Tổng hợp màng mỏng bằng Magnetron sputtering

..:: HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH -SPECIALIZED CHEMISTRY MATERIALS SCIENCE & MICRO-NANOTECHNOLOGY
1

Sputtering (phún xạ) là kỹ thuật để tổng hợp các thin film (màng mỏng) kim loại, các màng mỏng oxid và mảng mỏng nitrid.

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.

[FLASH]http://www.pvd-coatings.co.uk/Sputter.swf[/FLASH]

Trong quá trình bắn phá của ion Ar+ vào target, ngoài quá trình đánh bật các nguyên tử của target, còn có các quá trình khác xảy ra như hình thành các electron thứ cấp, hấp phụ, hình thành hợp chất…

Quá trình hình thành màng mỏng: các nguyên tử tập hợp lại thành từng cụm trên substrate. khi các cụm đủ lớn sẽ liên kết lại hình thành màng (gồm một số lớp nguyên tử). Từ các lớp ban đầu này màng sẽ tiếp tục phát triển, nhưng ko phải phát triển đồng đều cho cả bề mặt, mà phát triển theo các hướng có năng lượng tự do thấp nhất. Có thể hình thành các cột hay các cụm và cứ thế phát triển, hình thái và tính chất của màng sẽ khác nhau.

[FLASH]http://www.pvd-coatings.co.uk/sputter-coat.swf[/FLASH]

Hình thái (morphology) của màng mỏng: tuỳ theo nhiệt độ của substrate, năng lượng của ion Ar (hay áp suất), màng mỏng hình thành có các hình thái khác nhau.

Trong quá trình sputtering, ta có thể lợi dụng các ion thứ cấp hình thành để tăng tốc độ tạo màng hoặc giảm thế áp vào target hoặc giảm áp suất dòng Ar. Kỹ thuật này gọi là magnetron sputtering. Trong kỹ thuật này ta áp 1 từ trường vào target. Từ trường này sẽ giữ các electron thứ cấp dao động trên các đường sức từ quanh target. Các electron dao động gần bề mặt target sẽ góp phần ion hoá nhiều nguyên tử Argon hơn. Chính điều này tăng tốc độ quá trình tạo màng mỏng.

[FLASH]http://www.pvd-coatings.co.uk/Elec.swf[/FLASH]

Nếu ta thay đổi dòng khí Argon bằng hỗn hợp Argon + O2 hoặc Argon + N2 thì ta thu được màng oxid hoặc nitrid tương ứng.

2

Cả nhà cho em hỏi kỹ thuật RF-magnetic sputter là gì với ạ. Em tìm trên net mà không thấy…hix hix…Nếu có sách Vietnamese thì cả nhà bảo giúp em với nhé, em dốt English cực…hix hix…^^ Mong sự tương trợ của cả nhà. Thanks cả nhà nhìu nhìu!!! :hun ( :hun ( :hun (

3

RF-Magnetron Sputter là một kỹ thuật tạo màng mỏng (Thin films). Từ trường tạo ra bởi Magnetron sẽ định hướng dòng plasma tạo thành thành các loops (vòng tròn) do đó mật độ ion trong plasma cao hơn và đồng đều hơn do đó plasma mật độ cao có thể tạo thành trong ở áp suất thấp. Hơn nữa, Magnetron sẽ bẫy các điện tử tập trung trên bề mặt của target và trong quá trình đó dưới tác dụng của điện trường RF sẽ sẽ ion các tiểu phân khí và chính các tiểu phân khí tạo thành này sẽ bắn phá bề mặt của target. RF ở đây là viết tắt của chữ Radio Frequency nhưng ý nghĩa của nó ở đây là năng lượng của quá trình tạo plasma được cung cấp bởi các dòng điện xoay chiều cao tần (ở tần số sóng radio từ 2 - 20 MHz). Thông thường khí Ar, Nitơ hay hỗn hợp các khí này với Oxy đóng vai quan trọng trong bốc bay vật liệu ở target ngoài ý nghĩa là khí tạo ion nó còn tham gia vào quá trình tạo màng nữa. Nói chung là thin films tạo bởi kỹ thuật này có thể bao gồm nhiều vật liệu khác nhau và màng rất đồng đều.

4

Một số hình ảnh minh họa cho quá trình magnetron sputtering, bạn có thể tìm hiểu thêm ở bài viết này Tổng hợp màng mỏng bằng Magnetron sputtering - Diễn đàn Thế Giới Hoá Học

Thông thường để bắn phá các target là kim loại hay chất dẫn điện được thì ta dùng dòng 1 chiều (direct current) để tạo plasma (dc-magnetron sputtering). Nếu các target là các chất cách điện như các oxid… thì bắt buộc ta phải dùng dòng rf để tạo plasma.

5

Tên đầy đủ của phương pháp là sputtering, tiếng Việt dịch là phún xạ magnetron. Phương pháp này đã được sử dụng từ lâu tại Khoa Vật lý ĐHKHTN. Đây là một phương pháp cao cấp (độ mỏng của màng còn tùy vào thiết bi), tất nhiên là thua xa epitaxi. Bạn kiếm sách bên ngành Vật lý chất rắn hay ở Bộ môn vật lý ứng dụng, khoa Vật lý ấy, nhiều lắm. Nếu ở Sài gòn thì hỏi thầy Trần Cao Vinh.

6

Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF discharge sputtering) Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho iôn khí hiếm. Nó vẫn có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56 MHz). Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho các bia vật liệu không dẫn điện. Máy phát cao tần sẽ tạo ra các hiệu điện thế xoay chiều dạng xung vuông. Vì hệ sử dụng dòng điện xoay chiều nên phải đi qua một bộ phối hợp trở kháng và hệ tụ điện có tác dụng tăng công suất phóng điện và bảo vệ máy phát. Quá trình phún xạ có hơi khác so với phún xạ một chiều ở chỗ bia vừa bị bắn phá bởi các iôn có năng lượng cao ở nửa chu kỳ âm của hiệu điện thế và bị bắn phá bởi các điện tử ở nửa chu kỳ dương.

7

Mình có hai câu hỏi nhờ các bạn giải đáp giúp:

  1. Có thể phún xạ hai loại vật liệu khác nhau trong cùng một máy không? ( VD như kim loại và oxit ). Liệu sau khi phún xạ oxit rồi phún xạ lại kim loại thì lớp màng kim loại có bị ô nhiễm không?
  2. Buồng chân không sau khi phún xạ, vật liệu phún xạ bám đầy trên tường buồng. Có cách nào tẩy sạch chúng không? Nếu không tẩy sạch thì khi phún xạ một loại vật liệu khác thì những vết bẩn này có gây ô nhiễm lớp màng vật liệu mới phún không?
8

Theo tôi ở Việt Nam mình chưa ai nghiên cứu sâu về kỹ thuật này đâu…Thiết bị nếu có chắc từ thời đệ nhị thế chiến…Bài ở trên toàn lấy ở Wikipedia mà…

9

Những bài viết của em đều thu thập từ nhiều paper trên các tạp chí, các hình ảnh minh họa dễ hiểu và đẹp thì từ google image.

Chuyện ở VN có ai nghiên cứu hay không em không quan tâm. Đơn giản thích là em viết. Vậy thôi.

PS. Bác nói copy thì cũng phải có chứng cứ, kẻo oan uổng cho em ạ.

10
  1. Buồng phún xạ dc hồi trước tôi làm thì có 2 điện cực, nên có thể phún xạ 2 kim loại đồng thời. Oxide thì thường dùng rf để phún xạ. Lúc tôi làm cũng có 1 buồng rf để kế bên, nhưng tôi không dùng tới. Chuyện kết hợp 2 buồng làm 1 tôi nghĩ là có thể làm được, nhưng design chắc khó. Cách đơn giản hơn là phún xạ rf ở buồng kia rồi chuyển qua buồng này phún xạ tiếp kim loại. Việc duy chuyển rất đơn giản và nhanh.

Phún xạ lớp oxide sau đó phún xạ lớp kim loại thì không làm ô nhiễm gì đâu. Bên này tôi thấy 1 group vẫn phủ nhiều lớp như vậy khi chế tạo fuel cell (bề dày mỗi lớp khoảng vài trăm nano đến 1 micron). Lớp tiếp xúc có thể đan xen giữa 2 vật liệu vì bề mặt sau khi phún xạ không hoàn toàn flat, mà rough. Hồi đó tui đo độ roughness sau khi phún xạ khoảng vài chục nano.

  1. Buồng phún xạ không cần phải lau chùi gì cả. Hồi trước làm thấy buồng phủ đầy các vật liệu khác, nhưng chất lượng film của mình vẫn ok. Chạy XRD không thấy lẫn tạp chất nào.