تقنية الطلاء الأيوني

تتميز طريقة التبخير الفراغي لترسيب الأغشية بمعدل ترسيب عالٍ. أما طريقة الترسيب بالرش فتتميز بتنوع مواد الأغشية المتاحة وتجانس طبقة الغشاء، إلا أن معدل الترسيب فيها منخفض. وتُعدّ تقنية الطلاء الأيوني طريقة تجمع بين هاتين العمليتين.

مبدأ طلاء الأيونات وشروط تكوين الفيلم
يوضح الشكل مبدأ عمل الطلاء الأيوني. تُفرغ حجرة التفريغ إلى ضغط أقل من 10⁻⁴ باسكال، ثم تُملأ بغاز خامل (مثل الأرجون) إلى ضغط يتراوح بين 0.1 و1 باسكال. بعد تطبيق جهد مستمر سالب يصل إلى 5 كيلوفولت على الركيزة، تتشكل منطقة بلازما تفريغ غازي منخفض الضغط بين الركيزة والبوتقة. تتسارع أيونات الغاز الخامل بفعل المجال الكهربائي وتصطدم بسطح الركيزة، مما يؤدي إلى تنظيف سطح قطعة العمل. بعد اكتمال عملية التنظيف، تبدأ عملية الطلاء بتبخير المادة المراد طلاؤها في البوتقة. تدخل جزيئات البخار المتصاعدة إلى منطقة البلازما وتصطدم بالأيونات الموجبة والإلكترونات الخاملة المتفككة، ويتفكك بعضها ويصطدم بقطعة العمل وسطح الطلاء بفعل تسارع المجال الكهربائي. في عملية الطلاء الأيوني، لا يوجد ترسيب فحسب، بل يوجد أيضًا قذف للأيونات الموجبة على الركيزة، لذلك لا يمكن تشكيل الغشاء الرقيق إلا عندما يكون تأثير الترسيب أكبر من تأثير القذف.

تتميز عملية الطلاء الأيوني، التي يتم فيها قصف الركيزة دائمًا بأيونات عالية الطاقة، بأنها نظيفة للغاية ولها عدد من المزايا مقارنة بالطلاء بالرش والتبخير.

(1) قوة التصاق عالية، طبقة الطلاء لا تتقشر بسهولة.
(أ) في عملية طلاء الأيونات، يتم استخدام عدد كبير من الجسيمات عالية الطاقة الناتجة عن التفريغ المتوهج لإنتاج تأثير رش كاثودي على سطح الركيزة، ورش وتنظيف الغاز والزيت الممتص على سطح الركيزة لتنقية سطح الركيزة حتى تكتمل عملية الطلاء بأكملها.
(ب) في المرحلة المبكرة من الطلاء، يتعايش الترسيب والترسيب، مما يمكن أن يشكل طبقة انتقالية من المكونات عند واجهة قاعدة الفيلم أو خليط من مادة الفيلم والمادة الأساسية، تسمى "طبقة الانتشار الزائف"، والتي يمكن أن تحسن بشكل فعال أداء الالتصاق للفيلم.
(2) خصائص تغطية ممتازة. أحد الأسباب هو تأين ذرات مادة الطلاء تحت ضغط عالٍ واصطدامها بجزيئات الغاز عدة مرات أثناء وصولها إلى الركيزة، مما يؤدي إلى تشتت أيونات مادة الطلاء حول الركيزة. إضافةً إلى ذلك، تترسب ذرات مادة الطلاء المتأينة على سطح الركيزة بفعل المجال الكهربائي، فتُغطى الركيزة بأكملها بطبقة رقيقة، وهو ما لا يمكن تحقيقه بالطلاء بالتبخير.
(3) يرجع ارتفاع جودة الطلاء إلى تناثر المكثفات الناتج عن القصف المستمر للفيلم المترسب بالأيونات الموجبة، مما يحسن كثافة طبقة الطلاء.
(4) يمكن طلاء مجموعة واسعة من مواد الطلاء والركائز على المواد المعدنية أو غير المعدنية.
(5) بالمقارنة مع الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، فإن درجة حرارة الركيزة تكون أقل، وعادة ما تكون أقل من 500 درجة مئوية، ولكن قوة الالتصاق الخاصة بها قابلة للمقارنة تمامًا بأغشية الترسيب الكيميائي للبخار.
(6) معدل ترسيب عالي، وتكوين سريع للأغشية، ويمكن أن يصل سمك طبقة الطلاء من عشرات النانومترات إلى الميكرونات.

من عيوب الطلاء الأيوني: عدم إمكانية التحكم بدقة في سُمك الطبقة؛ وارتفاع تركيز العيوب عند الحاجة إلى طلاء دقيق؛ ودخول الغازات إلى السطح أثناء الطلاء، مما يُغير خصائصه. وفي بعض الحالات، تتشكل تجاويف ونوى (أقل من 1 نانومتر).

أما بالنسبة لمعدل الترسيب، فإن الطلاء الأيوني يُضاهي طريقة التبخير. أما بالنسبة لجودة الأغشية، فإن الأغشية المنتجة بالطلاء الأيوني تُقارب أو تفوق جودة الأغشية المُحضّرة بالرش.