เทคโนโลยีการเคลือบไอออน

คุณสมบัติหลักของวิธีการระเหยสูญญากาศสำหรับการเคลือบฟิล์มคืออัตราการเคลือบที่สูง คุณสมบัติหลักของวิธีการสปัตเตอร์คือวัสดุฟิล์มที่มีให้เลือกมากมายและความสม่ำเสมอที่ดีของชั้นฟิล์ม แต่มีอัตราการเคลือบต่ำ การเคลือบด้วยไอออนเป็นวิธีการที่รวมกระบวนการทั้งสองนี้เข้าด้วยกัน

หลักการเคลือบไอออนและสภาวะการสร้างฟิล์ม
หลักการทำงานของการเคลือบไอออนแสดงไว้ในภาพ ห้องสูญญากาศจะถูกสูบไปที่ความดันต่ำกว่า 10-4 Pa จากนั้นจึงเติมก๊าซเฉื่อย (เช่น อาร์กอน) ไปที่ความดัน 0.1~1 Pa หลังจากที่แรงดันไฟฟ้า DC ลบสูงถึง 5 kV ถูกนำไปใช้กับพื้นผิว โซนพลาสมาการคายประจุก๊าซเรืองแสงความดันต่ำจะถูกสร้างขึ้นระหว่างพื้นผิวและเบ้าหลอม ไอออนของก๊าซเฉื่อยจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าและโจมตีพื้นผิวของพื้นผิว จึงทำความสะอาดพื้นผิวของชิ้นงาน หลังจากกระบวนการทำความสะอาดนี้เสร็จสิ้น กระบวนการเคลือบจะเริ่มต้นด้วยการระเหยของวัสดุที่จะเคลือบในเบ้าหลอม อนุภาคไอระเหยจะเข้าสู่โซนพลาสมาและชนกับไอออนบวกเฉื่อยและอิเล็กตรอนที่แตกตัว และอนุภาคไอบางส่วนจะแตกตัวและโจมตีชิ้นงานและพื้นผิวเคลือบภายใต้การเร่งความเร็วของสนามไฟฟ้า ในกระบวนการชุบไอออนนั้นไม่เพียงแต่มีการสะสมตัวเท่านั้น แต่ยังมีการสปัตเตอร์ของไอออนบวกบนพื้นผิวด้วย ดังนั้น ฟิล์มบางๆ จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเอฟเฟกต์การสะสมตัวนั้นมากกว่าเอฟเฟกต์การสปัตเตอร์เท่านั้น

กระบวนการเคลือบไอออน ซึ่งพื้นผิวจะถูกโจมตีด้วยไอออนพลังงานสูงอยู่เสมอ มีความสะอาดมาก และมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับการเคลือบแบบสปัตเตอร์และการระเหย

(1) การยึดเกาะที่แข็งแรง ชั้นเคลือบไม่ลอกออกง่าย
(ก) ในกระบวนการเคลือบไอออน อนุภาคพลังงานสูงจำนวนมากที่สร้างขึ้นจากการคายประจุไฟฟ้าจะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตเอฟเฟกต์การสปัตเตอร์แคโทดิกบนพื้นผิวของสารตั้งต้น โดยสปัตเตอร์และทำความสะอาดก๊าซและน้ำมันที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวของสารตั้งต้นเพื่อชำระล้างพื้นผิวของสารตั้งต้นจนกระทั่งกระบวนการเคลือบทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์
(b) ในระยะเริ่มต้นของการเคลือบ การสปัตเตอร์และการสะสมจะเกิดขึ้นควบคู่กัน ซึ่งสามารถสร้างชั้นเปลี่ยนผ่านของส่วนประกอบที่อินเทอร์เฟซของฐานฟิล์มหรือส่วนผสมของวัสดุฟิล์มและวัสดุฐาน เรียกว่า "ชั้นการแพร่กระจายเทียม" ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการยึดเกาะของฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(2) คุณสมบัติการห่อหุ้มที่ดี เหตุผลประการหนึ่งก็คืออะตอมของวัสดุเคลือบจะแตกตัวเป็นไอออนภายใต้แรงดันสูงและชนกับโมเลกุลของก๊าซหลายครั้งในระหว่างกระบวนการเข้าถึงพื้นผิว ทำให้ไอออนของวัสดุเคลือบสามารถกระจัดกระจายไปรอบๆ พื้นผิวได้ นอกจากนี้ อะตอมของวัสดุเคลือบที่แตกตัวเป็นไอออนจะเกาะอยู่บนพื้นผิวของพื้นผิวภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า ดังนั้น พื้นผิวทั้งหมดจึงเกาะตัวเป็นฟิล์มบางๆ แต่การเคลือบด้วยการระเหยไม่สามารถบรรลุผลนี้ได้
(3) คุณภาพสูงของการเคลือบเกิดจากการสปัตเตอร์ของคอนเดนเสทที่เกิดจากการโจมตีอย่างต่อเนื่องของฟิล์มที่สะสมด้วยไอออนบวก ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของชั้นเคลือบ
(4) วัสดุเคลือบและพื้นผิวที่มีให้เลือกมากมายสามารถเคลือบบนวัสดุที่เป็นโลหะหรือไม่ใช่โลหะได้
(5) เมื่อเปรียบเทียบกับการสะสมไอเคมี (CVD) อุณหภูมิพื้นผิวจะต่ำกว่า โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 500°C แต่ความแข็งแรงในการยึดเกาะนั้นเทียบได้กับฟิล์มการสะสมไอเคมีอย่างแน่นอน
(6) อัตราการสะสมสูง การสร้างฟิล์มที่รวดเร็ว และสามารถเคลือบฟิล์มได้หนาตั้งแต่หลายสิบนาโนเมตรไปจนถึงไมครอน

ข้อเสียของการเคลือบด้วยไอออนคือ ไม่สามารถควบคุมความหนาของฟิล์มได้อย่างแม่นยำ ความเข้มข้นของตำหนิจะสูงเมื่อต้องเคลือบแบบละเอียด และก๊าซจะเข้าสู่พื้นผิวระหว่างการเคลือบ ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติของพื้นผิวเปลี่ยนไป ในบางกรณี อาจเกิดโพรงและนิวเคลียส (น้อยกว่า 1 นาโนเมตร) ขึ้นด้วย

ในส่วนของอัตราการสะสม การเคลือบด้วยไอออนจะเทียบได้กับวิธีการระเหย ในส่วนของคุณภาพของฟิล์ม ฟิล์มที่ผลิตขึ้นจากการเคลือบด้วยไอออนจะใกล้เคียงหรือดีกว่าฟิล์มที่เตรียมโดยการสปัตเตอร์