BÀI THỰC TẬP 1, lớp cao hoc vật lý điện tử K20 - TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÂN KHÔNG

Các quá trình tạo màng kim loại trên đế rắn:  Sự nóng chảy và bay hơi vật liệu từ nguồn bay hơi  Sự di chuyển của hơi kim loại từ nguồn bay hơi đến bề mặt đế qua môi trường áp suất thấ

Bài thực tập 1

TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÂN KHÔNG

I Tóm tắt lý thuyết

1 Định nghĩa

Bốc bay chân không là phương pháp tạo màng bằng lắng động hơi vật lý (PVD – Physical Vapor Deposition) đơn giản nhất Hơi vật liệu cần phủ được sinh

ra và “bốc” lên khi nung nóng nguồn vật liệu, di chuyển qua môi trường chân không trung gian và cuối cùng lắng đông trên bề mặt đế

Các quá trình tạo màng kim loại trên đế rắn:

 Sự nóng chảy và bay hơi vật liệu từ nguồn bay hơi

 Sự di chuyển của hơi kim loại từ nguồn bay hơi đến bề mặt đế qua môi trường áp suất thấp

 Sự hấp thụ các hạt trên đế

 Sự phân bố lại các hạt và tái kết tinh trên bề mặt đế

2 Các phương pháp bốc bay

Các phương pháp bốc bay phân loại theo nguồn bay hơi:

 Phương pháp đốt nóng điện trở

 Phương pháp chùm điện tử

 Phương pháp đốt nóng bằng bức xạ

 Phương pháp hồ quang

 Phương pháp laser

3 Vật liệu bay hơi

Vật liệu bay hơi có thể là kim loại, bán dẫn, hợp kim, hợp chất,…ở dạng khối, bột hoặc lỏng

Kim loại sử dụng để tạo màng trong bài thực tập này là nhôm (Al) với các thông số sau:

 Khối lượng nguyên tử: 27g.mol-1

 Khối lượng riêng: 2,7g.mol-1.cm-3

 Nhiệt độ nóng chảy: 930K

 Nhiệt độ sôi: 2770K

 Ev T = 1460K và Ev p = 7,9Torr

Trong đó: Ev T và Ev p là nhiệt độ và áp suất hơi tại đó tốc độ phủ màng đạt 25A0/s (khoảng cách nguồn – đế 10cm, diện tích bề mặt đế 1cm2)

4 Sơ đồ một hệ bốc bay chân không tổng quát

Một hệ bốc bay chân không gồm 4 bộ phận chính:

 Hệ bơm chân không

 Buồng chân không (cũng là nơi tiến hành bốc bay)

 Nguồn nhiệt

 Hệ cố định và điều chỉnh nhiệt độ đế

5 Nguyên tắc bốc bay

Hệ bơm chân không sẽ tạo môi trường áp suất thấp cho buồng Nguồn nhiệt cung cấp nhiệt cho vật liệu cần bốc bay Khi nhiệt độ của vật liệu này bằng nhiệt

độ hơi bão hòa của chính vật liệu đó ở áp suất của buồng chân không, vật liệu sẽ hóa hơi Hơi vật liệu sẽ di chuyển qua môi trường chân không và tuân theo định luật Cosin tới phủ một lớp màng mỏng trên đế Môi trường chân không giúp giảm thiểu sự tương tác và phản ứng giữa nguyên tử hơi vật liệu và phân tử khí

6 Tốc độ bay hơi

Tốc độ bay hơi của vật liệu được xác định từ biểu thức:

2

1 ' ( ) 4

1 4

 k p TM nv

Trong đó:

n: mật độ nguyên tử khí v: vận tốc nguyên tử khí

k’ = k.b được xác định từ thực nghiệm bằng 9,55.1022

k, b: các hệ số tỉ lệ p: áp suất hơi bão hòa của vật liệu ở nhiệt độ tuyệt đối K M: khối lượng nguyên tử khí

II Thực nghiệm

1 Nội dung thực tập

 Tạo môi trường áp suất thấp trong buồng chân không

 Bốc bay tạo màng kim loại nhôm trên đế thủy tinh

2 Bố trí thí nghiệm

 Buồng chân không: làm bằng thủy tinh đường kính 22cm, cao 40cm, dùng duy trì chân không khi bốc bay

 Hệ bốc bay: gồm 2 điện cực đặt gần nhau

 Hệ tạo chân không: gồm bơm áp suất, bơm khuyếch tán dầu

 Hệ đo áp suất bao gồm:

 Áp kế cơ dùng để đo áp suất trên 1 Torr

 Áp kế cặp nhiệt điện dùng để đo áp suất dưới 1 Torr

 Biến áp sơ cấp: ngõ vào là dòng xoay chiều 220V công suất 10K, ngõ ra từ 0 đến 205V

3 Chuẩn bị mẫu

Mẫu là lam thủy tinh trong suốt, được xử lý bề mặt bằng cách ngâm trong dung dịch NaOH, rửa lại bằng nước, lau khô bằng vải mềm, rửa lại bằng xà phòng, lau lại bằng aceton, sau đó đem sấy khô để giải hấp hơi nước, loại bỏ tạp chất

4 Các bước tiến hành

a) Chuẩn bị

 Vệ sinh đáy buồng thật kỹ

 Đặt sợi nhôm lồng vào trong dây vonfram

 Đóng buồng chân không lại, bắt đầu hút chân không

b) Tiến hành

b1> Tạo môi trường chân không

 Bật cầu dao điện

 Mở van 2 (sơ cấp hút khuyếch tán), khoảng 2 phút mở nước giải nhiệt khuyếch tán, mở khuyếch tán Sau 45 phút, khuyếch tán sẵn sàng làm việc

 Đóng van 2, mở van 1 (sơ cấp hút buồng), cho sơ cấp hút buồng chân không xuống áp suất khởi đầu của bơm khuyếch tán (khoảng 10-1Torr)

 Đóng van 1, mở van 2

 Mở van chính (khuyếch tán hút buồng), lúc này hệ thống bơm hoạt động để tạo môi trường chân không cho buồng

b2> Tiến hành bốc bay

 Vặn nút tăng cường độ dòng đốt nóng thật chậm, đến khi nhôm bắt đầu bay hơi thì dừng lại để nhôm bốc bay hết

 Đóng van chính, xả khí vô buồng để cân bằng áp suất bên ngoài

 Lấy mẫu ra

b3> Tắt máy

 Sau khi thực hiện quá trình bốc bay, tắt nguồn điện, đóng van xả khí vào buồng

 Tiếp tục cho khuyếch tán hút buồng xuống áp suất thấp, khoảng

15 phút

 Đóng van chính, sau đó tắt khuyếch tán, khoảng 45 phút sau, đóng van 2, tắt sơ cấp, mở van xả khí vào sơ cấp, đóng cầu dao điện nguồn, khóa nước

 Các thông số thực nghiệm:

 Áp suất trong buồng khi tiến hành bốc bay: 10-4Torr

 Dòng đốt nóng dây vonfram: 20mA

III Câu hỏi thảo luận

A> Về lý thuyết

1 Hãy nêu (tên, cơ chế ngắn gọn) một số phương pháp tạo màng bằng lắng đọng hơi vật lý (PVD)

Một số phương pháp tạo màng bằng lắng đọng hơi vật lý (PVD):

- Phương pháp bốc bay

 Bay hơi trực tiếp trong chân không: cung cấp năng lượng cho vật liệu để chuyển vật liệu sang pha hơi

 Bay hơi phản ứng: hơi vật liệu phản ứng với khí được đưa thêm vào môi trường chân không để tạo thành hợp chất phủ lên đế

 Bay hơi phản ứng có kích hoạt: phản ứng giữa hơi vật liệu và khí đưa vào xảy ra trong môi trường plasma, khi đó tốc độ phủ màng cao hơn trong bay hơi phản ứng thông thường

 Mạ ion: hạt bay hơi được ion hóa trong plasma thông qua quá trình va chạm Những ion được gia tốc đến đế nhờ thế âm áp lên

đế, hoặc thế phân cực giữa nguồn ion và đế

 Mạ ion phản ứng: các ion tạo thành phản ứng với khí được đưa thêm vào môi trường chân không để tạo thành hợp chất phủ lên đế

Năng lượng cung cấp để chuyển vật liệu sang pha hơi có thể dưới dạng: nhiệt, chùm điện tử, đốt nóng bằng bức xạ, hồ quang, laser

- Phương pháp phún xạ

 Phún xạ diode phẳng: giữa bia vật liệu và đế được áp một hiệu điện thế để gia tốc các ion có sẵn trong môi trường bắn phá vào bia vật liệu để bức các hạt vật liệu ra ngoài và bay về đế Đồng thời, điện tử phát xạ thứ cấp cũng được thành lập trong quá trình bắn phá, được gia tốc trong vùng sụt thế cathode và ion hóa chất khí để duy trì phóng điện

 Phún xạ magnetron: giữa bia vật liệu và đế được áp một hiệu điện thế để gia tốc các ion và các e có sẵn trong môi trường Bên dưới bia (cathode) là một hệ nam châm được bố trí khép kín để “bắt” các e chuyển động theo một “trường đua”, va chạm và ion hóa càng nhiều nguyên tử khí Ion dương sinh ra sẽ bắn phá vào bia vật liệu, bức ra các hạt vật liệu và điện tử thứ cấp

Hiệu điện thế áp giữa bia và đế có thể hiệu điện thế một chiều (DC) hay hiệu điện thế xoay chiều (RF)

2 Tốc độ bay hơi từ nguồn vật liệu phụ thuộc vào các yếu tố nào ?

Từ biểu thức tính tốc độ bay hơi của vật liệu: 2

1 ' ( ) 4

1 4

 k p TM nv

Ta thấy tốc độ bay hơi của nguồn vật liệu phụ thuộc vào các yếu tố:

 Loại vật liệu (M)

 Nhiệt độ của vật liệu (T, p(T), n(T), v(T))

 Độ sạch của bề mặt bay hơi (k’)

3 Ưu điểm lớn nhất của nguồn bốc bay chùm điện tử cũng là nhược điểm lớn nhất của nguồn bốc bay nhiệt điện trở là gì ? Hãy giải thích rõ về điều này

Ưu điểm lớn nhất của nguồn bốc bay chùm điện tử cũng là nhược điểm lớn nhất của nguồn bốc bay nhiệt điện trở là: nguồn bốc bay chùm điện tử có thể sử dụng để phủ màng các vật liệu kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, hợp chất, hợp kim, trong khi nguồn bốc bay nhiệt điện trở thì không thể

Trong nguồn bốc bay nhiệt điện trở , đòi hỏi bộ phận giữ mẫu phải làm từ kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với mẫu Đối với những mẫu có nhiệt độ nóng chảy cao như là W, Ta, Mo,…thì ta khó có thể chọn được kim loại phù hợp để làm bộ phận giữ mẫu trong suốt quá trình bốc bay

B> Về vận hành hệ tạo chân không

4 Trình bày quy trình xử lý khi có sự cố mất điện

Quy trình xử lý khi có sự cố mất điện:

 Khóa van chính

 Khoá van sơ cấp – khuyếch tán

 Tắt bơm khuyếch tán, sơ cấp

 Xả khí vào sơ cấp

5 Trình bày quy trình xử lý khi có sự cố mất nước

Quy trình xử lý khi có sự cố mất nước:

 Khóa van chính

 Tắt bơm khuyếch tán

 Mở quạt

 Đợi máy nguội (hơn 60 phút)

 Tắt máy

6 Trong quá trình tắt máy, tại sao việc “mở van xả khí vào sơ cấp” lại quan trọng ? Nêu cách xử lý khi quên làm việc này ?

Trong quá trình tắt máy, việc xả khí vào sơ cấp lại quan trọng vì lúc này có

sự chênh lệch về áp suất giữa bên trong bơm sơ cấp và khí quyển bên ngoài (áp suất bên trong nhỏ hơn áp suất bên ngoài), việc xả khí sẽ giúp cân bằng áp suất Nếu không mở van xả khí vào sơ cấp, do chênh lệch áp suất, hơi dầu từ bơm sơ cấp sẽ tràn vào đường ống, gây nhiễm bẩn và do đó làm giảm hiệu quả hút buồng trong lần vận hành kế tiếp Mặt khác, dầu bay hơi khỏi bơm sơ cấp có thể gây thiếu hụt dầu, ảnh hưởng đến hoạt động của bơm

Nếu quên làm việc này, cách xử lý duy nhất là tháo toàn bộ hệ bơm ra, lau chùi sạch dầu ở các đường ống, bổ sung dầu cho bơm sơ cấp rồi lắp lại như ban đầu

C> Về quá trình bốc bay

7 Tại sao phải hút chân không cho buồng trước khi bốc bay ? Trong một số phương pháp bốc bay, người ta lại cho thêm khí vào buồng sau khi đã hút chân không Điều này có mâu thuẫn gì không ? Phương pháp này gọi là phương pháp

gì ?

