Phương pháp phún xạ magnetron và một số phép đo xác định tính chất màng

23 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC VÀ MỘT SỐ PHÉP ĐO XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA MÀNG Có nhiều phương pháp tạo màng mỏng, phương pháp có đặc thù riêng màng tạo có tính chất khác Tuy nhiên, người ta ý nhiều đến phương pháp ngưng tụ hoá học CVD (chemical vapour deposition) phương pháp ngưng tụ vật lý PVD (physical vapour deposition) Trong phương pháp ngưng tụ vật lý PVD phương pháp phún xạ magnetron DC RF hai phương pháp nhà khoa học sử dụng phổ biến phòng thí nghiệm giới nước ta Phương pháp phún xạ magnetron có ưu điểm như: nhiệt độ đế thấp, tạo màng nhiệt độ phòng, độ bám dính màng đế tốt, vận tốc phủ màng cao, đồng cao độ dày màng, mật độ màng gần với mật độ khối, dễ dàng điều khiển độ lặp lại cao trình chế tạo màng, phương pháp có chi phí khơng cao; có khả phủ màng diện tích rộng [17] Ngồi ra, phún xạ phản ứng hỗn hợp khí, nhiều hợp chất phủ từ vật liệu đơn chất [14, 16] Với ưu điểm trên, luận văn chọn phương pháp đồng phún xạ magnetron DC để chế tạo màng ZnO:V Tất mẫu làm từ hệ chân khơng phòng thí nghiệm Quang – Quang phổ thuộc Bộ môn Vật lý ứng dụng – Khoa Vật lý & Vật lý Kỹ thuật, Trường đại học khoa học tự nhiên Tp Hồ Chí Minh 2.1 Phương pháp phún xạ magnetron DC 2.1.1 Hệ magnetron phẳng Bộ phận hệ phún xạ magnetron phẳng hệ nam châm bố trí khép kín để tạo bẫy từ Bẫy từ có tác dụng nhốt electron bắt chúng chuyển động theo “trường đua” nhằm tăng quãng đường chuyển động chúng lên gấp nhiều lần so với khoảng cách hai điện cực, qua Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng 24 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng làm tăng khả ion hóa chất khí * Mơ tả hệ phún xạ Hình 2.1 Hệ magnetron phẳng + Hệ phún xạ magnetron phẳng diode phẳng, từ trường phối hợp với bề mặt catốt để tạo thành bẫy điện tử Bẫy cần phải có dạng thích hợp để dòng điện tử tự khép + Vật liệu cần phủ dùng để phún xạ kim loại Toàn bia, giải nhiệt tạo thành tổ hợp catốt + Từ trường thành lập vòng nam châm bên bao quanh đối cực với nam châm Chúng nối từ với sắt Bằng cách bố trí thích hợp ta thu giá trị khác cường độ từ trường mặt bia [5, 17] * Nguyên lý hoạt động Khi âm áp vào hệ bia (catốt) đế vật liệu phủ ® (anốt) sinh điện trường E làm định hướng truyền lượng cho hạt mang điện có hệ Những điện tử ion tạo thành thác lũ điện tử, ion đập vào catốt (bia) giải phóng điện tử thứ cấp, điện tử ® gia tốc trong điện trường E đồng thời bị tác động từ trường ngang ® B, từ trường giữ điện tử gần catốt theo quỹ đạo xoắn trôn ốc, chiều dài quãng đường điện tử tăng lên nhiều lần trước Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng Luận văn thạc sĩ Vật lý 25 GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng đến anốt (đế) Trong trình chuyển động, điện tử va chạm với nguyên tử hay phân tử khí tạo ion (sự ion hóa), ion gia tốc đến bia làm phát xạ điện tử thứ cấp dẫn làm cho nồng độ điện tử tăng lên Khi số điện tử sản sinh số điện tử trình tái hợp lúc phóng điện tự trì Lúc này, khí phát sáng bề mặt bia, phóng điện giảm dòng tăng nhanh Những điện tử lượng cao sinh nhiều ion ion lượng cao đập vào bia làm phún xạ vật liệu bia xạ điện tử thứ cấp để tiếp tục trì phóng điện Lúc tăng nhỏ dòng tăng đáng kể Chuyển động điện tử trường hợp mô tả tốn tìm quỹ đạo chuyển động điện tử điện từ trường vng góc [5, 17] * Đặc trưng riêng phún xạ Hình 2.2 Sự phân bố phóng điện khí Theo lý thuyết phóng điện khí, phân bố magnetron phẳng chia làm vùng: · Vùng sụt catốt (vùng I) có điện trường lớn Trong vùng điện tử thứ cấp sinh từ catốt điện trường gia tốc để vào vùng ion hóa theo hướng trực giao với · Vùng ion hóa (vùng II) có điện trường bé Trong vùng này, điện tử va chạm với phân tử khí, ion hóa chất khí, lượng Các ion sinh q trình ion hóa gia tốc vùng sụt catốt thực Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng Luận văn thạc sĩ Vật lý 26 GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng chức phún xạ · Vùng plasma (vùng III): điện trường vùng bé 2.1.2 Hệ magnetron không cân Nam châm có cường độ khơng đủ mạnh để kéo vào tất đường sức phát từ nam châm vòng ngồi bao quanh Chính thế, vài đường sức khơng kéo vào, lượn uốn cong ngồi hướng vào đế Các điện tử dịch chuyển đường sức không bị tác động từ trường ngang nên di chuyển hướng đế Khi di chuyển kéo theo ion gọi tượng khuếch tán lưỡng cực, tượng làm tăng mật độ dòng ion đến đế Năng lượng bắn phá đế tăng lên tuỳ vào phân cực âm đế, đế đốt nóng Như vậy, đế cấp nhiệt cách liên tục, bắn phá ion, thích hợp cho việc tổng hợp màng nhiệt độ cao Hình 2.3 Hệ magnetron không cân 2.1.3 Phún xạ phản ứng Phún xạ phản ứng phún xạ bia kim loại mơi trường có khí hoạt tính O2, N2, N2O… Màng tạo hợp chất hạt phún xạ khí hoạt tính Q trình phún xạ plasma, ngun tử khí trung hòa va chạm Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng 27 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng với điện tử biến thành chất khí có hoạt tính cao (khả tương tác hóa học lớn), khí hoạt tính phản ứng với hạt phún xạ trường hợp: bia, đế, môi trường plasma Trong đó, phản ứng tạo thành hợp chất chủ yếu xảy bia đế, mơi trường plasma xảy có giới hạn định luật bảo toàn xung lượng Hạn chế trình phún xạ phản ứng tốc độ hình thành màng thấp hồ quang Tốc độ hình thành màng thấp giải thích lượng liên kết hợp chất cao nên hiệu suất phún xạ hợp chất thấp Còn hồ quang kiểm sốt phún xạ RF, phún xạ RF ion bắn phá bề mặt bia suốt chu kì chu kì kế, nên điện tử trung hòa với điện tích vừa thành lập [14, 16] 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phún xạ Khi lượng ion nhỏ, trình phún xạ xảy va chạm ion với nguyên tử nằm lớp bề mặt bia Vì xác suất va chạm với nguyên tử gần bề mặt tỉ lệ nghịch với quãng đường tự trung bình λ(E) ion kim loại, lượng mà ion trao cho nguyên tử va chạm tỉ lệ với Emax, với Emax = 4mM E ( m + M )2 (2.1) Nên ta viết: N= K mM E l ( E ) (m + M ) (2.2) Trong đó: N: hệ số phún xạ K: số phụ thuộc vào đặc trưng kim loại λ(E): quãng đường tự trung bình ion kim loại, xác định: l = pR n0 n0: số nguyên tử có đơn vị thể tích Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng (2.3) 28 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng R: khoảng cách gần hai hạt q trình va chạm (bán kính va chạm) M, m: khối lượng nguyên tử va chạm ion Bán kính R xác định từ biểu thức: M Z1Z2e2 R E' = E= exp( ) m+ M R a (2.4) E’: lượng ion trao cho nguyên tử trình va chạm Z1, Z2: số điện tích ion nguyên tử kim loại a*: bán kính chắn hạt nhân ( bán kính Bohr) Từ đó, ta nhận thấy rằng: - Hệ số phún xạ tỷ lệ với đại lượng m.M(m+M)2, lớn m = M - Với cặp ion – kim loại cho trước, N tăng lượng ion tăng, tiến dần đến giá trị bão hòa Giá trị lượng tương ứng với giá trị bão hòa nhỏ ion có khối lượng nhỏ - Biết giá trị tới hạn cặp ion – kim loại loại cho phép ta lựa chọn khí trơ cho tương ứng với kim loại dùng làm bia để có hiệu suất phún xạ lớn [5] 2.2 Các phương pháp đo 2.2.1 Xác định độ truyền qua màng thiết bị V – 530 UVvis spectrophotometer Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng 29 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng Đầu thu Mẫu Đèn Bộ khuếch đại Máy đo phổ Máy tính Thấu kính Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ đo truyền qua Phương pháp đo phổ truyền qua sử dụng để xác định tính suốt màng mỏng Nếu màng mỏng có độ truyền qua vùng ánh sáng khả kiến 80% xem suốt vùng Ngồi từ phổ truyền qua tính độ rộng vùng cấm quang, chiết suất, hệ số hấp thu màng Sơ đồ khối hệ đo truyền qua mơ tả hình 2.5 Hệ số hấp thu a tính theo phương trình sau: ổ1ử ln ỗ ữ T a= ố ứ d (2.5) Trong đó: T độ truyền qua d bề dày màng Đối với bán dẫn chuyển mức thẳng độ rộng vùng cấm quang phụ thuộc vào hệ số hấp thu theo phương trình: (a hn ) = A ( hn - Eg ) (2.6) Trong A, Eg, hn số, độ rộng vùng cấm quang lượng photon tương ứng Giá trị Eg xác định cách vẽ đường cong (ahn)2 theo lượng photon hn ngoại suy tuyến tính từ đường cong theo trục hn Độ truyền qua phụ thuộc vào bề dày hệ số hấp thu màng tính theo cơng thức: T = (1 - R)2 exp(-a d ) Trong đó: T độ truyền qua Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng a hệ số hấp thu (2.7) 30 Luận văn thạc sĩ Vật lý R độ phản xạ GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng d độ dày màng Chiết suất thông số quan trọng vật liệu quang ứng dụng Do việc xác định số quang chiết suất màng quan trọng Chiết suất màng xác định theo cơng thức (2.8) n= Trong đó: 1+ R + 1- R k = al/4p 4R (1 - R ) - k2 (2.8) hệ số tắt Hằng số điện môi định nghĩa e (w ) = e1 (w ) + ie (w ) , phần thực phần ảo số điện môi liên quan tới giá trị chiết suất n hệ số tắt k Các giá trị e1, e2 tính từ cơng thức (2.9): e (w ) = n (w ) - k (w ) ; e (w ) = 2n(w )k (w ) (2.9) 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp nhiễu xạ tia X sử dụng để xác định cấu trúc vật liệu Sự nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin mạng tinh thể chiều góc tới θ ≥ góc giới hạn θc, xác định tinh thể, phân biệt dạng kết tinh khác chất, biến thể Với phương pháp mẫu không bị phân huỷ, cần lượng nhỏ phân tích được, nên phương pháp dùng khảo sát cấu trúc màng mỏng Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để khảo sát màng mỏng phương pháp Bragg Theo công thức nhiễu xạ Bragg, chiếu chùm tia X có bước sóng λ lên tinh thể, nút mạng trở thành tâm nhiễu xạ Sự nhiễu xạ xảy theo phương mạnh theo phương phản xạ gương Ta xét họ mặt nguyên tử song song cách khoảng dhkl Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng 31 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng Định luật Bragg Điều kiện giao thoa: Công thức định luật Bragg Hình 2.5 Sự nhiễu xạ tia X mặt nguyên tử Giả sử chùm tới nằm mặt phẳng hình 2.5 Hiệu quang lộ tia phản xạ từ mặt lân cận bằng: 2dhklsinθ Sóng phản xạ từ mặt tăng cường hiệu quang lộ số nguyên lần bước sóng: 2d hkl sin q = ml (2.10) Công thức gọi công thức nhiễu xạ Bragg hay điều kiện nhiễu xạ Bragg Từ lập luận đơn giản ta thấy công thức Bragg hệ tính chất tinh thể tính tuần hồn khơng liên quan đến thành phần hố học tinh thể cách xếp nguyên tử mặt phản xạ Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chùm nhiễu xạ, thông số quan trọng phân tích định lượng * Xác định kích thước hạt Chọn màng có độ dày tương đối để tìm kích thước hạt màng Áp dụng công thức Scherrer [92] để tính kích thước hạt thơng qua phổ nhiễu xạ tia X: d= Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng l B2q cos(q max ) (2.11) 32 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng Trong đó: d kích thước hạt (nm) B2q độ bán rộng đỉnh cường độ vạch phổ (rad) θmax góc nhiễu xạ đỉnh phổ (rad) l bước sóng đặc trưng tia X sử dụng ( l = 1.5406 A o ) 2.2.3 Phương pháp Stylus Phương pháp Stylus phương pháp đo bề dày màng cách di chuyển cách xác đầu dò ghi theo chương trình làm sẵn quét chiều dài, tốc độ lực đầu dò Máy Stylus thiết bị có hệ nốt kết với hệ LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Khi bàn soi di chuyển mẫu, đầu dò lướt bề mặt mẫu Biến thiên bề mặt làm đầu dò dịch chuyển theo chiều thẳng đứng Tín hiệu đầu dò ghi nhận chuyển đến vị trí lõi LVTD Thang đo LVTD chuyển thành tín hiệu điện với độ xác cao tương ứng với thay đổi vị trí đầu dò, tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số Tín hiệu số q trình quét lưu lại nhớ máy tính cho việc biễu diễn, tính tốn, đo đạc in Chương trình nhớ máy đo Stylus (Dektal 6M) dễ dàng thay đổi để phù hợp với mục đích sử dụng thí nghiệm LVTD Điều kiện tín hiệu Mẫu Chuyển đổi A/D Bàn soi Bộ nhớ máy tính Hình 2.6 Sơ đồ khối máy đo Stylus 2.2.4 Phương pháp bốn mũi dò Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng 33 Luận văn thạc sĩ Vật lý A R V 1mm GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng Dòng thay đổi Đầu dò Mẫu Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp bốn mũi dò Điện trở suất ρ mẫu thơng số quan trọng, có liên hệ với độ dẫn mẫu hiệu ứng chiều đặc tính thiết bị Một phương pháp đơn giản để xác định ρ mà không phá hủy mẫu thường người ta dùng phương pháp bốn mũi dò Có bốn đầu nhọn kim loại tungsten (W) có khoảng cách dùng để tiếp xúc với bề mặt bán dẫn Dòng điện qua hai kim bên ngồi, hiệu điện đặt hai mũi kim bên Vì khơng có dòng điện (rất nhỏ) xun qua nên khơng có sai biệt hiệu điện đưa vào kim tiếp xúc Tuy nhiên, có giảm ngang chổ tiếp xúc kim bên đo dòng phạm vi vòng chỗ tiếp xúc kim Các đầu dò mang dòng (đầu dò bên ngoài) giống nguồn lưỡng cực, thiết lập trường phân bố bên mẫu đo Chúng ta phải đo điện khác hai đầu dò lân cận biến đổi điều kiện biên, từ suy biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện khác điện trở suất mẫu thông qua trường hợp sau: Trường hợp mẫu bán vô hạn, điện trở suất cho công thức r = ( 2ps) V I (2.12) Với s khoảng cách đầu dò Trong trường hợp màng hai chiều mỏng Ở dòng xem bị Học viên: Phùng Nguyễn Thái Hằng 34 Luận văn thạc sĩ Vật lý GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng giam hãm hoàn toàn lớp bề dày t, với t