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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer DLC-Schicht
unter Verwendung einer Ionenbehandlung einer C-/H-haltigen Schicht
auf einem Substrat. Weiterhin betrifft die Erfindung eine dotierte
DLC-Schicht sowie ein Zwischenprodukt mit einer dotierten Beschichtung
zur Umwandlung in eine dotierte DLC-Schicht.
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In
dieser Anmeldung wird wie üblich die Bezeichnung 'diamantartige
Kohlenstoffschicht' mit 'DLC-Schicht' abgekürzt. Wenn in
dieser Anmeldung von DLC-Schichten gesprochen wird, so sind diamantartige
Kohlenstoffschichten gemeint, für die allgemein bekannt
ist, dass zur Erzielung einer industriell verwertbaren Härte
das Verhältnis der sp2/sp3 C-C-Bindungen in einem bestimmten Bereich
liegt.
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Aus
der
DE 10 2004
004 177 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer DLC-Schicht
bekannt, bei dem die DLC-Schicht unter Verwendung eines auf die
Oberfläche eines Substrats gerichteten Ionenstroms und
gleichzeitiger Abscheidung ausgebildet wird. Bei diesem Verfahren
wird ein vorgereinigtes Substrat in eine Vakuumkammer eingesetzt
und bei sehr niedrigen Drucken ein Ionenplasma aus einem Gasgemisch
betrieben, wobei das Gasgemisch aus einem ionenerzeugenden Trägergas
und Precursoren zur Abscheidung einer C-/H-Schicht auf dem Substrat
zusammengesetzt ist. Im Ionenplasma werden aus dem Trägergas
inerte bzw. nichtreaktive Ionen sowie aus einem Precursor-Gas schichtbildende Teilchen
erzeugt. Die schichtbildenden Teilchen werden durch die Plasmakollisionen
aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen erzeugt und liegen teilweise
auch in Ionenform vor. Die schichtbildenden Teilchen aus dem Plasma
diffundieren zum Substrat und scheiden sich dort ab. Während
der Ionenbeschussphasen auf die Substratoberfläche werden
zusätzlich neben den Trägergasionen auch die Ionen
der schichtbildenden Teilchen zum Substrat beschleunigt und dort
zumindest teilweise in die aufwachsende Schicht mit eingebaut. Ohne
Ionenbeschuss würden sich polymerartige C-/H-Schichten
auf dem Substrat ausbilden. Durch den gepulsten Ionenbeschuss mit
einer Ionenenergie im Bereich von 0,5–30 keV wird während
der Abscheidung der schichtbildenden Teilchen eine Oberflächenmodifikation
durch die Ionen/Schicht-Wechselwirkungen ausgelöst, die
zum Aufbau von DLC-Schichten führt. Hierbei wurde ein Optimum
der erzielbaren Härte der DLC-Schicht in Abhängigkeit
der Ionenenergie und Dichte ermittelt, so dass der Prozess aus simultaner
Abscheidung und Dünnschicht-Bindungsphasenmodifikation
optimiert werden kann. Weiterhin wird für dieses Verfahren
vorgeschlagen, in das Precursor- und Trägergasgemisch ein
Dotiergas einzumischen, so dass bei der Schichtabscheidung gleichzeitig
eine Dotierung erfolgt. Dotierstoffe sind hierbei Silizium, Siliziumoxid, Fluor
und Metalle.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
von DLC-Schichten unter Verwendung der Ionenbehandlung vorzusehen. Daneben
ist es Aufgabe, Substrate mit DLC-Schichten oder Vorstufen von DLC-Schichten
vorzusehen, die hochspezifische funktionelle Eigenschaften aufweisen
oder zur Herstellung solcher Schichten geeignet sind.
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Die
jeweilige Aufgabe wird durch Merkmale des Anspruchs 1, 18 bzw. 19
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem oben für die
DE 10 2004 004 177 A1 beschriebenen Verfahren
wurde erkannt, dass die Schichtabscheiderate begrenzt ist, d. h.
dass die zur Herstellung einer bestimmten Schichtdicke benötigte Gesamtzeit
dadurch limitiert ist, dass zur Erzeugung eines effizienten Ionenplasmas
geringe Drucke notwendig sind, was wiederum nur eine geringe Precursorgasdichte
zur Bereitstellung der schichtbildenden C-/H-Ausgangsmaterialien
für das Schichtwachstum zulässt. Daneben wurde
erkannt, dass neben dem in die Vakuumkammer eingebrachten Substrat
auch die Wände der Vakuumkammer beschichtet werden, was möglicherweise,
insbesondere bei Verwendung von metallorganischen Dotiergasen, zu
Verschleppungseffekten in der Vakuumkammer führt und ggf.
erhöhte Sicherheits- und Entsorgungsvorkehrungen erfordert.
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Gemäß Anspruch
1 wird ein Verfahren vorgesehen, bei dem auf ein Substrat zunächst
eine kohlen- und wasserstoffhaltige, vorzugsweise polymere, Zwischenproduktschicht
aufgebracht wird, die dann anschließend erst der Ionenbehandlung
unterzogen wird, um die Zwischenproduktschicht in eine DLC-Schicht
umzuwandeln. Es wurde hier überraschend festgestellt, dass
eine Modifikation der C-/H-Schicht und damit die Herstellung einer
geeigneten DLC-Schicht nicht nur dann erreichbar ist, wenn die sukzessive
aufwachsende C-/H-Schicht behandelt wird, sondern dass dies auch
nachträglich bei einer vorhandenen Zwischenproduktschicht
aus C-/H-Bindungen möglich ist. Auch bei der Ionenbehandlung
der bereits vorhandenen Zwischenproduktschicht mit einer technisch
relevanten Schichtdicke wird eine Modifikation der Bindungen in
der Zwischenproduktschicht bewirkt. Vorzugsweise ist die Schichtdicke
der Zwischenproduktschicht vor der Ionenbehandlung größer
gleich 30 nm oder 50 nm, ganz besonders bevorzugt größer
gleich 100 nm, 150 nm oder 200 nm.
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Daher
kann zur Ausbildung einer Zwischenproduktschicht auf einem Substrat
ein Verfahren unabhängig von der Ionenbehandlung gewählt
werden, also auch ein Abscheide- bzw. Schichtbildungsverfahren,
das im Vergleich zu gasphasengestützten Abscheideverfahren
sehr hohe bis extrem hohe Abscheide- bzw. Auftragraten an Zwischenprodukten auf
dem Substrat erlaubt. Beispielsweise können Hochraten-Sputterverfahren
verwendet werden, oder die für die Erfindung bevorzugte
Flüssigphasenbeschichtungsverfahren (siehe unten). Da nach
dem Verfahren die bereits vorhandene Zwischenproduktschicht in der
Plasmakammer vorzugsweise ausschließlich mit Ionen beschossen
wird, die zur Oberflächenmodifikation beitragen, sind auch
keine schichtbildenden Teilchen in der Plasmakammer vorhanden (oder
aufgrund des Absputtereffekts beim Ionenbeschuss zumindest nur in
sehr geringem Umfang vorhanden), so dass die Verschleppungseffekte in
der Plasmakammer bei Serienbeschichtungen von Substrat zu Substrat
eliminiert oder doch deutlich reduziert sind.
