Bài thuyết trình Các phương pháp thực nghiệm: Phương pháp phún xạ

Trong phún xạ, năng lượng được chuyển từ ion đến nguyên tử target phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử, bứt những nguyên tử ra khỏi target. Để hiểu rõ hơn về điều này mời các bạn tham khảo bài thuyết trình Các phương pháp thực nghiệm: Phương pháp phún xạ sau đây.

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ

Lê Trấn

NGƯỜI TRÌNH BÀY:

Trong phún xạ, năng lượng được chuyển từ ion tới đến nguyên

tử target,

Tại sao sử dụng phương pháp phún xạ?

Phún xạ có độ đồng điều trên diện tích lớn

Điều khiển nguồn ion

Khí trơ được chuyển thành plasma để hoạt động như nguồn ion

Điều khiển nguồn ion plasma bằng cách cung cấp năng lượng cho chùm ion

Target:

Có độ nguyên chất cao là cần thiết

Kích thước phải lớn hơn kích thước của đế để màng có độ đồng đều cao

Nước làm nguội phía sau target

Điều kiện cần cho phún xạ

Chúng ta cần gì?

 Chúng ta cần

 Môi trường của hạt ion hóa (Plasma)

 tạo ra plasma

 gia tốc ion và điện tử

 plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất

 Chứa các ion di chuyển tự do

 Cả hạt mang điện âm và dương

 Các nguyên tử ở trạng thái kích thích, năng lượng của

chúng ở trạng thái cao, bán bền

 Hạt nhân (do các phân tử bị đứt liên kết)

 plasma có được khi năng lượng đủ cao

 Hạt năng lượng cao sử dụng trong phún xạ được sản sinh bởi phóng

Dẫn điện trong môi trường khí

 Những vùng dẫn điện khác nhau trong môi trường khí

 Hai vùng quan trọng

 phóng điện Townsend

 Phóng điện phát sáng

Phóng điện Townsend

 Điện tử phân tán từ cathode được gia tốc hướng đến anode

 Điện tử có năng lượng đủ, va chạm với các nguyên tử khí trung hòa

(A)

 Khoảng cách giữa hai điện cực phải đủ lớn cho phép điện tử duy trì đủ năng lượng

 Cathode phải đủ rộng để ngăn cản sự mất mát điện tử

 Chuyển đổi khí trung hòa thành ion dương (A + )

 Hai điện tử được giải phóng

e - + A  2e - + A +

 Các hạt mang điện được nhân lên theo cấp số nhân

 Quá trình này được gọi là phóng điện Townsend

  đặc trưng cho bức xạ điện tử thứ cấp

 Thác lũ xảy ra khi mẫu số làzero

 Vài va chạm giữa điện tử và ion Hiệu suất điện tử thứ cấp là

quá thấp thế V B cao hơn để duy trì phĩng điện

 Aùp suất cao hơn:

 Va chạm đều đặn Điện tử khơng cĩ năng lượng đủ lớn thế V B

cao hơn

B

APd V

ln(Pd) B





Đường cong Paschen

Thế ban đầu cần để hình thành nên plasma

V S là một hàm của khí, áp suất và khoảng cánh bia – đế

Khi tích p.d thấp, electron đạt đến anode mà không va chạm với khí.

Vì thế, cần có thế cao hơn để điện tử gây đủ va chạm để plasma hình thành

Thế V S cao hơn cũng cần tích p.d cao hơn, bởi vì điện tử va chạm với nguyên tử khí trước khi chúng nhận đủ năng lượng để gây ion hóa

Thế mồi

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

 A – B: Điện trường quét ion và điện tử, các hạt mang điện được tạo ra từ

sự ion hóa do bức xạ môi trường.

 Bức xạ môi trường xuất phát từ tia vũ trụ, vật liệu phóng xạ hay các

nguồn khác.

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

 B – C: Thế được tăng đủ lớn, tất cả những ion và điện tử được quét đi,

và dòng điện được duy trì.

 Dòng này phụ thuộc tuyến tính vào độ mạnh của nguồn phún xa,

dòng bão hòa khi các hạt mang điện đều đạt đến các điện cực.ï

 C – E: Thế tăng qua điểm C, dòng tăng theo hàm mũ.

 Dòng tăng được gọi là phóng điện townsend.

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

 E: Thác lũ điện tử xảy ra.

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

 F – G khí vào vùng phóng điện bình thường, trong đo,ù thế hầu như

không phụ thuộc dòng.

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

 G-H: phóng điện bất thường

 Sự bắn phá của ion rất lớn Vùng này sử dụng cho phún xạ

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

 H: phóng điện hồ quang Cathode bị đốt nóng đến mức có thể phát xạ

nhiệt điện tử.

Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại

Cấu trúc của phóng điện

 Cấu hình này trình bày những vùng chính đặc trưng cho

phóng điện phát sáng.

 Những vùng được mô tả như “phát sáng" bức xạ ánh sáng

còn những vùng có tên “không gian tối" không co bức xạ ánh sáng

Điện tử nhận quá nhiều năng lượng

Phát quang giảm vì sự chuyển mức năng lượng đến nguyên tử không tương thích với mức ion hóa

Vùng tối là vùng ở đó nguyên tử khí trung hòa tồn tại

Không có ánh sáng bởi vì ion hóa và kích thích không xảy ra

Cấu trúc của phóng điện

Không gian tối cathode (C) là vùng

tương đối tối, có điện trường mạnh

nhất.

Cột âm (D) là vùng có cường độ sáng

nhất trong toàn phóng điện, độ mạnh

của điện trường trở nên yếu do mật

độ điện tử giảm Điện tử có năng

lượng đủ để gây ra kích thích nguyên

tử

Không gian tối Faraday (E)

Năng lượng điện tử giảm từ sự va

chạm trong cột âm

Cột dương (F)

Độ mạnh của điện trường đồng đều,

mật độ điện tử và ion bằng nhau

(vùng plasma chính)

Vùng sáng anode (G)

Điện tử gần anode được gia tốc và

kích thích nguyên tử.

Cấu trúc của phóng điện

Không gian tối anode Ion được đẩy bởi anode, điện tử

bị triệt tiêu (không có tương tác

do kích thích)

 Thế trong ống phóng điện giống hình dưới đây

 Thế plasma cao hơn thế ở hai điện cực

 Điện tử đẩy từ hai cực và điều này giúp plasma ổn định

Vỏ điện cực

 Trong vùng vỏ điện cực, mật độ

điện tử thấp

 Hầu như không có va chạm hay

nguyên tử bị ion hóa

 Vùng này xuất hiện tối

 Bởi vì điện trở thấp nên điện

trường cao trong vùng này

 Ở target:

 Nguyên tử target bứt ra

 Ion target bứt ra (1 - 2 %)

 Điện tử bức xạ

 Giúp duy trì plasma

 Ion Ar+ phản xạ như nguyên tử trung hòa

 Ar bị trôn trong target

 Photon bức xạ

Nguyên tử vào trạng thái khí

Xuyên sâu cỡ 10 A o

Năng lượng < 50 keV

95 % Năng lượng tới truyền cho đế => Cần làm nguội target

5 % Năng lượng tới thất thoát do ion tới bị phản xạ từ nguyên tử trung hòa target, Năng lượng này thường cỡ 5-100 eV

Nguyên tử target bị bứt ra với năng lượng phân bố không đồng đều Nhiều nguyên tử vuông góc với bề mặt đế

Phân bố cosine

Quá trình được đặc trưng bởi hiệu suất phún xạ (S)

•S = số nguyên tử bứt ra khỏi target / số ion dương đập tới target

Quá trình truyền động lượng của ion

Năng lượng cực đại ion truyền cho target

Phún xạ dc

 Phún xạ có nghĩa là hạt năng lượng cao đập lên target, loại hạt này

sinh ra trong quá trình phóng điện

 Va chạm đàn hồi, không truyền năng lượng

 Va chạm không đàn hồi

 Năng lượng không đủ cao kích thích điện tử, bức xạ photon

 Năng lượng đủ cao, ion hóa điện tử, tạo ra điện tử thứ cấp

 Các điện tử lại được gia tốc, va chạm liên hoàn với khí

 Dòng điện tử được thu bởi anode và suy giảm về 0 nhanh chóng

Va chạm giữa các hạt

Điện tử được sinh ra ở cathode và di chuyển hướng đến anode, điện tử va chạm với nguyên tử khí giữa hai điện cực

Khi va chạm với nguyên tử khí, điện tử gây ra:

Kích thích

Phân ly

Ion hóa

Điện tử được tạo ra trong quá trình, gây ra hiện tượng thác lũ

Khi đạt trạng thái cân bằng, số điện tử đủ bù trừ số điện tử bị mất

và số điện tử tái hợp với ion.

