PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO … hoc quang dien tu/Semina tren...

Thắc mắc xin đưa lecircn diễn đagraven tại wwwmyyagycommientay

PHƯƠNG PHAacuteP PHUacuteN XẠ MAGNETRON RFTRONG CHẾ TẠO MAgraveNG MỎNG

Học Viecircn thực hiện Phạm Văn Thịnh

I PHƯƠNG PHAacuteP PHUacuteN XẠ

1 Phuacuten xạ lagrave gigrave Phuacuten xạ (Sputtering) hay Phuacuten xạ catốt (Cathode Sputtering) lagrave kỹ

thuật chế tạo magraveng mỏng dựa trecircn nguyecircn lyacute truyền động năng bằng caacutechdugraveng caacutec iocircn khiacute hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phaacute bề mặt vậtliệu từ bia vật liệu truyền động năng cho caacutec nguyecircn tử nagravey bay về phiacuteađế vagrave lắng đọng trecircn đế

I2

Hệ

số

phuacuten

Higravenh 1 Mocirc higravenh phuacuten xạ

2 Bản chất quaacute trigravenh phuacuten xạ

Khaacutec với phương phaacutep bay bốc nhiệt phuacuten xạ khocircng lagravem cho vậtliệu bị bay hơi do đốt noacuteng magrave thực chất quaacute trigravenh phuacuten xạ lagrave quaacute trigravenhtruyền động năng Vật liệu nguồn được tạo thagravenh dạng caacutec tấm bia (target)vagrave được đặt tại điện cực (thường lagrave catốt) trong buồng được huacutet chacircnkhocircng cao vagrave nạp khiacute hiếm với aacutep suất thấp (cỡ 10-2 mbar) Dưới taacutec dụngcủa điện trường caacutec nguyecircn tử khiacute hiếm bị iocircn hoacutea tăng tốc vagrave chuyểnđộng về phiacutea bia với tốc độ lớn vagrave bắn phaacute bề mặt bia truyền động năngcho caacutec nguyecircn tử vật liệu tại bề mặt bia Caacutec nguy ecircn tử được truyền động


năng sẽ bay về phiacutea đế vagrave lắng đọng trecircn đế Caacutec nguyecircn tử nagravey được gọilagrave caacutec nguyecircn tử bị phuacuten xạ Như vậy cơ chế của quaacute trigravenh phuacuten xạ lagrave vachạm vagrave trao đổi xung lượng hoagraven toagraven khaacutec với cơ chế của phương phaacutepbay bốc nhiệt trong chacircn khocircng

II CAacuteC LOẠI PHUacuteN XẠ

1 Phuacuten xạ phoacuteng điện một chiều (DC discharge sputtering)

Lagrave kỹ thuật phuacuten xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc chocaacutec iocircn khiacute hiếm Bia vật liệu được đặt trecircn điện cực acircm (catốt) trongchuocircng chacircn khocircng được huacutet chacircn khocircng cao tuỳ thuộc vagraveo thiết bị magravediện tiacutech của bia nằm trong khoảng từ 10 đến vagravei trăm centimet vuocircng sauđoacute nạp đầy bởi khiacute hiếm (thường lagrave Ar hoặc He) với aacutep suất thấp (cỡ 10 -

2 mbar) Anocirct coacute thể lagrave đế hoặc toagraven bộ thagravenh chuocircng chacircn khocircngKhoảng caacutech catocirct-anocirct ngắn hơn rất nhiều khoảng caacutech nguồn-đế trongbốc bay chacircn khocircng vagrave thường lagrave dưới 10 cm Trong caacutec khiacute trơ Argonđược sử dụng để phuacuten xạ nhiều hơn cả aacutep suất của noacute được duy trigrave trongchuocircng cỡ 1 Torr Plasma trong trường hợp nagravey được higravenh thagravenh vagrave duytrigrave nhờ nguồn điện cao aacutep một chiều Cơ chế higravenh thagravenh plasma giống cơchế phoacuteng điện lạnh trong khiacute keacutem Người ta sử dụng một hiệu điện thếmột chiều cao thế đặt giữa bia (điện cực acircm) v agrave đế mẫu (điện cực dương)Điện tử thứ cấp phaacutet xạ từ catocirct được gia tốc trong điện trường cao aacutepchuacuteng ion-hoacutea caacutec nguyecircn tử khiacute do đoacute tạo ra lớp plasma (đoacute lagrave trạng thaacuteitrung hogravea điện tiacutech của vật chất magrave trong đoacute phần lớn lagrave caacutec ion dương vagraveđiện tử) Caacutec ion khiacute Ar+ bị huacutet về catocirct bắn phaacute lecircn vật liệu lagravem bật caacutecnguyecircn tử ra khỏi bề mặt catocirct Quaacute trigravenh nagravey lagrave quaacute trigravenh phoacuteng điện coacutekegravem theo phaacutet saacuteng (sự phaacutet quang do iocircn hoacutea) V igrave dograveng điện lagrave dograveng điệnmột chiều necircn caacutec điện cực phải dẫn điện để duy tr igrave dograveng điện do đoacute kỹthuật nagravey thường chỉ dugraveng cho caacutec bia dẫn điện (bia kim loại hợp kim)Tuy nhiecircn hiệu suất phuacuten xạ trong trường hợp nagravey lagrave rất thấp Ngagravey nayphương phaacutep phuacuten xạ cao aacutep một chiều magrave khocircng sử dụng magnetron hầunhư khocircng được sử dụng trong cocircng nghệ chế tạ o magraveng


Higravenh 2 Sơ đồ hệ phoacuteng điện cao aacutep một chiều (DC-sputter)

2 Phuacuten xạ phoacuteng điện xoay chiều (RF discharge sputtering)Lagrave kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho iocircn khiacute

hiếm Noacute vẫn coacute cấu tạo chung của caacutec hệ phuacuten xạ tuy nhi ecircn maacutey phaacutet lagravemột maacutey phaacutet cao tần sử dụng dograveng điện tần số soacuteng vocirc tuyến (thường lagrave1356 MHz) Điện aacutep đặt trecircn điện cực của hệ chacircn khocircng lagrave nguồn xoaychiều tần số từ 01 MHz trở lecircn biecircn độ trong khoảng 05 đến 1 kV Mật độdograveng ion tổng hợp tới bia trong khoảng 1 mAcm2 trong khi bi ecircn độ củadograveng cao tần tổng hợp cao hơn rất nhiều (coacute khi lớn gấp một bậc hoặc h ơnnữa) Vigrave dograveng điện lagrave xoay chiều necircn noacute coacute thể sử dụng cho caacutec bia vật liệukhocircng dẫn điện Maacutey phaacutet cao tần sẽ tạo ra caacutec hiệu điện thế xoay chiềudạng xung vuocircng V igrave hệ sử dụng dograveng điện xoay chiều necircn phải đi qua mộtbộ phối hợp trở khaacuteng vagrave hệ tụ điện coacute taacutec dụng tăng cocircng suất phoacuteng điệnvagrave bảo vệ maacutey phaacutet Quaacute tr igravenh phuacuten xạ coacute hơi khaacutec so với phuacuten xạ mộtchiều ở chỗ bia vừa bị bắn phaacute bởi caacutec iocircn coacute năng l ượng cao ở nửa chu kỳacircm của hiệu điện thế vagrave bị bắn phaacute bởi caacutec điện tử ở nửa chu kỳ dương

Phuacuten xạ cao tần coacute nhiều ưu điểm hơn so với phuacuten xạ cao aacutep mộtchiều thiacute dụ điện aacutep thấp phuacuten xạ trong aacutep suất khiacute thấp hơn tốc độ phuacutenxạ lớn hơn vagrave đặc biệt phuacuten xạ được tất cả caacutec loại vật liệu từ kim loại đếnoxit hay chất caacutech điện Plasma trong phuacuten xạ cao tần được higravenh thagravenh vagraveduy trigrave nhờ nguồn cao tần cũng giống như quaacute trigravenh ion hoacutea xảy ra trongphuacuten xạ cao aacutep Tuy nhiecircn ngagravey nay phuacuten xạ cao tần riecircng biệt cũng khocircngcograven được sử dụng bởi hiệu suất phuacuten xạ vẫn cograven chưa cao Người ta sửdụng magnetron để khắc phục nhược điểm nagravey


Higravenh 3 Sơ đồ hệ phoacuteng điện cao tần coacute tụ chặn lagravem tăng hiệu suất bắnphaacute ion

3 Phuacuten xạ magnetronLagrave kỹ thuật phuacuten xạ (sử dụng cả với xoay chiều v agrave một chiều) cải tiến

từ caacutec hệ phuacuten xạ thocircng dụng bằng caacutech đặt b ecircn dưới bia caacutec nam chacircmNhư đatilde mocirc tả ở phần trecircn với cấu higravenh của điện cực trong cả hai

phương phaacutep phuacuten xạ đều coacute điện trường vuocircng goacutec với bề mặt bia Nhưngvới magnetron chuacuteng ta cograven thấy từ trường của caacutec nam chacircm tạo ra đườngsức vuocircng goacutec với điện trường (coacute nghĩa lagrave song song với mặt phẳng củabia) Vigrave thế từ trường được tập trung vagrave tăng cường plasma ở vugraveng gần bia

Từ trường của nam chacircm coacute taacutec dụng bẫy caacutec điện tử v agrave iocircn lại gần biavagrave tăng hiệu ứng iocircn hoacutea tăng số lần va chạm giữa caacutec iocircn điện tử với caacutecnguyecircn tử khiacute tại bề mặt bia do đoacute l agravem tăng tốc độ lắng đọng giảm sự bắnphaacute của điện tử vagrave iocircn trecircn bề mặt magraveng giảm nhiệt độ đế vagrave coacute thể tạo rasự phoacuteng điện ở aacutep suất thấp h ơn

Bacircy giờ chuacuteng ta xem bẫy điện tử lagravem việc như thế nagraveo Cấu higravenh nhưmocirc tả trecircn higravenh 4 (a b) tạo ra hiệu ứng cuốn điện tử trong h ướng Chuacuteng tacoacute một ldquohiệu ứng Hallrdquo chồng lecircn dograveng cuốn nagravey vagrave coacute hướng chuyển độngquanh bia như những ldquocon quayrdquo


Higravenh 4 Sơ đồ nguyecircn lyacute bẫy điện tử bằng từ trường trong hệ phuacuten xạmagnetron

Baacuten kiacutenh quỹ đạo (ρ) của con quay được xaacutec định bằng cocircng thứcm

qB

trong đoacutem- lagrave khối lượng của điện tửv lagrave thagravenh phần vuocircng goacutec của tốc độ điện tử đối với đ ường sứcB lagrave cảm ứng từ

Nhigraven chung trong caacutec hệ phuacuten xạ thực baacuten kiacutenh quỹ đạo coacute giaacute trịnhỏ chỉ khoảng một đến vagravei milimeacutet Vigrave vậy sự giam hatildem điện tử gần bềmặt bia lagrave rất hiệu quả Caacutec điện tử chuyển động quanh đ ường sức cho đếnkhi chuacutengbị taacuten xạ bởi nguyecircn tử Trecircn thực tế magnetron cograven tồn tại mộtkhoảng thời gian ngắn sau khi lực khocircng cograven vigrave caacutec điện tử vẫn cograven bị bẫysau một số lượt chuyển động vograveng quanh Để hiểu tốt hơn vấn đềmagnetron chuacuteng ta xem xeacutet viacute dụ dưới đacircy

Thocircng thường để bắn phaacute caacutec target lagrave kim loại hay chất dẫn điệnđược thigrave ta dugraveng dograveng 1 chiều (Direct Current) để tạo plasma (DC -magnetron sputtering) Nếu caacutec target lagrave caacutec chất caacutech điện như caacutec oxidthigrave bắt buộc ta phải dugraveng dograveng RF để tạo plasma4 Caacutec cấu higravenh phuacuten xạ khaacutec

Ngoagravei ba kiểu phuacuten xạ necircu trecircn trong thực tiễn người ta cograven chế tạocaacutec thiết bị phuacuten xạ với cấu h igravenh khaacutec (caacutec bộ phận chiacutenh vẫn dựa trecircn cấuhigravenh của hai loại trước) Trong đoacute coacute loại cấu h igravenh sử dụng đến phacircn thếtrecircn đế để kiacutech thiacutech bắn phaacute ion vagrave quaacute trigravenh phủ magraveng coacute loại phoacuteng điệnbằng hỗ trợ ion nhiệt trong đoacute điện tử thứ cấp được tăng cường từ sợivonfram đốt noacuteng Phuacuten xạ chugravem ion cũng lagrave một cấu higravenh tỏ ra hữu hiệutrong cocircng nghệ chế tạo magraveng mỏng Trong cấu higravenh nagravey nguồn ion đượcthiết kế taacutech hẳn ra khỏi catocirct lagravem việc với điện thế phoacuteng điện thấp h ơn


Từ nguồn nagravey chugravem ion bắn thẳng vagraveo bia với động năng lớn nhất đạt đượctương đương năng lượng trong cao aacutep một chiều

Higravenh 5 Ảnh chụp thiết bị sputtering Univex 450 tại tr ường Đại họcKhoa học Tự nhiecircn Đại học Quốc gia Hagrave Nội

III PHƯƠNG PHAacuteP PHUacuteN XẠ MAGNETRON RF TRONGCHẾ TẠO MAgraveNG MỎNG

1 Giới thiệuRF-Magnetron Sputter lagrave một kỹ thuật tạo magraveng mỏng (Thin films)

hiệu quả nhất trong caacutec kỹ thuật phuacuten xạ Từ trường tạo ra bởi Magnetronsẽ định hướng dograveng plasma tạo thagravenh thagravenh caacutec loops (vograveng trograven) do đoacutemật độ ion trong plasma cao hơn vagrave đồng đều hơn do đoacute plasma mật độ caocoacute thể tạo thagravenh trong ở aacutep suất thấp Hơn nữa Magnetron sẽ bẫy caacutec điệntử tập trung trecircn bề mặt của target vagrave trong quaacute trigravenh đoacute dưới taacutec dụng củađiện trường RF sẽ sẽ ion caacutec tiểu phacircn khiacute v agrave chiacutenh caacutec tiểu phacircn khiacute tạothagravenh nagravey sẽ bắn phaacute bề mặt của target RF ở đacircy lagrave viết tắt của chữ RadioFrequency nhưng yacute nghĩa của noacute ở đacircy lagrave năng lượng của quaacute trigravenh tạoplasma được cung cấp bởi caacutec dograveng điện xoay chiều cao tần (ở tần số soacutengradio từ 2 - 20 MHz) Thocircng thường khiacute Ar Nitơ hay hỗn hợp caacutec khiacute nagraveyvới Oxy đoacuteng vai quan trọng trong bốc bay vật liệu ở target ngo agravei yacute nghĩalagrave khiacute tạo ion noacute cograven tham gia vagraveo quaacute trigravenh tạo magraveng nữa Noacutei chung lagravemagraveng mỏng (thin films) tạo bởi kỹ thuật nagravey coacute thể bao gồm nhiều vật liệu


khaacutec nhau vagrave magraveng rất đồng đều

2 Nguyecircn lyacute hoạt động

Higravenh 6 Nguyecircn lyacute hoạt động chung

Dograveng khiacute (thường lagrave argon hoặc argon+O2 argon+N2) được bơm vagraveobuồng chacircn khocircng tạo plasma higravenh thagravenh caacutec ion Ar+ Caacutec ion nagravey hướngvề target (kim loại cần tạo mạng mỏng) đ ược aacutep thế acircm Caacutec ion nagravey dichuyển với vận tốc cao bắn phaacute target v agrave đaacutenh bật caacutec nguyecircn tử của targetra khỏi target Caacutec nguyecircn tử nagravey bốc hơi vagrave đi đến substrate (thuỷ tinhhay silicon wafer) tiacutech tụ trecircn substrate vagrave higravenh thagravenh magraveng m ỏng khi sốlượng nguyecircn tử đủ lớn

Trong quaacute trigravenh bắn phaacute của ion Ar+ vagraveo target ngoagravei quaacute trigravenh đaacutenhbật caacutec nguyecircn tử của target cograven coacute caacutec quaacute trigravenh khaacutec xảy ra như higravenhthagravenh caacutec electron thứ cấp hấp phụ higravenh thagravenh hợp chất

Trong quaacute trigravenh sputtering ta coacute th ể lợi dụng caacutec ion thứ cấp h igravenhthagravenh để tăng tốc độ tạo magraveng hoặc giảm thế aacutep vagraveo target hoặc giảm aacutepsuất dograveng Ar Kỹ thuật nagravey gọi lagrave magnetron sputtering Trong k ỹ thuật nagraveyta aacutep 1 từ trường vagraveo target Từ trường nagravey sẽ giữ caacutec electron thứ cấp daođộng trecircn caacutec đường sức từ quanh target Caacutec electron dao động gần bề mặttarget sẽ goacutep phần ion hoaacute nhiều nguy ecircn tử Argon hơn Chiacutenh điều nagravey tăngtốc độ quaacute trigravenh tạo magraveng mỏng


Higravenh 7 Nguyecircn lyacute hoạt động của phuacuten xạ Magnetron RF

Quaacute trigravenh higravenh thagravenh magraveng mỏng caacutec nguyecircn tử tập hợp lại thagravenhtừng cụm trecircn substrate khi caacutec cụm đủ lớn sẽ liecircn kết lại higravenh thagravenh magraveng(gồm một số lớp nguyecircn tử) Từ caacutec lớp ban đầu nagravey magraveng sẽ tiếp tục phaacutettriển nhưng ko phải phaacutet triển đồng đều cho cả bề mặt m agrave phaacutet triển theocaacutec hướng coacute năng lượng tự do thấp nhất Coacute thể h igravenh thagravenh caacutec cột hay caacuteccụm vagrave cứ thế phaacutet triển higravenh thaacutei vagrave tiacutenh chất của magraveng sẽ khaacutec nhau

Higravenh thaacutei (morphology) của magraveng mỏng tuỳ theo nhiệt độ củasubstrate năng lượng của ion Ar (hay aacutep suất) m agraveng mỏng higravenh thagravenh coacutecaacutec higravenh thaacutei khaacutec nhau Viacute dụ Nếu ta thay đổi dograveng khiacute Argon bằng hỗnhợp Argon + O2 hoặc Argon + N2 th igrave ta thu được magraveng oxid hoặc nitridtương ứng

21 Hệ số phuacuten xạ

i

ns

n Trong đoacute

s hệ số phuacuten xạ

nα số nguyecircn tử bị phuacuten xạ

ni số ion đập vagraveo bề mặt cathode

Hệ số phuacuten xạ s phụ thuộc vagraveo

- Bản chất của vật liệu phuacuten xạ

- Loại ion vagrave năng lượng của ion bắn phaacute lecircn bia

- Goacutec đập của ion lecircn bề mặt cathode

- Phụ thuộc vagraveo aacutep suất khiacute lagravem việc


22 Sự phụ thuộc vagraveo goacutec tới của sự phuacuten xạ

Higravenh 8 Hệ số phuacuten xạ đạt giaacute trị cao nhất ở v agraveo khoảng goacutec tớicoacute giaacute trị 720

3 Cấu tạo Maacutey phuacuten xạ magnetron RFNoacute vẫn coacute cấu tạo chung của caacutec hệ phuacuten xạ tuy nhi ecircn maacutey phaacutet lagrave

một maacutey phaacutet cao tần sử dụng d ograveng điện tần số soacuteng vocirc tuyến (thường lagrave1356 MHz) Vigrave dograveng điện lagrave xoay chiều necircn noacute coacute thể sử dụng cho caacutec biavật liệu khocircng dẫn điện Maacutey phaacutet cao tần sẽ tạo ra caacutec hiệu điện thế xoaychiều dạng xung vuocircng

Do hệ sử dụng dograveng điện xoay chiều necircn phải đi qua một bộ phối hợptrở khaacuteng vagrave hệ tụ điện coacute taacutec dụng tăng cocircng suất phoacuteng điện vagrave bảo vệmaacutey phaacutet Quaacute trigravenh phuacuten xạ coacute hơi khaacutec so với phuacuten xạ một chiều ở chỗ


bia vừa bị bắn phaacute bởi caacutec iocircn coacute năng l ượng cao ở nửa chu kỳ acircm của hiệuđiện thế vagrave bị bắn phaacute bởi caacutec điện tử ở nửa chu kỳ d ương

Gồm caacutec bộ phận chiacutenh sau - Buồng chacircn khocircng- Bia Được gắn vagraveo một bản giải nhiệt Bản giải nhiệt được gắn vagraveocathode- Bộ phận Magnetron Từ trường do một vograveng nam chacircm becircn ngoagravei baoquanh vagrave khaacutec cực với nam chacircm ở giữa Chuacuteng đ ược nối với nhau bằngmột tấm sắt coacute taacutec dụng kheacutep k iacuten đường sức từ phiacutea dưới- Đế Được aacutep vagraveo điện cực anode- Nguồn xoay chiều cao tần

31 Buồng phuacuten xạ

Higravenh Buồng phuacuten xạ

32 Một số loại đế dugraveng trong hệ phuacuten xạ


Đế Ceramic (gốm)

Đế Silicon

33 Bia- Bia phuacuten xạ kiacutech thước cỡ 2rdquo hoặc 3rdquo

a) Bia kim loạiCoacute thể noacutei trong caacutec loại vật liệu để phuacuten xạ th igrave vật liệu kim loại đơn

chất lagrave dễ gia cocircng bia hơn cả Thiacute dụ bia vagraveng đồng tantan platin vv coacute thể chế tạo bằng caacutech đổ khuocircn đuacuteng kiacutech th ước của catocirct Do kim loạidẫn điện vagrave dẫn nhiệt rất tốt cho necircn dugraveng magnetron cao aacutep một chiều đểphuacuten xạ caacutec loại bia kim loại nagravey sẽ cho hiệu suất phuacuten xạ cao Thiacute dụtrong phương phaacutep hiển vi điện tử (SEM vagrave TEM) người ta thường phủ lớpvagraveng hay platin rất mỏng lecircn bề mặt mẫu caacutech điện (để dẫn điện tử xuốngcatocirct) Lớp vagraveng nagravey được lắng đọng trong buồng phuacuten xạ m agrave chacircn khocircngđược huacutetbằng hệ bơm của thiết bị kiacutenh hiển vi Caacutec bia v agraveng hay platin sửdụng được rất lacircu bởi vigrave mỗi lần phuacuten xạ chuacuteng chỉ bị tẩy đi một lớp d agraveyvagravei chục nanocircmeacutet Magraveng mỏng kim loại vagraveng cograven được phủ lecircn đế thủy tinhđể lagravem gương baacuten phản xạ sử dụng trong caacutec th iết bị quang học v agrave lazeMagraveng platin hay palađi phacircn taacuten bằng phuacuten xạ tạo ra lớp hoạt hoacutea tr ecircn bềmặt caacutec vật liệu silic xốp hay SnO2 cấu truacutec nanocirc tinh thể Nhờ đoacute magrave độnhạy của caacutec sensơ khiacute chế tạo từ vật liệu kể trecircn tăng lecircn đaacuteng kể

b) Bia hợp kimCaacutec vật liệu hợp kim như CoCrTa CoNiCrTa CoCrPt CoFeTb vagrave

CoCrNiPt (ở đacircy khocircng đưa caacutec chỉ số thagravenh phần vagraveo trong cocircng thức)cũng được phuacuten xạ Do magraveng mỏng của caacutec hợp kim đogravei hỏi khắt khe vềthagravenh phần hơn nữa chuacuteng coacute từ tiacutenh lagravem ảnh hưởng đến hiệu suấtmagnetron cho necircn việc gia cocircng bề mặt bia cần phải đaacutep ứng (i) độ đồngnhất cao về thagravenh phần (ii) độ hợp thức trong cấu tạo của bia cần đ ược tiacutenhđến khả năng hoacutea hơi khaacutec nhau của caacutec thagravenh phần sao cho khi phuacuten xạ coacutethể nhận được magraveng đuacuteng hợp thức mong muốn

Đế thủy tinh


c) Bia hợp chất chứa ocircxyCaacutec loại magraveng coacute cấu truacutec nhiều thagravenh phần như magraveng sắt từ BaTiO3

LiNbO3 SrTiO3 hay magraveng siecircu d ẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7 cũng đ ượcchế tạo bằng phuacuten xạ magnetron Việc gia cocircng b ia cho caacutec vật liệu tr ecircnquyết định sự thagravenh cocircng của cocircng nghệ Coacute thể chế tạo bia gồm đủ caacutecthagravenh phần cấu tạo kể trecircn nhưng hagravem lượng của từng nguyecircn tố thigrave cầnđiều chỉnh sao cho hợp thức trong magraveng phugrave hợp với cấu truacutec của từng chấtCaacutech thứ hai lagrave chế tạo hai hoặc ba bia lagrave caacutec oxit sử dụng phương phaacutepđồng phuacuten xạ từ hai hoặc ba bia đoacute để nh ận magraveng coacute hợp thức vagrave cấu truacutecmong muốn Cuối cugraveng coacute thể nhận thấy rằng phương phaacutep phuacuten xạmagnetron cograven được ứng dụng để chế tạo nhiều chủng loạ i vật liệu khaacutec magravephương phaacutep bốc bay khocircng thực hiện được Caacutec vật liệu magraveng mỏng oxithay nitrua được chế tạo dễ dagraveng bằng caacutech phuacuten xạ kim loại tương ứngtrong khiacute argon trộn ocircxy hoặc nitơ - gọi lagrave phuacuten xạ phản ứng Thiết bị phuacutenxạ hiện đại đ ược tự động hoacutea cao cho necircn quaacute trigravenh lắng đọng magraveng mỏngcoacute thể khống chế chiacutenh xaacutec hơn Hầu hết caacutec thiết bị đều coacute từ hai đến banguồn phuacuten xạ (haiđến ba bia) nhờ đoacute coacute thể thực hiện phuacuten x ạ đồng thờinhiều loại vật liệu khaacutec nhau tạo ra caacutec magraveng mỏng hợp chất vật liệu phatạp vật liệu cấu truacutec nanocirc phức tạp khaacutec Ở Việt Nam hiện nay cũng đatildecoacute nhiều cơ sở nghiecircn cứu vagrave đagraveo tạo được trang bị caacutec thiết bị phuacuten xạ hiệnđại coacute đủ caacutec chức năng kể trecircn

34 Bộ phận tạo chacircn khocircng Thường dugraveng 2 loại bơm

-Bơm sơ cấp (bơm rote hoặc bơm quay dầu)Tốc độ 30 m3h

Aacutep suất tới hạn 10-2 torr

- Bơm khuếch taacutenTốc độ 200 lsecAacutep suất tới hạn 10-10 torr


- Chacircn khocircng phuacuten xạChacircn khocircng tới hạn 10-7 torr

Chacircn khocircng lagravem việc 10-2 10-3 torr

35 Bộ phận Magnetron

- Từ trường do một vograveng nam chacircm becircn ngoagravei bao quanh vagrave khaacutec c ựcvới nam chacircm ở giữa Chuacuteng đ ược nối với nhau bằng một tấm sắt coacute taacutecdụng kheacutep kiacuten đường sức từ phiacutea dưới

Higravenh 14 Cấu truacutec của một số hệ Magnetron thocircng th ường


36 PlasmaĐược tạo ra do cơ chế sau Khi ta bơm khiacute trơ vagraveo buồng chacircn khocircng

trong buồng vốn coacute sẵn một số iacutet electron tự do caacutec e n agravey va chạm với caacutecnguyecircn tử khiacute trơ trung hogravea lagravem ion hoacutea caacutec nguyecircn tử nagravey thagravenh caacutec iondương ( Viacute dụ Ar +) Caacutec ion nagravey dưới taacutec dụng của điện trường gia tốc bayđến đập vagraveo catot ở đacircy lagrave bia lagravem caacutec nguyecircn tử ở bia văng ra đồng thờicaacutec e thứ cấp cung higravenh thagravenh bay ra caacutec e thứ cấp tiếp tục ion hoacutea caacutecnguyecircn tử khiacute tạo thagravenh khối plasma phaacutet saacuteng giữa hai điện cực

Higravenh 15 Vugraveng plasma giữa 2 điện cực

Higravenh 16 Ảnh chụp Plasma trong buồng phuacuten xạ

4 Caacutec yếu tố ảnh hưởng lecircn tốc độ lắng đọng magraveng

41 Dograveng vagrave thếTrong hầu hết caacutec trường hợp phuacuten xạ thigrave việc tăng cocircng suất phuacuten xạ

cũng khocircng ảnh hưởng nhiều đến tốc độ lắng đọng Mặt khaacutec như chuacuteng tađatilde thấy số ion bắn lecircn catocirct tỷ lệ thuận với mật độ dograveng Cho necircn yếu tố

Khối Plasma


ảnh hưởng lớn lecircn tốc độ lắng đọng chiacutenh lagrave dograveng hơn lagrave điện thế đặt trecircncatocirct Trecircn higravenh lagrave số liệu thực nghiệm nhận được về sự phụ thuộc chiềudagravey magraveng mỏng vagraveo điện thế catocirct với thời gian phuacuten xạ l agrave 1 giờ bia sửdụng lagrave tantan đường kiacutenh 76 mm Chuacuteng ta thấy sau g iaacute trị 1500 V điệnthế coacute tiếp tục tăng hơn nữa thigrave tốc độ lắng đọng cũng chỉ tăng khocircng đaacutengkể (chiều dagravey của magraveng nhận được khocircng tăng) Như vậy trong trường hợpcocircng suất của thiết bị hạn chế th igrave chuacuteng ta necircn tăng dograveng phuacuten xạ vagrave giảmđiện thế trecircn catocirct Việc tăng dograveng phuacuten xạ coacute thể thực hiện được bằng caacutechgiảm aacutep suất tăng phaacutet xạ điện tử dugraveng từ trường (magnetron) hay tăngdiện tiacutech bia giảm kiacutech thước bia-đế hellip

42 Aacutep suấtChuacuteng ta cũng đatilde biết trong kỹ thuật phoacuteng điện phuacuten xạ th igrave khi

tăng aacutep suất mật độ ion tức lagrave mật độ dograveng sẽ tăng lecircn Khi cocircng suất phuacutenxạ được giữ khocircng đổi thigrave tốc độ lắng đọng cũng tăng theo mật độ d ograveng coacutenghĩa lagrave tăng theo aacutep suất phuacuten xạ

Trong khoảng aacutep suất khocircng lớn lắm tốc độ lắng đọng tăng tuyến tiacutenhtheo aacutep suất Trecircn higravenh trigravenh bagravey kết quả thực nghiệm khảo saacutet sự phụthuộc vagraveo aacutep suất của tốc độ lắng đọng magraveng mỏng molipđen Trecircn higravenhcograven coacute cả đường phụ thuộc vagraveo aacutep suất của dograveng phuacuten xạ Cả hai đường phụthuộc đều lagrave tuyến tiacutenh nhưng dograveng tăng với tốc độ nhanh hơn tốc độ lắngđọng Điều nagravey cũng chứng tỏ số lượng ion nguyecircn tử được thoaacutet ra khỏibia magrave coacute thể quay trở lại catocirct do hiệu ứn g khuếc h taacuten ngược cũng đượcgiảm Tuy nhiecircn hiệu ứng khuếch taacuten ngược chỉ quan saacutet thấy khi aacutep suấtvượt một giaacute trị ngưỡng nhất định Thực nghiệm cho thấy d ograveng catocirct vagravetốc độ lắng đọng magraveng khocircng cograven tăng theo aacutep suất khi chacircn khocircng giảmxuống aacutep suất vượt giaacute trị 1310-1Torr Tốc độ lắng đọng tối ưu trongtrường hợp phuacuten xạ bằng khiacute argon nhận được khi aacutep suất phuacuten xạ bằng 5divide 610-2 Torr

Higravenh 17 Tốc độ lắng đọng phụ thuộc vagraveo dogravengnhiều hơn lagrave vagraveo điện thếtrecircn bia trong phuacuten xạ magnetron

43 Nhiệt độ đếKhaacutec với aacutep suất nhiệt độ đế l agrave yếu tố phức tạp trong một số trường

hợp tốc độ lắng đọng phụ thuộc rất mạnh v agraveo nhiệt độ đế Thiacute dụ khi hợp


phuacuten xạ SiO2 AsGa Ge tại nhiệt độ đế thấp tốc đ ộ lắng đọng nhỏ C ograven đasố caacutec trường hợp khaacutec thigrave tốc độ lắng đọng tăng đaacuteng kể khi nhiệt độ đếgiảm từ cao xuống thấp Trecircn higravenh 716 lagrave đồ thị phụ thuộc vagraveo nhiệt độ đếcủa tốc độ lắng đọng đối với một số giaacute trị phacircn aacutep tr ecircn đế

Higravenh 18 Vai trograve của nhiệt độ đế đối với tốc độ lắng đọng thể hiện khocircngrotilde rệt trong phuacuten xạ

5 Ưu điểm vagrave hạn chế của phuacuten xạ51 Ưu điểm- Tất cả caacutec loại vật liệu đều coacute thể phuacuten xạ nghĩa lagrave từ nguyecircn tố hợp kim

hay hợp chất

- Bia để phuacuten xạ thường dugraveng được lacircu bởi vigrave lớp phuacuten xạ rất mỏng

- Coacute thể đặt bia theo nhiều hướng trong nhiều trường hợp coacute thể dugravengbia diện tiacutech lớn do đoacute bia lagrave nguồn ldquobốc bay rdquo rất lớn - Trong magnetron coacute thể chế tạo magraveng mỏng từ bia coacute cấu h igravenh đa dạngphụ thuộc vagraveo caacutech lắp đặt nam chacircm bia coacute thể thiết kế theo higravenh dạng củabề mặt đế (higravenh cocircn hoặc higravenh cầu)- Quy trigravenh phuacuten xạ ổn định dễ lặp lại vagrave dễ tự động hoacutea- Độ baacutem diacutenh của magraveng với đế rất tốt do caacutec nguyecircn tử đến lắng đọng trecircnmagraveng coacute động năng khaacute cao so với phương phaacutep bay bốc nhiệt

- Dễ dagraveng chế tạo caacutec magraveng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riecircng biệt Đồngthời đacircy lagrave phương phaacutep rẻ tiền vagrave dễ thực hiện necircn dễ dagraveng triển khai ởquy mocirc cocircng nghiệp


- Magraveng tạo ra coacute độ mấp mocirc bề mặt thấp v agrave coacute hợp thức gần với của bia coacuteđộ dagravey chiacutenh xaacutec hơn nhiều so với phương phaacutep bay bốc nhiệt trong chacircnkhocircng

52 Nhược điểm- Phần lớn năng lượng phuacuten xạ tập trung lecircn bia lagravem noacuteng bia cho necircn phảicoacute bộ lagravem lạnh bia- Tốc độ phuacuten xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chacircn khocircng- Hiệu suất về năng lượng thấp cho necircn phuacuten xạ khocircng phải lagrave phươngphaacutep tiết kiệm năng lượng- Bia thường lagrave rất khoacute chế tạo vagrave đắt tiền- Hiệu suất sử dụng bia thấp (khocircng sử dụng đ ược hết nhiều khi do biagiograven cho necircn dễ bị nứt dẫn đến hỏng sau số lần phuacuten xạ ch ưa nhiều- Trong nhiều trường hợp khocircng cần đến nhiệt độ đế nhưng noacute luocircn bị đốtnoacuteng- Caacutec tạp chất nhiễm từ thagravenh chuocircng trong chuocircng hay từ anocirct coacute thể bịlẫn vagraveo trong magraveng

- Do caacutec chất coacute hiệu suất phuacuten xạ khaacutec nhau n ecircn việc khống chế thagravenhphần với bia tổ hợp trở necircn phức tạp Khả năng tạo ra caacutec m agraveng rất mỏngvới độ chiacutenh xaacutec cao của phương phaacutep phuacuten xạ lagrave khocircng cao Hơn nữakhocircng thể tạo ra magraveng đơn tinh thể- Aacutep suất thấpkhoảng từ 5-15 mTorr Điều nagravey đogravei hỏi phải huacutet chacircn khocircngcao- Số electron theo thời gian tiacutech tụ nhiều tr ecircn bản cực lagravem hủy sự taacutei phuacutenxạ- Ion dương đập vagraveo phaacute hủy magraveng


TAgraveI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Định Tường Magraveng mỏng quang họcNXBKHKT H agrave Nội2004[2] Votilde Thị Kim ChungLuận văn Thạc sĩ Khoa Học Tự Nhi ecircn Tổnghợp magraveng mỏng TiO2 Bằng pp phuacuten xạ Magnetron -mạ ionTrường ĐHKHTN TPHCM1999[3] ThS Vũ Thị Hạnh Thucaacutec bagravei giảng về Vật Lyacute Magraveng MỏngTrườngĐH KHTN TPHCM[4] Lecirc Phương NgọcNguyễn Thị Thu ThảoKhoacutea Luận Tốt Nghiệp[5] Nguyễn Ngọc Thugravey TrangKhoacutea Luận tốt nghiệp[6] Lecirc Vũ Tuấn HugravengNguyễn Văn ĐếnHuỳnh Thagravenh ĐạtNghiecircn cứuchế tạo magraveng mỏng TiO2 bằng phương phaacutep phuacuten xạ MagnetronRFTạp chiacute phaacutet triển KHampCN tập 9số 62006[7] Nguyễn Hữu Đức (2003) Vật liệu từ liecircn kim loại Nhagrave xuất bản Đạihọc Quốc gia Hagrave Nội 1K-02044-01403

Một số trang web tham khảo httpviwikipediaorgwikiMC3A0ng_mE1BB8FnghttpviwikipediaorgwikiPhC3BAn_xE1BAA1_catE 1BB91thttpenwikipediaorgwikiSputteringhttpenwikipediaorgwikiRadio_frequencywwwfreepatentsonlinecomhttpwwwlermpscomPHPHTMLtextesphpref=process_dep ot+phase+vapeurxlshttpwwwajaintcomwhatishtm


năng sẽ bay về phiacutea đế vagrave lắng đọng trecircn đế Caacutec nguyecircn tử nagravey được gọilagrave caacutec nguyecircn tử bị phuacuten xạ Như vậy cơ chế của quaacute trigravenh phuacuten xạ lagrave vachạm vagrave trao đổi xung lượng hoagraven toagraven khaacutec với cơ chế của phương phaacutepbay bốc nhiệt trong chacircn khocircng

II CAacuteC LOẠI PHUacuteN XẠ

1 Phuacuten xạ phoacuteng điện một chiều (DC discharge sputtering)

Lagrave kỹ thuật phuacuten xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc chocaacutec iocircn khiacute hiếm Bia vật liệu được đặt trecircn điện cực acircm (catốt) trongchuocircng chacircn khocircng được huacutet chacircn khocircng cao tuỳ thuộc vagraveo thiết bị magravediện tiacutech của bia nằm trong khoảng từ 10 đến vagravei trăm centimet vuocircng sauđoacute nạp đầy bởi khiacute hiếm (thường lagrave Ar hoặc He) với aacutep suất thấp (cỡ 10 -

2 mbar) Anocirct coacute thể lagrave đế hoặc toagraven bộ thagravenh chuocircng chacircn khocircngKhoảng caacutech catocirct-anocirct ngắn hơn rất nhiều khoảng caacutech nguồn-đế trongbốc bay chacircn khocircng vagrave thường lagrave dưới 10 cm Trong caacutec khiacute trơ Argonđược sử dụng để phuacuten xạ nhiều hơn cả aacutep suất của noacute được duy trigrave trongchuocircng cỡ 1 Torr Plasma trong trường hợp nagravey được higravenh thagravenh vagrave duytrigrave nhờ nguồn điện cao aacutep một chiều Cơ chế higravenh thagravenh plasma giống cơchế phoacuteng điện lạnh trong khiacute keacutem Người ta sử dụng một hiệu điện thếmột chiều cao thế đặt giữa bia (điện cực acircm) v agrave đế mẫu (điện cực dương)Điện tử thứ cấp phaacutet xạ từ catocirct được gia tốc trong điện trường cao aacutepchuacuteng ion-hoacutea caacutec nguyecircn tử khiacute do đoacute tạo ra lớp plasma (đoacute lagrave trạng thaacuteitrung hogravea điện tiacutech của vật chất magrave trong đoacute phần lớn lagrave caacutec ion dương vagraveđiện tử) Caacutec ion khiacute Ar+ bị huacutet về catocirct bắn phaacute lecircn vật liệu lagravem bật caacutecnguyecircn tử ra khỏi bề mặt catocirct Quaacute trigravenh nagravey lagrave quaacute trigravenh phoacuteng điện coacutekegravem theo phaacutet saacuteng (sự phaacutet quang do iocircn hoacutea) V igrave dograveng điện lagrave dograveng điệnmột chiều necircn caacutec điện cực phải dẫn điện để duy tr igrave dograveng điện do đoacute kỹthuật nagravey thường chỉ dugraveng cho caacutec bia dẫn điện (bia kim loại hợp kim)Tuy nhiecircn hiệu suất phuacuten xạ trong trường hợp nagravey lagrave rất thấp Ngagravey nayphương phaacutep phuacuten xạ cao aacutep một chiều magrave khocircng sử dụng magnetron hầunhư khocircng được sử dụng trong cocircng nghệ chế tạ o magraveng
















qB























i

ns

n Trong đoacute























Đế Silicon






Đế thủy tinh






















Khối Plasma













hay hợp chất



























qB























i

ns

n Trong đoacute























Đế Silicon






Đế thủy tinh






















Khối Plasma













hay hợp chất






























i

ns

n Trong đoacute























Đế Silicon






Đế thủy tinh






















Khối Plasma













hay hợp chất


























Đế Silicon






Đế thủy tinh






















Khối Plasma













hay hợp chất

































Khối Plasma













hay hợp chất
























hay hợp chất












PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO … hoc quang dien tu/Semina tren...

Documents

Transcript of PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO … hoc quang dien tu/Semina tren...