Plasma-Ionen­implantation

Die genannten Nachteile können mit dem relativ neuen Verfahren der Plasma-Ionenimplantation (Plasmaimmersions-Ionen­implantation, PII) überwunden werden. Es erschließt die Ionenimplantation auch für Substratklassen, die mit der bisher verwendeten Ionenstrahlimplantation nicht oder nur mit zu hohen Kosten behandelt werden konnten.

Bei der Plasma-Ionen­implan­tation setzt man die im Plasma vorhandenen Ionen für die Implantation ein. Dazu wird mit einer gepulsten Hochspannungsquelle ein elektrisches Feld aufgebaut, das die Ionen aus der Plasma-Randschicht zum Substrat beschleunigt. Es werden typischerweise Beschleunigungsspannungen von 5 bis 70 keV verwendet. Da die Ionen von allen Seiten auf das Substrat beschleunigt werden, können offensichtlich auch kompliziert geformte Werkstücke behandelt werden.

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Schematischer Aufbau der MAT-Anlage zur Plasma-Ionenimplantation MATPII 800

Auch bei der Plasma-Ionenimplantation ergeben sich geometrisch bedingte Unterschiede in der Ionendosis. Der Effekt ist für viele Anwendungen aber eher nützlich, als daß er das Ergebnis beeinträchtigt, da vor allem die bei Werkzeugen stark belasteten Kanten mit einer höheren Ionendosis bestrahlt werden. Von untergeordneter Bedeutung ist meist, daß bei der Plasma-Ionenimplantation keine Massenselektion bzw. Selektion nach der Ionisationsstufe stattfindet. Es werden alle in der Plasma-Randschicht vorhandenen Arten von Ionen auf das Werkstück beschleunigt.

Begrenzend für den Einsatz der Plasma-Ionenimplantation in bestehenden Plasmaanlagen ist die Notwendigkeit der Abschirmung der entstehenden Röntgenstrahlung. Deshalb werden oft nur relativ niedrige Beschleunigungsspannungen (30 – 40 keV) verwendet.

ometrisch bedingte Unterschiede in der Ionendosis. Der Effekt ist für viele Anwendungen aber eher nützlich, als daß er das Ergebnis beeinträchtigt, da vor allem die bei Werkzeugen stark belasteten Kanten mit einer höheren Ionendosis bestrahlt werden. Von untergeordneter Bedeutung ist meist, daß bei der Plasma-Ionenimplantation keine Massenselektion bzw. Selektion nach der Ionisationsstufe stattfindet. Es werden alle in der Plasma-Randschicht vorhandenen Arten von Ionen auf das Werkstück beschleunigt.

Begrenzend für den Einsatz der Plasma-Ionenimplantation in bestehenden Plasmaanlagen ist die Notwendigkeit der Abschirmung der entstehenden Röntgenstrahlung. Deshalb werden oft nur relativ niedrige Beschleunigungsspannungen (30 – 40 keV) verwendet.

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Vergleich des Verschleißverhaltens von X20Cr13 nach Plasma-Ionenimplantation mit dem des unbehandelten Werkstoffs

Mit der Plasma-Ionenimplantation läßt sich eine deut­liche Verbesserung der Oberflächeneigenschaften, vor allem des Verschleißverhaltens erreichen. Dies wurde am Beispiel der Stickstoffimplantation nachgewiesen (s. Abb.). Der Vorteil der Methode zeigt sich hier vor allem im Vergleich zu Diffusionsverfahren wie dem Plasmanitrieren. Durch die im Vergleich zum Plasmanitrieren niedrigeren Temperaturen wird die Bildung störender Oberflächenverbindungen (wie z.B. Chromnitrid) vermieden. Außerdem kann die Behandlungszeit gegenüber konventionellen Methoden deutlich verringert werden.

Die Möglichkeiten der Plasma-Ionen­implan­tation lassen sich durch Kombination mit Beschichtungsverfahren noch wesentlich erweitern. Es bieten sich hier vielfach erst im Ansatz getestete Möglichkeiten zum Aufbau von Verschleißschutzschichten.