Niederenergie-Breitstrahlionenquellen als Raumantriebe und für terrestrische Anwendungen

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1 Niederenergie-Breitstrahlionenquellen als Raumantriebe und für terrestrische Anwendungen H. Neumann, F. Scholze, M.Tartz, C. Bundesmann, H. Leiter* * Astrium Space Transportation Lampoldshausen Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung Leipzig horst.neumann@iom-leipzig.de für Oberflächenmodifizierung 1

2 Niederenergiebreitstrahlionenquellen Ursprung in der Raumfahrt in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts Entwicklung der Technik auch für terrestrische Technologien Im Zusammenhang mit den Trockenätztechnologien in der beginnenden Mikroelektronik (frühe 70er) wurde große Bedeutung der Ionenstrahltechnologie prognostiziert (für % der Trockenätzschritte!) Equipment zu komplex und zu teuer, Plasma-Technologien wie RIE machten bekanntermaßen das Rennen Seit dem Nischentechnologie ausgefeilte, angepasste Equipmententwicklung mit einer Reihe von unikalen Anwendungen Derzeit enge Wechselwirkung der Entwicklungen im terrestrischen Technologiefeld mit den Entwicklern bei den elektrischen Raumantrieben man lernt voneinander Unterschiede im wesentlichen in den Equipmentkosten 1,5-2 Größenordnungen(!) - teuere, leichtere Elektronik und extreme Entwicklungstests, Lebensdauertest (20 30 T Stunden) in großen Kammern und Versicherungspolicen definieren den Unterschied zum terrestrisch genutzten Equipment Niederenergie meint hier 100 ev-2kev Ionenenergie für Oberflächenmodifizierung 2

3 Inhalt Grundlagen für Ionentriebwerke und Breitstrahlionenquellen Diagnostik Ausgewählte technologische Beispiele Schlussbemerkung für Oberflächenmodifizierung 3

4 Elektrostatisches Triebwerk/Ionenstrahlquelle (schematisch) Ionenstrahlquelle Neutralisator Plasmaquelle Extraktionssystem PBN - + e - Substrat Plasma Ionenstrahl Plasma- Generator (z.b. HF) ~ - + Acceleratorspannung Beamspannung + - für Oberflächenmodifizierung 4

5 Ionenerzeugung Ionenerzeugung aus: - Gasen (alle Edelgase, N 2, O 2, H 2, D 2 u.a.) - Gasförmigen Verbindungen (SF 6 CF 4, CHF 3,SF6, CO 2, CH 4, SiH 4, u. a.) - Festkörper verdampft in Öfen (Se, S, u. a.) Ionenerzeugung durch: - Stoßionisation (durch Elektronen oder Ionen in Gasentladungen ) - Elektronenanlagerung oder Ladungsaustausch (im Volumen oder an der Oberfläche) für Oberflächenmodifizierung 5

6 Ionenextraktion aus dem Plasma Ionenextraktion und -beschleunigung aus dem Niederdruckplasma durch Felder: End-Hall-Extraktion: Gitterlose Quellen oder Triebwerke (Mark I und II, SPT, HET, ) elektrostatische Felder: Gitterionenquellen bzw. -triebwerke Extraktion durch die Löcher im Gittersystem; Extraktionsspannung U ex -für Breitstrahlerzeugung Multiaperturgittersystem Ionenstromdichtebegrenzung durch die Plasmasättigung: kt j = qi ni Bohm Kriterium m e i Raumladungsbegrenzung wird beschrieben durch (Perveance p ~ d -2 ) j = p U 3 / 2 ex Langmuir-Schottky-Childsches Gesetz Extraktion von negativen Ionen benötigt magnetisches Ausfiltern der Plasmaelektronen für Oberflächenmodifizierung 6

7 Ionenextraktion aus dem Plasma Bremsgitter Schirmgitter Beschleunigungsgitter Ionenstromdichteprofil des beamlets Beschleunigungsgitter Position Schirmgitter Quellenplasma Plasmagrenzschichtpotential Strahlplasma Potential U beam U extr U scr Potential entlang Lochachse Potential durch Elektroden hindurch Bremsgitter Ionenstrahl wird extrahiert durch ein Multiaperturgittersystem bestehend aus (1),2, 3 oder 4 Gittern Die Extraktion erfolgt in Lochkanälen ( beamlets ) Durch Superposition der Einzelstrahlen ergibt sich ein Breitstrahl U acc für Oberflächenmodifizierung 7

