Ionenstrahl-gestützte Beschichtung und Bearbeitung · 2004. 5. 26. · Ionenstrahl-gestützte Beschichtung und Bearbeitung Bernd Rauschenbach Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung

IonenstrahlIonenstrahl--gestützte gestützte Beschichtung und BearbeitungBeschichtung und Bearbeitung

Bernd RauschenbachBernd Rauschenbach

LeibnizLeibniz--Institut für Oberflächenmodifizierung LeipzigInstitut für Oberflächenmodifizierung Leipzig

Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“

I MI MOO

Teil 1 Teil 1


I MI MOO

Mitarbeiter:Mitarbeiter: ~~ 150davon:davon:

FestangestellteFestangestellte 5050DrittmittelstellenDrittmittelstellen ~ ~ 100100

Jahresbudget:Jahresbudget:Bund Bund 50 % 50 % FreistaatFreistaat 50 %50 %++ DrittmittelDrittmittel

Arbeitsgebiete:

Nichtthermische Modifizierung vonOberflächen und dünnen Schichten sowie Abscheidung dünner Schichten mittelsElektronen-, Ionen-, Plasma-und Photonen-Strahlen

VorstandVorstand: Prof. Dr. B. : Prof. Dr. B. Rauschenbach Rauschenbach Prof. Dr. R. Prof. Dr. R. MehnertMehnert

Struktureinheiten:Abteilungen, GruppenVerwaltung, Werkstätten

Ausgründungen (2000/02):Ausgründungen (2000/02):•• IOT GmbHIOT GmbH•• Solarion Solarion GmbHGmbH•• NTGL GmbHNTGL GmbH•• ......

Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. - IOM –Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz


I MI MOO

• Elementarprozesse bei der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung

• Ultrapräzisions-Bearbeitung und Formgebung

• Nanostrukturierung durch Oberflächenerosion (Selbstorganisation)

• Plasma-Immersions-Ionenimplantation

• Grundlagen der Ionenstrahl gestützten Deposition

• Ionenstrahl gestützte Texturmanipulation (Beispiel: TiN)

• Spannungsevolution

• Ionenstrahl gestützte Epitaxie (Beispiel: GaN auf Saphir)

• Multischichten für die EUV-Lithographie

• Anwendung (EUVL, GMR-Sensor, Solarzellen)

Inhalt / 1. TeilTeil 1 : Ionenstrahl gestützte Bearbeitung

Teil 2 : Ionenstrahl gestützte Deposition

Voraussetzung : niederenergetische Ionen, d.h. E < 1 keV ( < 10 keV)


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Prozesse bei der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung

e

h?

Implantation, Verbindungs- Reflektion, Zerstäubung,Stoßkaskade bildung Channeling Anregungsprozesse

Adsorption von Restgasatomen

Rei

chw

eite

verstärkte Diffusion verstärkte

Diffusion

mo

dif

izie

rte

Sch

ich

t

Frenkel-Defekte


I MI MOO

Reichweite niederenergetischer Ionen im Festkörper

E [keV]

10-2 10-1 100 101 102 103 1040

2

4

6

Nnuklear

E [eV]

0 200 400 600 800 10000

1

2

3

4

5

6

Ar

NAr

elektronisch

dE/d

x [k

eV/n

m]

mitt

lere

Rei

chw

eite

[nm

]

Näherung : kein elektron. Energieverlust Reichweite nur wenige Atomlagen

)())((

10462,8)( 23,02

23,0121

12115 εsZZMM

MZZESn ++

×= −

∫∫ ==00

)(1

EE ENSdE

dEdxdE

R

)()()( ESESES en +=

nuklearer Bremsquerschnitt: Bremsquerschnitt:

Reichweite:

in [eVcm²/Atom]

Niederenergie-bereich

EZZMMZZ

M

s

))((53,32

)14,0(2)1ln(

)(

23,02

23,012121

2

42,0

++=

++

=

ε

εεε

εmit

Beispiel:

