Vật lý và kỹ thuật màng mỏng phần 1

Vật lý kỹ thuật màng mỏng Vật lý kỹ thuật màng mỏng Mục lục Lời nói đầu v Chương Nhập môn vật lý kỹ thuật màng mỏng 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Phương pháp lắng đọng pha hoá học 1.1.2 Phương pháp hoá, hoá l ý kết hợp (CVD) 1.2 Phương pháp bay v ật lý (PVD) 1.2.1 Các khái niệm đại lượng 1.2.2 Kỹ thuật chân không công nghệ màng mỏng 15 1.2.3 Phún xạ 19 Chương Động học chất khí 23 2.1 Ý nghĩa vật lý áp suất nhiệt độ chất khí 23 2.2 Các hàm phân bố phân tử 25 2.3 Tần số va chạm phân tử với bề mặt 29 2.4 Quãng đường tự phân tử khí 32 2.5 Một số tính chất 35 2.5.1 Nhiệt dung hệ khí hai nguy ên tử 35 2.5.2 Khuếch tán 37 2.5.3 Độ nhớt 38 2.5.4 Độ dẫn nhiệt 42 2.6 Dịng khí 43 2.6.1 Chế độ dịng khí 43 2.6.2 Dịng khí chế độ nhớt 44 2.6.3 Dịng khí chế độ Kudsen- Dòng phân tử 45 2.6.4 Độ dẫn cấu trúc dẫn khí 47 Chương Hấp phụ ngưng tụ 3.1 Hấp phụ khí 49 51 3.1.1 Vì khí hấp phụ ? 51 3.1.2 Thời gian lưu trú 53 Vật lý kỹ thuật màng mỏng 3.1.3 Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 54 3.1.4 Epitaxy lớp nguyên tử 57 3.2 Áp suất 62 3.2.1.Áp suất hoạt tính nhiệt 62 3.2.2.Áp suất nguyên tố 63 3.2.3 Áp suất hợp kim hợp chất 68 3.3 Ngưng tụ từ pha 71 3.3.1 Ngưng tụ từ pha đơn 71 3.3.2 Ngưng tụ hợp chất bảo toàn hợp thức 73 3.3.3 Hoá nhanh h ợp chất dễ phân ly 74 3.3.4 Đồng bay – phương pháp “Ba nhiệt độ” 75 3.3.5 Bốc bay phản ứng 77 Chương Vật lý kỹ thuật chân không cao 4.1 Một số loại bơm chân không 79 79 4.1.1 Bơm học 80 4.1.2 Bơm khuếch tán 86 4.2 Nguyên lý chân không 89 4.2.1 Tốc độ bơm 89 4.2.2 Dịng hút khí 93 4.2.3 Độ dẫn hệ chân khơng 95 4.3 Đặc tính chung hệ chân không 96 4.3.1 Các khái niệm động học 96 4.3.2 Các tượng khử hấp phụ, nhả khí th ẩm thấu 101 4.3.3 Đo chân không đơn v ị áp suất 102 Chương Lý thuyết bốc bay chân không 5.1 Tốc độ bốc bay 107 107 5.1.1 Phương trình Hertz-Knudsen 107 5.1.2 Bốc bay tự - thoát phân tử 109 5.1.3 Các chế bốc bay 111 5.2 Phân bố phân tử bốc theo hướng 116 Vật lý kỹ thuật màng mỏng 5.2.1 Định luật phân bố côsin 116 5.2.2 Phân bố phân tử bốc bay từ nguồn điểm 120 5.3 Phân bố màng mỏng theo chiều dày 122 5.3.1 Nguồn diện tích nhỏ nguồn điểm 122 5.3.2 Nguồn hình trịn nguồn đĩa 124 Chương Chế tạo màng mỏng kỹ thuật chân không 6.1 Bốc bay nhiệt 131 131 6.1.1 Giới thiệu chung 131 6.1.2 Nguồn bốc bay dây kim loại 134 6.1.3 Nguồn bốc bay cho vật liệu thăng hoa 138 6.1.4 Chén bốc bay vật liệu chén 139 6.2 Bốc bay chùm tia điện tử 144 6.2.1 Ưu đỉểm phương pháp 145 6.2.2 Cấu hình súng điện tử vật liệu bốc bay tương ứng 145 6.3 Bốc bay laser xung 158 6.3.1 Nguyên lý hoạt động trình vật lý 158 6.3.2 Chế tạo màng mỏng hợp thức 160 6.4 Epitaxy chùm phân tử (MBE) 161 6.4.1 Mô tả thiết bị 161 6.4.2 Chế tạo màng mỏng tinh thể chất lượng cao 164 Chương Phương pháp phún xạ 7.1 Lý thuyết phóng điện phún xạ 167 167 7.1.1 Thiết bị phương pháp phún x 167 7.1.2 Mật độ dòng điện phún xạ 172 7.1.3 Phóng điện phún xạ 184 7.2 Chế tạo màng mỏng phương pháp phún xạ 194 7.2.1 Ưu điểm nhược điểm phương pháp phún x 195 7.2.2 Cơ chế phún xạ 195 7.2.3 Hiệu suất phún xạ 197 Vật lý kỹ thuật màng mỏng 7.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng lên tốc độ lắng đọng 200 7.2.5 Các loại bia phún xạ 203 Chương Các phương pháp phân tích đ ặc trưng màng mỏng 205 8.1 Giới thiệu phương pháp phân tích đặc trưng màng m ỏng 205 8.2 Các phương pháp xác đ ịnh chiều dày màng mỏng 208 8.2.1 Phương pháp đo biên d ạng đầu dị hình 208 8.2.2 Phương pháp đo dao động thạch anh 208 8.2.3 Phương pháp hiển vi giao thoa 210 kim 8.2.4 Màng mỏng quang học đa lớp 211 8.3 Phân tích cấu trúc bề mặt hiển vi điện tử quét lực nguyên tử 217 8.4 Phân tích cấu trúc tinh thể 218 8.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 218 8.4.2 Phương pháp phổ kế quang điện tử tia X (XPS) 221 8.4.3 Vật liệu linh kiện điện sắc 222 8.5 Phương pháp nghiên cứu tính chất quang 226 8.5.1 Phổ truyền qua phản xạ 226 8.5.2 Ellipsomet 227 8.5.3 Màng mỏng nhiệt sắc chuyển mạch nhi ệt – quang 228 8.6 Phương pháp nghiên cứu tính chất điện 232 8.6.1 Phương pháp đo ện trở vuông 232 8.6.2 Phương pháp bốn mũi dò 234 8.6.3 Điot phát quang hữu 235 Tài liệu tham khảo 239 Vật lý kỹ thuật màng mỏng Lời nói đầu “Vật lý kỹ thuật màng mỏng” môn học sở ngành Vật lý kỹ thuật thuộc Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia H Nội Giáo trình “Vật lý kỹ thuật màng mỏng” biên soạn nhằm phục vụ giảng dạy v học tập Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nanơ, Trường Đại học Cơng nghệ Giáo trình giúp sinh viên củng cố nắm vững kiến thức kỹ thuật chân không, công nghệ chế tạo m àng mỏng phương pháp phân tích đặc trưng màng mỏng Giáo trình gồm tám chương: Chương Nhập môn vật lý kỹ thuật màng mỏng Chương Động học chất khí Chương Hấp phụ ngưng tụ Chương 4.Vật lý kỹ thuật chân không cao Chương Lý thuyết bốc bay chân không Chương Chế tạo màng mỏng kỹ thuật chân không Chương Phương pháp phún xạ Chương Các phương pháp phân tích đ ặc trưng màng mỏng Giáo trình cịn nhằm mục đích phục vụ đối t ượng học tập nghiên cứu vật lý chân không công nghệ vật liệu ngành kỹ thuật thuộc trường đại học thuộc khoa học tự nhiên, bách khoa, công nghệ nước Trong giáo trình có nhiều liệu tin cậy, cập nhật l àm tài liệu tra cứu, tham khảo cho học vi ên cao học, nghiên cứu sinh hay kỹ sư, kỹ thuật viên làm việc sở sản xuất cơng nghiệp có li ên quan đến kỹ thuật chân khơng cơng nghệ nói chung, đặc biệt công nghệ vật liệu linh kiện dạng màng mỏng Mặc dù sách tài liệu tham khảo vật lý công nghệ màng mỏng giới vô phong phú số lượng chất lượng, nước ta tài liệu tiếng Việt lĩnh vực n ày hạn chế Giáo trình biên soạn sở đúc kết kinh nghiệm nghi ên cứu khoa học giảng dạy vật lý kỹ thuật màng mỏng thân tác giả Hy vọng có tác dụng hữu ích, góp phần thực chủ trương xây dựng Trường Đại học Công nghệ trở thành trường đại học nghiên cứu đặc trưng công nghệ nước ta Vật lý kỹ thuật màng mỏng Trong trình biên soạn, tác giả khơng tránh khỏi thiếu sót khiếm khuyết Tác giả biết ơn tất độc giả đóng góp ý kiến nhận xét, để giáo trình “Vật lý kỹ thuật màng mỏng” vừa đáp ứng yêu cầu chất lượng vừa có hiệu sử dụng cao tr ường đại học khoa học tự nhiên, đại học kỹ thuật công nghệ, công tác nghiên cứu ứng dụng sản xuất Hà Nội, tháng năm 2005 Tác giả Vật lý kỹ thuật màng mỏng Chương Nhập môn vật lý kỹ thuật màng mỏng 1.1 Giới thiệu chung Khác với khái niệm màng mỏng dân dụng, khoa học kỹ thuật, m àng mỏng hiểu lớp chất rắn phủ lên bề mặt vật rắn khác (vật rắn gọi đế) với chiều dày tới hạn mà hiệu ứng vật lý tính chất thể khơng giống vật liệu khối Nhìn chung, chiều dày màng mỏng đề cập công nghệ vật liệu v linh kiện điện tử, quang điện tử,… nằm khoảng 10  1000 nm Ngày nay, công nghệ chế tạo màng mỏng vô đa d ạng phong phú, bao g ồm nhiều phương pháp khác nhau, t đơn giản đến phức tạp Phụ thuộc v cách chế tạo màng mỏng, người ta chia ph ương pháp thành ba nhóm chính: i) Phương pháp lắng đọng pha hóa học (Chemical vapor deposition - CVD) ii) Phương pháp lắng đọng pha vật lý (Physical vapor deposition - PVD) iii) Phương pháp hóa hóa l ý kết hợp Chúng ta cần hiểu phân chia tương đối Trong sách này, đề cập đến vật lý kỹ thuật màng mỏng chế tạo phương pháp pha vật lý Để phân biệt ph ương pháp vật lý với hai nhóm phương pháp khác, xem xét cách khái quát ph ương pháp CVD phương pháp hóa lý kết hợp Vật lý kỹ thuật màng mỏng 1.1.1 Phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD) Trong phương pháp CVD, pha đư ợc tạo phương pháp hóa học Việc phủ lớp màng mỏng thực nhờ tr ình lắng đọng cụm nguyên tử, phân tử hay ion thông q ua phản ứng hóa học Phương pháp CVD có ưu điểm sau đây: - Hệ thiết bị đơn giản - Tốc độ lắng đọng cao (đến m/phút) - Dễ khống chế hợp thức hóa học hợp chất v dễ dàng pha tạp chất - Có khả lắng đọng hợp kim nhiều th ành phần - Có thể tạo màng cấu trúc hồn thiện, độ cao - Đế xử lý trước lắng đọng q trình ăn mịn hóa học - Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình đa dạng, phức tạp Nhược điểm phương pháp là: - Cơ chế phản ứng phức tạp - Đòi hỏi nhiệt độ đế cao phương pháp khác - Đế dụng cụ thiết bị bị ăn m ịn dịng - Khó tạo hình linh kiện màng mỏng thơng qua kỹ thuật mặt nạ Đặc trưng phương pháp CVD phân biệt phản ứng hóa học q trình lắng đọng Có bốn loại phản ứng chính, l à: Phản ứng phân hủy: AB (khí)  A (rắn) + B (khí), thí dụ: SiH 800  1300 oC  Si  2H Phản ứng khử: Có thể xem phản ứng phân hủy có tác động chất khí khác, thí dụ: SiCl4  2H  Si  4HCl Trong nhiều trường hợp chất khử l kim loại, Zn chẳng hạn Vận chuyển hóa học: 10 Vật lý kỹ thuật màng mỏng Phương pháp thường áp dụng để chế tạo vật liệu khó tạo pha h ơi, thí dụ: Si(r  tt)  2I 2(k) 1100 oC SiI (k) 1100 oC Si(r)  SiI (r) 2SiI 2(k) 2SiI2(k) 900 oC Si(r  m)  SiI 4(k) đó: (r-tt) ký hiệu trạng thái rắn-tinh thể; k ký hiệu trạng thái khí; (r-m) ký hiệu rắn dạng màng mỏng Phản ứng trùng hợp (polymerization): Quá trình trùng hợp thường thực nhờ: - Bắn phá điện tử ion - Chiếu xạ quang, tia X, tia  - Phóng điện - Xúc tác bề mặt Phương pháp CVD dùng để chế tạo màng mỏng chất bán dẫn nh Si, AIIBVI, AIIIBV, màng mỏng ơxít dẫn điện suốt nh SnO2, In2O3:Sn (ITO), màng mỏng điện môi SiO2, Si3N4, BN, Al 2O3, … màng mỏng kim loại 1.1.2 Phương pháp hóa, hóa l ý kết hợp Đó phương pháp l ắng đọng dung dịch pha lỏng, ph ương pháp sol-gel, phương pháp phun dung d ịch,…Nhóm phương pháp c ũng phong phú, độc giả quan tâm tham khảo từ t ài liệu hay giáo trình có nước hay nước 1.2 Phương pháp bay vật lý (PVD) 1.2.1 Các khái niệm đại lượng Lắng đọng pha vật lý sản phẩm pha ngưng tụ tạo phương pháp vật lý, sau lắng đọng lên đế tạo thành màng 98 Vật lý kỹ thuật màng mỏng vòng quay) với tốc độ quay roto Khái niệm n ày sử dụng cho máy bơm piston (Mặc dù loại bơm khơng cịn sản xuất), loại máy bơm khác Nói theo cách khác, máy bơm chân không hút tất loại phân tử khí khỏi chng (hay b ình) chân khơng với tốc độ S lít/giây Vì áp suất chng giảm sau khoảng thời gian bơm, dịng phân tử khí bị hút khỏi chng giảm, Mặc d ù tốc độ bơm máy bơm không thay đổi Ứng dụng Một bơm khuếch tán thương mại có tốc độ bơm (đối với khơng khí bình thường) 5600 l/s Đường kính cổ bơm 31 cm So sánh tốc độ bơm thực tế với tốc độ bơm theo lý thuyết Để đơn giản coi khơng khí có khí nitơ với khối lượng 28 đvnt Khi có:     1, 38  10  23 J / K  298K   v av       28  1, 66  10  27 kg   Diện tích cổ bơm là: 1/  475m / s  0,31m  2    7,55  10 m ,   đó: S max   475m / s   7, 55  10  m  8956 l /s Như giá trị tốc độ bơm thực tế máy bơm thấp nhiều so với giá trị tính từ lý thuyết Điều phản ánh kỹ thuật chế tạo b ơm chân khơng cịn khoảng cách lớn để đạt máy bơm lý tưởng  Trong hầu hết thiết bị chân khơng, thí dụ mơ tả hình 4.6 cổ bơm có cấu trúc hình ống Cấu trúc có độ dẫn khí định, gọi C , liên hệ độ lớn dòng phân tử qua cổ bơm với độ chênh lệch mật độ khí hai đầu cổ bơm, nói đến phần Biểu thức miêu tả liên hệ phương trình tính độ dẫn: C J n (4.7) Vật lý kỹ thuật màng mỏng 99 Từ biểu thức thấy rằng, độ dẫn cổ bơm tốc độ bơm lý tưởng, khơng có dịng khí ngược, n  n , đó: C J n Tất cấu trúc khác nh ống nối, van chu trình, van xả khí hay khe hở khơng mong muốn hệ chân khơng có độ dẫn đặc tr ưng Các biểu thức S cho tốc độ bơm tối đa (về lý thuyết) máy bơm hệ khí nhiệt độ xác định V ì vậy, máy bơm có tốc độ bơm lớn giá trị độ dẫn cổ b ơm Tuy nhiên, có bơm, thí dụ bơm khuếch tán, đạt tốc độ bơm gần với tốc độ bơm lý thuyết Bây xem, máy b ơm làm việc áp suất bơm giảm theo thời gian Sử dụng định luật khí lý t ưởng, ta có: dP/dt  (dN / dt)  kT   nS  kT / V   SP/ V V Lời giải phương trình là:  St  P  P  .exp     V (4.8) Như vậy, áp suất chuông giảm theo hàm số mũ thời gian v tỷ số S /V Điều xảy chng chân khơng có khe hở nhỏ? Trong tr ường hợp khe hở coi cấu trúc dẫn khí giống nh ống hẹp, có độ dẫn khí định, ký hiệu C L Nếu áp suất chuông chân không nhỏ so với áp suất mơi tr ường (1 atmosphe), tốc độ mà phân tử khí lọt vào chng qua khe hở đại lượng cố định, dN / dt L  CL n , n  n (mật độ khí ngồi chng, mơi trường) Sau thời gian bơm, áp suất chuông đạt đ ược giá trị nhỏ v bão hòa Trong trạng thái này, dP / dt dN / dt Lúc ta có: dN / dt  dN / dt L  nS  dN / dt L  PultS/ kT  Trong điều kiện bão hòa P  Pult (áp suất tới hạn), đó: 100 Vật lý kỹ thuật màng mỏng p ult   kT dN / dt L  (4.9) S Ứng dụng Cho rằng, chng chân khơng có khe hở nhỏ với độ dẫn -4 10 l/s Hỏi dịng phân tử khí lọt vào bơm có độ lớn bao nhiêu? Mật độ khí nhiệt độ phịng áp suất khí là: n T o rr 1,  23   2,  m  J / K  298K Khi đó: dN     l/s   2,  m    1 s    dt Giả sử dùng bơm chân không kể trên, hỏi có khe hở áp suất tới hạn hệ chân không đạt đ ược bao nhiêu? Áp dụng cơng thức (4.9), ta có: Pult  1,38  10 23 J / K  298K  2, 46  1018 s 1  1,36  10 5Torr 5600l /s  4.2.2 Dịng hút khí Khái niệm hút khí sử dụng với biểu thức t ốc độ bơm độ dẫn khí để tính dịng khí để mơ hình hóa động học bơm hệ chân khơng Nhìn chung, khái ni ệm hút khí phổ biến, việc giải thích ý nghĩa đóng góp vào biểu thức động học chất khí, chí kỹ thuật chân khơng hạn chế Dễ nhận thấy rằng, tốc độ thay đổi số l ượng phân tử khí chng có liên quan với áp suất chng Để l àm rõ vấn đề này, sử dụng định luật khí lý t ưởng cho hệ chân khơng, với giả thiết có hệ cân (áp suất nhiệt độ đồng nhất, gần khu vực cổ bơm lỗ hổng) Trong trường hợp này, có: Vật lý kỹ thuật màng mỏng 101 d  PV  d  NkT  (4.10) dP dN  kT  kTJ dt dt (4.11)  dt dt Vì thể tích chuông nhiệt độ không thay đổi, ta có: V Vế bên trái biểu thức miêu tả dịng hút khí hệ chân khơng, áp suất tăng đại lượng có giá trị dương: Q V c dP dt (4.12) Theo quy định Hội Chân khơng Hoa Kỳ (American Vacuum Society) th ì dịng hút khí định nghĩa “là lượng khí hệ đặc tr ưng thể tích - áp suất qua thiết diện mở n đơn vị thời gian, nhiệt độ định” Như vậy, dịng hút khí tích dòng phân tử ( dN / dt ) kT Biểu thức bên phải (4.11) tương ứng với dịng hút khí có giá trị dương trường hợp phân tử khí từ bên ngồi lọt vào chng: Q L  kTJ L (4.13) Chúng ta thấy, dịng phân tử khí lọt vào chng qua khe h (JL ) đặc trưng cho khe hở ấy, dịng hút khí khe hở lại giá trị dòng nhân với kT Từ áp dụng khái niệm d ịng hút khí cho máy bơm hệ chân khơng Dịng hút từ hệ chân không nhờ máy b ơm xác định biểu thức: Q p  kTJ p  SP (4.14) Ở Qp nhận giá trị dương trường hợp phân tử khí bị hút v bơm (cũng xảy điều ngược lại, phân tử khí bị hút ng ược lại vào chng, van chu trình ho ạt động sai quy trình đóng mở hệ chân khơng Trong trường hợp bơm học khuếch tán có sẵn dầu chân không, cho n ên dầu bị hút vào chuông Hiện tượng gọi 102 Vật lý kỹ thuật màng mỏng “sục dầu”, cố sục dầu th ường không xảy hệ chân không đại, van chu tr ình thiết kế hoạt động tự động theo quy trình đóng mở hệ chân khơng, kể có cố điện đột ngột Cuối cùng, dịng hút khí qua c ấu trúc ống, mà đại lượng đặc trưng độ dẫn C t , biểu diễn công thức: Q t  kTJ  kTC t n  C t p (4.15) Biểu thức (4.15) hoàn toàn tương tự biểu thức định luật ôm mạch điện Các đại lượng đặc trưng cho cấu trúc dẫn khí dịng hút khí, chênh lệch áp suất độ dẫn khí so sánh t ương tự với đại lượng vật lý mạch điện nh dòng điện, hiệu điện độ dẫn điện trở Ứng dụng Tính dịng hút khe hở thí dụ Áp dụng cơng thức (4.15), ta có:   Q L  1,38  10 23 J / K  298K  2, 46  1018/s  7,6  10 2 Torr.l /s  Từ công thức (4.15) nhận thấy d òng hút vết rò hay lỗ hổng nói chung thay đổi theo nhiệt độ, Mặc dù số lượng phân tử lọt vào chuông không thay đổi 4.2.3 Độ dẫn hệ chân không Chúng ta biết rằng, hệ chân không bao gồm phận từ máy bơm đến chuông chân khơng, hệ thống van chu tr ình, đầu cổ nối, van xả khí, Chúng li ên kết với thành hệ kín để vận hành đạt mơi trường chng có áp suất thấp (tức l chân không cao có thể) Như vậy, độ dẫn hệ chân khơng phải l độ dẫn hiệu dụng, tức độ dẫn tổng từ độ dẫn cấu trúc chi tiết, thí dụ cá c van nối tiếp hay ống nối song song Giống nh kỹ thuật điện, điện trở mắc nối tiếp hay song song có điện trở tổng hợp Vật lý kỹ thuật màng mỏng 103 toàn mạch Tuy nhiên, vấn đề lập biểu thức độ dẫn cho to àn hệ chân không không thể, khơng có đủ kiện cần thiết cấu trúc phận dẫn khí Để hiểu cách khái quát, d ưới xem xét thí dụ cụ thể Như chương 2, đ ã nhận biểu thức độ dẫn cho hai cấu trúc ống dẫn lỗ hổng hai chế độ dòng khí chế độ nhớt chế độ phân tử (Knudsen) Thí dụ, độ dẫn ống d ài, tương ứng chế độ nhớt chế độ Knudsen Cm,tube  .a  2av a /3L  C v,tube   .a / 8kTL  Pav Rõ ràng, độ dài ống biểu thức đầu khơng cịn có ý nghĩa Điều thực tiễn không Khắc phục khó khăn cần đưa vào khái niệm độ dẫn tổng hợp hệ có cấu trúc dẫn khí, mà có ống lỗ hổng, điều mà thực tế xảy Khi có b iểu thức độ dẫn tổng hợp cấu trúc mắc nối tiếp l à: 1/ C total  1/ C tube  1/ Coriff (4.16) Công thức kiểm chứng, cho hai tr ường hợp đặc biệt ống dài ngắn Còn trường hợp trung gian khơng cịn định lượng Đã có nhiều tác giả cố gắng giải vấn đề n ày cách triệt để, kết nhận phù hợp cho cấu trúc dẫn khí cụ thể Điều chứng tỏ tính phức tạp động học chất khí hệ chân không thực, mà xem xét đặc tính động học 4.3 Đặc tính chung hệ chân khơng 4.3.1 Các khái niệm động học Một mơ hình gần thực tế hệ chân không đ ược mơ tả hình 4.7 Để thuận tiện theo dõi, sơ đồ coi tất khe hở nhỏ khơng mong muốn có tác dụng van thơng với khơng khí, gọi tắt l “van thơng” Dịng hút van thơng ký hiệu QL , đại lượng không đổi, chừng áp suất chuông P  a t Trong hệ cịn có bẫy (nước nitơ lỏng) vách ngăn bơm khuếch tán với chuông Chúng 104 Vật lý kỹ thuật màng mỏng đặc trưng độ dẫn tương ứng C b C v Máy bơm có tốc độ bơm thực S, hệ chân không, có tốc độ b ơm hiệu dụng Bởi vì, ngồi cổ bơm cịn phải tính đến bẫy van vách ngăn, S eff < S Bơm có áp suất tới hạn Pult , giá trị áp suất thấp đóng van thơng Hình 4.7 Mơ hình hệ chân không (phải) v sơ đồ mạch điện tương đương (trái) Tiếp theo, thấy t ượng khử hấp phụ từ chi tiết chuông từ thành chuông Hiện tượng khử hấp phụ trình ngược hiệu ứng hấp phụ bề mặt thành chuông Các đại lượng khác ghi sơ đồ hệ chân không Để dễ theo d õi phân tích nguyên lý làm việc hệ chân không với khái niệm chênh lệch áp suất, dịng khí, độ dẫn khí, để bên cạnh sơ đồ tương đương mạch điện đặc trưng hiệu điện thế, dòng điện độ dẫn Cần lưu ý, sơ đồ mắc điện cho mạch điều khiển hệ chân không Dịng hút “van thơng” khơng đổi, q trình khử hấp phụ cho ta dịng hút thay đổi theo thời gian phụ thuộc v lịch sử hấp phụ hệ chân khơng Trên hình 4.7 q trình nh ả khí khơng miêu tả ký hiệu nào, thực tế dòng hút trình bé, coi So sánh với mạch điện tương đương, thời điểm đóng cơng tắc điện ( t = 0) tương ứng với thời điểm mở vách ngăn (bơm khuếch tán với chuông) để Vật lý kỹ thuật màng mỏng 105 bắt đầu hút chân không cao chuông (cho lúc n ày chuông hút chân không sơ cấp đến mức cần thiết) Có bốn đại lượng đặc trưng hệ P1 , P2 , P3 Q Các phương trình tương ứng mơ tả q trình bơm là: V và: dP3 dN  kT a  Q L Q, dt dt (4.17) Q  C v P3  P2 , (4.18) Q  C b  P2  P1  (4.19)   Pult   Q  SP1  Smax  P  P1    (4.20) Na(t) tổng số phân tử bị hấp phụ b ên chng Vì thế, chúng cho đóng góp vào dịng hút q trình khử hấp phụ  kTdNa /dt Từ lý thuyết hấp phụ khử hấp phụ, thấy tốc độ khử hấp phụ tính thương tốc độ hấp phụ thời gian lưu trú () phân tử bị hấp phụ Dễ nhận thấy, khử hấp phụ l q trình hoạt tính nhiệt Thời gian lưu trú khoảng thời gian trung bình mà phân tử hấp phụ lại bề mặt chúng tích đủ năn g lượng để thoát khỏi bề mặt (khử hấp phụ) Vì thế, bỏ qua hấp phụ đồng thời th ì tốc độ khử hấp phụ là: dN a dt  Na ,  (4.21) (Chính xác hơn, vế phải biểu thức cịn có thêm đại lượng nhỏ tích   s zAc , tích nhỏ, bỏ qua) Vì thế, số phân tử hấp phụ giảm theo hàm mũ:  t  Na (t)  Na (0) exp   ,   (4.22) Cuối cùng, Na sớm trở nên bé bỏ qua Sau khoảng thời gian hút chân khơng b ơm khếch tán (hay bơm tuốc-bơ) áp suất đầu cổ bơm (gần van ngăn) cân với áp suất tới hạn 106 Vật lý kỹ thuật màng mỏng bơm (Pult ) dịng hút Q  (xem phương trình (4.20)) Trong trường hợp thực tế dòng hút SPult tồn để trì trạng thái cân áp suất chng Lúc dịng khí hút xem dòng điện i ult sơ đồ mạch điện tương đương (dòng qua g p bé đến mức gần 0) Dưới đề cập đến tốc độ b ơm hiệu dụng S eff Trước hết, thiết lập biểu thức cho độ dẫn hiệu dụng (C eff) cấu trúc tổ hợp bẫy – van ngăn Tổ hợp giống điện trở mạch điện, vậy, độ dẫn hiệu dụng cấu trúc n ày, giống trường hợp mạch điện mắc hai điện trở nối tiếp, tổng hợp hai độ dẫn có từ van ngăn v bẫy, cụ thể là: 1 ,   (4.23) Ceff C Cv b hay: C  Cv Ceff  b C  Cv b (4.24) Bây tính tốc độ b ơm hiệu dụng trước thời điểm P1 đạt giá trị Pult Có thể thấy rằng, dịng hút tổ hợp bẫy - van ngăn phải dòng hút bơm, nghĩa Ceff P3  P1  S(P1  Pult ) Lúc Pult bé so với P3 tỉ số Pult / P3 coi khơng đáng kể viết: P1 / P3  Ceff /(S  Ceff )   Tốc độ bơm hiệu dụng cấu trúc gồm tổ hợp từ b ơm đến cổ bơm, bẫy van ngăn xác định từ phương trình: Seff P3  SP1, (4.25) thế: S.Ceff S  eff S  C eff (4.26) Nói cách khác, tốc độ bơm hiệu dụng hệ tốc độ b ơm tổ hợp bơm tất cấu trúc dẫn khí cần thiết gắn từ bơm đến chuông chân không Vật lý kỹ thuật màng mỏng 107 Cơng thức tính tốc độ b ơm hầu hết máy b ơm chân không cao cấp, thí dụ bơm tuốc-bơ phân tử vùng áp suất gần đạt áp suất tới hạn có dạng:   P S  Smax 1  ult Pp     ,   (4.27) Pp áp suất cân nhiệt nhiệt độ l àm việc bơm Điều minh họa hình 4.8 Khi áp suất đạt giá trị tới hạn tốc độ bơm giảm xuống Áp suất tới hạn P3,ult chuông bị ảnh hưởng khe hở hay lỗ r ị khí, QL đủ lớn so với SPult Để tính giá trị đại lượng áp suất này, giả thiết hệ hút chân không trạng thái tĩnh D òng hút lỗ rò cân với dòng hút bơm, nghĩa Q L  Seff Pult Vì thế: Q L P  3ult Seff (4.28) Mặc dù thể tích chng chân khơng đóng vai tr ị định q trình bơm chân khơng, khơng ảnh hưởng đến đại lượng áp suất tới Hình 4.8 Tốc độ bơm phụ thuộc áp suất hệ chân không hạn vừa nhận Trong trường hợp áp suất chuông (P3 ) thấp QL khơng phụ thuộc vào áp suất này, thấy Q L  CL  1at Cũng cần nhấn mạnh C L độ dẫn khí cấu trúc tính theo chế độ Knudsen hay d ịng nhớt tùy thuộc vào diện tích bề mặt lỗ rị (kích thước lỗ hổng) 108 Vật lý kỹ thuật màng mỏng 4.3.2 Các tượng khử hấp phụ, nhả khí v thẩm thấu Trong hầu hết hệ chân không cao, quan sát thấy q tr ình hút chân khơng bị hạn chế khử hấp phụ Điều n ày xảy sau vài giây kể từ mở van ngăn tiếp diễn vài giờ, chí vài tuần lễ Sự thay đổi áp suất chuông theo thời gian phụ thuộc nhiều v trình khử hấp phụ từ bề mặt thành chng hay chi tiết khí khác chng Hành vi khử hấp phụ mơ tả qua ph ương trình liên hệ dịng hút khử hấp phụ dịng bơm chân khơng Gọi Na tổng số phân tử hấp phụ, ta có: kT dNa dt S P eff (4.29) Vì thế: P      kT dN a  kT   N a     t   exp   S     Seff dt     eff      (4.30) Với thể tích chng tốc độ bơm cho trước trình khử hấp phụ thường làm cho thời gian bơm chân không tăng lên nhiều, chí thời gian dự kiến tính tốn từ kiện thực nghiệm Giá trị ban đầu Na (tại thời điểm bắt đầu bơm) phụ thuộc vào nguồn gốc trạng thái môi trường hệ chân không (tức l việc chuông chân khơng có hút sơ cấp liên tục, để sẵn chân không cao hay để thông với môi trường bên ngồi, ) Người ta thường dùng khí nitơ khơ để thổi vào chng, điều có tác dụng thúc đẩy trình khử hấp phụ diễn nhanh hơn, giảm thời gian lưu trú phân tử hấp phụ Trong số phân tử hấp phụ nước có thời gian lưu trú () bề mặt thành chng dài (Vì nhiều hệ chân khơng đ ã thiết kế hai buồng: buồng để bốc bay, buồng phụ để thao tác đ ưa mẫu vào lấy mẫu Như tránh tượng nước tạp chất khí khác từ khơng khí lọt vào chng) Khử hấp phụ q trình hoạt tính nhiệt, q trình hút chân khơng có th ể tăng tốc thành chng sấy nóng Có thể thực điều cách sử dụng đ ường ống làm nguội Vật lý kỹ thuật màng mỏng 109 chng để cấp nước nóng vào quanh chng hút chân khơng sơ cấp Cịn có q trình vật lý khác đóng vai tr ị quan trọng ảnh hưởng lên hệ chân không thực Thứ nhất, l tượng nhả khí Nhả khí q trình khuếch tán số khí từ vật liệu d ùng để chế tạo chuông chi tiết khác khỏi bề mặt để chúng lại trải qua q tr ình khử hấp phụ Khí nhả thường thấy chuông đ ã làm (tức loại trừ nước) H , CH , CO CO Các doăng chân không hay v ật liệu cao su thường nhả khí CH Thứ hai, l tượng thẩm thấu - tượng thường thấy hệ chân không cao, đặc biệt l siêu cao -8 (áp suất 10 Torr) Thẩm thấu trình xun thủng vật rắn số chất khí đặc biệt, thí dụ t ượng He xuyên thủng thủy tinh hay thủy tinh hữu quan sát thấy thường xuyên Với khả thẩm thấu tạo “lỗ hổng” có kích th ước vi mơ (đường kính lỗ hổng gần khoảng cách ngun tử), lỗ hổng có độ dẫn khí định Vì kích thước nhỏ, cho n ên dịng hút khí lỗ hổng coi đại lượng khơng đổi 4.3.3 Đo chân không đơn v ị áp suất a) Đầu đo chân khơng Để theo dõi q trình hút chân khô ng (đo áp suất hệ chân không) người ta sử dụng đầu đo chân khơng Kích th ước (đường kính ngồi) đầu đo chế tạo phù hợp với kích thước (đường kính trong) ống thơng ngồi phận hệ chân khơng, thí dụ cổ nối b ơm sơ cấp với bơm khuếch tán, nối khuếch tán với chuông v thành chuông Giữa đầu đo ống thơng cịn có rãnh hình xuyến đồng trục để đặt doăng chân không, cách vặn ốc hãm doăng cao xu hay doăng đồng ép chặt đến mức độ kín chng đạ t mức độ chân không cao siêu cao (Ngày h ệ chân không siêu cao người ta dùng doăng làm đồng đỏ, sử dụng lần để tránh t ượng nhả khí thẩm thấu nói phần trên) 110 Vật lý kỹ thuật màng mỏng Hiện có hai loại đầu đo chân không thông dụng nh ất sử dụng đầu đo nhiệt đầu đo ion Đầu đo nhiệt l àm việc theo nguyên lý sau Độ dẫn nhiệt khí cịn lại chng phụ thuộc v áp suất chng Đầu đo nhiệt có cấu tạo đ ơn giản, gồm bốn chân kim loại kín chân khơng Các đầu phía ngồi đấu vào nguồn dòng mạch điều khiển Hai bốn đầu bên gắn sợi đốt làm volfram platin, hai đầu cịn lại có cấu tạo can nhiệt, nơi xảy hiệu ứng nhiệt điện (hình 4.9a) Nhiệt sợi đốt truyền sang cho đầ u can nhiệt, nhận sức điện động tương ứng với chênh lệch nhiệt độ đầu nóng can nhiệt với đầu lạnh nhiệt độ phòng Từ thuyết động học chất khí, đ ã thấy dịng nhiệt truyền qua mặt phẳng tính công thức:  ji  z C p /No  dT/dy  Khi áp suất chuông giảm từ 760 Torr xuống 50 Torr độ dẫn nhiệt khí giảm mạnh Dưới áp suất thấp nữa, mà quãng đường tự chất khí lớn nhiều khoảng cách hai th ành ống đối diện đầu đo (L) phương trình dịng nhiệt truyền chế độ d òng phân tử có dạng:   j  z  C p / N o  dT / dy  L (4.31) i   Như vậy, dòng nhiệt phụ thuộc vào áp suất thể công thức tần suất va chạm z   P / 2 mkT 1/ Dó đó, áp suất giảm, dòng nhiệt giảm làm cho nhiệt độ can nhiệt, nghĩa l sức điện động giảm theo Trên vỏ đầu đo nhiệt có ghi giá trị d ịng đốt cần thiết (thí dụ, với đầu đo CHLB Nga sản xuất m vỏ làm kim loại, dòng đốt cần đặt 128 mA, đầu đo có vỏ thủy tinh, dòng đốt 110 mA) Bán kèm theo đ ầu đo nhiệt bảng đường cong chuẩn cho biết giá trị sức điện động (mV) ứng với áp suất đạt đ ược Độ xác -3 đầu đo đạt yêu cầu với dải áp suất cần đo khoảng từ 10 1,0 Torr Khi áp suất giảm độ dẫn nhiệt chất khí d đạt trạng thái bão hịa, khơng ph ụ thuộc vào áp suất Vật lý kỹ thuật màng mỏng Để đo áp suất thấp 10 111 -3 Torr, người ta sử dụng đầu đo ion Sơ đồ cấu tạo đầu đo ion trình bày hình 4.9b Nguyên lý ho ạt động đầu đo ion dựa chất va chạm chất khí c ịn dư chng Các nguyên tử va chạm với tác động điện tử phát từ emitter đầu đo l àm cho phần nguyên tử bị ion hóa Dịng ion đo phản ánh mật độ ion sinh chu ông chân không mà mật độ tỷ lệ với mật độ khí dư chng Mật độ khí lại tỷ lệ với áp suất Do áp suất giảm dịng ion thấp Tại áp suất cịn cao tần suất va chạm nguy ên tử lớn, dễ làm cháy cực góp Cho nên chạy máy chân không, trước bật đầu đo ion cần kiểm tra mức độ chân không đạt đến giới hạn cuối c ùng đầu đo nhiệt Kết hợp hai đầu đo nhiệt v ion dải rộng áp suất hệ chân -11 không đo từ đến 10 Torr Hình 4.9 Đầu đo chân không từ sơ cấp đến cao cấp: a) Đầu đo nhiệt b) Đầu đo ion b) Đơn vị áp suất Trong hệ đơn vị đo lường quốc tế (hệ SI) đơn vị áp suất gọi pascal (tức N/m2): “Pascal áp suất sinh từ lực 1N tác động tr ên diện tích mét vng” Tuy nhiên thực tiễn, người ta sử dụng đơn vị áp suất khác thói quen nơi cơng việc, thí dụ đời sống dân 112 Vật lý kỹ thuật màng mỏng dụng, áp suất hay nói đến atmotphe (At), khoa học kỹ thuật dùng đơn vị bar, milimét cột thủy ngân, kỹ thuật chân không hay sử dụng Torr, Trên bảng 4.2, đơn vị đo áp suất chuyển đổi sang pascal Bảng 4.2 Đơn vị đo áp suất tính theo pasca l Đơn vị áp suất Tính theo Pascal (Pa) Atmosphe (at) 1,01 x 10 Torr 133 mmHg 133 Ứng dụng: Trong Bar 105 thực tiễn người ta cần bốc bay màng nhôm lên đế thủy tinh để làm gương phản xạ cao (độ phản xạ bước sóng sử dụng khơng 99,5%), ứng dụng hệ dẫn sóng laser -6 Màng nhôm cần bốc bay điều kiện áp suất tối đa x10 Torr Cho biết, bậc chân không lúc bốc bay áp suất tương ứng tính theo đơn vị pascal -6 -5 -9 Áp suất cỡ 1x10 Torr nằm dải chân không từ 10 đến 10 Torr, gọi chân khơng cao Đổi đơn vị pascal, ta có: -6 1x10 Torr x 133 Pa /Torr = 1,33 x 10-4 Pa  Câu hỏi kiểm tra đánh giá 1.Môi trường chân khơng gì, làm để có chân không cao 10-5 Torr, 10-7 Torr 10-12 Torr 2.Liên hệ tính tương đồng độ dẫn ldây dẫn độ dẫn cấu kiện chân không; nguyên lý mạch hút chân khơng? Giải thích cách đo chân không sơ cấp cao cấp dựa lý thuyết dịng khí? Nêu cấu tạo hệ chân không cao, yêu cầu bắt buộc thiết kế chế tạo hệ chân không cao đến 10-10 Torr?