Phương pháp phún xạ magnetron RF và ứng dụng trong công nhệ chế tạo màng mỏng bán dẫn

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ HẠNH PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG MỎNG BÁN DẪN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI – 2012 MỞ ĐẦU Thế giới chứng kiến thay đổi chóng mặt khoa học công nghệ Sự phát triển khoa học công nghệ đem lại diện mạo cho sống người công nghệ điện tử viễn thông Sự phát triển vật liệu công nghệ vật liệu bán dẫn trở thành vấn đề then chốt nghiệp công nghiệp hoá, đại hoá đất nước Vật liệu bán dẫn công nghệ chế tạo hai vấn đề gắn kết, tách rời để chế tạo sản phẩm chất lượng cao cho xã hội Vật liệu bán dẫn nhóm vật liệu đa dạng Bán dẫn vật liệu hữu vô cơ, chất rắn, lỏng, tinh thể, vô định hình, có từ tính không từ tính Mặc dù có khác biệt cấu tạo thành phần hóa học loại vật liệu có tính chất đặc biệt khả thay đổi tính chất tác động lượng bên Ví dụ Pin mặt trời linh kiện có khả chuyển đổi quang thành điện năng, mạng thông tin sở, xí nghiệp, loại điốt phát quang, transistor, chip … linh kiện, thiết bị chủ yếu sử dụng vật liệu bán dẫn Để có vật liệu bán dẫn có tính năng, tiện ích mong muốn, người ta đưa nhiều phương pháp chế tạo vật liệu khuyếch tán, khắc ăn mòn quang học … Màng mỏng bán dẫn nhà khoa học nước toàn giới đặc biệt quan tâm vai trò khoa học kỹ thuật ứng dụng Màng mỏng, khoa học kỹ thuật, hiểu lớp chất rắn phủ lên bề mặt vật rắn khác (vật rắn gọi đế) với chiều dày tới hạn mà hiệu ứng vật liệu tính chất thể không giống vật liệu khối Nhìn chung, chiều dày màng mỏng đề cập công nghệ vật liệu linh kiện điện tử, quang điện tử, nằm khoảng 10 ÷ 1000 nm Ngày nay, công nghệ chế tạo màng mỏng vô đa dạng phong phú, bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp Là sinh viên, để chuẩn bị hành trang kiến thức cho tương lai em chọn “Phương pháp phún xạ magnetron rf ứng dụng công nghệ chế tạo màng mỏng bán dẫn” làm đề tài nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, em chủ yếu tập trung vào phương pháp chế tạo màng mỏng bán dẫn phún xạ rf phương pháp sử dụng phổ biến công nghệ chế tạo màng mỏng bán dẫn có nhiều ưu điểm Mục đích chọn đề tài - Tìm hiểu phương pháp phún xạ - Công nghệ chế tạo màng mỏng phương pháp phún xạ rf Đối tƣợng nghiên cứu Để đạt mục đích nghiên cứu nhiệm vụ nêu xác định đối tượng nghiên cứu sau: - Một vài phương pháp chế tạo màng mỏng - Các bước chế tạo màng mỏng phún xạ rf - Chế tạo màng mỏng TiO2 phún xạ rf Phạm vi nghiên cứu Phương pháp phún xạ magnetron rf: ưu điểm, nhược điểm phương pháp phún xạ rf, Ứng dụng phương pháp phún xạ magnetron rf chế tạo màng mỏng TiO2 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu - Tổng hợp, phân tích thông tin thu nhận kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Chƣơng PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ 1.1 Phún xạ Phún xạ (sputtering) hay phún xạ catốt (cathode sputtering) kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa nguyên lý truyền động cách dùng ion khí tăng tốc điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động cho nguyên tử bay phía đế lắng đọng đế Hình 1.1: Mô hình phún xạ 1.2 Bản chất trình phún xạ Khác với phương pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay đốt nóng mà thực chất trình phún xạ trình truyền động Vật liệu nguồn tạo thành dạng bia (target) đặt điện cực (thường catốt), buồng hút chân không cao nạp khí với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar) Dưới tác dụng điện trường, nguyên tử khí bị iôn hóa, tăng tốc chuyển động