N, Ar Al


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Zerstäubung (Sputtering) unter Ionenbestrahlung

Zerstäubungsausbeute in Atome/Ion(lineare Kaskadentheorie nach P. Siegmund)

+

)(),,( arg αf

U

MMESY

oberfl

ettionn∝

abgetragende Schichtdicke

NtJ

Yd Ion=

(I) Energieabhängigkeit

(II) Winkelabhängigkeit

0 45 90Einfallswinkel a [°]

Y [A

tom

e/Io

n)


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Ultrapräzisions-Oberflächen-Formgebung und Glättung mit Ionen

FORDERUNG: der optischen und Halbleiter-Technologie

Glättung, Planarisierung1 µm 0,1 nm

Formgebung, Asphärisierung1 m 1 mm

Lösung : Ionenstrahl- und Plasma- gestützte Verfahren (unikale Variante !)basierend auf dem (chemisch-unterstützten) Zerstäubungs- (Ätz-) Effekt

Anwendung : - Halbleitertechnologie (Waferbearbeitung, Schichtdepostion, ...)

- Lithographie (Optiken für EUV, IR, weiche Röntgenstrahlung, ...)

- Optik (Laserspiegel, Astrooptiken, diffraktive Optiken, ...)

- Standardisierung, Meßwesen ( Bezugsflächen, Meßstandards, ...)

- Maschinenbau (reibungsfrei Lager, Gleitelemente, ...)


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z

1. statistische Analyse :

(i) root mean square : RMS

PVRMS ∑=

−=N

in zzN

RMS1

2)(1

Ø„bandbreiten-begrenzte“ Höhenprofil-Messungd.h. Rauhigkeiten kleiner als die Auflösung des Meßgerätes sind nicht erfassbar

Ø Ortswellenlängen-Abhängigkeit

d.h. unterschiedliche horizontale Strukturen liefen gleiche RMS-Werte

Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung mit Ionen

Abweichung einer reale Oberflächentopographie gegenüber einer fiktiven (Plan-, Asphären, ...) fläche

Rauhigkeit =

Abweichung einer Oberflächengestalt gegenüber einer vorgegebenen 2-dimensionalen Form

Formgenauigkeit =

(ii) peak-to-valley: PV

z - Höhe am Meßpunkt nz - arithmetisches Mittel aller z-WerteN - Zahl der Meßpunkte

n-


I MI MOO

Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung mit Ionen

2. spektrale Analyse :

PSD before IBF

PSD after IBF

Power Spectral DensityPower Spectral Density

∑∑−

=

−

=

++

+×

==

1

0

1

0

2

2sin2cos),(),()),((N

x

N

y

yxyxyx N

yk

Nxk

iN

yk

Nxk

yxzNL

kkFyxzFFT ππ

(i) Transformation des gemessenen 2D-Höhenprofils in reziproken k-Raum mittels FFT:

L - Scan-Länge, N - Zahl der Meßpunkte in x und y-Richtung, k - inverse Ortswellenlänge = Ortsfrequenz)

(ii) „2D power spectrum“ durch Quadrieren von FFT(z(x,y))

(Basisgröße für Rauhigkeitanalyse von NxN Datenpunkte)

(iii) Ermittlung der „1D power spectral density“

durch Aufsummation über alle Ortsfrequenzen k im reziproken Raum die auf einem Kreis um den Mit-telpunkt k² = k² + k² = const

Definition der 1D PSD: Intensitätsverteilung der zu einer bestimmten Ortswellenlänge zugeordnete Oberflächenrauhigkeit

(iv) Integration der 1D PSD über Ortsfrequenzintervall

liefert Quadrat der RMS-Rauhigkeit

x y


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Verfahrensvarianten der Ultrapräzisionsbearbeitung

Ionenquellentypen

Computerge-steuertes

Blendensystem

Verweilzeitmethode Strahlformung mittels Blenden Maskenmethode

„Breitstrahl“

„Feinstrahl“Gaußform

Lochmaskemit variabler Transparenz

Werkstück

(Apertur-Methode)