8 Multiapertur-Gittersysteme/Breitstrahlerzeugung Das Breitstrahlprofil entsteht durch Überlagerung der Teilstrahlen ( beamlets ) des Multiaperturgittersystems Anzahl der Gitter: (1), 2, 3 oder 4 - Möglichkeit der Anpassung des Breitstrahlprofils Gittermaterial - Geringe thermische Ausdehnung - Kleine Zerstäubungsrate - Mechanische Stabilität - Gute Bearbeitbarkeit Graphit Molybdän Titan Invar CFC Stromdichte [ma/cm 2 ] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 ISQ76 U beam =800 V U acc =-900 V I beam =110 ma Abstand 30 cm 40 cm 50 cm 0, Radius [cm] Breitstrahlformung modellierungsgestützt durch: Lochversatz - Einfachste Form der Fokusierung - Erhöhte Gittererosion und thermische Belastung - Extreme Fertigungsgenauigkeit erforderlich Gewölbte Gitter - Beste und stabilste ionenoptische Lösung - Ausgezeichnete thermische Stabilität - Fertigung aufwendig Zonengitter - Anpassung über Lochdurchmesser und Transparenz für Oberflächenmodifizierung 8

9 Simulation-Werkzeuge zur Anpassung Trajektorien-Codes n = 8 x 10 9 cm 3 PIC-Code 2,0x n = 2 x cm 3 n = 7 x cm 3 intensity [arb.u.] Maxwell distribution (T e 2.04 ev) plasma density [m -3 ] 1,5x ,0x ,0x ,0 genutzte Werkzeuge zum Design von Ionenstromdichteprofilen: - 2D: IGUN -3D: KOBRA Modifizierung/Ergänzung der Codes zur speziellen Lebensdauerberechnungen für Gittersysteme von elektrostatischen Triebwerken - validiert durch Langzeitexperimente und zur Breitstrahlsimulation electron velocity [m/s] 0,000 0,005 0,010 0,015 radius [m] Plasmasimulation zur Grenzschichtcharakterisierung und zur Beleuchtung von Effekten zwischen Gitter und Target mit dem Code XOOPIC 1 (Beispiel: DC- Ionenstrahlquelle ISQ 40 IOM) Optimierung von Entladungen, die einer Plasmadiagnostik schwer zugänglich sind z.z. noch sehr hoher Rechenzeitbedarf Lösung: Skalierungsregeln für die physikalischen Parameter und Parallelisierung 1 J. Verboncoeur, A. B. Langdon, N. T. Gladd, Comput. Phys. Commun. 87 (1995) für Oberflächenmodifizierung 9

10 Homogenisierung Stromdichteprofil: Zonengitter Faradaysondenmessung in der Nähe des Gittersystems ion beam density [µa/cm 2 ] ECR-Ionenquellenparameter: 200 mm Lochkreisdurchmesser Beam-Spannung: 800 V accel-spannung: -300 V Ar-Fluss: 15 sccm Arbeitsdruck: 8x10-5 mbar j [µa/cm 2 ] Ionenstrahlprofilmessungen mit modifiziertem Gittersystem distance 400 mm 350 mm 300 mm 250 mm 200 mm 150 mm 100 mm 50 mm 0 mm diameter [mm] Modellierung der Gitterlochgeometrie und -dichte y [mm] result of grid geometry modelling transparency [%] transparency hole diameter 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 hole diameter [cm] grid radius [cm] Zahl der Gitterlöcher: 6991 Mittlere Transparenz : 63 % für Oberflächenmodifizierung 10

11 Dynamische Lebensdauermodellierung Gittererosion durch Umladungsionen bestimmt die Lebensdauer Statische Lebensdauerbestimmung Zerstäubung linear: kürzere Lebensdauer modelliert als im Experiment gemessen Die Gittererosion ist aber nicht konstant über die Triebwerks-Lebensdauer Für eine Lebensdauerbestimmung ist die konsekutive Einbeziehung der Entwicklung der Lochgeometrie über die Betriebszeit bei Kenntnis der Zerstäubungsausbeute des Gittermaterial erforderlich 1,2 1,1 1,0 hole-to-hole radius dynamische Rechnung r [mm] 0,9 0,8 0,7 statische Rechnung 0,6 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 z-position [mm] für Oberflächenmodifizierung 11

12 Beispiele für elektrostatische Raumantriebe 1,5 m Durchmesser Experimental-Hg-thruster NasaLewis Research Center Cleveland/Ohio 1974 Sert 1 Hg-thruster (10 cm Durchmesser) NasaLewis Research Center NSTAR Xethruster (30 cm Durchmesser) von Boeing auf der deep space 1 Sonde RIT 22 Xe-thruster (22 cm Durchmesser), Astrium Space Transportation Lampoldshausen 2004 für Oberflächenmodifizierung 12

13 Beispiele für terrestrische Breitstrahlquellen Kaufman HF ECR ISQ 40 K/FM 1-5 ma/cm 2 ISQ 40 HF/IM 1-5 ma/cm 2 ISQ 120 ECR 1-5 ma/cm 2 ISQ 40 K/FM 1-5 ma/cm 2 HF-Feinstrahlquelle FWHM 250 µm, 20 ma/cm 2 Lineare ECR-Quelle, 2000 mm lang bis 4 ma/cm 2 Flanschquelle (fest) Einbauquelle Flanschquelle (justierbar) für Oberflächenmodifizierung 13

15 5-Achsen Diagnostiksystem für elektrische Triebwerke und Breitstrahlionenquellen präzise Positionierung der Sonden zum Ionentriebwerk Bewegung von Ionentriebwerk oder Sonde für ein Mapping und positions- bzw. winkelaufgelöste Messungen mehrere Sonden können ohne Vakuumunterbrechung eingesetzt werden Linear table x Linear table z 2 rotary tables Linear table y Positioniersystem ist konzipiert und gebaut aus UHV spezifizierten Komponenten: 3 Lineartische (Weg 700mm) Genauigkeit <20µm 2 Drehtische(360 ) Genauigkeit <0.05 Erlaubt die Positionierung des thruster in allen Positionen und Orientierungen in der Vakuumkammer flexibles Montagesystem für den Einsatz in verschiedenen Kammern Universelle Testplattform für Oberflächenmodifizierung 15

16 5-Achsen Diagnostiksystem für elektrische Triebwerke und Breitstrahlionenquellen Telemicroscopy head Ionentriebwerk Pyrometer / Triangular laser head 5-axis positioning system Flexible tubes for cables Anordnung in der Testkammer Jumbo der JLU Gießen für Oberflächenmodifizierung 16

17 5-Achsen Diagnostiksystem für elektrische Triebwerke und Breitstrahlionenquellen Optische in situ Vermessung der mechanischen Teile des Triebwerks: Triangularer Laser-Messkopf Telemikroskop Thermische Charakterisierung der Teile des Triebwerks: Pyrometer z = mm Thermokamera Scan line Ionenstrahl- und Plasmacharakterisierung: Faraday-Sonde mit hoher Ortsauflösung Energieselektive Massenspektrometrie T [ C] z = mm z = mm y [mm] T [ C] y, p,, z = mm z = mm z = mm Background Temperature y [mm] Grid Temperature U=1500V, I=1500mA für Oberflächenmodifizierung 17

18 Energie-Selektive Massenspektrometrie Charakterisierung von Ionenstrahlbestandteilen, Ladungszustand, und Energieverteilung für alle Triebwerke und Breitstrahlquellen RIT U beam = 900 V 0 grd Charakterisierung eines RIT10 Triebwerkes: α Log. Intensity [ C/s ] grd 20 grd 30 grd 40 grd 50 grd 60 grd Ion Energy [ ev ] 132 Xe + Energieverteilung für verschiedene Emissionswinkel des thruster Xe ++ <1% Geringes Plasmapotenzial (unterhalb der Zerstäubungsschwelle des Kammer- und Gittermaterials) für Oberflächenmodifizierung 18

20 EIT RI T EIT RIT RI T EIT EIT RI T EIT RI T RI T EIT Elektr. Triebwerke: Einsätze Nodal Line Ascending Node Sun-Moon-Earth Plane Descending Node Earth- Aeqatorial Plane Die geostationäre Umlaufebene von Satelliten in der Äquatorbahn ist zur Umlaufebene der Erde um die Sonne, in der sich auch der Mond bewegt geneigt. Die Gravitationskräfte von Sonne u. Mond drängen jeden Geo- Satelliten aus der Äquatorbahn. Permanentes Nachsteuern erforderlich NSSK Nach dem Start des Satelliten ist Bahn elliptisch Apogeumsmotoren zirkularisieren die Bahn- Orbit raising Marschtriebwerke für Langzeitmissionen: Deep Space 1, Smart 1, geplant: BepiColombo Lageregelung der Satelliten zueinander in einem Satellitensystem: Proba 3 (Formationsflugdemonstrator) für Oberflächenmodifizierung 20

21 Ionentriebwerke: Beispiel Mission ARTEMIS RIT 10 auf ARTEMIS: 2 x 10cm RF- Ionenquellen Schub je 15mN Zusätzliche Aufgabe nach Fehler des Ariane 5 - Launchers (neben eigentlicher Aufgabe NSSK): Orbit Raising, Orbit wurde um ca. 1km/Stunde angehoben, ca. 5000km waren erforderlich bis auf geostationäre Bahn Satellit und Mission konnten mit Hilfe von Ionentriebwerken gerettet werden! für Oberflächenmodifizierung 21

22 Breitstrahlionenquellen: Einsatzmöglichkeiten IBE(-M), RIBE, CAIBE (Ion beam etching (- milling), Reactive ion beam etching, Chemically assisted ion beam etching ) Substrat IBD (Ion beam deposition) Substrat DIBD (Dual ion beam deposition) Substrat Target Target Sputter- Quelle Breitstrahlquelle Vorreinigung/Strukturierung, Glättung, Strukturerzeugung Material- bzw. Schichtmodifizierung Sputter- Quelle Schichtabscheidung durch Zerstäubung eines Targets Assist- Quelle Sputter- Quelle Assist- Quelle Variation chemischer und/ oder struktureller Eigenschaften einer wachsenden Schicht während Schichtabscheidung für Oberflächenmodifizierung 22

23 IBD und DIBD - Vorteile für die Dünnschichtabscheidung IBD-Verfahren sind echte Niederdruckprozesse ( 10-4 mbar Prozessdruck) mittlere freie Weglänge der Teilchen >> Target-Substrat-Abstand Fluss schichtbildenden bzw. -beeinflussenden Teilchen hängt von der Zerstäubungsgeometrie, der Primärionenenergie, -stromdichteverteilung und art und dem Targetmaterial ab, die Schichteigenschaften können indirekt beeinflusst werden IBD-Verfahren erzeugen gerichteten Fluss von Spezies zum Substrat Einflussnahme auf die Schichteigenschaften über Substratwinkel möglich Homogenisierung über Blenden und Relativbewegungen möglich Primärionen beeinflussen Mikrostruktur der Schicht Modifizierung der Schicht durch nichtthermischen Einfluss der Assist-Ionen IBD-Verfahren ermöglichen strickte Trennung zwischen Schicht und Plasma Minimierung des Einflusses von Photonen, negativen Ionen, u.a. im Plasma generierten Spezies Ausnutzung der Vorteile erfordert präzise Kontrolle von: - Primärionenstrahl Maßschneidern der Ionenquellen - Zerstäubungsgeometrie Anlagenkonzept für Oberflächenmodifizierung 23

24 Mo/Si-Multischichten (50 Perioden): Ex situ-analytik 0.7 Maximale Reflektivität (50 Paare Mo/Si) R max ~ 0.70 Reflektivität Wellenlänge [nm] TEM TEM AFM 4.0 nm 2.3 nm 3.9 nm 4.0 nm 2.3 nm 3.9 nm 2.3 nm 3.9 nm Substrat 2.1 nm 2.2 nm R q = nm 250 nm für Oberflächenmodifizierung 24

