Nghiên cứu quy trình mạ đồng trên đế pet ứng dụng trong chế tạo ang-ten sóng radio

GIỚI THIỆU Các công nghệ ngày nay luôn hướng tới sự đơn giản, tiện lợi và đặc trưng luôn được ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây (wireless). Thiết bị không dây càng ngày càng phát triển rộng rãi làm cho con người được giải phóng, tự do và thoải mái hơn. Công nghệ RFID ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện nay. Khi một thẻ RFID được gắn vào một sản phẩm sẽ phát ra các tín hiệu vô tuyến cho biết sản phẩm ấy đang nằm ở chỗ nào, trên xe đẩy vào kho, trong kho lạnh hay trên xe đẩy của khách hàng. Do thiết bị này được nối kết trong mạng vi tính của cửa hàng nên nhờ vậy các nhân viên bán hàng có thể biết rõ sản phẩm ấy được sản xuất khi nào, tại nhà máy nào, màu sắc và kích cỡ của sản phẩm, để bảo quản sản phẩm tốt hơn thì phải lưu trữ nó ở nhiệt độ nào hoặc gắn thẻ RFID lên những động vật hoang dã để biết hành tung của chúng trong những khu rừng rậm rạp. Thẻ RFID chứa các chip silicon và các ăng-ten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến. Với sự tiện lợi đó, các nước tiên tiến hiện nay đã và đang nghiên cứu những tính năng ưu việt của thẻ RFID. Hệ thống RFID không thể thiếu một bộ phận quan trọng, đó là ăng-ten trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, ăng-ten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước… nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng. Để chế tạo ăng-ten chúng tôi sẽ kim loại hóa chất dẻo (PET) để tiết kiệm được mộ t lượng kim loại đáng kể, giá thành của PET rẻ hơn nhiều lần so với sản phẩm kim loại. Ngoài ra việc mạ điện trên PET còn làm giảm trọng lượng của sản phẩm cũng như bền với môi trường ăn mòn. Quy trình để tạo ăng-ten gồm 3 quy trình chính: đó là phún xạ (tạo lớp mỏng đồng để làm điện cực cho quá trình mạ điện), quang khắc (sử dụ ng ánh sáng để biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo hình dạng của ăng-ten), và cuối cùng là mạ điện (tạo hình dạng ăng-ten dày 10µm). Đối với ăng-ten có độ dày 10µm cho độ dẫn điện tốt, không bong tróc khi chịu tác dụng của lực lớn và có thể hàn được với thẻ RFID. Chế tạo lớp đồng có bề dày 10µm trên đế PET bằng phương pháp phún xạ đòi hỏi thời gian rất lâu và rất tốn kém. Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu quy trình mạ đồng bằng phương pháp mạ điện để ứng dụng trong chế tạo ăng-ten RFID. Những thuận l ợi ban đầu của đề tài là: phương pháp mạ điện đã được nghiên cứu từ lâu, quy trình mạ điện đơn giản, các nguyên vật liệu cần thiết để mạ đồng có giá thành thấp. Vì thế sử dụng quy trình này để tạo lớp đồng dày 10µm vừa tiết kiệm lại ít tốn thời gian đồng thời có thể hướng đến sản xuất ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, quá trình mạ đ iện thông thường sẽ làm cho lớp đồng nhanh chóng bị oxi hóa sau khi lấy ra khỏi bể mạ, lớp đồng không đồng đều, không bóng như lớp đồng chế tạo bằng phương pháp phún xạ nên đòi hỏi phải nghiên cứu các chất phụ gia, các thông số và điều kiện mạ điện để tạo ra lớp đồng như mong muốn với độ bám dính tốt, bề dày đồng đều với đi ện trở thấp. Trước tiên đề tài nghiên cứu việc mạ đồng lên đế PET đã được phún xạ mà chưa có hình dạng ăng-ten, diện tích 10cmx10cm để khảo sát bề dày, điện trở và độ bám dính… Sau đó sẽ mạ đồng lên ăng-ten để so sánh và tìm ra điều kiện tốt nhất của quy trình mạ điện ứng dụng cho ăng-ten RFID. Ngoài phương pháp phún xạ - quang khắc – mạ điện mà đề tài nghiên cứu, phòng thí nghiệm Công nghệ Nano còn nghiên cứu một số quy trình khắc như in phun – mạ điện; in lụa – mạ điện; quang khắc – ăn mòn – mạ điện trong đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng: “Nghiên cứu chế tạo thẻ nhận dạng sử dụng Ăng-ten sóng Radio bằng công nghệ Nano” – chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trần Thuật.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ MAI ANH

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH MẠ ĐỒNG TRÊN ĐẾ PET ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĂNG-TEN SÓNG RADIO

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số chuyên ngành: 60 44 031

LUẬN VĂN THẠC SĨ:

VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Đặng Mậu Chiến

Tp Hồ Chí Minh, Năm 2012

Tôi cũng xin cảm ơn đến cha mẹ, bạn bè khóa cao học, đồng nghiệp, các anh chị em tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nano và các thầy cô trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo, động viên tinh thần và hỗ trợ vật chất trong suốt thời gian qua

Học viên cao học: Nguyễn Thị Mai Anh

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản Luận văn Tốt nghiệp Cao học này là công trình nghiên

cứu thực sự của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học và giúp đỡ của PGS.TS Đặng Mậu Chiến và ThS Trần Nhân Ái Các kết quả, số liệu trong đề tài là do chúng tôi thực

nghiệm thí nghiệm và đánh giákết quả tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) – ĐHQGTPHCM

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 04 năm 2012

Học viên cao học: Nguyễn Thị Mai Anh

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN 1  

LỜI CAM ĐOAN 2  

MỤC LỤC 3  

DANH MỤC BẢNG 6  

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7  

GIỚI THIỆU 10  

Chương 1: TỒNG QUAN 12  

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÚN XẠ 12 

1.1.1 Phún xạ là gì? 12 

1.1.2.Cơ chế phún xạ catốt 12 

1.1.3.1 Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge sputtering) 12 

1.1.3.2 Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering) 14 

1.1.3.3 Phún xạ magnetron 15 

1.2 TỔNG QUAN QUANG KHẮC 16 

1.2.1 Polymer cảm quang 16 

1.2.1.1 Giới thiệu 16 

1.2.1.2 Ứng dụng 17 

1.2.2 Quang khắc 17 

1.2.2.1 Khái niệm 17 

1.2.2.2 Nguyên lý hệ quang khắc 17 

1.2.3 Qui trình quang khắc 20 

1.3 TỔNG QUAN MẠ ĐIỆN 27 

1.3.1.Sự hình thành lớp mạ điện 27 

1.3.1.1 Khái niệm 27 

1.3.1.2 Điều kiện tạo thành lớp mạ 27 

1.3.2 Định luật Faraday 29 

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ 29 

1.3.2.1 Vật liệu nền và sự thoát hydro 29 

1.3.2.2 Ảnh hưởng của bản chất kim loại nền 30 

1.3.2.3 Ảnh hưởng của sự thoát hydro và quá thế catốt 31 

Trang 4

1.3.2.4 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ 32 

1.3.2.5 Mật độ dòng điện catốt 35 

1.3.2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ 36 

1.3.2.7 Điều kiện xuất hiện tinh thể 37 

Chương 2 THỰC NGHIỆM 38  

2.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO ĂNG-TEN 38 

2.1.1 Chuẩn bị đế 38 

2.1.2 Phún xạ tạo màng đồng 39 

2.1.3 Quá trình Lithography (quang khắc) 40 

2.1.3.1 Phủ Photoresist và sấy sơ bộ (Soft-Baking) 40 

2.1.3.2 Quá trình phơi sáng (exposure) 41 

2.1.3.2 Quá trình tráng rửa 43 

2.1.3.3 Quá trình ăn mòn 43 

2.1.4 Quá trình mạ điện 44 

2.2 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CHẾ TẠO ĂNG-TEN 50 

2.2.1 Khảo sát độ bám dính của mẫu 50 

2.2.2 Khảo sát hình thái bề mặt lớp màng: 51 

2.2.3 Khảo sát kích thước bằng kính hiển vi quang học GX51 53 

2.2.4 Khảo sát độ dày của màng bằng máy Dektak 6M Stylus Profiler (Veeco) 55 

2.2.5 Khảo sát điện trở bằng thiết bị đầu dò 4 điểm 57 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60  

3.1 ĐỘ BÁM DÍNH 60 

3.1.1 Độ bám dính của lớp màng đồng với đế PET 60 

3.1.2 Độ bám dính của ăng-ten với đế PET 62 

3.2 KHẢO SÁT BỀ MẶT MẪU: 62 

3.2.1 Bề mặt mẫu với nồng độ bể mạ khác nhau 62 

3.2.2 Bề mặt mẫu với nhiệt độ khác nhau 65 

3.3 KÍCH THƯỚC ĂNG-TEN 67 

Trang 5

3.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DÀY VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT 69 

3.4.1 Độ dày và điện trở suất của lớp màng đồng 69 

3.4.2 Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten 72 

3.4.3 Hiệu suất dòng điện 77 

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 80  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 803  

Trang 6

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1Một số vấn đề lưu ý trong quá trình mạ 48

Bảng 3.1Nồng độ các bể mạ 60 

Bảng 3.2Thông số bề mặt mẫu của mẫu lớn với các nồng độ bể mạ khác nhau62  Bảng 3.3Thông số độ gồ ghề bề mặt ăng-ten trong nồng độ bể mạ khác nhau 63  Bảng 3.4Thông số chế tạo của các mẫu mạ trong bể mạ (3) với nhiệt độ khácnhau 66 

Bảng 3.5Độ tăng bề dày và kích thước của ăng-ten 69 

Bảng 3.6Độ dày và điện trở suất với bể mạ khác nhau 70 

Bảng 3.7Thông số độ dày và điện trở suất của lớp màng đồng với các nhiệt độ

khác nhau 70 

Bảng 3.8Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten theo nồng độ bể mạ 73 

Bảng 3.9Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten với các nhiệt độ khác nhau trong bể mạ (2) 73 

Bảng 3.10Hiệu suất dòng điện của lớp đồng với nhiệt độ khác nhau 78 

Bảng 3.11Hiệu suất dòng điện đối với một số mẫu ăng-ten 79 

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1Mô hình phún xạ 12 

Hình 1.2Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (DC-sputter) 13 

Hình 1.3Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion 14 

Hình 1.4Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử bằng từ trường trong hệ phún xạ magnetron 15 

Hình 1.5Nguyên lý hệ quang khắc 18 

Hình 1.6Hình ảnh mặt nạ ăng-ten 18 

Hình 1.7Phương pháp liff – off và phương pháp ăn mòn 19 

Hình 1.8Mô hình phủ lớp Photoresist 21 

Hình 1.9Các cách chiếu để chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên nền 22 

Hình 1.10Đồ thị ứng với chất cảm quang âm và dương sau khi chiếu sáng và tráng rửa 23 

Hình 1.11Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bề dày của photoresist Fomandehit với thời gian tráng rửa với các chất kiềm khác nhau 24 

Hình 1.12Cấu tạo buồn RIE 26 

Hình 1.13Chi tiết mẫu trước và sau khi mạ điện 27 

Hình 1.14Sơ đồ mạ điện 28

Hình 2.1Quy trình phún xạ - quang khắc – ăn mòn – mạ điện 38 

Hình 2.2Lò nung 39 

Hình 2.3Thiết bị phún xạ Leybold Univex 350 và hình ảnh bên trong buồng phún xạ 40 

Hình 2.4Máy quay ly tâm Delta 6RC 41 

Hình 2.5Máy Mask Aligner MJB4 42 

Hình 2.6Bếp nung ATV Technology GMBH/HT 42 

Hình 2.7Mặt nạ ăn mòn sử dụng trong đề tài 43 

Hình 2.8Mẫu ăng-ten sau khi ăn mòn 44 

Trang 8

Hình 2.9Sơ đồ khối hệ mạ điện 45 

Hình 2.10Thiết bị mạ điện 49 

Hình 2.11Ăng-ten sau khi mạ 50 

Hình 2.12Lớp màng Đồng bám dính tốt và không tốt 51 

Hình 2.13Ăng-ten bám dính tốt và không tốt 51 

Hình 2.14SEM Jeol/JSM – 6480LV 52 

Hình 2.15Kính hiển vi lực nguyên tử AFM Nanotec Electronica S.L 52 

Hình 2.16Kính hiển vi quang học GX51 53 

Hình 2.17Vị trí khảo sát kích thước của Ăng-ten 54 

Hình 2.18Ảnh chụp vị trí Ăng-ten bằng kính hiển vi quang học GX 51 54 

Hình 2.19Đồ thị đo bề dày của mẫu bằng thiết bị Dektak 6M Stylus Profiler 55 

Hình 2.20Thiết bị Dektak 6M 56 

Hình 2.21Sơ đồ mạch điện đo điện trở bằng phương pháp đầu dò 58 

Hình 2.22Thiết bị đầu dò 4 điểm 58

Hình 3.1Khả năng bám dính khi thay đổi nồng độ bể mạ 61 

Hình 3.2Đồ thị về sự bám dính của các mẫu lớn khi thay đổi nhiệt độ ứng với bể mạ (3) 61 

Hình 3.3Ảnh AFM bề mặt mẫu mạ trong các bể (3) và (5); diện tích quét 5x5µm 63 

Hình 3.4Thông số độ gồ ghề bề mặt ăng-ten trong nồng độ bể mạ khác nhau 64  Hình 3.5Ảnh SEM bề mặt mẫu ứng với bể mạ khác nhau 65 

Hình 3.6Ảnh SEM bề mặt mẫu ứng với nhiệt độ khác nhau 66 

Hình 3.7Kích thước ăng-ten trước khi mạ và sau khi mạ 67 

Hình 3.8Đồ thị độ tăng kích thước của chi tiết sau khi mạ theo nồng độ chất phụ gia pha tạp của các bể mạ 67 

Hình 3.9Đồ thị độ tăng kích thước của chi tiết sau khi mạ theo mật độ dòng 68 

Hình 3.10Đồ thị bề dày trung bình theo phương đứng của mẫu theo giai nhiệt độ khác nhau 71 

Trang 10

GIỚI THIỆU

Các công nghệ ngày nay luôn hướng tới sự đơn giản, tiện lợi và đặc trưng luôn được ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây (wireless) Thiết bị không dây càng ngày càng phát triển rộng rãi làm cho con người được giải phóng, tự

do và thoải mái hơn Công nghệ RFID ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện nay

Khi một thẻ RFID được gắn vào một sản phẩm sẽ phát ra các tín hiệu vô tuyến cho biết sản phẩm ấy đang nằm ở chỗ nào, trên xe đẩy vào kho, trong kho lạnh hay trên xe đẩy của khách hàng Do thiết bị này được nối kết trong mạng vi tính của cửa hàng nên nhờ vậy các nhân viên bán hàng có thể biết rõ sản phẩm

ấy được sản xuất khi nào, tại nhà máy nào, màu sắc và kích cỡ của sản phẩm, để bảo quản sản phẩm tốt hơn thì phải lưu trữ nó ở nhiệt độ nào hoặc gắn thẻ RFID lên những động vật hoang dã để biết hành tung của chúng trong những khu rừng rậm rạp Thẻ RFID chứa các chip silicon và các ăng-ten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến

Với sự tiện lợi đó, các nước tiên tiến hiện nay đã và đang nghiên cứu những tính năng ưu việt của thẻ RFID Hệ thống RFID không thể thiếu một bộ phận quan trọng, đó là ăng-ten trong các thiết bị thu phát, truyền tin Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, ăng-ten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước… nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng Để chế tạo ăng-ten chúng tôi sẽ kim loại hóa chất dẻo (PET) để tiết kiệm được một lượng kim loại đáng kể, giá thành của PET rẻ hơn nhiều lần so với sản phẩm kim loại Ngoài ra việc mạ điện trên PET còn làm giảm trọng lượng của sản phẩm cũng như bền với môi trường ăn mòn Quy trình để tạo ăng-ten gồm 3 quy trình chính: đó là phún xạ (tạo lớp mỏng đồng để làm điện cực cho quá trình mạ điện), quang khắc (sử dụng ánh sáng để biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo hình dạng của ăng-ten), và cuối cùng là mạ điện (tạo hình dạng ăng-ten dày 10µm) Đối với ăng-ten có độ

Trang 11

dày 10µm cho độ dẫn điện tốt, không bong tróc khi chịu tác dụng của lực lớn và

có thể hàn được với thẻ RFID

Chế tạo lớp đồng có bề dày 10µm trên đế PET bằng phương pháp phún xạ đòi hỏi thời gian rất lâu và rất tốn kém Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu quy trình mạ đồng bằng phương pháp mạ điện để ứng dụng trong chế tạo ăng-ten RFID Những thuận lợi ban đầu của đề tài là: phương pháp mạ điện đã được nghiên cứu từ lâu, quy trình mạ điện đơn giản, các nguyên vật liệu cần thiết để

mạ đồng có giá thành thấp Vì thế sử dụng quy trình này để tạo lớp đồng dày 10µm vừa tiết kiệm lại ít tốn thời gian đồng thời có thể hướng đến sản xuất ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên, quá trình mạ điện thông thường sẽ làm cho lớp đồng nhanh chóng bị oxi hóa sau khi lấy ra khỏi bể mạ, lớp đồng không đồng đều, không bóng như lớp đồng chế tạo bằng phương pháp phún xạ nên đòi hỏi phải nghiên cứu các chất phụ gia, các thông số và điều kiện mạ điện để tạo ra lớp đồng như mong muốn với độ bám dính tốt, bề dày đồng đều với điện trở thấp

Trước tiên đề tài nghiên cứu việc mạ đồng lên đế PET đã được phún xạ mà chưa có hình dạng ăng-ten, diện tích 10cmx10cm để khảo sát bề dày, điện trở và

độ bám dính… Sau đó sẽ mạ đồng lên ăng-ten để so sánh và tìm ra điều kiện tốt nhất của quy trình mạ điện ứng dụng cho ăng-ten RFID

Ngoài phương pháp phún xạ - quang khắc – mạ điện mà đề tài nghiên cứu, phòng thí nghiệm Công nghệ Nano còn nghiên cứu một số quy trình khắc như in phun – mạ điện; in lụa – mạ điện; quang khắc – ăn mòn – mạ điện trong đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng: “Nghiên cứu chế tạo thẻ nhận dạng sử dụng Ăng-ten sóng Radio bằng công nghệ Nano” – chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trần Thuật

Trang 12

Chương 1: TỒNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÚN XẠ 1.1.1 Phún xạ là gì?

