PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY VÀ PHÚN XẠ - Bài 1 TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC

Hình 3 - Sơ đồ chuyển động của electronKhi thế âm được áp vào hệ giữa bia Cathode và đế vật liệu được phủ Anode sẽ sinh ra một điện trường E làm định hướng và truyền năng

Bài 1:

TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ

MAGNETRON DC

I LÝ THUYẾT:

1 Định nghĩa hiện tượng phún xạ:

Định nghĩa : Phún xạ là hiện tượng nguyên tử trên bề mặt vật liệu bị bứt ra khi bị bắn phá bởi ion có năng lượng cao Đây là quá trình bay hơi từ pha rắn qua pha hơi

mà không qua pha lỏng Vì vậy, kỹ thuật này không làm nóng chảy vật liệu

Hình 1 - Sơ đồ mô tả quá trình phún xạ

2 Phương pháp phún xạ MagnetronDC:

a.Hệ magnetron phẳng:

Hình 2 - Hệ Magnetron phẳng

Bộ phận chính của hệ phún xạ Magnetron phẳng là một hệ nam châm được bố trí khép kín để tạo ra bẫy từ Bẫy từ này có tác dụng nhốt các electron và bắt chúng chuyển động theo một “trường đua” nhằm tăng quãng đường chuyển động của chúng lên gấp nhiều lấn so với khoảng cách giữa hai điện cực, qua đó làm tăng khả năng ion hóa chất khí

b Nguyên lí hoạt động:

Không khí ở điều kiện bình thường luôn chứa một số điện tử và ion được tạo nên bởi tia vũ trụ, tia tử ngoại và phóng xạ của môi trường xung quanh

Hình 3 - Sơ đồ chuyển động của electron

Khi thế âm được áp vào hệ giữa bia (Cathode) và đế vật liệu được phủ (Anode) sẽ sinh ra một điện trường E

làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện có trong hệ Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào catod và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc trong điện trường E , đồng thời bị tác động của từ trường ngang B , từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần Cathode theo quỹ đạo xoắn ốc Do đó, chiều dài quãng đường đi của điện tử tăng lên nhiều lần trước khi đến Anode

Hình 4 - Sơ đồ phún xạ Magnetron DC

Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ va chạm và ion hóa các nguyên tử hay phân

tử khí Quá trình này làm sản sinh thêm nhiều ion dương và electron Các electron di chuyển

về Anode Các ion dương di chuyển về Cathode, đập vào Cathode làm bật điện tử ra Nếu trong một chu kì, số electron sinh ra lớn hơn số electron mất mát đi, phóng điện tự lập sẽ hình thành Các điện tử được gia tốc trong điện trường E đồng thời bị tác động của từ trường ngang B Từ trường này giữ điện tử ở gần Cathode theo quỹ đạo xoắn ốc, và do đó tăng chiều dài quãng đường đi của nó trước khi chúng thoát đến Anode bởi sự tán xạ do va chạm Vì quãng đường chuyển động của điện tử dài hơn nhiều khoảng cách giữa hai điện cực nên áp suất cực tiểu để duy trì plasma thấp cỡ 0.1 Pa, tốc độ lắng đọng tăng do sự tán xạ

và tái lắng đọng giảm, thế dùng để duy trì plasma cũng giảm so với khi không có từ trường

c.Quỹ đạo của electron trong điện từ trường vuông góc:

Chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuông góc là sự tổng hợp của 2 dạng chuyển động: chuyển động tròn và chuyển động tịnh tiến dọc theo trục x Nghĩa là, điện tử chuyển động theo quỹ đạo là đường xoắn ốc (cycloic) với bán kính quỹ đạo (bán kính Larmor) được xác định theo công thức: rq B mv

Hình 5 -Quỹ đạo cycloid và quỹ đạo điện tử sau khi mất năng lượng

d Đặc trưng riêng của phún xạ:

Hình 6 - Sự phân bố thế trong phóng điện khí

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

 Vùng sụt thế Catod (vùng I ): có điện trường lớn Trong vùng này, điện

tử thứ cấp sinh ra từ Catod sẽ được điện trường gia tốc để đi vào vùng ion hóa theo hướng trực giao với nó

 Vùng ion hóa (vùng II ): vùng này 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 Cá ion sinh ra

do quá trình ion hóa sẽ được gia tốc trong vùng sụt thế Catod và thực hiện chức năng phún xạ

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

II.TIẾN HÀNH THỰC TẬP: gồm 3 bước.

1 Tạo môi trường chân không :

- Bật cầu dao điện.

- Mở bơm sơ cấp ( Mở van 1 khoảng 2 phút rồi đóng lại ) để bơm sơ cấp hút

buồng

- Mở van 2 ( sơ cấp hút khuếch tán ) khoảng 2 phút Khi áp suất của bơm sơ

cấp đạt ngưỡng làm việccủa bơm khuếch tán, mở nước giải nhiệt trước rồi

mở bơm khuếch tán Sau 45 phút khuếch tán sẵn sàng làm việc

- Đóng van 2, mở van 1, cho sơ cấp hút buồng xuống áp suất khởi đầu của

bơm khuếch tán ( khoảng 10-1 torr )

- Đóng van 1, mở van 2

- Mở van chính, lúc này hệ thống bơm đang làm hoạt động để tạo môi trường

chân không cho buồng

Hình 7 - Sơ đồ hệ chân không

2 Phún xạ :

- Điều chỉnh van chính để có áp suất cần thiết, mở van khí.

- Mở nước giải nhiệt cho hệ Magnetron.

- Cấp điện cho hệ Magnetron ( dòng khoảng 0.3 đến 0.35 )

- Điều chỉnh áp suất ( khoảng 10-3 torr ) và thế ( khoảng 300 đến 350 )để có

plasma ổn định cho quá trình phún xạ

3 Tắt máy :

- Sau khi thực hiện xong quá trình phún xạ, tắt nguồn điện Magnetron và

đóng van khí

- Tiếp tục cho khuếch tán hút buồng xuống áp suất thấp, khoảng 15 phút.

- Đóng van chính, sau đó tắt khuếch 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

III TRẢ LỜI CÂU HỎI:

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

Trả lời:

- Độ dày màng mỏng phún xạ liện quan đến hiệu suất của quá trình phún xạ

- Hiệu suất của quá trình phún xạ = NA/Ni

Với: NA là tổng các nguyên tử phún xạ

Ni là tổng các ion tới

Như vậy, các yếu tố ảnh hưởng đến độ dày của màng mỏng phún xạ là:

 Bản chất của những ion ( khí sạch, khí trơ, khí phản ứng )

 Nồng độ của ion cho vào buồng phún xạ

 Năng lượng tới của ion ( do thế điện cấp vào hai bản điện cực)

 Góc tạo bởi hạt phún xạ tới bia

 Bản chất của bia

 Khoảng cách bia với đế

Câu 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ đế?

Trả lời:

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ đế là:

 Điện thế áp vào hai điện cực

 Thời gian phún xạ

 Độ dày của màng



Câu 3: Ảnh hưởng của độ sạch của đế lên tính chất của màng?

Trả lời:

Nếu đế không sạch thì khả năng tạo mầm để phát triến màng không cao, do đó cần thời gian phún xạ lâu hơn, không những thế, độ bám dính giữa màng và đế cũng không bền Nếu để lâu ngày, màng sẽ bị hư và bong tróc khỏi đế

Màng dễ bị xốp có dạng tăng trưởng ốc đảo, các tính chất điện, từ, cơ, quang của màng không như mong muốn

Câu 4: Các phương pháp khảo sát tính chất của màng mỏng?

Trả lời:

- Phân tích bề mặt màng mỏng bằng kính hiển vi lực quét AFM : Kính hiển vi lực quét được áp dụng để xác định thông tin ảnh định vị của cấu trúc bề mặt Qua đó chúng ta

có thể phân tích được một số đặc tính của màng mỏng Ưu điểm của kính hiển vi lực quét nằm trong khả năng ứng dụng rộng bằng cách thay đổi lực giao diện đầu dò Một trong những thí dụ nổi bật nhất là sử dụng tương tác từ trong kính hiển vi lực quét

- Kỹ thuật đo phổ truyền qua UV-VIS

- Các phương pháp nghiên cứu nhạy gần bề mặt như :

 TEM: transmission electron microscopy

 SEM: scanning electron microscopy

 LEEM: low energy electron microscopy

 EELS: electron energy loss spectroscopy

 AES: auger electron spectroscopy

 IPES: inverse photon electron spectroscopy

 EDX: energy dispersive x-ray analysis

 RBS: rutherford backscattering spectroscopy

 SIMS: secondary ion mass spectroscopy

 XPS: x-ray photoelectron spectroscopy

 PEEM: photo emission electron microscopy

 XRD: x-ray difraction

 XRF: x-ray fluorescence

 EXAFS: extended x-ray absorption fine structure

Trong các phương pháp trên phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (đặc biệt XRD) được sử dụng nhiều trong việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của màng mỏng

Ngoài ra người ta còn dùng các phương pháp đo phổ Raman, truyền qua, phản xạ, hấp thu để phân tích những tính chất của màng

Câu 5: Tại sao phải thiết kế đường nước giải nhiệt cho hệ magnetron? Tại sao với hệ magnetron giải nhiệt không tốt, ta không thể thực hiện phún xạ với dòng lớn (công suất cao)?

