Ionenbeschichtungstechnologie

Das Hauptmerkmal der Vakuumverdampfung zur Schichtabscheidung ist die hohe Abscheidungsrate. Die Sputtermethode zeichnet sich durch die große Auswahl an geeigneten Schichtmaterialien und die gute Gleichmäßigkeit der Schicht aus, weist jedoch eine geringe Abscheidungsrate auf. Die Ionenbeschichtung kombiniert die Vorteile beider Verfahren.

Prinzip der Ionenbeschichtung und Bedingungen der Filmbildung
Das Funktionsprinzip der Ionenbeschichtung ist in der Abbildung dargestellt. Die Vakuumkammer wird auf einen Druck unter 10⁻⁴ Pa evakuiert und anschließend mit einem Inertgas (z. B. Argon) auf einen Druck von 0,1 bis 1 Pa gefüllt. Nach Anlegen einer negativen Gleichspannung von bis zu 5 kV an das Substrat entsteht zwischen Substrat und Tiegel eine Glimmentladungs-Plasmazone mit niedrigem Druck. Die Inertgasionen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und bombardieren die Substratoberfläche, wodurch diese gereinigt wird. Nach Abschluss dieses Reinigungsprozesses beginnt die Beschichtung mit der Verdampfung des zu beschichtenden Materials im Tiegel. Die verdampften Partikel gelangen in die Plasmazone und kollidieren mit dissoziierten positiven Inertgasionen und Elektronen. Ein Teil der Dampfpartikel dissoziiert und bombardiert unter dem Einfluss des elektrischen Feldes das Werkstück und die Beschichtungsoberfläche. Beim Ionenplattierungsverfahren findet nicht nur eine Abscheidung, sondern auch ein Sputtern von positiven Ionen auf dem Substrat statt, sodass sich der Dünnfilm nur dann bilden kann, wenn der Abscheidungseffekt größer ist als der Sputtereffekt.

Das Ionenbeschichtungsverfahren, bei dem das Substrat stets mit hochenergetischen Ionen beschossen wird, ist sehr sauber und bietet gegenüber Sputter- und Aufdampfbeschichtungen eine Reihe von Vorteilen.

(1) Starke Haftung, die Beschichtungsschicht blättert nicht leicht ab.
(a) Beim Ionenbeschichtungsverfahren werden eine große Anzahl hochenergetischer Teilchen, die durch die Glimmentladung erzeugt werden, verwendet, um einen kathodischen Sputtereffekt auf der Oberfläche des Substrats zu erzeugen. Dabei werden die auf der Oberfläche des Substrats adsorbierten Gase und Öle abgesputtert und gereinigt, um die Substratoberfläche zu säubern, bis der gesamte Beschichtungsprozess abgeschlossen ist.
b) Im frühen Stadium der Beschichtung treten Sputtern und Abscheidung gleichzeitig auf. Dabei kann sich eine Übergangsschicht aus Komponenten an der Grenzfläche zwischen Filmbasis oder eine Mischung aus Filmmaterial und Basismaterial bilden, die als „Pseudodiffusionsschicht“ bezeichnet wird und die Haftungseigenschaften des Films effektiv verbessern kann.
(2) Gute Umhüllungseigenschaften. Ein Grund dafür ist, dass die Atome des Beschichtungsmaterials unter hohem Druck ionisiert werden und beim Erreichen des Substrats mehrfach mit Gasmolekülen kollidieren. Dadurch verteilen sich die Ionen des Beschichtungsmaterials gleichmäßig auf dem Substrat. Zusätzlich lagern sich die ionisierten Atome des Beschichtungsmaterials unter Einwirkung eines elektrischen Feldes auf der Substratoberfläche ab, sodass das gesamte Substrat mit einem dünnen Film bedeckt wird. Dieser Effekt lässt sich mit Aufdampfbeschichtungen nicht erzielen.
(3) Die hohe Qualität der Beschichtung ist auf das Abtragen von Kondensaten durch den ständigen Beschuss des abgeschiedenen Films mit positiven Ionen zurückzuführen, wodurch die Dichte der Beschichtungsschicht verbessert wird.
(4)Auf metallische oder nichtmetallische Werkstoffe kann eine breite Auswahl an Beschichtungsmaterialien und Substraten aufgetragen werden.
(5) Im Vergleich zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) weist sie eine niedrigere Substrattemperatur auf, typischerweise unter 500°C, ihre Haftfestigkeit ist jedoch mit der von CVD-Filmen voll vergleichbar.
(6) Hohe Abscheidungsrate, schnelle Filmbildung und mögliche Schichtdicken von mehreren zehn Nanometern bis hin zu Mikrometern.

Die Nachteile der Ionenbeschichtung sind: Die Schichtdicke lässt sich nicht präzise steuern; bei gewünschten feinen Beschichtungen ist die Defektkonzentration hoch; und während der Beschichtung dringen Gase in die Oberfläche ein, was deren Eigenschaften verändert. In einigen Fällen bilden sich zudem Hohlräume und Keime (kleiner als 1 nm).

Hinsichtlich der Abscheidungsrate ist die Ionenbeschichtung mit der Aufdampfmethode vergleichbar. Bezüglich der Filmqualität sind die mittels Ionenbeschichtung hergestellten Filme denen von Sputterfilmen ebenbürtig oder sogar überlegen.