phía bia với tốc độ lớn bắn phá bề mặt bia, truyền động cho nguyên tử vật liệu bề mặt bia Các nguyên tử truyền động bay phía đế lắng đọng đế Các nguyên tử gọi nguyên tử bị phún xạ Cơ chế trình phún xạ va chạm trao đổi xung lượng, hoàn toàn khác với chế phương pháp bay bốc nhiệt chân không Do chế tạo vật liệu phương pháp phún xạ trình chuyển nguyên tử vật rắn dạng khối bia sang dạng màng mỏng đế 1.3 Các loại phún xạ 1.3.1 Phún xạ phóng điện chiều (DC discharge sputtering) Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện chiều để gia tốc cho iôn khí Bia vật liệu đặt điện cực âm (catốt) chuông chân không hút chân không cao, sau nạp đầy khí (thường Ar He…) với áp suất thấp (cỡ 10-2 mba) Tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích bia nằm khoảng từ 10 đến vài trăm centimet vuông Anốt đế toàn thành chuông chân không Khoảng cách catốt-anốt ngắn nhiều khoảng cách nguồn-đế bốc bay chân không thường 10 cm Trong khí trơ, Argon sử dụng để phún xạ nhiều cả, áp suất trì chuông cỡ Torr Plasma trường hợp hình thành trì nhờ nguồn điện cao áp chiều Cơ chế hình thành plasma giống chế phóng điện lạnh khí Người ta sử dụng hiệu điện chiều cao đặt Hình 1.2 Sơ đồ hệ phóng điện cao áp bia (điện cực âm) đế mẫu chiều (DC-sputter) (điện cực dương) Điện tử thứ cấp phát xạ từ catốt gia tốc điện trường cao áp, chúng ion-hóa nguyên tử khí, tạo lớp plasma (đó trạng thái trung hòa điện tích vật chất mà phần lớn ion dương điện tử) Các ion khí Ar+ bị hút catốt, bắn phá lên vật liệu làm bật nguyên tử khỏi bề mặt catốt.Quá trình trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang iôn hóa) Vì dòng điện dòng điện chiều nên điện cực phải dẫn điện để trì dòng điện, kỹ thuật thường dùng cho bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim, …) Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ trường hợp thấp Ngày phương pháp phún xạ cao áp chiều không sử dụng công nghệ chế tạo màng 1.3.2 Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering) Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện xoay chiều để gia tốc cho iôn khí Nó có cấu tạo chung hệ phún xạ, nhiên máy phát máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường 13,56 MHz) Điện áp đặt điện cực hệ chân không nguồn xoay chiều tần số từ 0,1 MHz trở lên, biên độ khoảng 0,5 đến kV Mật độ dòng ion tổng hợp tới bia khoảng mA/cm2, biên độ dòng cao tần tổng hợp cao nhiều (có lớn gấp bậc nữa) Vì dòng điện xoay chiều, nên sử dụng cho bia vật liệu không dẫn điện Máy phát cao tần tạo hiệu điện xoay chiều Hình 1.3: Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ dạng xung vuông Vì hệ sử dụng chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion dòng điện xoay chiều nên phải qua phối hợp trở kháng hệ tụ điện có tác dụng tăng công suất phóng điện bảo vệ máy phát Quá trình phún xạ có khác so với phún xạ chiều chỗ bia vừa bị bắn phá iôn có lượng cao nửa chu kỳ âm hiệu điện bị bắn phá điện tử nửa chu kỳ dương Phún xạ cao tần có nhiều ưu điểm so với phún xạ cao áp chiều, thí dụ điện áp thấp, phún xạ áp suất khí thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn đặc biệt phún xạ tất loại vật liệu từ kim loại đến oxit hay chất cách điện Plasma phún xạ cao tần hình thành trì nhờ nguồn cao tần, giống trình ion hóa xảy phún xạ cao áp Tuy nhiên, ngày phún xạ cao tần riêng biệt không sử dụng hiệu suất phún xạ chưa cao Người ta sử dụng phún xạ magnetron để khắc phục nhược điểm 1.3.3 Phún xạ magnetron Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng với xoay chiều chiều) cải tiến từ hệ phún xạ thông dụng cách đặt bên bia nam châm Như mô tả phần trên, với cấu hình điện cực hai phương pháp phún xạ có điện trường vuông góc với bề mặt bia Nhưng với magnetron thấy từ trường nam châm tạo đường sức vuông góc với điện trường (có nghĩa song song với mặt phẳng bia) Vì thế, từ trường tập trung tăng cường plasma vùng gần bia Từ trường nam châm có tác dụng bẫy điện tử iôn lại gần bia tăng hiệu ứng iôn hóa, tăng số lần va chạm iôn, điện tử với nguyên tử khí bề mặt bia làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm bắn phá điện tử iôn bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế tạo phóng điện áp suất thấp Bây xem bẫy điện tử làm việc nào? Cấu mô tả hình 1.4 (a, b) tạo hiệu ứng điện Chúng ta có “hiệu ứng Hall”, chồng lên dòng có hướng chuyển động quanh bia “con quay” Hình 1.4:Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử từ trường hệ phún xạ magnetron Bán kính quỹ đạo (ρ) quay xác định công thức: m   qB Trong đó: - m  khối lượng điện tử; -  thành phần vuông góc tốc độ điện tử đường sức; - B cảm ứng từ Nhìn chung, hệ phún xạ thực, bán kính quỹ đạo có giá trị nhỏ, khoảng đến vài milimét Vì vậy, giam hãm điện tử gần bề mặt bia hiệu Các điện tử chuyển động quanh đường sức chúng bị tán xạ nguyên tử Trong thực tế, magnetron tồn khoảng thời gian ngắn sau lực không còn, điện tử bị bẫy sau số lượt chuyển động vòng quanh Để hiểu tốt vấn đề magnetron, xem xét ví dụ Thông thường để bắn phá bia (target) kim loại hay chất dẫn điện ta dùng dòng chiều (Direct Current) để tạo plasma (DC - magnetron sputtering) Nếu target chất cách điện oxid, bắt buộc ta phải dùng dòng RF để tạo plasma 1.3.4 Các cấu hình phún xạ khác Ngoài ba kiểu phún xạ nêu trên, thực tiễn người ta chế tạo thiết bị phún xạ với cấu hình khác (các phận dựa cấu hình hai loại trước) Trong có loại cấu hình sử dụng đến phân đế để kích thích bắn phá ion trình phủ màng, có loại phóng điện hỗ trợ ion nhiệt, điện tử thứ cấp tăng cường từ sợi vonfram đốt nóng Phún xạ chùm ion cấu hình tỏ hữu hiệu công nghệ chế tạo màng mỏng Trong cấu hình này, nguồn ion thiết kế tách hẳn khỏi catốt, làm việc với điện phóng điện thấp Từ nguồn chùm ion bắn thẳng vào bia với động lớn đạt tương đương lượng cao áp chiều Chƣơng PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 2.1 Nguyên lý RF-Magnetron Sputter kỹ thuật tạo màng mỏng (Thin films) hiệu kỹ thuật phún xạ Từ trường tạo Magnetron định hướng dòng plasma tạo thành thành loops (vòng tròn) mật độ ion plasma cao đồng plasma mật độ cao tạo thành áp suất thấp Hơn nữa, Magnetron bẫy điện tử tập trung bề mặt target trình tác dụng điện trường RF tạo thành ion tiểu phân khí tiểu phân khí tạo thành bắn phá bề mặt target RF viết tắt chữ Radio Frequency ý nghĩa lượng trình tạo plasma cung cấp dòng điện xoay chiều cao tần (ở tần số sóng radio từ - 20 MHz) Thông thường khí Ar, Nitơ hay hỗn hợp khí với Oxy đóng vai quan trọng bốc bay vật liệu target ý nghĩa khí tạo ion tham gia vào trình tạo màng Nói chung màng mỏng (thin films) tạo kỹ thuật bao gồm nhiều vật liệu khác màng đồng 2.1.1 Nguyên lý hoạt động Phương pháp phún xạ tạo màng dựa tượng va chạm hạt có động lớn với nguyên tử cấu thành bia rắn làm bật chúng khỏi bia lắng đọng lên đế Để trình phún xạ diễn có hiệu quả, hạt bắn phá phải có kích thước cỡ nguyên tử có lượng đủ lớn (100-1000 eV nguyên tử bề mặt rắn có lượng liên kết từ 2-10 eV) để tạo phún xạ nguyên tử riêng biệt Các ion khí trơ thích hợp với vai 10 Thiết bị đặt Phòng Thí nghiệm Trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học công nghệ Việt nam 