La caratteristica principale del metodo di evaporazione sotto vuoto per la deposizione di film sottili è l'elevata velocità di deposizione. La caratteristica principale del metodo di sputtering è l'ampia gamma di materiali utilizzabili per i film sottili e la buona uniformità dello strato depositato, ma la velocità di deposizione è bassa. Il rivestimento ionico è un metodo che combina questi due processi.
Principio del rivestimento ionico e condizioni di formazione del film
Il principio di funzionamento del rivestimento ionico è illustrato nella figura. La camera a vuoto viene portata a una pressione inferiore a 10⁻⁴ Pa, quindi riempita con gas inerte (ad esempio argon) fino a una pressione di 0,1~1 Pa. Dopo aver applicato una tensione continua negativa fino a 5 kV al substrato, si crea una zona di plasma a scarica luminescente a bassa pressione tra il substrato e il crogiolo. Gli ioni del gas inerte vengono accelerati dal campo elettrico e bombardano la superficie del substrato, pulendo così la superficie del pezzo. Una volta completato questo processo di pulizia, inizia il processo di rivestimento con la vaporizzazione del materiale da rivestire nel crogiolo. Le particelle di vapore vaporizzato entrano nella zona di plasma e collidono con gli ioni positivi inerti dissociati e gli elettroni; alcune di queste particelle di vapore si dissociano e bombardano il pezzo e la superficie di rivestimento sotto l'accelerazione del campo elettrico. Nel processo di deposizione ionica, non si verifica solo la deposizione, ma anche la dispersione di ioni positivi sul substrato; pertanto, il film sottile può formarsi solo quando l'effetto di deposizione è maggiore dell'effetto di dispersione.
Il processo di rivestimento ionico, in cui il substrato viene costantemente bombardato con ioni ad alta energia, è molto pulito e presenta numerosi vantaggi rispetto ai processi di sputtering e di evaporazione.
(1) Forte adesione, lo strato di rivestimento non si stacca facilmente.
(a) Nel processo di rivestimento ionico, un gran numero di particelle ad alta energia generate dalla scarica a bagliore vengono utilizzate per produrre un effetto di sputtering catodico sulla superficie del substrato, sputterando e pulendo il gas e l'olio adsorbiti sulla superficie del substrato per purificare la superficie del substrato fino al completamento dell'intero processo di rivestimento.
(b) Nella fase iniziale del rivestimento, coesistono sputtering e deposizione, che possono formare uno strato di transizione di componenti all'interfaccia della base del film o una miscela del materiale del film e del materiale di base, chiamato "strato di pseudo-diffusione", che può migliorare efficacemente le prestazioni di adesione del film.
(2) Buone proprietà di avvolgimento. Una ragione è che gli atomi del materiale di rivestimento vengono ionizzati ad alta pressione e collidono più volte con le molecole di gas durante il processo di raggiungimento del substrato, in modo che gli ioni del materiale di rivestimento possano essere dispersi attorno al substrato. Inoltre, gli atomi ionizzati del materiale di rivestimento vengono depositati sulla superficie del substrato sotto l'azione del campo elettrico, quindi l'intero substrato viene ricoperto da un film sottile, ma il rivestimento per evaporazione non può ottenere questo effetto.
(3)L'elevata qualità del rivestimento è dovuta allo sputtering dei condensati causato dal bombardamento costante del film depositato con ioni positivi, che migliora la densità dello strato di rivestimento.
(4) Su materiali metallici o non metallici è possibile rivestire un'ampia selezione di materiali di rivestimento e substrati.
(5)Rispetto alla deposizione chimica da fase vapore (CVD), ha una temperatura del substrato inferiore, tipicamente inferiore a 500 °C, ma la sua forza di adesione è pienamente paragonabile a quella dei film ottenuti tramite deposizione chimica da fase vapore.
(6) Elevato tasso di deposizione, rapida formazione del film e possibilità di rivestire film con spessore da decine di nanometri a micron.
Gli svantaggi del rivestimento ionico sono: lo spessore del film non può essere controllato con precisione; la concentrazione di difetti è elevata quando è richiesto un rivestimento sottile; e durante il processo di rivestimento penetrano gas nella superficie, alterandone le proprietà. In alcuni casi, si formano anche cavità e nuclei (inferiori a 1 nm).
Per quanto riguarda la velocità di deposizione, il rivestimento ionico è paragonabile al metodo di evaporazione. In termini di qualità del film, i film prodotti mediante rivestimento ionico sono simili o superiori a quelli preparati tramite sputtering.
Data di pubblicazione: 8 novembre 2022