イオンコーティング技術

真空蒸着法による成膜の主な特徴は、成膜速度が高いことである。スパッタリング法の主な特徴は、使用可能な成膜材料の種類が豊富で、膜層の均一性が高いことであるが、成膜速度は低い。イオンコーティングは、これら2つのプロセスを組み合わせた方法である。

イオンコーティングの原理と膜形成条件
イオンコーティングの動作原理を図に示す。真空チャンバーを10⁻⁴ Pa以下の圧力まで排気し、その後、不活性ガス（例えばアルゴン）を0.1～1 Paの圧力まで充填する。基板に最大5 kVの負の直流電圧を印加すると、基板とるつぼの間に低圧ガスグロー放電プラズマ領域が形成される。不活性ガスイオンは電界によって加速され、基板表面に衝突することで、ワークピースの表面を洗浄する。この洗浄プロセスが完了すると、るつぼ内のコーティング対象材料の蒸発によってコーティングプロセスが開始される。蒸発した蒸気粒子はプラズマ領域に入り、解離した不活性正イオンおよび電子と衝突する。一部の蒸気粒子は電界の加速によって解離し、ワークピースおよびコーティング表面に衝突する。イオンプレーティングプロセスでは、基板上に正イオンが堆積するだけでなく、スパッタリングも起こるため、薄膜は堆積効果がスパッタリング効果よりも大きい場合にのみ形成される。

基板に常に高エネルギーイオンを照射するイオンコーティングプロセスは、非常にクリーンであり、スパッタリングや蒸着コーティングに比べて多くの利点がある。

（１）密着性が強く、コーティング層が剥がれにくい。
（a）イオンコーティングプロセスでは、グロー放電によって生成された多数の高エネルギー粒子を使用して基板表面に陰極スパッタリング効果を生成し、基板表面に吸着したガスや油をスパッタリングして洗浄し、コーティングプロセス全体が完了するまで基板表面を浄化します。
（b）コーティングの初期段階では、スパッタリングと堆積が共存し、フィルムベースの界面に成分の遷移層またはフィルム材料とベース材料の混合物（「擬似拡散層」と呼ばれる）を形成することができ、フィルムの密着性能を効果的に向上させることができます。
（２）優れた被覆性。その理由の一つは、コーティング材料の原子が高圧下でイオン化され、基板に到達する過程でガス分子と複数回衝突するため、コーティング材料のイオンが基板の周囲に拡散することである。さらに、イオン化されたコーティング材料の原子は電界の作用により基板表面に堆積するため、基板全体に薄膜が形成されるが、蒸着コーティングではこのような効果は得られない。
（３）コーティングの品質が高いのは、堆積膜への正イオンの継続的な衝突によって引き起こされる凝縮物のスパッタリングによるものであり、これによりコーティング層の密度が向上します。
（４）金属材料または非金属材料に、幅広い種類のコーティング材料と基材をコーティングすることができる。
（５）化学気相成長法（CVD）と比較して、基板温度は低く、通常５００℃以下ですが、密着強度は化学気相成長膜と全く同等です。
（６）高い成膜速度、迅速な膜形成、数十ナノメートルからミクロンまでの膜厚のコーティングが可能。

イオンコーティングの欠点は、膜厚を精密に制御できないこと、微細コーティングが必要な場合に欠陥濃度が高くなること、コーティング中にガスが表面に侵入して表面特性が変化すること、そして場合によっては空洞や核（1nm未満）が形成されることである。

成膜速度に関しては、イオンコーティングは蒸着法と同等である。膜質に関しては、イオンコーティングで作製した膜は、スパッタリングで作製した膜と同等かそれ以上の品質である。