Physical Vapor Deposition - Sputtering

1.1.         Phún xạ Magnetron DC

1.1.1.    Phún xạ DC

Phún xạ là hiện tượng những nguyên tử trên bề mặt vật liệu bị bứt ra ngoài khi bị bắn phá bởi các ion có năng lượng cao. Các hạt (nguyên tử) vật liệu bức ra này chuyển động một cách hoàn toàn ngẫu nhiên cho đến khi tìm được một vị trí phù hợp trên đế và lắng đọng cố định vị trí tại đế. Trong quá trình chuyển động này, nếu các hạt bị tích điện thì dưới tác dụng của điện trường chúng sẽ chuyển động thẳng. Đây có thể xem là một lợi thế của phương pháp phún xạ, vì các hạt vật liệu chuyển động thẳng từ bia đến đế theo cùng một hướng. Chúng ta có thể điều khiển được độ dày của màng mỏng nếu biết tốc độ lắng đọng và chọn thời gian phún xạ thích hợp. Tốc độ lắng đọng màng tương đối phụ thuộc vào áp suất và công suất phún xạ. Quá trình phún xạ đặc biệt quan trọng cần thực hiện trong môi trường chân không, do đó, nó thường được tích hợp trên hệ tạo môi trường chân không.

Hình 1. Nguyên lý phún xạ chế tạo màng mỏng

Trong phương pháp phún xạ magnetron DC, Anode (đế cần phủ màng) được nối điện dương, đặt đối diện với cathode. Cathode được cấp thế âm, khoảng từ 200 – 1000 V. Vật liệu dùng để phủ màng mỏng (bia vật liệu) dùng trong phún xạ DC thường là vật liệu kim loại hoặc vật liệu dẫn điện tốt. Trong quá trình phóng điện phún xạ, bia bị các ion bắn phá làm chúng nóng lên gây ra hiện tượng nhả khí hay làm nóng chảy vật liệu bia, do đó cathode được gắn chặt với một bảng giải nhiệt. Toàn bộ bia, bảng giải nhiệt tạo thành một tổ hợp cathode. Phún xạ DC có nhược điểm là hiệu suất tạo ra ion năng lượng cao kém, gây hao tổn năng lượng, để giảm hao tổn năng lượng, thông thường dùng phương án tăng áp suất môi trường phún xạ. Tuy nhiên, khi tăng áp suất phún xạ, sẽ làm tăng thêm lượng tạp chất và gây ảnh hưởng liên đới các tính chất khác.

1.1.2.    Phún xạ magnetron DC

Phún xạ magnetron DC là biến thể được sử dụng rộng rãi nhất của phún xạ DC. Dòng điện phún xạ được tạo ra trong phún xạ magnetron DC lớn hơn từ một đến hai bậc so với phún xạ DC dù cùng một dòng điện cấp vào nhờ. Đạt được điều đó là nhờ vào bộ phận cấu hình magnetron. Đối với cùng khoảng cách điện cực và dòng điện cấp vào bia, phún xạ magnetron DC có thể duy trì sự phóng điện ổn định ở áp suất thấp hơn so với phún xạ DC. Phún xạ magnetron là một kỹ thuật chế tạo trong chân không với tốc độ lắng đọng màng mỏng kim loại, hợp kim và hợp chất lên nhiều loại vật liệu cao, đạt độ dày lên đến milimet. Phương pháp này thể hiện một số ưu điểm quan trọng so với các kỹ thuật phủ chân không khác, có thể ứng dụng thương mại từ chế tạo vi điện tử đến các lớp phủ trang trí đơn giản. Có nhiều ưu điểm khác nhau của phún xạ magnetron như tốc độ lắng đọng cao, có thể tạo được nhiều vật liệu kim loại có độ cứng cao, hợp kim hoặc hợp chất khác nhau, màng có độ tinh khiết cao, độ bám dính tốt, có thể phủ lên các địa hình và chi tiết nhỏ, có khả năng phủ lên bề mặt nhạy với nhiệt độ, dễ dàng tự động hóa, tính đồng nhất tuyệt vời trên bề mặt có diện tích lớn…

Hình 2. a) Cấu tạo một hệ magnetron với từ trường cân bằng, b) hệ nam châm và dòng điện tử cuốn khép kín liên tục va đập lên cathode.

Magnetron là bộ phận tạo bẫy từ trường bên trên bề mặt bia vật liệu, trong số các cấu hình magnetron, cấu hình đặt tiếp xúc cực âm và song song cực dương là phổ biến nhất. Mạch từ (các thanh nam châm) được đặt phía dưới cathode tạo thành một từ trường B trên bề mặt của bia, như Hình 2. a. Dưới tác dụng của điện trường E cấp vào và các đường sức từ khép kín, các điện tử di chuyển dọc theo đường tổng hợp lực của E và B (đường từ xanh dương trên Hình 2. b).

1.1.3.    Nguyên lý phún xạ magnetron DC

Ban đầu, giữa anode và cathode ngăn cách bởi môi trường điện môi chân không ở giữa chúng, chúng ở trạng thái cách điện. Khi điện thế âm được cấp vào bia, cùng với từ trường, nó bắt đầu quá trình kích thích năng lượng và ion hóa các khí phún xạ thông qua lượng ion sẵn có. Các ion của bức xạ nền nhờ từ trường được tập trung gần bề mặt bia nên dễ dàng nhận năng lượng từ điện trường, truyền đến các khí trung hòa. Khi đạt đến năng lượng ion hóa, các khí sẽ tạo ra các cặp ion phân ly và trung hòa (plasma).

 Các ion điện tích dương theo điện trường tiến đến bề mặt bia với động năng lớn. Khi các ion dương va chạm với các nguyên tử ở bề mặt của bia thì xảy ra quá trình truyền năng lượng. Nếu năng lượng truyền đến các nguyên tử bề mặt bia lớn hơn năng lượng liên kết, thì các nguyên tử này có thể bị bứt ra khỏi bia, bay lên và lắng đọng trên đế, bắt đầu hình thành màng mỏng. Các nguyên tử này cũng có thể va chạm thêm với các nguyên tử khác và phân phối năng lượng của chúng thông qua các tầng va chạm.

Sự phún xạ của một nguyên tử bia chỉ là một trong những kết quả có thể xảy ra của việc ion bắn phá bề mặt vật liệu. Bên cạnh đó, quá trình quan trọng thứ hai là sự phát xạ các điện tử thứ cấp từ bề mặt bia. Các điện tử này được gia tốc trong điện trường E, đồng thời bị tác động bởi điện trường ngang B làm ion hóa phân tử khí phún xạ, cho phép duy trì sự phóng điện (duy trì plasma).

Quá trình lắng đọng có thể được thực hiện trong quá trình phóng điện không phản ứng (chỉ khí trơ) hoặc phản ứng (khí trơ và khí phản ứng) với các bia đơn nguyên tố hoặc đa nguyên tố. Trong suốt quá trình phún xạ, áp suất khí phún xạ được duy trì ổn định thông qua hệ thống van đưa khí phún xạ liên tục vào buồng và hệ bơm chân không hút khí dư từ buồng ra ngoài.

Hình 3. Nguyên lí phún xạ magnetron DC

1.2.         Hệ chân không và cấu tạo hệ phún xạ magnetron DC hoàn chỉnh

1.2.1.  Giới thiệu chân không

Như đã đề cập, phún xạ cần được thực hiện trong môi trường chân không, bởi vì, trước hết là cần về nhu cầu tinh khiết của bề mặt màng mỏng được chế tạo. Để có được vài khái niệm về chân không, đầu tiên cần xác định đơn vị chân không thường dùng nhất là torr. Torr là áp suất của cột thủy ngân có chiều cao 1 mm, 1 torr = 1 mm Hg = 1.33 N/m². Chân không sẽ được phân loại theo mức độ của nó.

Bảng 1. Phân loại môi trường chân không

Phân loại áp suất	Áp suất (Pa)	Đơn vị phổ biến
Áp suất cao	105 – 108	15-15,000psi
Áp suất khí quyển	102 – 105	1 torr – 1 atm
Chân không thấp	10-1 – 10-2	10-3 – 1 torr
Chân không cao (HV)	10-4 – 10-1	10-6 – 10-3 torr
Chân không rất cao	10-7 – 10-4	10-9 – 10-6 torr
Chân không siêu cao (UHV)	10-10 – 10-7	10-12 – 10-9 torr

Để đo mức độ chân không (hay đo áp suất của khí loãng trong hệ chân không) người ta dùng dụng cụ đo chân không gọi là áp kế. Nguyên tắc chung của các áp kế là dựa trên các tính chất, định luật vật lý của khí có liên quan tới áp suất của nó. Áp kế trong chân không thường được sử dụng phổ biến hiện nay là áp kế nhiệt điện, áp kế điện trở (pirani), áp kế ion hóa khí.

Hình 4. Áp kế điện trở (Pirani), giá trị đầu ra là điện áp (V).

1.2.2.    Tạo môi trường chân không

Để tạo được môi trường chân không, cần các bơm chân không, là thiết bị dùng để hút khí và hơi của các vật chất khác nhau ra khỏi thể tích cần hút bằng chuyển động cơ học, hay tạo sự liên kết với khí bằng các cơ chế như hấp phụ vật lý, hóa học, hấp thụ ion… Dựa trên thực tiễn, có thể chia bơm chân không ra thành 2 loại:

Ø  Bơm sơ cấp: hoạt động tự do từ áp suất cao, tạo chân không nền cho bơm thứ cấp hoạt động, chân không thông thường nó có thể đạt cực hạn là 10^-3 torr (Double stage rotary, Hình 5)

Ø  Bơm thứ cấp: bơm chỉ làm việc trong điều kiện khi trong thể tích cần hút đạt được chân không ban đầu (áp suất khởi động ~ 10^-2 torr). Chúng có thể tạo được chân không đến 10^-11 torr

Hình 5. Khoảng áp suất làm việc của các loại bơm chân không.

1.2.3.    Cấu tạo hoàn chỉnh hệ phún xạ magnetron DC

Hệ phún xạ cấu tạo cơ bản cần có:

·       Buồng chân không: chứa các bộ phận phún xạ như bia, đế, magnetron...

·       Đầu dò chân không: kiểm tra môi trường chân không

·       Hệ bơm tạo chân không:

·       Các hệ khí nén điều khiển van chân không và hệ thống làm mát cho bơm chân không và magnetron.

Hình 6. Cấu tạo hệ phún xạ với 5 phần chính: buồng chân không, bơm chân không, đầu dò chân không, khí nén điều khiển van và nước giải nhiệt.

Video: