THIẾT kế và lắp đặt từ TRƯỜNG bổ SUNG CHO hệ PHÚN xạ MAGNETRON PHẲNG

Từ trường bổ sung độc lập với từ trường sẵn có của hệ magnetron phẳng và được cài đặt trong vùng không gian hoạt độn của plasma phóng điện magnetron.. Ảnh hưởng của từ trường bổ sung lê

II-P-1.36

THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT TỪ TRƯỜNG BỔ SUNG CHO HỆ PHÚN XẠ MAGNETRON

PHẲNG

Lê Văn Ngọc, Lê Trương Kiều Oanh

Khoa Vật Lý-Vật Lý kỹ thuật, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh

Email:lvngoc@hcmus.edu.vn

TÓM TẮT

Trong công trình này, chúng tôi lắp đặt thêm một nam châm điện và thiết kế các từ cực để tạo từ trường bổ sung cho hệ phún xạ magnetron phẳng Từ trường bổ sung độc lập với từ trường sẵn có của hệ magnetron phẳng và được cài đặt trong vùng không gian hoạt độn của plasma phóng điện magnetron Chiều và cường độ của từ trường bổ sung có thể thay đổi được nhờ điều chỉnh chiều và

độ lớn của cường độ dòng điện qua nam châm điện Ảnh hưởng của từ trường bổ sung lên sự phóng điện và lên sự phân bố vùng plasma của hệ phún xạ magnetron đã được khảo sát Các ứng dụng tiềm năng dựa trên ảnh hưởng của từ trường bổ sung lên quá trình phún xạ sẽ được bàn luận xa hơn

Từ khóa: Phún xạ magnetron; magnetron phẳng; plasma

GIỚI THIỆU

Hiện nay, hướng nghiên cứu vật liệu màng mỏng là một trong những hướng nghiên cứu được nhiều phòng thí nghiệm trong ĐHQG TPHCM đã và đang tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Việc chế tạo màng mỏng bằng

kỹ thuật phún xạ magnetron cũng đã trở nên phổ biến và thông dụng Một trong những tiện lợi của phương pháp này là thiết bị phún xạ tạo màng có thể tự chế tạo tại phòng thí nghiệm một cách dể dàng và rẻ tiền Tuy nhiên, một vấn đề còn tồn tại của quá trình lắng đọng màng như là áp suất phóng điện ẩn xử lý bề mặt đế trước khi lắng đọng màng là khoảng cao hơn 5.10-2 torr, còn áp suất phóng điện phún xạ tạo màng thường thấp hơn 10-2 torr [1]

Sự khác biệt về hai giá trị áp suất của hai công đoạn trên đòi hỏi là ngay sau khi phóng điện làm sạch bề mặt đế,

ta phải hút chân không để giảm áp suất trong môi trường làm việc xuống đến giá trị cần thiết Việc phải thay đổi

áp suất này phát sinh hệ quả không mong muốn là trong thời gian đó khí còn lại trong buồng cũng kịp tạo các

cao Để giải quyết các tồn tại trên, công trình này nghiên cứu hổ trợ thêm cho hệ magnetron một từ trường ngoài được tạo bởi các nam châm điện Từ trường này có vai trò có thể tăng cường hoặc giảm bớt quá trình bẫy điện tử

thông qua điều chỉnh chiều và độ lớn cường độ dòng điện qua nam châm điện Sự ảnh hưởng của từ trường ngoài lên tính phóng điện magnetron cũng sẽ được khảo sát chi tiết

THỰC NGHIỆM

Trong công trình này, hệ magnetron phẳng được hổ trợ từ trường ngoài để làm thí nghiệm có kích thước 10cm x 10cm Các thành phần từ trường ngang song song với bề mặt bia phún xạ có độ lớn cảm ứng từ khoảng

60 mT và thành phần vuông góc với bề mặt bia tại tâm khoảng 90 mT Nam châm điện tạo ra từ trường trong lõi sắt non thiết diện 2cm x 2cm với cảm ứng từ có thể thay đổi nhờ thay đổi dòng điện qua nó từ -2A đến +2A Khoảng cách giữa hai từ cực của nam châm điện tạo từ trường ngoài khoảng 6cm và được bố trí theo sơ đồ như

một centimét Chiều dương của cảm ứng từ là chiều của đường sức từ trường và được chọn theo chiều hướng về phía cực Nam của nam châm vĩnh cửu tức là nam châm ở tâm của hệ magnetron phẳng

