DE102011052029A1

DE102011052029A1 - Plasmaimmersions-Ionenimplantation in nicht leitfähiges Substrat

Info

Publication number: DE102011052029A1
Application number: DE201110052029
Authority: DE
Inventors: Otto Hauser; Dr. Frey Hartmut
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2013011147A3; WO2013011147A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmaimmersions-Ionenimplantation in ein elektrisch nicht leitfähiges Substrat (60). Zwischen einer ersten Elektrode (10) und einem metallischen Target (30) wird durch Kathodenzerstäubung desselben ein Plasma erzeugt, das Ionen des Targets enthält. Ein Substrat (60) wird durch eine zwischen ihm und der ersten Elektrode (10) angeordnete zweite Elektrode (20) mit Ionen beschossen, indem negative Hochspannungspulse (51) an die zweite Elektrode (20) bezogen auf die erste Elektrode (10) angelegt werden. In den Pulspausen beschleunigt die positive Ladung implantierter Ionen freie Elektronen aus dem Plasma zu dem Substrat (60) hin und führt einen Ladungsausgleich herbei. Eine auf der zweiten Elektrode (20) angebrachte keramische Beschichtung (22) erschwert die Abscheidung von Targetionen auf derselben, indem sie ebenfalls in den Pulspausen durch das entgegen gerichtete elektrische Feld eine Abstoßung dieser Ionen erleichtert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Implantation von Ionen insbes. in elektrisch nicht leitfähige Substrate, wie z.B. Glas- oder Kunststofffasern mittels der Plasmaimmersions-Ionenimplantation.
Hintergrund der Erfindung ist die Herstellung von Verbundwerkstoffen, die nicht metallische Fasern, wie z.B. Glas- oder Kunststofffasern, in einer metallischen Matrix enthalten. Derartige Verbundwerkstoffe können vorteilhafte Eigenschaften aufweisen und z.B. im Automobilbau eine erhebliche Gewichtsreduktion gegenüber bisher üblichen Metallblechen ermöglichen. Als ein wesentliches Hindernis bei der Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe erweist sich jedoch eine unzureichende Bindung zwischen der nichtmetallischen Faser und der sie umgebenden metallischen Matrix. Durch die chemische Verschiedenartigkeit von Faser und Matrix bildet die Übergangszone eine Schwachstelle, die die Möglichkeiten des Einsatzes derartiger Verbundwerkstoffe verglichen mit Verbindungen zwischen zwei metallischen Werkstoffen, z.B. Schweißen oder Löten, oder zwei nicht metallischen Werkstoffen, wie z.B. in faserverstärkten Kunststoffen erschwert.
Die Ionenimplantation ermöglicht das gezielte Einbringen von Fremdatomen in Form energiereicher Ionen in eine oberflächennahe Schicht eines Substratmaterials. Sie ermöglicht die Schaffung einer Randzone, die z.B. als Übergangszone beide zu verbindenden Materialien enthält und dadurch die Bindung z.B. einer nichtmetallischen Faser an eine metallische Matrix eines Verbundwerkstoffs verbessert.
Die Ionenimplantation durch Beschuss eines Substrates mit Ionenstrahlen erweist sich als aufwendig, wenn Objekte aus unterschiedlichen Richtungen behandelt werden sollen. Als eine besondere Form der Ionenimplantation ist die Plasmaimmersions-Ionenimplantation (PIII) bekannt, bei der das Substrat in ein Plasma, das die gewünschten Ionen enthält, „eingetaucht“ ist und durch Anlegen von Hochspannungspulsen an das Substrat die Ionen aus allen Raumrichtungen zur Substratoberfläche hin beschleunigt und in diese hinein implantiert werden. Um die Hochspannungspulse anlegen und die implantierte Ladung abführen zu können, erfordert die PIII in der Regel elektrisch leitfähige Substrate.
WO 2005/043580 A1 beschreibt ein Verfahren zur Plasmaimmersions-Ionenimplantation unter Verwendung eines leitfähigen Gitters, das ein Substrat umgibt. Hochspannungspulse werden nicht an das Substrat, sondern an das Gitter angelegt, wodurch Ionen aus dem Plasma in Richtung des Gitters beschleunigt werden und ein Teil der Ionen durch das Gitter hindurchtritt und in das Substrat implantiert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Implantieren von Ionen auch in elektrisch nicht leitfähige, faserförmige Substrate zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einen Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Ionenimplantationsvorrichtung mit einem Vakuumgefäß, einem Target, einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode, einer Spannungsquelle und einem Pulsgenerator. Die Ionenimplantationsvorrichtung ist zum Implantieren von Ionen in ein Werkstück oder Substrat eingerichtet. Insbesondere kann sie im Gegensatz zur bekannten PIII auch elektrisch nicht leitfähige Substrate behandeln. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Substrat eine im Wesentlichen zylindrische Faser, wie z.B. eine Glas- oder Kunststofffaser.
Das Vakuumgefäß ist zur Halterung des Substrates in einer Substratposition eingerichtet. Die Substratposition ist eine geeignete Position, in der das Substrat angeordnet und im Betrieb von zur Implantation geeigneten Ionen erreicht werden kann, die von der Ionenimplantationsvorrichtung erzeugt werden. In dem Vakuumgefäß kann eine Halterung zum Einspannen des Substrates vorhanden sein. Sie kann auch eine Vorschubeinrichtung aufweisen, die während des Betriebs nacheinander verschiedene Abschnitte des Substrates der Ionenimplantation zugänglich macht, ohne dass der Betrieb unterbrochen oder das Vakuumgefäß geöffnet werden muss. Vorzugsweise kann ein faserförmiges Substrat durch eine Führungseinrichtung der Substratposition zugeführt und von dieser abgeführt werden und vor und nach der Verarbeitung jeweils in einer Speichereinrichtung z.B. auf einer Trommel aufgewickelt sein, wie es im Zusammenhang mit Fäden in der Textiltechnik bekannt ist.
Das Vakuumgefäß ist dazu eingerichtet, evakuiert zu werden. Vorzugsweise wird es mit Argon mit einem Gasdruck von z.B. 10^–4 bis 10^–5 mbar befüllt. In diesem Druckbereich sind die freien Weglängen von Metallionen bereits groß genug, um nach dem Beschleunigungsvorgang das Target zu erreichen, ohne dass zu viele Ionen durch Ablenkung oder Abbremsung für eine Implantation in das Substrat unbrauchbar werden. Andererseits sind noch genügend Ladungsträger, z.B. Ar+, für den Start einer Gasentladung vorhanden.
Die Ionenimplantationsvorrichtung weist weiterhin ein Target auf, das innerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet ist.
Das Target enthält ein Material, dessen Atome in ionisiertem Zustand in das Substrat implantiert werden sollen. Das Target besteht vorzugsweise aus Metall, wie z.B. Aluminium oder Magnesium.
Die Ionenimplantationsvorrichtung weist weiterhin eine erste Elektrode, die zwischen dem Target und der Substratposition angeordnet ist, und eine Spannungsquelle auf, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung zwischen dem Target und der ersten Elektrode anzulegen. Die Spannungsquelle liefert eine Spannung, die geeignet ist, in einem Raumbereich zwischen dem Target und der ersten Elektrode eine Gasentladung zu starten und aufrechtzuerhalten. Es werden durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) zunächst wenige in dem Vakuumgefäß vorhandene Ionen (z.B. Ar+) zum Target hin beschleunigt, an das eine negative Spannung von z.B. 3 kV gegenüber der ersten Elektrode angelegt ist. Dadurch wird zwischen dem Target und der ersten Elektrode ein Plasma erzeugt, das die zu implantierenden Ionen, z.B. positive Al- oder Mg-Ionen enthält.
Die Implantationsvorrichtung weist ferner eine zweite Elektrode, die zwischen der ersten Elektrode und der Substratposition angeordnet ist, und einen Pulsgenerator auf, der dazu eingerichtet ist, elektrische Spannungspulse zu erzeugen und zwischen der ersten und der zweiten Elektrode anzulegen. Die Pulse ermöglichen die Erzeugung eines elektrischen Feldes, das in den Bereich des zwischen dem Target und der ersten Elektrode erzeugten Plasmas hineinreichen kann. Mit ihrer Hilfe können Ionen des Plasmas zu dem Substrat hin beschleunigt werden. Vorzugsweise wird an die zweite Elektrode eine negative Hochspannung angelegt, um die typischerweise positiv geladenen Ionen des Targetmaterials anzuziehen. In den Pulspausen kann die zweite Elektrode auf das Potential der ersten Elektrode gelegt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die zweite Elektrode die Substratposition, in der im Betrieb das Substrat angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein Substrat aus vielen Raumrichtungen dem elektrischen Feld zur Beschleunigung von Ionen und zu deren Implantation ausgesetzt sein.
Vorzugsweise umgibt die erste Elektrode die zweite Elektrode, wodurch die zwischen beiden Elektroden angelegten Hochspannungspulse in vielen Raumrichtungen ein elektrisches Feld erzeugen, das Ionen auf das Substrat beschleunigt. Vorzugsweise weisen die erste und/oder die zweite Elektrode eine Vielzahl von Öffnungen auf. Die Öffnungen in der zweiten Elektrode ermöglichen Ionen, die mittels der angelegten Spannung beschleunigt worden sind, den Durchtritt durch die zweite Elektrode hindurch, um das Substrat zu erreichen. Öffnungen in der ersten Elektrode, vor allem größere, ermöglichen neben dem Durchtritt von Ionen ferner, dass ein elektrisches Feld zwischen der ersten und der zweiten Elektrode aus dem Zwischenraum zwischen den Elektroden bis in einen Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode und dem Target hinein reichen und Ionen erfassen kann, die in einem dort vorhandenen Plasma enthalten sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Substratposition eine Zentralachse, wobei die erste und die zweite Elektrode zylinderförmig und konzentrisch um die Zentralachse angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen radialer achsensymmetrischer Feldverlauf erzeugt. Dadurch kann sowohl hinsichtlich der Dichte der implantierten Ionen als auch ihrer Energien eine gleichmäßige, weitgehend richtungsunabhängige Behandlung der Oberfläche des Substrates bewirkt werden. Dies gilt insbesondere, wenn das Substrat seinerseits rotationssymmetrisch um die Zentralachse angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Substrat eine Faser mit einem Kreisquerschnitt um die Zentralachse.
Die erste und/oder die zweite Elektrode können ein elektrisch leitfähiges Gitter enthalten. Vorzugsweise besteht das Gitter aus Metalldrähten, zwischen denen sich zahlreiche Öffnungen oder Maschen befinden. Eine Elektrode, die aus einem Metallgitter besteht, das in Form eines Zylindermantels angeordnet ist, erzeugt außerhalb in größerer Entfernung, d.h. einige Maschengrößen entfernt, ein im Wesentlichen symmetrisches, radial gerichtetes elektrisches Feld. Die Öffnungen bewirken jedoch, dass die zweite Elektrode für einen erheblichen Teil der beschleunigten Ionen durchlässig ist, so dass diese durch die erste Elektrode hindurch treten und das Substrat erreichen können. Die Öffnungen in der ersten Elektrode bewirken jedoch, dass das durch Anlegen der Pulse zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugte elektrische Feld teilweise bis in Raumbereiche außerhalb der ersten Elektrode hinaus reicht. Dort können Ionen des Plasmas in den Wirkungsbereich des elektrischen Feldes geraten und durch die erste Elektrode hindurch beschleunigt werden.
Die zweite Elektrode kann eine nicht leitfähige Beschichtung aufweisen, die z.B. aus einem keramischen Material besteht. Die Beschichtung bewirkt, dass diejenigen beschleunigten, die auf die zweite Elektrode auftreffen, statt sich durch diese hindurch zu bewegen, im Anschluss daran wieder abgegeben werden können. Dazu dienen die Pulspausen, in denen die zweite Elektrode auf ein durch die erste Elektrode gegebenes Massepotenzial gelegt wird. Infolge der positiven Ladung, die sich während eines Pulses durch Aufnahme positiv geladener Ionen auf dem Substrat und der zweiten Elektrode gesammelt hat, entsteht in der Pulspause ein nach außen gerichtetes elektrisches Feld, das eine Abstoßung positiver Ionen von der zweiten Elektrode fördert. Dadurch wird eine übermäßige Abscheidung von Metall an der zweiten Elektrode vermieden, die allmählich ihre Funktion beeinträchtigen könnte.
Weiterhin führt das durch die positive Ladung implantierter Ionen um das Substrat entstehende elektrische Feld dazu, das in dem Plasma vorhandene freie Elektronen in den Pulspausen zu dem Substrat hin beschleunigt werden, wo sie die Ladung implantierter Ionen ausgleichen können. Infolge der wesentlich höheren Beweglichkeit von Elektronen gegenüber Ionen kann ein gegenüber den Spannungspulsen sehr viel schwächeres elektrisches Feld der implantierten Ionen ausreichen, um einen weitgehenden Ladungsausgleich herbeizuführen. Dieser verhindert einen Aufbau positiver Ladung auf dem Substrat, die weitere Ionen abstoßen und dadurch die Implantation allmählich zum Erliegen bringen würde.
Vorzugsweise weist das Target ein röhrenförmiges Elemtent auf, das ein Material enthält, dessen Atome in ionisiertem Zustand in das Substrat implantiert werden. Das Rohr ist vorzugsweise zylindrisch. Vorzugsweise ist es koaxial mit der ersten und der zweiten Elektrode sowie dem Substrat um die Zentralachse angeordnet, wodurch die weitgehende Symmetrie der Anordnung und der elektrischen Felder erhalten bleibt. Zwischen der ersten Elektrode und dem Target entsteht dabei ein Ringraum, in dem zur Erzeugung eines Plasmas eine Gasentladung hervorgerufen werden kann, indem mittels der Spannungsquelle eine Spannung angelegt wird.
Das röhrenförmige Element ist vorzugsweise mit einer Magnetronanordnung versehen, die mehrere Pole aufweist, die in einer Umfangsrichtung beabstandet um das Target herum angeordnet sind. Die Magnetelemente können sich in axialer Richtung entlang einer Außenoberfläche des Rohres erstrecken. Vorzugsweise sind mehrere Dauermagnete alternierend mit einem ihrer Pole (Nord- bzw. Südpol) nach innen ausgerichtet, wodurch sie im Bereich des röhrenförmigen Elementes und einer Zone radial innerhalb davon ein im Wesentlichen radial ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen.
Durch die gegenpolige Anordnung schließen sich die Feldlinien benachbarter Magnete innerhalb des Rohres, wodurch in Umfangsrichtung zwischen zwei Magneten jeweils eine Zone entsteht, in der das Magnetfeld im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Ionen, wie z.B. Ar+, die durch das elektrische Feld in Radialrichtung nach außen beschleunigt werden, werden durch die Lorenzkraft auf kreis- bzw. schraubenförmige Bahnen gezwungen. Dadurch können sie in der Nähe der Targetoberfläche eine längere Wegstrecke zurücklegen und verstärkt Targetatome auslösen, wie es beim Magnetronsputtern genutzt wird.
Vorzugsweise sind die Magnete der Magnetronanordnung um eine Außenoberfläche des Rohres herum angeordnet, wobei die Einzelmagnete äquidistant um den Umfang des Rohres verteilt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Magnete der Magnetronanordnung miteinander verbunden, relativ zu dem Rohr konzentrisch angeordnet und gegen dieses drehbar gelagert. Sie können auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. Die Wirkung des magnetischen Feldes führt dazu, dass der Materialabtrag hauptsächlich in den Zonen zwischen den Magneten stattfindet, wo das Feld einen im Wesentlichen tangentialen Verlauf aufweist. Ein erhöhter Abtrag kann zur Ausbildung von axial verlaufenden Gräben in dem Targetmaterial führen. Durch Drehen der Magnetronanordnung gegen das Target kann der Abtrag gezielt auf andere Bereiche des Rohres konzentriert werden. Die Magnetronanordnung könnte mit einer Antriebsanordnung versehen sein, die z.B. vorsorglich kontinuierlich oder periodisch oder bedarfsweise bei tatsächlich festgestelltem Abtrag eine Drehung der Magnetronanordnung gegen das Rohr herbeiführt. So kann das Target gleichmäßiger und vollständiger abgetragen werden und das elektrische Feld weitgehend symmetrisch bleiben.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Implantation von Ionen in ein Substrat. Das Verfahren, das an der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden kann, umfasst das Anordnen eines Targets, eines Substrates, einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode in einem Vakuumgefäß, wobei sich die zweite Elektrode zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode befindet.
Die erste und die zweite Elektrode weisen vorzugsweise eine Anzahl von Öffnungen auf, durch die Ionen hindurchtreten können. Alternativ könnten auch andere, z.B. stern- oder kammförmige Strukturen verwendet werden, die mit Vorsprüngen und Ausnehmungen einerseits eine genügend große Ausdehnung zum Erzeugen des Feldes und andererseits eine ausreichende Durchlässigkeit aufweisen, so dass ein erheblicher Teil der Ionen, die von dem erzeugten elektrischen Feld angezogen werden, nicht auf die Elektrode auftreffen, sondern sich durch sie hindurch bzw. an ihr vorbei bewegen.
Das Verfahren umfasst das Anlegen einer Spannung zwischen dem Target und der ersten Elektrode, um zwischen diesen durch eine vorzugsweise kontinuierliche Gasentladung ein Plasma zu erzeugen. So kann durch Kathodenzerstäubung ein Vorrat an positiv geladenen Targetionen zur Implantation bereitgehalten werden.
Das Verfahren enthält weiterhin das Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, um in dem Plasma enthaltene Ionen zu dem Substrat hin zu beschleunigen. Vorzugsweise werden negative Hochspannungspulse von z.B. 50 kV an die zweite Elektrode angelegt. Dabei ist die zweite Elektrode in einem Bereich zwischen der ersten Elektrode und dem Substrat angeordnet, damit ein Teil der im Feld zwischen der ersten und der zweiten Elektrode beschleunigten Ionen nach dem Durchtritt durch die zweite Elektrode sich in Richtung des Substrates fortbewegt, um in dieses implantiert zu werden.
In den Pausen zwischen den Pulsen kann die zweite Elektrode auf ein durch die erste Elektrode gegebenes Massepotenzial gelegt werden. Das durch implantierte Ionen positiv aufgeladene Substrat erzeugt ein elektrisches Feld, das in den Pulspausen Elektronen anzieht, die in dem Plasma ebenfalls vorhanden sind und eine wesentlich höhere Beweglichkeit besitzt. Auf diese Weise wird ein Ladungsausgleich bewirkt, der Voraussetzung dafür ist, das Implantationsverfahren mit folgenden Hochspannungspulsen fortgesetzt werden kann, ohne weitere positiv geladene Ionen durch die Ladung der bereits implantierten Ionen abzustoßen.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenimplantationsvorrichtung in einer Querschnittsansicht.
2 zeigt das Zentrum der Anordnung aus 1 in einer vergrößerten Ansicht.
3 zeigt ein Impulsdiagramm zum Betrieb der Ionenimplantationsvorrichtung aus 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenimplantationsvorrichtung 1 in einer schematischen Querschnittsansicht. Die Anordnung ist in Teilen konzentrisch um eine Zentralachse 61 herum aufgebaut, die näherungsweise mit der Längsachse eines im Wesentlichen geradlinig angeordneten bzw. gespannten Substrates 60 entspricht, das als Werkstück einer Ionenimplantation unterzogen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist speziell auf die Ionenimplantation in elektrisch nicht leitfähige Substrate gerichtet, wobei jedoch auch leitfähige Substrate bearbeitet werden könnten.
Das Substrat 60 kann z.B. eine Glasfaser oder eine Kunststofffaser sein. Das Substrat 60 kann einen Durchmesser von 10 µm bis 3 mm, im dargestellten Beispiel etwa 1 mm, aufweisen und erstreckt sich geradlinig über eine Länge von etwa 2 bis 4 m. Konzentrisch um das Substrat 60 herum sind eine äußere erste Elektrode 10 und eine innere zweite Elektrode 20 angeordnet, die jeweils durch ein Metallgitter gebildet sind. Der zentrale Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehend aus den beiden Elektroden 10, 20 und dem Substrat 60 ist in 2 vergrößert dargestellt.
Das Substrat 60 und die Elektroden 10, 20 sind von einem rohrförmigen Target 30 mit Kreisquerschnitt umgeben, das konzentrisch zu dem Substrat 60 angeordnet ist und einen Innendurchmesser von etwa 50 cm aufweist. Der zwischen dem Target 30 und der ersten Elektrode 10 eingeschlossene ringförmige Raum bildet eine Plasmakammer 32. Die Elektroden 10 und 20 und das Target 30 sind durch Leitungen an eine Spannungsquelle 40 und einen Pulsgenerator 50 angeschlossen, wie es durch gestrichelte Linien in 1 veranschaulicht und im Folgenden erläutert ist. Die Spannungsquelle 40 und der Pulsgenerator 50 können sich außerhalb des Vakuumgefäßes befinden.
Das Target 30 besteht aus Aluminium und ist zur Lieferung der Atome vorgesehen, die in ionisiertem Zustand in das Substrat 60 implantiert werden. Weitere bevorzugte Targetmaterialien sind Magnesium, andere Metalle oder bei Anwendung von Hochfrequenzentladungen nichtleitende Materialien. An einer Außenoberfläche 34 des Targets sind in Umfangsrichtung äquidistant, hier um 90 Grad versetzt vier Dauermagnete 31 angeordnet, die eine Magnetronanordnung 36 bilden. Die Magnete 31 erstrecken sich als eine Leiste in der Axialrichtung über die gesamte Länge der Anordnung und sind in 1 nur im Querschnitt dargestellt.
Die Dauermagnete 31 sind so angeordnet, dass sie im Target 30 und dem angrenzenden Randbereich der Plasmakammer 32 ein im Wesentlichen radial gerichtetes Magnetfeld erzeugen. Dabei sind benachbarte Magnete 31 entgegengesetzt ausgerichtet, wie es durch die Kennzeichnung für Nord-(N) und Südpol (S) veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird in einem mittleren Bereich der Sektoren zwischen zwei benachbarten Magneten 31 im Randbereich der Plasmakammer 32 jeweils ein im Wesentlichen tangentialer Magnetfeldverlauf erreicht, wie es durch eine einzelne Feldlinie 33 veranschaulicht ist. Der Materialabtrag bei einer Kathodenzerstäubung des Targets 30 tritt in einer derartigen Magnetronanordnung 36 hauptsächlich in den Zwischenräumen zwischen den Magneten auf, wo eine starke tangentiale Magnetfeldkomponente vorhanden ist. Dies ist durch die Position eines einzelnen ausgelösten Ions 35 in 1 veranschaulicht.
Die Magnetronanordnung 36 ist daher an einem (nicht dargestellten) Magnetträger angebracht, der zu dem Target 30 drehbar gelagert ist und eine gemeinsame Drehung aller Magnete 31 um die Zentralachse 61 herum ermöglicht. Dadurch kann ein gleichmäßigerer Abtrag des Targetmaterials im Laufe des Betriebs erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist außerdem ein Vakuumgefäß 2 auf, das die bisher beschriebenen Komponenten einschließt. Das in 1 im Querschnitt gezeigte Vakuumgefäß 2 ist an seinen (nicht gezeigten) Enden geschlossen und ist mit einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe zum Evakuieren seines Innenraums sowie einem (nicht gezeigten) Belüftungsventil zum gezielten Einlassen von Umgebungsluft ausgestattet. Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Vakuumgefäß mit Argon unter einem Druck von 10^–4 bis 10^–5 mbar betrieben.
2 zeigt das Substrat 60, die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 20 in einer vergrößerten schematischen Querschnittsansicht. Das Substrat ist eine Glasfaser mit einem Durchmesser von 1 mm die entlang einer Zentralachse 61 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 20 ist ein metallisches Gitter, das in Form eines Zylindermantels mit einem Radius von etwa 2,5 mm um die Zentralachse 61 herum angeordnet ist. Das Gitter besteht aus Drähten 21 mit einem Durchmesser von 0,5 mm mit einer Gitterkonstante von ca. 1,5 mm, wodurch zwischen den Drähten 21 erhebliche, im vorliegenden Beispiel etwa 1 mm breite Zwischenräume bleiben. Während in 2 nur die in Axialrichtung verlaufenden Drähte 21 der zweiten Elektrode 20 dargestellt sind, weist diese weiterhin (nicht dargestellte) in Umfangsrichtung verlaufende Drähte auf, die mit den axial verlaufenden Drähten 21 in der Art eines Gewebes zu einem Gitter verbunden sind. Es könnten jedoch auch beliebige andere Strukturen verwendet werden, die vorzugsweise einer Zylindermantelfläche folgen und zwischen dem Gittermaterial genügend viele und genügend große Öffnungen aufweisen, um den Durchtritt von Ionen zu ermöglichen.
Um die zweite Elektrode 20 herum ist konzentrisch die ebenfalls als Gitter ausgebildete erste Elektrode 10 angeordnet. Diese besteht aus Drähten 11 und ist in ihrem Aufbau der zweiten Elektrode 20 ähnlich, weist jedoch mit etwa 3,5 mm einen größeren Radius auf und umgibt die zweite Elektrode 20. Die erste 10 und die zweite Elektrode 20 könnten sich in ihrem Aufbau auch unterscheiden. Die erste Elektrode weist jedoch ebenfalls genügend große und genügend viele Öffnungen auf, um den Durchtritt von Ionen aus der sie umgebenden Plasmakammer 32 in Richtung des Substrats 60 zu ermöglichen.
Das Gitter der zweiten Elektrode 20 weisen in einer bevorzugten Ausführungsform eine keramische Beschichtung auf, die auf die Metalldrähte 21 aufgebracht ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Nachdem das Target 30, das Substrat 60, die erste 10 und die zweite Elektrode 20 in dem Vakuumgefäß angeordnet worden sind, wie es in 1 gezeigt ist, wird das Vakuumgefäß 2 evakuiert und Argon mit einem Gasdruck von 10^–5 mbar eingeleitet.
Im Betrieb werden Spannungen zwischen dem Target 30 und den Elektroden 10, 20 angelegt, wie es in 3 veranschaulicht ist. Zunächst wird gegenüber der als Massepotenzial definierten ersten Elektrode 10 eine Gleichspannung U₂ von –3 kV an das Target 30 angelegt, wodurch eine Kathodenzerstäubung an dem negativ geladenen Target eingeleitet wird. Dabei wird auf in der eine in der Fachwelt bekannte Art eine Auslösung von Ionen aus dem Target 30 bewirkt, mit deren Hilfe eine kontinuierliche Gasentladung zwischen der ersten Elektrode 10 und dem Target 30 herbeigeführt wird.
Dies hat zur Folge, dass in der ringförmigen Plasmakammer 32 bis in die Nähe der ersten Elektrode 10 ständig sowohl aus dem Target 30 ausgelöste positiv geladene Aluminiumionen als auch freie Elektronen vorhanden sind. Anstelle der Gleichspannung von 3 kV könnten auch andere Spannungswerte oder -verläufe U₂ einschließlich Wechselspannungen gewählt werden, die eine Gasentladung hervorrufen, die ausreichend Ladungsträger liefert.
Während die Gasentladung in der Plasmakammer 32 läuft, werden wiederholt Spannungspulse 51 zwischen der ersten 10 und der zweiten Elektrode angelegt. Dabei wird die zweite Elektrode mit Hilfe eines geeigneten Pulsgenerators für die Dauer von 0,1 Sekunde auf eine Spannung von –50 kV gegenüber der ersten Elektrode 10 gelegt. Die Pulse 51 werden im Abstand von 0,5 Sekunden wiederholt, wobei die zweite Elektrode 20 in den Pulspausen auf das Massepotenzial der ersten Elektrode 10 gelegt wird, wie dies in 3 als Spannungsverlauf U₁ veranschaulicht ist. Die genannten Werte für Spannung, Dauer und Wiederholrate der Hochspannungspulse sind nur beispielhaft und könnten im Rahmen der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ionenimplantationsvorrichtung auch anders gewählt werden.
Die Hochspannungspulse 51 erzeugen zwischen der ersten 10 und der zweiten Elektrode 20 ein im Wesentlichen radial ausgerichtetes elektrisches Feld. Da die erste Elektrode keine geschlossene Fläche ist, sondern viele Öffnungen erheblicher Größe aufweist, wirkt das elektrische Feld im Bereich der Öffnungen bis in eine Zone hinaus, in der aus der Gasentladung in der Plasmakammer 32 stammende Aluminiumionen 35 vorhanden sind, von denen eines in 2 veranschaulicht ist. Diese werden durch das von der negativ geladenen zweiten Elektrode 20 erzeugte elektrische Feld durch die Öffnungen in der ersten Elektrode 10 hindurch in Richtung der zweiten Elektrode 20 beschleunigt. Da auch die zweite Elektrode 20 eine Gitterstruktur aufweist, tritt ein erheblicher Teil der Ionen mit hoher kinetischer Energie durch die zweite Elektrode 20 hindurch, wobei ein Teil von ihnen auf das Substrat 60 auftrifft und in dessen Oberfläche implantiert wird.
Dadurch wird in der Glasfaser eine oberflächennahe aluminiumhaltige Schicht erzeugt, die z.B. in einem Verbundwerkstoff die Bindung der so behandelten Glasfaser an eine Aluminiummatrix verbessern kann. Dabei beeinflusst die Amplitude der Hochspannungspulse 51 die Eindringtiefe der Ionen in das Substrat 60. Durch eine geeignete Abfolge von Pulsen unterschiedlicher Spannung kann in dem Substrat 60 ein erwünschter tiefenabhängiger Konzentrationsverlauf der implantierten Ionen erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Konzentrationsgradient erzeugt, wobei die Konzentration der implantierten Ionen in einem Randbereich des Substrates von Null an der Grenze zu einer Kernzone ohne implantierte Ionen bis zu einem Maximalwert an der Oberfläche in einer gewünschten Weise, z.B. linear ansteigt. Diese gleichmäßigere Ausgestaltung des Übergangs zwischen Faser- und Matrixmaterial kann ebenfalls zur besseren Bindung der beiden aneinander beitragen.
Durch die Ionenimplantation lädt sich das Substrat 60 allmählich positiv auf. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt, das weitere Ionen abstößt und dadurch eine Fortsetzung der Implantation mehr und mehr behindert. Diesem Effekt wird erfindungsgemäß entgegengewirkt, indem zwischen den einzelnen Hochspannungspulsen Pausen vorgesehen sind, in denen die zweite 20 mit der ersten Elektrode 10 auf Massepotenzial liegt. Das positiv geladene Substrat 60 erzeugt nunmehr ein entgegengesetztes elektrisches Feld, das in dem Plasmaraum ebenfalls vorhandene freie Elektronen anzieht.
Aufgrund ihrer wesentlich höheren Beweglichkeit genügt eine wesentlich geringere Feldstärke der vorhandenen Substratladung, um genügend Elektronen auf das Substrat zu ziehen, um die Ladung der zuvor implantierten Ionen im Wesentlichen auszugleichen oder zumindest weit genug abzuschwächen. Danach kann die Ionenimplantation mit dem nächsten Hochspannungspuls fortgesetzt werden.
Ein weiterer unerwünschter Effekt kann darin bestehen, dass ein Teil der durch die Spannungspulse 51 zu der zweiten Elektrode 20 hin beschleunigten Ionen von dieser absorbiert wird, anstatt sich durch ihre Öffnungen hindurch zu dem Substrat 60 zu bewegen. Dies kann zu einer erheblichen Metallabscheidung auf der zweiten Elektrode führen, die diese allmählich unbrauchbar machen kann. Erfindungsgemäß sind die Drähte 21, aus denen das Gitter der zweiten Elektrode 20 aufgebaut ist, mit einer Keramikschicht 22 versehen. Dadurch werden auftreffende Ionen daran gehindert, ihre Ladung an die zweite Elektrode 20 abzuheben und in deren metallische Struktur eingebunden zu werden. Auch hier bewirkt die in den Pulspausen wie zuvor beschrieben auftretende Umkehr der Feldrichtung durch die auf dem Substrat 60 und der zweiten Elektrode 20 absorbierten positiv geladenen Ionen eine Abstoßung der Ionen aus der Keramikschicht 22 der zweiten Elektrode 20. Dadurch kommt es über ausreichend lange Betriebszeiträume nicht zu einer übermäßigen Abscheidung von Targetmaterial auf der Elektrode 20.
Je nach gewünschten Materialeigenschaften und gewählten Parametern werden typischerweise 50 bis 100 Hochspannungspulse 51 angelegt, bis die Ionenimplantation abgeschlossen ist und das behandelte Substrat 60 entnommen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine nicht gezeigte Vorrichtung zur Förderung eines z.B. faserförmigen Substrates 60 vorhanden. Das noch unbehandelte Substrat und das behandelte Substrat können z.B. jeweils auf einer eigenen Trommel innerhalb des Vakuumgefäßes gespeichert sein, wobei eine Antriebseinrichtung einen Vorschub von einer behandelten Substratlänge (z.B. 2 m) herbeiführt, wenn eine vorgesehene Pulsfolge abgelaufen ist. Alternativ wäre auch ein kontinuierlicher oder schrittweiser Vorschub möglich, wodurch das Substrat 60 fortlaufend oder schrittweise nachgeliefert wird und während seines Durchlaufes durch die erfindungsgemäße Implantationsvorrichtung den gewünschten Implantationen ausgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmaimmersions-Ionenimplantation in ein elektrisch nicht leitfähiges Substrat 60. Zwischen einer ersten Elektrode 10 und einem metallischen Target 30 wird durch Kathodenzerstäubung desselben ein Plasma erzeugt, das Ionen des Targets enthält. Ein Substrat 60 wird durch eine zwischen ihm und der ersten Elektrode 10 angeordnete zweite Elektrode 20 mit Ionen beschossen, indem negative Hochspannungspulse 51 an die zweite Elektrode 20 bezogen auf die erste Elektrode 10 angelegt werden. In den Pulspausen beschleunigt die positive Ladung implantierter Ionen freie Elektronen aus dem Plasma zu dem Substrat 60 hin und führt einen Ladungsausgleich herbei. Eine auf der zweiten Elektrode 20 angebrachte keramische Beschichtung 22 erschwert die Abscheidung von Targetionen auf derselben, indem sie ebenfalls in den Pulspausen durch das entgegen gerichtete elektrische Feld eine Abstoßung dieser Ionen erleichtert.
Bezugszeichenliste

1: Ionenimplantationsvorrichtung
2: Vakuumgefäß
10: Erste Elektrode
11: Draht
20: Zweite Elektrode
21: Draht
22: Keramikschicht
30: Target
31: Dauermagnet
32: Plasmakammer
33: Feldlinie
34: Außenoberfläche
35: Aluminiumion
36: Magnetronanordnung
40: Spannungsquelle
50: Pulsgenerator
51: Spannungspuls
60: Substrat
61: Zentralachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/043580 A1 [0005]

Claims

Ionenimplantationsvorrichtung (1), die aufweist: ein Vakuumgefäß (2), das zur Halterung eines Substrates (60) in einer Substratposition (61) eingerichtet ist, ein Target (30), das innerhalb des Vakuumgefäßes (2) angeordnet ist, eine erste Elektrode (10), die zwischen dem Target (30) und der Substratposition angeordnet ist, eine zweite Elektrode (20), die zwischen der ersten Elektrode (10) und der Substratposition (61) angeordnet ist, ein Spannungsquelle (40), die dazu eingerichtet ist, eine Spannung zwischen dem Target (30) und der ersten Elektrode (10) anzulegen, und einen Pulsgenerator (50), der dazu eingerichtet ist, elektrische Spannungspulse (51) zu erzeugen und zwischen der ersten (10) und der zweiten (20) Elektrode anzulegen.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die zweite Elektrode (20) die Substratposition (61) umgibt.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der die erste Elektrode (10) die zweite Elektrode (20) umgibt.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der das Target (30) die erste Elektrode (10) umgibt.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der die Substratposition eine Zentralachse (61) ist und die erste (10) und die zweite Elektrode (20) zylinderförmig und konzentrisch um die Zentralachse (61) herum angeordnet sind.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste (10) und die zweite Elektrode (20) ein elektrisch leitfähiges Gitter (11, 21) enthalten.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, bei der die zweite Elektrode (20) eine elektrisch nicht leitfähige Beschichtung (22) aufweist.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei der das Substrat (60) eine Faser ist, die entlang der Zentralachse (61) gehaltert ist.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Target ein röhrenförmiges Element (30) mit einer Magnetronanordung (36) mit mehreren Polen aufweist, die in einer Umfangsrichtung beabstandet um das Target herum angeordnet sind.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei der die Magnetronanordnung (36) um eine Außenoberfläche (34) des röhrenförmigen Elementes (30) herum und konzentrisch zu diesem angeordnet und drehbar gelagert ist.
Ionenimplantationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Target (30) ein Metall enthält.
Verfahren zur Implantation von Ionen in ein Substrat (60), wobei das Verfahren enthält: Anordnen eines Targets (30), eines Substrates (60), einer ersten Elektrode (10) und einer zweiten Elektrode (20) in einem Vakuumgefäß (2), wobei sich die zweite Elektrode (20) zwischen dem Substrat (60) und der ersten Elektrode (10) befindet, Anlegen einer Spannung zwischen dem Target (30) und der ersten Elektrode (10), um aus dem Target (30) Ionen (35) auszulösen, Anlegen von Spannungspulsen (51) zwischen der ersten Elektrode (10) und der zweiten Elektrode (20), um aus dem Target (30) ausgelöste Ionen (35) zu dem Substrat (60) hin zu beschleunigen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Elektrode (20) zwischen den Spannungspulsen (51) auf das Potential der ersten Elektrode (10) gelegt wird.