Quá trình tương tác của các hạt mang điện

Năng lượng của ion đập lên target được kiểm soát như sau:

< 5eV : giải hấp vật lý và phản xạ

5  10 eV: có thể làm hư hại bề mặt và di chuyển trên bề mặt

10  30 eV: phún xạ

> 30 eV: cấy ion

Quá trình tương tác của các hạt mang điện

 Phún xạ magnetron biểu diễn theo ba phương pháp

và tăng cường hiệu quả

Sử dụng hạt năng lượng cao (plasma) để di đẩy những nguyên

tử ra khỏi bề mặt

• Được thực hiện trong môi trường chân không thấp hoặc trung bình (~10 -3  10 -2 torr)

• Thuận lợi

Có thể sử dụng target lớn cho sự đồng đều của màng

Dể kiểm soát bề dày theo thời gian

Dể lắng đọng hợp kim và hợp chất

Không có bức xạ tia X

Các loại phương pháp phún xạ

DC sputtering

 Dạng đơn giản của phún xạ dc là ống phóng điện

 Ion phún xạ nguyên tử từ target và chúng định vị trên

đế

Nguồn vật liệu rắn và cấu hình có thể tùy ý

Nhiệt độ lắng đọng thấp

Có thể đạt tốc độ lắng đọng cao

Độ bám dính tốt

Thành phần của màng có thể bằng thành phần của nguồn

DC sputtering

Phún xạ chùm ion

Nguyên tử hơi được tạo ra bởi một loạt những va chạm truyền năng lượng và động lượng từ nguyên tử hay ion được gia tốc ban đầu đến những nguyên tử trong target Khi năng lượng của nguyên tử đủ vượt qua năng lượng liên kết của bề mặt, U, và khi động lượng hướng ra từ bề mặt, nó sẽ thoát vào pha khí

 Aùp suất ảnh hưởng tới tốc độ lắng đọng:

 Aùp suất cao:

 Nguyên tử phún xạ trải qua nhiều tán xạ

 Vì thế áp suất cao cũng làm giảm tốc độ lắng đọng

Các thơng số phún xạ

 Tốc độ lắng đọng tối ưu vòng quanh 100 mTorr

 Tương đồng giữa

 Số ion Ar + tăng

 Tán xạ của ion Ar + với nguyên tử trung hòa tăng

 Nếu tăng số ion mà không tăng số nguyên tử trung hòa thì quá trình phún

xạcó thể hoạt động ở áp suất thấp

Các thông số

Hiệu suất phún xạ

n Y

n+: Số ion đập lên bề mặt target

Y phụ thuộc vào loại ion và vật liệu target

Các thông số

Hiệu suất phún xa phụ thuộc khí và vật liệu target

Ion có năng lượng Uo = 0.1 - 10 keV

t 2

M+: Khối lượng ion

Mt: Khối lượng nguyên tử target

E+: Thế năng va chạm

Hiệu suất phún xạ

Năng lượng ion > 10 KeV

Bốc bay nhiệt xảy ra

Phún xạ magnetron

Hạ áp suất bằng cách sử dụng từ trường để bẩy điện tử gần target, làm tăng quá trình ion hóa và tăng tốc độ lắng đọng.

 Thế âm thường được áp vào đế để thay đổi dòng và năng lượng

của hạt phún xạ.

 Thế âm cỡ -5 đến -300 vôn được sử dụng

 Điều này làm giảm sự bắn phá đế bởi ion, vì thế:

 Hoạt động rất đơn giản

 Phún xạ dc không được sử dụng nữa

 Tốc độ lắng đọng thấp

 Thuận lợi trong việc đảo cực

 Có thể etching (ăn mòn) đế trước

Bias sputtering

 Phân cực đảo làm thay đổi vai trò giữa target và đế

 Ion đập lên bề mặt và ăn mòn màng từ đế

 Ion rất nhạy để tăng độ mạnh lực liên kết nguyên tử hơn

thành phần của các loại khác nhau

 Không lọc lựa

 Ăn mòn dị hướng

Ăn mòn bằng plasma

Phún xạ magnetron

 Hệ magnetron bao gồm target mà nam châm được đặt sau nó để

tạo thành bẩy từ đối với những hạt mang điện, như những ion Ar phía trước target

 Nguyên tử được bật ra khỏi bề mặt target bởi ion – đó là phún

xạ Những nguyên tử phún xạ không tích điện âm hay dương, vì thế chúng di chuyển thẳng ra khỏi bẩy từ và lắng đọng ở đế.

Phún xạ magnetron

 Giam giữa target và từ trường khép kín sinh ra plasma mật độ

đặc.

 Mật độ ion cao được sinh ra trong plasma có bẩy từ, và những ion

này được hút bởi target có áp thế âm, tạo ra phún xạ tốc độ cao.

Plasma magnetron

 Sự xói mòn target lớn nhất ở nơi từ trường và mật độ plama lớn nhất.

 Điều này dẩn đến công dụng không hiệu quả của target có từ tính

Xói mòn target

Thuận lợi

Mật độ dịng (tỉ lệ với tốc độ ion hĩa) tăng 100 lần so với phún xạ dc

Aùp suất phĩng điện cĩ thể giảm 100 lần

Tốc độ lắng đọng tăng 100 lần

 Trong những năm trước đây màng mỏng kim loại được

bốc bay nhưng bây giờ phún xạ được sử dụng

 Phún xạ có thể được sử dụng để lắng đọng tất cả các

loại chất dẫn điện

 Chúng ta không thể lắng đọng màng hợp kim bởi phương pháp bốc bay do nhiệt độ nóng chảy của các kim loại khác nhau

 Phún xạ không làm thay đổi hợp thức

Sự phủ kim loại

 Tỉ số môn của các nguyên tố trong một hợp chất

 Tạp chất trong màng phún xạ thấp

 Trong bốc bay, tạp chất do vật liệu chứa

 Sự bao phủ bậc thang tốt hơn

 Phún xạ được làm từ diện tích mở rộng của

target bóng mờ là thấp nhất

 Đồ đồng đều tương đối cao

Một số ưu điểm khác của phún xạ

Sự va chạm giữa các hạt

Sự phân bố cosin của dòng hạt rời khỏi đế.

Sự phân bố tốc độ lắng đọng

Năng lượng phản xạ của hạt tới thay đổi theo khối lượng nguyên tử target

Năng lượng phản xạ của hạt tới

Lấy đi những cấu hình không phẳng trong lắng đọng phún xạ có thế âm ở đế, cho phép lọc lựa tốt hơn mẫu có dạng lỗ

Bias sputtering

Phún xạ phản ứng

Phún xạ phản ứng

 Khí phản ứng được đưa vào buồng phún xạ cùng với khí Ar.

 Hợp chất được hình thành giữa khí phản ứng và nguyên tử phún xạ (ví dụ TiN).

 Phản úng thường xảy ra trên bề mặt đế và trên target.

 Khi quá nhiều khí phản ứng có thể gây ra tốc độ phản ứng vượt quá tốc độ phún xạ

 Sự đầu độc target làm thay đổi tốc độ phún xạ rất lớn !

Phún xạ phản ứng

 Phún xạ DC sử dụng cho đế dẫn điện

 Lắng động SiO 2 sử dụng phún xạ DC cần 10 12 V

 Phún xạ DC không duy trì đối với target không dẫn điện, bởi vì

điện tích dương trên bề mặt target từ chồi dòng ion và dập tắt phún xạ

 Thế RF có thể được nối thông qua đế cách điện, vì thế điện cực

Ở tần số radio (13.56 MHz), điện cực nguồn sẽ phát triển một màng điện tích âm (tự hình thành) do sự khác biệt độ linh động của điện

 giảm năng lượng ion

 Ơû cùng nguồn áp vào, nhiều sự phân chia làm tăng năng lượng điện tử

Hiệu ứng quan trọng

 Tần số nhỏ hơn 1 MHz

 Điện tử và ion trong plasma linh động

 Cả hai loại hạt mang điện theo sự chuyển đổi giữa anode và cathode

 Phún xạ DC căn bản ở cả hai bề mặt

 Tần số lớn hơn 1 MHz

 Ion có thể không theo sự chuyển đổi này(nặng)

 Điện tử có thể trung hòa với điện tích dương được thành

lập

Điện cực nào là cathode?

 Độ linh động của điện tử cao hơn cathode thu được nhiều

điện tích âm hơn điện tích đương

 Bộ tụ điện khóa thế dc từ nguồn cấp điện

 Sau một vài chu trình cathode được tích thế âm

 Trong suốt một vài chu kỳ đầu, nhiều điện tử được thu ở điện cực nhiều hơn ion (độ linh động cao), và gây ra tích điện âm hình thành ở điện cực.

 Do đó, điện cực duy trì thế DC ổn định, âm so với thế plasma, V p

 Thế plama V p dương giúp truyền ion dương chậm hơn và làm chậm sự hình thành điện cực âm.

Phún xạ RF

 Đế được phún xạ cùng tốc độ như target bởi vì sụt thế bằng

nhau ở cả hai điện cực đối với hệ đối xứng.

 Điện cực nhỏ hơn đòi hỏi mật dộ dòng RF cao hơn để duy

trì cùng một dòng tổng cộng như điện cực lớn

Phún xạ RF

 Làm điện cự target nhỏ hơn điện cực khác, sụt

thế ở điện cực target sẽ lớn hơn nhiều điện cực khác

 Vì thế hầu hết phún xạ xảy ra ở target.

Phún xạ RF