Ionennitrieren von Aluminium und Aluminiumlegierungen

Aluminium und seine Legierungen finden auf Grund eines hohen Festigkeits-Masse Verhältnisses, guter Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit eine breite industrielle Anwendung. Andererseits sind die Härte und Verschleißfestigkeit für eine Reihe von potentiellen Anwendungen unbefriedigend. Das Nitrieren ist eine vielversprechende Methode zur Oberflächenmodifikation von Al, da AlN exzellente physikalische und chemische Eigenschaften besitzt, z.B. eine große Härte und so eine erhöhte Verschleißfestigkeit. Beim Ionennitrieren werden Stickstoffionen in die Substratoberfläche implantiert, die auf erhöhter Temperatur gehalten wird. Im Unterschied zum reinen thermischen Nitrieren ist der Ionenbeschuss mit dem Abtrag von Oberflächenatomen infolge von Zerstäubungsprozessen verbunden. Trotzdem wird eine hohe Konzentration von Stickstoff im nahen Oberflächenbereich deponiert. Durch Wärmetransportvorgänge kann eine AlN Schicht gebildet werden, deren Ausdehnung um Größenordnungen die Reichweite der Ionen übersteigt.

Wärmetransport

Der Wärmetransport während des Ionennitrierens von Al wird durch die Diffusion von Al Atomen beherrscht. Dieses Phänomen wurde durch Markerschichten und eine Isotopentechnik untersucht 
 

Fig 1 Experiment: a) Erzeugung einer  stöchiometrischen AlN Schicht von etwa 400 nm durch Ionennitrierung mit ¹⁴N, b) Implantation einer Au „Schicht“ mit einer maximalen Konzentration von 1 at% in die Mitte der AlN Schicht als Marker für die relative Migration der Al und/oder N Atome, c.) Ionennitrierung mit ¹⁵N. Ein Teil der Probe wurde mit einem Si Wafer abgedeckt um den Einfluss der Temperatur auf die Markerschicht zu studieren.
 
 

Fig. 2 RBS Spektren nach ¹⁴N Ionennitierung und Au Ionenimplantation (grün) und nach Temperaturbehandlung (rot). Die Position und Form des Au Profils hat sich bei hoher Temperatur nicht geändert. Au kann deshalb als Marker für die relative Migration von Al and N Atomen benutzt werden. Blau - das RBS Spektrum nach zusätzlicher Ionennitrierung mit ¹⁵N. Die Dicke der AlN Schicht vor der Au Markerschicht hat sich deutlich erhöht, selbst bei Erosion der Oberfläche infolge Zerstäubung. Das zeigt, dass die AlN Schicht von der Oberfläche aus wächst und die Al Diffusion aus der Tiefe der beherrschende Effekt ist.
 
 
 

Fig. 3 Tiefenverteilung der Elemente, gemessen mit ERDA, nach der Ionennitrierung mit ¹⁴N and ¹⁵N. Die Verteilung der Profile zeigt, dass sich AlN an der Oberfläche anhäuft und bestätigt, dass Al das beherrschende Diffusionselement ist.

 

Projekte:

"Nitrierung von Aluminium mittels PBII" (Industrie)