Trả lời:

Chúng ta phải giải nhiệt cho hệ Magnetron vì: Trong quá trình phún xạ xảy ra nhiều quá trình va chạm giữa ion, nguyên tử khí, và vật liệu bia, làm buồng chân không nóng lên, nếu buồng càng bị nóng lên quá nhiệt độ cho phép thì hiệu suất phún xạ sẽ bị giảm sút, hơn nữa buồng chân không sẽ dễ bị hư hỏng Chính vì vậy, với hệ Magnetron giải nhiệt không tốt, ta không thể thực hiện phún xạ với dòng lớn

Câu 6: Vai trò của nam châm trong hệ Magnetron Nếu không có nam châm thì

có thực hiện được phún xạ không? Tại sao?

Trả lời:

Các nam châm trong hệ magnetron được dùng để điều khiển chùm điện tử theo chiều đường sức từ trường nhằm mục đích tăng xác suất ion hóa các nguyên tử chất khí cho vào buồng tạo ra động năng lớn cho các ion này tới va chạm với bia để phún xạ, ngoài ra còn giảm dòng điện từ áo trong ra áo ngoài Nếu không có các nam châm này, quá trình phún xạ không thể xảy ra, bởi vì dòng phóng điện từ áo trong ra áo ngoài sẽ lớn còn dòng để phún xạ quá nhỏ nên các hạt từ bia không đủ năng lượng để tới đế

Câu 7: Thuật ngữ “áo trong” và “áo ngoài” thường được sử dụng trong thiết kế

hệ magnetron Áo trong được làm bằng inox, nối với nam châm, tấm đồng giải nhiệt, bia… Áo ngoài được nối với mass, thành buồng và cách điện với áo trong, cách áo trong từ 3  7mm Vai trò của nó như thế nào?

Trả lời:

Áo trong để gắn các điện cực, áp điện thế vào để thực hiện phún xạ Hơn nữa, nó ngăn

sự phân tán rộng khí và vật liệu bia ra ngoài để tạo hiệu suất phún xạ cao Còn áo ngoài được nối mass lấy dòng điện bị rò để bảo vệ người làm phún xạ được an toàn

Câu 8: Hệ Magnetron cân bằng và hệ Magnetron không cân bằng?

Trả lời:

 Hệ Magnetron không cân bằng:

Ở hình dưới cho ta thấy nam châm ở giữa có cường độ không đủ mạnh để có thể kéo vào tất cả các đường sức phát ra từ nam châm vòng ngoài bao quanh nó Chính vì thế, một vài đường sức không được kéo vào, nó lượn uốn cong ra ngoài hướng về đế Các điện tử dịch chuyển trên những đường sức này không bị tác động của từ trường ngang nên sẽ di chuyển hướng về đế Khi di chuyển nó sẽ kéo theo các ion được gọi là hiện tượng khuếch tán lưỡng cực Hiện tượng này làm tăng mật độ dòng ion đến đế Năng lượng bắn phá đế có thể tăng lên tùy vào thế phân cực âm ở đế, và đế sẽ được đốt nóng Như vậy, đế được cấp nhiệt một cách liên tục bởi sự bắn phá của ion, do đó thích hợp cho việc tổng hợp các màng

ở nhiệt độ cao

Hệ Magnetron cân bằng :

Khác với cách bố trí nam châm ở hệ Magnetron không cân bằng, nam châm ờ giữa

có cường độ từ trường đủ mạnh để đủ sức kéo vào các đường sức phát ra từ nam châm vòng ngoài Như thế, dưới tác dụng của từ trường ngang mạnh, điện tử bị hãm gần như hoàn toàn trong không gian gần bề mặt bia, còn ion hầu hết đập lên bia thực hiện chức năng phún xạ,

và bức xạ điện tử thứ cấp để duy trì phóng điện Vì vậy, đế sẽ được cách ly với plasma điện

tử hay đế sẽ tương tác không đáng kể với ion và dĩ nhiên nó sẽ không bị đốt nóng Như thế

nó rất thích hợp cho việc tạo màng mỏng trên các loại đế không chịu được nhiệt độ cao như: PET, nhựa, giấy,…

Câu 9: Áo trong được áp thế -300V, áo ngoài được nối mass Khi “chạm” (áo trong chạm áo ngoài) thì I rất lớn Nhưng thực tế, dòng chạm chỉ khoảng 6 – 8 A Giải thích hiện tượng?

