Bei der Aufdampfbeschichtung bilden die Keimbildung und das Wachstum der Filmschicht die Grundlage verschiedener Ionenbeschichtungstechnologien.
1. Nukleation
InVakuumverdampfungsbeschichtungstechnologieNachdem die Filmschichtpartikel in Form von Atomen aus der Verdampfungsquelle verdampft wurden, fliegen sie im Hochvakuum direkt zum Werkstück und bilden dort durch Keimbildung und Wachstum die Filmschicht. Während der Vakuumverdampfung beträgt die Energie der aus der Verdampfungsquelle austretenden Filmschichtatome etwa 0,2 eV. Ist die Kohäsion zwischen den Filmschichtpartikeln größer als die Bindungskraft zwischen den Atomen der Filmschicht und dem Werkstück, bildet sich ein Inselkeim. Ein einzelnes Filmschichtatom verbleibt für eine gewisse Zeit auf der Werkstückoberfläche und führt dabei unregelmäßige Bewegungen, Diffusion, Migration oder Kollisionen mit anderen Atomen aus, wodurch Atomcluster entstehen. Erreicht die Anzahl der Atome im Atomcluster einen bestimmten kritischen Wert, bildet sich ein stabiler Keim, ein sogenannter homogener Keim.
Die Oberfläche ist glatt und weist zahlreiche Defekte und Stufen auf, was zu unterschiedlichen Adsorptionskräften für die radioaktiven Atome an verschiedenen Stellen des Werkstücks führt. Die Adsorptionsenergie an der Defektoberfläche ist höher als an der unbeschädigten Oberfläche, wodurch diese zu aktiven Zentren wird, die die bevorzugte Keimbildung, die sogenannte heterogene Keimbildung, begünstigen. Wenn die Kohäsionskraft der Bindungskraft entspricht oder die Bindungskraft zwischen den Membranatomen und dem Werkstück größer ist als die Kohäsionskraft zwischen den Membranatomen, bildet sich eine Lamellenstruktur. Bei der Ionenplattierung entsteht in den meisten Fällen ein Inselkern.
2. Wachstum
Sobald sich der Kern des Films gebildet hat, wächst er weiter, indem er die auftreffenden Atome einfängt. Die Inseln wachsen und verbinden sich miteinander zu größeren Halbkugeln, wodurch allmählich eine halbkugelförmige Inselschicht entsteht, die sich über die Oberfläche des Werkstücks ausbreitet.
Bei hoher Atomenergie der Filmschicht diffundiert das Atom ausreichend an der Oberfläche, und es bildet sich ein glatter, durchgehender Film, sofern die nachfolgenden Atomcluster klein sind. Ist die Diffusion der Atome an der Oberfläche gering und die Größe der abgelagerten Cluster groß, bilden sich große, halbinselförmige Keime. Die Spitze des Inselkerns übt eine starke Abschattung auf den konkaven Bereich aus, den sogenannten „Schatteneffekt“. Die Erhebung der Oberfläche begünstigt das Einfangen nachfolgend abgelagerter Atome und deren bevorzugtes Wachstum, wodurch sich die Konkavität der Oberfläche erhöht und konische oder säulenförmige Kristalle ausreichender Größe entstehen. Zwischen den konischen Kristallen bilden sich Hohlräume, und die Oberflächenrauheit nimmt zu. Im Hochvakuum lässt sich ein feines Gewebe erzielen; mit abnehmendem Vakuumgrad wird die Mikrostruktur der Membran immer dicker.
Veröffentlichungsdatum: 24. Mai 2023