3.1.4 Phân tích cấu trúc bề mặt hiển vi điện tử quét lực nguyên tử Hiển vi điện tử quét (SEM) phương pháp chụp ảnh bề mặt mẫu Nói độ phân giải SEM so sánh, thí dụ với mắt người bình thường giới hạn độ phân giải 700.000 Å Phân giải cao mắt thường kính hiển vi quang học, độ phân giải 300 nm Độ phân giải SEM đạt 30 Å Còn hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải đạt Å Độ phân giải nằm khoảng từ Å – 100 Å hiển vi ion trường (FIM) hiển vi đầu dò quét trường gần (NFSPM) Kích thước nhỏ mẫu 0,1 mm, kích thước lớn phụ thuộc vào thiết bị SEM cụ thể,thường kích thước lớn gá mẫu, khoảng 50 mm Trên hình chùm tia điện tử hội tụ lên mẫu tạo vùng tương tác có đường kính chiều sâu khoảng µm Tuy nhiên ảnh SEM tạo thành từ điện tử thứ cấp từ độ sâu 100 Å (Hình 3.3).Cho nên màng mỏng không nên sử dụng SEM để khảo sát cấu trúc bề mặt kết nhận bị ảnh bề mặt đế Hình 3.3: Vùng tương tác chùm tia điện tử với bề mặt vật rắn 25 Phương pháp AFM khảo sát mẫu mỏng, ảnh tạo phương pháp lực nguyên tử lớp Bán kính mũi dò nhỏ 400 Å Qua ảnh hai phương pháp SEM AFM tính kích thước hạt tinh thể độ gồ ghề màng mỏng Phương pháp AFM cho kết độ gồ ghề xác hơn, SEM cho thông tin cấu trúc hình thái học bề mặt tốt Trong nhiều thiết bị SEM có gắn hệ vi phân tích tia X dò điện tử (EPMA) Bằng thiết bị khảo sát phân bố thành phần cấu tạo màng mỏng cách quan sát chụp ảnh bề mặt mẫu SEM, sau phân tích thành phần cấu tạo (EPMA) 3.1.5 Phân tích cấu trúc tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X Bước sóng đặc trưng tia X khoảng Å (thí dụ, đồng 1,5406 Å) Kích thước nhỏ thứ bậc với khoảng cách mặt mạng tinh thể, chiếu tia X lên chất rắn nhận hình ảnh nhiễu xạ tia X với mặt mạng tinh thể Phương pháp có khả xác định số mạng ô sở, phân tích pha cấu trúc mẫu (với độ phân giải khoảng 3% khối lượng) nghiên cứu khuyết tật tinh thể Các mẫu để phân tích thường kết tinh, tinh thể nhiễu xạ tia X không xảy Các máy nhiễu xạ đại phân tích cấu trúc mẫu với khối lượng thấp đến mg Độ xuyên sâu tia X vào chất rắn đạt 10 đến 100  m Công thức sử dụng phân tích nhiễu xạ tia X phương trình Bragg mô tả định luật nhiễu xạ tia X, là: 2dhkl sinθ =  (3.2) Trong đó: dhkl khoảng cách hai mặt mạng liền kề (với số Miller (hkl) đặc trưng cho đối xứng mạng); θ góc nhiễu xạ; 26  bước sóng tia X sử dụng Trong trường hợp này, dùng đến nhiễu xạ bậc 1, vế phải hệ số n Trên hình 17a minh họa tượng nhiễu xạ tia X mặt phẳng mạng tinh thể, qua chứng minh công thức Bragg Hình 3.4: a) Hiện tượng nhiễu xạ tia X mặt mạng tinh thể; b) Sơ đồ nguyên lý máy nhiễu xạ tia X Trong phương pháp đa tinh thể, từ thực nghiệm ghi giản đồ nhiễu xạ tia X với bước sóng  (bước sóng ống phát tia X sử dụng), xác định góc nhiễu xạ, tính khoảng cách mặt mạng dhkl Hằng số mạng a, b, c xác định từ d100, d010 d001 Bảng tập hợp dhkl với cường độ nhiễu xạ có tệp liệu cấu trúc tinh thể (hiện phần mềm thiết bị có sẵn tệp tra cứu này), so sánh đối chiếu tập hợp dhkl nhận từ thực nghiệm phù hợp với cấu trúc biết Trong màng mỏng chứa nhiều pha cấu trúc khác (thí dụ oxit vanađi có VO 2, V2 O5, V 2O5 …) giản đồ nhiễu xạ có đỉnh đặc trưng cho pha cấu trúc Do ý nghĩa thực tiễn phương pháp ghi giản đồ nhiễu xạ tia X phương pháp khảo sát cấu trúc màng sở biết cấu trúc Muốn nghiên cứu cấu trúc tinh thể phải sử dụng phương pháp đơn tinh thể Hiện với việc phát triển kỹ thuật nhiễu xạ tia X, người ta chứng minh 27 phương pháp ghi giản đồ nhiễu xạ hoàn toàn áp dụng để xác định kích thước hạt tinh thể màng mỏng (hay vật liệu nói chung) Đó công thức Sherrer: g  0,9 cos (3.3) Trong đó: τg kích thước hạt tinh thể β độ rộng (tính theo radian) đỉnh nhiễu xạ ½ chiều cao đỉnh (độ rộng bán đỉnh); θ góc nhiễu xạ;  bước sóng tia X sử dụng Từ công thức nhận thấy tinh thể khối có cấu trúc hoàn hảo (không có hạt nanô tinh thể) tất đỉnh nhọn, độ rộng bán đỉnh (β→0 τg→∞) Nhiễu xạ tia X màng mỏng thường cho đỉnh không sắc nhọn trường hợp tinh thể khối, màng mỏng cấu trúc nanô cho đỉnh tương đối tù với cường độ nhiễu xạ không lớn 28 Chƣơng CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TIO2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF 4.1 Giới thiệu màng mỏng TiO2 Màng TiO2 quan tâm lớn nhà khoa học giới khẳ ứng dụng phong phú khoa học đời sống Màng TiO2 có độ rộng vùng cấm lớn, chiết suất cao, chúng thường dùng để chế tạo thiết bị quang điện, thiết bị quang xúc tác chất điện môi màng tụ điện Ngoài màng TiO2 suốt vùng khả kiến hồng ngoại, hấp thụ vùng khả kiến nên chúng sử dụng cho ứng dụng quang học dẫn song,kính lọc filter hay màng chống phản xạ Có nhiều phương pháp khác chế tạo màng TiO2 phương pháp sol-gel, phương pháp hóa học, phương pháp lắng đọng xung lazer, … phương pháp phún xạ rf đưa hiệu tốt Sơ đồ hoạt động: Hình 4.1: Sơ đồ phún xạ rf Nguồn phát sinh tần số cao sử dụng để tạo trường điện từ, thường 13,56 MHz Khi tín hiệu xoay chiều áp vào catốt, plasma hoạt 29 động phân chỉnh lưu sinh mức âm trung bình nhỏ điện cực Thế âm gọi tự hiệu dịch hay VDC cathode rf, hình: Để tạo tự hiệu dịch VDC, catốt phải hoạt động giống tụ điện để ngăn dòng điện chiều DC Bia cách điện Hình 4.2: Thế rf catốt trường hợp bia gốm mà sử dụng hoạt động giống tụ điện đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, hầu hết hệ thống phún xạ rf, người ta mắc thêm tụ điện điều cho phép hệ thống hoạt động với bia dẫn điện Các hạt ion chịu tác dụng tự hiệu dịch VDC gia tốc tới bia tạo phún xạ Thực vậy, electron có khối lượng nhỏ nhiều so với ion dương, nên dòng xoay chiều làm dịch chuyển electron, ion dương không bị ảnh hưởng nhiều Electron di chuyển va chạm với Ar trung hòa sinh ion Ar+ Do công suất rf lớn nên ion Ar+ electron sinh liên tục, tạo môi trường plasma điện cực Cả electron Ar+ hướng đến bia, khối lượng electron nhỏ khối lượng Ar+ nên electron bay đến bia với thời gian nhiều so với ion làm cho bia tích điện âm, điện bia âm điện cực Sau Ar+ bay đến đập vào bia gây tượng phún xạ Màng TiO2 tạo phương pháp rf đế thủy tinh (lam Đức) không nung thường thể cấu trúc vô định hình Sau chuyển sang dạng cấu trúc tinh thể anatase rutile màng nung nhiệt độ cao 30 4.2 Quy trình chế tạo Màng TiO2 tạo phương pháp phún xạ RF, từ bia gốm TiO2 (độ tinh khiết khoảng 99%), bia gốm chế tạo từ bột TiO2 tinh khiết nung tới nhiệt độ 1400 0C vòng Màng tạo hỗn hợp khí O2/Ar (tỉ lệ khí O2 2%) để bổ sung hợp thức O2 cho màng, áp suất phún xạ 3x10-3 torr Đế không nung bắn phá hạt có lượng cao nên giữ nhiệt độ 145 0C suốt trình lắng đọng Công suất phún xạ 120W Sau tạo, màng đem ủ nhiệt môi trường không khí vòng 1h với nhiệt độ cao 600 0C Tính chất quang màng độ truyền qua, độ phản xạ xác định phép đo máy UV-VIS Từ phổ truyền qua giao thoa màng, ta xác định bề dày chiết suất màng Cấu trúc màng xác định nhiễu xạ tia X (RXD), cấu trúc bề mặt độ mấp mô bề mặt màng xác định phương pháp AFM (atomic force microscopy) 4.3 Kết 4.3.1 Đặc trưng cấu trúc Hình 4.3: Phổ nhiễu xạ tia X màng TiO2 sau lắng đọng 31 Màng có cấu trúc đa tinh thể anatase A(101) phần dạng tinh thể Rutile với đỉnh R(110) Sau nung màng với nhiệt độ cao khoảng 600 0C vòng 1h không khí, cấu trúc tinh thể