Trả lời:

Khi cấp điện cho áo trong thì các điện tử sinh ra được điều khiển hướng đi theo các đường sức từ của nam châm, nên không lọt ra ngoài theo chiều tới vỏ ngoài Khi đó, hầu hết năng lượng điện trường được dùng để ion hóa chất khí cung cấp động năng cho các ion khí

Ar và oxi, tới va chạm với bia phún xạ Chính vì vậy, khi áo trong được áp thế -300V, áo ngoài được nối mass và khi áo trong chạm áo ngoài thì I rất lớn

Câu 10: Ưu điểm của phương pháp phún xạ so với bốc bay chân không?

Trả lời:

Hiệu suất tạo màng cao

Lớp màng tạo ra có độ bền cao, bó chặt và có cấu trúc đồng đều

Thời gian phún xạ lâu nên lớp màng mịn hơn

Hạt vật liệu bay ra từ bia có năng lượng lớn nên có khả năng xuyên sâu cao

Dùng nguồn điện trở nhỏ

Các nguyên tử bị phún xạ phân bố đồng đều hơn trên bề mặt đế, nên chất lượng màng sẽ tốt hơn

Ít tốn nguyên liệu phún xạ hơn do ta có thể điều chỉnh được dòng phún xạ

Bài 2:

TẠO MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY

CHÂN KHÔNG

I LÝ THUYẾT:

1 Định nghĩa:

Bốc bay chân không là phương pháp tạo màng bằng lắng đọng hơi vật lý (PVD) 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 (bay) và cuối cùng lắng đọng 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 dịch chuyển của hơi kim loại từ nguồn bay hơi tới 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 Áp suất hơi bão hòa: Áp suất hơi bão của vật liệu là áp suất của pha hơi khi nó ở

trạng thái cân bằng với pha lỏng hoặc rắn

3 Tốc độ bay hơi:

Tốc độ bay hơi của vật liệu là: 14nv 14k p TM 1





Với : n: mật độ khí ( n = k.p/T )

v: vận tốc trung bình của các nguyên tử khí ( v = b.(T/M)1/2 )

M: khối lượng nguyên tử khí

p:áp suất hơi bão hòa của vật liệu ở nhiệt độ tuyệt đối T

k’ = k.b = 9,55.1022 (xác định từ thực nghiệm)

4 Vật liệu bay hơi:

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

5 Nguồn bay hơi:

Nguồn đốt nóng nhiệt điện trở : nhiệt năng cung cấp cho nguồn được sinh ra khi cho dòng điện chạy qua điện trở đốt nóng

Có các loại điện trở sau:

- Vòng dây điện trở

- Thuyền điện trở

- Dạng nồi Nhược điểm chung của phương pháp bốc bay nhiệt điện trở là không thể sử dụng để lắng đọng những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao và các vật liệu hợp chất, hợp kim

Nguồn chùm điện tử : năng lượng cung cấp để hóa hơi vật liệu chính là

động năng của chùm điện tử chuyển động với vận tốc cao

Ưu điểm của nguồn này là sử dụng được để phủ các vật liệu kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, hợp chất, hợp kim Tuy nhiên, thiết bị này rất đắt tiền

Ngoài ra còn có một số loại nguồn khác như hồ quang, laser…

II THỰC TẬP:

1 Nội dung:

- 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 trong bốc bay

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

- Hệ tạo chân không: gồm bơm sơ cấp và bơm khuyếch tán dầu

- Hệ đo áp suất: gồm áp kế cơ ( dùng để đo áp suất trên 1 torr )và áp kế cặp nhiệt điện (dùng để đo áp suất dưới 1 torr)

- Biến áp sơ cấp: điều chỉnh hiệu điện thế ngõ ra từ 0 đến 205V

3 Chuẩn bị:

Đế (mẫu): là lam thủy tinh trong suốt, được sử lí bề mặt bằng cách:

- Ngâm mẫu trong dung dịch NaOH, lấy ra rửa sạch bằng nước rồi dùng vải mềm lau khô

- Rửa lại bằng xà phòng, lau sạch và đem sấy khô để giải hấp hơi nước, loại bỏ tạp chất

Vật liệu được bốc bay là nhôm: cắt một sợi nhôm mỏng rồi làm sạch giống như khi làm với đế

Vệ sinh đáy buồng thật kĩ

Đặt sợi nhôm vào trong vòng dây Vonfram

Đóng buồng chân không và bắt đầu hút chân không

4 Tiến hành thí nghiệm:

Tạo môi trường chân không :

- Bật cầu dao điện

- Mở van 2 (sơ cấp hút khuyếch tán), khoảng 2 phút mở nước giải nhiệt,

mở 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

Tiến hành bốc bay:

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

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

- Lấy mẫu ra

- Thay lam kính và cho thêm nhôm (nếu cần phủ màng tiếp)

- Đóng buồng Tiến hành làm lại từ đầu

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

III TRẢ LỜI CÂU HỎI: