Plasma-ImmersIons- Ionen-ImPlantatIon

Plasma-ImmersionsIonen-Implantation
PIII
aPPlIkatIonslabor
IonentechnologIe
Das Applikationslabor Ionentechnologie ist Bestandteil der Gesamtstrategie zum Wissens- und Technologietransfer des Forschungszentrums DresdenRossendorf (FZD), welches anwendungsorientierte
Grundlagenforschung mit den fachübergreifenden
Forschungsschwerpunkten Neue Materialien, Krebsforschung und Nukleare Sicherheitsforschung betreibt.
Das Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des FZD besitzt eine langjährige Expertise bei
der Modifikation und Analyse von Festkörperoberflächen mittels energetischer Ionen. Im Rahmen der
Kernkompetenz des Institutes bei der Anwendung
von Ionenstrahlen stehen umfangreiche analytische
und präparative Möglichkeiten zur Verfügung, die
durch das Applikationslabor zunehmend der industriellen Nutzung zugänglich gemacht werden.
Das Ionenstrahlzentrum am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung ist ein überregionales
wissenschaftliches Zentrum für Ionenstrahlanwendungen mit Anlagen zur Ionenimplantation, zur
ionen- und plasmagestützten Schichtabscheidung
und zur Ionenstrahlanalytik.
Die Angebote des Applikationslabors umfassen:
• BeratungundProblemevaluierungbeiderAnwen­
dung von Ionenstrahlen
• Durchführung von Serviceleistungen auf den Gebieten Ionenimplantation, Plasma­Immersions­
Ionen­Implantation(PBIIoderPIII)undIonenstrahlanalytik
• VerfahrensentwicklungzurAnwendungvonIonen­
technologien
• Ionenstrahlmodifizierung von Metall­, Keramik­
undPolymeroberflächen
• Ionenimplantation in Halbleitersubstrate für
mikrosystemtechnische, elektronische und photovoltaische Anwendungen
• DotierungvonHalbleitern
• Erzeugung von Verschleißschutzschichten, optischen und magnetischen Dünnschichten, Nanostrukturen und funktionalen Schichten mittels
Ionentechnologien
• Anwendung der Hochenergie­Ionenimplantation
für Bauelemente der Leistungselektronik
• Simulation der Wechselwirkungsprozesse von
Ionen in Festkörpern
PIII
Plasma-ImmersIonsIonen-ImPlantatIon
Typische Parameter:
Ionenstromdichte: 1 – 10 mA/cm2
Energieeintrag in die Oberfläche:
bis zu einige 100 W/cm2
Oberflächentemperatur: bis zu einige 100 K
Pulslängen:5…100µs
Pulsfrequenz:einigeHz….einigekHz
Vorteile des Verfahrens:
• Hohe Ionenstromdichten erlauben eine schnelle
Ionenimplantation
• Implantationvon3D­Objekten
• KeinWobbelprozesserforderlich
• Implantationszeitistgeometrie­undgrößenunabhängig
• Anlagensindpreiswert
Probleme beim Vergleich mit Implantation mittels Linearbeschleuniger:
• KeineMassenseparation(birgtRisikoderKontamination)
• KeinediskreteImplantationsenergie,sonderneine
Energieverteilung
• Neutralteilchen
• Dosismessung
Ionenimplantation ist mittlerweile eine Standardmethode zur Modifizierung von Oberflächeneigenschaften vieler Materialien. Da die kommerzielle
Anwendung durch die Kosten und die Probleme bei
der homogenen Implantation von dreidimensional
geformtenProbenmittelslinearerBeschleunigerlimitiertist,hatsichdiePlasma­Immersions­Ionen­Implantation(PIIIoderPBII)indenMittelpunktdesInteresses
solcher Anwendungen geschoben. Dabei wird die zu
implantierende Probe vom Plasma umhüllt und die
Ionen werden durch die Anwendung von negativen
Hochspannungspulsen aus dem Plasma zur Proben­
oberfläche beschleunigt und implantiert.
Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass es bei
einigenProzessgasenwährendderPulspausenzuAbscheidungenausdemPlasmaaufderWerkstückoberfläche kommt. Ein Beispiel hierfür ist die Abscheidung
von Kohlenstoff bei Verwendung von KohlenwasserstoffenalsProzessgasodervonMetallenbeiVerwendung von Magnetrons oder Metalldampfplasmen aus
einemVakuumbogen.HierwerdenneuartigeSchichten durch die Kombination aus Beschichtung und
Ionenimplantation hergestellt.
PIII
effIzIenter
oxydatIonsschutz
von tial-legIerungen
mIttels halogen-PbII
γ­TiAl (48­56 at% Al) mit einer Dichte < 4g/cm2, hohemSchmelzpunktvon1500°C,gutenmechanischen
Eigenschaften und einem exzellenten Festigkeit-zuMasse-Verhältnis ist ein attraktives Leichtmaterial für
• Luftfahrtindustrie
• Automobilindustrie
• Energieerzeugung
Problem:
Schlechte Oxydationsbeständigkeit bei Temperaturen
oberhalb700°C
0h
100 h
600h
1200 h
0h
100 h
600h
1200 h
Turbolader-Rotor-Oxydation: unimplantiert und F-implantiert
Lösung:
Implantation von Halogenionen (Cl oder F) mittels
PBII
Effekt:
Durch Ionenimplantation von Chlor oder Fluor modifizierte TiAl-Legierungen sind stabil, gut haftend
und widerstandsfähig gegen oxidative Umwelteinflüsse bei gleichzeitigem Erhalt der herausragenden
Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials
Massenzunahme (mg/cm2)
unimplantiert TiAl
Zeit (h)
Metallografische Schliffe von unimplantierten (rechts) und allseitige
F­implantierten (links) γ­TiAl Proben. Isothermische Oxydation bei
900°Cfür120hinLuft.
Vergleich des Oxydationsverhaltens von unimplantierten und
F­implantiertenγ­TiAl(BLII,E=50keV,D=2x1017 cm-2, TGA, IsothermischeOxydationbei900°C,inLuft)
PIII
kombInatIon von
ImPlantatIon und
beschIchtung
Anlagen und Technologie:
• Induktiv gekoppelte RF Entladungen erzeugen
hauptsächlichPlasmenvonGasionen
• Magnetrons oder Vakuumbogen erzeugen eine
Mischung von Gas- und Metallioen und Neutralteilchen
• MagnetronskönnendasVerhältnisvonIonen/Neutralteilchen in Abhängigkeit vom Betriebsmode
ändern
• Die Verwendung von Edelgasen erlaubt die Anwendung einer nichtreaktiven Ionenunterstützung
des Abscheideprozesses
• Bei Verwendung von Sauerstoff oder Stickstoff
können reaktiv Oxide oder Nitride als Dünnschicht
mit höchster Haftung durch die energetische
Ionenunterstützung erzeugt werden.
PBII­MaschinederFa.DTFmitmodularemAufbauzurKombination
von Implantation und Beschichtung
Der Hauptvorteil der Metall­PBII und ­abscheidung
(MePBIID) mit den herkömmlichen Schichtabscheidungsverfahren ist das Auftreten von beschleunigten
Ionen, das eine Grenzflächenmischung von Schicht
und Substrat bewirkt und damit eine wesentlich bessere Schichthaftung auch bei Raumtemperaturbedingungen erzielt.
Analog zur ionenstrahlgestützten Beschichtung (IBAD)
werden texturierte Dünnschichten bei der MePIIID
beobachtet. Durch Variation der Pulsspannung und
der Pulslänge kann die Orientierung der wachsenden Schichten beeinflusst werden. Trotz kolumnarer
Wachstumsbedingungen mit Säulendurchmessern
zwischen 50 und 500 nm werden kompakte, dichte
und porenfreie Dünnschichten erreicht.
PIII
Stickstoff-Ionenimplantation in austenitische Stähle
bei höheren Temperaturen von 350­400 °C führt zu
einer signifikanten Verbesserung der Oberflächenhärte und die schnelle Diffusion bildet Schutzschichten
einerDickebiszu50µmintechnologischakzeptablen
Zeiträumen.DiegemessenenHärtenliegenzwischen
1300und1700HVundsindsomitfürvieleAnwendungen geeignet, wobei gleichzeitig die günstigen Korrosionseigenschaften des Materials erhalten bleiben.
X5CrNiMo17.12.2
X5CrNiMo17.12.2
10
WC-Kugel, 3mm Durchmesser
Last: 3N, 1.5 cm/s, trocken
8
unbehandelt
PIII, 40kV, 380 °C, 6 Stunden
6
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Reibweg (m)
VerschleißverbesserungdurchPBII
10 0
Stromdichte (A/cm2 )
Durch Implantation entsprechender Ionen in Metalloberflächen (z.B. Stickstoffionen in Titan) werden die
Eigenschaften der Oberflächen dramatisch verändert,
durch die geringe Reichweite der Ionen bei der PBII
jedoch nur bis zuTiefen < 1 µm. Größere Modifizierungstiefen erreicht man durch die Kombination von
PBII mit höheren Behandlungstemperaturen zwecks
Diffusion der implantierten Ionen. Die Nitrierung und
Borierung von Schnellarbeitsstählen, Hartmetallen
und die Oberflächenhärtung von Al, Mg, Ti und deren
Legierungen in vielen medizinischen Anwendungen
gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Verschleißmarkentiefe (µm)
oberflächenhärtung und
verschleIssschutz
von metallen
mIttels PbII
plas manitriert, 550 °C
10 -2
10 -4
unbehandelt
10 -6
P III, 380°C
10 -8
10 -10
10 -12
X5CrNiMo17.12.2
X5CrNiMo17.12.2
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
Potential (V)
KorrosionsverhaltennachPBIIimVergleichzuunbehandeltenund
plasmanitrierten Oberflächen
PIII
nanostrukturIerte
metalloberflächen
durch PbII
(cardIovasculare
anwendung)
Die PBII von Edelgasen in Metalloberflächen er­
zeugt nach Übersättigung der implantierten Dosis
bei bestimmten Temperaturen vergrabene Nanound Mikrobläschen hoher Konzentration, deren
Zahl und Größe sehr einfach steuerbar über die
Temperatur, Dosis und Ionenenergie ist. Nach
Zerstäubung der Deckschicht mit den gleichen
Ionen, aber entsprechend niedrigerer Energie wird
die so entstandene Struktur frei gelegt und man
erhält eine nanoporöse Metalloberfläche, die für
viele Anwendungen, u.a. zur Wirkstoffdeposition in
einem medizinischen Implantat, zur Verbesserung
des biokompatiblen Verhaltens von Oberflächen
geeignet ist. Die so entstandene Oberfläche ist
ebenso eine hervorragende Unterlage für bestimmte
gut haftende oder biologische Schichten.
Vorteile der nanostrukturierten Me-Oberflächen:
• SpeicherungvontherapeutischenWirkstoffen
in der Oberfläche
• HoheBiokompatibilität
• AusgezeichnetesSubstratfürBeschichtungen
hoherHaftfestigkeit
Die verschiedenen Gefäßsysteme des Menschen
wie Arterien oder andere Blutgefäße sind im Alter
oder durch Krankheiten oft geschwächt und häufig
schmerzhaft (z.B. Tumore, Aneurysma o.ä.). Ein solches
GefäßkannjedochdurchentsprechendeMaßnahmen
mit medizinischen Endoprothesen wie Stents gestärkt
und ersetzt werden.
Für reine Metallstents ist die Restenose (Verengung,
Wucherung)ofteinernstesProblemfürdiePatienten.
DieentsprechendenHerstellerderStentssinddeshalb
seit Jahren auf der Suche nach Möglichkeiten der Verhinderung der Restenose. Eine interessante neue Möglichkeit der sogenannten „drug eluting stents“ wurde
dabeimitderAnwendungderPBIIfürdieErzeugung
nanoporöse Metalloberflächen gefunden.
Stent
Nanoporöse Edelstahloberfläche eines „drug eluting stent“ mittels
PBIImitEdelgasionen
Forschungszentrum
Dresden-Rossendorf (FZD)
PF510119
D­01314Dresden
www.fzd.de
Projektkoordinator:
Prof.Dr.AndreasKolitsch
Tel:+49351­2603348
Fax:+49351­2602703
E-Mail: [email protected]
www.mbwm.de
Projektmanagement:
AnnetteWeißig
Tel:+49351­2602686
Fax:+49351­2602703
E-Mail: [email protected]