Abscheidung und Implantation von Kohlenstoff aus Kohlenwasserstoffplasmen mit Plasma Immersions Ionenimplantation
Final Report Abstract
2.1. Darstellung der wissenschaftlichen Ergebnisse Plasma-Immersions Ionenimplantation (PIII) ist eine auf dem Weg zur Anwendung befindliche Methode zur Modifikation von Materialien durch Bestrahlung mit hochenergetischen Ionen, die in den oberflächennahen Bereich inkorporiert werden. Sie stellt eine Alternative zur industriell etablierten konventionellen Ionenimplantation dar. PIII ist aber, da sie im Gegensatz zur Ionenimplantation keine aufwändige lonenstrahl- und/oder Probenmanipulation benötigt, prozesstechnisch und vom Kostenaufwand her ein weitaus einfacherer Prozess als Ionenimplantation. Für eine Anwendung fehlt es allerdings stellenweise noch stark am grundlegenden Verständnis. PIII wurde und wird meist nur mit Elementen betrieben, welche unter Normalbedingungen gasförmig sind, hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff, womit man nitrieren und oxidieren möchte. PIII mit Kohlenwasserstoffen, mit deren Hilfe man in Analogie zu Nitriden Karbide erzeugen möchte, führt dagegen zu zwei konkurrierenden Prozessen, der Kohlenstoff- Implantation und der Kohlenstoff-Deposition, letztere in Analogie zur Plasma-verstärkten chemischen Gasphasenabscheidung. Kohlenstoff-Implantation und -Deposition wurden an Modellsystemen mit technischer Relevanz, nämlich Silizium- und Borkarbid sowie Titan- und Tantalkarbid, untersucht. Das Verhältnis von Karbidbildung und Kohlenstoff-Deposition lässt sich, wie die Ergebnisse zeigen, durch die Prozessparameter, wie Prozessmodus, Prozessgas und Pulsrepetitionsrate steuern. Während Methan mehr zur Implantation führt, entsteht aus Acetylen und Toluol im Wesentlichen eine Schicht aus amorphem diamantartigen Kohlenstoff. Kohlenwasserstoff-PIII von Titan, Tantal, Silizium und Bor führt in allen Fällen zur Karbidbildung, wie die Photoelektronenzustände beweisen. Röntgenbeugung ergibt, dass es bei den Metallen zur Kristallisation der Karbide mit kleinen Kristalliten kommt, bei den Nichtmetallen zur amorphen Phase. Tiefenprofilierung zeigt, dass der Kohlenstoff im Wesentlichen ein Implantationsprofil mit in die Tiefe abfallender Konzentration bildet. Wasserstoff verhält sich dazu, obwohl er mit Kohlenstoff co-implantiert wird, nicht analog. Hier spielen offenbar chemische Einflüsse eine große Rolle. Da der Plasmaprozess von einem Abtragsprozess durch Zerstäuben begleitet wird, kann es bei polykristallinen Materialien mit hohem Zerstäubekoeffizient zu großen lateralen Inhomogenitäten in Kohlestoffabscheidung und -implantation kommen. Dies ist von großer Relevanz für die Anwendung der Kohlenstoff-PIII. 2.2. Ausblick auf künftige Arbeiten, Beschreibung möglicher Anwendungen Durch die Erkenntnisse des Projektes wurde eine Reihe neuer Fragen aufgeworfen. Grundsätzlich müsste untersucht werden, wie sich andere Elemente bei diesem Prozess verhalten. Hier könnten Übergangsmetalle und Hauptgruppenelemente verglichen werden. Eine bisher kaum behandelte Frage ist die nach dem Wasserstoff und seinem Einfluss. Schließlich sollte geklärt werden, wie die entstandenen Karbid-Nanoschichten die makroskopischen Eigenschaften der PIH-behandelten Materialien beeinflussen, darunter Härte, Verschleißverhalten und chemische Stabilität gegen eine korrosive Umgebung. Die möglichen Anwendungen der Kohlenwasserstoff-PIII liegen im Wesentlichen im Verschleiß- und Korrosionsschutz von Metallen. Die Bildung von Karbidrandschichten in Kombination mit einer Deckschicht von diamantartigem Kohlenstoff durch PIII ist eine geeignete Methode, Materialien gegen Verschleiß und Korrosion zu schützen. Die Stärken der PIII gegenüber anderen Beschichtungsmethoden liegt in der vergleichsweise leichten Skalierbarkeit auf große Werkstücke, der relativ niedrigen Prozesstemperatur und dem Einsatz für dreidimensionale Werkstücke. Zudem ist eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.
Publications
- Int. Conf. on Surface Modification of Materials by Ion Beams (SMMIB) im September 2005 in Kusadasi/Türkei: ¿ "Silicon carbide and boron carbide thin films formed by plasma immersion ion implantation of hydrocarbon gases"
- K. Baba' R. Hatada, S. Flege, G. Kraft, W. Ensinger, "Formation of thin carbide films of titanium and tantalum by methane plasma immersion ion implantation", Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 257 (2007) 746-749
- W. Ensinger, "Formation of diamond-like carbon films by plasma-based ion implantation and their characterization", Diamond and Frontier Carbon Technology 16 (2006) 1-32
- W. Ensinger, G. Kraft, F. Sittner, K. Volz, K. Baba, R. Hatada, "Silicon carbide and boron carbide thin films formed by plasma immersion ion implantation of hydrocarbon gases", Surf. Coat. Technol. 201 (2007) 8366-8369
- W. Ensinger, K. Volz, K. Baba, R. Hatada, "Diamond-like carbon films formed by hydrocarbon plasma immersion ion implantation with methane/toluene mixtures", Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 257 (2007) 692-695 17
