Главной особенностью метода вакуумного испарения для нанесения пленок является высокая скорость осаждения. Главной особенностью метода магнетронного распыления является широкий спектр доступных пленочных материалов и хорошая однородность пленочного слоя, но скорость осаждения низкая. Ионное напыление — это метод, сочетающий в себе эти два процесса.
Принцип ионного нанесения покрытия и условия формирования пленки
Принцип работы ионного покрытия показан на рисунке. Вакуумная камера откачивается до давления ниже 10⁻⁴ Па, а затем заполняется инертным газом (например, аргоном) до давления 0,1–1 Па. После приложения к подложке отрицательного постоянного напряжения до 5 кВ между подложкой и тиглем образуется зона плазмы низкого давления, образующаяся в результате тлеющего разряда газа. Ионы инертного газа ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность подложки, очищая таким образом поверхность заготовки. После завершения этого процесса очистки начинается процесс нанесения покрытия, в ходе которого происходит испарение наносимого материала в тигле. Испарившиеся частицы пара попадают в зону плазмы и сталкиваются с диссоциированными положительными ионами и электронами инертного газа, при этом часть частиц пара диссоциирует и бомбардирует заготовку и поверхность покрытия под действием ускорения электрического поля. В процессе ионного напыления происходит не только осаждение, но и распыление положительных ионов на подложку, поэтому тонкая пленка может быть сформирована только тогда, когда эффект осаждения превышает эффект распыления.
Процесс ионного нанесения покрытий, при котором подложка постоянно бомбардируется высокоэнергетическими ионами, является очень чистым и имеет ряд преимуществ по сравнению с нанесением покрытий методом магнетронного распыления и испарения.
(1) Высокая адгезия, слой покрытия не отслаивается легко.
(а) В процессе ионного нанесения покрытия большое количество высокоэнергетических частиц, генерируемых тлеющим разрядом, используется для создания эффекта катодного распыления на поверхности подложки, распыляя и очищая газ и масло, адсорбированные на поверхности подложки, до завершения всего процесса нанесения покрытия.
(b) На ранней стадии нанесения покрытия процессы распыления и осаждения сосуществуют, что может привести к образованию переходного слоя компонентов на границе раздела пленочной основы или смеси пленочного материала и основного материала, называемого «псевдодиффузионным слоем», который может эффективно улучшить адгезионные свойства пленки.
(2) Хорошие обволакивающие свойства. Одна из причин заключается в том, что атомы материала покрытия ионизируются под высоким давлением и многократно сталкиваются с молекулами газа в процессе достижения подложки, благодаря чему ионы материала покрытия рассеиваются вокруг подложки. Кроме того, ионизированные атомы материала покрытия осаждаются на поверхности подложки под действием электрического поля, поэтому вся подложка покрывается тонкой пленкой, чего нельзя достичь методом испарения.
(3) Высокое качество покрытия обусловлено распылением конденсатов, вызванным постоянной бомбардировкой осажденной пленки положительными ионами, что повышает плотность слоя покрытия.
(4) На металлические или неметаллические материалы можно наносить широкий спектр покрытий и подложек.
(5) По сравнению с методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), он имеет более низкую температуру подложки, обычно ниже 500 °C, но его прочность сцепления полностью сопоставима с пленками, полученными методом химического осаждения из паровой фазы.
(6) Высокая скорость осаждения, быстрое формирование пленки и возможность нанесения покрытий толщиной от десятков нанометров до микрон.
Недостатками ионного нанесения покрытий являются: невозможность точного контроля толщины пленки; высокая концентрация дефектов при необходимости тонкого покрытия; проникновение газов в поверхность в процессе нанесения покрытия, что изменяет свойства поверхности. В некоторых случаях также образуются полости и зародыши (менее 1 нм).
Что касается скорости осаждения, ионное нанесение сопоставимо с методом испарения. Что касается качества пленки, то пленки, полученные ионным нанесением, близки или превосходят по качеству пленки, полученные методом магнетронного распыления.
Дата публикации: 08.11.2022