[block id=”bo-sung-1″]

Trong phún xạ, năng lượng được chuyển từ ion tới đến nguyên
tử target,
Tại sao sử dụng phương pháp phún xạ?
Phún xạ có độ đồng điều trên diện tích lớn
Dễ kiểm soát thành phần hợp chất
Bề mặt target được rửa trước khi lắng đọng màng, nhằm tẩy các
tạp chất bẩn trên bề mặt

cac_phuong_phap_thuc_nghiem_phuong_phap_phun_xa
pdf82 trang | Chia sẻ: duongneo | Ngày: 01/08/2017 | Lượt xem: 637 | Lượt tải: 4download

Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Các phương pháp thực nghiệm: Phương pháp phún xạ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ
Lê Trấn
NGƯỜI TRÌNH BÀY:
Trong phún xạ, năng lượng được chuyển từ ion tới đến nguyên
tử target,
Tại sao sử dụng phương pháp phún xạ?
Phún xạ có độ đồng điều trên diện tích lớn
Dễ kiểm soát thành phần hợp chất
Bề mặt target được rửa trước khi lắng đọng màng, nhằm tẩy các
tạp chất bẩn trên bề mặt
Hạn chế: quá trình lắng đọng ở chân không trung bình có thể
làm tăng tạp hơn quá trình bốc bay.
Phún xạ
phá vở liên kết giữa các nguyên tử, bứt những nguyên tử
ra khỏi target
Điều khiển nguồn ion
Khí trơ được chuyển thành plasma để hoạt động như nguồn ion
Điều khiển nguồn ion plasma bằng cách cung cấp năng lượng cho
chùm ion
Target:
Có độ nguyên chất cao là cần thiết
Kích thước phải lớn hơn kích thước của đế để màng có độ đồng
đều cao
Nước làm nguội phía sau target
Điều kiện cần cho phún xạ
Chúng ta cần gì?
 Chúng ta cần
 Môi trường của hạt ion hóa (Plasma)
 tạo ra plasma
 gia tốc ion và điện tử
 plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất
 Chứa các ion di chuyển tự do
 Cả hạt mang điện âm và dương
 Các nguyên tử ở trạng thái kích thích, năng lượng của
chúng ở trạng thái cao, bán bền
 Hạt nhân (do các phân tử bị đứt liên kết)
 plasma có được khi năng lượng đủ cao
 Hạt năng lượng cao sử dụng trong phún xạ được sản sinh bởi phóng
điện
 Aùp thế cao dc ngang qua khí loảng gây ra phóng điện
Sản sinh plasma
Cái gì là cơ chế chuyển khí cách điện thành môi trường dẫn điện?
Phóng điện
Bứt những nguyên tử bề mặt nhiều nhất trong khi giảm tối đa những
ion cấy vào target
Dẫn điện trong môi trường khí
 Những vùng dẫn điện khác nhau trong môi trường khí
 Hai vùng quan trọng
 phóng điện Townsend
 Phóng điện phát sáng
Phóng điện Townsend
 Điện tử phân tán từ cathode được gia tốc hướng đến anode
 Điện tử có năng lượng đủ, va chạm với các nguyên tử khí trung hòa
(A)
 Khoảng cách giữa hai điện cực phải đủ lớn cho phép điện tử
duy trì đủ năng lượng
 Cathode phải đủ rộng để ngăn cản sự mất mát điện tử
 Chuyển đổi khí trung hòa thành ion dương (A+)
 Hai điện tử được giải phóng
e- + A 2e- + A+
 Các hạt mang điện được nhân lên theo cấp số nhân
 Quá trình này được gọi là phóng điện Townsend
 i0 là dòng ban đầu
 Mối liên hệ này liên quan đến dòng điện tích tăng đột biến
do sản sinh điện tử thứ cấp
  đặc trưng cho xác suất ion hóa mỗi đơn vị chiều dài,
phụ thuộc áp suất, điện trường và năng lượng ion hóa
  đặc trưng cho bức xạ điện tử thứ cấp
 Thác lũ xảy ra khi mẫu số làzero
d
0 d
e
i i
[1 (e 1)]



  
Mối liên hệTownsend
Thác lũ
 Thế đánh thũng là thế khi phóng điện townsend chuyển sang phóng
điện corona :
(Pashen’s law)
A,B hằng số
d là khoảng cách giữa hai điện cực
P là áp suất
 Aùp suất thấp:
 Vài va chạm giữa điện tử và ion Hiệu suất điện tử thứ cấp là
quá thấp thế VB cao hơn để duy trì phóng điện
 Aùp suất cao hơn:
 Va chạm đều đặn Điện tử không có năng lượng đủ lớn thế VB
cao hơn
B
APd
V
ln(Pd) B


Đường cong Paschen
Thế ban đầu cần để hình thành nên plasma
VS là một hàm của khí, áp suất và khoảng cánh bia – đế
Khi tích p.d thấp, electron đạt đến anode mà không va chạm với khí.
Vì thế, cần có thế cao hơn để điện tử gây đủ va chạm để plasma hình
thành
Thế VS cao hơn cũng cần tích p.d cao hơn, bởi vì điện tử va chạm với
nguyên tử khí trước khi chúng nhận đủ năng lượng để gây ion hóa
Thế mồi
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
 A – B: Điện trường quét ion và điện tử, các hạt mang điện được tạo ra từ
sự ion hóa do bức xạ môi trường.
 Bức xạ môi trường xuất phát từ tia vũ trụ, vật liệu phóng xạ hay các
nguồn khác.
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
 B – C: Thế được tăng đủ lớn, tất cả những ion và điện tử được quét đi,
và dòng điện được duy trì.
 Dòng này phụ thuộc tuyến tính vào độ mạnh của nguồn phún xa,
dòng bão hòa khi các hạt mang điện đều đạt đến các điện cực.ï
 C – E: Thế tăng qua điểm C, dòng tăng theo hàm mũ.
 Dòng tăng được gọi là phóng điện townsend.
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
 E: Thác lũ điện tử xảy ra.
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
 F – G khí vào vùng phóng điện bình thường, trong đo,ù thế hầu như
không phụ thuộc dòng.
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
 G-H: phóng điện bất thường
 Sự bắn phá của ion rất lớn. Vùng này sử dụng cho phún xạ.
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
 H: phóng điện hồ quang. Cathode bị đốt nóng đến mức có thể phát xạ
nhiệt điện tử.
Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại
Cấu trúc của phóng điện
 Cấu hình này trình bày những vùng chính đặc trưng cho
phóng điện phát sáng.
 Những vùng được mô tả như “phát sáng” bức xạ ánh sáng
còn những vùng có tên “không gian tối” không co bức xạ
ánh sáng
Những thành phần chính của plasma dc
Vùng sáng là vùng ở đó điện tử tương tác với nguyên tử bị kích
thích và ion, năng lượng mất mát do phát sáng
Màu của ánh sáng là hàm của khí(năng lượng ion hóa của
nguyên tử và phân tử)
Điện tử nhận quá nhiều năng lượng
Phát quang giảm vì sự chuyển mức năng lượng đến nguyên tử
không tương thích với mức ion hóa