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Prozess-Simulation

lineare Verweilzeit-Methode 2-dimensionale Verweilzeit-Methode

Position, Verweilzeit

Anlagen-Kontrolle

Objekt

IonenstrahlX

Y

Z

X1X2

X3

Kippung

Rotation

IBF Prozeß Schema (am Beispiel der Gauß-Strahl-Verweilzeitmethode)

Messung und Adaption des

Ionenstromdichte-Profils

Mathe. Simulation der gewünschten

Topographie

Messung der Topographie

(Interferometer, Profilometer, AFM)


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CNC: Computer Numerical Controlled Polishing,

CVM: Chemical VapourMachining,

DG: Ductile Grinding,EAFM:Electrolytic Abrasive

Mirror Finishing,EEM: Elastic Emission

Machining,FAG: Fixed Abrasive

Grinding,FP: Float Polishing,MFAFF: Magnetic Field

Assisted Fine Finishing,

MRF: Magneto-RheologicalFinishing,

PACE: Plasma Assisted Chemical Etching,,

(R)IBF: (Reactive) Ion Beam Figuring,

SPDT: Single Point Diamond Turning,

EEM

CNC

DG

FP

MFAFF

SPDT

IBF

EAFMRM

S-R

auhi

gkei

t[n

m]

Abtragrate [mm 3/s]10-4 10010-2 10210-6

101

103

105

10-1

after I.F.Stowers,R.Komanduri andE.D.Baird (1988) FAG

RIBF PACE-Jet

PACE MRFEEM

CNC

DG

FP

MFAFF

SPDT

IBF

EAFMRM

S[n

m]

3/s]10-410-4 10010010-210-2 10210210-610-6

101101

103103

105105

10-110-1

after I.F.Stowers,R.Komanduri andE.D.Baird (1988)

after I.F.Stowers,R.Komanduri andE.D.Baird (1988) FAG

RIBF PACE-Jet

PACEMRFaSi-Gitter-

parameterSi-Atomdurchmesserd

Ultrapräzisionsbearbeitung mit Ionenstrahlen

PACE

Plasma- und Ionenstrahlverfahren garantieren höchste Qualität bei der Formgebung und Glättung


I MI MOO

Beispiel: 200 mm parabolischer SiC-Astrospiegel

0 50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[Pixel]

[Pix

el]

φ 200 mm

100

150

200

0

50

50

100

150

200

250

[Pix

el]

0 50 100 150 200 250[Pixel]

Ziel: λ/100 RMS WELLENFRONTFEHLER (WFE)

Einsatzgebiet:

Kommunikation zwischen Satelliten, IR-Erderkundung

nach mech. Politur und vor IBF (Ausgangssituation)

nach IBF (Endsituation)

WFE : PV = 208,4 nmRMS = 35,4 nm

WFE : PV = 41,4 nmRMS = 5,4 nm

Verweilzeitmethode• Ätzzeit gesamt : 16.8 h

• Ionenstromdichte: 1 mA/cm²

nm

nm

200 nm

40 nm

in Kooperation mitMatra Marconi Space Toulouse und Astrium München


I MI MOO

Beispiel: „Mask Blanks“ für die Lithographie im extremen UV

PV = 315,5 nmRMS = 69,1 nm

0 50 100 150

0

20

40

60

80

[mm]

[mm

]

0

100

200

300[nm]

0 50 100

0

20

40

60

80

[mm]

[mm

]

0

2

4

6

[nm]

PV = 6,9 nmRMS = 900 pmPV = 6,9 nmRMS = 900 pmIBF

Resultat : Pikometer Oberflächen-Formgenauigkeit !!!

