NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN – QUANG CỦA MÀNG TITAN NITRIT (TiN)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN – QUANG CỦA MÀNG TITAN NITRIT (TiN) Chuyên ngành: VẬT LÝ VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Mã số:01.02.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN TUẤN Tp HỒ CHÍ MINH – 2009 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU h Khoảng cách bia – đế (cm) P Áp suất khí làm việc (torr) p Áp suất riêng phần nitơ hỗn hợp khí nitơ argon(torr) Ts Nhiệt độ đế (T0C) U Thế phún xạ(V) DANH MỤC HÌNH VẼ KÍ HIỆU CHÚ THÍCH HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc TiN Hình 1.2 Vị trí bát diện nguyên tử nitơ Hình 2.1 Mô phương pháp đo stylus 11 Hình 2.2 Thiết bị Dektak 6M đo bề dày màng phương pháp stylus 12 Hình 2.3 Mô hình mẫu dùng đo điện trở mặt 13 Hình 2.4 Mô hình đo điện trở mặt phương pháp bốn mũi dò 14 Hình 2.5 Thiết bị đo điện trở mặt phương pháp bốn mũi dò 14 Hình 2.6 Mô hình thể Hall 17 Hình 2.7 Điều kiện nhiễu xạ Bragg 18 Hình 2.8 Sơ đồ bố trí chụp nhiễu xạ tia X 19 Hình 2.9 Nguyên lý phương pháp ellipsometry 20 Hình 2.10 Mô hình phương pháp đo ellipsometry 21 Hình 2.11 Sơ đồ biểu diễn trình dịch chuyển điện tử chế trung hòa 27 Auger Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo hệ phún xạ magnetron phẳng 30 Hình 3.2 Sơ đồ hoạt động hệ phún xạ magnetron phẳng 31 Hình 3.3 Sự phân bố phún xạ magnetron 33 Hình Cấu tạo hệ magnetron vuông 37 Hình 3.5 Mô hình hệ Magnetron gần cân 37 Hình 3.6 Mô hình áo nước giải nhiệt hình vuông 38 Hình 3.7 Mô hình phát họa thông số buồng chân không 39 Hình 3.8 Hệ chân không tạo màng phòng thí nghiện vật lý chân không 40 Hình 3.9 Màu xanh plasma phún xạ tẩy bia khí Ar 42 Hình 4.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu T38 chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, 46 3.4a,b h = 4,5cm, P = 3.10-3torr, p = 1,5.10-4torr, U = 370V Hình 4.2 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu T63 chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, 48 h = 4,5cm, P = 3.10-3torr, p = 2,25.10-4torr, U = 480V Hình 4.3 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: 49 Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr, p = 3.10-4torr, U = 490V ÷ 550V Hình 4.4 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: 51 -4 Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr, p = 3,75.10 torr, U = 490V ÷ 640V Hình 4.5 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: 53 -4 -3 Ts = 200 C, h = 4,5cm, P = 3.10 torr, p = 4,5.10 torr, U = 490V ÷ 640V Hình 4.6 Đồ thị mối liên quan điện trở suất, phún xạ áp suất riêng phần 54 nitơ Hình 4.7 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: Ts = -4 55 -4 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr, p = 1,5.10 torr ÷ 4,5.10 torr, U = 370V ÷ 640V Hình 4.8 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: -3 56 -4 Ts = 200 C, P = 3.10 torr, p = 3.10 torr, U = 550V, h = 3,5cm ÷ 5,5cm Hình 4.9 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: 58 P = 3.10-3torr, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm, Ts = 1500C ÷ 4000C Hình 4.10 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: 60 Ts = 2000C, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr ÷ 6.103 torr Hình 4.11 Chiết suất n hệ số tắt k mẫu L1 theo bước sóng 61 Hình 4.12 Chiết suất n hệ số tắt k mẫu L4 theo bước sóng 61 Hình 4.13 Phổ phản xạ truyền qua mẫu L1 61 Hình 4.14 Phổ phản xạ truyền qua mẫu L4 61 Hình 4.15 Màng đa lớp DL85 chế tạo từ thực nghiệm, theo mẫu 63 m4 mô từ lý thuyết Hình 4.16 Màng đa lớp DL71 chế tạo từ thực nghiệm, theo mẫu m3 mô từ lý thuyết 63 DANH MỤC BẢNG Ký hiệu Chú thích bảng Trang Bảng 1.1 Tính chất vật lý màng TiN Bảng 1.2 Các mặt mạng TiN theo góc 2θ Bảng 2.1 Các giá trị hiệu chỉnh hình học G 16 Bảng 4.1 Điện trở suất màng TiN theo phún xạ chế tạo điều 46 kiện: Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr , p = 1,5.10-4torr Bảng 4.2 Điện trở suất màng TiN theo phún xạ chế tạo điều 47 kiện: Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr , p = 2,25.10-4torr Bảng 4.3 Điện trở suất màng TiN theo phún xạ chế tạo điều 48 kiện: Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr , p = 3.10-4torr Bảng 4.4 Điện trở suất màng TiN theo phún xạ chế tạo điều 50 kiện: Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr , p = 3,75.10-4torr Bảng 4.5 Điện trở suất màng TiN theo phún xạ chế tạo điều 52 kiện: Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr , p = 4,5.10-4torr Bảng 4.6 Điện trở suất màng TiN thay đổi theo khoảng cách bia đế 56 chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, P = 3.10-3torr , p = 3.10-4torr, U = 550V Bảng 4.7 Kết phụ thuộc điện trở suất , nồng độ hạt tải độ linh động 57 theo khoảng cách bia đế Bảng 4.8 Điện trở suất màng TiN thay đổi theo nhiệt độ chế tạo 57 điều kiện: P = 3.10-3torr , p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm Bảng 4.9 Điện trở suất màng TiN thay đổi theo áp suất khí làm việc chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm 59 GIỚI THIỆU Những nguồn lượng tự nhiên mà người khai thác sử dụng ngày cạn kiệt, bên cạnh việc phát triển công nghiệp làm cho môi trường ngày ô nhiễm nặng Trong đó, lượng mặt trời coi nguồn lượng vô tận Việc tận dụng nguồn lượng xu hướng chung ngành Năng lượng mà trái đất nhận từ mặt trời quang nhiệt năng, gương nóng truyền qua cách tận dụng tốt nguồn lượng Gương nóng truyền qua khả phản xạ xạ hồng ngoại mà có tính chất truyền qua cao vùng khả kiến Nhiều vật liệu thử nghiệm nhiều cách để tạo màng đa lớp phản xạ nhiệt ứng dụng cho gương nóng truyền qua Trong đó, màng điện môi/kim loại/điện môi nghiên cứu nhiều như: SiO2/Al/SiO2, Al2O3/Mo/Al2O3, TiO2/Ag/TiO2, Al2O3/Cu/Al2O3, số đó, màng đa lớp TiO2/Ag/TiO2 có tính chất thỏa mãn tốt yêu cầu màng đa lớp phản xạ nhiệt Tuy nhiên, bạc lại chất dể bị tác động môi trường, không bền mặt hóa học, nhiệt học làm tính chất cần thiết Để thay cho màng kim loại bạc lại có tính trơ mặt hóa học, học lẫn nhiệt học, nhà nghiên cứu tìm màng titan nitrite (TiN) đáp ứng tốt yêu cầu nêu Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu tính chất màng TiN chế tạo phương pháp phún xạ phản ứng dc hệ magnetron gần cân Để có tính chất thỏa mãn yêu cầu thay cho lớp bạc hệ màng đa lớp phản xạ nhiệt TiO2/Ag/TiO2, màng TiN yêu cầu phải có tính bám dính tốt, có điện trở suất nhỏ, màng có cấu trúc tinh thể tốt PHẦN: TỔNG QUAN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MÀNG MỎNG TiN Màng TiN vật liệu có độ cứng cao (21 - 24GPa), chịu nhiệt (nhiệt nóng chảy 29500C), chống ăn mòn, có điện trở suất nhỏ (20 -30μΩ.cm)[18,20,27] Ngoài ra, màng TiN có độ phản xạ cao vùng hồng ngoại, chiết suất n thấp hệ số tắt k cao, thích hợp làm lớp hệ thống màng đa lớp phản xạ nhiệt Màng TiN có nhiều ứng dụng, tùy vào mục đích sử dụng khác mà nhiều tác giả sử dụng phương pháp chế tạo màng khác Màng TiN tạo phương pháp phún xạ magnetron nhiều công trình sử dụng tính ưu việt phương pháp Tùy vào phương pháp chế tạo, tác giả chọn loại đế khác Trên đế Si, màng TiN ứng dụng làm hàng rào khuếch tán công nghệ IC[12,22,35], kết màng có điện trở suất khoảng 25μΩ.cm Một số tác giả khác tạo màng TiN đế thép (304), ứng dụng làm màng cứng màng giả vàng, kết cho màng có điện trở suất khoảng 13μΩ.cm - 192μΩ.cm, số công trình khác chế tạo màng TiN đế thủy tinh[11,16,21,29,34], lại cho kết điện trở suất khoảng 50-200μΩ.cm Trong luận văn này, lắng đọng màng TiN đế thủy tinh kiềm với mục đích nghiên cứu tính chất quang điện màng, ứng dụng làm màng phản xạ nhiệt hệ màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 1.1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÀNG TiN Điện trở suất màng TiN phụ thuộc nhiều vào cấu trúc tinh thể màng Màng có cấu trúc tinh thể tốt, độ linh động điện tử lớn hạt tải điện bị tán xạ mạng tinh thể Màng có hợp thức tốt, tức màng bó chặt, có cấu trúc tinh thể tốt, mặt (200) trội nhất, màng cấp đủ lượng Để đạt mục đích này, tác giả sử dụng nhiều giải pháp khác điều chỉnh tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí nhằm thay đổi mật độ hạt đến đế Một số tác giả khác áp âm cho đế nhằm tập trung hạt mang lượng tới đế, cấp nhiệt cho đế Trong luận văn này, sử dụng hệ magnetron gần cân nhằm tăng mật độ hạt mang lượng đến đế, hình thành màng có hợp thức tốt mà không làm hư màng Ngoài ra, thông số tạo màng tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí, phún xạ, nhiệt độ đế, áp suất, khoảng cách bia đế ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể màng Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc màng tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí Với tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí thích hợp, màng TiN tạo có cấu trúc tinh thể tốt, điện trở suất màng thấp Kết số công trình nghiên cứu + Trong công trình [33] nhóm tác giả Xu Xuan-qian, Ye Hui, Zou Tong, màng TiN tạo phương pháp phún xạ phản ứng magnetron dc Kết cho thấy màng thay đổi hướng phát triển ưu tiên theo tỉ lệ N2/Ar, tỉ lệ N2/Ar = hướng phát triển ưu tiên (200), ứng với tỉ số cường độ I200:I111 = 13,16 màng có điện trở suất thấp + Trong công trình [21] nhóm tác giả Li-Jian Meng, M.P Dos Santos, màng TiN tạo phương pháp phún xạ phản ứng magnetron dc Kết cho thấy, màng phát triển theo mặt (111) áp suất riêng phần nitơ thấp áp suất riêng phần nitơ đạt 3.10-3torr, mặt tinh thể (200) xuất cấu trúc tinh thể màng Cường độ nhiễu xạ mặt (111) giảm áp suất riêng phần nitơ tăng + Trong công trình [17] nhóm tác giả H.Q Loul, N AXen, R.E Somekh, I.M Hutchings, màng TiN tạo phương pháp phún xạ phản ứng magnetron đế sapphire Kết cho thấy, giá trị x hợp thức TiNx tăng thành phần nitơ hỗn hợp giảm Ngược lại, giá trị x hợp thức TiNx giảm thành phần nitơ hỗn hợp khí giảm 20% + Trong công trình [12] nhóm tác giả C.S Shin, S Rudenja, D Gall, N Hellgren, T.Y Lee, I Petrov, v J E Greene, màng TiN tạo đế MgO(001) phương pháp phún xạ magnetron dc không cân Kết cho thấy màng TiNx có hợp thức tốt hệ số x khoảng (0,67 ≤ x ≤ 0,92) , nhiệt độ phòng, màng có điện trở suất 13μΩcm Khi x = 0,67 , màng có điện trở suất tăng đến 192μΩcm + Trong công trình [28] tác giả Shuichi Kanamori, màng TiN tạo đế Si phương pháp phún xạ phản ứng rf Nguồn phún xạ rf có công suất 400W, tỉ lệ N2:Ar = 1:5, âm áp cho đế (-100V) Kết cho thấy, màng có màu vàng kim loại vàng cho điện trở suất thấp, màng có màu đen nâu cho điện trở suất cao Tóm lại, kết số công trình nghiên cứu cho thấy màng TiN có hợp thức tốt tức điện trở suất thấp với tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí thích hợp Ngoài ra, bắn phá ion suốt trình tạo màng ảnh hưởng lên hướng phát triển ưu tiên màng, dẫn đến điện trở suất màng thay đổi Tuy nhiên, lượng ion đến đế tăng, làm xuất chỗ khuyết bề mặt Trong đó, số ion mật độ dòng ion liên quan đến cấu trúc tinh thể màng Nhiều công trình sử dụng phương pháp khác nhằm mục đích tập trung ion đến đế + Trong công trình [29] nhóm tác giả S Guruvenket G Mohan Rao, màng TiN tạo đế Si(100) Si(111) phương pháp phún xạ magnetron không cân Kết cho thấy, ảnh hưởng âm lên hướng phát triển màng đế khác nhau, đế Si(100) mặt phát triển ưu tiên mặt (220), đế Si(111) mặt phát triển ưu tiên mặt (111) Điện trở suất màng đạt 129 μΩcm đế Si(100) đạt 103 μΩcm đế Si(111) tương ứng với âm từ -30V đến -40V Trong luận văn này, không chọn phương pháp áp âm cho đế đế mà sử dụng đế thủy tinh, nghiên cứu chế tạo sử dụng hệ magnetron gần cân nhằm tăng mật độ hạt mang lượng vừa đủ đến đế Nhiệt độ đế yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể màng, điện trở suất màng + Thật công trình [33] nhóm tác giả Xu Xuan-qian, Ye Hui, Zou Tong, màng TiN tạo phương pháp phún xạ phản ứng magnetron dc Kết cho thấy, nhiệt độ đế ảnh hưởng lên hướng phát triển màng, nhiệt độ đế nhiệt độ phòng cường độ nhiễu xạ mặt (111) mạnh mặt (200) Khi nhiệt độ đế tăng đến 5000C tồn mặt (200) mạng tinh thể, màng có điện trở suất thấp + Trong công trình [17] nhóm tác giả H.Q Loul, N Axen, R.E Somekh, I.M Hutchings, màng TiN tạo đế sapphire phương pháp phún xạ phản ứng magnetron Kết cho thấy, nhiệt độ đế 6000C tốc độ hấp phụ màng tăng tỉ lệ N2/Ar giảm Nhiệt độ đế thấp 5000C màng phát triển theo mặt (111), nhiệt độ cao 5000C tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí đạt 50% màng phát triển theo mặt (200) màng cho điện trở suất thấp 