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Die
Zwischenproduktschicht ist vorzugsweise eine polymere Schicht, die
sich aus einer polymerbildenden Lösung leicht herstellen
lässt. Es ist jedoch auch möglich die Zwischenproduktschicht
ganz oder teilweise aus amorphen oder teilkristallinen (mikro- oder
nanokristalline C-Kristallite mit H-Einschlüssen und Anlagerungen)
Schichtbildnern auszubilden. Beispielsweise durch C-/H-haltige Moleküle,
die lediglich durch H-Brücken untereinander vernetzt sind, aber
keine C-H-Kettengerüste ausbilden oder hierzu wenig tendieren.
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Auch
wenn in Modifikation des Verfahrens vorgesehen wird, dass zusätzlich
schichtbildende Teilchen im Plasma zur zusätzlichen Schichtabscheidung
auf der bereits vorhandenen Zwischenproduktschicht erzeugt werden
und/oder Ionen zur Dotierung der Zwischenproduktschicht oder der
aufwachsenden DLC-Schicht erzeugt werden, so bleibt auch dann noch
der Vorteil bestehen, dass der Aufbau der Zwischenproduktschicht
nicht in der Plasmakammer erfolgt und somit eine wesentlich kürzere
Behandlungszeit in der Plasmakammer zur Herstellung der DLC-Schicht
erreicht wird.
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Ganz
besonders vorteilhaft wird die Zwischenproduktschicht außerhalb
der Plasmakammer, die zur Ionenbehandlung dient, auf das Substrat
aufgebracht. Dadurch wird es ermöglicht, einen sequentiellen
Verfahrensablauf aufzubauen, bei dem beispielsweise außerhalb
der Plasmakammer die Zwischenproduktschicht aufgebracht und ggf.
vorbehandelt wird, während ein weiteres Substrat gleichzeitig in
der Plasmakammer mit Ionen behandelt werden kann, um die Umwandlung
der Zwischenproduktschicht in die DLC-Schicht herbeizuführen.
Wird die Zwischenproduktschicht beispielsweise in einem Sol-Gel-Verfahren
oder Dip-Coating-Verfahren aufgebracht, so kann auch das Ausgasen
des Lösemittels aus der Zwischenproduktschicht durch ggf.
thermische oder Vakuum-Behandlung außerhalb der Plasmakammer
durchgeführt werden, so dass auch hier wieder keine Verunreinigungen
in die Plasmakammer gelangen und das Vakuum in der Plasmakammer
wesentlich schneller herbeigeführt werden kann.
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Ganz
besonders vorteilhaft wird die Zwischenproduktschicht im Sol-Gel-Verfahren,
beispielsweise mittels Eintauchen oder Dip-Coating oder durch Aufspinnen aufgebracht.
Damit lassen sich innerhalb von Sekunden oder wenigen Minuten Schichtdicken
von 50 nm, 100 nm, 200 nm oder mehr aufbringen, was ein sehr kostengünstiges
und schnelles Schichtbildungsverfahren darstellt. Auch ist es beispielsweise
mittels des Eintauchverfahrens, des Dip-Coating oder des Aufsprühens
auf das Substrat möglich, komplexe, 3-dimensionale Substrate mit
gleichmäßiger oder weitgehend gleichmäßiger Schichtdicke
rundum zu beschichten. Bei den Sol-Gel-Verfahren lässt
sich die Beschichtungsdicke beispielsweise durch die Eintauchzeit
und die Zeit zum Herausziehen des Substrates aus der Tauchlösung
einstellen und/oder zusätzlich durch die Mischung bzw.
Konzentration der Eintauchlösung (Verhältnis der
polymerbildenden Bestandteile zu Lösungsmittel). Die Entfernung
des oder der Lösungsmittel kann beispielsweise durch Tempern
und/oder Vakuumvorbehandlung durchgeführt werden.
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Vorzugsweise
wird die Ionenbehandlung in der Plasmakammer durch Beschuss der
Zwischenproduktschicht auf dem Substrat mittels Inertgasionen durchgeführt,
vorzugsweise mittels Edelgasionen, die selbst reaktionsträg
sind und daher mit den Bestandteilen der beschossenen Zwischenproduktschicht
keine chemische Bindung eingehen. Dies bewirkt, dass die in die
Zwischenproduktschicht eingeschossenen Ionen während des
Beschusses und der Umwandlungsphase aufgrund der fehlenden chemischen
Bindungen einfach wieder aus der Zwischenproduktschicht ausdiffundieren
und entweichen können. Werden zusätzlich oder
alternativ Wasserstoffionen verwendet, so wird in der Zwischenproduktschicht
die Ausbildung von molekularem HZ unterstützt, beispielsweise
durch Auslösen eines Wasserstoffatoms aus einer C-/H-Bindung.
Dabei diffundiert H2 ebenfalls aus der Schicht
und verringert so den H-Gehalt der Zwischenproduktschicht. Die Verwendung
oder zusätzliche Verwendung von Wasserstoffionen ist darüberhinaus
vorteilhaft, da energetische Wasserstoffionen eine höhere
Eindringtiefe in der Zwischenproduktschicht erreichen als Edelgasionen gleicher
Energie.
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Nach
einem Modell ist die Energie und die Masse der zur Ionenbehandlung
verwendeten Ionen so gewählt, dass ein hoher Einfangquerschnitt
für Atom-Atom-Stöße besteht, also die
eingeschossenen Ionen mit den C- oder H-Atomen der Zwischenproduktschicht
durch Stöße Wechselwirken. Die Wechselwirkung
der Ionen besteht in schrittweise hintereinander ablaufenden Stößen
mit den Atomen der Zwischenproduktschicht unter sukzessivem Energieverlust,
so dass eine gut bestimmbare mittlere Eindringtiefe des Eindringens
der Ionen in die Zwischenproduktschicht bekannt ist. Die Energie
der Ionen ist in Abhängigkeit der Dicke der Zwischenproduktschicht
so gewählt, dass über die gesamte Tiefe der Schichtdicke
der Zwischenproduktschicht Ionenstöße stattfinden
und die Modifikation zur DLC-Schichtstruktur ablaufen kann.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist die Ionenenergie in Abhängigkeit
der Zwischenproduktschichtdicke und -Dichte so gewählt,
dass ein Teil der Ionen noch in die oberste Oberflächenregion
des Substratmaterials mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit eindringt,
so dass auch dort eine Modifikation stattfindet und die Bindung
der entstehenden DLC-Schicht an die Substratoberfläche
unterstützt wird. Die Eindringtiefe der Ionen in die Oberflächenregion
des Substrats beträgt vorzugsweise weniger als 30 nm, vorzugsweise
weniger als 20 nm oder 10 nm. Es ist daher z. B. nicht notwendig,
die Oberfläche des Substrates mit einer Haftschicht für
DLC-Schichten zu versehen. Bei einer Ausgestaltung kann jedoch vorgesehen
sein, dass Haftvermittler auf der Substratoberfläche vorgesehen
sind, bevor die Zwischenproduktschicht aufgebracht wird.
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Um
einen homogenen Ionenfluss auf die Oberfläche der Zwischenproduktschicht
zu erhalten, wird vorzugsweise das Plasma zur Erzeugung der Ionen
für den Ionenbeschuss beabstandet von dem Substrat erzeugt.
Während der Pulsphasen, während derer die Zwischenproduktschicht
mit Ionen aus dem Plasma beschossen wird, stehen die entzogenen
Ionen nicht mehr für den sich selbst erhaltenden Plasmaprozess
zur Verfügung. Daher wird ein Tastverhältnis der
Zeit des Ionenbeschusses zur Zeit des ausgesetzten Ionenbeschusses
so gewählt, dass ein stabiler Plasma- und Ionenerzeugungsprozess
abläuft. Vorzugsweise beträgt die Ionenbeschusszeit ein
Zehntel der Zeit, in der kein Ionenbeschuss stattfindet. Ganz besonders
vorteilhaft wird zur Erzeugung des Plasmas eine Elektron-Zyklotron-Resonanz-Anordnung
(ECR-Anordnung) gewählt, bei der sich eine sehr hohe Ionendichte
erzeugen lässt.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist die Zwischenproduktschicht bereits vor
der Ionenbehandlung mit Dotierstoffen dotiert. Dabei können
die Dotierstoffe beim Ausbilden der Zwischenproduktschicht als eigene
Molekülbausteine eingebracht werden, die erst während
der Ionenbehandlung chemisch umgewandelt werden. Alternativ oder
zusätzlich sind die Dotierstoffe Elemente, die an die Polymere
oder Ausgangsstoffe zur Ausbildung der polymeren Kohlen- und Wasserstoff-haltigen
Zwischenproduktschicht eingebunden sind. Durch den Ionenbeschuss
werden die Dotierstoffe aktiviert, in dem diese entweder Bindungen
mit dem C-/H-Gerüst der DLC-Schicht eingehen oder in dem
diese innerhalb der C-/H-Matrix als Cluster eingeschlossen werden.
Beispielsweise wurde bei metallischen Dotierstoffen festgestellt, dass
diese zur Clusterbildung neigen, also während des Ionenbeschusses
innerhalb der Zwischenproduktschicht diffundieren und sich zu Gruppen
oder Cluster von Dotierstoffen anreichern, wie dies für eine
biologische Wirksamkeit des Dotierstoffs in einer DLC-Schicht wünschenswert
ist. Diese Form der Dotierung, also das Einbinden der Dotierstoffe
bereits in die Zwischenproduktschicht, hat den Vorteil, dass bei der
Ionenbehandlung keine Dotierung der Zwischenproduktschicht notwendig
ist und somit keine Verschleppungseffekte oder nur sehr geringe
innerhalb der Plasmakammer auftreten.
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Alternativ
oder zusätzlich kann es wünschenswert oder notwendig
sein, während der Ionenbehandlung oder in Unterbrechungsphasen
der Ionenbehandlung Dotierstoffe in die Zwischenproduktschicht mittels
Ionenimplantation einzufügen. Dies kann beispielsweise
erforderlich sein, wenn keine geeignete Ausgangsverbindung zur Verfügung
steht, mit der eine gleichmäßige Verteilung des
potentiellen Dotierstoffs bei der Herstellung der Zwischenproduktschicht
erreicht werden kann. Eine Dotierung mit den Dotierstoffen während
der Ionenbehandlung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass dem
Plasma aus den zur Ionenbehandlung verwendeten Ionen ein Dotierstoff-Precursor
zugegeben wird, so dass im Plasma Ionen entstehen, die zusammen
mit den Behandlungsionen in die Oberfläche der Zwischenproduktschicht
eingeschossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann zeitweise
das Plasma aus den Behandlungsionen ausgesetzt werden und ein Ionenplasma
aus Ionen bzw. deren Precursoren gezündet werden, die ausschließlich
zur Dotierung verwendet werden. Beispielsweise kann ein N+-Ionenplasma aus N2-Gas
gezündet werden, um eine Dotierung mit Stickstoffionen
vorzunehmen.
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Die
Dotierung der Zwischenproduktschicht während der Ionenbehandlung
bzw. die Aktivierung des in der Zwischenproduktschicht bereits vorhandenen
Dotierstoffes führt dazu, dass die anschließende DLC-Schicht
funktional aktiv ist und neben der von DLC-Schichten bekannten Härte
zusätzliche Eigenschaften wie biologische Funktionalität
und/oder eine hydrophile oder hydrophobe Eigenschaft aufweisen. Ganz
besonders Vorteilhaft werden zumindest zwei verschiedene Dotierstoffarten
verwendet, so dass eine mehrfache Funktionalität der dotierten DLC-Schicht
erreicht wird und ein maßgeschneidert beschichtetes Substrat
entsteht.
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Ganz
besonders vorteilhaft wird das Verfahren für die folgenden
Substrat/Schicht-Kombinationen genannt:
- – Ein
medizinisches Implantat aus einer Substratbasis aus Metall oder
Keramik, auf der eine DLC-Schicht aufgebracht ist mit einer Metall-Dotierung
und einer Dotierung, die der Oberflächenschicht eine hydrophile
Eigenschaft verleiht. Dabei führt die Metalldotierung nach
der durch die Ionenbehandlung bevorzugten Ausbildung von Nanoclustern
zu einer bioziden Aktivität, die in einer Konzentration
eingestellt ist, dass einerseits durch die Ionenwanderung Bakterien
abgetötet werden, während die Toxizitätsschwelle
noch unterschritten ist, so dass sich körpereigenes Gewebe
am Implantat anlagern kann. Die Anlagerung von körpereigenem
Gewebe wird dabei zusätzlich durch die hydrophile Eigenschaft
aufgrund der entsprechenden Dotierung unterstützt.
