DE19900437B4

DE19900437B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ionenimplantation in Festkörpern und/oder zur Beschichtung von Festkörperoberflächen sowie die Verwendung von Verfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE19900437B4
Application number: DE19900437A
Authority: DE
Original assignee: EHRET HANS P
Current assignee: EHRET HANS P
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2019-01-12
Also published as: DE19900437A1

Abstract

Verfahren zur Ionenimplantation in Festkörpern und/oder zur Beschichtung von Festkörperoberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörpersubstrat mit mindestens einem Koaxialstrahl bestehend aus mindestens einem Ionenstrahl und mindestens einem Laserstrahl beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Festkörpersubstraten, bei welchem das Substrat zum Zwecke der Beschichtung und/oder der Ionenimplantation in die Oberfläche und/oder tiefere Schichten mit mindestens einem Koaxialstrahl bestehend aus mindestens einem Ionenstrahl und mindestens einem Laserstrahl beaufschlagt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung die Anwendung des Verfahrens im Bereich der Tumorbehandlung und im Bereich der Herstellung von Nanopartikeln, Diamantscheiben und Rastertunnelmikroskop-Tastspitzen.
Es ist bekannt, dass in der kurativen Herztherapie mit radioaktivem Phosphor versehene Metallträger implantiert werden. Der für die Beschichtung dieser Metallträger erforderliche Ionenstrom verursacht durch Sputterprozesse eine radioaktive Kontamination der Beschichtungsanlagen, die aufwändig entsorgt werden muss. Radioaktive Implantate und Verfahren zu deren Herstellung sind beispielsweise aus der Patentschrift EP 0 500 928 B1 bekannt.
Weiterhin ist es bekannt, Wandungen und Keramikteile von Verbrennungskraftmaschinen zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Flammbeaufschlagung zu unterwerfen. Die so behandelten Flächen genügen allerdings den Anforderungen im Hinblick auf Temperatur- und Korrosionsverhalten nicht.
Auch ist es bekannt, dass galvanisch aufgebrachte Leitermuster auf Leiterplatten in der Raumfahrttechnik hohe Stör- und Ausfallraten verursachen. Implantierte Leiterspuren auf Festkörpersubstraten bieten hier eine um Größenordnungen höhere Sicherheit.
Stand der Technik ist es, eine zu beschichtende Substratoberfläche vor oder während des Aufdampfprozesses mittels Ionenstrahl-, Plasma-, Elektronenstrahl- oder Laser-Verfahren zu modifizieren und/oder anzuregen, wie es beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 44 27 215 A1 , DD 231 522 A1 und GB 2 112 205 A beschrieben ist.
Die Aufbringung von Materialschichten auf Festkörperoberflächen mittels Ionenstrahl ist beispielsweise aus den japanischen Patentschriften JP 61-084379 A , JP 07-090581 A , JP 01-127667 A und JP 05-263240 A bekannt.
Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung von Ionenstrahlen werden in den Patentschriften DE 38 29 338 C2 und US 3 778 656 A sowie in den Offenlegungsschriften DE 44 19 970 A1 und DE 36 21 045 A1 beschrieben. Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen (ECR-Ionenquellen) sind aus den Patentschriften DE 195 13 345 C2 und DE 196 41 439 C2 bekannt.
Generell beherrschen aber Haftungsprobleme alle Sparten der Beschichtungstechnologie und es besteht die Aufgabe, diesbezüglich verbesserte Beschichtungs- und Ionenimplantationsverfahren sowie zugehörige Vorrichtungen zu entwickeln.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren zur Behandlung von Festkörpersubstraten nach Anspruch 1 und durch die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 12 gelöst. Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Ansprüchen 8, 9 und 10 angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 9 erläutert. Diese zeigen:
1: Prinzipdarstellung des Verfahrens und
2 bis 9: erfindungsgemäße Vorrichtung in verschiedenen Ausgestaltungen.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungs- und/oder Ionenimplantationsverfahren wird mittels einer Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle (ECR-Ionenquelle) (1) gemäß den deutschen Patenten DE 195 13 345 C2 und DE 196 41 439 C2 ein Ionenstrahl (3b), bestehend aus einem oder mehreren der Elemente des Periodensystems erzeugt (2). Der Ionenstrahl (3b) wird auf ein zur Implantation in einer Prozesskammer (9) positioniertes Beschichtungs-/Implantationsobjekt (7) hin beschleunigt. In der Zusammensetzung des Ionenstrahls bestehen keine Einschränkungen. Er kann alle Elemente des Periodensystems umfassen.
Koaxial zu dem in der ECR-Ionenquelle erzeugten Ionenstrahl (3b) durchläuft ein Laserstrahl prozesskonformer Energie und Wellenlänge (3a) eine vakuumdichte Laseroptik (6) und bildet zusammen mit dem Ionenstrahl (3b) einen Koaxialstrahl (3). Der Koaxialstrahl (3) kann aus mehreren Laserstrahlen (3a) unterschiedlicher Wellenlänge gebildet werden (3).
Ionenstrahl (3b) und Laserstrahl (3a) sind so einstellbar, dass sie die Substratoberfläche gleichzeitig beaufschlagen und dass der Koaxialstrahl (3) kontinuierlich oder gepulst oder abwechselnd kontinuierlich und gepulst betrieben werden kann. Ionenstrahl- und Laserstrahl-Energie und -Pulsdauer sind einstellbar. Sie bestimmen die Depottiefe und die Depotmenge bei der Implantation und deren räumliche Verteilung.
Ein der ECR-Ionenquelle nachgeschaltetes Ablenk- und Umlenksystem (4, 5) sowie eine Ionenoptik (8) bestimmen die Ionenstrahldimension und -richtung (3). Die Einstellung der interatomaren Bindungsenergie im Substrat (7) erfolgt mittels Laserenergiezufuhr (2). Durch die Kombination beider Strahlen zu einem Koaxialstrahl (3) können räumliche Implantationsmuster erzeugt werden. Verfahren der Laser-Schockhärtung sind nicht vergleichbar.
Zur Durchführung des Beschichtungs- und/oder Ionenimplantationsverfahrens ist es vorteilhaft, die in den Patentschriften DE 195 13 345 C2 und DE 196 41 439 C2 beschriebenen ICR-Ionenquellen zu verwenden und ihnen einen Leistungslaser zuzuordnen, um ein koaxiales Strahlenbündel zu erzeugen (2). Dem Koaxialstrahl (3) kann ein Justierlaserstrahl zugeordnet sein. Der Strahl des Leistungslasers (3a), ggf. zusammen mit dem Strahl des Justierlasers, wird über eine vakuumdichte Laseroptik (6) zentral in die ECR-Ionenquelle (1) eingespeist, vereinigt sich dort mit dem in der Quelle (1) erzeugten Ionenstrahl (3b) zum Koaxialstrahl (3) und trifft auf die Substratoberfläche (7) (1 und 2).
Die Ionenbeschleunigungsenergie beträgt vorzugsweise bis zu 400 keV. Ionenbeschleunigungselemente (23, 24) sowie Ionenstrahlsteuerelemente (5, 8) steuern den Ionenstrahl in Bezug auf die Ionenenergie, die Ionenstrahldimension und die Ionenselektion (2 und 3).
Der dem Ionenstrahl (3b) überlagerte Laserstrahl (3a) hat die Aufgabe der Einstellung bzw. Modifizierung der interatomaren Bindungskräfte mittels Energiezufuhr und ist mitbestimmend für die Beschichtungs- und Implantationsstruktur auf dem Substrat (7).
Die Prozesskammer (9) ist mit wenigstens einer Laser-/ECR-Ionenquellen-Kombination (1, 2) ausgestattet, die zentral gegenüber und/oder seitlich in einem Winkel zur Oberflächennormalen des Substrats angeordnet und mittels Isolatoren (10, 10a) von der Kammerwand elektrisch isoliert ist. Der Druck innerhalb der Prozesskammer kann mittels eines Vakuum pumpensystems (16) bis in den Hochvakuumbereich abgesenkt werden (2). Zur Prozesseinstellung oder -regulierung kann wenigstens ein zusätzlicher Leistungslaser (2) zentral oder seitlich angeordnet sein (2). Zur Prozesssteuerung oder -unterstützung kann wenigstens eine Gaszuführung (15) an der Prozesskammer (9) angebracht sein. Prozessbedingte Laserleistungserhöhung und/oder Wellenlängeneinstellung und/oder Wellenlängenmischung innerhalb und außerhalb der ECR-Ionenquelle werden durch Ankopplung mittels eines Laseroptiksystems (29) realisiert (3). Die Anordnung der Leistungslaser-/ECR-Ionenquellen-Kombination (1, 2) einschließlich der Ionenstrahlsteuerelemente (5, 8) ist frei wählbar; die in den Figuren gezeigten Winkeleinstellungen sind lediglich beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Nach einer weiteren Ausgestaltung gemäß 4 kann auch eine Tandem-Anordnung erforderlich sein. Diese Ausgestaltung wird insbesondere für die Herstellung von Nanopartikeln oder Diamantscheiben benötigt (9). Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Bewegungseinrichtung (19) für das Festkörpersubstrat, mittels derer ein räumliches Beschichtungs-/Implantations-Muster erzeugt werden kann. Ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Mustererzeugung ist auch durch das im Isolator integrierte Gelenk gegeben.
Eine Ausgestaltung der Erfindung, die Beschichtungen oder Ionenimplantationen bei ganz unterschiedlichen Bedingungen ermöglicht, ist in 5 gezeigt. Die Gas- und Druckbedingungen für den Prozess sind innerhalb der Prozesskammer (9) mittels der Vakuumkammer (31), dem Vakuumpumpensystem (18) und dem Ionenfenster (20) gezielt einstellbar.
Die offenen Systeme gemäß den 6, 7 und 8 sind primär für die technologische Anwendung im medizinischen Sektor ausgestaltet.
Es ist bekannt, dass Gehirntumore des Typs glioblastoma multiforme (GBM) nicht heilbar sind. Weiter ist bekannt, dass ein bis zwei Alphateilchen pro Humanzelle ausreichen, um Tumorsequenzen zu zerstören. Durch Ankopplung von Astat-211, einem Alphastrahler, an einen Antikörper ist eine Verdoppelung der Überlebenszeit auf ca. ein Jahr auch vereinzelt erreicht worden. Nachteilig bei dieser Methode ist allerdings, dass der Alphastrahler zusammen mit dem Antikörper den gesamten Organismus passieren muss. Eine Direktimplantation radioaktiver Substanzen in maligne Tumore könnte hier zukunftsweisend sein. Die erfindungsgemäße Prozesskammer wird hierfür als Hochsterilraum ausgestaltet, der sowohl eine Normal- als auch eine Unterdruckeinstellung erlaubt.
Die in der 9 gezeigte Ausgestaltung der Erfindung ist für die Nanopartikelherstellung ausgelegt. Diese erfordert vor dem Syntheseschritt die Zerkleinerung der Ausgangsmaterialien, bevorzugt zu einzelnen Atomen oder Ionen, die dann bei prozesskonformen Druck-, Gas- und Energiebedingungen kontrolliert zu größeren Nanoverbänden zusammengefügt werden.
Mittels der Laservorrichtungen (2, 6, 12, 29) oberhalb der ECR-Ionenquelle (1) wird in der Verdampfungsvorrichtung (26) laserinduziert Materie (34) einer Sorte oder in Mischform im Sputter-, Schmelz- oder Verdampfungsprozess aufbereitet und mittels des Hohlzylinderisolators (25) – z. B. eines Saphir- oder Rubinhohlzylinders – über einen vakuumdicht verbundenen Zusatzisolator (10) in die ECR-Ionenquelle eingespeist. Eine ringförmige Laseranordnung in der Materieebene (34) an der Verdampfungsanlage (26) und/oder oberhalb der Trennungslinie (27) kann erhebliche Prozessvorteile erbringen. Um den Massetransport aus der Verdampfungsanlage (26) in die Reaktionszone (35) oder in die Prozessebene (21, 22, 23) zu erhöhen, kann es sinnvoll sein, oberhalb der Trennungslinie (27) eine zweite ECR-Ionenquelle vorzusehen. Das Reaktionsplasma kann aufgrund des Plasmaextraktionsvermögens der ECR-Ionenquelle (1) in den Prozessebenen (21, 22, 23) eingestellt werden. Diese Einstellung ist für die Herstellung von Diamantscheiben geeignet. Zur Prozesseinstellung ist an der Verdampfungsanlage (26) ein Gaseinlass (28) vorgesehen.
Ein weiteres Einsatzgebiet zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Herstellung von Rastertunnelmikroskop-Tastspitzen, die in der Größenordnung weniger Atome liegt.

1: ECR-Ionenquelle
2: Laser/Leistungslaser
3: Koaxialstrahl (Ionen- und Laserstrahl)
3a: Laserstrahl
3b: Ionenstrahl
4: Ionenstrahl-Umlenksystem
5: Ionenstrahl-Cup
6: vakuumdichte Laseroptik
7: Substrat
8: Ionenoptiksystem
9: Prozesskammer
10: Isolator
10a: Gelenkisolator
11: Laser
12: Laserstrahl
13: Koaxialstrahl
13b: Ionenstrahl
15: Prozessgaseinlass
16: Vakuumpumpensystem 1
17: Muster
18: Vakuumpumpensystem 2
19: Substrathalter
20: Ionenfenster
21: Objekthalter
22: Objekthalter in Position 2
23: Objekthalter in Position 3
24: Plasmagitter
24a: Beschleunigungsgitter
25: Saphir-Hohlzylinder
26: Kammer für laserinduzierte Verdampfung
27: Trennstelle
28: Gaseinlass
29: Laseroptiksystem
30: Halterung
31: Vakuumkammer
32: Laserspiegel
33: Streustrahlschutz
34: Materie-Barren
35: Reaktionszone

Claims

Verfahren zur Ionenimplantation in Festkörpern und/oder zur Beschichtung von Festkörperoberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörpersubstrat mit mindestens einem Koaxialstrahl bestehend aus mindestens einem Ionenstrahl und mindestens einem Laserstrahl beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Atmosphärendruck oder unter reduziertem Druck durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxialstrahl senkrecht auf die Oberflächennormale oder in einem beliebigen Winkel zur Oberflächennormalen auf das Substrat gelenkt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxialstrahl kontinuierlich oder gepulst oder abwechselnd kontinuierlich und gepulst betrieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenstrahlenergie, die Laserstrahlenergie und/oder die Pulsdauer beider Strahlen prozessabhängig eingestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat Human- oder Tiergewebe eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ionenstrahl aus radioaktivem Material eingesetzt wird.
Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 mit – einer Prozesskammer, – einem in drei Raumrichtungen beweglichen Substrathalter, – mindestens einer Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle und – mindestens einem Laser, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laser so angeordnet ist oder ihm eine solche Umlenk-Optik zugeordnet ist, dass der Ionenstrahl und der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf die Substratoberfläche zu einem einzigen koaxialen Strahl vereinigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine ECR-Ionenstrahl/Laser-Kombination zentral gegenüber der Substratoberfläche oder in einem Winkel zu derselben an der Prozesskammerwand angeordnet und mittels eines Isolators von dieser getrennt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vakuumkammer mit Vakuumpumpensystem enthält.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Gaszuführung enthält.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei in Bezug auf die Substratoberfläche hintereinander angeordnete ECR-Ionenstrahl/Laser-Kombinationen in Tandem-Anordnung aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Justierlaser enthält.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ECR-Ionenquelle Ionenbeschleunigungselemente und Ionenstrahlsteuerungselemente enthält.
Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14 zur Behandlung maligner Tumore.
Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 und der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14 für die Herstellung von Nanopartikeln.
Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 und der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14 für die Herstellung von Diamantscheiben.
Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 und der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14 zur Herstellung von Rastertunnelmikroskop-Tastspitzen.