GVHDTH: PGS. TS. Phạm Kim Ngọc
Mục tiêu của bài thí nghiệm:
• Cung cấp cho SV những kiến thức chuyên sâu về phương pháp chế tạo màng mỏng, màng siêu mỏng bằng phương pháp phún xạ.
Mục tiêu của bài thí nghiệm:
• SV hiểu rõ nguyên tắc hoạt động, vận hành đúng hệ thống máy phún xạ.
• SV thực hiện được quy trình chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ.
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Phóng điện khí phát sáng (Glow Discharge)
1.1.1. Plasma
Plasma là một trong bốn trạng thái của vật chất ngoài rắn, lỏng và khí, vật chất trong đó bị ion hóa trở nên dẫn điện cao đến mức điện trường và từ trường tầm xa chi phối hoạt động của nó. Plasma thường là một môi trường gần như điện của các hạt âm và dương không liên kết (tức là tổng điện tích của plasma gần như bằng không).
Để plasma tồn tại cần có quá trình ion hóa, là quá trình một nguyên tử hoặc một phân tử nhận được điện tích âm hoặc dương bằng cách tăng thêm hoặc mất đi các electron. Sự ion hóa cũng có thể là kết quả của việc mất đi một điện tử sau khi va chạm tương tác với các hạ hạt nguyên tử, nguyên tử, phân tử, ion hoặc các bức xạ điện từ.
1.1.2. Phóng điện khí phát sáng
Phóng điện phát sáng là một plasma được hình thành do dòng điện chạy qua chất khí. Nó thường được tạo ra bằng cách đặt một hiệu điện thế giữa hai điện cực trong môi trường giữa chúng chứa một chất khí áp suất thấp. Khi điện áp vượt quá một giá trị được gọi là điện áp đánh thủng, sự ion hóa chất khí trở nên tự duy trì và phát sáng, màu sắc phụ thuộc vào khí được sử dụng cũng như do các phân tử tồn tại trong môi trường. Thông qua màu sắc, có thể nhận điện định tính được thành phần vật chất giữa hai điện cực.
1.1.3. Cơ chế phóng điện khí
a. Định luật Paschen – Sự phóng điện trong chất khí
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra mối liên hệ giữa áp suất và khoảng cách giữa hai điện cực đặt song song trong sự hình thành sự phóng điện trong chất khí. Ví dụ, trong không khí (áp suất khí quyển), khoảng cách giữa hai điện cực đặt song song là ~ 7,5 m, điện áp đánh thủng cần thiết cho điều kiện này là ~327V. Khi khoảng cách là ~ 3,5 m thì cần năng lượng gần gấp đôi, ~533V, nếu cấp một năng lượng 500V thì không thể gây ra tác dụng lên khoảng cách này và cách khoảng cách nhỏ hơn.
Paschen tìm ra sự liên hệ giữa các yếu tố trên, Định luật Paschen là một phương trình cho điện áp đánh thủng, nghĩa là điện áp cần thiết để bắt đầu phóng điện hoặc hồ quang điện, giữa hai điện cực trong môi trường khí như một hàm của áp suất và khoảng cách giữa hai điện cực:
Trong đó:
Hệ quả của phương trình này mang lại một đồ thị dạng đường cong, gọi là đường cong Paschen, thể hiện mối liên hệ giữa điện áp đánh thủng với ρd, với đạo hàm ρd bắt đầu từ 0.
Paschen đã nghiên cứu điện áp đánh thủng của các loại khí khác nhau giữa các điện cực song song với áp suất khí và khoảng cách khác nhau:
b. Quá trình phóng điện khí Townsend (Townsend Avalanche)
Là quá trình ion hóa chất khí mà trong đó các electron tự do được gia tốc bởi điện trường va chạm với các chất khí từ đó tiếp tục gia tăng các electron tự do, quá trình va chạm chất khí liên tục diễn ra. Kết quả của quá trình này là sự tăng lên đột ngột của số lượng electron tự do, được gọi là quá trình “thác lũ” hoặc “tuyết lở”, cho phép dòng điện truyền qua chất khí giữa 2 điện cực và duy trì ổn định trạng thái plasma của chất khí. Sự phóng điện này xảy ra khi và chỉ khi có đủ nguồn electron tự do và điện trường đủ lớn, đây là giai đoạn duy trì sau sự kiện đánh thủng chất khí theo Định luật Paschen.
Dòng điện xuất hiện trong môi trường chất khí sau phóng điện được quan sát thấy rằng sẽ thay đổi theo cấp số nhân, lớn hơn 10 bậc so với điện áp áp vào tại điện cực và không dổi khi thay đổi khoảng cách giữa các điện cực. Dòng điện tổng quát trong chất khí được mô tả theo phương trình thực nghiệm của Townsend:
Trong đó:
Điện áp gần như không đổi và bằng với điện áp đánh thùng, dòng điện sẽ giảm khi đạt tới trạng thái phóng điện khí phát sáng (Glow Discharge).
A phông nền tia vũ trụ, C phóng điện Townsend, D phóng điện Townsend tự duy trì, E phóng điện Corona, G phóng điện phát sáng, J hồ quang điện.
1.2. Hiện tượng phún xạ
Quá trình tạo hạt tải điện trong phóng điện phát sáng cho phép các cation của phân tử khí đã sử dụng di chuyển nhanh đến bề mặt cathode. Các cation khí này mang động lượng cao đến va chạm vào bề mặt cathode đánh bật các nguyên tử của vật liệu cathode. Điều này được ứng dụng vào phương pháp phún xạ để chế tạo các lớp phủ màng mỏng có độ tinh khiết, độ đồng đều và độ xếp chặt cao. 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.
1.3. Hệ magnetron (bẫy từ trường)
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, như Hình 2. Mạch từ (các thanh nam châm) được đặt phía dưới cathode tạo thành một từ trường B trên bề mặt của bia, như Hình 3. 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 3. b).
Bằng cách bố trí thích hợp vị trí giữa các nam châm ta có thể thu được cường độ từ trường trên bề mặt bia (Hình 4). Các cấu hình magnetron khác nhau sẽ cho ra các cấu trúc màng mỏng khác nhau khi phún xạ.
Thông qua sự điều khiển cấu hình magnetron, điều này cũng gián tiếp thay đổi quá trình lắng đọng nguyên tử lên đế: thay đổi lưu lượng và góc tiếp cận đế của nguyên tử. Dẫn đến có thể thay đổi sự phân bố về độ dày của màng mỏng.
1.4. Nguyên lý phún xạ magnetron DC
Nguyên lý phún xạ được ứng dụng thực tế từ phương pháp phóng điện phát sáng, do đó, quá trình ion hóa khí để có được các cation năng lượng cao đánh bật nguyên tử bia tuân theo các cơ chế phóng điện phát sáng đã trình bày trong Phần 1.2 . Khi áp thế DC vào hệ, giữa cathode và anode sinh ra một điện trường , dưới tác động của lực điện trường (lực Columb), các hạt trong khoảng không gian giữa hai điện cực (luôn tồn tại các hạt cơ bản trong chân không > 0) nhận năng lượng dưới dạng tán xạ không đàn hồi hoặc tán xạ đàn hồi (va chạm). Các hạt di chuyễn ngẫu nhiên trong môi trường chân không với động năng nhất định. Tuân theo định luật Paschen, khi cung cấp năng lượng đến mức nhất định, các quá trình ion chất khí đầu tiên bắt đầu diễn ra, trạng thái khí ion hóa xuất hiện, gọi là plasma, các sự kiện phóng điện Townsend có tác dụng duy trì quá trình ion hóa và duy trì phún xạ.
Cation khí được sinh ra dưới tác dụng của điện trường, chúng tăng tốc bắn phá bề mặt cathode (bia). Ion có năng lượng lớn hơn công thoát của nguyên tử/ phân tử vật liệu, sẽ truyền năng lượng cho các nguyên tử/ phân tử làm cho các nguyên tử/ phân tử này giải phóng ra ngoài. Quá trình này, đồng thời tạo ra các điện tử thứ cấp, làm tăng nồng độ điện tử.
Các điện tử này được gia tốc trong điện trường ↑ E, đồng thời bị tác động bởi từ trường ngang ↑ B(có tác dụng làm tăng quãng đường chuyển động của điện tử đến anode), làm ion hóa phân tử khí trơ do va chạm. Ion dương khí trơ lại bay đến cathode trực tiếp tham gia vào quá trình phún xạ. Trong quá trình tạo màng mỏng, nồng độ khí phún xạ giảm do quá trình ion hóa và do bơm chân không hút ra ngoài. Vì vậy, trong quá trình phún xạ, phải bổ sung khí phún xạ liên tục trong suốt quá trình phún xạ.
1.5. Phún xạ magnetron DC phản ứng
Phún xạ phản ứng là sự phún xạ bia kim loại trong môi trường có khí hoạt tính như O2, N2, N2O… Màng mỏng tạo được là hợp chết giữa hạt phún xạ và khí hoạt tính. Trong đó, các nguyên tử khí trung hòa bị ion hóa thành các cation khí có hoạt tính cao (khả năng tương tác hóa học lớn), các khí hoạt tính này phản ứng với hạt phún xạ trên bia (nguyên tử bia), trên đế và trong môi trường phóng điện phát sáng. Trong đó, phản ứng tạo thành hợp chất chủ yếu xảy ra trên bia và trên đế, còn trong môi trường plasma xãy ra ít hơn do có sự giới hạn của các định luật bảo toàn xung lượng. Bia sử dụng trong phún xạ phản ứng DC là các bia dẫn điện tốt, kết quả thu được của phún xạ phản ứng có thể là các màng mỏng oxit như TiOx, CrOx, ZnO… hoặc các màng cứng như TiN…
2. THỰC TẬP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG
Trong bài thực tập này, sinh viên được thực hành chế tạo các loại màng mỏng khác nhau như Ti, CrOx, ZnO, TiN trên các loại đế thủy tinh, thuỷ tinh/ vật liệu khác nhau. Kết quả của quá trình chế tạo này sẽ thu được các màng mỏng có tính chất vật lý, quang học khác nhau và có thể điều khiển hình dạng của vật liệu khác nhau. Quá trình phún xạ được chuẩn bị và thực hiện với 3 bước chính:
(1) Chuẩn bị đế và vật liệu phún xạ,
2.1. Chuẩn bị mẫu và bia phún xạ
Chuẩn bị đế lắng đọng màng mỏng
Đối với các màng mỏng có sẵn được phủ trên đế thì các nhóm tiến hành lắp đặt và tạo hình.
Đối với các đế thuỷ tinh, các sinh viên thực hiện vệ sinh theo quy trình sau
(1) Sử dụng dung dịch kiềm và khăn mềm lau rửa thô bề mặt đế
Chuẩn bị bia vật liệu
2.2. Tạo chân không cho buồng phún xạ
Giai đoạn 1: Mở hệ bơm chân không
Thao tác mở hệ thống chân không như đã được học ở bài số 1.
Giai đoạn 2: Tạo chân không nền phún xạ
Như đã được học ở bài số 1, các bơm sẽ có khoảng/ phạm vi hoạt động khác nhau và khả năng hút chân không khác nhau. Để hút chân không cao 10-5 torr, không thể sử dụng bơm hai lá gạt (sơ cấp). Do đó, cần sử dụng đến bơm khuếch tán dầu, tuy nhiên, bơm này hoạt động dưới ngưỡng áp suất khí quyển. Điều này yêu cầu cần tạo chân không sơ cấp cho thể tích cần hút bằng bơm sơ cấp trước khi sử dụng bơm khuếch tán dầu.
Bước 1: Điều kiện cần để mở bơm khuếch tán hút chân không cao, chân không sơ cấp của buồng cần đạt 5 × 10-2 torr. Thực hiện quá trình đảo van, cho bơm sơ cấp luôn phiên hút buồng và hút giữ chân không khởi động của bơm thứ cấp.
Bước 3: Khi chân không sơ cấp đạt 5 × 10-2 torr, tiến hành thao tác cho bơm khuếch tán hút chân không nền phún xạ. Tắt van SC – B, mở van SC – KT và Khuếch tán – Buồng.
2.3 Quy trình phún xạ
Giai đoạn 1: Chuẩn bị khí phún xạ
Bước 1: Mở nước giải nhiệt magnetron, điều chỉnh và chờ nước đạt 20 oC.
Bước 2: Mở khí phún xạ theo màng mỏng mong muốn chế tạo
Bước 3: Điều chỉnh van tiết lưu để giảm tốc độ hút của bơm, chân không giữ ổn định tại 10-4 torr.
Bước 4: Tiến hành đưa khí phún xạ vào buồng chân không, điều chỉnh tỉ lệ khí phún xạ và áp suất phún xạ.
Giai đoạn 2: Chuẩn bị điện thế DC phún xạ
Bước 1: Mở điện AC 220V phún xạ, mở biến áp tự ngẫu điều chỉnh thế.
Giai đoạn 3: phún xạ màng mỏng
Bước 1: Cấp điện thế vào cathode, quan sát và ghi nhận điện thế xuất hiện plasma khí. Quan sát màu sắc plasma ban đầu.
Giai đoạn 4: kết thúc phún xạ
Bước 1: Tắt điện DC, tắt điện AC 220V.
Quá trình tắt hệ chân không thực hiện tương tự như bài thực tập số 1 đã thực hiện.
2 C. BÁO CÁO THỰC TẬP
Yêu cầu có hình ảnh thực tế của từng thiết bị/dụng cụ sử dụng và thao tác thực tế theo từng giai đoạn thực hành.
• Cung cấp cho SV quy trình vận hành thiết bị, chế tạo các loại màng mỏng trên các nền vật liệu khác nhau bằng phương pháp phún xạ magnetron DC.
• VB là điện áp đánh thủng (V)
• ρ là áp suất khí (Pa)
• d là khoảng cách giữa hai điện cực (m)
• γse là hệ số phát xạ điện tử thứ cấp
• A là sự ion hóa bão hòa của khí tại E/ ρ
• B hệ số năng lượng kích thích và năng lượng ion hóa, hệ số A và B được xác định bằng thực nghiệm.
- I là dòng điện áp vào 2 điện cực.
- I0 là dòng quang điện tạo ra tại bề mặt cathode.
- αn là hệ số ion hóa Townsend đầu tiên, số cặp ion được tạo ra trên một đơn vị chiều dài bởi ion âm di chuyển từ cathode sang anode.
- d là khoảng cách cathode và anode.
(2) Tạo chân không cao cho không gian phún xạ (buồng chân không)
(3) Phún xạ màng mỏng
(2) Rửa đế với nước cất 2 – 3 lần để sạch dung dịch kiềm
(3) Ngâm đế trong nước cất và đánh siêu âm vệ sinh
(4) Ngâm đế trong Acetone và đánh siêu âm
(5) Sấy khô đế và chuyển vào giai đoạn lắp đế
(6) Kiểm tra và lau sạch bụi bằng giấy mịn trước khi gắn vào buồng chân không
Trong quá trình chờ hệ bơm chân không khởi động xong, có thể thao tác quan sát, gắn mẫu vào buồng chân không.
- Kim loại: khí argon
- Oxit: khí argon và khí oxygen
- Màng cứng: khí argon và khí nitrogen
Bước 2: Mở đồng hồ đo dòng điện (A), điện thế (V).
Bước 3: Mở nguồn cấp điện DC vào cathode
Bước 2: Tăng cường độ dòng điện lên đến ngưỡng tẩy bia, vệ sinh bia. (Tùy thuộc vào bia Ag, Cr, Ti hoặc W, từ 0.2 A đến 0.5 A). Quan sát màu plasma lần 2.
Bước 3: Sau khi vệ sinh bia, thiết lập cường độ phún xạ mong muốn. Quan sát màu plasma lần 3.
Bước 4: Đưa đế vào vị trí phún xạ. Tính thời gian phún xạ.
Bước 2: Đóng khí phún xạ, mở van tiết lưu về vị trí cực đại, chân không được hút trở lại nhằm tạo môi trường tinh khiết cho màng mỏng ổn định cấu trúc. Chờ 20 phút.
Bước 3: Tắt van KT – B, chờ chân không tự hạ về 10-3 torr, tắt áp kế. Mở buồng chân không lấy mẫu đã phún xạ kiểm tra.
1. Vẽ sơ đồ lắp nối các thiết bị/ thành phần trong buồng phún xạ magnetron DC được thực hành (bao gồm cấu tạo).
2. Nêu thông tin và trình bày quy trình chuẩn bị các loại đế, bia, mặt nạ đã sử dụng trong buổi thực tập.
3. Trình bày quy trình phún xạ màng mỏng theo thông tin thực tế đã thực tập
Thông số phún xạ: áp suất sơ cấp, áp suất nền, áp suất phún xạ, loại khí phún xạ, tỉ lệ khí phún xạ, điện thế xuất hiện plasma, công suất tẩy bia, công suất phún xạ, thời gian phún xạ. Bao gồm màu sắc plasma đã ghi nhận
4. Nhận xét về kết quả chế tạo, gợi ý bao gồm các thông tin sau: Đánh giá về độ bám dính, đánh giá về màu sắc, đánh giá về tính chất vật lý của màng. Tại sao có sự sai khác màu sắc theo vùng? Tại sao có sự sai khác màu sắc theo đế sử dụng? Đề xuất phương pháp phân tích tính chất của màng mỏng đã chế tạo.
Post a Comment