20 µm

160 mm80 mm

20 mm

IBF OF von sphärischen ZERODUR „Mask blanks“mit extrem hoher Oberflächengenauigkeit: < λ / 600 RMS


I MI MOOin Kooperation mitMatra Marconi Space Toulouse und Astrium München

2 nm

0 nm

250 nm 250 nm

o

nach mechanischen und Plasma-gestützten Polieren

α ion

oxide6`` Si-Wafer

PV = 3.9 nmRMS = 0.31 nm

PV = 0.70 nmRMS = 0.08 nm

nach Ionenstrahl-gestützten Glätten (IBF)

Resultat: Sub- A – Rauhigkeit !!!

Beispiel: Ionenstrahl-gestütztes Glätten von Siliziumoxid


I MI MOO

N GLEIPZIG

I MI MOO

Ionen-

quellen

N G

Lizenz

Ionenquellen

Lizenz IBF und PACE

Herstellung Marketing

Kommerzialisierung der IBF-Technologie

Kommerzielle Anlage zur Ionenstrahl-gestützten Formgebung und Glättung; entwickelt von NTGL, IOT und IOM


I MI MOO

Anlagen zur Ionenstrahl-gestützten BearbeitungNutzer : Optische und Halbleiter-Industrie

OpticOptic

Ion SourceIonenquelle

OpticOptik

Ion Source


I MI MOO

Kommerzialisierung der PACE-Technologie

Plasma-Jet Quelle

Anlage zur PACE-Formgebung von optischen Präzisions-asphären (ohne Vakuumkammer)

5 Achsen Computer-controlliertes Bewegungssystem

Beispiel: Formgebung einer bikonvexen CaF2- Linse mittels der PACE-Technologie

finale Bedingungen:PV = 22.21 nmRMS = 2.82 nmSubstrathalter

( PACE – plasma assisted chemical etching )


I MI MOO

Nanostrukturierung durch Ionenstrahlerosion

statistische Verteilung der Sputter-Ereignisse(keine zeitliche und örtliche Korrelation)

• S. Facsko et al., GaSb: Science (1999)

• F. Frost et al., InSb: Appl. Phys. Lett. (2000)

• R. Gago et al., Si: Appl. Phys. Lett. (2001)

selbstorganisierte, periodische Nanostrukturen :


I MI MOO

NanostrukturierungNanostrukturierung durch Ionenstrahlerosiondurch Ionenstrahlerosion

α ion Ar+

GaSb

50 nm

0 nm

500 nm

Ob

erfl

äch

ento

po

gra

ph

ie

5 nm

0 nm

100 nm

25 nm

500 eV, α ion = 80°

Ar -Ionen : E = 500 eV α ion = 80°j = 400 µA/cm²t = 10 min

α ion Ar+

InSb500 nm

Ioneneinfall mit Rotationohne Rotation

+

zweidimensionale Autokorrelation-Funktion

),0(),(),( ththtC rr =

- räuml. Mittel


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Eion = 350 eV

60 nm

0 nm

Eion = 1200 eV

Eion = 650 eV

70 nm

0 nm

90 nm

0 nm

Eion = 1000 eV

90 nm

0 nm

750 nm 750 nm

750 nm750 nm

Einfluss der Ionenenergie: Skalierungsgesetz

200 400 600 800 10001200

80

100

120

140

160

Ionenenergie E [eV]

mit

tl. D

urch

mes

ser

[nm

]λ

(1.) Skalierung : ? ~ E

(mit 0,5 ≤ p ≤ 1)

P


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Einfluss der Erosionszeit: Skalierung

(2.) Skalierung : ? ~ t

(mit γ = 0,26 ± 0,04)

γ

(3.) Skalierung: σ (t) ~ t

(mit β = 0,8 für kleine t,

β = 0,27 für große t)

β

1

10

β = 0.80 ±0.10

γ = 0.26 ± 0.04

β= 0.27 ± 0.06

RM

S-R

auhh

eit σ

(t) [

nm]

20

40

60

80100

Dur

chm

esse

r λ(

t) [n

m]

101

102

103

104

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Sputterzeit t [s] / Ionendosis [9.35 ×1014cm-2 ]

Rau

hhei

tsex

pone

nt α

(t)


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InP

Eion = 500 eV, αion = 30°, jion = 300 µAcm-2, t = 90 min z = 70 nm z = 160 nmz = 70 nm

1000 nm

z = 140 nm

1000 nm 1000 nm 1000 nm

250 nm250 nm250 nm250 nm

Au

toko

rrel

atio

n

- 5 °C T = 40°C 62 °CT = 13°C

To

po

gra

ph

ie

Temperatur

Was bestimmt die Symmetrie?: Einfluß der Temperatur


I MI MOO

Was bestimmt die Symmetrie?:Was bestimmt die Symmetrie?: EinflußEinfluß des Einfallwinkels (I)des Einfallwinkels (I)

GaSb

z = 60 nm z = 100 nm

αion = 0° αion = 25° αion = 30°

z = 100 nm

1000 nm 1000 nm 1000 nm

125 nm

αion = 15°

z = 75 nm

1000 nm

125 nm125 nm125 nm

To

po

gra

ph

ieA

uto

korr

elat

ion


I MI MOO

Was bestimmt die Symmetrie?:Was bestimmt die Symmetrie?: EinflußEinfluß des Einfallwinkels (II)des Einfallwinkels (II)T

op

og

rap

hie

Au

toko

rrel

atio

n

z = 50 nm z = 20 nm

αion = 45° αion = 70° αion = 75°

z = 8 nm

1000 nm 1000 nm 250 nm

50 nm

αion = 60°

z = 50 nm

1000 nm

125 nm125 nm125 nm


I MI MOO

µ σz

a

Verteilung der deponierten Energiemit Monte-Carlo-Simulation TRIM berechenbar:

a - mittlere Reichweiteσ, µ - longitudinales u. laterales Straggling

bestimmen die räumliche Verteilung der deponierten Energie

h

y

x

( )( )

+

−−−

−= 222

2

2

232 22exp

2 µσσµπyxahzE

F oD

E, M1 Beispiel: Ar+ 500 eV

InP

0 2 4 60,0

0,1

0,2

0,3

0,4

a = 1.2 nmσ = 1.1 nm

depo

site

d en

ergy

[a. u

.]

depth z [nm]

(Siegmund, 1973)

θ


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Theoretische Beschreibung der Strukturbildung

a

µ

σ

zx, y

a

(i)

(ii)

stochastische nichtlineare partielle Differentialgl. für die Entwicklung des Höhenprofils h(x,y,t) (modif. Version der Kuramoto-Sivashinsky-Gl.)

),,(221222 tyxhhDhv

th

avavo ηλγ +∇+∇∇−∇+=∂∂

I II III IV V

I : mittlere Abtraggeschwindigkeit

II : lokale Oberflächenspannung

II : effektive Diffusion an der Oberfläche

IV : winkelabhängige Zerstäubungsrate

V : weißes Rauschen (stochastischer Prozess !)

(F. Frost & B. Rauschenbach , Appl. Phys. A 2002)

(i) Ionenstrahl-induzierte Zerstäubung

(ii) Ionenstrahl- und therm. stimulierte Diffusion

beide Effekte sind von der Krümmung abh. !

Ncos?JY(?

vo)

=


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AnwendungAnwendung QuantendotsQuantendots : Struktur der: Struktur der GaSbGaSb--DotsDots

50 nm

45 ... 52 nm

0.61 nm

GaSb amorph

3 nm

InP


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Anwendungen: Quanten Dots

40 50 60 70 80 900

20

40

60

80 = 68 nmσ = 6.7 nm

No.

of D

ots

Dot Diameter [nm]

70 nm

0 nm

750 nm

6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

30

35

40 = 13.5 nmσ = 3.3 nm

No.

of D

ots

Dot Diameter [nm]

5 nm

0 nm

α ion

Ar+, 500 eV

InP

α ionAr+, 500 eV

GaSb

125 nm


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! GESUCHT !

wird ein Verfahren zur Modifizierung der oberflächennahen Bereiche von Werkstoffen,Werkzeugen, Bauteilen, daß

E die homogene Behandlung komplex geformter Teile erlaubt ( kein

Sichtlinien-Prozess ist )

E auf unterschiedliche Werkstoffe (Metalle, Legierungen, Halbleiter, etc.

anwendbar ist,

E an vorhandene Anlagen adaptiert werden kann

E mit Beschichtungsverfahren kombiniert werden kann,

E mit unterschiedlichen Prozeßgasen betrieben werden kann und

E kostengünstig ist.

Plasma-Immersions-Ionenimplantation (PIII)

Einleitung

immersio- eintauchen (lat.)


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ZeitSp

annu

ng

-20... -70 KV

Wer

kstü

ck

Plasma

Ionenhülle

Ione

nstr

om max. Strom10...50 A

mittl. Strom1...5 A

t = 0 t ≈ 5...200 ns t ≈ 1...5 µs t ≈ 10...50 µs

Zeit

Elementarprozesse bei der PIII


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Plasma

Probe

t = 0, U = 0 t = t1, U = Uo t1 < t < t2, U = Uo t > t2, U = 0

Bo

is

floCL

uen

me

x

Vj

6.0

26.09

42/1

2

2/3

=

⋅

=ε

Potentialunterschied Probe-Plasma eVflwenige eV, Randschicht ca. 0.1 mm geringer Ionenstrom:

Elementarprozesse bei der PIII

Randschicht

Plasma-regeneration

Zurückweichen der Elektronen (t ≈ 0,1 µs)

Ausbreitung der Randschicht mit Überschall-Geschwindigkeit (t ≈ 1 - 50 µs),sehr hohe Ionenstromdichte

Biso

oos uemxn

Vdtdx

−

⋅=

2/1

2

2/3 2

6.09

4ε

+= B

so udt

dxenj 6.0


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PIII-Anlage und typische Parameter

typische Parameter :

• Hochspannung : 20 ... 80 kV

• Ionendichte : 10 ...10 cm

• Basisdruck : 10 ...10 Pa

• Arbeitsdruck : 10 ...1 Pa

• Pulsfrequenz : Hz ... kHz

• Pulsdauer : 1 ...50 µs

• Pulsanstiegszeit : 0.5 ...5 µs

• Ionenspezies : O , H O, N

NH , CH , Ar, He, Kr, CF ,

SiF , BF , etc.

9 11 -3

-5 -3

-2

3 4 4

2 2 2

4 4

PIII- Anlage (schematisch)


I MI MOO

Particle-in-cell Simulation : Homogene Behandlung von Gräben

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

OberflächeSeitenwandGrabenboden

Pulslänge t=1 µs, Ne t=2 µs, Ne t=10 µs, Ne t=10 µs, He

Impl

ant.

Dos

is (

1015

cm

-2)

Normal. Position0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Neon (tr=0.5 µs)

Neon (tr=2.0 µs)

Argon (tr=0.5 µs)

Argon (tr=2.0 µs)

Nor

mal

. Kon

zent

ratio

n (a

.u.)

Normal. Tiefe (x/Rp)

Einfluß der Pulslänge und Ionenmasse Einfluß der Pulsanstiegszeit

• Pulslänge beeinflußt die Homogenität • Ionenmasse bestimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Dosis/Puls

• Pulsanstiegszeit beeinflußt die KonzentrationsverteilungFazit: die Homogenität ist für die Behandlung von 3D-Objekten ausreichend


I MI MOO

Anwendung der PIII: Verschleissreduzierung

0.00

0.02

0.04

0.06

Spe

cific

Wea

r (µ

m3 /m

)

Untreated 300°C 350°C 400°C

1. Beispiel : Kaltarbeitsstahl (X155CrMoV12.1)

2. Beispiel : Edelstahl (X5 CrNi 1810)

N-PIII, 50 kV, 400 Hz, 15 µs, oszill. Ball-Test : Kraft 2.2 N

N-C-PIII, 35 kV, 100 Hz, 10 µs, Kontaktdruck : 600 MPa

dramatischeVerschleißreduzierung

Verschleißreduzierung um ca. 500 % !

keine Kaltverschweißung für Drucke bis 1,4 GPa

Fazit : positiver Einfluss der PIII auf die mechanischen Eigenschaften

200 µm

200 µm

EdelstahlEdelstahlProbeProbe


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Anwendung der PIII : vergrabene Siliziumoxid-Schichten

0 25 50 75 100

Beschleunigungsenegie [kV]

200

150

100

50

0

mit

tler

e R

eich

wei

te [n

m] H O

O+2

+genutzte Energie 2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Wasserplasma

Sauerst.-Plasma

400 500 600 700 800 [°C]

Was

sers

toff

-geh

alt [

%]

SiO

Si

SiO

Si

2

2

0 0,1 0.2 0.3

Tiefe ]µm]

Inte

nsitä

t [w

illk.

Ein

h.]

natürliches Oxid

Si-Deckschicht

vergrabene Oxidschicht

Si-Wafer (mit Defekten)

80 n

m

nach Wasser-PII mit 70 kV bei 800 °C

nach therm. Behandlung Bei 1150 °C für 60 minWasserplasmas !

erste Anwendungen zur Herstellung von CMOS-

Bauelementen bei IBM in Eats Fishkill /USA

(gemeinsam mit der Cu-Leiterbahn-Technologie)

( Silicon-on Insulator, SOI )


I MI MOO

Anwendung der PIII: Biokompatibilität

Ennsonale Implantate(1) leeres Zahnfach(2) metallisches Wurzelimplantat(3) eingeschraubter Zahnersatz

kurz- und langschaft zementfreie Hüftgelenkprothesen

Osteosyntheseplatten

Künstliche Herzklappen ohne Antikoagulantien-Behandlung


I MI MOO

Anwendung der PIII: BiokompatibilitätStrukturelle + elektrische Forderungen :• hohe Adhäsion, vergleichbare Dichte• hohe Härte u. Verschleißresistenz• keine Pinhols• Bandgap > 1,8 eV, n-Dotierung• spez. Widerstand < 10 Ωcm5

Titan+

Oxidschicht

periimplantärer, durchgängiger Spalt

gute Knochenanlagerung mit Spalten

spaltenfrei

Ti-Ni-Legierung

Ti, unbehandelt

Ti nach Sauerstoff-PIII

Beispiel :

histologische Schnitte von un-und behandelten Ti-Implantaten in Oberschenkeln von Ratten

Oberschenkel einer Ratte mit Zylinderimplantat

Forderungen an das Oxid :• Konzentrationsgradient am Interface• dicht und mechanisch belastbar• einphasig (Rutil) u. halbleitend• charakteristische Topographie• spez. Texturierung


I MI MOO

ist ein Verfahren zur Modifizierung der oberflächennahen Bereiche charakterisiert, dadurch, dass die Vorteile der Ionenstrahl- und Plasmaverfahren vereint

E eine für viele Anwendungen ausreichende homogene Behandlung komplex

geformter Teile möglich ist,

E Anwendbarkeit auf verschiedene Werkstoffe (Metalle, Kunststoffe, Legierungen,

etc. ) anwendbar ist,

E an vorhandene Anlagen adaptiert und bei tiefen Temperaturen betrieben

werden kann,

E mit Beschichtungsverfahren kombiniert werden kann,

E mit unterschiedlichen Prozeßgasen betrieben werden kann und

E kostengünstig ist (0,05...0,25 €/cm²).

Plasma-Immersions-Ionenimplantation eine Technologie mit Zukunft !

Plasma-Immersions-Ionenimplantation (PIII)

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Ionenstrahl-gestützte Beschichtung und Bearbeitung · 2004. 5. 26. · Ionenstrahl-gestützte Beschichtung und Bearbeitung Bernd Rauschenbach Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung