Hovedtrekket ved vakuumfordampningsmetoden for avsetning av filmer er den høye avsetningshastigheten. Hovedtrekket ved sputteringmetoden er det brede utvalget av tilgjengelige filmmaterialer og den gode ensartetheten i filmlaget, men avsetningshastigheten er lav. Ionbelegg er en metode som kombinerer disse to prosessene.
Prinsipp for ionbelegg og filmdannelsesbetingelser
Prinsippet for ionbelegg er vist på bildet. Vakuumkammeret pumpes til et trykk under 10⁻⁴ Pa, og fylles deretter med inert gass (f.eks. argon) til et trykk på 0,1–1 Pa. Etter at en negativ likespenning på opptil 5 kV er påført substratet, etableres en lavtrykksgassglødeutladningsplasmasone mellom substratet og digelen. De inerte gassionene akselereres av det elektriske feltet og bombarderer overflaten av substratet, og rengjør dermed overflaten av arbeidsstykket. Etter at denne rengjøringsprosessen er fullført, begynner beleggprosessen med fordampning av materialet som skal belegges i digelen. De fordampede damppartiklene kommer inn i plasmasonen og kolliderer med de dissosierte inerte positive ionene og elektronene, og noen av damppartiklene dissosieres og bombarderer arbeidsstykket og beleggoverflaten under akselerasjonen av det elektriske feltet. I ionepletteringsprosessen skjer det ikke bare avsetning, men også sputtering av positive ioner på substratet, slik at den tynne filmen bare kan dannes når avsetningseffekten er større enn sputteringseffekten.
Ionebeleggingsprosessen, der substratet alltid bombarderes med høyenergiioner, er svært ren og har en rekke fordeler sammenlignet med sputtering og fordampningsbelegging.
(1) Sterk vedheft, belegglaget løsner ikke lett.
(a) I ionbeleggingsprosessen brukes et stort antall høyenergipartikler generert av glødeutladningen til å produsere en katodisk sputteringseffekt på overflaten av substratet, og sputter og renser gassen og oljen som er adsorbert på overflaten av substratet for å rense substratoverflaten inntil hele beleggingsprosessen er fullført.
(b) I den tidlige fasen av belegget eksisterer sputtering og avsetning samtidig, som kan danne et overgangslag av komponenter ved grensesnittet til filmbasen eller en blanding av filmmaterialet og basismaterialet, kalt «pseudodiffusjonslag», som effektivt kan forbedre filmens adhesjonsevne.
(2) Gode omslutningsegenskaper. En årsak er at beleggmaterialeatomene ioniseres under høyt trykk og kolliderer med gassmolekyler flere ganger underveis i prosessen med å nå substratet, slik at beleggmaterialeionene kan spres rundt substratet. I tillegg avsettes de ioniserte beleggmaterialeatomene på overflaten av substratet under påvirkning av et elektrisk felt, slik at hele substratet avsettes med en tynn film, men fordampningsbelegg kan ikke oppnå denne effekten.
(3) Den høye kvaliteten på belegget skyldes sputtering av kondensater forårsaket av konstant bombardement av den avsatte filmen med positive ioner, noe som forbedrer tettheten til belegglaget.
(4) Et bredt utvalg av beleggmaterialer og underlag kan belegges på metalliske eller ikke-metalliske materialer.
(5) Sammenlignet med kjemisk dampavsetning (CVD) har den en lavere substrattemperatur, vanligvis under 500 °C, men heftstyrken er fullt sammenlignbar med kjemisk dampavsetningsfilmer.
(6) Høy avsetningshastighet, rask filmdannelse og beleggtykkelse på filmer fra titalls nanometer til mikron.
Ulempene med ionbelegg er: tykkelsen på filmen kan ikke kontrolleres nøyaktig; konsentrasjonen av defekter er høy når finbelegg er nødvendig; og gasser vil trenge inn i overflaten under belegget, noe som vil endre overflateegenskapene. I noen tilfeller dannes det også hulrom og kjerner (mindre enn 1 nm).
Når det gjelder avsetningshastighet, er ionbelegg sammenlignbar med fordampningsmetoden. Når det gjelder filmkvalitet, er filmene produsert ved ionbelegg nær eller bedre enn de som er fremstilt ved sputtering.
Publisert: 08. november 2022