Faculté des sciences

Surface scientific aspects of material relevant to tribology

Bielmann, Michael ; Gröning, Pierangelo (Dir.) ; Schlapbach, Louis (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2004 ; no 1467.

The presented work is treating surface scientific aspects of selected materials related to tribology. Tribology is one of the oldest problems humans try to master. It is highly interdisciplinary and there is probably no topic, where so much effort has been put into to gain a deeper understanding. But still, while the role of the surface in tribology is perceived and accepted, a general... More

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    Zusammenfassung
    Die vorgestellten Arbeiten behandeln oberflächenphysikalische Aspekte ausgewählter Materialien deren Anwendung aus tribologischer Sicht relevant sind. Tribologie ist ein hochgradig interdisziplinäres Thema und eines der ältesten Probleme, die den denkenden Menschen beschäftigen. Obwohl die Wichtigkeit der Oberfläche in der Tribologie wahrgenommen und akzeptiert wird, bleibt das Verständnis bruchstückhaft. Dies bildet die Motivation dieses Problem mit oberflächenphysikalischen Methoden anzugehen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten bestehen aus zwei thematischen Teilen: Der erste Teil diskutiert die Plasmabehandlung von Silber Bond Pads. Die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche eines Bond Pads spielt eine entscheidende Rolle beim Prozess des Drahtbondens, ein Standardprozess in der Halbleiterindustrie, um den Chip Die mit der Aussenwelt, dem Chip Träger zu verbinden. Der Zustand der Oberfläche hat einen direkten Einfluss auf die Fehlerrate und die Prozessgeschwindigkeit - zwei Parameter, die sich unmittelbar ökonomisch niederschlagen. Vorbehandlungen durch H2/Ar Plasma zeigen erfahrungsgemäss eine stark verbesserte Reproduzierbarkeit und Bondqualität. Dies wird auf eine Reinigung und Passivierung der Oberfläche zurückgeführt. Durch oberflächenphysikalische Methoden haben wir den Einfluss eines H2 Plasmas auf Silber Oberflächen untersucht, um den physikalischen Bezug mit diesen Erfahrungswerten zu schaffen. Mit dem sogenannten Bondbarkeitsanalysator - einer in unserer Gruppe entwickelten Messmethode basierend auf dem Drahtbondprozess - konnte der Einfluss einer Behandlung direkt mit den relevanten Prozessparametern untersucht werden. Die Korrelation zu den zugrundeliegenden Oberflächenmodifikationen konnte mit Photoelektronenspektroskopie hergestellt werden. Der zweite Teil der Arbeiten konzentriert sich auf Quasikristalle. Diese Materialien gelten in der Praxis als interessante Kandidaten für tribologische Beschichtungen aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften (niedrige Oberflächenenergie, niedriger Abrieb, niedriger Reibungskoeffizient, niedrige thermische und elektrische Leitfähigkeit). Trotz des hohen Forschungsaufwandes ist der Grad des Verständnisses bei weitem nicht vollständig. Dies ist darauf zurück zu führen, dass diese Systeme hochgradig komplex sind (keine Translationssymmetrie, binäre und ternäre intermetallische Verbindungen) und andererseits darauf, dass es sich um ein eher junges System handelt. Die Wissenschaft beschäftigt sich erst seit der Entdeckung 1984 mit diesen neuartigen Materialien. Das Verständnis von Quasikristallen ist weit davon entfernt mit dem klassischer, kristalliner Systeme gleichzuziehen. Der Hauptgrund liegt darin, dass die theoretischen Konzepte sich häufig auf Translationssymmetrie stützen, welche bei Quasikristallen nicht existiert. Arbeiten mit Quasikristallen sind fundamental - mit dem Ziel, ein tieferes Verständnis zwischen atomarer Struktur, chemischer Zusammensetzung und deren Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften herzustellen. In diesem Zusammenhang wurden Nanometer dicke Kupferfilme auf ikosahedralen AlPdMn 5f Einkristallen untersucht. Diese Arbeiten wurden motiviert durch den Wunsch eines Modellsystems, bei dem sich strukturelle und elektronische Eigenschaften besser trennen lassen. Sollte es gelingen, über Substrat/Film- Wechselwirkung einem einzelnen Element die quasikristalline Struktur aufzudrängen, wäre dies das optimale Modellsystem - könnte so doch der Einfluss der atomaren Struktur auf die elektronische Struktur eines bekannten Systemes direkt studiert werden. Dies bildet die Basis für die Arbeiten von Kupfer auf QC Einkristallen. Im selben Zusammenhang wurde die Bildung einer intermetallischen Verbindung von Kupfer mit der ikosahedralen AlPdMn Oberfläche untersucht. Dies ist aus Anwendungssicht äusserst relevant - Beschichtungen sind nur so stark wie ihr schwächstes Glied - und oft ist dies die Verbindung der Schicht zum Trägermaterial. Eine weitere Aufgabe war die Herstellung von quasikristallinen Dünnschichten durch thermisches Verdampfen. Für diese Arbeiten wurde eine Präparationskammer gebaut, die es uns erlaubt, ternäre intermetallische Verbindungen über sequentielle Abscheidung und Interdiffusion oder über Koevaporation herzustellen. Die vorläufigen Resultate dieser Arbeiten werden hier aber nicht präsentiert. Erste Resultate in der Photoelektronenspektroskopie zeigen ein Verhalten wie dies für QC's erwartet wird. Auch erste Indentationsmessungen sind vielversprechen. Aber leider sind dies nur Indizien, weil unsere Messmethoden die Bildung einer quasikristallinen Phase nur auf Einkristallen schlüssig nachweisen können. Diese Proben werden von externen Projektmitarbeitern weiter untersucht und die Resultate sind noch ausstehend. Nichtsdestotrotz sind die nun zur Verfügung stehenden präparativen Möglichkeiten enorm. Zusammenfassend hängen die Arbeiten, so unterschiedlich sie auch thematisch sind, damit zusammen, dass sie sich mit Oberflächen befassen, deren Relevanz anwendungsorientiert in der Tribologie zu suchen ist. Die Oberfläche ist in dieser Thematik von entscheidender Bedeutung - definiert sie doch den Kontakt zwischen zweier Materialien und damit deren Wechselwirkung untereinander. In einem ersten Kapitel wird dem Leser die Wichtigkeit der Oberfläche in der Tribologie vor Augen geführt. Es soll die Motivation für unseren Ansatz, mit oberflächenphysikalischen Methoden solche Phänomene anzugehen, klar unterstreichen. Darauf folgend werden die experimentellen Methoden, die zur Anwendung kamen, vorgestellt, um dem unvertrauten Leser die verwendeten Techniken näher zu bringen. Abgeschlossen werden die Einleitungen mit einer kurzen Einführung über Quasikristalle. Da dieses Thema nur selten zum Grundwissen gehört, scheint eine informative Übersicht angebracht. Der eigentliche Hauptteil - die Vorstellung der wissenschaftlichen Forschung - schliesst diese Dissertation ab.
    Summary
    The presented work is treating surface scientific aspects of selected materials related to tribology. Tribology is one of the oldest problems humans try to master. It is highly interdisciplinary and there is probably no topic, where so much effort has been put into to gain a deeper understanding. But still, while the role of the surface in tribology is perceived and accepted, a general understanding is lacking. The experimental work in this thesis consist of two main parts. The first part discusses the plasma treatment of silver bond pads. This topic is motivated by the so called wirebonding process, a stan- dard in industry for the connection of chip die to the supporting chip enclosure, where the tribology at the interface has a mayor influence. The state of the surface has a direct impact on failure rate and processing speed of this technique, two factors with immedi- ate economical implications. According to experience, H2/Ar plasma treatments of bond pads prior to wirebonding is known to improve the quality and reproducibility of the pro- cess considerably. This is attributed to a cleaning and passivation effect. We examined the impact of H2 plasma treatments on silver by surface scientific methods to investigate the nature of these empirically observed effects. By the so called bondability analyzer - a newly developed tool from our group based on the wirebonding process - the effect of these treatments could be observed directly under normal processing conditions while Photo- electron Spectroscopy gave us vital information about the impact of the corresponding treatment to the state of the surface. The second part consist of works related to quasicrystals. Quasicrystals are seen - from an application perspective - as an interesting candidate for tribocoatings due to their very special surface properties (low surface energy, low wear rate, low friction coefficient, low thermal and electric conductivity). But these systems are complex in every aspect and in general poorly understood. The global understanding does by far not reach the level as for classic crystallographic systems, primary because of the lack of translational symmetry. The work on QC's therefore is fundamental, with the bigger scope of gaining a deeper understanding on QC's as to disentangle the structural and chemical influences on their properties. We investigated copper thin films on i-AlPdMn 5f single crystals on the quest of finding a single element quasicrystal model system by substrate/evaporant layer interaction. Such a system would greatly reduce the complexity we are dealing with and might offer new insights in how atomic order, electronic structure and properties of QC's are interconnected. In the same context, we studied surface alloying of copper with the AlPdMn surface. This topic is oriented towards applications, as the performance of a coating is not only defined by its surface, the interface of the coating to the substrate has also a dominant role as it defines film adhesion. The formation of QC thin film coatings by thermal evaporation of the constituents was a further task during this thesis. The work consisted of constructing a preparation chamber for the deposition of ternary alloys, either by sequential evaporation and sub- sequent interdiffusion or by coevaporation of the elements. Although a big part of the time was devoted to this project, the results are not presented here. Preliminary results by Photoelectron Spectroscopy and Nanoindentation show a behavior expected for a QC phase but although promising, these results are no unambiguous proof for QC phase formation. Our analytical methods are limited on polycrystal samples as they can only yield conclusive prove of the formation of a QC phase on single crystals surfaces. These samples are analyzed by other external coworkers and unfortunately the results are still pending. But the now accessible experimental possibilities are very valuable in the future. Shortly resuming, the presented works find themselves motivated by the topic of tribology, either from a very fundamental or from an applied point of view. It underlines the importance of the surface and justifies the study of clean, well ordered model systems. The thesis first introduces the reader superficially in the vast topic of tribology to motivate a surface scientific approach. In the experimental section, the necessary tools and methods are presented as to give the unacquainted the necessary background information on the experimental aspects of the thesis. The introductory chapters are completed by an introduction in quasicrystals. As these materials are very exotic and most readers might know about quasicrystals only from hearsay, it gives some very fundamental basics. These chapters are followed by the publications evolving from the experimental work during this thesis.