Nghiên cứu nâng cao chất lượng màng mỏng quang học bằng phương pháp bốc hơi có trợ giúp của chùm ion

Nghiên cứu nâng cao chất lượng màng mỏng quang học bằng phương pháp bốc hơi có trợ giúp của chùm ion

A Những đặc điểm của luận án

1 Tính cấp thiết của đề tài: Bay hơi nhiệt trong chân không là công nghệ đ và đang được sử dụng rộng ri trong chế tạo màng mỏng quang học Tuy nhiên công nghệ này không thể giải quyết

được nhiều yêu cầu cao về chất lượng màng mỏng quang học như: Màng mỏng có độ ổn định thông số quang học cao trước sự thăng giáng của nhiệt độ và/hoặc độ ẩm; Màng mỏng có độ bám dính cao giữa màng-đế, khả năng chống mài mòn tốt, khả năng chịu tác động

ăn mòn hoá học; Màng mỏng quang học chất lượng cao trên các loại vật liệu plastic quang học hay kính mắt plastic; Màng mỏng có giá trị ứng suất trong giới hạn mong muốn Để đáp ứng đòi hỏi thực tế này, phương pháp Bay hơi có trợ giúp của chùm ion (phương pháp IAD- Ion Assisted Deposition) đ ra đời Phương pháp IAD đ được phát triển và áp dụng thành công ở các nước công nghiệp hàng đầu trong khoảng hơn mười năm trở lại đây

Đặc điểm khí hậu nóng ẩm của Việt nam ảnh hưởng rất lớn tới tính năng và độ bền của các lớp màng mỏng quang học Nghiên cứu

áp dụng công nghệ IAD nâng cao chất lượng màng mỏng quang học, vì vậy có ý nghĩa hết sức thiết thực

2 Mục đích của luận án: Xây dựng một thiết bị thử nghiệm công nghệ IAD Nghiên cứu áp dụng công nghệ IAD nâng cao chất lượng quang học của màng mỏng thông qua hai loại vật liệu màng mỏng TiO2 và SiO2

3 Phương pháp nghiên cứu Luận án này được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm: Thiết bị công nghệ IAD thử nghiệm được xây dựng trên cơ sở tham khảo các tài liệu về phương pháp IAD đ công bố của nước ngoài; Thông số công nghệ IAD và phạm vi điều khiển được thiết lập qua khảo sát thực nghiệm các thông số đặc trưng

cho nguồn ion; Hàm số mô tả quan hệ giữa bộ thông số công nghệ IAD với thông số chiết suất màng mỏng TiO2 và SiO2 được thiết lập bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm

Thông số quang học của màng mỏng (chiều dày màng, chiết suất, hệ số hấp thụ) được phân tích từ phổ truyền qua của mẫu bằng phần mềm Spektrum Phổ truyền qua của màng mỏng được đo bằng máy quang phổ Jasco 530 UV-VIS Một số phương pháp phân tích vật lí được sử dụng: Thành phần pha vật liệu màng mỏng được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X(XRD), mật độ khối lượng và

độ nhám bề mặt của màng mỏng được phân tích bằng phương pháp phổ phản xạ tia X(XRR) và phổ tán xạ tia X (XRS)

4 Đóng góp mới của luận án:

• Lần đầu tiên ở Việt nam, một thiết bị chế tạo màng mỏng công nghệ IAD đ được xây dựng và vận hành thành công

• Đ nghiên cứu áp dụng công nghệ IAD để nâng cao chất lượng màng mỏng quang học thông qua hai vật liệu TiO2 và SiO2

• Đ xây dựng hàm toán học mô tả quan hệ giữa thông số công nghệ IAD với thông số chiết suất của màng mỏng TiO2 và SiO2

• Đ phát triển một phương pháp mới nâng cao độ chính xác chế tạo màng mỏng SiO2 bằng công nghệ IAD từ vật liệu Si và SiO

• Đ áp dụng thành công công nghệ IAD để chế tạo một số màng mỏng quang học chất lượng cao như: kính lọc đơn sắc, gương phản xạ mặt trước

5 Bố cục của luận án: Luận án được trình bày trong 4 chương,

121 trang, bao gồm 64 hình vẽ và đồ thị, 30 bảng số liệu Các nội dung được trình bày theo trình tự sau:

Mở đầu

Chương 1 Chất lượng màng mỏng quang học và phương pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion

Chương 2 Xây dựng thiết bị nghiên cứu phương pháp IAD

Chương 3 Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO2 và SiO2 bằng công nghệ IAD

Chương 4 Một số kết quả ứng dụng công nghệ IAD

Kết luận

Danh mục công trình khoa học

Tài liệu tham khảo

B Nội dung luận án

Chương 1 Chất lượng màng mỏng quang học và phương pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion

1.1 ảnh hưởng của chiết suất tới chất lượng màng mỏng quang học Chất lượng quang học của màng mỏng được đánh giá qua các thông số: hệ số phản xạ, hệ số truyền qua, hệ số hấp thụ

Với hệ màng có n lớp, các thông số quang học nêu trên được xác

định bằng cách giải phương trình ma trận đặc trưng sau:

Trong đó:

λ

θ π

d chiều dày của lớp màng thứ r

1cos

sin

/sincos

n n

r r r

i

i C

B

η δ

δ η

η δ δ

(1.1)

λ là bước sóng ánh sáng

ηr= Nrcosθr đối với sóng TE, ηr= Nr/cosθr đối với sóng TM

ηn+1 là chiết suất tương đương của đế

η0 là chiết suất tương đương của

môi trường tới Hệ số phản xạ R

của hệ màng xácđịnh bằng biểu

thức (1.3) Biểu thức (1.1) và

(1.3) cho thấy cặp giá trị (Nr, dr)

của các lớp màng trong hệ màng

mỏng quyết định hoàn toàn giá trị hệ số phản xạ/truyền qua của toàn

hệ màng mỏng, tức là chất lượng của hệ màng Để chế tạo hệ màng mỏng nhiều lớp có chất lượng cao, cần phải đảm bảo cặp giá trị (Nr,

dr) của từng lớp màng trong hệ màng có giá trị chính xác và ổn định 1.2 Vi cấu trúc của màng mỏng và ảnh hưởng của nó đến chiết suất Các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử cho thấy vật liệu màng mỏng quang học có dạng cấu trúc cột với các khe hở xen kẽ ở giữa khi được chế tạo bằng phương pháp bay hơi nhiệt thông thường Hơi

ẩm của khí quyển hấp thụ vào các khe hở này sẽ làm thay đổi chiết suất tổng thể của màng mỏng Chiều dày quang học của màng mỏng,

là tích số giữa chiều dày vật lí và chiết suất, do vậy bị biến đổi theo

(1.2)

Y

Y r

+

ư

=0

0η η

ư

=

Y

Y Y

Y R

0 0

0

0

η

η η

điều kiện môi trường Thông số mật độ xếp chặt được sử dụng để

đánh giá khía cạnh này của màng mỏng Mật độ xếp chặt p được

nf là chiết suất tổng cộng của màng mỏng

nv là chiết suất của phần rỗng bao quanh cột

ns là chiết suất của phần vật liệu rắn của màng mỏng Một đặc điểm rất quan trọng của vi cấu trúc màng mỏng là trạng thái tinh thể của nó Nhiều vật liệu màng mỏng quang học không chỉ ngưng kết dưới dạng vô định hình mà còn dưới dạng tinh thể với nhiều dạng pha khác nhau Các pha này có chiết suất khác nhau, vì vậy chiết suất của màng mỏng có thể biến đổi khá lớn tuỳ thuộc vào

vi cấu trúc tinh thể cụ thể Ví dụ, màng mỏng TiO2 có chiết suất có thể biến đổi trong khoảng từ 2,1ữ2,6 tuỳ thuộc vào vi cấu trúc tinh thể là vô định hình, anatase, hay rutil