màng phát triển, thể rõ phổ nhiễu xạ tia X Hình 4.4: Phổ nhiễu xạ tia X màng TiO2 sau ủ 600 oC thời gian Màng ủ nhiệt có đỉnh phổ cao hẳn màng chưa nung Ta nhận thấy cấu trúc màng bị ảnh hưởng nhiều nhiệt độ ủ màng Hình 4.5: Ảnh chụp bề mặt màng TiO2 – độ mấp mô bề mặt Rms: 7,408 nm 32 Màng TiO2 tạo trường hợp không nung đế có cấu trúc vô định hình, bước đầu chuyển qua dang đa tinh thể anatase với dạng cấu trúc đặc trưng hình chóp (needle-shape) Chúng ta biết màng TiO2 thường tồn dạng vô định hình đa tinh thể anatas, dạng thường không bền dạng vô định hình chuyển sang sạng anatas rutil ủ nhiệt độ cao Hình 4.6: Ảnh chụp AFM bề mặt màng TiO2 sau ủ nhiệt 600 oC – độ mấp mô bề mặt Rms: 9,538 nm Khi so sánh hình 4.5 hình 4.6 ta thấy hạt tinh thể màng TiO2 hình 4.6 lớn có cấu trúc hình chóp rõ hơn, độ mấp mô bề mặt cao Rms khoảng 9,538 nm 4.3.2 Phổ truyền qua Từ phổ truyền qua (Hình 4.7), nhận thấy màng TiO2 chế tạo phương pháp phún xạ rf có độ truyền qua cao khoảng 90% Từ phổ truyền qua giao thoa màng, dùng phương pháp Swanapole ta tính bề dày chiết suất màng Khi tính chiết suất màng bước sóng 550 nm, màng TiO2 tạo phương pháp phún xạ RF có chiết suất 2,48 Màng TiO2 suốt, chứng tỏ màng tạo có hợp thức O2 cao 33 Hình 4.7: Phổ truyền qua màng TiO2 Bảng tính chiết suất độ dày màng TiO2  (nm) Tmax Tmin Bậc giao thoa Chiết suất 810 88,598 686 89,212 59,361 2.3982 598 87.564 59.811 3.5 2.4390 534 86.365 58.475 2.489 484 82.781 57.431 4.5 2.538 448 80.201 53.861 2.6103 418 73.057 50.886 5.5 2.6791 Độ dày trung bình (nm) 58,732 429 4.4 Kết luận Màng TiO2 chế tạo phương pháp phún xạ magnetron rf suốt, có độ truyền qua cao khoảng 90% Chiết suất màng cao khoảng 2,48 chiết suất cao màng tạo phương pháp phún xạ dc 34 Cấu trúc màng phần lớn đa tinh thể anatas với đỉnh cao A(101) tinh thể rutile với đỉnh R(110) Khi màng ủ nhiệt nhiệt độ cao cấu trúc tinh thể màng phát triển Ngoài ra, độ mấp mô màng không lớn - Rms khoảng 7.408 nm, thích hợp cho việc ứng dụng màng vào ứng dụng quang học 35 KẾT LUẬN Phương pháp phún xạ magnetron rf ứng dụng rộng rãi chế tạo màng mỏng có ưu điểm sau: - Có thể phún xạ tất laoị vật liệu: dẫn điện, cách điện, đơn chất, hợp chất - Có thể đặt bia theo nhiều hướng, nhiều trường hợp dùng bia diện tích lớn, bia nguồn “bốc bay ” lớn Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo nhiều bia riêng biệt Màng tạo có độ mấp mô bề mặt thấp có hợp thức gần với bia, có độ dày xác nhiều so với phương pháp bốc bay nhiệt chân không - Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại dễ tự động hóa nên dễ dàng triển khai quy mô công nghiệp Tuy nhiên phương pháp phún xạ magnetron rf có số hạn chế sau: - Tốc độ phún xạ nhỏ, hiệu suất thấp phún xạ phương pháp tiết kiệm lượng - Bia thường khó chế tạo đắt tiền - Khó khống chế thành phần màng chế tạo theo mong muốn, dễ nhiễm tạp chất tạo màng đơn tinh thể Qua đề tài em nắm bắt phương pháp chế tạo màng TiO2 phương pháp phún xạ magnetron rf Kết cho thấy màng có độ mịn độ truyền qua cao thích hợp cho việc ứng dụng màng vào ứng dụng quang học 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Định Tường, Màng mỏng quang học, NXBKHKT Hà Nội, 2004 [2] Võ Thị Kim Chung, Luận văn Thạc sĩ Khoa Học Tự Nhiên, Tổng hợp màng mỏng TiO2 Bằng phương pháp phún xạ Magnetron - mạ ion, Trường ĐH KHTN TPHCM, 1999 [3] ThS Vũ Thị Hạnh Thu, Các giảng Vật Lý Màng Mỏng, Trường ĐH KHTN TPHCM [4] Lê Phương Ngọc, Nguyễn Thị Thu Thảo, Khóa Luận Tốt Nghiệp [5] Nguyễn Ngọc Thùy Trang, Khóa Luận tốt nghiệp [6] Lê Vũ Tuấn Hùng, Nguyễn Văn Đến, Huỳnh Thành Đạt, Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO2 phương pháp phún xạ Magnetron RF, Tạp chí phát triển KH&CN, tập 9, số 6/2006 [7] Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 1K-02044-01403 [8] Nguyễn Năng Định, Giáo trình vật lý kỹ thuật màng mỏng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2008 MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương Phương pháp phún xạ 1.1.Phún xạ 1.2 Bản chất trình phún xạ 1.3 Các loại phún xạ 37 1.3.1 Phún xạ phóng điện chiều 1.3.2 Phún xạ phóng điện xoay chiều 1.3.3 Phún xạ magnetron 1.3.4 Các cấu hình phún xạ khác Chương Phương pháp phún xạ magnetron chế tạo màng mỏng 2.1 Nguyên lý ………………………………………………………… 2.1.1 Nguyên lý hoạt động 2.1.2 Hệ số phún xạ …………………………………………………11 2.1.2 Sự phụ thuộc vào góc tới phún xạ …………………… 11 2.2 Cấu tạo máy phún xạ manetron RF ……………………………….12 2.2.1 Bia …………………………………………………………… 13 2.2.2 Bộ phận tạo chân không ………………………………………15 2.2.3 Bộ phận magnetron ……………………………………………15 2.2.4 Plasma …………………………………………………………16 2.2.5 Buồng phún xạ ……………………………………………… 17 2.2.6 Một số loại đế dùng hệ phún xạ ……………………… 17 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên tốc độ lắng đọng màng …………………18 2.3.1 Dòng thế…………………………………………………….18 2.3.2 Áp suất ……………………………………………………….18 2.3.3 Nhiệt độ đế ………………………………………………… 19 2.4 Ưu điểm hạn chế phún xạ ………………………………… 31 2.4.1 Ưu điểm ……………………………………………………….31 2.4.2 Nhược điểm …………………………………… .32 Chương 3: Các phương pháp khảo sát tính chất đặc trưng màng mỏng 20 3.1 Các phương pháp xác định chiều dày màng mỏng …………………20 3.1.1 Phương pháp đo biên dạng đầu dò hình kim …………… 20 3.1.2 Phương pháp hiển vi giao thoa …………………………………20 3.1.3 Đo độ dày bề mặt màng Profiler ……………………… 21 38 3.2 Phân tích cấu trúc bề mặt hiển vi điện tử quét lực nguyên tử …………………………………………………………………… … 21 3.3 Phân tích cấu trúc tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X …… 23 Chương 4: Chế tạo màng mỏng TiO2 phương pháp phún xạ magnetron rf ……………………………………………………… 25 4.1 Giới thiệu màng mỏng TiO2 ……………………………………….25 4.2 Quy trình chế tạo …………………………………………… 27 4.3 Kết … ……………………………………………………… 28 3.4 Kết luận… ………………………………………………………….31 KẾT LUẬN ……………………………………………………………… 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………34 39 [...]... phún xạ không phải là phương pháp tiết kiệm năng lượng - Bia thường là rất khó chế tạo và đắt tiền - Khó khống chế thành phần màng chế tạo theo mong muốn, dễ nhiễm tạp chất và không thể tạo được màng đơn tinh thể Qua đề tài này em đã nắm bắt được phương pháp chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp phún xạ magnetron rf Kết quả cho thấy màng có độ mịn và độ truyền qua cao thích hợp cho việc ứng dụng màng vào... 4.7), chúng ta nhận thấy màng TiO2 được chế tạo bằng phương pháp phún xạ rf có độ truyền qua khá cao khoảng 90% Từ phổ truyền qua giao thoa của màng, dùng phương pháp Swanapole ta có thể tính được bề dày và chiết suất của màng Khi tính chiết suất của màng tại bước sóng 550 nm, màng TiO2 tạo bằng phương pháp phún xạ RF có chiết suất là 2,48 Màng TiO2 trong suốt, chứng tỏ màng tạo ra có hợp thức O2 cao... dụng màng vào các ứng dụng quang học 35 KẾT LUẬN Phương pháp phún xạ magnetron rf có thể được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo màng mỏng do nó có các ưu điểm sau: - Có thể phún xạ được tất cả các laoị vật liệu: dẫn điện, cách điện, đơn chất, hợp chất - Có thể đặt bia theo nhiều hướng, trong nhiều trường hợp có thể dùng bia diện tích lớn, do đó bia là nguồn “bốc bay ” rất lớn Dễ dàng chế tạo các màng. .. hợp thức trong màng phù hợp với cấu trúc của từng chất Cách thứ hai là chế tạo hai hoặc ba bia là các oxit, sử dụng phương pháp đồng phún xạ từ hai hoặc ba bia đó để nhận màng có hợp thức và cấu trúc mong muốn Cuối cùng, có thể nhận thấy rằng, phương pháp phún xạ magnetron còn được ứng dụng để chế tạo nhiều chủng loại vật liệu khác mà phương pháp bốc bay không thực hiện được Các vật liệu màng mỏng oxit... nhiều phương pháp khác nhau chế tạo màng TiO2 như phương pháp sol-gel, phương pháp hóa học, phương pháp lắng đọng xung lazer, … nhưng phương pháp phún xạ rf đưa ra hiệu quả tốt hơn Sơ đồ hoạt động: Hình 4.1: Sơ đồ phún xạ rf Nguồn phát sinh tần số cao được sử dụng để tạo trường điện từ, thường là 13,56 MHz Khi tín hiệu xoay chiều được áp vào catốt, plasma hoạt 29 động như bộ phân chỉnh lưu và sinh ra... Nhiễu xạ tia X của màng mỏng thường cho các đỉnh không sắc nhọn như trong trường hợp tinh thể khối, còn màng mỏng cấu trúc nanô cho các đỉnh tương đối tù với cường độ nhiễu xạ không lớn 28 Chƣơng 4 CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TIO2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF 4.1 Giới thiệu màng mỏng TiO2 Màng TiO2 được sự quan tâm rất lớn bởi các nhà khoa học trên thế giới do khẳ năng ứng dụng của nó rất phong phú trong. .. trúc tinh thể anatase và rutile khi màng được nung ở nhiệt độ cao 30 4.2 Quy trình chế tạo Màng TiO2 được tạo bằng phương pháp phún xạ RF, từ bia gốm TiO2 (độ tinh khiết khoảng 99%), bia gốm được chế tạo từ bột TiO2 tinh khiết và nung tới nhiệt độ 1400 0C trong vòng 3 giờ Màng được tạo trong hỗn hợp khí O2/Ar (tỉ lệ khí O2 là 2%) để bổ sung hợp thức O2 cho màng, áp suất khi phún xạ là 3x10-3 torr Đế... nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn nhiều so với phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không - Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa nên dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên phương pháp phún xạ magnetron rf cũng có một số các hạn chế sau: - Tốc độ phún xạ nhỏ, hiệu suất thấp cho nên phún. .. được chế tạo dễ dàng bằng cách phún xạ kim loại tương ứng trong khí argon trộn ôxy hoặc nitơ - gọi là phún xạ phản ứng Thiết bị phún xạ hiện đại được tự động hóa cao, cho nên quá trình lắng đọng màng mỏng có thể khống chế chính xác hơn Hầu hết các thiết bị đều có từ hai đến ba nguồn phún xạ (hai đến ba bia), nhờ đó có thể thực hiện phún xạ đồng thời nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra các màng mỏng. .. phún xạ cao Thí dụ trong phương pháp hiển vi điện tử (SEM và TEM) người ta thường phủ lớp vàng 14 hay platin rất mỏng lên bề mặt mẫu cách điện (để dẫn điện tử xuống catốt) Lớp vàng này được lắng đọng trong buồng phún xạ mà chân không được hút bằng hệ bơm của thiết bị kính hiển vi Các bia vàng hay platin sử dụng được rất lâu, bởi vì mỗi lần phún xạ chúng chỉ bị tẩy đi một lớp dày vài chục nanômét Màng mỏng ... vài phương pháp chế tạo màng mỏng - Các bước chế tạo màng mỏng phún xạ rf - Chế tạo màng mỏng TiO2 phún xạ rf Phạm vi nghiên cứu Phương pháp phún xạ magnetron rf: ưu điểm, nhược điểm phương pháp. .. xạ rf phương pháp sử dụng phổ biến công nghệ chế tạo màng mỏng bán dẫn có nhiều ưu điểm Mục đích chọn đề tài - Tìm hiểu phương pháp phún xạ - Công nghệ chế tạo màng mỏng phương pháp phún xạ rf. .. Phương pháp phún xạ magnetron rf ứng dụng công nghệ chế tạo màng mỏng bán dẫn làm đề tài nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, em chủ yếu tập trung vào phương pháp chế tạo màng mỏng bán dẫn phún