Sự ảnh hưởng của từ trường ngoài (do nam châm điện tạo ra) lên tính năng phóng điện của hệ magnetron

bề mặt bia phún xạ và được tạo ra nhờ một hiệu điện thế DC khoảng 500V đến 700V

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Để đánh giá được vai trò của từ trường bổ sung, trước tiên công trình này khảo sát cảm ứng từ tổng hợp

Các giá trị của cảm ứng từ tương ứng với chiều dương hướng vào cực Nam ở bề mặt của hệ magnetron phẳng

Trên hình 2b là đồ thị biểu diển các giá trị cảm ứng từ dọc theo trục đối xứng X1 của hệ magnetron Từ đồ thị này cho thấy, cảm ứng từ ở vùng lân cận nam châm vĩnh cửu, ở sát bề mặt bia có giá trị hầu như không đổi và không phụ thuộc vào nam châm điện Cảm ứng từ dọc theo trục này thay đổi chủ yếu ở vùng lân cận từ cực

này chỉ ra rằng từ dư trong lõi sắt non là không đáng kể và sự bão hòa từ trường trong lõi sắt chưa có dấu hiệu xảy ra

Một đặc điểm khá đặc biệt và đáng lưu ý đối với chiều từ trường hướng lên của nam châm điện ứng với các

triệt tiêu Điều này là một hạn chế rất lớn đối với khả năng bẫy những điện tử có xu hướng thoát ra ngoài theo

thuộc này là tuyến tính theo cường độ dòng điện qua nam châm điện và được thể hiện bởi các đường cong đồ thị

Các đường đồ thị nằm rất gần nhau và không thể hiện sự thay đổi đáng kể nào theo cường độ dòng điện qua nam châm điện

Từ các đường cong đồ thị biểu diễn cảm ứng từ trên ba trục như trên hình 2 cho thấy, từ trường do nam châm điện gây ra ảnh hưởng chủ yếu trong vùng lân cận từ cực thẳng và trên khoảng nối giữa hai từ cực Các phép khảo sát cảm ứng từ ở bên ngoài các cuộn dây nam châm điện cho thấy sự thất thoát từ trường ra vùng không gian này là không đáng kể Kết quả này chỉ ra rằng từ trở trong mạch từ tập trung chủ yếu trong khoảng

0





S

d

Rm (1)

ở đó μ0 = 4.10-7 H/m; S là thiết diện ngang của vùng có từ trường đi qua

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

1,0 A 1,5 A 0,5 A

-1,5 A -1,0 A -0,5 A

X1(cm)

0,0 A

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

1,5 A 1,0 A 0,5 A 0,0 A -0,5 A -1,0 A

X2 (cm)

-1,5 A

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60

(0,0 A) (-1,0 A) (-1,5 A) (1,0 A)

X3 (cm)

b)

Hình 2 Cảm ứng từ theo các phương vuông góc với các trục trong vùng phóng điện phún xạ của hệ

magnetron ứng với các dòng điện qua nam châm điện khác nhau a) các trục được chọn khảo sát; b)

Từ cực thẳng

Từ cực vòng

X3

Hệ magnetron phẳng

a)

Từ trường tại vị trí có tiết diện S là













0 )

) (







S

d S

NI SR

S

B

m

m m

với N và I là số vòng dây và cường độ dòng điện qua nam châm điện

Điều này cũng cho thấy thiết diện của lõi sắt cho phép tăng sức từ động của nam châm điện tức là tăng độ lớn của cảm ứng từ bổ sung, tạo thuận lợi cho việc tăng cường từ trường bổ sung cho hệ magnetron

Cùng với những nhận định trên, ảnh hưởng của từ trường bổ sung lên tính chất plasma phóng điện của hệ magnetron cũng đã được khảo sát Trên hình 3 là hình ảnh của sự phóng điện ứng với các dòng điện qua nam châm điện khác nhau theo hai chiều lần lượt là ±0,5A; ±1A và ±1,5A Hình ảnh trên cho thấy có sự ảnh hưởng của từ trường do nam châm điện tạo ra lên mật độ ion hóa hay cường độ phát sáng của vùng plasma Với áp suất