Phún xạ (Sputtering) hay phún xạ catốt (Cathode Sputtering) là quá trình

bức nguyên tử hay phân tử của chất catốt dưới sự bắn phá của ion dương [1]

Hình 1 1Mô hình phún xạ 1.1.2.Cơ chế phún xạ catốt:[1]

- Phún xạ cơ học: Ion khi va chạm với nguyên tử catốt có thể trao một phần xung lượng của mình Nguyên tử catốt có thể bức khỏi mạng tinh thể nếu đại lượng và hướng của xung lượng nhận được thỏa mãn điều kiện cần thiết Phún xạ cơ học thường xảy ra đối với kim loại khó nóng chảy

- Phún xạ nhiệt: Nguyên tử catốt có thể bốc bay do sự đốt nóng định xứ vật chất catốt của ion đến nhiệt độ bay hơi của nó Phún xạ nhiệt thường xảy ra với kim loại

có nhiệt độ bay hơi thấp

1.1.3 Các loại phún xạ:

1.1.3.1 Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge sputtering): [2]

Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc cho các ion khí hiếm Bia vật liệu được đặt trên điện cực âm (catốt) trong buồng chân không được hút chân không cao, tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ 10 đến vài trăm centimet vuông sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là

đế mẫu (điện cực dương)

Điện tử thứ cấp phát xạ từ catốt được gia tốc trong điện trường cao áp, chúng ion hóa các nguyên tử khí, do đó tạo ra lớp plasma (đó là trạng thái trung hòa điện tích của vật chất mà trong đó phần lớn là các ion dương và điện tử) Các ion khí Ar+ bị hút về catốt, bắn phá lên vật liệu làm bật các nguyên tử ra khỏi bề mặt catốt Quá trình này là quá trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang do ion hóa) Vì dòng điện là dòng điện một chiều nên các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòng điện, do đó kỹ thuật này thường chỉ dùng cho các bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim )

Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ trong trường hợp này là rất thấp Ngày nay phương pháp phún xạ cao áp một chiều mà không sử dụng magnetron hầu như không được sử dụng trong công nghệ chế tạo màng

Hình 1 2Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (DC-sputter)

Trang 14

1.1.3.2 Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering):[2]

Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho ion khí hiếm Nó vẫn có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56MHz) Điện áp đặt trên điện cực của hệ chân không là nguồn xoay chiều tần số từ 0,1MHz trở lên, biên độ trong khoảng 0,5 đến 1kV Mật độ dòng ion tổng hợp tới bia trong khoảng 1mA/cm2, trong khi biên độ của dòng cao tần tổng hợp cao hơn rất nhiều (có khi lớn gấp một bậc hoặc hơn nữa) Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho các bia vật liệu không dẫn điện Máy phát cao tần sẽ tạo ra các hiệu điện thế xoay chiều dạng xung vuông Vì hệ sử dụng dòng điện xoay chiều nên phải đi qua một bộ phối hợp trở kháng và hệ tụ điện có tác dụng tăng công suất phóng điện và bảo vệ máy phát Quá trình phún xạ có hơi khác so với phún xạ một chiều ở chỗ bia vừa bị bắn phá bởi các ion có năng lượng cao ở nửa chu kỳ âm của hiệu điện thế và bị bắn phá bởi các điện tử ở nửa chu kỳ dương

Phún xạ cao tần có nhiều ưu điểm hơn so với phún xạ cao áp một chiều, thí

dụ điện áp thấp, phún xạ trong áp suất khí thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn hơn và đặc biệt phún xạ được tất cả các loại vật liệu từ kim loại đến oxit hay chất cách điện Plasma trong phún xạ cao tần được hình thành và duy trì nhờ nguồn cao tần, cũng giống như quá trình ion hóa xảy ra trong phún xạ cao áp Tuy nhiên, ngày nay phún

xạ cao tần riêng biệt cũng không còn được sử dụng bởi hiệu suất phún xạ vẫn còn chưa cao Người ta sử dụng magnetron để khắc phục nhược điểm này [2]

Hình 1 3Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion

Trang 15

1.1.3.3 Phún xạ magnetron: [5]

Phương pháp phún xạ magnetron là phương pháp phún xạ có sự tham gia và kết hợp của từ trường và điện trường Chúng ta biết rằng, trong phóng điện khí thường chỉ vài phần trăm các hạt khí bị ion hoá, nhưng phún xạ magnetron đạt được hiệu suất cao do hạn chế được sự mất mát điện tử thứ cấp bằng cách đặt một từ trường trực giao với điện trường và thích hợp với bề mặt bia để tạo bẫy điện tử Bẫy

có dạng để dòng cuốn điện tử x tự khép kín mình đạt được dòng cao, vận tốc

ρ = rtrong đó: m: khối lượng của điện tử,

v: thành phần vuông góc của tốc độ điện tử đối với đường sức, B: cảm ứng từ

Nhìn chung, trong các hệ phún xạ thực, bán kính quỹ đạo có giá trị nhỏ, chỉ khoảng một đến vài milimét Vì vậy, sự giam hãm điện tử gần bề mặt bia là rất hiệu quả Các điện tử chuyển động quanh đường sức cho đến khi chúng bị tán xạ bởi nguyên tử Trên thực tế, magnetron còn tồn tại một khoảng thời gian ngắn sau khi

IR Quá trình đóng rắn cũng xảy ra bằng các chuỗi hạt electron, tia X, plasma, sóng siêu âm [4] [17]

Photoresist:

Là một hợp chất hữu cơ có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo Cảm quang thường được phủ lên bề mặt mẫu bằng kĩ thuật quay phủ (spin – coating)

Polymer cảm quang nói chung và photoresist nói riêng gồm có 2 loại: loại tạo ảnh DƯƠNG và loại tạo ảnh ÂM

Loại tạo ảnh DƯƠNG là hệ gồm các polymer có khối lượng phân tử lớn, dưới tác dụng của các bức xạ sẽ chuyển sang các polymer hoặc các monomer có khối lượng phân tử thấp hơn, khi bị chiếu sáng tia tử ngoại sẽ bị hóa keo và lớp keo này

1.2.1.2 Ứng dụng:

Dùng rộng rãi trong kỹ thuật quang khắc (photolithography) để chế tạo vi mạch điện tử, làm lớp màng cảm quang cho những vi hệ thống có kích thước micro MEMS và nano NEMS,…

1.2.2 Quang khắc:

1.2.2.1 Khái niệm:

Quang khắc hay photolithography là kĩ thuật công nghệ tạo các chi tiết trên

bề mặt mẫu, có kích thước và hình dạng giống như thiết kế bằng cách sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt mẫu Quang khắc là một công cụ phổ biến trong công nghệ nanô để tạo các chi tiết, các linh kiện có kích thước nhỏ với độ chính xác cực cao [6]

1.2.2.2 Nguyên lý hệ quang khắc:

Chùm tia tử ngoại được khuếch đại rồi chiếu qua mặt nạ rồi đến mẫu đã được phủ chất cảm quang, sau đó chùm sáng hội tụ tạo hình ảnh chi tiết cần tạo trên mẫu

Hình 1 6Hình ảnh mặt nạ ăng-ten

Cr

bị hòa tan

* Phương pháp ăn mòn: vật liệu được phủ lên đế trước khi phủ lớp cảm quang, sau đó tiến hành quy trình quang khắc, hình dạng chi tiết sẽ được in trên lớp cảm quang phủ trên vật liệu, cuối cùng là giai đoạn ăn mòn lớp vật liệu không mong muốn và loại bỏ lớp cảm quang còn lại

Hình 1 7Phương pháp liff – off và phương pháp ăn mòn

Mục đích: làm tăng khả năng kết dính giữa wafer và photoresist

Primer thường sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane)

(softbake)

Chuyển hình ảnh

từ mặt nạ lên photoresist(exposure)

Rửa, tạo hình ảnh(develop)

Làm cứng

photoresist

(hardbake)

Trang 21

B Phủ photoresist - Coating (Spin Casting):

Ở giai đoạn này nền được quay trên spinner trong môi trường chân không Các thông số kiểm soát trong giai đoạn này:

ω

=với k: hằng số của thiết bị quay spinner (80-100)

p: hàm lượng chất rắn trong resist (%)

ω: tốc độ quay của spinner (vòng/1000)

Hình 1 8Mô hình phủ lớp Photoresist

Yêu cầu của lớp Photoresist sau khi phủ quay phải có độ phân giải cao, có khả năng chống lại sự ăn mòn cao, độ bám dính tốt, chịu được các điều kiện của quy trình quang khắc như nhiệt độ, quá trình phủ, quay ly tâm…

C Sấy sơ bộ Pre-Baking (Soft-Baking):

Mục đích: làm bay hơi dung môi có trong photoresist Trong quá trình sấy độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%

Phương pháp thực hiện:

* Dùng lò đối lưu nhiệt

Trong giai đoạn này, hệ sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên nền, mặt

nạ được đặt giữa hệ thấu kính và nền

Có 3 phương pháp chiếu dựa vào vị trí đặt mặt nạ:

Trang 23

E Tráng rửa (development):

Dùng hóa chất tách các photoresist chưa đóng rắn

Đối với photoresist âm:

- chất rửa: xylen

- chất súc lại: n-butylacetate

Đối với photoresist dương:

- chất rửa: (NaOH, KOH), (CH3)4NOH (TMAH)

Trang 24

Ở năng lượng chiếu sáng thấp, chất cảm quang âm bị hòa tan hoàn toàn trong dung dịch tráng rửa Khi tăng năng lượng chiếu sáng qua ngưỡng Et thì chất cảm quang âm vẫn còn trên mẫu Ngược lại đối với chất cảm quang dương vẫn có thể hòa tan trong dung dịch tráng rửa ngay khi năng lượng bằng không Sự hòa tan tăng dần đến khi hòa tan hoàn toàn Đồ thị này phụ thuộc vào các yếu tố: bề dày lớp cảm quang ban đầu khi chưa chiếu, điều kiện sấy

sơ bộ, dung dịch tráng rửa, thời gian tráng rửa…

Hình 1 11Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bề dày của photoresist Fomandehit với thời

gian tráng rửa với các chất kiềm khác nhau [8]

F Sấy khô Post-Baking (Hard-Baking):

Mục đích: làm cho photoresist cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung môi

ra khỏi resist, làm tăng độ ổn định nhiệt của hình ảnh chi tiết trên bề mặt Quá trình này cần thiết khi sử dụng phương pháp ăn mòn

G Ăn mòn (Etching):

Có hai loại ăn mòn:

- Ăn mòn ướt : sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải > 3µm

- Ăn mòn khô : sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải < 3µm

Trang 25

¾ Ăn mòn ướt:

Là phương pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất để hòa tan các resist chưa đóng rắn Phương pháp này được sử dụng nhiều nhất trong việc sản xuất màn hình TFT LCD, và công suất tạo ra lớn hơn phương pháp ăn mòn khô

Một số hóa chất thông dụng được sử dụng:

- Bufered Hydroflouric Acid (BHF) cho SiO2

- Potassium Hydroxide (KOH) cho Silicon

- Axit Photphoric (H2SO4) cho nhôm (Al)

- Axit Photphoric (1800C) cho Si3N4

Một số nhược điểm của ăn mòn ướt:

- Giới hạn kích thước (khoảng 3.10-6m)

- Đẳng hướng: không định hướng được cho quá trình ăn mòn

- Phải thực hiện rửa và sấy khô sau khi tiến hành

- Nguy hiểm, độc hại, nhiều tạp chất

¾ Ăn mòn khô:

Có thể chia thành các loại sau:

- Plasma: ăn mòn theo công nghệ plasma sử dụng khí để ăn mòn và năng lượng plasma tạo nên phản ứng hóa học

- Ion – milling: sử dụng chùm ion để bắn phá bề mặt mẫu

- Dùng ion hoạt hóa (RIE): (kết hợp 2 loại trên) có 1 dòng khí được đưa vào buồng từ phía trên và được hút ra dưới đáy bằng bơm Khí sử dụng tùy thuộc vào tính chất của photoresist

Ưu điểm của ăn mòn khô:

- Thích hợp cho các linh kiện có kích thước nhỏ

- Ăn mòn có tính định hướng

- Các mẫu được ăn mòn khô mà không cần các chất hóa học ẩm ướt

- Các mẫu đưa vào và lấy ra khỏi hệ thống ở trạng thái khô

Ưu điểm: tách photoresist nhanh

Nhược điểm: giá thành hóa chất cao, tác động đến môi trường

* Phương pháp khô (dùng khí):

Phương pháp này không độc hại do sử dụng khí oxy plasma để oxy hóa hoàn toàn photoresist nên còn được gọi là tro hóa photoresist Lượng khí tạo thành sẽ được tách bằng bơm chân không

CxHy (resist) + O2 → CO + CO2 + H2O Phương pháp tốt nhất là sử dụng hơi isopropyl alcohol có độ tinh khiết trên 70% được gia nhiệt từ 80-100oC Khi đó tách photoresit được tách ra và tạo bề mặt sạch

Hình 1 13Chi tiết mẫu trước và sau khi mạ điện

Mạ điện được dùng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang sức, chống mòn, tăng cứng, phản quang, dẫn điện,

dễ hàn, dẫn nhiệt Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc composit Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composit của kim loại- chất dẻo hoặc kim loại - gốm Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ, vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ, có sẵn còn vật liệu mạ đắt, quí hiếm hơn nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài

Tuy nhiên chỉ những công nghệ nào ổn định trong một thời gian dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được ứng dụng vào trong sản xuất.[3]

1.3.1.2 Điều kiện tạo thành lớp mạ: [13]

Mạ điện là quá trình điện phân Quá trình điện cực tổng quát là:

- Trên Anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại Anốt :

Trang 28

M – ne →Mn+

- Trên Katốt, cation giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ:

Mn+ + ne → M Nếu khống chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệu suất của hai phản ứng trên bằng nhau thì nồng độ ion Mn+ trong dung dịch sẽ luôn luôn không thay đổi (điều này ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ) Một số trường hợp phải dùng Anốt trơ (không tan), khi đó dung dịch sẽ đóng vai trò chất nhường điện tử vì vậy ion kim loại phải được định kỳ bổ sung dưới dạng muối vào dung dịch, lúc đó phản ứng chính trên Anốt chỉ là quá trình giải phóng ôxi.[3]

Thực ra quá trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau Ví dụ quá trình Catốt gồm các bước sau:

- Cation Mn+ mH2O di chuyển từ dung dịch vào trong bề mặt Catốt

- Cation mất vỏ hydrat (mH2O) tiếp xúc trực tiếp với bề mặt (quá trình hấp phụ)

- Điện tử từ Catốt điền vào vành điện tử hoá trị của cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hoà ở dạng hấp phụ

Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó Mầm phát triển thành tinh thể Từ đó các tinh thể kết hợp thành lớp mạ

Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong bộ mạ điện (hình vẽ 1- 14)

Hình 1 14Sơ đồ mạ điện

Trang 29

1.3.2 Định luật Faraday: [3]

Định luật Faraday thứ nhất: Khi cho dòng điện một chiều qua dung dịch chất điện

ly, khối lượng các chất thoát ra ở anốt hay catốt tỷ lệ với điện lượng đi qua dung dịch, tức tỷ lệ với cường độ dòng điện I và thời gian t:

m= K I t trong đó: m: khối lượng chất thoát ra trên một điện cực (g)

K: đương lượng điện hóa (g/Ah) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian điện phân (h)

Định luật Faraday thứ hai: Những lượng điện như nhau khi điện phân sẽ làm thoát

ra những lượng tương đương các chất khác nhau

Trong quá trình điện phân, lượng chất thoát ra ở điện cực thường nhỏ hơn lượng chất tính theo định luật Faraday, nguyên nhân của sự sai lệch là do ngoài phản ứng chính luôn có kèm theo các phản ứng phụ như sự thoát H2 ở catốt và O2 ở anốt

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ:[3] [9] [14]

1.3.2.1 Vật liệu nền và sự thoát hydro:

Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và độ nhẵn: + Độ sạch của nền đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạng tinh thể kim loại nền, đạt được độ gắn bám cao nhất

+ Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ Nếu

bề mặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽ không đều, chỗ lõm, rãnh sâu Nếu điện thế và mật độ dòng điện cục bộ bé thì tốc độ mạ chậm hoặc không mạ được, chỗ lồi cao, chỗ đỉnh nhọn Nếu điện thế và mật độ dòng điện cao thì tốc độ đó lại rất lớn, thậm chí sinh ra gai, cháy kết quả là độ nhám của nền đã khuếch đại lên sau khi mạ Có thể dùng chất san bằng để khắc phục hiện tượng trên nếu bề mặt nền không quá nhám

Trang 30

1.3.2.2 Ảnh hưởng của bản chất kim loại nền:

Thông thường thì kim loại nền và kim loại mạ có điện thế khác nhau:

- Nếu kim loại nền dương hơn kim loại mạ thì khi bị ăn mòn lớp mạ đóng vai trò anốt trong phản ứng ăn mòn và bị hoà tan còn kim loại nền được bảo vệ cho tới khi nào lớp mạ chưa tan hết Vì vậy tác dụng và khả năng bảo vệ của lớp mạ này phụ thuộc vào chiều dày của nó, độ kín chỉ là thứ yếu Quá trình điện kết tủa của lớp mạ này không đòi hỏi thêm điều kiện gì đặc biệt Ví dụ

mạ kẽm lên sắt thép từ dung dịch sunfat

- Nếu kim loại nền âm hơn kim loại mạ thì tác dụng và khả năng bảo vệ của lớp mạ phụ thuộc chủ yếu vào độ kín của nó, độ dày chỉ là thứ yếu Vì nếu có

lỗ thủng thì pin ăn mòn sẽ xuất hiện, trong khi đó kim loại nền sẽ đóng vai trò Anốt bị hoà tan Lớp mạ khi đó tuy vẫn sáng đẹp nhưng sẽ dễ dàng bong từng mảng lớn do nền đã bị gỉ ở dưới lớp mạ

- Quá trình điện kết tủa các lớp mạ catốt này cũng rất phức tạp Ví dụ đồng lên sắt, thép, kẽm Khi đưa kim loại nền vào bể mạ, chưa cho dòng điện qua thì

đã có lớp kim loại mạ trên bề mặt nền, chính các tinh thể đầu tiên của kim loại mạ đã lần lượt xuất hiện vô vàn các vi pin ngắn mạch với mật độ dòng tổng rất lớn Kết quả là lớp mạ rất tơi xốp, đồng thời nền Anốt bị ăn mòn rất nhanh, mạnh làm cho sự liên kết giữa chúng không tốt, dễ bị bong ra

• Để khắc phục phải áp dụng một trong các biện pháp sau đây:

- Dùng dung dịch phức để ion kim loại mạnh có điện thế phóng điện gần bằng hoặc âm hơn điện thế cân bằng của nền trong dung dịch ấy Ví dụ mạ Cu lên

Fe thường dùng dung dịch xianua đã dịch chuyển điện thế phóng điện của Cu

về phía âm (= 0,9 - 1,2V) so với dung dịch sunfat

- Mạ lót một lớp kim loại có điện thế trung gian giữa nền và lớp mạ catốt Ví dụ: Niken (-0,23V) lên nền sắt thép (-0,44V) rồi mạ đồng từ dung dịch sunfat (+0,34V) chồng lên

- Thụ động nền bằng các phương pháp đặc biệt để cho điện thế của nó dương lên rồi mới mạ lớp mạ catốt lên Ví dụ mạ Cu từ dung dịch sunfat trực tiếp

sử dụng nó như một lớp mạ lót Ví dụ: nền Al (-1,67 V) khi nhúng vào dung dịch zincat do kết quả của phản ứng này sẽ sinh ra lớp Zn (-0,76 V) Sau đó

có thể mạ tiếp Ni, Cu, Cr hoặcnền kẽm đúc, có nhiều lỗ sâu nên thường được mạ lót đồng nhỏ, sau đó mạ tiếp các lớp khác lên

1.3.2.3 Ảnh hưởng của sự thoát hydro và quá thế catốt:

Mạ điện thường thực hiện trong môi trường nước nên phản ứng phụ catốt hay gặp nhất là H + phóng điện tạo ra sự thoát Hydro trên catốt, điều này sẽ gây ra nhiều tác hại:

- Giảm hiệu suất dòng điện: tiêu phí điện năng vào quá trình phụ thoát hydro

vô ích, do đó tốc độ mạ giảm đi

- Thay đổi pH của dung dịch: tạo ra các hydroxit hoặc muối kiềm khó tan Các chất không tan này lẫn vào lớp mạ gây ra gai, xùi Để khắc phục hiện tượng này phải điện phân ở nhiệt độ cao hơn, khuấy mạnh dung dịch, tăng nồng độ ion kim loại và ion H +

- Dòn hydro: làm cho lớp mạ dễ bong hoặc phồng rộp Để khắc phục phải ủ nhiệt sau khi mạ hoặc tẩy hoặc mạ trong dung dịch nóng và khuấy mạnh

- Rỗ: làm giảm vẻ đẹp và độ bền ăn mòn lớp mạ Để chống rỗ cho lớp mạ phải giải thoát bọt hydro nhanh nhất có thể được bằng cách làm cho bề mặt catốt luôn thấm ướt thông qua các phương pháp như tăng phân cực catốt (dùng dòng một chiều lớn), dùng chất thấm ướt bề mặt, khuấy mạnh và đun nóng dung dịch mạ

Trang 32

1.3.2.4 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ:

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặt hàng mạ ) và chất lượng mạ cho nên phải dùng các loại hoá chất do các hãng chuyên sản xuất và cung cấp vật tư riêng cho ngành mạ mới đảm bảo các chức năng yêu cầu trên Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại

mạ, chất điện ly (dẫn điện) và các loại phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn Dưới đây ta sẽ xét vai trò của từng cấu tử ấy:

1.3.2.4.1 Ion kim loại:

Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion đơn hydrat hoá hoặc ion phức nhưng nói chung đều có nồng độ lớn, cỡ 1 → 3 mol/l Lý do là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn Dgh tạo điều kiện nâng cao hơn giải mật độ dòng điện thích hợp Dccho lớp mạ tốt Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản, còn dung dịch phức dùng cho trường hợp cần có khả năng phân

bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp

1.3.2.4.2 Chất điện ly:

Nhiều chất điện ly đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng độ dẫn điện cho chúng Các chất này cũng có thể kiêm luôn vai trò chất đệm, khống chế pH luôn ổn định cho dù hydro hay oxi thoát ra có làm thay đổi độ axit ở sát các điện cực đi nữa

Vì nếu pH lớn quá thì hydroxit kim loại sẽ kết tủa, lẫn vào lớp mạ Điều này đặc biệt khó khăn cho các trường hợp mạ các kim loại có tính xúc tác thoát hydro và dễ

bị thủy phân (như Ni) Điều đó giải thích tại sao trong dung dịch mạ kền có chứa axit boric Khi dung dịch có pH ≥ 2 thì hầu như hydro rất khó thoát ra nên hiện tượng giòn hydro hoặc sinh ra các hydrat sẽ giảm đi rất nhiều

Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dung dịch nước của muối đơn hay muối phức Dung dịch muối đơn còn gọi là dung dịchaxit Cấu tử chính của dung dịch này là muối của các axitvô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly hoàn toàn trong dung dịch thành các ion tự do Ở dung dịch này, phân cực nồng độ và phân cựchóa học không lớn lắm nên lớp mạ thu được thô, to, dày mỏng không đều Mặt

Trang 33

khác dung dịch muối đơn cho hiệu suấtdòng điện cao, và càng cao khi mật độ dòng lớn Thường được dùng để mạ những chi tiết có hình thù đơn giản như dạng tấm, dạng hộp…

1.3.2.4.3 Chất tạo phức:

Dùng phức chất để làm cho điện thế kết tủa trở nên âm hơn nhằm tránh hiện tượng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa catốt và ion kim loại mạ như trường hợp mạ đồng lên sắt thép:

Cu 2+ + Fe Cu + Fe2+

Phản ứng hoá học này cho lớp mạ Cu rất xấu, vừa xốp vừa dễ bong Nếu cho chất tạo phức vào để làm cho điện thế oxi hoá - khử của đồng trở nên âm hơn của sắt thì khả năng nhiệt động xảy ra phản ứng trên không còn nữa Chất tạo phức thông dụng nhất trong công nghệ mạ điện là các ion xianua, hydroxit và sunfamat Chất tạo phức cũng có vai trò làm hoà tan anốt vì chúng ngăn cản sự thụ động anốt Dung dịch muối phức được tạo thành khi pha chế dung dịch từ các cấu tử ban đầu, ion kim loại mạ sẽ tạo phức với các ligan thành ion phức Hoạt độ của ion kim loại

tự do giảm đi rất nhiều Do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm rất nhiều Điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, dày đều… được dùng để mạ các chi tiết có hình thù phức tạp…

1.3.2.4.4 Phụ gia hữu cơ:

Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch, thường pha thêm các chất điện giải trơ Các chất này không tham gia vào quá trình catốt và anốt mà chỉ đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ Các chất dẫn điện thường dùng là

Na2SO4, H2SO4, Na2CO3… Để ổn định pH cho dung dịch mạ, cần phải thêm vào dung dịch chất đệm pH thích hợp để tạo môi trường thích hợp nhất cho phản ứng điện kết tủa xảy ra Các chất hoạt động bề mặt bao gồm các chất bóng loại I, loại II, các chất thấm ướt, chất chống thụ độnganốt thường là những hợp chất hữu cơ, có tác dụng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha, tham gia vào một số quá trình mong muốn, làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn

Trang 34

Nhiều loại chất hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa catốt Lựa chọn chất nào và sử dụng ra sao phần lớn là dựa vào thực nghiệm Các chất hữu cơ thường dùng có khả năng hấp phụ lên bề mặt catốt và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại trong kết tủa, đặc biệt là khi mạ các kim loại có năng lượng bề mặt lớn (điểm nóng chảy cao) Nhiều chất cũng làm tăng quá thế điện kết tủa, điều này có thể là do cần phải chuyển điện tử qua lớp hấp thụ hoặc do sự hình thành phức chất trên bề mặt điện cực

Một phụ gia tuy có thể ảnh hưởng đến nhiều tính chất của lớp mạ, nhưng dung dịch vẫn dùng đồng thời nhiều phụ gia và cần đến tác dụng tổng hợp của chúng Các phụ gia này thường được phân loại như sau:

- Chất bóng: Chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn (vài gam/l) và có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn và

có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm, ví dụ: Đối với mạ kền từ dung dịch axit chứa sunfat và clorua dùng hai loại chất bóng:

+ Các sunfomic hay sunfonat của vòng thơm cho lớp mạ sáng bóng (nhưng chưa đạt yêu cầu) và làm giảm ứng suất nội

+ Các chất có chứa nhóm liên kết đơn - C = N - N = C = S hay - C = O trong phân tử (như tionre, cumarin ) cho lớp mạ bóng loáng nhưng lại làm tăng ứng suất nội và độ giòn cho kim loại Vì vậy chúng thường được dùng chung với nhau Các sunfonat của các vòng thơm cũng được dùng làm chất bóng cho mạ thiếc và mạ đồng

- Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng (vĩ mô) Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở đó xuống Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ

có tốc độ khuếch tán lớn các phụ gia đến đó Các phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử Trong thực tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng

1.3.2.5 Mật độ dòng điện catốt:

Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực

Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mạ Nếu mật độ dòng điện rất thấp, tốc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng điện cực sẽ nhỏ, các nguyên tử mới hình thành có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể, vì vậy mạng lưới và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi

Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện tăng nhanh, các nguyên tử kim loại sinh ra ở anốt, không kịp gia nhập các vị trí cân bằng trong mạng tinh thể Mặt khác do quá thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra Do vậy mà tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có nhiều lớp, nhiều gợn sóng, và nhiều khối đá tinh Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tốc

độ phóng điện quá nhanh, làm cho ion kim loại gần catốt quá nghèo, quá trình điện cực lâm vào tình trạng bị phân phối bởi sự khuếch tán: Những điểm lồi, mũi nhọn được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế từ các điểm này đến Anốt lại bé hơn, nên tại đó sẽ ưu tiên phóng điện, kết quả là kết tủa sẽ sần sùi hoặc có dạng nhánh cây Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện đến nỗi khuếch tán ion hoàn toàn không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được sẽ là bột kim loại Lớp mạ không được phép sần sùi, nhám Vì vậy để có lớp mạ đạt yêu cầu buộc phải dùng dải mật độ dòng điện tương đối thấp Hơn nữa ở Dc thấp kim loại mạ dễ bắt chước lặp lại đúng kiểu mạng lưới của kim loại nền và cho độ bám gắn rất cao

Trang 36

Phần lớn đều dùng nguồn điện một chiều đã nắn phẳng để mạ và giữ dòng điện không đổi vào catốt Dải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ tốt thường thấp hơn mật độ dòng điện giới hạn Dgh khá nhiều Do đó đối với một dung dịch nhất định, muốn mở rộng dải mật độ dòng điện mạ (nâng cao tốc độ mạ) phải tìm cách tăng Dgh của nó lên Có 3 cách tăng Dgh:

- tăng nồng độ ion kim loại mạ

- tăng nhiệt độ

- tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch mạ

Cách thứ nhất và thứ hai không thể tăng bao nhiêu cũng được Nồng độ không thể cao hơn độ bão hoà được, ngoài ra khi dùng nồng độ cao thì mất mát khi thao tác sẽ lớn, tốn nhiều vật tư hoá chất Còn nhiệt độ chỉ nên đến 60 - 700C Nếu lên cao quá

sẽ ăn mòn mạnh thiết bị do bay hơi, phân huỷ sẽ lớn, tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng Chỉ có cách thứ ba (tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch mạ) là tỏ ra tối ưu nhất Ta có thể thực hiện bằng cách khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch mạ, điều này làm tăng tốc độ mạ, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, cân bằng độ

pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực

1.3.2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn (vì tăng được độ hoà tan các cấu tử ban đầu); đồng thời còn làm tăng độ dẫn điện của dung dịch; giảm nguy cơ thụ động Anốt Ba yếu tố đó đã làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên

Trang 37

cho dùng mật độ dòng điện cao hơn Nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm phân cực catốt do giảm tác dụng của các chất hoạt động bề mặt, tăng độ phân ion phức hay ion hydrat hoá (làm giảm phân cực hoá học) và thúc đẩy khuếch tán đối lưu mạnh lên (làm giảm phân cực nồng độ) Cho nên chỉ tăng nhiệt độ mà vẫn giữ nguyên các điều kiện khác thì lớp mạ vẫn gồm các tinh thể thô và to Nếu lại đồng thời tăng mật

độ dòng điện lên theo thì có thể bù trừ được nhược điểm do nhiệt độ cao gây ra và lớp mạ thu được vẫn có tinh thể nhỏ, mịn

Vì vậy, nhiều dung dịch mạ hiện đại được vận hành ở nhiệt độ cao vừa tăng được cường độ làm việc của bể vừa được lớp mạ tốt

1.3.2.7 Điều kiện xuất hiện tinh thể: [14]

Trong điều kiện điện kết tủa kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định tốc

độ tạo mầm tinh thể là tỷ số giữa mật độ dòng điện catốt Dc và mật độ dòng trao đổi

Mặt khác, theo phương trìnhTafel:

η = a + b.log Dc Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catốt đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn và ngược lại Các mầm tinh thể ban đầu mới xuất hiện được ưu tiên tham gia vào mạng lưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng

Đó là những chỗ tập trung nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó năng lượng dư

bề mặt lớn nhất, các mối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất Nếu kim loại nền

và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nền được bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai ghép (epitaxy)), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên Sau đó sẽ dần chuyển về cấu trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo Trường hợp này cho lớp kim loại mạ có độ gắn bám rất tốt, xấp xỉ với độ bền liên kết của kim loại nền Nếu thông số mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì sự lai ghép sẽ không xảy ra Đây là một trong những nguyên nhân gây nên ứng suất nội và làm lớp mạ dễ bong

Trang 38

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO ĂNG-TEN:

Quy trình thực nghiệm chế tạo ăng-ten trên đế PET:

Hình 2 1Quy trình phún xạ - quang khắc – ăn mòn – mạ điện

Ăng-ten được chế tạo trên đế là màng PET thương mại dày khoảng 80μm

Để tiện lợi cho quá trình chế tạo, chúng tôi lựa chọn đế hình vuông kích thước 4inch (thay vì hình tròn) để phù hợp với hầu hết các thiết kế của ăng-ten UHF trong công nghệ RFID

2.1.1 Chuẩn bị đế:

Cắt PET thành những mẫu nhỏ kích thước 4 inch Tiếp theo bỏ vào lò nung ở nhiệt độ 1000C trong 15 phút để PET được thẳng Sau đó, rửa PET để loại bỏ tạp chất trên bề mặt đế

Mạ điện