1.3 ảnh hưởng của điều kiện lắng đọng màng mỏng đến vi cấu trúc

Điều kiện chủ yếu ảnh hưởng đến mật độ xếp chặt của màng mỏng bao gồm: nhiệt độ đế, áp suất khí trong quá trình lắng đọng Theo mô hình Movchan-Demchishin, trong quá trình lắng đọng màng mỏng bằng phương pháp bay hơi nhiệt, thông số có tính quyết

định là tỉ số giữa nhiệt độ đế T và nhiệt độ nóng chảy T của vật liệu

rỗng)khoangrắn

mỏng(phầnmàng

của tíchthể

Tổng

mỏngmàngcủa rắnphầncủa tíchThể

+

=

( p)n v pn s f

tạo màng Mô hình đề xuất: cấu trúc của màng mỏng chia ra làm 3 vùng: Vùng I (ứng với T/Tm<0.25-0.3) gồm các cột dạng búp măng

có chóp nhọn với các khe hở xen kẽ; VùngII (ứng với 0.3<T/Tm<0.45) gồm các hạt dạng cột có bề mặt mịn hơn; Vùng III (ứng với T/Tm>0.45) tạo thành từ các hạt tinh thể đẳng hướng dạng đa giác Mô hình Thornton bổ sung thêm một thông số là áp suất khí đối với quá trình lắng đọng màng bằng phương pháp phún xạ

0.25-1.4 Phương pháp chế tạo màng mỏng quang học

1.4.1 Phương pháp bay hơi nhiệt trong chân không

Quá trình bay hơi thực hiện trong buồng chân không với áp suất khí khoảng 10-5 đến 10-6 Torr Vật liệu tạo màng được nung nóng (bằng dẫn nhiệt, bằng bức xạ nhiệt hoặc bằng bắn chùm tia điện tử năng lượng cao) tới nhiệt độ hoá hơi Hơi vật liệu bay lên sẽ lắng

đọng trên bề mặt của linh kiện quang đặt trong buồng chân không 1.4.2 Phương pháp phún xạ (Sputtering)

Bề mặt vật liệu tạo màng (được gọi là bia) được bắn phá bằng các ion khí trơ (argon, neon, ) hoặc các ion và nguyên tử khác Sự va chạm giữa các ion với bề mặt bia làm bật (phún xạ) nguyên tử vật liệu ra khỏi bề mặt, tạo thành chùm hơi vật liệu lắng đọng trên bề mặt chi tiết quang Phương pháp phún xạ có các cấu hình cụ thể sau: Phún xạ điện áp một chiều DC kiểu diode; Phún xạ cao tần (RF); Phún xạ Magnetron; Phún xạ chùm ion (IBS)

1.4.3 Lựa chọn phương pháp chế tạo màng mỏng

Phương pháp chế tạo màng mỏng được lựa chọn căn cứ vào: Khả năng nâng cao chiết suất của màng mỏng; Tốc độ lắng đọng màng; Vật liệu tạo màng; Khả năng hạn chế sự tăng nhiệt độ đế

Phương pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD) là giải pháp công nghệ được luận án này chọn nhờ phát huy ưu điểm của cả hai

nhãm ph−¬ng ph¸p bay h¬i nhiÖt vµ phón x¹ C¸c −u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p IAD lµ:

• Cã thÓ nhanh chãng c¶i t¹o thiÕt bÞ bay h¬i nhiÖt thµnh thiÕt bÞ c«ng nghÖ IAD víi viÖc tÝch hîp mét nguån ion thÝch hîp vµo trong buång ch©n kh«ng

• Cho phÐp chÕ t¹o mµng máng quang häc cã chiÕt suÊt t−¬ng

màng mỏng, hình thành do sự bắn phá bởi ion, sẽ được điền đầy một phần bởi các nguyên tử mới lắng đọng từ pha hơi Nếu số lượng ion bắn phá đủ lớn so với số nguyên tử lắng đọng thì cơ chế này sẽ khiến các nguyên tử vật liệu được xếp lèn chặt tới mức cấu trúc cột rỗng không thể phát triển được nữa

Hiệu quả của phương pháp IAD đối với việc tăng cường mật độ xếp chặt của màng mỏng phụ thuộc vào 2 yếu tố:

• Tỉ số giữa số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng

• Năng lượng của ion bắn phá

1.5.2 Thiết bị chế tạo màng mỏng bằng phương pháp IAD Trong buồng chân không với áp suất khí khoảng 10-4-10-5Torr, vật liệu tạo màng được bay hơi từ nguồn bốc hơi nhiệt điện trở hoặc nguồn bốc hơi chùm tia điện tử Màng mỏng sẽ được lắng đọng lên

đế bố trí ở phía trên của buồng chân không Một nguồn phát ion bố trí phía dưới sẽ hướng chùm ion bắn phá vào đế đồng thời với quá

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lí thiết bị tạo màng bằng

phương pháp IAD

trình hình thành màng mỏng trên đó Nguồn phát ion hoạt động nhờ

điện năng từ nguồn cấp điện ở bên ngoài Khí cấp cho đầu ion có thể

là khí trơ như Argon, Neon hay khí phản ứng như oxy, nitơ Lượng khí cấp cho nguồn phát ion được điều chỉnh bằng thiết bị điều khiển lưu lượng khí đặt ở bên ngoài Chiều dày màng mỏng được đo bằng cảm biến (đầuđo) ở gần vị trí đặt đế

Nguồn ion dùng cho quá trình IAD cần đáp ứng các yêu cầu sau:

• Không gây bẩn tới chi tiết quang

• Cho dòng ion lớn với năng lượng ion thấp

• Cho phân bố mật độ dòng ion bắn phá đồng đều trên một diện tích lớn

• Có thể hoạt động trong thời gian dài với khí argon, oxy, nitơ 1.5.3 Nguồn ion chùm tia rộng kiểu Kaufman

Nguồn ion Kaufman được sử dụng đầu tiên trong nghiên cứu công nghệ IAD Tuy nhiên hiện nay ít được sử dụng do nhược điểm: góc

mở chùm tia nhỏ, lưới gia tốc và lưới chắn bị mòn nhanh gây tốn kém trong vận hành

1.5.4 Nguồn ion hiệu ứng Hall

Là loại nguồn ion được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ IAD nhờ các ưu điểm: Góc mở rộng; Không sử dụng lưới gia tốc nên chi phí cho vận hành thấp; cho chùm ion có năng lượng thấp và mật

độ dòng ion lớn; Có thể hoạt động trong thời gian dài với các loại khí tích cực như oxy, nitơ và khí trơ

Các thương hiệu nổi tiếng với nguồn ion loại này là CC-105 của công ty Denton Vacuum Inc, và Mark II của công ty CVC Corp

Chương 2.Xây dựng thiết bị nghiên cứu phương pháp IAD

2.1 Thiết bị IAD thử nghiệm

Thiết bị thử nghiệm gồm các khối như trên hình 1.9 Việc lựa chọn các khối căn cứ vào phân tích thông số kĩ thuật và tính toán sự tương tác giữa các thành phần Các yêu cầu được tóm tắt như sau:

• Hệ thống chân không phải đảm bảo: áp suất tối thiểu 5.10-5Torr;

Có tốc độ bơm chân không phù hợp với lưu lượng khí cần thiết cấp cho nguồn ion; Kích thước buồng chân không phù hợp với công suất nguồn ion để đảm bảo mật độ dòng ion cần thiết trên mặt phẳng đế

• Sử dụng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử để có thể bay hơi các loại vật liệu khó nóng chảy với tốc độ bay hơi ổn định

• Thiết bị đo chiều dày màng mỏng kiểu thạch anh dao động cho phép đo chiều dày màng mỏng chính xác 1nm và khống chế ổn

định tốc độ lắng đọng màng tới 0.1A0/giây

• Thiết bị điều khiển lưu lượng khí cần phải điều khiển lượng khí cấp cho nguồn ion với độ chính xác tới 0,5 sccm(xăng ti mét khối khí tại điều kiện tiêu chuẩn trong một phút)

• Nguồn ion sử dụng loại hiệu ứng Hall (mục 1.5.4)

Các thiết bị đ được lựa chọn để xây dựng hệ IAD thử nghiệm bao gồm: Thiết bị chân không B55 và Nguồn bốc hơi chùm tia điện tử ESV6 của VTD Đức; Nguồn ion CC-105 của Denton Vacuum Inc, Mỹ; Thiết bị đo chiều dày màng mỏng XTC/2 của INFICON, Inc Mỹ; Thiết bị điều khiển lưu lượng khí FC-7700CD của Advanced Energy Inc, Mỹ

2.2 Xác lập tham số điều khiển nguồn ion CC-105

Trạng thái hoạt động của nguồn ion được quyết định bởi 3 yếu tố

điều khiển: nguồn điện Cathode, nguồn điện Anode, và lưu lượng khí cấp cho nguồn ion Trạng thái hoạt động của nguồn ion quyết định dạng phổ năng lượng và cường độ chùm ion phát ra bởi nguồn ion, và qua đó quyết định tính chất của các màng mỏng lắng đọng bằng quá trình IAD Trạng thái của nguồn ion CC-105 trong thiết bị IAD thử nghiệm đ được khảo sát thông qua đặc tuyến điện áp-dòng điện anode với các tổ hợp giá trị khác nhau của lưu lượng khí và dòng điện cathode (dòng điện sợi đốt) như sau:

• Kích thước hình học của sợi dây trung hoà nguồn ion CC-105: dây Wonfram đường kính 0,63mm, dài 25cm

• Tốc độ hút của hệ bơm chân không B-55: 3000lít/giây

• Nguồn ion CC-105 hoạt động với khí oxy

• Lưu lượng khí được điều chỉnh tăng dần theo các mức 5sccm, 10sccm, 15sccm, và 20sccm Tại mỗi mức lưu lượng khí, dòng

điện Cathode (sợi đốt trung hoà) được đặt ở các mức tăng dần 18A, 19A, 19,5A và 20A Tại mỗi mức dòng điện Cathode, dòng

điện Anode được điều khiển tăng dần Giá trị dòng điện và điện

áp Anode được ghi lại để xây dựng biểu đồ điện áp-dòng điện Các số liệu đo được sử dụng để xây dựng 2 họ biểu đồ: quan hệ

điện áp-dòng điện anode với các mức lưu lượng khí khác nhau(hình 2.10d), và quan hệ điện áp-dòng điện anode với các mức dòng điện sợi đốt khác nhau (hình 2.9c)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 120

140 160 180 200 220 240 260

Hình 2.9c Biểu đồ điện áp-dòng điện anode

với lưu lượng khí 15sccm

Hình 2.10d Biểu đồ điện áp-dòng điện anode

với dòng điện sợi đốt 20A

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 100

150 200 250 300

Căn cứ vào các biểu đồ rút ra những kết luận quan trọng sau:

• Khoảng giá trị thông số điều khiển nguồn ion: Lưu lượng khí 8ữ15sccm; Dòng điện sợi đốt cố định tại 20A; Dòng điện anode 0ữ2A

• Lưu lượng khí ảnh hưởng trực tiếp tới độ dốc của đường đặc tuyến điện áp-dòng điện, qua đó tác động đến điện áp anode khi duy trì dòng điện anode cố định Có thể sử dụng thông số lưu lượng khí để điều khiển năng lượng trung bình của chùm ion (năng lượng trung bình của chùm ion là 0,4ữ0,6 lần điện áp anode)

2.3 Khảo sát mật độ dòng ion

Tỉ lệ số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng là một trong hai tham

số có ảnh hưởng quyết định đến tính chất màng mỏng lắng đọng bằng quá trình IAD Tỉ lệ này phụ thuộc vào số ion bắn phá, hay mật

độ dòng ion-là giá trị dòng điện ion đo trên một đơn vị diện tích tại vị trí đặt đế Mật độ dòng ion jI (thường được đo bằng đơn vị àA/cm2)

có giá trị thay đổi theo vị trí tương đối của điểm khảo sát so với nguồn ion Phân bố không gian (hình 2.14a) giá trị mật độ dòng ion

Trong luận án này mật độ dòng ion được đo bằng đầu đo Faraday