Khi tăng cường độ dòng điện qua nam châm từ -1,5A lên dần đến 1,5A, cường độ phát sáng của plasma cũng tăng dần từ chổ không phóng điện (-1,5A) đến sáng chói Như vậy, nam châm điện đã có thể làm tăng cường sự phóng điện và cũng có thể làm suy giảm thậm chí dập tắt sự phóng điện Hiện tượng này có thể lý giải dựa trên những thay đổi giá trị cảm ứng từ dọc theo trục đối xứng và trong khoảng nối giữa hai từ cực do nam châm điện gây ra Khi dòng điện qua nam châm điện là dương, sự phóng điện của hệ magnetron dựa vào quá trình bẫy điện tử do từ trường sẵn có song song với bề mặt bia phún xạ và thành phần bổ sung dọc theo trục đối xứng Điều này thể hiện rõ trên hình ảnh phát sáng của khối plasma Đặc biệt là khi tăng dòng qua nam châm từ 1A lên 1,5A, sự bẫy điện tử do từ trường dọc theo trục thẳng đứng được tăng cường, khối plasma co cụm sát vào trục đối xứng Khi đổi chiều dòng điện qua nam châm, từ trường ngược này có xu hướng làm suy giảm quá trình bẫy điện tử và có thể bị dập tắt do không thể tự duy trì plasma dòng phóng điện (I= -1,5A)

Tuy nhiên, khi áp suất làm việc đủ lớn, từ trường ngang của hệ magnetron đủ khả năng duy trì phóng điện,

từ trường bổ sung có chiều hướng lên từ cưc thẳng cũng chỉ có thể làm thay đổi hình ảnh plasma đến một mức

độ nhất định Chiều ngược lại của từ trường bổ sung cũng vẫn tăng cường sự phóng điện Vì vậy, khi cần tăng cường phóng điện ở áp suất thấp vói dòng phóng điện ngưỡng thấp thì việc đưa từ trường ngoài vào trong quá trình xử lý bề mặt đế bằng phóng điện khí plasma trước khi tạo màng là rất khả thi

KẾT LUẬN

Trong công trình này, chúng tôi đã tạo ra sự ảnh hưởng của từ trường ngoài lên tính phóng điện của hệ magnetron ở áp suất thấp Sự phóng điện xảy ra mạnh và cũng có thể bị dập tắt nhất là ở vùng tử cực nhờ điều chỉnh từ trường của nam châm điện Công trình này sẽ được tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào việc phóng điện

Hình 3 Sự phóng điện của hệ magnetron phẳng ứng với các giá trị cường độ dòng điện qua nam châm

điện khác nhau

-1,5A -1,0A

-0,5A

làm sạch bề mặt đế trước khi phún xạ lắng đọng màng cũng như nâng cao tính năng phóng điện phún xạ của hệ magnetron trong vùng áp suất thấp

DESIGNING AND INSTALLING THE ADDED MAGNETIC FIELD FOR THE PLANAR

MAGNETRON SPUTTERING

Le Van Ngoc, Le Truong Kieu Oanh

Department of Physics and Engineering Physics, University of Science of Ho Chi Minh City

Email:lvngoc@hcmus.edu.vn

ABSTRACT

In this paper, we installed an electrormagnet and designed the magnetic poles to add on a magnetic field to the planar magnetron sputtering The added magnetic field was created in the plasma region and was independent of origin magnetic field of the planar magnetron The direction and the intensity of the added magnetic field can be altered likely base on adjusting the direct and the value of the direct current of electromagnet The influences of the added magnetic field on the magnetron discharge and on the plasma region distribution of the planar magnetron sputtering were investigated The applied potentials base on the influence of added magnetic field on sputtering process will be discussed further

Keywords: Magnetron sputtering; planar magnetron; plasma

TÀI LIỆU THAM KHẢO

làm cảm biến nhiệt độ, Khóa luận tốt nghiệp 2013, Bộ môn Vật lý Ứng dụng, ĐHKHTN ĐHQG TPHCM

[2] Nguyễn Hửu Chí, Vật lý và kỹ thuật chân không , tủ sách ĐHKHTN ĐHQG TPHCM, 2008

[3] Nguyễn Hửu Chí, Vật lý Plasma (1998), tủ sách ĐHKHTN ĐHQG TPHCM

[4] Lê Trương Kiều Oanh, Thiết kế và lắp đặt từ trường ngoài cho hệ phún xạ magnetron phẳng, Khóa luận tốt nghiệp 2014, Bộ môn Vật lý Ứng dụng, ĐHKHTN ĐHQG TPHCM