Công nghệ phủ ion

Đặc điểm chính của phương pháp bay hơi chân không để lắng đọng màng là tốc độ lắng đọng cao. Đặc điểm chính của phương pháp phún xạ là phạm vi vật liệu màng khả dụng rộng và độ đồng nhất tốt của lớp màng, nhưng tốc độ lắng đọng thấp. Phủ ion là một phương pháp kết hợp cả hai quy trình này.

Nguyên lý phủ ion và điều kiện hình thành màng
Nguyên lý hoạt động của phương pháp phủ ion được thể hiện trong hình. Buồng chân không được hút đến áp suất dưới 10⁻⁴ Pa, sau đó được nạp khí trơ (ví dụ như argon) đến áp suất 0,1~1 Pa. Sau khi đặt điện áp DC âm lên đến 5 kV vào chất nền, một vùng plasma phóng điện phát sáng khí áp suất thấp được thiết lập giữa chất nền và nồi nung. Các ion khí trơ được gia tốc bởi điện trường và bắn phá bề mặt chất nền, do đó làm sạch bề mặt phôi. Sau khi quá trình làm sạch này hoàn tất, quá trình phủ bắt đầu bằng việc hóa hơi vật liệu cần phủ trong nồi nung. Các hạt hơi hóa hơi đi vào vùng plasma và va chạm với các ion dương trơ ​​và electron bị phân ly, một số hạt hơi bị phân ly và bắn phá phôi và bề mặt lớp phủ dưới sự gia tốc của điện trường. Trong quá trình mạ ion, không chỉ có sự lắng đọng mà còn có sự bắn phá các ion dương lên chất nền, do đó màng mỏng chỉ có thể được hình thành khi hiệu ứng lắng đọng lớn hơn hiệu ứng bắn phá.

Quá trình phủ ion, trong đó chất nền luôn được bắn phá bằng các ion năng lượng cao, rất sạch và có một số ưu điểm so với phương pháp phủ lắng đọng phún xạ và phủ bay hơi.

(1) Độ bám dính cao, lớp phủ không dễ bị bong tróc.
(a) Trong quy trình phủ ion, một lượng lớn các hạt năng lượng cao được tạo ra bởi sự phóng điện phát sáng được sử dụng để tạo ra hiệu ứng bắn phá catốt trên bề mặt chất nền, bắn phá và làm sạch khí và dầu bám trên bề mặt chất nền để làm sạch bề mặt chất nền cho đến khi toàn bộ quá trình phủ hoàn tất.
(b) Ở giai đoạn đầu của quá trình phủ, hiện tượng bắn phá và lắng đọng cùng tồn tại, có thể tạo thành một lớp chuyển tiếp các thành phần tại giao diện giữa lớp nền màng hoặc hỗn hợp vật liệu màng và vật liệu nền, được gọi là “lớp khuếch tán giả”, có thể cải thiện hiệu quả khả năng bám dính của màng.
(2) Đặc tính bao phủ tốt. Một lý do là các nguyên tử vật liệu phủ bị ion hóa dưới áp suất cao và va chạm với các phân tử khí nhiều lần trong quá trình tiếp cận chất nền, do đó các ion vật liệu phủ có thể phân tán xung quanh chất nền. Ngoài ra, các nguyên tử vật liệu phủ bị ion hóa được lắng đọng trên bề mặt chất nền dưới tác dụng của điện trường, do đó toàn bộ chất nền được phủ một lớp màng mỏng, nhưng phương pháp phủ bay hơi không thể đạt được hiệu quả này.
(3) Chất lượng cao của lớp phủ là do sự bắn phá các chất ngưng tụ gây ra bởi sự bắn phá liên tục của màng được lắng đọng bằng các ion dương, giúp cải thiện mật độ của lớp phủ.
(4) Có thể phủ nhiều loại vật liệu phủ và chất nền khác nhau lên vật liệu kim loại hoặc phi kim loại.
(5)So với lắng đọng hơi hóa học (CVD), nó có nhiệt độ chất nền thấp hơn, thường dưới 500°C, nhưng độ bền bám dính của nó hoàn toàn tương đương với màng lắng đọng hơi hóa học.
(6)Tốc độ lắng đọng cao, hình thành màng nhanh và có thể phủ độ dày màng từ vài chục nanomet đến micromet.

Nhược điểm của phương pháp phủ ion là: độ dày của lớp màng không thể được kiểm soát chính xác; nồng độ khuyết tật cao khi cần phủ lớp mỏng; và khí sẽ xâm nhập vào bề mặt trong quá trình phủ, làm thay đổi tính chất bề mặt. Trong một số trường hợp, còn hình thành các lỗ rỗng và mầm (nhỏ hơn 1 nm).

Về tốc độ lắng đọng, phương pháp phủ ion tương đương với phương pháp bay hơi. Về chất lượng màng, màng được tạo ra bằng phương pháp phủ ion có chất lượng gần bằng hoặc tốt hơn so với màng được tạo ra bằng phương pháp phún xạ.