Tạo màng bằng phương pháp sputtering

Nguyễn Trung Độ

Phún xạ là gì? là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.

Các ion khí trơ

Phún xạ không phán ứng Vd: màng Al,Cu,Ag…

Phún xạ phản ứng

Các ion phản ứng với bia

Vd:màng Al2O3, TiO2, TiN…

Cơ chế vật lý của phương pháp sputtering

Dòng khí (thường là argon hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+. Các ion này hướng về target (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế âm. Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá target và đánh bật các nguyên tử của target ra khỏi target. Các nguyên tử này "bốc hơi" và đi đến substrate (thuỷ tinh hay silicon wafer), tích tụ trên substrate và hình thành màng mỏng khi số lượng nguyên tử đủ lớn

Cơ chế vật lý của phương pháp sputtering

Keát quaû laø:

- Vaät lieäu töø bia seõ hình thaønh maøng treân ñeá

Màng đơn chất nếu là phún xạ không phản ứng

Bia đơn chất

Màng hợp chất nếu là phún xạ phản ứng

Bia hợp chất

Màng hợp chất

Màng đơn lớp

Màng đa lớp

Tất cả các màng này điều mang tính chất thin films

Điều kiện cần cho phún xạ

Target:

Coù ñoä nguyeân chaát cao laø caàn thieát

Kích thöôùc phaûi lôùn hôn kích thöôùc cuûa ñeá ñeå maøng coù ñoä ñoàng ñeàu cao

Nöôùc laøm nguoäi phía sau target

Ñieàu khieån nguoàn ion

Khí trô ñöôïc chuyeån thaønh plasma ñeå hoaït ñoäng nhö nguoàn ion

Ñieàu khieån nguoàn ion plasma baèng caùch cung caáp naêng löôïng cho chuøm ion

ÑOÄ XUYEÂN SAÂU CUÛA NHÖÕNG ION

* Ñoä xuyeân saâu cuûa ion phuï thuoäc vaøo:

-Naêng löôïng cuûa nhöõng ion

-Goùc tôùi cuûa ion

-Khoái löôïng cuûa ion so vôùi khoái löôïng cuûa bia

Ñoä xuyeân saâu trung bình cuûa ion khoaûng 10 – 40 nm

HIEÄU SUAÁT PHUÙN XAÏ

Hieäu suaát phuùn xaï = toång caùc nguyeân töû phuùn xaï A / toång caùc ion tôùi = NA / Ni

- Baûn chaát cuûa bia.

- Baûn chaát cuûa nhöõng ion (khí saïch, khí trô, khí phaûn öùng)

Hieäu suaát phuùn xaï phuï thuoäc vaøo:

- Naêng löôïng tôùi cuûa nhöõng ion

- Goùc tôùi

BAÛN CHAÁT CUÛA BIA

NAÊNG LÖÔÏNG CUÛA ION

GOÙC TÔÙI

Tæ leä hieäu suaát (Y /Y0) cao nhaát ôû khoaûng 72o

SƠ ĐỒ CAÁU TAÏO HEÄ PHUÙN XAÏ

KYÕ THUAÄT PHUÙN XAÏ

1. Chaân khoâng ñöôïc taïo bôûi 2 loaïi bôm:

- Bôm sô caáp (bôm rote, bôm quay daàu)

- Bôm turbo (bôm khuyeách taùn)

2. Khí ñöôïc ñöa vaøo (thöôøng laø Ar) ñeå thöïc hieân quaù trình ion hoaù chaát khí

CHAÂN KHOÂNG

-Bôm quay (sô caáp, bôm rote, bôm quay daàu):

+ Toác ñoä: 30 m3/h. + AÙp suaát giôùi haïn: 10-2 torr.

-Bôm turbo (bôm khuyeách taùn):

+ Toác ñoä: 200 l/s + AÙp suaát giôùi haïn: 10-10 torr.

-Chaân khoâng phuùn xaï:

+ Chaân khoâng tôùi haïn: 10-7 torr + AÙp suaát laøm vieäc: 10-2  10-3 torr

Haïn cheá: quaù trình laéng ñoïng ôû chaân khoâng trung bình coù theå laøm taêng taïp hôn quaù trình boác bay.

Caùc loaïi phöông phaùp phuùn xaï

 Phuùn xaï DC

 Phuùn xaï RF

 Phuùn xaï phaûn öùng

 Phuùn xaï magnetron

 Phuùn xaï magnetron bieåu dieãn theo ba phöông

phaùp vaø taêng cöôøng hieäu quaû

Caùc loaïi phöông phaùp phuùn xaï

•Ñöôïc thöïc hieän trong moâi tröôøng chaân khoâng thaáp hoaëc

trung bình (~10-3 10-2 torr)

• Thuaän lôïi

Coù theå söû duïng target lôùn cho söï ñoàng ñeàu cuûa maøng

Deå kieåm soaùt beà daøy theo thôøi gian

Deå laéng ñoïng hôïp kim vaø hôïp chaát

Khoâng coù böùc xaï tia X

PHUÙN XAÏ MAGNETRON

Magnetron

Phuùn xaï

Nhaéc laïi: PHUÙN XAÏ LAØ GÌ?

* Söï töông taùc (va chaïm) cuûa nhöõng nguyeân töû hay ion dieãn ra treân beà maët vaät lieäu daãn ñeán quaù trình phuùn xaï töø beà maët.

* Ñoù laø keát quaû cuûa quaù trình truyeàn ñoäng löôïng (xung löôïng) cuûa nhuõng haït tôùi.

* Khaùc vôùi caùc kyõ thuaät taïo maøng töø pha hôi khaùc. Kyõ thuaät naøy khoâng noùng chaûy vaät lieäu. Hay ñaây laø quaù trình bay hôi töø pha raén  pha hôi maø khoâng qua pha loûng

PHUÙN XAÏ

Haït tôùi

Moâ taû söï phuùn xaï

MAGNETRON

-Baûn Cathode: duøng laøm nguoàn ñieän töû.

-Baûn Anode: nôi thu nhaän ñieän töû.

-Keát hôïp cuûa ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau

A – K  ñieän tröôøng E

Söï keát hôïp trong tröôøng ñieän töø, B vuoâng goùc E

Magnetron bao goàm:

Töø tröôøng giöõa A – K  B

Ñieän tröôøng E vaø töø tröôøng B

A

K

Moät soá loaïi magnetron thoâng thöôøng

Caùc loaïi naøy thöôøng coù beân trong loø viba

Caáu truùc cuûa moät soá heä magnetron thoâng duïng

Moät soá daïng thoâng duïng laø daïng troøn, chöõ nhaät vaø vuoâng

Sô ñoà cuûa phuùn xaï magnetron.

- Vaät lieäu caàn phuû (bia): duøng ñeå phuùn xaï ñöôïc gaén chaët vôùi moät baûn giaûi nhieät (baûn naøy ñöôïc aùp ñieän theá vaøo). Toaøn

boä bia, baûn giaûi nhieät  Cathode. Cathode ñöôïc caùch ñieän vôùi ñaát.

- Töø tröôøng do moät voøng nam chaâm beân ngoaøi bao quanh vaø ñoái cöïc vôùi moät loõi nam chaâm ôû giöõa. Chuùng ñöôïc noái töø vôùi nhau baèng moät taám saét (vieäc noái töø coù taùc duïng kheùp kín ñöôøng söùc töø phía döôùi).

- Baèng caùch boá trí thích hôïp vò trí giöõa caùc nam chaâm  caùc giaù trò khaùc nhau cuûa cöôøng ñoä töø tröôøng treân beà maët bia.

- Vaät lieäu ñöôïc phuû (ñeá): ñöôïc noái ñaát (aùp ñieän theá döông).

Heä phuùn xaï magnetron.

Ñeá (Athod)

N

(Kathod)

S

N

N

N

(b)

(a)

Hình 2 Heä magnetron phaúng vaø caùc ñöôøng söùc töø treân beà maët bia

Sô ñoà minh hoaï cuûa phuùn xaï magnetron.

Khi theá aâm ñöôïc aùp vaøo heä, giöõa Kathod (bia) vaø Anod (ñeá _ vaät lieäu ñöôïc phuû) sinh ra moät ñieän tröôøng laøm ñònh höôùng vaø truyeàn naêng löôïng cho caùc haït mang ñieän coù trong heä (thoâng thöôøng moät theå tích khí ôû ñieàu kieän thöôøng luoân chöùa moät soá ñieän töû vaø ion, 1 cm3 khí quyeån treân maët bieån trung bình coù gaàn 103 ion aâm vaø döông ñöôïc taïo neân bôûi tia vuõ truï, tia töû ngoïai vaø phoùng xaï cuûa moâi tröôøng xung quanh)

Nguyeân lyù hoaït ñoäng

Nhöõng ñieän töû vaø ion taïo thaønh thaùc luõ ñieän töû [1], nhöõng ion ñaäp vaøo kathod vaø giaûi phoùng caùc ñieän töû thöù caáp, caùc ñieän töû naøy ñöôïc gia toác trong ñieän tröôøng ñoàng thôøi bò taùc ñoäng cuûa töø tröôøng ngang , töø tröôøng naøy seõ giöõ ñieän töû ôû gaàn Kathod theo quyõ ñaïo xoaén troân oác. Nhôø vaäy chieàu daøi quaõng ñöôøng ñi cuûa ñieän töû ñaõ ñöôïc taêng leân nhieàu laàn tröôùc khi noù ñeán anod

Trong quaù trình chuyeån ñoäng cuûa ñieän töû, ñieän töû seõ va chaïm vôùi caùc nguyeân töû hay phaân töû khí vaø sinh ra nhöõng ion (söï ion hoùa). Caùc ion naøy ñöôïc gia toác ñeán Kathod vaø laøm phaùt xaï ra nhöõng ñieän töû thöù caáp. Nhö vaäy, noàng ñoä ñieän töû seõ taêng, khi soá ñieän töû ñöôïc saûn sinh baèng vôùi soá ñieän töû maát ñi do quaù trình taùi hôïp, luùc ñoù phoùng ñieän töï duy trì. Luùc naøy, khí phaùt saùng treân beà maët bia, theá phoùng ñieän giaûm vaø doøng taêng nhanh. Nhöõng ñieän töû naêng löôïng cao sinh ra nhieàu ion vaø nhöõng ion naêng löôïng cao ñaäp vaøo kathod laøm phuùn xaï vaät lieäu bia vaø böùc xaï caùc ñieän töû thöù caáp ñeå tieáp tuïc duy trì phoùng ñieän. Luùc naøy khi taêng theá raát nhoû doøng seõ taêng ñaùng keå

Plasma laø ñaùm goàm ion döông vaø nhöõng ñieän töû  traïng thaùi gaàn nhö trung hoaø veà ñieän.

Söï ion hoaù dieãn ra trong ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau  plasma

Vôùi nhöõng öùng duïng taïo maøng trong moâi tröôøng plasma, ion döông ñöôïc sinh ra bôûi quaù trình va chaïm giöõa caùc haït trung hoaø vaø nhöõng ñieän töû mang naêng löôïng.

Nhöõng ñieän töû trong moâi tröôøng plasma coù ñoä linh ñoäng raát lôùn. Ñieàu khieån caùc ñieän töû coù ñoä linh ñoäng lôùn naøy chính laø ñieàu khieån ñöôïc plasma.

Vuøng plasma hình thaønh trong ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau.

Plasma laø gì?

Baøi toaùn tìm phöông trình chuyeån ñoäng cuûa ñieän töû trong ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau.

ñeá

z

B(0,0,Bz)

Ñöôøng söùc töø

v

x

y

E (0,Ey,0)

bia

Truïc toïa ñoä vaø höôùng cuûa E,B,v töông öùng treân beà maët bia

Ñònh luaät II Newton:

(1)

(2)

hay

Töø phöông trình (1.2), ta thaáy vôùi vaø vuoâng goùc nhau thì chuyeån ñoäng cuûa haït seõ laø toång hôïp cuûa 2 daïng chuyeån ñoäng: chuyeån ñoäng troøn vaø chuyeån ñoäng tònh tieán doïc theo truïc x. Noùi caùch khaùc, quyõ ñaïo cuûa chuùng laø cycloic vôùi baùn kính Larmor:

Thanks you..