Untersuchung der Sputtereigenschaften von Extraktionsgittermaterial M. Tartz, H. Neumann, D. Manova Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung Permoserstr. 15 D-04318 Leipzig H. J. Leiter EADS Space Transportation D-74215 Moeckmuehl J. Esch Schunk Kohlenstofftechnik GmbH Rodheimer Straße 59 D-35452 Heuchelheim www.iom-leipzig.de
Breitstrahlionenquellen Extraktionssystem (Multiaperture-Gitter) Anwendungen: Oberflächenmodifizierung Glättung von Oberflächen Schichtabscheidung Strukturierung Implantation Raumfahrtantrieb Strahleigenschaften durch Extraktionssystem und Plasma festgelegt Entladungsraum
Lebensdauer der Extraktionsgitter Ladungsaustauschprozeß: Xe + + Xe Xe + Xe + kann auf ein Gitter hin beschleunigt werden Materialabtrag (Zerstäubung) Zerstörung der Gitter während Betrieb: Gittererosion Änderung der Strahleigenschaften, Strahlverunreinigung begrenzte Lebensdauer Simulation der Gittererosion unvermeidbarer Prozeß lange Lebensdauer niedrige Zerstäubungsrate der Gittermaterialien
Untersuchung der Sputtereigenschaften von Extraktionsgittermaterial Sputterrate ist bedeutender Parameter für Lebensdauerabschätzung Typische Gittermaterialien: Graphit, Molybdän Neue Gittermaterialien mit besseren Eigenschaften: Titan, CC-Material,... Für relevante Ion-Target-Kombinationen ist Sputterrate meist nicht verfügbar, insbesondere Winkelverteilung Untersuchung des Sputterverhaltens am IOM (Neue Gittersysteme für Ionentriebwerke) Gliederung: Experimental setup Untersuchte Materialien Experimentelle Resultate und Simulation
Experimental setup IOM sputter test facility UHV-Anlage base pressure <10-8 mbar Ausgerüstet mit Turbo-Pumpe (2000 l/s) Probenschleuse Quadrupol-Massenspektrometer zur Restgasanalyse Targethalter: verschiedene Probengrößen verschiedene Einfallswinkel Messung der Probentemperatur Messung des Targetionenstromes verminderte Deposition auf Target
Restgasanalyse intensity [arb.u.] 8 7 6 5 4 3 2 water N 2 O 2 xenon 3+ Anteil an Sauerstoff kann Sputterverhalten beeinflussen (insb. Graphit) intensity [arb.u.] 1 0 10 15 20 25 30 35 40 45 mass [amu] 7 xenon 3+ xenon 2+ xenon 1+ 6 5 4 3 2 1 0 40 60 80 100 120 140 mass [amu] Sauerstoff-Partialdruck (O 2, H 2 O) unter 10-7 of Xenon Partialdruck xenon x+: ionisation in quadrupole to degree x
Experimental setup Ionenquelle ISQ40 (IOM) HF-Plasmaerzeugung (13.56MHz, inductive coupled) Strahldurchmesser 4 cm geringe Strahldivergenz Targetstromdichte bis zu 2 ma/cm 2 in 13 cm Abstand Ionenenergie 50.. 1500 ev Bestimmung Sputterrate aus: Massenverlust Präzissionswaage m=10 µg Messung des direkten Targetstrom Korrektur Umladung am Restgas verschiedene Energie, Einfallswinkel
Gittermaterial Konventionelle Materialien Graphit + niedrigste Sputterrate, geringe thermische Ausdehnung, geringe Dichte - schlechte mechanische Eigenschaften (große Gitter) Molybdän + gute mechanische Eigenschaften + stabil in Reaktivprozessen - hohe Sputterrate - hohe Dichte
Gittermaterial Neue Materialien Titan + mechanische Eigenschaften vergleichbar mit Mo + geringere Erosionsrate als Mo + niedrigere Dichte - hohe thermische Expansion erosion rate [nm/h] 400 300 200 Erosion rate nitriertes Titan / Molybdän Reduktion der Sputterrate erwartet (P. Wilbur et.al.: 20-40%) 100 0 graphite titanium molybdenum
Gittermaterial CFC (kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffe) hochfeste und hochsteife Hochtemperatur- und Hochleistungswerkstoffe reiner Kohlenstoff, aufgebaut aus Kohlenstoffmatrix mit eingelagerten Kohlenstoffasern verbesserte mechanische und physikalische Eigenschaften, variierbar durch Wahl des Kohlenstoffasertyps, der Faserorientierung und -anordnung, des Fasergehaltes, des Verdichtungszyklus und durch die Glühtemperatur des Verbundkörpers Sputterrate ähnlich Graphit?
Untersuchte Gittermaterialien Graphit hochdichtes Graphit, verschiedene Korngrößen Pyrographit CFC Molybdän Nitriertes Molybdän Titan Nitriertes Titan
Sputterrate von Molybdän 1,5 Xe -> Mo normal incidence 4,0 3,5 3,0 200eV 400eV 600eV 800eV 1000eV 1400eV sputter yield [atoms/ion] 1,0 0,5 0,0 Rosenberg 62 Weijsenfeld 67 Bhattacharjee 97 Zalm 83 Yamamura 00 Blandino 96 Williams 03 Doerner 03 this report 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 sputter yield [atoms/ions] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1000eV 400eV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 incidence energy [ev] angle of incidence [deg] Gute Übereinstimmung mit anderen experimentellen Daten und Simulation (Bohdansky-, Yamamura-Formeln)
Oberflächentopologie von Molybdän unbehandelt Nach Sputtern Keine Änderung der Sputterrate mit Zeit beobachtet
Nitriertes Molybdän Plasma-nitriertes Molybdän 1,5 molybdenum, plasma nitrided sputtered at 1000eV, normal incidence (900 C, 600 V, 1 h und 2 h) sputter yield [atoms/ion] 1,4 1,3 Sputter yield of untreated Mo Reduzierung der Sputterrate um 10% Implantationstiefe ca. 4 µm kein signifikanter Unterschied zwischen verschiedenen Proben 1,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 erosion depth [µm] nicht sinnvoll einzusetzen für Extraktionsgitter
Sputterrate von Titan 1,0 0,9 3,0 200eV 400eV 600eV 1000eV 1400eV 3,0 0,8 sputter yield [at/ion] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Rosenberg 62 Williams 03 Doerner 03 sputter yield [at/ion] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,1 this report 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,0 0 20 40 60 80 [Williams 03] 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 incidence angle [deg] 0 20 40 60 80 0,0 ion energy [ev] Gute Übereinstimmung mit anderen experimentellen Daten und Simulation (Bohdansky-, Yamamura-Formeln)
Nitriertes Titan Plasma-nitriertes Titan PIII-nitriertes Titan Sputterrate [at/ion] 0,80 0,75 0,70 0,65 unbehandeltes Titan PIII nitriert Plasma-nitriert Reduzierung der Sputterrate um 10-25% (Oberfläche) Implantationstiefe ca. 2 µm (PIII) 0,60 2000 s 0,55 0 2 4 6 8 Tiefe (Ti) [µm] SIMS nicht sinnvoll einzusetzen für Extraktionsgitter 2000 s
Sputterrate von Graphit sputter yield [atoms/ion] 0,6 Xe -> C normal incidence 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 incidence energy [ev] Rosenberg 62 Eckstein 93 Williams 03 (POCO) Williams 03 (Grafoil) Doerner 03 IOM measurements Deltschew this report Gute Übereinstimmung mit früheren Messungen und anderen Daten Simulation liefert zu niedrige Werte bei höheren Energien
Graphit - Oberflächentopographie high-dense graphite nicht poliert poliert Ausgangsoberfläche nach 3 h Sputtern (1000 ev, normaler Einfall) Sputterrate: 0.39 Sputterrate: 0.37
Graphit - Einfluß der Korngröße hd graphite Korngröße 2 µm Korngröße: 20..50 µm Ausgangsoberfläche nach 3 h Sputtern (1000 ev, normaler Einfall) Kein Unterschied der Sputterrate: 0.39
Pyrographit Graphit - beschichtet mit Pyrographit (50 µm) Ausgangsoberfläche nach 3 h Sputtern (1000 ev, normaler Einfall) Sputterrate: 0.41
CFC - Einfluß der Oberflächentopologie 0.5 h CFC Sputterrate um Faktor 2...3 größer als Graphit Oberflächentopologie Mittlerer Einfallswinkel bei normalem Einfall 47 1 h 0,025 0,020 mean incidence angle 46.9 2.75 h intensity [rel. u.] 0,015 0,010 0,005 CFC [JPC 2001] R. Deltschew, M. Tartz, E. Hartmann, H. Neumann, H.J. Leiter, J. Esch, AIAA paper 01-3493 0,000 0 20 40 60 80 angle of incidence [deg]
Zusammenfassung Untersuchung des Sputterverhaltens von typischen Gittermaterialien: Kein Einfluß auf die Graphit Sputterrate durch Oberfläche (poliert oder nicht) und Korngröße Bei CFC-Material zeigt sich ein Einfluß der regelmäßigen Faserstruktur Im stationären Zustand Sputterrate wie Graphit unabhängig von Ausgangsoberfläche Sputterrate von Molybdän, Titan in guter Übereinstimmung mit anderen Daten Nitrieren (Mo, Ti) senkt Sputterrate um 10-20%, aber zu geringe Tiefe Gute Beschreibung durch Model (Bohdansky-, Yamamura-Formel) Vielen Dank an ESA und DLR für die finanzielle Unterstützung.