เทคโนโลยีการเคลือบไอออน

ข้อดีหลักของวิธีการระเหยในสุญญากาศสำหรับการเคลือบฟิล์มคืออัตราการเคลือบสูง ส่วนข้อดีหลักของวิธีการสปัตเตอร์คือสามารถใช้กับวัสดุฟิล์มได้หลากหลายและฟิล์มมีความสม่ำเสมอดี แต่มีอัตราการเคลือบต่ำ การเคลือบด้วยไอออนเป็นวิธีการที่ผสมผสานสองกระบวนการนี้เข้าด้วยกัน

หลักการเคลือบไอออนและสภาวะการก่อตัวของฟิล์ม
หลักการทำงานของการเคลือบด้วยไอออนแสดงไว้ในรูปภาพ ห้องสุญญากาศจะถูกดูดอากาศออกจนความดันต่ำกว่า 10⁻⁴ Pa จากนั้นเติมก๊าซเฉื่อย (เช่น อาร์กอน) จนถึงความดัน 0.1~1 Pa หลังจากที่จ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงลบสูงสุด 5 kV ไปยังวัสดุตั้งต้นแล้ว จะเกิดโซนพลาสมาจากการปล่อยประจุเรืองแสงของก๊าซความดันต่ำขึ้นระหว่างวัสดุตั้งต้นและเบ้าหลอม ไอออนของก๊าซเฉื่อยจะถูกเร่งความเร็วโดยสนามไฟฟ้าและพุ่งชนพื้นผิวของวัสดุตั้งต้น ทำให้พื้นผิวของชิ้นงานสะอาดขึ้น หลังจากกระบวนการทำความสะอาดนี้เสร็จสิ้น กระบวนการเคลือบจะเริ่มต้นด้วยการระเหยของวัสดุที่จะเคลือบในเบ้าหลอม อนุภาคไอระเหยจะเข้าสู่โซนพลาสมาและชนกับไอออนบวกและอิเล็กตรอนของก๊าซเฉื่อยที่แตกตัวออกมา และอนุภาคไอระเหยบางส่วนจะแตกตัวและพุ่งชนชิ้นงานและพื้นผิวการเคลือบภายใต้การเร่งความเร็วของสนามไฟฟ้า ในกระบวนการชุบไอออนนั้น ไม่เพียงแต่มีการตกตะกอนเท่านั้น แต่ยังมีการพ่นไอออนบวกบนพื้นผิวด้วย ดังนั้นฟิล์มบางจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อผลของการตกตะกอนมีมากกว่าผลของการพ่น

กระบวนการเคลือบด้วยไอออน ซึ่งเป็นกระบวนการที่พื้นผิวถูกกระแทกด้วยไอออนพลังงานสูงอย่างต่อเนื่อง เป็นกระบวนการที่สะอาดมากและมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับการเคลือบแบบสปัตเตอร์และการเคลือบแบบระเหย

(1)การยึดเกาะที่แข็งแรง ชั้นเคลือบไม่หลุดลอกง่าย
(ก) ในกระบวนการเคลือบด้วยไอออน อนุภาคพลังงานสูงจำนวนมากที่เกิดจากการปล่อยประจุเรืองแสงจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างผลกระทบการสปัตเตอร์แบบแคโทดิกบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ โดยจะสปัตเตอร์และทำความสะอาดก๊าซและน้ำมันที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวของวัสดุรองรับ เพื่อทำให้พื้นผิวของวัสดุรองรับบริสุทธิ์ จนกระทั่งกระบวนการเคลือบทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์
(b) ในช่วงเริ่มต้นของการเคลือบ การสปัตเตอร์และการตกตะกอนเกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งสามารถก่อให้เกิดชั้นเปลี่ยนผ่านของส่วนประกอบที่ส่วนต่อประสานระหว่างฐานฟิล์มหรือส่วนผสมของวัสดุฟิล์มและวัสดุฐาน เรียกว่า "ชั้นการแพร่กระจายเทียม" ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการยึดเกาะของฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(2) คุณสมบัติการห่อหุ้มที่ดี เหตุผลหนึ่งคืออะตอมของวัสดุเคลือบจะแตกตัวเป็นไอออนภายใต้ความดันสูงและชนกับโมเลกุลของก๊าซหลายครั้งในระหว่างกระบวนการไปถึงพื้นผิว ทำให้ไอออนของวัสดุเคลือบสามารถกระจายไปรอบๆ พื้นผิวได้ นอกจากนี้ อะตอมของวัสดุเคลือบที่แตกตัวเป็นไอออนจะถูกสะสมบนพื้นผิวของพื้นผิวภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า ดังนั้นพื้นผิวทั้งหมดจึงถูกเคลือบด้วยฟิล์มบางๆ แต่การเคลือบแบบระเหยไม่สามารถให้ผลเช่นนี้ได้
(3) คุณภาพการเคลือบที่สูงเกิดจากการสปัตเตอร์ของสารควบแน่นที่เกิดจากการกระแทกอย่างต่อเนื่องของฟิล์มที่ตกตะกอนด้วยไอออนบวก ซึ่งช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของชั้นเคลือบ
(4) วัสดุเคลือบและพื้นผิวที่หลากหลายสามารถเคลือบลงบนวัสดุโลหะหรือวัสดุที่ไม่ใช่โลหะได้
(5)เมื่อเปรียบเทียบกับการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) จะมีอุณหภูมิพื้นผิวที่ต่ำกว่า โดยทั่วไปต่ำกว่า 500°C แต่ความแข็งแรงในการยึดเกาะนั้นเทียบเท่ากับฟิล์มที่ได้จากการตกตะกอนไอสารเคมี
(6) อัตราการตกตะกอนสูง การสร้างฟิล์มอย่างรวดเร็ว และสามารถเคลือบฟิล์มที่มีความหนาตั้งแต่หลายสิบนาโนเมตรไปจนถึงไมครอนได้

ข้อเสียของการเคลือบด้วยไอออน ได้แก่ ความหนาของฟิล์มไม่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ ความเข้มข้นของข้อบกพร่องสูงเมื่อต้องการการเคลือบที่ละเอียด และก๊าซจะแทรกซึมเข้าไปในพื้นผิวระหว่างการเคลือบ ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของพื้นผิว ในบางกรณี อาจเกิดโพรงและนิวเคลียส (ขนาดเล็กกว่า 1 นาโนเมตร) ขึ้นด้วย

ในส่วนของอัตราการตกตะกอน การเคลือบด้วยไอออนนั้นเทียบได้กับวิธีการระเหย ส่วนในด้านคุณภาพของฟิล์ม ฟิล์มที่ผลิตโดยการเคลือบด้วยไอออนนั้นใกล้เคียงหรือดีกว่าฟิล์มที่เตรียมโดยวิธีการสปัตเตอร์