فناوری پوشش یونی

ویژگی اصلی روش تبخیر در خلاء برای رسوب‌گذاری فیلم‌ها، نرخ رسوب‌گذاری بالای آن است. ویژگی اصلی روش کندوپاش، طیف وسیع مواد فیلم موجود و یکنواختی خوب لایه فیلم است، اما نرخ رسوب‌گذاری پایین است. پوشش‌دهی یونی روشی است که این دو فرآیند را با هم ترکیب می‌کند.

اصل پوشش یونی و شرایط تشکیل فیلم
اصول کار پوشش یونی در تصویر نشان داده شده است. محفظه خلاء تا فشاری کمتر از 10-4 پاسکال پمپ می‌شود و سپس با گاز بی‌اثر (مثلاً آرگون) تا فشار 0.1 تا 1 پاسکال پر می‌شود. پس از اعمال ولتاژ DC منفی تا 5 کیلوولت به زیرلایه، یک ناحیه پلاسمای تخلیه تابشی گازی کم‌فشار بین زیرلایه و بوته ایجاد می‌شود. یون‌های گاز بی‌اثر توسط میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و سطح زیرلایه را بمباران می‌کنند و در نتیجه سطح قطعه کار تمیز می‌شود. پس از اتمام این فرآیند تمیز کردن، فرآیند پوشش با تبخیر ماده‌ای که قرار است در بوته پوشش داده شود، آغاز می‌شود. ذرات بخار تبخیر شده وارد ناحیه پلاسما می‌شوند و با یون‌ها و الکترون‌های مثبت بی‌اثر تجزیه شده برخورد می‌کنند و برخی از ذرات بخار تجزیه شده و تحت شتاب میدان الکتریکی، قطعه کار و سطح پوشش را بمباران می‌کنند. در فرآیند آبکاری یونی، نه تنها رسوب‌گذاری، بلکه کندوپاش یون‌های مثبت روی زیرلایه نیز وجود دارد، بنابراین لایه نازک تنها زمانی می‌تواند تشکیل شود که اثر رسوب‌گذاری بیشتر از اثر کندوپاش باشد.

فرآیند پوشش یونی، که در آن زیرلایه همیشه با یون‌های پرانرژی بمباران می‌شود، بسیار تمیز است و در مقایسه با پوشش‌دهی با کندوپاش و تبخیر، مزایای متعددی دارد.

(1) چسبندگی قوی، لایه پوشش به راحتی کنده نمی‌شود.
(الف) در فرآیند پوشش یونی، تعداد زیادی از ذرات پرانرژی تولید شده توسط تخلیه تابشی برای ایجاد اثر کندوپاش کاتدی روی سطح زیرلایه استفاده می‌شوند، که گاز و روغن جذب شده روی سطح زیرلایه را کندوپاش و تمیز می‌کنند تا سطح زیرلایه تا زمان تکمیل کل فرآیند پوشش، خالص شود.
(ب) در مراحل اولیه پوشش‌دهی، کندوپاش و رسوب همزمان وجود دارند که می‌تواند یک لایه انتقالی از اجزا را در سطح مشترک پایه فیلم یا ترکیبی از ماده فیلم و ماده پایه تشکیل دهد که «لایه شبه نفوذی» نامیده می‌شود و می‌تواند به طور موثری عملکرد چسبندگی فیلم را بهبود بخشد.
(2) خواص پوشش‌دهی خوب. یکی از دلایل این است که اتم‌های ماده پوشش‌دهنده تحت فشار بالا یونیزه می‌شوند و در طول فرآیند رسیدن به زیرلایه چندین بار با مولکول‌های گاز برخورد می‌کنند، به طوری که یون‌های ماده پوشش‌دهنده می‌توانند در اطراف زیرلایه پراکنده شوند. علاوه بر این، اتم‌های ماده پوشش‌دهنده یونیزه شده تحت تأثیر میدان الکتریکی روی سطح زیرلایه رسوب می‌کنند، بنابراین کل زیرلایه با یک لایه نازک رسوب می‌کند، اما پوشش تبخیری نمی‌تواند به این اثر دست یابد.
(3) کیفیت بالای پوشش به دلیل پاشش میعانات ناشی از بمباران مداوم فیلم رسوب شده با یون‌های مثبت است که چگالی لایه پوشش را بهبود می‌بخشد.
(4) طیف گسترده‌ای از مواد پوشش‌دهنده و زیرلایه‌ها را می‌توان روی مواد فلزی یا غیرفلزی پوشش داد.
(5) در مقایسه با رسوب بخار شیمیایی (CVD)، دمای زیرلایه پایین‌تری دارد، معمولاً کمتر از 500 درجه سانتیگراد، اما قدرت چسبندگی آن کاملاً با فیلم‌های رسوب بخار شیمیایی قابل مقایسه است.
(6) نرخ رسوب بالا، تشکیل سریع فیلم، و می‌تواند ضخامت فیلم‌ها را از ده‌ها نانومتر تا میکرون پوشش دهد.

معایب پوشش یونی عبارتند از: ضخامت لایه نازک را نمی‌توان دقیقاً کنترل کرد؛ غلظت عیوب در صورت نیاز به پوشش ظریف زیاد است؛ و در حین پوشش‌دهی، گازها وارد سطح می‌شوند که خواص سطح را تغییر می‌دهند. در برخی موارد، حفره‌ها و هسته‌ها (کمتر از ۱ نانومتر) نیز تشکیل می‌شوند.

از نظر سرعت رسوب، پوشش یونی با روش تبخیر قابل مقایسه است. از نظر کیفیت فیلم، فیلم‌های تولید شده با پوشش یونی نزدیک به فیلم‌های تهیه شده با روش کندوپاش یا بهتر از آنها هستند.