Vùng tối là vùng ở đó nguyên tử khí trung hòa tồn tại
Không có ánh sáng bởi vì ion hóa và kích thích không xảy ra
Cấu trúc của phóng điện
Không gian tối cathode (C) là vùng
tương đối tối, có điện trường mạnh
nhất.
Cột âm (D) là vùng có cường độ sáng
nhất trong toàn phóng điện, độ mạnh
của điện trường trở nên yếu do mật
độ điện tử giảm. Điện tử có năng
lượng đủ để gây ra kích thích nguyên
tử
Không gian tối Faraday (E)
Năng lượng điện tử giảm từ sự va
chạm trong cột âm
Cột dương (F)
Độ mạnh của điện trường đồng đều,
mật độ điện tử và ion bằng nhau
(vùng plasma chính)
Vùng sáng anode (G)
Điện tử gần anode được gia tốc và
kích thích nguyên tử.
Cấu trúc của phóng điện
Không gian tối anode
Ion được đẩy bởi anode, điện tử
bị triệt tiêu (không có tương tác
do kích thích)
 Thế trong ống phóng điện giống hình dưới đây
 Thế plasma cao hơn thế ở hai điện cực
 Điện tử đẩy từ hai cực và điều này giúp plasma ổn định
Vỏ điện cực
Vỏ điện cực
 Trong vùng vỏ điện cực, mật độ
điện tử thấp
 Hầu như không có va chạm hay
nguyên tử bị ion hóa
 Vùng này xuất hiện tối
 Bởi vì điện trở thấp nên điện
trường cao trong vùng này
Các loại phún xạ
Phún xạ diod
Phún xạ phản ứng
Ion plating và ion plating phản ứng
Phún xạ magnetron
phún xạ chùm ion
 ÔÛ target:
 Nguyeân töû target böùt ra
 Ion target böùt ra (1 – 2 %)
 Ñieän töû böùc xaï
 Giuùp duy trì plasma
 Ion Ar+ phaûn xaï nhö nguyeân töû trung hoøa
 Ar bò troân trong target
 Photon böùc xaï
Nguyên tử vào trạng thái khí
Xuyên sâu cỡ 10 Ao
Năng lượng < 50 keV
95 % Năng lượng tới truyền cho đế => Cần làm nguội target
5 % Năng lượng tới thất thoát do ion tới bị phản xạ từ nguyên tử trung
hòa target, Năng lượng này thường cỡ 5-100 eV
Nguyên tử target bị bứt ra với năng lượng phân bố không đồng đều Nhiều
nguyên tử vuông góc với bề mặt đế
Phân bố cosine
Quá trình được đặc trưng bởi hiệu suất phún xạ (S)
•S = số nguyên tử bứt ra khỏi target / số ion dương đập tới target
Quá trình truyền động lượng của ion
Vật liệu target
Năng lượng liên kết
Khối lượng nguyên tử
Khí phún xạ
Khối lượng nguyên tử (S tăng đối với khí nặng)
Năng lượng tới (S tăng đối với năng lượng tới cao)
S phụ thuộc:
Năng lượng cực đại ion truyền cho target
Phún xạ dc
 Phún xạ có nghĩa là hạt năng lượng cao đập lên target, loại hạt này
sinh ra trong quá trình phóng điện
 Va chạm đàn hồi, không truyền năng lượng
 Va chạm không đàn hồi
 Năng lượng không đủ cao kích thích điện tử, bức xạ photon
 Năng lượng đủ cao, ion hóa điện tử, tạo ra điện tử thứ cấp
 Các điện tử lại được gia tốc, va chạm liên hoàn với khí
 Dòng điện tử được thu bởi anode và suy giảm về 0 nhanh chóng
Va chạm giữa các hạt
Điện tử được sinh ra ở cathode và di chuyển hướng đến anode,
điện tử va chạm với nguyên tử khí giữa hai điện cực
Khi va chạm với nguyên tử khí, điện tử gây ra:
Kích thích
Phân ly
Ion hóa
Điện tử được tạo ra trong quá trình, gây ra hiện tượng thác lũ
Khi đạt trạng thái cân bằng, số điện tử đủ bù trừ số điện tử bị mất
và số điện tử tái hợp với ion.
Quá trình tương tác của các hạt mang điện
Năng lượng của ion đập lên target được kiểm soát như sau:
< 5eV : giải hấp vật lý và phản xạ
5  10 eV: có thể làm hư hại bề mặt và di chuyển trên bề mặt
10  30 eV: phún xạ
> 30 eV: cấy ion
Quá trình tương tác của các hạt mang điện
Các loại phương pháp phún xạ
 Phún xạ DC
 Phún xạ RF
 Phún xạ phản ứng
 Phún xạ magnetron
 Phún xạ magnetron biểu diễn theo ba phương pháp
và tăng cường hiệu quả
Sử dụng hạt năng lượng cao (plasma) để di đẩy những nguyên
tử ra khỏi bề mặt
•Được thực hiện trong môi trường chân không thấp hoặc
trung bình (~10-3 10-2 torr)
• Thuận lợi
Có thể sử dụng target lớn cho sự đồng đều của màng
Dể kiểm soát bề dày theo thời gian
Dể lắng đọng hợp kim và hợp chất
Không có bức xạ tia X
Các loại phương pháp phún xạ
DC sputtering
 Dạng đơn giản của phún xạ dc là ống phóng điện
 Ion phún xạ nguyên tử từ target và chúng định vị trên
đế
Nguồn vật liệu rắn và cấu hình có thể tùy
ý
Nhiệt độ lắng đọng thấp
Có thể đạt tốc độ lắng đọng cao
Độ bám dính tốt
Thành phần của màng có thể bằng thành
phần của nguồn
DC sputtering
DC sputtering
DC sputtering
Phún xạ chùm ion
Nguyên tử hơi được tạo ra bởi một loạt những va chạm truyền năng lượng và
động lượng từ nguyên tử hay ion được gia tốc ban đầu đến những nguyên tử
trong target. Khi năng lượng của nguyên tử đủ vượt qua năng lượng liên kết
của bề mặt, U, và khi động lượng hướng ra từ bề mặt, nó sẽ thoát vào pha khí
 Aùp suất ảnh hưởng tới tốc độ lắng đọng:
 Aùp suất thấp:
 Vỏ cathode rộng, ion được sản sinh xa từ target, cơ hội
mất mát rất lớn
 Quảng đường tự do trung bình là dài, cơ hội va chạm do
ion hóa thấp
 phóng điện duy trì không thể đạt được dưới áp suất 10
mTorr
vì thế áp suất thấp có thể giảm tốc độ lắng đọng
 Aùp suất cao:
 Nguyên tử phún xạ trải qua nhiều tán xạ
 Vì thế áp suất cao cũng làm giảm tốc độ lắng đọng
Các thông số phún xạ
 Tốc độ lắng đọng tối ưu vòng quanh 100 mTorr
 Tương đồng giữa
 Số ion Ar+ tăng
 Tán xạ của ion Ar+ với nguyên tử trung hòa tăng
 Nếu tăng số ion mà không tăng số nguyên tử trung hòa thì quá trình phún
xạcó thể hoạt động ở áp suất thấp
Các thông số
Hiệu suất phún xạ
n
Y
n
 

: Số hạt trung bình bức xạ mỗi lần ion đập lên bề mặt
target
n+: Số ion đập lên bề mặt target
Y phụ thuộc vào loại ion và vật liệu target
Các thông số
Hiệu suất phún xa phụ thuộc khí và vật liệu target
Ion có năng lượng Uo = 0.1 – 10 keV
t
2
t o
4M M E
Y
(M M ) U
 



M+: Khối lượng ion
Mt: Khối lượng nguyên tử target
E+: Thế năng va chạm
Hiệu suất phún xạ
Năng lượng ion > 10 KeV
Bốc bay nhiệt xảy ra
o
B
U
Y exp( )
k T
 
Hiệu suất phún xạ
Để duy trì plasma:
Aùp suất cao, dẫn đến mật độ tạp trong khí cao, do va chạm
gữa khí và thành buồng lớn
Phún xạ dc
Ion plating
Khắc phục tạp trong phún xạ diod, một chút thế âm được áp
trên đế đủ đế giải hấp những loại khí hấp phụ trên đế, đồng
thời làm tăng năng lượng bề mặt đế, giúp tăng cường khuếch
tán bề mặt của các nguyên tử target
Phún xạ magnetron
Hạ áp suất bằng cách sử dụng từ trường để bẩy điện tử gần
target, làm tăng quá trình ion hóa và tăng tốc độ lắng đọng.
 Thế âm thường được áp vào đế để thay đổi dòng và năng lượng
của hạt phún xạ.
 Thế âm cỡ -5 đến -300 vôn được sử dụng
 Điều này làm giảm sự bắn phá đế bởi ion, vì thế:
 Tăng độ bám dính
 Tăng mật độ màng
 Giảm điện trở của màng kim loại
 Tăng độ phản xạ quang học
Thế âm ở đế
 Hoạt động rất đơn giản
 Phún xạ dc không được sử dụng nữa
 Tốc độ lắng đọng thấp
 Thuận lợi trong việc đảo cực
 Có thể etching (ăn mòn) đế trước
Bias sputtering
 Phân cực đảo làm thay đổi vai trò giữa target và đế
 Ion đập lên bề mặt và ăn mòn màng từ đế
 Ion rất nhạy để tăng độ mạnh lực liên kết nguyên tử hơn
thành phần của các loại khác nhau
 Không lọc lựa
 Ăn mòn dị hướng
Ăn mòn bằng plasma
Phún xạ magnetron
 Nam châm giam plasma phóng điện phát sáng đối với
vùng gần bề mặt target nhất
 Từ trường giữ điện tử gần target
 Xác suất va chạm tăng
Cấu hình hệ magnetron:
điện trường và từ trường trực giao, đặt nam châm phía sau
target.
Phún xạ magnetron
 Hệ magnetron bao gồm target mà nam châm được đặt sau nó để
tạo thành bẩy từ đối với những hạt mang điện, như những ion Ar
phía trước target
 Nguyên tử được bật ra khỏi bề mặt target bởi ion – đó là phún
xạ. Những nguyên tử phún xạ không tích điện âm hay dương, vì
thế chúng di chuyển thẳng ra khỏi bẩy từ và lắng đọng ở đế.
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
Phún xạ magnetron
 Giam giữa target và từ trường khép kín sinh ra plasma mật độ
đặc.
 Mật độ ion cao được sinh ra trong plasma có bẩy từ, và những ion
này được hút bởi target có áp thế âm, tạo ra phún xạ tốc độ cao.
Plasma magnetron
 Sự xói mòn target lớn nhất ở nơi từ trường và mật độ plama lớn nhất.
 Điều này dẩn đến công dụng không hiệu quả của target có từ tính
Xói mòn target
Thuận lợi
Mật độ dòng (tỉ lệ với tốc độ ion hóa) tăng 100 lần so với phún xạ dc
Aùp suất phóng điện có thể giảm 100 lần
Tốc độ lắng đọng tăng 100 lần
 Trong những năm trước đây màng mỏng kim loại được
bốc bay nhưng bây giờ phún xạ được sử dụng
 Phún xạ có thể được sử dụng để lắng đọng tất cả các
loại chất dẫn điện
 Chúng ta không thể lắng đọng màng hợp kim bởi
phương pháp bốc bay do nhiệt độ nóng chảy của
các kim loại khác nhau
 Phún xạ không làm thay đổi hợp thức
Sự phủ kim loại
 Tỉ số môn của các nguyên tố trong một hợp chất
được gọi là hợp thức
 Trong lắng đọng hợp kim chúng ta cần kiểm soát
tỉ lệ giữa các nguyên tố
 Bốc bay: điểm nóng chảy thấp hơn lắng
đọng nhanh hơn
 Phún xạ: điểm nóng chảy không liên quan
Hợp thức
 Tạp chất trong màng phún xạ thấp
 Trong bốc bay, tạp chất do vật liệu chứa
 Sự bao phủ bậc thang tốt hơn
 Phún xạ được làm từ diện tích mở rộng của
target bóng mờ là thấp nhất
 Đồ đồng đều tương đối cao
Một số ưu điểm khác của phún xạ
Sự va chạm giữa các hạt
Sự phân bố cosin của dòng hạt rời khỏi đế.
Sự phân bố tốc độ lắng đọng
Năng lượng phản xạ của hạt tới thay đổi theo khối lượng
nguyên tử target
Năng lượng phản xạ của hạt tới
Lấy đi những cấu hình không phẳng trong
lắng đọng phún xạ có thế âm ở đế, cho
phép lọc lựa tốt hơn mẫu có dạng lỗ
Bias sputtering
Phún xạ phản ứng
Phún xạ phản ứng
Khí phản ứng được đưa vào buồng phún xạ cùng với
khí Ar.
Hợp chất được hình thành giữa khí phản ứng và
nguyên tử phún xạ (ví dụ TiN).
Phản úng thường xảy ra trên bề mặt đế và trên target.
Khi quá nhiều khí phản ứng có thể gây ra tốc độ phản
ứng vượt quá tốc độ phún xạ
 Sự đầu độc target làm thay đổi tốc độ phún xạ rất lớn !
Phún xạ phản ứng
Hợp chất được lắng đọng bởi phún xạ phản ứng
Target Reactive Gas Compound
Al O2 Al2O3
Al N2 AlN
Ti O2 TiO2
Ti N2 TiN
Si N2 Si3N4
Ta O2 Ta2O5
Zn O2 ZnO
In-Sn O2 In2O3-SnO2
Phún xạ phản ứng
 Phún xạ DC sử dụng cho đế dẫn điện
 Lắng động SiO2 sử dụng phún xạ DC cần 10
12 V
 Phún xạ DC không duy trì đối với target không dẫn điện, bởi vì
điện tích dương trên bề mặt target từ chồi dòng ion và dập tắt
phún xạ
 Thế RF có thể được nối thông qua đế cách điện, vì thế điện cực
dẫn là không cần thiết.
 Tần số RF đủ cao để duy trì phóng điện.
 Tần số chuẩn 13.56MHz
 Chúng ta phải đảm bảo rằng ion dương chỉ bắn phá
cathode(target)
Phún xạ RF
Phún xạ RF
Ở tần số radio (13.56 MHz), điện cực nguồn sẽ
phát triển một màng điện tích âm (tự hình
thành) do sự khác biệt độ linh động của điện
tử và ion
Ion dương sẽ bắn phá điện cực nguồn, do đó
dẫn đến phún xạ target
Đế được đặt ở điện cực nối đất (hay bất cứ nơi
nào khác trong buồng)
Hiệu ứng quan trọng
 Trên 1MHz một số hiệu ứng quan trọng xảy ra:
 Cơ chế Ping-pong
 Điện tử đi vòng quanh vỏ plasma và chúng có
năng lượng
 Thế RF có thể được áp vào thông qua bất kỳ trở
kháng nào
 giảm năng lượng ion
 Ơû cùng nguồn áp vào, nhiều sự phân chia làm
tăng năng lượng điện tử
Hiệu ứng quan trọng
 Tần số nhỏ hơn 1 MHz
 Điện tử và ion trong plasma linh động
 Cả hai loại hạt mang điện theo sự chuyển đổi giữa
anode và cathode
 Phún xạ DC căn bản ở cả hai bề mặt
 Tần số lớn hơn 1 MHz
 Ion có thể không theo sự chuyển đổi này(nặng)
 Điện tử có thể trung hòa với điện tích dương được thành
lập
Điện cực nào là cathode?
 Độ linh động của điện tử cao hơn cathode thu được nhiều
điện tích âm hơn điện tích đương
 Bộ tụ điện khóa thế dc từ nguồn cấp điện
 Sau một vài chu trình cathode được tích thế âm
 Trong suốt một vài chu kỳ đầu, nhiều điện tử được thu ở
điện cực nhiều hơn ion (độ linh động cao), và gây ra tích
điện âm hình thành ở điện cực.
 Do đó, điện cực duy trì thế DC ổn định, âm so với thế
plasma, Vp.
 Thế plama Vp dương giúp truyền ion dương chậm hơn và
làm chậm sự hình thành điện cực âm.
Phún xạ RF
 Đế được phún xạ cùng tốc độ như target bởi vì sụt thế bằng
nhau ở cả hai điện cực đối với hệ đối xứng.
 Điều này khó có thể lắng đọng vật liệu.
 Điện cực nhỏ hơn đòi hỏi mật dộ dòng RF cao hơn để duy
trì cùng một dòng tổng cộng như điện cực lớn
Phún xạ RF
 Làm điện cự target nhỏ hơn điện cực khác, sụt
thế ở điện cực target sẽ lớn hơn nhiều điện cực
khác
 Vì thế hầu hết phún xạ xảy ra ở target.
Phún xạ RF

[block id=”bo-sung”]

Từ khóa: Các phương pháp thực nghiệm: Phương pháp phún xạ

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *