range was found to be 5x10 10 eVcm2. These films exhibited a resistivity of 10 13 Ω, cm and critical field of 4 MV/cm. The electrical conductivity in these films has been explained on the basis of Poole and Frenkel conduction. The low value of interface state density, higher resistivity, and critical field show that good quality SiN4 films can be deposited with low energy high density ECR plasma. A detailed summary of this research investigation has been discussed in the last chapter. The thesis is concluded with a discussion on the need of focused ECR source to establish ECR assisted deposition as a versatile technique for the growth of thin films.

Le besoin grandissant de fabriquer des circuits aux fonctions de plus en plus nombreuses<br />nécessite de développer des dispositifs électroniques nouveaux. Les condensateurs<br />METAL-ISOLANT-METAL (MIM) intégrés dans les interconnexions des circuits font<br />partie de ces dispositifs. La course à la réduction de surface de substrat occupée impose<br />de réduire les dimensions de ces condensateurs MIM et d'augmenter leur densité surfacique<br />de capacité.<br />Pour atteindre cette performance il est nécessaire d'utiliser des diélectriques à plus forte<br />permittivité que SiO2. Les oxydes métalliques Al2O3, HfO2 et Ta2O5 font partie des candidats<br />intéressants pour remplir ce rôle de diélectrique à forte permittivité. Néanmoins<br />l'utilisation de tels matériaux ne va pas sans poser de problèmes de courants de fuite, de<br />relaxation diélectrique et de non-linéarités en tension. Du fait de leurs faibles amplitudes,<br />les non-linéarités de capacité en fonction de la tension sont des phénomènes peu étudiés<br />et donc mal compris. Pour certaines applications spécifiques il est nécessaire de contrôler<br />et de limiter ces non-linéarités. Cela nécessite d'abord d'étudier en profondeur leurs caractéristiques et notamment leurs origines physiques.<br />Après des rappels généraux sur la physique des diélectriques, ce manuscrit de thèse<br />présente une étude ab initio des propriétés diélectriques du cristal alpha-Al2O3 qui permet<br />d'extraire le tenseur diélectrique entre 0 et 1E16 Hz et qui montre que la contribution<br />électronique à la permittivité ne dépend pas du champ électrique. Cette première partie,<br />théorique, est suivie d'une étude exhaustive de capacités MIM à base d'alumine amorphe<br />dont on tire les principales caractéristiques des non-linéarités de capacitéen fonction du<br />champ électrique appliqué. Nous proposons ensuite deux modèles physiques (un qui repose<br />sur la polarisation dipolaire et un qui repose sur la polarisation ionique) afin d'interpréter<br />les caractéristiques C(V,T). La dernière partie de ce manuscrit de thèse propose de comparer<br />les caractéristiques électriques des capacités à base d'alumine à celles de capacités<br />utilisant d'autres diélectriques, en particulier le Ta2O5, le Si3N4 et le SiO2. La fin de cette<br />partie est consacrée à l'étude de capacités « multicouches » pour lesquelles on propose<br />un modèle simple pour prévoir les non-linéarités de capacité en fonction de la tension<br />appliquée.<br />Ainsi ce travail de recherche fournit une vue générale des propriétés diélectriques de<br />matériaux diélectriques utilisés en microélectronique tant d'un point de vue théorique<br />que d'un point de vue expérimental.

Das dreistufige Flüssigsilicierverfahren (LSI) stellt eine Methode dar, siliciumcarbidbasierte faserverstärkte Keramiken herzustellen. Ausgangspunkt ist ein faserverstärkter Kunststoff, der über Pyrolyse (Konvertierung des Matrixpolymers in Kohlenstoff) und Silicierung (Siliciuminfiltration und Reaktion zu Siliciumcarbid) keramisiert wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Matrix mittels der verwendeten Matrixpolymere (Matrixdesign) und das Faser/Matrix-Interface durch das Aufbringen von Faserbeschichtungen (Interfacedesign) definiert gestaltet. Die in der Arbeit eingesetzten Matrixpolymere beeinflussen durch eine unterschiedliche Poren- und Rissbildung in der Kohlenstoffmatrix die Siliciuminfiltration und die damit verbundene Siliciumcarbidbildung. Die Matrixpolymere erzeugen einerseits eine C-SiC-Dualphasenmatrix, wie diese bei den C/C-SiC-Verbunden angestrebt wird. Andererseits kann eine weitestgehend einphasige SiC-Matrix eingestellt werden, welche für die Herstellung von SiC/SiC-Verbunden interessant ist. Bei diesen Verbundwerkstoffen ist eine zusätzliche Faserbeschichtung entscheidend, um die Faser/Matrix-Bindung zu reduzieren und die Fasern vor dem Siliciumangriff während der Herstellung zu schützen. Als Faserbeschichtung werden eine BNx-Schicht und eine SiNx-Schicht entwickelt, die in einer BNx/SiNx-Doppelschicht kombiniert werden. Die Schichtherstellung erfolgt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem kommerziellen SiC-Fasergarn (Tyranno SA3). Die amorphe BNx-Schicht ist innerhalb des Fasergarnes sehr homogen. Dahingegen besitzt die amorphe SiNx-Schicht einen Gradient in der Schichtdicke sowie in der chemischen Zusammensetzung. Bei der thermischen Auslagerung bleibt die BNx-Schicht stabil. Die SiNx-Schicht kristallisiert und es bilden sich Poren und Siliciumausscheidungen innerhalb der Schicht. Zudem entstehen teilweise Risse und Schichtabplatzungen. Weitere alternative Schichtkonzepte werden vorgeschlagen. / The liquid silicon infiltration (LSI) process is used to produce silicon carbide (SiC) based fiber reinforced ceramics and consists of three stages. Starting point is a fiber reinforced plastic, which is ceramized by means of pyrolysis (conversion of the matrix polymer to carbon) and siliconization (silicon infiltration and reaction to form silicon carbide). In the present work, the matrix and the fiber/matrix interface are designed by utilizing special matrix polymers and fiber coatings, respectively. The used matrix polymers lead to different pore and crack formation in the carbon matrix affecting the liquid silicon infiltration and the silicon carbide formation. The polymers not only create a dual phase C-SiC matrix, which is aspired for the production of C/C-SiC composites, but also form a single phase SiC matrix favorable for the SiC/SiC composite production. An additional coating of the fibers for these composite materials is crucial to reduce the fiber/matrix bonding and to protect the fibers from corrosive silicon attack. Separate BNx and SiNx single coatings are developed, which are combined to a double coating. The coating process is realized by chemical vapor deposition (CVD) on a commercial SiC fiber yarn (Tyranno SA3). The amorphous BNx coating is very uniform within the yarn, whereas the amorphous SiNx coating is characterized by a gradient regarding the layer thickness as well as the chemical composition. During the high temperature heat treatment the BNx coating remains stable. The SiNx coating crystallizes and pores as well as silicon precipitations are formed. Moreover, the coating partially ruptures. In this work, some additional alternative coating concepts are also proposed.