Giáo trình Vật lý và kỹ thuật màng mỏng - Nguyễn Năng Định

Chia sẻ: Phan Thi Ngoc Giau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:240

Thêm vào BST

Báo xấu

744
lượt xem 133
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật lý và kỹ thuật màng mỏng do Nguyễn Năng Định biên soạn nhằm giúp các bạn củng cố và nắm vững các kiến thức cơ bản về kỹ thuật chân không, công nghệ chế tạo màng mỏng và các phương pháp phân tích đặc trưng của màng mỏng. Mời các bạn tham khảo giáo trình để bổ sung thêm kiến thức về lĩnh vực này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật lý và kỹ thuật màng mỏng - Nguyễn Năng Định

Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 1
2 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Mục lục v Lời nói đầu Chương 1. Nh ập môn vật lý v à kỹ thuật m àng m ỏng 1 1.1. Giới thiệu chung 1 1.1.1. Phương pháp l ắng đọng pha h ơi hoá h ọc 2 (CVD) 1.1.2. Phương pháp hoá, hoá l ý kết hợp 3 1.2. Phương pháp bay hơi v ật lý (PVD) 3 1.2.1. Các khái ni ệm và đại lượng cơ bản 3 1.2.2. Kỹ thuật chân không v à công ngh ệ màng mỏng 15 1.2.3. Phún x ạ 19 Chương 2. Đ ộng học chất khí 23 2.1. Ý ngh ĩa vật lý của áp suất v à nhiệt độ chất khí 23 2.2. Các hàm phân b ố của phân tử 25 2.3. Tần số va chạm của phân tử với bề mặt 29 2.4. Quãng đường tự do của phân tử khí 32 2.5. Một số tính chất 35 2.5.1. Nhi ệt dung của hệ khí hai nguy ên tử 35 2.5.2. Khu ếch tán 37 2.5.3. Độ nhớt 38 2.5.4. Độ dẫn nhiệt 42 2.6. Dòng khí 43 2.6.1. Ch ế độ dòng khí 43 2.6.2. Dòng k hí trong ch ế độ nhớt 44 2.6.3. Dòng khí trong ch ế độ Kudsen - Dòng phân t ử 45 2.6.4. Độ dẫn của cấu trúc dẫn khí 47 Chương 3. H ấp phụ v à ngưng t ụ 49 3.1. Hấp phụ khí 51 3.1.1. Vì sao khí h ấp phụ ? 51 3.1.2. Th ời gian l ưu trú 53
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 3 3.1.3. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 54 3.1.4. Epitaxy l ớp nguyên tử 57 3.2. Áp su ất hơi 62 3.2.1.Áp su ất hơi hoạt tính nhiệt 62 3.2.2.Áp su ất hơi của các nguy ên tố 63 3.2.3. Áp su ất hơi của hợp kim v à hợp chất 68 3.3. Ngưng t ụ từ pha h ơi 71 3.3.1. Ngưng t ụ từ pha h ơi đơn nhất 71 3.3.2. Ngưng t ụ các hợp chất bảo to àn hợp thức 73 3.3.3. Hoá hơi nhanh các h ợp chất dễ phân ly 74 3.3.4. Đồng bay h ơi – phương pháp “Ba nhi ệt độ” 75 3.3.5. Bốc bay phản ứng 77 Chương 4. V ật lý và kỹ thuật chân không cao 79 4.1. Một số loại b ơm chân không 79 4.1.1. Bơm cơ h ọc 80 4.1.2. Bơm khu ếch tán 86 4.2. Nguyên lý chân không 89 4.2.1. Tốc độ bơm 89 4.2.2. Dòng hút khí 93 4.2.3. Độ dẫn của hệ chân không 95 4.3. Đặc tính chung của hệ chân không 96 4.3.1. Các khái ni ệm động học c ơ bản 96 4.3.2. Các hi ện tượng khử hấp phụ, nhả khí và th ẩm thấu 101 4.3.3. Đo chân không và đơn v ị áp suất 102 Chương 5. L ý thuyết bốc bay chân không 107 5.1. Tốc độ bốc bay 107 5.1.1. Phương tr ình Hertz-Knudsen 107 5.1.2. Bốc bay tự do - sự thoát phân tử 109 5.1.3. Các cơ ch ế bốc bay 111 5.2. Phân b ố phân tử bốc h ơi theo các hư ớng 116
4 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 5.2.1. Định luật phân bố côsin 116 5.2.2. Phân b ố phân tử bốc bay từ nguồn điểm 120 5.3. Phân b ố m àng m ỏng theo chiều d ày 122 5.3.1. Nguồn diện tích nhỏ v à nguồn điểm 122 5.3.2. Ngu ồn hình tròn và ngu ồn đĩa 124 Chương 6. Ch ế tạo m àng m ỏng bằng kỹ thuật chân không 131 6.1. Bốc bay nhiệt 131 6.1.1. Gi ới thiệu chung 131 6.1.2. Ngu ồn bốc bay bằng dây v à lá kim lo ại 134 6.1.3. Ngu ồn bốc bay cho vật liệu thăng hoa 138 6.1.4. Chén b ốc bay v à vật liệu chén 139 6.2. Bốc bay ch ùm tia điện tử 144 6.2.1. Ưu đ ỉểm của ph ương pháp 145 6.2.2. Cấu hình súng điện tử v à vật liệu bốc bay tương ứng 145 6.3. Bốc bay bằng laser xung 158 6.3.1. Nguyên lý ho ạt động v à quá trình v ật lý 158 6.3.2. Ch ế tạo màng mỏng đúng hợp th ức 160 6.4. Epitaxy chùm phân t ử (MBE) 161 6.4.1. Mô t ả thiết bị 161 6.4.2. Ch ế tạo màng mỏng tinh thể chất l ượng cao 164 Chương 7. Phương phá p phún x ạ 167 7.1. Lý thuyết về phóng điện phún xạ 167 7.1.1. Thi ết bị và các phương pháp phún x ạ 167 7.1.2. Mật độ dòng và điện thế trong phún xạ 172 7.1.3. Phóng đi ện phún xạ 184 7.2. Chế tạo m àng m ỏng bằng ph ương pháp phún x ạ 194 7.2.1. Ưu đi ểm và nhược điểm của ph ương pháp phún x ạ 195 7.2.2. Cơ ch ế phún xạ 195 7.2.3. Hi ệu suất phún xạ 197
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 5 7.2.4. Các y ếu tố ảnh h ưởng lên tốc độ lắng đọng 200 7.2.5. Các lo ại bia phún xạ 203 Chương 8. Các phương pháp phân tích đ ặc trưng 205 màng m ỏng 8.1. Giới thiệu các ph ương pháp phân tích đ ặc trưng màng m ỏng 205 8.2. Các phương pháp xác đ ịnh chiều d ày màng m ỏng 208 8.2.1. Phương pháp đo biên d ạng bằng đầu d ò hình 208 kim 8.2.2. Phương p háp đo dao đ ộng thạch anh 208 8.2.3. Phương pháp hi ển vi giao thoa 210 8.2.4. Màng m ỏng quang học đa lớp 211 8.3. Phân tích c ấu trúc bề mặt bằng hiển vi đi ện tử quét v à lực nguyên tử 217 8.4. Phân tích c ấu trúc tinh thể 218 8.4.1. Phương pháp nhi ễu xạ tia X 218 8.4.2. Phương pháp ph ổ kế quang điện tử tia X (XPS) 221 8.4.3. Vật liệu v à linh ki ện điện sắc 222 8.5. Phương pháp nghiên c ứu tính chất quang 226 8.5.1. Ph ổ truyền qua v à phản xạ 226 8.5.2. Ellipsomet 227 8.5.3. Màng mỏng nhiệt sắc v à chuyển mạch nhi ệt – quang 228 8.6. Phương pháp nghiên c ứu tính chất điện 232 8.6.1. Phương pháp đo đi ện trở vuông 232 8.6.2. Phương pháp b ốn mũi d ò 234 8.6.3. Điot phát quang h ữu cơ 235 Tài liệu tham khả o 239
6 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Lời nói đầu “Vật lý và kỹ thuật màng mỏng” là môn học cơ sở của ngành Vật lý kỹ thuật thuộc Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia H à Nội. Giáo tr ình “Vật lý và kỹ thuật màng mỏng” được biên soạn nhằm phục vụ giảng dạy v à học tập trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công ngh ệ nanô, Tr ường Đại học Công ngh ệ. Giáo tr ình giúp sinh viên c ủng cố và nắm vững các kiến thức c ơ bản về kỹ thuật chân không, công nghệ chế tạo m àng mỏng và các phương pháp phân tích đặc trưng của màng mỏng. Giáo trình gồm tám chương: Chương 1. Nh ập môn vật lý v à kỹ thuật màng mỏng Chương 2. Đ ộng học chất khí Chương 3. H ấp phụ và ngưng t ụ Chương 4.V ật lý và kỹ thuật chân không cao Chương 5. L ý thuyết bốc bay chân không Chương 6. Ch ế tạo màng mỏng bằng kỹ thuật chân không Chương 7. P hương pháp phún x ạ Chương 8. Các phương pháp phân tích đ ặc trưng màng m ỏng Giáo trình còn nh ằm mục đích phục vụ các đối t ượng học tập v à nghiên c ứu về vật lý chân không v à công ngh ệ vật liệu trong các ng ành kỹ thuật thuộc các trư ờng đại học thuộc khoa học tự nhiên, bách khoa, công nghệ của cả nước. Trong giáo tr ình có nhi ều dữ liệu tin cậy, cập nhật có thể l àm tài li ệu tra cứu, tham khảo cho các học vi ên cao h ọc, nghi ên cứu sinh hay các kỹ s ư, kỹ thuật vi ên làm vi ệc tại các c ơ sở sản xuất công nghiệp có li ên quan đ ến kỹ thuật chân không v à công ngh ệ nói chung, đặc biệt l à công ngh ệ vật liệu và linh ki ện dưới dạng màng mỏng. Mặc dù sách và tài li ệu tham khảo về vật lý v à công ngh ệ màng mỏng trên thế giới l à vô cùng phong phú c ả về số lượng và chất lượng, ở n ước ta t ài liệu bằng tiếng Việt về lĩnh vực n ày còn r ất hạn chế. Giáo tr ình này được biên soạn trên cơ s ở đúc kết kinh nghiệm nghi ên cứu khoa học v à giảng dạy về vật lý và kỹ thuật màng mỏng của bản thân tác giả. Hy vọng rằng nó sẽ có tác dụng hữu ích, góp phần thực hiện chủ tr ương xây d ựng Trường Đại học Công ngh ệ trở th ành một trường đại học nghi ên cứu đặc tr ưng công ngh ệ ở nước ta.
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 7 Trong quá trình biên so ạn, tác giả không tránh khỏi những thiếu sót hoặc khiếm khuyết. Tác giả sẽ rất biết ơn tất cả độc gi ả về những đóng góp ý kiến nhận xét, để giáo tr ình “Vật lý và kỹ thuật màng mỏng vừa đáp ứng y êu cầu về chất l ượng vừa có hiệu quả sử dụng cao trong các tr ường đại học khoa học tự nhi ên, đại học kỹ thuật v à công ngh ệ, trong công tác nghi ên cứu cũng như ứng dụng sản xuất ... Hà Nội, tháng 8 năm 2005 Tác giả
8 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Chương 1 Nhập môn vật lý và kỹ thuật màng mỏng 1.1. Giới thiệu chung Khác với khái niệm về m àng mỏng dân dụng, trong khoa học kỹ thuật, m àng mỏng được hiểu l à lớp chất rắn phủ l ên bề mặt của vật rắ n khác (vật rắn n ày gọi là đế) với chiều d ày tới hạn khi m à các hi ệu ứng vật lý v à tính ch ất của nó thể hiện không giống nh ư trong vật liệu khối. Nh ìn chung, chi ều dày của màng mỏng được đề cập trong các công nghệ vật liệu v à linh kiện điện tử, quang đi ện tử, nằm trong khoảng 10 1000 nm. Ngày nay, công ngh ệ chế t ạo m àng m ỏng l à vô cùng đa d ạng v à phong phú, bao g ồm nhiều phương pháp khác nhau, t ừ đ ơn gi ản đến phức tạp. Phụ thuộc v ào cách ch ế tạo m àng m ỏng, ng ư ời ta chia các ph ương pháp đó ra thà nh ba nhóm chính: i) Phương pháp l ắng đọng pha h ơi hóa h ọc (Chemical vapor deposition - CVD) ii) Phương pháp l ắng đọng pha h ơi vật lý (Physical vapor deposition - PVD) iii) Phương pháp hóa và hóa l ý kết hợp. Chúng ta c ần hiểu sự phân chia n ày cũng chỉ l à tương đ ối. Trong sách n ày, chúng tôi đ ề cập đến vật lý v à kỹ thuật màng mỏng chế tạo bằng ph ương pháp pha hơi v ật lý. Để phân biệt các ph ương pháp v ật lý với hai nhóm phương pháp khác, dư ới đây chúng ta xem xét một cách khái quát ph ương pháp CVD và phương pháp hóa l ý kết hợp.
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 9 1.1.1. Phương pháp l ắng đọng hơi hóa h ọc (CVD) Trong phương pháp CVD, pha hơi đư ợc tạo ra bằng ph ương pháp hóa h ọc. Việc phủ lớp m àng mỏng được thực hiện nhờ quá tr ình lắng đọng các cụm nguyên t ử, phân tử hay ion thông q ua các ph ản ứng hóa học. Phương pháp CVD có nh ững ưu điểm chính sau đây: Hệ thiết bị đ ơn giản. Tốc độ lắng đọng cao (đến 1 m/phút). Dễ khống chế hợp th ức hóa học của hợp chất v à dễ dàng pha t ạp chất. Có khả năng lắng đọng hợp kim nhiều th ành phần. Có thể tạo màng cấu trúc ho àn thiện, độ sạch cao. Đế được xử lý ngay trước khi lắng đọng bằng quá tr ình ăn mòn hóa học. Có thể lắng đọng l ên đế có cấu h ình đa dạng, phức tạp. Nhược điểm chính của ph ương pháp này là: Cơ chế phản ứng phức tạp. Đòi hỏi nhiệt độ đế c ao hơn trong các phương pháp khác. Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn m òn bởi các d òng hơi. Khó tạo hình linh ki ện màng mỏng thông qua k ỹ thuật mặt nạ . Đặc trưng của phương pháp CVD đư ợc phân biệt bởi các phản ứng hóa học trong quá trình l ắng đọng. Có bốn loại phản ứng chính, đó l à: 1. Phản ứng phân hủy : AB (khí) A (rắn) + B (khí) , thí dụ: 1300 oC 800 2H 2 . SiH 4 Si 2. Phản ứng khử: Có thể được xem nh ư phản ứng phân hủy có sự tác động của chất khí khác, thí dụ: SiCl4 2H 2 Si 4HCl. Trong nhi ều trường hợp chất khử có thể l à hơi kim lo ại, như Zn chẳng hạn. 3. Vận chuyển hóa học :
10 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Phương pháp này thư ờng áp dụng để chế tạo các vật liệu khó tạo ra pha h ơi, thí dụ: 1100 oC Si(r tt) 2I 2(k) SiI 4 (k) 1100 oC Si(r) SiI 4 (r) 2SiI 2(k) 900 oC 2SiI2(k) Si(r m) SiI 4(k). trong đó : (r-tt) là ký hiệu trạng thái rắn -tinh thể; k là ký hiệu trạng thái khí ; (r-m) là ký hiệu rắn ở dạng m àng mỏng. 4. Phản ứng trùng hợp (polymerization) : Quá trình trùng h ợp thường được thực hiện nhờ: Bắn phá điện tử hoặc ion . Chiếu xạ quang, tia X, tia Phóng đi ện. Xúc tác b ề mặt. Phương pháp CVD đư ợc dùng để chế tạo m àng mỏng các chất bán dẫn nh ư Si, AIIBVI, AIIIBV, các màng mỏng ôxít dẫn điện trong suốt nh ư SnO2, In2O3:Sn (ITO), các màng m ỏng điện môi nh ư SiO2, Si3N4, BN, Al 2O3, và các màng mỏng kim loại. 1.1.2. Phương pháp hóa, hóa l ý kết hợp Đó là các phương pháp l ắng đọng dung dịch pha lỏng, ph ương pháp sol -gel, phương pháp phun dung d ịch, Nhóm phương pháp này c ũng rất phong phú, độc giả quan tâm có thể tham khảo từ các t ài liệu hay giáo tr ình có ở trong nư ớc hay ở n ước ngoài. 1.2. Phương pháp bay hơi v ật lý (PVD) 1.2.1. Các khái ni ệm và đại lượng cơ bản Lắng đọng pha hơi vật lý là sản phẩm của pha h ơi ngưng t ụ tạo ra bằng phương pháp v ật lý, sau đó h ơi này l ắng đọng l ên trên đ ế tạo th ành màng
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 11 mỏng. Cách “vật lý” đầu tiên tạo ra pha h ơi là đốt nóng vật liệu cần bốc bay (hay còn gọi l à vật liệu gốc) bằng thuyền điện tr ở hay chén bốc bay, nh ư mô t ả tr ên hình 1.1. Chúng được gọi l à “nguồn nhiệt” hay nguồn bốc bay . Các kiểu nguồn có dạng đặc biệt h ơn có th ể là bình thoát h ơi chính xác (h ình 1.2.) hay chùm tia đi ện tử hội tụ (súng đi ện tử, h ình 1.3). Ngày nay đã có nhi ều cách hoá hơi v ật lý khác nh ư hoá hơi b ằng laze cộng hưởng với ch ùm photon mạnh (lắng đọng laze xung; hình 1.4), b ắn phá bia bằng ngu ồn ion có năng l ượng cao Hình 1.1. (phún x ạ, h ình 1.5). Các k ỹ Ảnh một số kiểu nguồn bốc bay thuật trên đều được thực hiện làm từ kim loại khó nóng chảy -6 -4 trong chân cao (10 -10 Torr) - hoặc siêu cao (10 9 Torr). Phún xạ được thực hiện trong áp suất khí ứng với - - chân không th ấp hơn (cỡ 10 3-10 1 Torr), nhưng trư ớc khi đ ưa khí vào buồng phún xạ, buồng n ày cũng đã được hút chân không cao. Hình 1.2. Ảnh thuyền v à chén làm ngu ồn bốc bay
12 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Hình 1.3. Ảnh nguồn bốc bay bằng ch ùm tia điện tử với các cấu h ình khác nhau . Hình 1.4. Bốc bay bằn g laser.
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 13 Hình 1.5. Phún xạ catốt Để làm quen với các khái niệm v à đại lượng cơ bản trong kỹ thuật chân không và công ngh ệ màng mỏng, chúng ta cần thống nhất t ên gọi các thuật ngữ chuyên môn. Trên hình 1.6 trình bày s ơ đồ của một hệ chân không với các ký hi ệu tương ứng của các đại l ượng: Nguồn hoá h ơi là nơi cung c ấp nhiệt cho vật liệu gốc để tạo ra các phân tử hơi (phân t ử được gọi chung cho cả nguy ên tử, cụm nguy ên tử); Tsource là nhiệt độ nguồn hóa h ơi. Áp suất hơi cân bằng nhiệt ( Peq ) của vật liệu gốc trong b ình. Tần suất va chạm của phân tử h ơi ( z ) là số lần phân tử va chạm với mặt trong của th ành bình trên đơn vị diện tích trong một giây, nó tỷ lệ thuận với Peq . Cường độ ch ùm tia c ủa nguồn ( J ) là số phân tử phát xạ tr ên một đơn vị góc khối trong 1 giây, l à đại lượng đặc tr ưng cho ngu ồn hoá h ơi. Nếu kích th ước lỗ hổng ( A ) rất nhỏ so với khoảng cách từ nguồn
14 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng đến đế th ì phân b ố góc phát xạ phân tử đ ược coi l à phân b ố theo định luật cosin lý t ưởng. Phân bố lý t ưởng này phụ thuộc vào các yếu tố khác kể cả khi các phân tử phát xạ trải qua va chạm tr ên đường tới đế. Quãng đường tự do ( của phân tử vật liệu bay h ơi trong va ch ạm với phân tử khí còn lại trong chuông (khí d ư) phụ thuộc vào mức độ chân không trong chuông. Đ ể bốc bay, qu ãng đường tự do phải lớn h ơn rất nhiều khoảng cách từ nguồn đến đế (sau n ày gọi tắt l à khoảng cách nguồn-đế). Dòng tới ( ji ) là mật độ dòng phân tử bay tới bề mặt của đế hay l à số phân tử va chạm tr ên một đơn vị diện tích bề mặt của đế trong thời gian một giây, nó l à hàm của góc phát xạ , khoảng cách R v à góc lắng đ ọng ( góc t ạo bởi đ ư ờng bay của phân tử với pháp tuyến mặt phẳng đế). Dòng ngưng tụ ( j c ) tỷ lệ thuận với ji , ngoài ra nó còn ph ụ thuộc vào hệ s ố lắng đọng của m àng và dòng tái hoá h ơi liên quan đ ến nhiệt đ ộ đế. Tốc độ lắng đọng m àng (v n ) là độ dày của màng được tăng th êm theo hướng pháp tuyến với bề mặt trong một giây. Nó đ ược xác định bởi lượng vật chất lắng đọng tr ên màng trong kho ảng thời gian đó. Hình 1.6. Các đại lượng cơ bản trong bốc bay chân không.
