Het belangrijkste kenmerk van de vacuümverdampingsmethode voor het afzetten van films is de hoge afzettingssnelheid. Het belangrijkste kenmerk van de sputtermethode is het brede scala aan beschikbare filmmaterialen en de goede uniformiteit van de filmlaag, maar de afzettingssnelheid is laag. Ioncoating is een methode die deze twee processen combineert.
Principe van ionencoating en filmvormingsomstandigheden
Het werkingsprincipe van ionencoating wordt weergegeven in de afbeelding. De vacuümkamer wordt vacuüm gezogen tot een druk lager dan 10⁻⁴ Pa en vervolgens gevuld met inert gas (bijvoorbeeld argon) tot een druk van 0,1 tot 1 Pa. Nadat een negatieve gelijkspanning van maximaal 5 kV op het substraat is aangelegd, ontstaat er een lagedruk-gasgloeiplasmazone tussen het substraat en de smeltkroes. De inerte gasionen worden door het elektrische veld versneld en bombarderen het oppervlak van het substraat, waardoor het oppervlak van het werkstuk wordt gereinigd. Nadat dit reinigingsproces is voltooid, begint het coatingproces met de verdamping van het te coaten materiaal in de smeltkroes. De verdampte dampdeeltjes komen in de plasmazone terecht en botsen met de gedissocieerde inerte positieve ionen en elektronen. Een deel van de dampdeeltjes wordt gedissocieerd en bombardeert het werkstuk en het coatingoppervlak onder invloed van de versnelling door het elektrische veld. Bij het ionenplatingproces vindt niet alleen afzetting, maar ook sputtering van positieve ionen op het substraat plaats. De dunne film kan dus alleen gevormd worden als het afzettingseffect groter is dan het sputteringseffect.
Het ionencoatingproces, waarbij het substraat continu wordt gebombardeerd met hoogenergetische ionen, is zeer schoon en heeft een aantal voordelen ten opzichte van sputter- en verdampingscoating.
(1) Sterke hechting, de coatinglaag laat niet gemakkelijk los.
(a) Bij het ionencoatingproces wordt een groot aantal hoogenergetische deeltjes, gegenereerd door de gloeiontlading, gebruikt om een kathodisch sputtereffect op het oppervlak van het substraat te bewerkstelligen. Hierdoor worden de gassen en oliën die op het oppervlak van het substraat zijn geadsorbeerd, weggespuugd en gereinigd, waardoor het substraatoppervlak wordt gezuiverd totdat het gehele coatingproces is voltooid.
(b)In de beginfase van het coaten vinden sputteren en depositie gelijktijdig plaats, waardoor een overgangslaag van componenten kan ontstaan op het grensvlak van de filmbasis of een mengsel van het filmmateriaal en het basismateriaal, een zogenaamde "pseudo-diffusielaag", die de hechtingsprestaties van de film effectief kan verbeteren.
(2) Goede omhullende eigenschappen. Een reden hiervoor is dat de atomen van het coatingmateriaal onder hoge druk worden geïoniseerd en tijdens het proces om het substraat te bereiken meerdere malen botsen met gasmoleculen, waardoor de ionen van het coatingmateriaal zich over het substraat verspreiden. Bovendien worden de geïoniseerde atomen van het coatingmateriaal onder invloed van een elektrisch veld op het oppervlak van het substraat afgezet, waardoor het gehele substraat wordt bedekt met een dunne film. Dit effect kan niet worden bereikt met verdampingscoating.
(3)De hoge kwaliteit van de coating is te danken aan het sputteren van condensaten als gevolg van het constante bombardement van de afgezette film met positieve ionen, waardoor de dichtheid van de coatinglaag wordt verbeterd.
(4) Op metalen of niet-metalen materialen kan een ruime keuze aan coatingmaterialen en substraten worden aangebracht.
(5)Vergeleken met chemische dampafzetting (CVD) heeft het een lagere substraattemperatuur, doorgaans onder de 500 °C, maar de hechtsterkte is volledig vergelijkbaar met die van films die met chemische dampafzetting zijn vervaardigd.
(6)Hoge afzettingssnelheid, snelle filmvorming en de mogelijkheid om een coatingdikte van tientallen nanometers tot micrometers aan te brengen.
De nadelen van ionencoating zijn: de dikte van de film kan niet nauwkeurig worden geregeld; de concentratie defecten is hoog wanneer een fijne coating vereist is; en er zullen gassen in het oppervlak doordringen tijdens het coaten, wat de oppervlakte-eigenschappen zal veranderen. In sommige gevallen worden er ook holtes en kiemen (kleiner dan 1 nm) gevormd.
Wat de afzettingssnelheid betreft, is ionencoating vergelijkbaar met de verdampingsmethode. Wat de filmkwaliteit betreft, zijn de films die met ionencoating worden geproduceerd bijna net zo goed, of zelfs beter, dan films die met sputteren worden gemaakt.
Geplaatst op: 08-11-2022