Ionenstrahl-gestützte Beschichtung und Bearbeitung · 2004. 5. 26. · Ionenstrahl-gestützte...
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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
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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“
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
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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.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
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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-
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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
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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
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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
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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
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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
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Anlagen zur Ionenstrahl-gestützten BearbeitungNutzer : Optische und Halbleiter-Industrie
OpticOptic
Ion SourceIonenquelle
OpticOptik
Ion Source
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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 )
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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 :
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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
-
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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
-
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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
-
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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)
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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
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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“
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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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“
I MI MOO
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 )
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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“
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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
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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“
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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
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Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.Wissenschaftsgemeinschaft „Gottfried Wilhelm Leibniz“
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)