Phải hút chân không cho buồng trước khi bốc bay để giảm nồng độ phân tử khí, từ đó hạn chế tối đa các quá trình tương tác và phản ứng giữa phân tử khí và nguyên tử hơi vật liệu Những quá trình này làm giảm hiệu suất và phẩm chất của màng phủ trên đế

Trong một số phương pháp bốc bay, người ta lại cho thêm khí vào buồng sau khi đã hút chân không, điều này không có gì mâu thuẫn Trong trường hợp muốn phủ màng hợp chất, người ta sẽ cho thêm khí đơn chất vào buồng Trong quá trình các nguyên tử hơi vật liệu bốc bay đến đế, chúng sẽ phản ứng với các phân tử (nguyên tử) khí và tạo thành hợp chất như mong muốn lắng đọng trên đế

Phương pháp này gọi là phương pháp bốc bay phản ứng

8 Ứng dụng của màng nhôm trong thực tế ?

Ứng dụng của màng nhôm trong thực tế:

 Màng nhôm phủ trên thủy tinh có thể làm gương phản xạ với năng suất phản xạ khoảng 90% đối với đa số vùng phổ tử ngoại, khả kiến, và cận hồng ngoại

 Màng đa lớp ZnO:Al chế tạo trên đế Si loại p có thể được ứng dụng để chế tạo pin mặt trời dị thể

 Màng ZnO:Al trên đế PET (polyethylene glycol tephthalate) khá hữu ích trong việc hạ giá thành, giảm trọng lượng, thu nhỏ thể tích, tạo độ mềm dẻo cho các linh kiện quang điện tử

 Màng ZnO:Al có thể ứng dụng chế tạo máy chưng cất bằng năng lượng mặt trời

9 Các yếu tố ảnh hưởng đến màng bốc bay nhôm

Các yếu tố ảnh hưởng đến màng bốc bay nhôm

 Áp suất môi trường

 Bề mặt đế

 Lượng nhôm bốc bay

Bài thực tập 2

TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC

I Tóm tắt lý thuyết

1 Định nghĩa hiện tượng phún xạ

Phún xạ là hiện tượng những nguyên tử trên bề mặt vật liệu bị bức ra khi bị bắn phá bởi ion có năng lượng cao

Sơ đồ mô tả quá trình phún xạ

2 Phương pháp phún xạ magnetron DC

a) Hệ magnetron phẳng

(a) (b)

Hệ magnetron phẳng

Bộ phận chính của hệ phún xạ magnetron phẳng là một hệ nam châm được

bố trí khép kín như hình (b) để tạo bẫy từ Bẫy từ có tác dụng nhốt electron và bắt chúng chuyển động theo một “trường đua” nhằm tăng quãng đường chuyển động của chúng lên gấp nhiều lần so với khoảng cách giữa hai điện cực, qua đó làm tăng khả năng ion hóa chất khí

b) Nguyên lý hoạt động

Không khí ở điều kiện bình thường luôn chứa sẵn một số điện tử và ion Khi thế âm được áp vào cathode, một điện trường E được tạo ra giữa hai điện cực Điện trường này định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện trong hệ

Trong quá trình chuyển động, điện tử sẽ va chạm và ion hóa các nguyên tử hay phân tử khí, sản sinh thêm ion dương và điện tử Các điện tử di chuyển về anode Các ion dương di chuyển về cathode, đập vào cathode làm điện tử bật ra Các điện tử bị “nhốt” trong bẫy từ của hệ nam châm, chuyển động theo hình xoắn

ốc, ion hóa càng nhiều nguyên tử hay phân tử khí Áp suất cực tiểu để duy trì plasma cỡ 0,1Pa, tốc độ lắng đọng tăng do tán xạ và tái lắng đọng giảm, thế dùng

để duy trì plasma cũng giảm

c) Quỹ đạo chuyển động của e trong điện từ trường vuông góc

Phương trình chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuống góc nhau trên trục tọa độ x, y, z

m

eE y

t

t B

Et x









cos 1

sin 1



















Quỹ đạo cycloid và quỹ đạo điện tử sau khi mất năng lượng

d) Đặc trưng riêng của phún xạ

Theo lý thuyết phóng điện khí, sự phân bố thế trong magnetron phẳng được chia làm 3 vùng:

 Vùng sụt thế cathode (vùng I) có điện trường lớn Trong vùng này điện tử thứ cấp sinh ra từ cathode sẽ được điện trường gia tốc

để đi vào vùng ion hóa theo hướng trực giao với nó

 Vùng ion hóa (vùng II) có điện trường rất bé Trong vùng này, điện tử va chạm với các phân tử khí, ion hóa chất khí, và mất năng lượng Các ion sinh ra do quá trình ion hóa sẽ được gia tốc trong vùng sụt thế cathode và thực hiện chức năng phún xạ

 Vùng plasma (vùng III): điện trường trong vùng này cũng rất bé

Sự phân bố thế trong phóng điện khí

II Các bước tiến hành

1 Tạo môi trường chân không

 Bật cầu dao điện

 Mở van 2 (sơ cấp hút khuyếch tán) khoảng 2 phút Khi áp suất của bơm sơ cấp đạt ngưỡng làm việc của bơm khuyếch tán, mở nước giải nhiệt trước rồi mở bơm khuyếch tán Sau 45 phút khuyếch tán sẵn sàng làm việc

 Đóng van 2, mở van 1, cho sơ cấp hút buồng xuống áp suất khởi đầu của bơm khuyếch tán (khoảng 10-1Torr)

 Đóng van 1, mở van 2

 Mở van chính, lúc này hệ thống bơm đang hoạt động để tạo môi trường chân không cho buồng

2 Phún xạ

 Đặt lam thủy tinh đã được xử lý bề mặt vào phía bên trên bia TiO2

 Điều chỉnh áp suất cần thiết, mở van khí (bằng cách điều chỉnh van chính, van khí)

 Mở nước giải nhiệt magnetron

 Cấp điện cho magnetron

 Điều chỉnh áp suất và thế để có plasma ổn định cho quá trình phún xạ

3 Tắt máy

 Sau khi thực hiện quá trình phún xạ, tắt nguồn điện magnetron, đóng van khí

 Tiếp tục cho khuyếch tán hút buồng xuống áp suất thấp, khoảng

15 phút

 Đóng van chính, sau đó tắt khuyếch tán, khoảng 45 phút, đóng van 2, tắt sơ cấp, mở van khí vào sơ cấp, đóng cầu dao điện nguồn, khóa nước

 Các thông số thực nghiệm trong việc phủ màng TiO2:

 Dòng phún xạ: 0,4A

 Hiệu điện thế: 330V

 Nhiệt độ trong buồng: 330C – 400C

 Áp suất khí trong buồng: 3.10-3Torr

 Tỷ lệ khí: O2/Ar = 6%

 Thời gian: 5 phút

III Câu hỏi thảo luận

1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dày của màng mỏng phún xạ (Nêu rõ ảnh hưởng như thế nào ?)

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dày của màng mỏng phún xạ:

 Bản chất của vật liệu làm bia: vật liệu làm bia khác nhau thì kích thước hạt vật liệu khác nhau, do đó độ dày màng phủ trên đế sẽ khác nhau

 Hiệu điện thế áp giữa bia và đế: hiệu điện thế càng lớn thì quá trình ion hóa tăng, đồng thời các ion dương va đập vào bia càng mạnh, càng bức nhiều hạt vật liệu ra khỏi bia, do đó ảnh hưởng đến độ dày màng

 Hiệu suất của hệ magnetron: độ mạnh yếu của từ trường do hệ nam châm sinh ra ảnh hưởng đến quỹ đạo của điện tử, làm thay đổi quá trình ion hóa, thay đổi nồng độ ion và từ đó làm thay đổi

số hạt vật liệu đến đế

 Khoảng cách giữa bia và đế: làm thay đổi cường độ điện trường ngoài áp vào, yếu tố có tác động đến độ dày màng

 Thời gian phún xạ: thời gian phún xạ càng dài thì độ dày màng càng lớn

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ đế

 Thời gian phún xạ

 Độ dày của màng

 Hiệu điện thế áp giữa bia và đế

3 Ảnh hưởng của độ sạch của đế lên tính chất của màng

Nếu đế không sạch, độ bám dính giữa màng và đế thấp, màng dễ bị tróc ra Mặt khác, các tạp chất trên đế có thể xâm nhập vào màng, màng không còn tinh khiết, làm thay đổi tính chất màng và chất lượng màng bị suy giảm

4 Các phương pháp khảo sát tính chất của màng mỏng (Điện, quang, cấu trúc)

 Tính chất điện: phương pháp đo điện trở (hay độ dẫn) của màng