- – Im Unterschied zum ersten Beispiel wird beispielsweise
ein medizinisches Arbeitsgerät ebenfalls mit Metallen wie
oben dotiert, jedoch wird hier eine hydrophobe Eigenschaft verliehen,
so dass eine möglichst geringe Benetzung des medizinischen
Arbeitsgerätes mit Flüssigkeiten und damit eine
geringe Verunreinigung auftritt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte des
Aufbringens der Zwischenproduktschicht und der Ionenbehandlung mehrfach
bei einem Substrat durchgeführt werden, also eine erste
Zwischenproduktschicht aufgebracht wird, diese einer Ionenbehandlung
unterzogen wird, anschließend – vorzugsweise außerhalb
der Plasmakammer – eine zweite Zwischenproduktschicht auf
die bereits umgewandelte DLC-Schicht aus der ersten Zwischenproduktschicht
abgeschieden wird, diese zweite Zwischenproduktschicht einer Ionenbehandlung
unterzogen wird usw. Wie oben erwähnt, kann alternativ
nach der Ionenbehandlung der ersten Zwischenproduktschicht eine
Abscheidung einer polymeren Kohlenwasserstoffschicht durch Verwendung
von entsprechenden Schicht-Precursoren und gleichzeitiger Ionenbeschussbehandlung
durchgeführt werden. Dabei ist die bereits vorher abgeschiedene
Zwischenproduktschicht entweder im Rohzustand und wird während des
Aufwachsens der weiteren Schicht ionenbehandelt oder es wird erst
eine Ionenbehandlung der vorhandenen Zwischenproduktschicht durchgeführt,
bevor durch Zugabe der Schicht-Precursoren eine gleichzeitige Schichtabscheidung
und deren Ionenbehandlung ausgeführt wird. Bezüglich
des Schichtaufwachsens auf die vorhandene Zwischenproduktschicht
bzw. die bereits umgeformte DLC-Schicht wird auf die entsprechenden
Angaben in der
DE
10 2004 004 177 A1 vollinhaltlich verwiesen. Wiederum können
den schichtbildenden Precursoren Ausgangssubstanzen zugegeben werden,
die zu einer Dotierung der aufwachsenden (ggf. der bereits vorhandenen
Zwischenproduktschicht) führen. In Ausgestaltung kann dabei
die ursprüngliche Zwischenproduktschicht undotiert sein,
während die aufwachsende C-/H-Schicht dotiert wird.
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Ganz
besonders vorteilhaft wird auf eine auf dem Substrat vorhandene
DLC-Schicht eine Zwischenproduktschicht aufgebracht und diese der
anschließenden Ionenbehandlung unterzogen. Dabei wird auf
die vorhandene, verschleißarme DLC-Schicht die funktionalisierte
Oberflächenschicht aufgebracht. Besonders wenn die vorhandene DLC-Schicht
undotiert ist und die Zwischenproduktschicht gemäß dem
dargestellten Verfahren dotiert ist oder wird, ist die Gesamtkonzentration
des oder der Dotierstoffe über die gesamte DLC-Schichtdicke gesehen
gering, während gerade die oberflächennahe Schichtregion
die funktionalisierte Eigenschaft in vollem Umfang aufweist. Vorteilhaft
ist dabei die bereits vorhandene DLC-Schicht zumindest um den Faktor
2 dicker als die dann verdichtete Zwischenproduktschicht, vorzugsweise
ist diese zumindest um den Faktor 4, 6 oder 10 dicker. Die vorhandene DLC-Schicht
kann dabei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
(Zwischenproduktschicht/Ionenbehandlung), durch das aus der
DE 10 2004 004 177 A1 bekannte
Verfahren, oder einem anderen Verfahren hergestellt sein.
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Es
wurde festgestellt, dass bei der Ionenbehandlung der Zwischenproduktschicht
nicht notwendigerweise eine thermische Aktivierung erforderlich ist,
um eine DLC-Schicht hoher Qualität zu erreichen. Da bei
der Behandlung der bereits vorhandenen Zwischenproduktschicht keine
Schicht aufwachsen muss, ist keine hohe Oberflächenmobilität
der ankommenden schichtbildenden Teilchen erforderlich, also kein
Heizen des Substrates notwendig. Daher können vorzugsweise
die Zwischenproduktschichten auch bei Umgebungstemperatur, also
ohne zusätzliche Heizung des Substrates durchgeführt
werden. Bei besonders empfindlichen Substraten kann sogar vorgesehen
sein, dass das Substrat beispielsweise durch Verbinden mit einer
gekühlten Substrathalterung gekühlt wird, so dass
die thermische Energie, die durch die Plasmastrahlung und den Ionenbeschuss
auf die Zwischenproduktschicht und auf das Substrat übertragen
werden, durch die Kühlung abgeführt wird.
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Vorteilhaft
wird vor dem Beginn der Ionenbehandlung eine Reinigung des Ionenraums
der Plasmakammer und der Oberfläche der Zwischenproduktschicht
durchgeführt, indem das Plasma ohne Ionenbeschuss auf die
Zwischenproduktschicht für einige Sekunden bis einige Minuten
vor dem Beginn der Ionenbehandlung gezündet und betrieben
wird. Alternativ oder zusätzlich werden aus dem Plasma Ionen,
vorteilhaft Ionen, die auch zur Ionenbehandlung verwendet werden,
mit niedriger Energie auf die Zwischenproduktschicht beschleunigt,
so dass die Ionen entweder nur auf der Oberfläche auftreffen oder
nur sehr gering in die Oberfläche eindringen und dort Verunreinigungen
lösen. Beispielsweise werden die Ionen nur mit der Hälfte
der Ionenenergie, vorzugsweise nur mit einem viertel oder einem
zehntel der Ionenenergie auf die Zwischenproduktschicht beschleunigt,
mit der später die Ionenbehandlung durchgeführt
wird. Wird beispielsweise eine Ionenbehandlung bei einer Ionenenergie
von 10 keV durchgeführt, so kann die Vorbehandlung zur
Reinigung der Plasmakammer und des Substrates bei einer Ionenenergie
von 0,5 bis 5 keV, vorzugsweise von 1 bis 3 keV durchgeführt
werden. Damit werden Verunreinigungen wie z. B. auf der Oberfläche
anhaftende Lösungsmittel oder Fettrückstände
von der Oberfläche der Zwischenproduktschicht entfernt.
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Gemäß Anspruch
19 ist ein Substrat mit einer dotierten DLC-Schicht vorgesehen,
die zwei verschiedene Dotierstoffe zum Dotieren aufweist, wobei die
Dotierstoffe der DLC-Schicht jeweils eine unterschiedliche Funktionalität
verleihen. Diese sind einerseits eine biologische Funktionalität,
beispielweise durch Dotierung mittels Metallatomen, und andererseits
eine hydrophobe oder hydrophile Funktionalität.
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Ganz
besonders vorteilhaft wird ein Substrat mit einer dotierten, vorzugsweise
polymeren, Zwischenproduktschicht gemäß Anspruch
20 vorgesehen, wobei das Substrat einem Umwandlungsprozess zur Modifikation
von der C-/H-Zwischenproduktschicht zur DLC-Schicht unterzogen werden
kann, insbesondere durch eine Ionenbehandlung gemäß dem
oben beschriebenen Verfahren oder dessen Ausgestaltungen. Dadurch,
dass eine Zwischenproduktschicht bereits mit der Dotierung vorgesehen
ist, ist es bei dem Modifikationsprozess, bei dem die Zwischenproduktschicht
in die dotierte DLC-Schicht umgewandelt wird, nicht erforderlich,
durch eine umfangreiche Versuchsserie Parameter festzulegen, bei denen
in Abhängigkeit des Precursor-Materials für die
Dotierstoffe und des Precursor-Materials für die schichtbildenden
Stoffe die gewünschte Dotierung bzw. Dotierstoffdichte
in der DLC-Schicht erreicht wird. Wird beispielsweise eine Sol-Gel-Beschichtung oder
eine sonstige Beschichtung aus einer Flüssigmischphase
verwendet, so ist die Dotierkonzentration durch die Mischung des
verwendeten Ausgangsprodukts sehr einfach und auf kontrollierte
Weise festzulegen, also auch die Dotierstoffkonzentration in der
Zwischenproduktschicht.
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Bei
Verwendung einer Ionenbehandlung wurde beobachtet, dass bei Verwendung
der dotierten Zwischenproduktschicht ein Absputtern von der Zwischenproduktschicht
während der Ionenbehandlung eher für polymerartige
C-/H-Cluster der Zwischenproduktschicht zutrifft als für
den oder die Dotierstoffe. Daraus folgt, dass einerseits eine Verunreinigung
des Plasmareaktors durch abgesputterte Dotierstoffe gering ist und
anderseits die absolute Dotierstoffmenge der zu erzeugenden DLC-Schicht schon
mit dem Auftragen der Zwischenproduktschicht gut kontrollierbar
ist.
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Anhand
von Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
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1A schematisch
die Anordnung zur Tauchbeschichtung eines Substrates,
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1B in
vereinfachter Darstellung die Ionenbehandlung des tauchbeschichteten
Substrates in einer Plasmakammer,
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2 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Tauchbeschichtung und Ionenbehandlung
mit vorteilhaften, optionalen Zwischenschritten, und
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3 einen
Zeitverlauf des Verdichtungsprozesses durch die Ionenbehandlung.
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1A zeigt
schematisch die Tauchbeschichtung bzw. das Dip-Coating eines Substrates 10 durch
Eintauchen des Substrates in eine Tauchlösung 14 in
einem Tauchbehälter 12. Die Tauchlösung 14 ist
eine Mischung aus einem Lösungsmittel und den darin gelösten
Ausgangsstoffen für eine Kohlenwasserstoff (C, H)-haltige
Beschichtung des Substrates 10. Die Struktur und Form des
Substrates 10 soll die 3-dimensionale Geometrie des Substrates
veranschaulichen, wobei die Oberfläche des Substrates, auf
der später die DLC-Schicht auszubilden ist, nicht planar
sondern strukturiert sein kann.
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Durch
die Tauchbeschichtung ist es auf einfache Weise möglich,
das Substrat weitgehend homogen mit einer einheitlichen Schichtdicke
aus der Lösung 14 zu beschichten. Die Schichtdicke
der auf dem Substrat 10 anhaftenden Lösung 14 wird
bestimmt durch die Zusammensetzung der Tauchlösung 14,
die Eintauchzeit des Substrates in die Lösung und die Geschwindigkeit,
mit der das Substrat 10 aus der Lösung 14 herausgezogen
wird. Da das Eintauchen, die Verweildauer und die Geschwindigkeit,
mit der das Substrat 10 aus der Lösung gezogen wird,
mittels einer computergesteuerten Winde 16, die eine Schnur 18 auf-
und abwickelt, gesteuert werden kann, ist die Schichtdicke sehr
genau kontrollierbar (da auch die Zusammensetzung der Tauchlösung 14 sehr
exakt einstellbar und reproduzierbar ist).
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Optional
sind der Tauchlösung 14 ein oder mehrere Ausgangsstoffe
für eine oder verschiedene Dotierungen zugegeben, wobei
der (die) Ausgangsstoff(e) in der Tauchlösung 14 in
gelöster oder in Suspensionsform beigegeben sein kann.
Die Tauchlösung kann neben den Kohlenwasserstoffen einen oder
mehrere Dotierstoffausgangsmaterialien enthalten, beispielsweise
metallorganische Verbindungen die zur Metalldotierung führen,
und/oder Zyanverbindungen oder andere CN-Verbindungen, die der Dotierung
der DLC-Schicht mit Stickstoff dienen; und/oder Halogenverbindungen,
die während der Ionenbehandlung zur Halogendotierung der DLC-Schicht
führen.
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Zwei
beispielhafte Lösungszusammensetzungen für eine
Tauchbeschichtung unter Angabe der Massenverhältnisse sind:
Für
eine Zwischenproduktschicht mit einer Silber- und Stickstoffdotierung
sind die Ausgangsverbindungen Ethanol:Polyvinylpyrrolidon(C6H9NO):Silberacetat(AgC2H3O2)
im Massenverhältnis 8000:1000:500.
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Für
eine Zwischenproduktschicht mit einer Silber- und Fluordotierung
sind die Ausgangsverbindungen der Lösung Ethanol:Polyvinylpyrrolidon(C6H9NO):Trifluoracetat(C2HF3O2):Silberacetat(AgC2H3O2)
mit einem Massenverhältnis 8000:1000:2000:500.
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Zum
Austreiben des Lösungsmittels aus der am Substrat 10 anhaftenden
zähflüssigen Beschichtung kann optional ein Temperschritt
und/oder ein Vakuumbehandlungsschritt zwischengeschaltet werden.
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Nach
der Beschichtung des Substrates wird dieses in einen Plasmareaktor 20 eingebaut
oder eingelegt und einer Ionenbehandlung unterzogen. Hierzu wird
im Plasmareaktor 20 ein Ionenplasma 24 gezündet,
das mittels einer RF-Quelle 22 betrieben wird. Beispielsweise
wird als Plasmagenerator RF-Quelle oder eine Mikrowellenquelle verwendet. Bevorzugt
ist eine ECR-Quelle (Elektron-Zyklotron-Resonanz-Quelle), bei der
neben dem Mikrowellen-Feld (z. B. 2,4 GHz) noch ein Magnetfeld angelegt
ist, wodurch ein sehr hochdichtes Plasma 24 erzeugt werden
kann. Das Substrat 10 wird an die Kathode einer gepulst
arbeitenden DC-Quelle 26 über eine Kathodenleitung 28 angeschlossen.
Ist das Substrat 10 selbst leitend, so kann das Substrat
durch einfache Verbindungen mit der Kathodenleitung 28 auf
ein negatives Potential gebracht werden. Bei nicht leitenden oder
schlecht leitenden Substraten 10 wird alternativ eine Kathodenplatte
hinter dem Substrat 10 angeordnet oder das Substrat 10 in
einem leitenden Gitterkäfig platziert, wobei das Gitternetz nahe
der Oberfläche des Substrates liegt. Die Anode der DC-Quelle 26 wird
beispielsweise mit dem leitenden Gehäuse des Plasmareaktors 20 verbunden oder
mit einer nicht dargestellten Anodenplatte, die oberhalb des Plasmas 24 angeordnet
ist.
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Die
DC-Quelle 26 wird gepulst betrieben, wobei Pulse der Dauer
von beispielsweise 10 μs im Abstand von 100 μs
folgen, so dass die Katodenspannung an das Substrat 10 mit
einem Tastverhältnis von 1:10 angelegt wird. Die Katodenspannung
sollte recht hoch sein, um die Eindringtiefe der Ionen zu maximieren.
Diese liegt beispielsweise im Bereich von 5–50 kV, so dass
die aus den Plasma 24 abgezogenen positiven Ionen mit einer
entsprechenden Energie von 5 bis 50 keV auf das Substrat beschleunigt werden.
Vorzugsweise liegt die Ionenenergie im Bereich von 10 bis 30 keV.
Wie mit den Pfeilen in 1B dargestellt, ist der Ionenstrahl 30 nicht
stark ausgerichtet, so dass die Ionen verteilt über einen
bestimmten Winkelbereich aus unterschiedlichen Richtungen auf die
Substratoberfläche auftreffen. Durch den teilweise ungerichteten
Ionenstrahl 30 wird es ermöglicht, dass auch 3-dimensionale
Oberflächenstrukturen in geneigten Konturbereichen der
Substratoberfläche mit einer ausreichenden Ionendichte
beschossen werden, so dass eine gleichförmige Umwandlung
der polymeren Beschichtung des Substrates 10 in eine DLC-Beschichtung
erfolgt.
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Das
Plasma wird bei einem Druckbereich von unter 50 Pa betrieben, vorzugsweise
von unter 10 Pa oder unter 5 Pa, besonders bevorzugt bei ungefähr
1 Pa. Vorzugsweise wird das Gas zur Erzeugung des Plasmas 24 kontinuierlich
zugeführt und entsprechend eine Vakuumpumpe auch während des
Plasmabetriebs mit dem Plasmareaktor 20 verbunden, so dass
ein ständiger Durchflussbetrieb des Ausgangsgases für
das Ionenplasma 24 für eine Entfernung von Verunreinigungen
sorgt. Die Verunreinigungen können beispielsweise aus der
behandelten Schicht oder aus dem Substrat 10 austreten
oder durch Undichtigkeiten in den Plasmareaktor 20 gelangen.
Beispielsweise wird eine Gasströmung von 50 sccm Argon
dem Plasmareaktor zugeführt, vorzugsweise zusammen mit
einer Strömung von 10 sccm Wasserstoff.
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Durch
eine nichtdargestellte Heizung kann das auf einem Substrathalter
angeordnete Substrat 10 auf die gewünschte Substrattemperatur
geheizt werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei diesem Umwandlungsprozess
ausgehend von einer bereits vorhandenen Polymerschicht auf dem Substrat keine
zusätzliche Heizung benötigt wird und somit bei Raumtemperatur
gearbeitet werden kann. Bei besonders temperaturempfindlichen Substraten
(beispielsweise Kunststoffsubstrate) kann der Substrathalter optional
gekühlt werden, so dass die auf das Substrat 10 übertragene
Prozesswärme durch Ableitung an den Substrathalter abgeführt
wird.
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur Herstellung von DLC-Schichten auf dem vorbeschichteten Substrat 10 mit
anschließender Ionenbehandlung des vorbeschichteten Substrates.
Es sei angemerkt, dass die Tauchbeschichtung nur ein Beispiel für
die Vorbeschichtung des Substrates ist und hier auch andere Verfahren
verwendet werden können, wie beispielsweise ein Rotationsschleudern
(Spin-Coating), ein Siebdruckverfahren, ein Sprühverfahren
oder dergleichen. In 2 sind optionale Verfahrensschritte
in den gestrichelt dargestellten Kästchen dargestellt,
die entsprechend mit punktierten Pfeilen verbunden sind. Beispielsweise
kann vor der Tauchbeschichtung eine Substratvorbehandlung stattfinden, in
der mittels Lösungsmitteln die Substratoberfläche von
Rückständen befreit wird und/oder auf die eigentliche
Substratoberfläche zunächst eine Haftvermittlerschicht
aufgebracht wird. Danach wird die Tauchbeschichtung durchgeführt,
wobei wie oben erwähnt der Tauchlösung 14 Dotierstoffe
zugegeben sein können. Danach wird nach einer Abtrocknungszeit
zur Verdunstung des Lösungsmittels das beschichtete Substrat
in den Reaktor 20 eingebracht, um die Ionenbehandlung durchzuführen.
Optional kann das beschichtete Substrat getempert und/oder Vakuumbehandelt
werden, um das Lösungsmittel zu entfernen.
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Das
Einbringen des Substrates in den Reaktor ist in 2 durch
die strichpunktierte Linie dargestellt, die die Trennung entsprechend
auch zwischen den 1A und 1B symbolisiert.
Optional kann daher vor der Ionenbehandlung eine Plasmareinigung
durchgeführt werden. Beispielsweise wird bei der Plasmareinigung
nur das Plasma 24 gezündet, ohne einen Ionenbeschuss 30 durchzuführen.
Oder der Ionenbeschuss 30 des Substrates 10 wird
bei reduzierter Ionenenergie durchgeführt im Vergleich
zur Ionenenergie, die zur anschließenden Ionenbehandlung
verwendet wird. Anschließend an die Ionenbehandlung kann
erneut eine Tauchbeschichtung (oder eine sonstige oben erwähnte
alternative Beschichtung des Substrates 10) wiederholt
werden, wobei die erneute Ausgangsschicht für die zu bildende DLC-Schicht
auf der bereits vorhandenen DLC-Schicht aufgebracht wird. Alternativ
oder in wechselnder Reihenfolge kann die Schichtdicke aus dem ersten
Ionenbehandlungsschritt dadurch vergrößert werden,
dass in den Plasmaprozess Ausgangsstoffe (Precursoren) zugeführt
werden, die zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffverbindungen auf der
Oberfläche der vorhandenen Vorbeschichtung führen.
Ist die Schichtdicke ausreichend, so wird die Ionenbehandlung beendet
und es steht das Substrat mit der DLC-Beschichtung zur Verfügung.
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Wie
in 2 dargestellt, kann eine Dotierung mit Ionen (ggf.
eine zusätzliche Ionendotierung der bereits vordotierten
Ausgangsschicht) dadurch durchgeführt werden, dass dem
Plasma 24 ein oder verschiedene Ausgangsgase für
die Dotierstoffe zugegeben wird. Die im Plasma 24 erzeugten
Dotierionen werden dann wie die Behandlungsionen als Ionenstrahl 30 gegen
das Substrat 10 beschleunigt und dort zumindest teilweise
in die vorhandene Schicht eingebaut. Damit bestehen zwei alternative
oder miteinander zu kombinierende Wege zur Dotierung der DLC-Schicht
zur Verfügung, nämlich entweder die Zugabe von
Dotierstoffausgangsverbindungen oder Elementen in die Tauchlösung 14 und/oder
die Zugabe von Dotierstoffausgangsprodukten in den Plasmaprozess.
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Im
Folgenden werden weitere Aspekte der Erfindung erläutert,
wobei die obigen Ausführungen ergänzt oder vertieft
werden. Es werden somit weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und
der Schicht/Zwischenproduktschicht dargestellt, wobei diese einzeln
oder in Kombination mit den obigen Ausführungen und den
folgenden Ansprüchen anwendbar sind.
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur
Herstellung von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) mit
darin enthaltenen Metall- oder Metalloxidpartikeln. Das Verfahren
bietet zudem die Möglichkeit zur Dotierung der DLC-Matrix mit
anderen Elementen, insbesondere Halogenen. Das Material wird in
Form von dünnen Schichten auf beliebigen Trägermaterialien
erzeugt.
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A. Teilprozess Coating des Substrats
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Im
ersten Schritt bzw. Teilprozess wird mittels eines beliebigen Verfahrens
(bspw. Sol-Gel) eine Polymerschicht auf dem Substrat 10 erzeugt,
die das/die gewünschten Metall(e)/Metalloxid(e) und eventuelle
weitere Zusatzstoffe in der endgültigen Form oder einer
geeigneten Vorstufe enthält.
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Durch
Wahl der die Tauchlösung 14 und damit der die
Tauchbeschichtung bildenden Komponenten ist es möglich,
funktionalisierte DLC-Beschichtungen für spezielle Anwendungen,
insbesondere im Feld der Medizintechnik, zu erzeugen.
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Als
bevorzugtes Verfahren wird das Dip-Coating vorgesehen, wobei Dip-Coating
eine nasschemische Beschichtungsmethode bezeichnet und nur eines
aus einer ganzen Reihe von sog. Sol-Gel-Verfahren ist, die alle
auf dem gleichen Grundprinzip basieren und somit ebenso zur Anwendung
kommen können. Das Substrat 10 (bzw. das Werkstück)
wird in eine Lösung (Sol) eingebracht, welche beim Abtrocknen
einen dünnen Feststoff-Film (Gel) auf dem Substrat hinterlässt.
Die Wahl der Lösungszusammensetzung bestimmt hierbei die
Zusammensetzung des Endproduktes.
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Die
resultierende Schichtdicke ergibt sich aus der Konzentration schichtbildender
Komponenten in der Lösung sowie einer Reihe weiterer Herstellungsparameter
wie beispielsweise der Auszugsgeschwindigkeit aus dem Tauchbehälter,
der Viskosität der Lösung und auch der Temperatur
und relativen Luftfeuchtigkeit. Der Prozess erlaubt eine wirtschaftliche
Beschichtung 3-dimensionaler Körper in hohen Stückzahlen
mit Schichtdicken vom niedrigen Nanometer- bis in den hohen Mikrometerbereich
bei guter Reproduzierbarkeit.
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A.1 Zusammensetzung der Tauchlösung 14
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Die
Tauchlösung 14 (Sol) enthält ein oder mehrere
Polymere. Zu Dotierungszwecken enthält die Lösung
vorzugsweise zusätzlich das/die Metall(e) und/oder Metalloxid(e)
in Form von kolloidalen Partikeln, organmetallischen Verbindungen
oder Metallsalzen. Die Art der Metallverbindung muss dabei nicht
zwingend der endgültigen Form in der späteren DLC-Schicht
entsprechen.
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Der
Lösung können alternativ oder zusätzlich
weitere Stoffe zugesetzt werden, die zusätzliche Dotanden
enthalten. Um beispielsweise ein Fluor-dotiertes DLC mit darin enthaltenen
Silberpartikeln zu erzeugen eignet sich als Sol beispielsweise in
Ethanol gelöstes Polyvinylpyrrolidon (PVP) mit einem Zusatz
von Silberacetat und Trifluoressigsäure. Durch thermische
oder UV-induzierte Reduktion entstehen kolloidale Silberpartikel,
deren Größe durch den PVP-Anteil bestimmt wird.
Durch Tauchbeschichtung wird ein PVP-Film auf dem Substrat abgeschieden, der
einerseits Silberpartikel und andererseits Trifluoracetatkomplexe
enthält.
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Aus
einer derartigen Lösung wird durch einen beliebigen Sol-Gel
Prozess ein dünner Polymerfilm (Gel) auf dem zu beschichtenden
Substrat 10 abgeschieden. Die oben genannten Zusatzstoffe
sind so gewählt, dass die gewünschten Elemente
in der endgültigen Form oder einer geeigneten Vorstufe
zur späteren Transformation unter Ionenbeschuss in die Polymerschicht
eingebaut werden.
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B. Teilprozess Ionenbehandlung
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Im
zweiten Schritt des Verfahren bzw. bei dem Teilprozess Ionenbehandlung
wird die im ersten Schritt erzeugte Polymerschicht durch den Beschuss mit
Ionen (Energiebereich keV-MeV) zu amorphem diamantähnlichen
Kohlenstoff verdichtet. Durch eine geeignete Wahl von Ionenenergie
und -sorte kann der Verdichtungsprozess und die Form und Verteilung
der Partikel gesteuert werden. Des Weiteren wird der Einbau von
Dotanden in das Kohlenstoffnetzwerk gewährleistet. Zur
Verdichtung des Polymers zu einem harten DLC eignen sich prinzipiell
alle Methoden zur Ionenbestrahlung. Bei der Plasma-Ionenbehandlung
wird vorzugsweise die sog. Plasmaimmersions-Ionentechnologie zur
Modifikation auf dem bevorzugt leitfähigen Substrat 10 eingesetzt. Diese
Methode ist auf große, gekrümmte Substratoberflächen
anwendbar.
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Zur
Behandlung wird das Substrat 10 auf einem leitfähigen,
gegenüber der Kammerwand des Plasmareaktors 20 isolierten
Substrathalter aufgebracht und im Reaktor 20 ein Hochvakuum
erzeugt. Durch Herstellung einer definierten Gaszusammensetzung
mit einem Druck von ca. 1 Pa im Reaktor und Aktivierung einer geeigneten
Plasmaquelle wird das Substrat 10 daraufhin von einem Plasma
homogen und 3-dimensional umschlossen. Durch Anlegen von negativen
Hochspannungspulsen aus der DC-Quelle 26 an das Substrat
(typ. Spannung 10 kV; typ. Dauer 5 μs; typ. Wiederholfrequenz
1 kHz) werden die Elektronen des Plasmas zurückgestoßen
und die positiven Plasmaionen auf die Substratoberfläche
beschleunigt. Die durch die Ionenextraktion entstehende Verarmungszone
des Plasmas wird in der Pulspause zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Pulsen nivelliert. Das Verfahren lässt sich mit verhältnismäßig
geringem technischen Aufwand bis zu Beschleunigungsspannungen von
etwa 30 kV betreiben und liefert hohe Ionenfluenzen mit typischerweise
kurzen Behandlungszeiten (Minuten bis wenige Stunden).
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Der
Verdichtungsprozess der auf dem Substrat 10 aufgebrachten
Polymerschicht basiert vor allem auf der Ionen-induzierten Reduktion
des Wasserstoffanteils und der verstärkten Vernetzung des
Kohlenstoffs mit einem signifikanten Anteil an sp3-Bindungen.
Des Weiteren kann der Ionenbeschuss auch zur Phasenbildung eingesetzt
werden. Die Ionensorte und -energie wird entsprechend des gewünschten Endprodukts
und der dazu notwendigen ioneninduzierten Prozesse gewählt.
Der Verdichtungsprozess selbst ist von diesen Parameter in einem
ausreichend großen Bereich unabhängig.
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Der
Ionenbehandlungsprozess bzw. Verdichtungsprozess wird an folgendem
Beispiel erläutert: Das Substrat 10 mit der Polymerbeschichtung
mit einer Schichtdicke von ca. 100 nm wird in den Plasmareaktor 20 eingebracht
und in diesem ein Argonplasma erzeugt. Durch Anlegen von Hochspannungspulsen
mit einer Höhe von –20 kV werden Ionen aus dem
Plasma 24 auf die Substratoberfläche beschleunigt
und dringen in diese ein. Es bildet sich eine verdichtete Oberflächenschicht,
woraufhin die Schichtdicke effektiv abnimmt und die Ionen tiefer
in die Polymerschicht vordringen können. Die richtige Wahl
der Dicke der ursprünglichen Polymerschicht erlaubt so eine
vollständige Umwandlung dieser zu DLC. Im Endzustand findet
sich beispielsweise auf einem Metallsubstrat eine etwa 20 nm dicke
DLC-Schicht. Die Dotandenkomplexe werden während des Verdichtungsprozesses
durch den Ionenbeschuss gespalten und innerhalb der Kohlenstoffmatrix
chemisch aktiviert, so dass eine hydrophobe und antibakteriell wirksame
Verschleißschutzschicht resultiert.
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Durch
die Integration von Fremdelementen zusätzlich zu (H, C)
in die ursprüngliche Polymerschicht werden diese in den
Verdichtungsprozess miteinbezogen. Dabei werden eventuelle Komplexe durch
Aufbrechen der Bindungen zerstört. Handelt es sich bei
dem Dotanden um ein mit Kohlenstoff reaktives Element (z. B. N,
Si), so wird dieses in die Kohlenstoffmatrix gebunden und somit
chemisch aktiviert. Handelt es sich bei dem Dotanden um ein nicht mit
Kohlenstoff reaktives Element (z. B. Cu), so wird dieses nicht durch
Bindung immobilisiert und kann sich im Folgenden mittels strahleninduzierter
oder thermischer Diffusionsprozesse zu chemisch stabileren Cluster
anordnen. Im Beispiel der Metalldotierung ist dieser Effekt erwünscht,
da Metallcluster einen hohen Anteil nicht-passivierter Metallatome
enthalten, welche z. B. durch bakterielle Korrosion aktiviert werden
können.
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C. Beispielhafte Ergebnisse
-
Bei
den durchgeführten Behandlungen von Substraten mit Polymerbeschichtung
konnten unter anderem die folgenden Ergebnisse erzielt werden:
- – Eine hoher Dotandenkonzentration
im Bereich der aktiven Levels in den resultierenden Schichten konnte
nachgewiesen werden.
- – Prüfkörper eines medizintechnisch
relevanten Materials (TiAl6V4) wurden erfolgreich mit Ag- und F-dotierten
DLC-Schichten überzogen.
- – Die Härte der erzeugten Schichten liegt
z. B. bei 8 GPa Nanohärte.
- – Der Kompressionseffekt durch Ionenbeschuss wurde
nachgewiesen. 3 zeigt ein Beispiel der zeitlichen
Verdichtungs-Verlaufs der Konzentrationen aller Schichtkonstituenden
(H, C, N, O, F, Ag, Cu) unter Ionenbeschuss. Beim zeitlichen Verlauf
der elementaren Flächenbelegungen einer silberdotierten
Polymerschicht unter Ionenbeschuss (Kompressionseffekt) zeigt sich
eine Sättigung der Flächenbelegung aller Elemente
zu einer komprimierten Schicht sowie ein relativ hoher Sättigungswert
für den schweren Ag-Dotanden.
-
- 10
- Substrat
- 12
- Tauchbehälter
- 14
- Tauchlösung
- 16
- Winde
- 18
- Schnur
- 20
- Plasmareaktor
- 22
- RF-Quelle
- 24
- Plasma
- 26
- DC-Quelle
- 28
- Kathodenleitung
- 30
- Ionenstrahl
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004004177
A1 [0003, 0007, 0022, 0023]