10 + Trong công trình [26] nhóm tác giả Ozlem Duyar, Cengiz Koc_um, H Zafer Durusoy, màng TiN tạo đế thủy tinh phương pháp phún xạ phản ứng magnetron dc Kết cho thấy, nhiệt độ đế 3000C màng TiN tạo có điện trở suất l30 μΩcm , nhiệt độ đế thấp màng có điện trở suất cao + Trong công trình [24] nhóm tác giả M.Kawamura, Y.Abe, H Yanagisawa, K.Sasaki, màng TiN tạo phương pháp phún xạ magnetron rf Phần trăm nitơ hỗn hợp khí nitơ argon thay đổi từ 0% đến 12% Kết cho thấy, điện trở suất màng TiN tạo nhiệt độ đế 4000C phần trăm nitơ hỗn hợp khí nitơ argon 12% màng cho điện trở suất nhỏ 24 μΩcm Khi phần trăm nitơ hỗn hợp khí nitơ argon cao 12% màng cho điện trở suất thấp khoảng 30 μΩcm + Trong công trình [16] nhóm tác giả H.Wang, A.Kvit, X Zhang, C.C Koch, J.Narayan, màng TiN tạo phương pháp lắng đọng xung lazer Kết cho thấy, nhiệt độ đế giảm, kích thước hạt trung bình tinh thể TiN giảm từ 55nm (Ts= 6000C) đến 8nm (Ts= 250C), tương ứng với điện trở suất tăng từ 45 μΩcm đến 165 μΩcm Khi nhiệt độ đế đạt 7000C điện trở suất màng nhỏ 15 μΩcm Nhìn chung, kết nghiên cứu số công trình tính chất điện quang màng TiN cho thấy, cấu trúc tinh thể màng TiN phụ thuộc vào số thông số quan trọng tạo màng, tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí, nhiệt độ đế, ảnh hưởng đến hướng phát triển màng, cấu trúc tinh thể màng, làm thay đổi điện trở suất màng Từ kết đó, khái quát sơ lược tính chất đặc biệt màng TiN 11 (111) (200) (311) Hình 4.7 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr, p = 1,5.10-4torr ÷ 4,5.10-4torr, U = 370V ÷ 640V 4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng điện trở suất theo khoảng cách bia đế Giữ thông số tạo màng nhiệt độ đế 2000C, áp suất khí làm việc 3.103 torr, tỉ lệ phần trăm nitơ hỗn hợp khí 10%, phún xạ 550V Thay đổi khoảng cách từ bia đến đế 3,5cm; 4,5cm; 5,5cm để khảo sát điện trở suất màng 62 Bảng 4.6 Điện trở suất màng TiN thay đổi theo khoảng cách bia đế chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, P = 3.10-3torr , p = 3.10-4torr, U = 550V Mẫu h(cm) ρ(Ωcm) T74 3,5 6,6.10-5 Q54 4,5 3,9.10-5 T75 5,5 1,3.10-4 Khoảng cách bia đế vấn đề quan trọng cần phải khảo sát Nếu khoảng cách bia đế xa lượng hạt tới không đủ để tạo tinh thể tốt, khoảng cách gần dòng ion bắn phá làm tăng sai hỏng Ở khoảng cách tốt nhất, truyền xung lượng ion màng cho hợp thức tốt mà lượng bắn phá ion chưa vượt qua ngưỡng để gây sai hỏng màng Khi đó, màng hợp thức tốt nhất, điện trở suất màng thấp (111 (200 (311 Hình 4.8 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, P = 3.10-3torr, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 3,5cm ÷ 5,5cm Từ kết trên, chọn đo nồng độ hạt tải độ linh động mẫu (bảng 4.7) Kết cho thấy mẫu Q54 có nồng độ hạt tải cao đồng thời độ linh 63 động hạt tải lớn Điều phù hợp với lí giải cho mẫu Q54 có điện trở suất thấp Như vậy, với hệ phún xạ tìm khoảng cách bia đế tốt để màng có hợp thức tốt Bảng 4.7 Kết phụ thuộc điện trở suất độ linh động nồng độ hạt tải theo khoảng cách bia đế Khoảng cách Mẫu bia đế (cm) Điện trở suất Độ linh động μ Nồng độ hạt ρ (μΩ.cm) (cm2.V-1.S-1) tải n (cm-3) T75 3,5 129 0,02 24,2.1023 Q54 4,5 39 0,45 3,56.1023 T74 5,5 66 0,25 3,79.1023 4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng điện trở suất theo nhiệt độ đế Giữ thông số tạo màng áp suất khí làm việc 3.10-3torr, tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí 10%, phún xạ 550V, khoảng cách bia đế 4,5cm Thay đổi nhiệt độ đế để khảo sát điện trở suất màng Bảng 4.8 Điện trở suất màng TiN thay đổi theo nhiệt độ chế tạo điều kiện: P = 3.10-3torr , p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm Từ kết khảo sát bảng 4.8 cho thấy, hai nhiệt độ đế tốt để màng đạt cấu trúc tối ưu 3000C 2000C Khi đó, màng xuất đồng thời ba mặt (111), (200) Mẫu T0C ρ(Ωcm) T70 1500C 0,63.10-4 Q54 2000C 0,39.10-4 T71 3000C 0,35.10-4 T72 3500C 0,42.10-4 T73 4000C 0,9.10-4 (311) Ở 3000C, màng có cấu trúc tinh thể tốt nhất, thể qua cường độ nhiễu xạ mặt 64 (311) với cường độ nhiễu xạ mặt (200), làm tăng độ linh động điện tử Tuy nhiên, nhiệt độ tăng đến 4000C, vật liệu buồng chân không nhả khí, làm cho màng có nhiều tạp, dẫn đến cấu trúc tinh màng giảm, cường độ nhiễu xạ mặt (311) giảm, độ linh động điện tử giảm đồng nghĩa với điện trở suất tăng (111) (200) (311) Hình 4.9 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: P = 3.10-3torr, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm, Ts = 1500C ÷ 4000C So với công trình [33] trình bày trên, nhiệt độ đế 5000C cường độ nhiễu xạ mặt (200) mạnh Trong công trình [24] tạo màng 4000C phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí làm việc 18%, màng có điện trở suất thấp 24μΩcm với điện trở khối TiN Trong công trình [16] màng tạo nhiệt độ đế 7000C màng có điện trở suất thấp 15μΩcm Trong đó, luận văn giới hạn nhiệt độ 4000C nhiệt độ cao vật liệu buồng nhả khí làm màng bẩn 65 4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng điện trở suất theo áp suất làm việc Giữ thông số tạo màng tỉ lệ phần trăm khí nitơ hỗn hợp khí 10%, phún xạ 550V, nhiệt độ đế 2000C, khoảng cách bia đế 4,5cm Thay đổi áp suất khí làm việc để khảo sát điện trở suất màng Bảng 4.9 Điện trở suất màng TiN thay đổi theo áp suất khí làm việc chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm Mẫu P(Torr) ρ(Ωcm) T82 6.10-3 1.10-4 T83 4,5.10-3 5,3.10-5 T84 3.10-3 4.10-5 Theo kết (bảng 4.9) cho thấy, thay đổi áp suất làm việc 6.10-3torr; 4,5.103 torr; 3.10-3torr áp suất làm việc tốt 3.10-3torr Vì áp suất cao làm tán xạ ion đến đế, làm giảm lượng hạt tới đế Điều làm cho độ linh động nguyên tử hấp phụ bề mặt giảm Nếu giảm áp suất truyền xung lượng ion nguyên tử titan tăng, làm tăng độ linh động nguyên tử hấp phụ titan bề mặt, dẫn đến phản ứng titan nitơ tăng, giải phóng lượng, làm giảm lượng bề mặt, tức làm tăng lượng biến dạng, nên cường độ nhiễu xạ mặt (111) giảm, điện trở suất màng lại tăng Tuy nhiên, tiếp tục giảm áp suất làm việc lượng nitơ để tạo màng TiN Nếu áp suất thấp 3.10-3torr thành phần titan màng tăng, màng có màu trắng kim loại titan Từ phổ nhiễu xạ tia X (hình 4.10) cho thấy, mẫu T84 tạo áp suất làm việc 3.10-3torr, xuất đồng thời mặt (111), (200) (311) màng chưa hợp thức tốt nên cường độ nhiễu xạ mặt (311) thấp so với cường độ nhiễu xạ mặt (111) Trong đó, mẫu T82 tạo áp suất làm việc 6.10-3torr xuất mặt (111), màng chưa hợp thức nên điện trở suất cao 66 (111) (200) (311) Hình 4.10 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiN chế tạo điều kiện: Ts = 2000C, p = 3.10-4torr, U = 550V, h = 4,5cm, P = 3.10-3torr ÷ 6.10-3torr 4.2 TÍNH CHẤT QUANG Trong phần này, tiếp tục khảo sát tính chất quang màng TiN Sau khảo sát tính chất điện màng, chọn điều kiện tạo màng tối ưu tỉ lệ phần trăm nitơ hỗn hợp khí nitơ argon 10%, nhiệt độ đế 2000C, khoảng cách bia đế 4,5cm, áp suất khí làm việc 3.10-3torr, phún xạ 550V Chúng tạo số màng mỏng TiN điều kiện tối ưu trên, sau đo chiết suất n hệ số tắt k màng 67 Hình 4.11 Chiết suất n hệ số tắt k mẫu L1 theo bước sóng Hình 4.12 Chiết suất n hệ số tắt k mẫu L4 theo bước sóng Hình 4.14 Phổ phản xạ mẫu L4 Hình 4.13 Phổ phản xạ mẫu L1 Trong phần trên, tìm màng có điện trở suất thấp cở 35μΩ.cm nhiệt độ đế 200oC 300oC Từ công thức thực nghiệm công trình [9,16] R = (1 + 2ε cRs ) −2 , với Rs điện trở mặt màng, ε c = 376Ω Cho thấy tính chất điện tính chất 68 quang màng có mối liên hệ sau: màng có Rs nhỏ hệ số phản xạ R lớn, khảo sát tính chất quang màng có điện trở suất thấp đề cập Ở nhiệt độ 300oC, màng L4 với bề dày 33nm có chiết suất hệ số tắt bước sóng 550nm 1.35 3.49 (hình 4.12), chiết suất hệ số tắt màng L1 tạo nhiệt độ 200oC 1.14 2.13 (hình 4.11) Hai loại màng có bề dày điện trở suất Mặc dù chúng có điện trở suất, độ phản xạ vùng hồng ngoại màng L1 (hình 4.13) cao so với màng L4 (hình 4.14) Vì vậy, chọn nhiệt độ đế tối ưu để tạo màng 200oC 4.3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.3.1 Kết luận Những kết mà đạt trình nghiên cứu, đồng thời dựa vào mô từ lý thuyết cho hệ màng đa lớp Chúng chế tạo số màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 kết cho thấy, độ phản xạ màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 đạt từ 65% đến 70% vùng hồng ngoại, độ truyền qua đạt 40% đến 45% vùng khả kiến Như vậy, kết đạt cho thấy việc ứng dụng màng TiN làm lớp hệ màng đa lớp phản xạ nhiệt ứng dụng cho gương nóng truyền qua tốt Do thời gian có hạn, chế tạo hệ màng đa lớp công trình nghiên cứu nên chế tạo hai mẫu màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 thấy giá trị ứng dụng màng TiN mà tập trung nghiên cứu 69 Hình 4.15 Màng đa lớp DL85 chế tạo từ thực nghiệm, theo mẫu m3 mô từ lý thuyết Hình 4.16 Màng đa lớp DL71 chế tạo từ thực nghiệm, theo mẫu m3 mô từ lý thuyết 70 - Chúng chế tạo hệ magnetron cho ứng dụng phún xạ khác tùy thuộc vào kích thước bia - Đã xác định điều kiện tối ưu để tạo màng: tỉ lệ phần trăm nitơ hỗn hợp khí nitơ argon 10%, nhiệt độ đế 2000C, khoảng cách bia đế 4,5cm, áp suất khí làm việc 3.10-3torr, phún xạ tối ưu 550V, màng có điện trở suất thấp 0,35.10-4 Ωcm - Khi màng TiN có điện trở suất nhỏ độ phản xạ cao Khi đó, thích hợp để dùng làm lớp đệm hệ màng đa lớp phản xạ nhiệt TiO2/TiN/TiO2 thay cho lớp kim loại bạc 4.3.2 Hướng phát triển: Trong luận văn này, tìm điều kiện tối ưu nhiệt độ, áp suất riêng phần nitơ argon, khoảng cách bia đế, áp suất làm khí làm việc để tạo màng TiN có điện trở suất thấp Những kết hữu ích nghiên cứu hệ màng đa lớp phản xạ nhiệt ứng dụng gương nóng truyền qua Đồng thời, kết đạt được sử dụng nghiên cứu chế tạo màng cứng đa lớp có nhiều ứng dụng thực tế 71 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Lê Trấn, Trần Văn Phương, Trần Tuấn, Nguyễn Hửu Chí, Nghiên cứu chế tạo màng TiN phương pháp phún xạ magnetron dc, Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ ĐHQG – Tp.HCM Tập 11(10), trang 51-59 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: [1] Nguyễn Hữu Chí (2006), Tập giảng vật lý màng mỏng, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Hữu Chí (1998), Vật Lý Plasma, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Hữu Chí (1995), Vật lý kỹ thuật chân không, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [4] Cao Thị Mỹ Dung, (2007), Chế Tạo màng đa lớp phản xạ nhiệt dựa lớp kim lọai A, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Đăng Khoa, Lê Khắc Bình, Trương Quang Nghĩa, Trần Quang Trung, Hội nghị khoa học trường đại học Khoa Học Tự Nhiên, Tp HCM 10/2002 [6] Đoàn Viên Duyên Oanh (2001), Khóa luận tốt nghiệp đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Minh Quang (2007), Khóa luận tốt nghiệp đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [8] Lê Trấn, Trần Văn Phương, Trần Tuấn, Nguyễn Hữu Chí, Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng Tàu, 12-14/11/2007 [9] Lê Trấn (2008), Tính chất màng mỏng titan nitride(TiN), Báo cáo chuyên đề 1, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh [10] Trương Thị Ngọc Yến, Nguyễn Thanh Tú (2002), Khóa luận tốt nghiệp đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, Hồ Chí Minh Tiếng anh: [11] Chung-Hsing Sun, Dr Jia-Hong Huang,Dr Ge-Ping Yu, “ Using Design of Experiment to Optimize the Deposition Process of TiN Thin Film by Unbalanced Magnetron Sputtering” [12] C.-S Shin, S Rudenja, D Gall, N Hellgren, T.-Y Lee, I Petrov and J E Greene, “Growth, surface morphology, and electrical resistivity of fully strained substoichiometric epitaxial TiNx 0.67ÏxË1.0 layers on MgO.001,” Journal of Applied Physics Volume 95, Number 11 January 2004 73 [13] Donald L Smith, "Thin Film deposition- principle and practice" , Mc Graw-Hill, Inc, New York San Francisco Washington DC, (1995) [14] G Frank, E Kauer and H Kostlin,“Transparentheat- Reflecting Coatings Based on Highly Doped Semicinductors”, Thin Solid Films, 77(1981)107 – 117 [15] H.K Pulker, “Coating on Glass”, Elsevier, p 391-459, (1984) [16] H L Hartnagel, A L Dawar, A K Jain, C Jagadish, “Semiconducting Transparent Thin Films”, Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia, London [17] H Wang, A Kvit, X Zhang, C C Koch, J Narayan,”Mechanical and Electrical Properties of Nanocrystalline and Epitaxial TiN Films”, Mat Res Soc Symp Proc Vol 697 © 2002 Materials Research Society [18] H.Q Loul, N AX, R.E Somekh, I.M Hutchings, “Effect of deposition conditions on the characteristics of reactively sputtered titanium nitride films”, Surface and Coatings Technology 90 (1997) 123-127 [19]Ion Dima, Benedict Popescu, Floriana Iova, Gabriela Popescu,” influence of the silver layer on the optical properties of the TiO2/Ag/TiO2 multilayer”, Thin Solid Films, 200 (1991) 11-18 [20] J-E Sundgren, “Structure and properties of TiN coatings”, Thin Solid Films, 128 (1985) 21-44 [21] Li-Jian Meng, M.P dos Santos, “Characterization of titanium nitride films prepared by d.c reactive magnetron sputtering at different nitrogen pressures”, Surface and Coatings Technology 90 (1997) 64 - 70 [22] M.A Angadi, K Nallaamshetty, “Heat mirrors using CeO2/Cu/CeO2 multilayer films”, Journal of Materials Science Letters, (1989) 391-394 [23] M Kawamura, y Abe, H Yanagisawa, K Sasaki, “Characterization of TiN films prepared by a conventional magnetron sputtering system: influence of nitrogen flow percentage and electrical properties”Thin Solid Films 287 (1996) 115-119 [24] M Kawamura , y Abe , H Yanagisawa, Characterization of TiN films prepared by a conventional magnetron puttering system: influence of nitrogen flow percentage and lectrical properties” ,saki Thin Solid Films 287 (1996) 115-119 74 [25] O.S Heavens, Optical Properties of Thin Solid Film, London Butterworths Scientific Public [26] Ozlem Duyar, Cengiz Koc_um, H Zafer Durusoy, “Preparation and Optimization of High Quality TiN Films”, Turk J Phys 27 (2003) , 519 { 527 cation, 1955, ch4 [27] Patrick R LeClair, “Titanium Nitride Thin Films by the Electron Shower Process”, Massachusetts Intitute of echnology, May (1998) [28] Shuichi Kanamori, “Metallurgical and Protective Coatings 195 Investigation of Reactively Sputtered TiN Films for Diffusion Barriers,” Thin Solid Films, 136 (1986) 195-214 [29] S Guruvenket and G Mohan Rao, “ Effect of ion bombardment and substrate orientation on structure and properties of titanium nitride films deposited by unbalanced magnetron sputtering”,Department of Instrumentation, Indian Institute of Science, Bangalore-560 012, India [30] S.M.A Durrani, E.E Khawaja, A.M Al-Shukri, M.F Al-Kuhaili, “Dielectric/Ag/dielectric coated energy-efficient glass windows for warm climates”, Energy and Buildings 36 (2004) 891–898 [31] S Guruvenket and G Mohan Rao “Effect of ion bombardment and substrate orientation on structure and properties of titanium nitride films deposited by unbalanced magnetron sputtering” Department of Instrumentation, Indian Institute of Science, Bangalore-560 012, India [32] V Valvoda, R Kuzel, J Musil, “Metallurgial and Protective Coatings 53 Structure of TiN Coatings Deposited at Relatively High Rates and Low Temperatures by Magnetron Sputtering”,Thin Solid Films, 156 (1988) 53 – 63 [33] XU Xuan-qian, YE Hui, Zou Tong, “Characterization of DC magnetron sputtering deposited thin films of TiN for SBN/MgO/TiN/Si structural waveguide” Xu et 472 al / J Zhejiang Univ Science A 2006 7(3):472-476 [34] Witold Posadowski and Lubomila - Sti Pniewska - Zbigniew Ziolowski, “Properties of TiN films reactively sputtered in and argon-nitrogen atmosphere”, Thin Solid Films, 62 (1979) 347-351 75 [35] Wen-Jun Chou, Ge-Ping Yu, Jia-Hong Huang, “Mechanical properties of TiN thin film coatings on 304 stainless steel substrates”, Surface and Coatings Technology 149 (2002) 7–13 [36] Yu- Ping Tsai, “effect of bias and nitrogen partial pressure on the microstructure and mechanical properties of TiN film grow on stainless by HCD ion plating”, Master,1998 76 [...]... tía.[20,36,37] Tính chất của TiN rất nhạy với thành phần nitơ trong tinh thể và các tạp chất, đặc biệt là ôxi Do đó, việc kiểm soát lượng ôxi rất quan trọng, vì tạp chất ôxi ngoài việc làm thay đổi màu còn có thể làm thay đổi các tính chất khác như làm tăng điện trở suất, giảm độ cứng, thay đổi tính chất quang và cả sự bám dính của vật liệu Mặc dù TiN có tính bền rất cao nhưng cấu trúc và tính chất của TiN... bắn phá của hạt mang năng lượng Màng mỏng kim loại được tạo ở áp suất thấp, có sự hỗ trợ của plasma có ứng suất nén đó là do sự bắn phá của hạt mang năng lượng đến đế tăng cường Ở áp suất cao, sự bắn phá của hạt bị giảm do va chạm nhiều với các phân tử khí nên màng có ứng suất căng 15 1.2.3 Tính chất điện Nhìn chung điện trở của TiN rất thấp và điện trở khối của TiN khoảng 25μΩ.cm Điện trở của màng mỏng... kết luận tính chất điện của màng mỏng TiN phụ thuộc rất nhiều vào vi cấu trúc của màng và điều kiện hình thành màng Hai tác nhân chính làm giá trị điện trở suất cao có thể phân biệt là khoảng trống (hay tính xốp) và tạp chất (đặc biệt là ôxi) Nếu màng TiN có hợp thức tốt và màng sạch thì có thể đạt được điện trở suất mong muốn khoảng 25 đến 30μΩ.cm Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu những... vào điều kiện tạo màng Trong quá trình tạo màng, ngoài hợp thức TiN còn có Ti2N và chính điều này làm tăng điện trở của màng và làm thay đổi một số tính chất khác Một số yếu tố ảnh hưởng đến điện trở của màng mỏng TiN như [20,36,37] Tạp chất gây ảnh hưởng rất lớn đến sự tán xạ của điện tử, đặc biệt là ôxi, vì ôxi có thể tạo liên kết ion trong mạng TiN, là nguyên nhân gây cho màng có điện trở suất tăng... thông số để thu được kết quả như mong muốn Màng TiN được nghiên cứu để đưa vào tác dụng khác ngoài mục đích trang trí TiN có tính chất đặc biệt là có khả năng phản xạ bức xạ hồng ngoại và có thể cho ánh sáng khả kiến truyền qua Nên được dùng làm lớp giữa trong hệ màng đa lớp phản xạ nhiệt Giữa tính chất điện và tính chất quang của màng có mối liên hệ khi màng có Rs nhỏ thì hệ số phản xạ R lớn Vậy,... + e +(N – 2) em N: số điện tử trong kim loại e ϕ : công thoát điện tử trung bình của kim loại Wa: độ cao hàng rào thế năng của kim loại Em1: năng lượng của điện tử trong kim loại eVi: năng lượng ion hóa của nguyên tử đập vào Giản đồ năng lượng của nó được trình bày trên (hình 2.11) 34 Đường liên tục biểu diễn quá trình dịch chuyển điện tử Động năng của điện tử thứ cấp bằng: Ee = eVi – Em1 – Em2 Rõ... màng có điện trở suất thấp hay độ phản xạ cao ở vùng hồng ngọai Do đó, màng TiN phải có cấu trúc bó chặt, tức là mật độ khối lớn Điện trở suất của màng TiN phụ thuộc vào nồng độ hạt tải và độ linh động của điện tử dẫn Màng TiN có liên kết hoá học tương tự kim loại, nên nồng độ hạt tải cao (cở 1022 hạt/cm3).[19,20,27] Vậy yếu tố để làm giảm điện trở suất của màng TiN chủ yếu là do độ linh động của điện. .. mỏng, độ dày của màng thường nhỏ hơn rất nhiều so với diện tích màng Nên khái niệm điện trở mặt thường được dùng để chỉ tính dẫn điện của màng mỏng Theo định luật Ôm: R =ρ l (2.1) S Với l là chiều dài, S là diện tích, ρ là điện trở suất của vật liệu 19 l b t Hình 2.3 Mô hình mẫu dùng đo điện trở mặt Công thức có thể được viết lại như sau: R =ρ Với: l (2.2) b.t b là chiều rộng t là bề dày của màng Nếu chọn... đế dẫn điện) 1.2.2 Ứng suất Ứng suất của màng mỏng là một trong những thông số cơ học quan trọng khi tạo màng vì nó có ảnh hưởng đến các tính chất như quang học, điện, cơ học của màng mỏng Một hệ quả của việc tạo màng mỏng là sự xuất hiện ứng suất, thường có 2 loại ứng suất là ứng suất nhiệt và ứng suất nội Màng TiN được phủ lên đế thường gây ra ứng suất nội giữa màng và đế Ứng suất nội được sinh ra... điện trở suất tăng nhanh khi tính xốp của màng tăng Màng có ít khoảng trống và mật độ màng thấp cho điện trở suất cao Kích thước hạt và những sai hỏng như lệch mạng cũng làm tăng giá trị của điện trở suất, đặc biệt nếu kích thước hạt hoặc khoảng cách trung bình giữa những lệch 0 mạng bằng với quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn (vài A ) Từ đó, cho thấy kích thước hạt càng cao thì màng có điện ... cho màng kim loại bạc lại có tính trơ mặt hóa học, học lẫn nhiệt học, nhà nghiên cứu tìm màng titan nitrite (TiN) đáp ứng tốt yêu cầu nêu Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu tính chất màng. .. cho kết điện trở suất khoảng 50-200μΩ.cm Trong luận văn này, lắng đọng màng TiN đế thủy tinh kiềm với mục đích nghiên cứu tính chất quang điện màng, ứng dụng làm màng phản xạ nhiệt hệ màng đa... 7000C điện trở suất màng nhỏ 15 μΩcm Nhìn chung, kết nghiên cứu số công trình tính chất điện quang màng TiN cho thấy, cấu trúc tinh thể màng TiN phụ thuộc vào số thông số quan trọng tạo màng,