Neuartige Aspekte der Oberflächenbearbeitung und deren industrielle. Anwendungen in verschiedenen Branchen

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1 Neuartige Aspekte der Oberflächenbearbeitung und deren industrielle Anwendungen in verschiedenen Branchen PE-CVD-Abscheidung Modifizierter Kohlenstoffschichten Dr. Torsten Barfels Institut für Oberflächen- und Dünnschichtechnik

2 Inhalt Kohlenstoff Plasma-aktivierte chemischen Gasphasenabscheidung Bindungen, Strukturen, Modifikationen Amorpher Kohlenstoff DLC Technologische Realisierung Anwendungen durch modifizierte Kohlenstoffschichten Maschinenbau Medizintechnik 2

3 Kohlenstoff - Bindungen s-orbital p-orbital sp1 lineare Bindung C C sp2 flächige Bindung C=C sp3 räumliche Bindung C-C 3

4 Kohlenstoff - Strukturen Diamant Graphit sp3 sp2 Anton (rp)

5 Kohlenstoff - Strukturen Diamant Härte (Mohs): Elektr. Leitfähigkeit: opt. (vis) Transmission: Wärmeleitfähigkeit: S/m transparent 1000 W/(m K) Graphit 0,5 106 S/m opak 130 W/(m K) 5

6 Kohlenstoff - Modifikationen a) Diamant b) Graphit c) Lonsdaleit Buckminsterfullerene d) C60 e) C540 f) C70 Created by Michael Ströck g) amorpher Kohlenstoff h) Nanoröhrchen 6

7 Amorpher Kohlenstoff DLC Diamant Graphit DLC 7

8 Amorpher Kohlenstoff DLC sp2 C-C sp3 C-C sp3 C-H amorphe Struktur mit Nahordnung mit Diamant-(sp3)- und Graphit-(sp2)-Bindungen Bindungsverteilung ist Prozessparameter-abhängig => insbesondere vom Wasserstoffanteil => viel H => weich, polymerartig => wenig H => hart, spröde Wasserstoff => Absättigung von freien Bindungen 8

9 Amorpher Kohlenstoff DLC Eigenschaften von DLC - Härte: bis zu 4000 HV - Reibung und Verschleiß: sehr gering - mechan. Eigenschaften: einstellbar nach sp2 / sp3 Verhältnis - Temperaturstabilität: ca. < 350 C - optisch transparent in breiten IR-Fenstern - chemische stabil gegenüber Säuren und Basen - Bio-kompatibel, Blut-kompatibel - nicht Zell-toxisch - nicht entzündlich (med.) - Dotierbarkeit: Cu, Ag, V, P, BN, - Gradierbarkeit 9

10 PE-CVD PVD PE-CVD Zerstäubung eines Kohlenstofftargets durch Ionenbeschuss im Argon-MethanPlasma Pyrolyse von organischen Gasen (Methan, Ethin) durch in einem angeregten (HF/RF, ECR) Argon-Plasma 10

11 PE-CVD technol. Realisierung 11

12 PE-CVD technol. Realisierung ECR plasma source LC Match Box C2H2 Dressler ECR source control Hüttinger PF300 RF - Generator MKS 600 Butterfly control 5 TCP 380 Turbp pump control 6 8 TCP 121 Pressure gauge 7 Drawing: Marcus Rosenberg, Diploma, IfOD, HS Wismar 2007 Ar Micromix MX 4000 gas flow control 11 4 O2 1. Sample stage & RF electrode, Ø = 140 mm 2. Gas shower, Ø = 200 mm 3. Penning/Pirani pressure gauge 4. Baratron process pressure gauge 5. Butterfly valve 6. Turbo molecular pump 7. Angle valve 8. Rotary vane pump 9. Gas mass flow control units 10. Pressure reducing valves 11. Grounded counter electrode, Ø = 200 mm Operationg pressure 20 µbar Deposition time 10 min Acetylene flow rate 35 sccm. Substrate temperature25ºc Self Bias Tension -100, V 12

13 PE-CVD technol. Realisierung Hybrid Sputtern - PE-CVD => dotiertes DLC Setup and Process: two magnetron heads Ti target, C targent Dual position stage C2H2 precursor gas Ar sputter and protecting gas 1. C2H2 / Ti hybrid sputtering 2. C2H2 / Ti alternated sputtering 3. C / Ti alternated sputtering 4. C2H2 / Ti subsequently 13

14 Anwendungen - Maschinenbau Härte / E-Modul Nanoindentation-Test MST Nano Indenter XP Verschleiß Haftfestigkeit Biege-Test DIN ISO Qualitäts-Klassen

15 Anwendungen - Maschinenbau Haftfestigkeit, Härte, E-Modul 15

16 Anwendungen - Maschinenbau Verschleiß 316L Referenzprobe: 7,89*10-13 m3/mn DLC-316L-02: 1,45*10-15 m3/mn Faktor ~

17 Anwendungen - Maschinenbau Ultraelastische DLC-Schichten Line scan Profilometer über Verschleißspur ~ 1.5 µm XPS-KonzentrationsLine scan über Verschleißspur Spachtholz RWTH Aachen 17

18 Anwendungen - Medizintechnik Poröse DLC-Schichten - Porenvolumen durch Prozessparámeter variierbar - 3D Oberflächenprofile können visualisiert werden durch Nanoindenter XP mit Nanovision Modus 18

19 Anwendungen stöchiometrisches SiC Ar-Fluß: 13 sccm C2H2: 14 sccm HDMSO: 3 sccm Biasspannung variiert 20 V bis mehrere 100 V Kontaktwinkel zu Wasser in DLC-Schichten mit def. Oberflächenspannung BIAS-Spannung in V Tropfen r Oberflächenenergie mn 50 h 40 Θ DLCSchicht BIAS-Spannung in V Bestimmung aus Benetzungsverhalten standardisierter Flüssigkeiten DIN bzw. ISO

20 Anwendungen Metall-dotierte DLC-Schichten DLC:Ti DLC:Ag 20

21 Anwendungen - Medizintechnik Antibakterielle DLC-Schichten Thrombus-Bildung a b b 100 c d d Thrombous formation (%) Zellkulturversuche mit E.coli Bakterien a)- unbeschichtetes PET b) DLC mit 0,40 at% Ag c) DLC mit 0,48 at%ag d) DLC mit 0,59 at% Ag PET DLC 1 DLC 2 DLC 3 Ti-DLC Samples Thrombozytenbildung auf DLCbeschichtetem PET bezogen auf: - unbeschichtetes PET - DLC auf PET at -150, -300, -600V - Ti DLC 21

22 Anwendungen - Maschinenbau DLC-Schichten mit Antihafteigenschaften Probe h bei 300 C 22

23 Anwendungen - Maschinenbau IR-transparente DLC-Schichten 'C:\Dokumente und Einstellungen\jan\Eigene Dateien\PECVD\IR\PR08_01.DAT' 3 µm 60 IR Transmission / % Oakley wave number / 1/cm Jenoptik 23

24 Zusammenfassung - Kohlenstoffschichten durch PE-CVD herstellbar - durch PE-CVD Prozess einstellbar - mittels Hybrid-PVD-CVD modifizierbar unterschiedlichste Produktanforderungen bedienbar Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24