25 Aber grundlegende Untersuchungen notwendig! Spezifischer Widerstand von Mo-Einzelschichten mit IBD abgeschieden Abhängigkeit von U beam Abhängigkeit von I beam Spezifischer Widerstand [Ωcm] 28 Xe (I beam = 60 ma) 24 Ar (I beam = 85 ma) Strahlspannung [V] 1100 Spezifischer Widerstand [Ωcm] 28 Xe (U beam = 1000 V) Strahlstrom [ma] Änderung des spezifischen Widerstands (Änderung der Kristallitgröße) u. A. Einfluss der reflektierten und gestreuten Primärionen und höherenergetische Zerstäubungsprodukte (räumliche und energetische Verteilung) muss näher und systematisch untersucht werden! für Oberflächenmodifizierung 25

26 Modifizierung durch Ionenbeschuss Modifizierung von Edelstahloberflächen Änderung der tribologischen Eigenschaften, Härtesteigerung um Faktor 2-3 Modifizierung von Polymeren Benetzbarkeit der Oberflächen Schichtspannungsmodifizierung Schichtspannung in Abhängigkeit des Gasflusses für TiO Optische Anpassschichten auf Mikrospiegeln hier TiO x mit DIBD reaktiv abgeschieden Schichtstress führt zur Verbiegung der Mikrospiegel Schichtspannungsmodifizierung erforderlich Assist-Ionenquellenstromdichte über PLM angepasst (Resputtergrenze!) Schichtspannung [MPa] Beschichtungszeit 60 min; PLM/Assist: 4%) Ar + Xe Energie Assist-Ionen [ev] kompressiv für Oberflächenmodifizierung 26

27 IBE Einsatz: Ion Beam Figuring (IBF) IBF eines spherischen Zerodur Rechteckspiegels mit extrem hoher Oberflächengenauigkeit < λ / 600 RMS [mm] [mm] [mm] [mm] 0 PV = 315,5 nm RMS = 69,1 nm PV = 6,9 nm RMS = 900 pm A.Schindler, T. Hänsel, IOM Leipzig für Oberflächenmodifizierung 27

28 IBE Einsatz: Selbstorganisation von Nanostrukturen auf Si Ionenstrahl 10 nm FFT 0 nm 500 nm 1200 ev, Ar, 15 ohne Rotation power spectral density PSD [ nm 4 ] λ = 45 nm spatial frequency f [nm -1 ] FFT 15 nm λ = 31 nm PSD [nm 4 ] nm 0 nm spatial frequency f [nm -1 ] 500 ev, Ar, 75 mit Rotation F. Frost, IOM Leipzig für Oberflächenmodifizierung 28

29 Inhalt Grundlagen für Thruster und Breitstrahlionenquellen Diagnostik Anwendungen Schlussbemerkung für Oberflächenmodifizierung 29

30 Schlussbemerkungen Für extraterrestrische Anwendungen sind vor allen Lebensdauer, missionsangepasster Schub und I sp und nicht zuletzt die Wechselwirkung mit dem Raumfahrzeug wichtig Zahlreiche und vielseitige Entwicklungen von Breitstrahlionenquellen im Niederenergiebereich erfolgen weltweit immer stärker technologieangepasst Modellierung, Diagnostik, Werkstoffuntersuchungen und Fertigungstechnologien von Ionenquellenteilen sind wertvolle Basis für Entwicklung und Anpassung sowohl von Breitstrahlionenquellen als auch von elektrostatischen Raumantrieben Wechselwirkung der Erfahrungen in Equipmententwicklung und Technologie ist nach meiner Erfahrung der Schlüssel zum Erfolg Bedeutung der Ionenstrahltechnologien /Ionenstrahlquellen wächst mit den steigenden Anforderungen an Schichten, Strukturen und Veredelungsprozesse für terrestrische Anwendungen für Oberflächenmodifizierung 30

31 Danksagung IOM: Dr. B. Faust Prof. T. Chassé (jetzt Uni Tübingen) Dr. F. Frost Dr. A.Schindler Prof. T. Höche Astrium Space Transportation GmbH Dr. R. Killinger R. Kukis PTB (Bessy II): Dr. F. Scholze für Oberflächenmodifizierung 31