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 15 Chúng ta sẽ đề cập đến các nguy ên lý và lý thuy ết cơ bản để tính toán hoặc mô hình hoá t ừng bước trong công nghệ m àng mỏng. Cũng c ần nhấn mạnh rằng lý thuyết về lắng đọng pha h ơi vật lý là rất rộng, nó bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau trong khoa học vật liệu nói chung. Hiểu biết tốt về thuyết động học chất khí (ch ương 2) cho phép chúng ta n ắm vững và dự báo h ành vi c ủa chất khí v à hơi. Đối với lắng đọng pha h ơi vật lý, một trong các khái niệm quan trọng nhất l à tần suất va chạm . Đó là s ố lần va chạm tr ên đơn vị diện tích trong 1 giây m à chất khí đã tác động lên bề mặt vật rắn, nh ư thành chuông hay đ ế. Tần suất va chạm đ ược tính từ thu yết động học, nó tỷ lệ thuận với áp suất: P (1.1) z , 1 /2 2 .mkT trong đó : P là áp su ất khí, m là khối lượng phân tử va chạm, k là hằng số Boltzmann, T nhiệt độ K. Ứng dụng. Tính tần suất va chạm của phần tử khí c òn lại trong chuông chân - không 10 6 Torr. Cho rằng, chất khí d ư trong chuông ch ủ yếu l à phân t ử nitơ. Trước hết, cần đổi đơn vị áp suất từ Torr sang Pa: - - - 10 6 Torr = 133 x 10 6 Pa = 1,33 x 10 4 Pa.. Lấy nhiệt độ ph òng là 300 K, t ần suất va chạm của phân tử nit ơ (28 đơn v ị khối lượng nguyên t ử) được tính theo công thức 1.1., chúng ta có: 4 1,33 10 Torr z 1/ 2 27 23 2 28 1, 66 10 kg 1,38 10 J / K 300K 3,8 1018 m 2s 1. Từ khái niệm về tần suất va chạm, chúng ta có thể đặt câu hỏi rằng Một đế sạch đặt ở trong chuông chân không sẽ c òn giữ sạch đ ược bao lâu? . Với sự
16 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng có mặt của phân tử khí c òn sót lại trong chuông, thời gian hấp phụ đ ơn lớp có thể tính theo công thức: Ns t rg (1.2), .z rg trong đó : N c là mật độ bề mặt của các vị trí hấp phụ , là xác su ất bẫy đối với phân tử khí va chạm (ch ương 3). Ứng dụng . Cho rằng đế silic đ ã được xử lý sạch đặt trong chuông chân - không có khí dư là nitơ, áp su ất trong chuông bằng 10 6 Torr. Xác đ ịnh thời gian để người thực h ành phải bốc bay tr ước khi bề mặt silíc bị hấp phụ ho àn toàn bởi nguyên tử khí nit ơ. Mật độ nguyên tử trong silíc tinh th ể là n sub 5 1028 m 3 . Mặc dù mật độ chính xác nút m ạng trên bề mặt tinh thể phụ thuộc v ào định hướng của mạng tinh thể silíc, một cách gần đúng có thể cho rằng mật độ vị trí hấp phụ (nút mạng) bề mặt N s n sub3 , cho nên N s 1,4 1019 m 2 . Chúng ta gi ả thiết 2/ rằng, mỗi một vị trí n ày có thể hấp phụ một nguy ên tử khí nit ơ dư trong chuông và cho r ằng xác suất bẫy bằng 1.Do đó thời gian h ình thành một lớp mỏng của khí hấp phụ sẽ l à (chúng ta đưa thêm s ố 2 vào biểu thức tính trg là có tính đ ến độ phân ly của phân tử N 2): 1, 4 1019 m 2 Ns t rg 1,8s. 2z rg 2 3,8 1018 m 2s 1 Đây là kho ảng thời gian để bề mặt sạch của đế không bị nhiễm bẩn khí nit ơ. Điều này cho th ấy, trong chân không cao nh ư trên mà chúng ta v ẫn còn thấy khả năng nhiễm bẩn do hấp phụ khí d ư. Thuyết động học đ ược áp dụng để tính toán cho nhi ều mô h ình khác đối với các tính chất v à hiện tượng xảy ra trong lắng đọng pha h ơi vật lý. Hấp phụ v à ngưng t ụ. Trong công ngh ệ màng mỏng, hiện t ượng hấp phụ v à ngưng t ụ (chương 3) là s ự tích tụ màng mỏng trên đế (nhiều tác giả gọi l à mọc màng). Khoa h ọc cơ bản về sự lắng đọng bao gồm tính toán áp su ất h ơi cân b ằng nhiệt của vật chất v à xác đ ịnh điều kiện quá b ão hoà trên đ ế.
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 17 Áp suất hơi cân b ằng nhiệt của một chất A đ ược tính bằng công thức : 0 0 vap SA vap HA P 0 exp , (1.3) PAeq exp R RT trong đó : là áp suất chuẩn (10 5 Pa), P0 0 vapSA là entropi chu ẩn của pha h ơi, 0 là enthalpi chu ẩn của pha h ơi, vap HA R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối. Dưới đây l à một thí dụ ứ ng dụng công thức (1.3). Chúng ta phân tích công trình của Esposto v à cộng sự, họ cho rằng nắp vỏ bia lon có thể d ùng làm nguồn bốc bay Mg một cách rất hiệu quả. Theo phân tích hóa học, nắp tr ên của lon bia đ ược làm từ hợp kim nhôm chứa 1% Mg v à 1,3% Mn. C âu hỏi đặt ra là dòng hơi c ủa chất n ào trên th ực tế có thể nhận đ ược từ hợp kim nhôm khi đ ặt nó vào trong bình hóa h ơi? Có th ể là Mg sạch không? Trong dòng hơi đó có ch ứa nhiều Mn h ơn Mg không? đ ể trả lời các câu hỏi n ày chúng ta c ần hai công thức từ ch ương 5. Cường độ ch ùm phân t ử của một b ình thoát lý t ưởng (bình Knudsen) được tính bằng công thức: z A cos , (1.4) J trong đó A là diện tích lỗ hổng của b ình thoát và là góc phát x ạ. Dòng phân t ử bay tới đế (d òng tới): J cos . j (1.5) 2 i R Sự liên quan này cho ta dòng phân t ử trên một điểm của bề mặt đế, tr ên một đơn v ị diện tích v à đơn v ị thời gian. Ở đây, là góc l ắng đọng (h ình 1.6) và R là kho ảng cách từ nguồn tới một điểm đang xét tr ên đế.
18 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Ứng dụng. Tính cường độ ch ùm phân t ử khi một hợp kim đ ược mô tả nh ư trên đặt trong b ình thoát (hình 1.6). Di ện tích lỗ hổng l à 1 cm2 và khoảng cách tới đế l à 10 cm. Bình được cấp nhiệt ổn định tại 900 K. Giả thiết rằng o điểm đang xét ở tr ên đế thẳng góc với lỗ hổng ( = 0 ). Trước hết, chúng ta tính áp suất h ơi cân b ằng nhiệt của ba thành ph ần của hợp kim đặt trong b ình. Cho r ằng dung dịch lỏng l à lý tưởng, áp suất h ơi của một thành phần bất kỳ đ ược coi nh ư là áp su ất hơi của vật liệu sạch nhân với hệ số nguyên tử trong hợp kim đó: PA Tsource X A PAep Tsource . Các đại lượng entropi v à enthapi phân t ử chuẩn của pha h ơi 3 thành ph ần (từ chương 3) và hàm lư ợng nguy ên t ử t ương ứng đ ư ợc liệt k ê trong b ảng dư ới đây: 0 0 vap SA (J / K) vap HA (kJ) X Magiê (Mg) 99 134 0,01 Mangan (Mn) 106 247 0,013 Nhôm (Al) 118 314 0,977 Áp suất hơi của Mg l à: 99J / K 134kJ P (900K) 0,01 10 5Pa exp exp 2,47Pa. Mg 8,31J / K 8,31J / K 900K Tương t ự: 6 PMn (900K) 2,05 10 Pa, 8 PAl (900K) 8,38 10 Pa. Thấy rằng P M PM P dù ,cho n ồng độ của Mg v à Mn gần giống n Al g nhau và nh ỏ hơn rất nhiều nồng độ Al trong nguồn bốc bay. Do vậy khi sử dụng h ợp kim hay hợp chất chứa Mg l àm ngu ồn bốc bay, chúng ta cần lưu ý đ ến điều n ày. Các áp su ất hơi này ứng với tần suất va chạm nhất định ở b ên trong bình thoát. Đối với pha h ơi Mg chúng ta có:
Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng 19 2, 47Pa zMg (900K) 1 /2 27 23 (1,38 J/K) 900K] [2 24,31 1,66 10 kg 10 4, 4 10 22m 2s 1 4, 4 10 4 (nm) 2 .s 1. Bằng cách tương t ự, nhận đ ược: 2 ( n2 m ) 1 z (9 0 0 K ) 2,43 10 s . . Mn 3 ( n m 2) 1 zA l (9 0 0 K ) 1, 4 2 10 .s . Các tần suất va chạm n ày quyết định d òng phân t ử riêng phần cho từng chất trong bình thoát Knudsen. Do đó, ở ngay tr ên b ề mặt lỗ hổng, chúng ta s ẽ có: o (o ) 1 04 ( n m ) 2 1 2 J 0 4,4 .s co s (0 ) 1c m / Mg 1 08 1 s1 . 1, 4 ( o0 11 1 J ) 7,72 10 s . Mn o 1 0 10 s 1 J (0 ) 4,51 . Al Vì thế, cường độ d òng phân t ử tới của Mg lớn gấp h ơn 6 bậc so với c ường độ dòng của 2 thành phần còn lại. Thí dụ tiếp theo sẽ xét tới độ lớn của d òng tới trên bề mặt đế h ình thành từ dòng phân t ử . Ứng dụng. Tính dòng phân t ử trên đế tương ứng với d òng phân t ử trong thí dụ trên. Cho r ằng vị trí đang xét tr ên đế nằm thẳng góc tr ên mặt phẳng lỗ 0 .) thoát ( Sử dụng các giá trị c ường độ d òng đã biết, dòng các phân t ử lắng đọng trên vị trí của đế: 18 o 1 1, 4 10 s co s(0 ) 2 1 0 2 ( n1 m ) jiM 1, 4 .s . g 2 10cm 1 50 ( n m 2) 1 jiM 7,72 .s . n 1 60 ( n m ) . s1 .2 jiA l 4,51
20 Vật lý và kỹ thuật m àng mỏng Dòng lắng đọng của Mg cũng lớn gấp h ơn 6 bậc so với d òng lắng đọng của hai thành ph ần còn lại. Như vậy chúng ta có sự phân bố mới của các th ành phần trong màng. M ột cách gần đúng có thể thấy mangan v à nhất là nhôm lại trở th ành tạp chất trong m àng mỏng magiê với hàm lượng rất thấp, t ương 1 0 7 và 3 , 2 1 0 8 . Một điều lý thú l à với hàm lượng ứng là 5 , 5 nhôm và mangan trong màng t ạo thành quá nh ỏ như vậy, nắp vỏ lon bia hoàn toàn có th ể được sử dụng l àm một nguồn “sạch” để bốc bay Mg. Tuy nhiên cũng cần l ưu ý là nếu nguồn vật liệu gốc không đủ để quá tr ình bốc bay dừng trước khi Mg đ ã bay hết thì trên bề mặt màng chủ yếu sẽ lại l à Mn và Al. Vì vậy, trong thực tiễn bốc bay m àng Mg, ngư ời ta vẫn chỉ d ùng nguồn kim loại Mg tinh khiết để bảo đảm bốc bay m àng chất lượng cao. Nếu một lớp m àng Mg đư ợc mọc tr ên đế, dòng phân t ử Mg sẽ bị quá b ão hoà, lúc đó s ẽ xảy ra hiện t ượng khuếch tán ng ược của phân tử Mg. Thực tế này có th ể rút ra từ ph ương tr ình Hertz-Knudsen -Langmuir (hình 1.7), chúng ta sẽ xem xét ở ch ương 5. Phương tr ình Hertz-Knudsen -Langmuir mô t ả dòng ngưng tụ trên đế tỷ lệ thuận với hiệu số giữa d òng phân t ử do va chạm từ nguồn bố c bay và dòng tái hoá hơi t ừ đế (dòng khuếch tán ng ược): Tsu b , jc j z (1.6) eq c i trong đó là hệ số ngưng tụ cho biết tỷ phần của các phân tử va chạm v à c ngưng t ụ. Đ ộ quá b ão hoà và đi ều kiện mọc m àng (chương 3) đư ợc mô tả b ởi phương tr ình: ji S 1 0. (1.7) z eq Tu b s Bất đẳng thức n ày có ngh ĩa là j i cần phải lớn h ơn tần suất va chạm tại nhiệt độ đế mà màng mỏng ngưng tụ trên đế đó. Điều n ày không có ngh ĩa đơn