1. Lý do chọn đề t ài
2.1.3. Phún xạ tạo màng
Thiết bị phún xạ catot
Hiện nay có rất nhiều phươngpháp được sử dụng đế chế tạo màng mỏng như bốc bay nhiệt, bốc bay laze xung.Trong khóa luận này, phương pháp phún xạ được sử dụng để chế tạo màng và cảm biến mạch cầu W heatstone dựa vào hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR).Ưu điểm của phương pháp phún xạ là dễ dàng chế tạo được màng với độ đồng đều cao. Đây là phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý, trong đó các nguyên tử, cụm nguyên tử được tạo ra bằng cách bắn phá ion .
Bản chất của quá trình chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot là dùng các ion năng lượng cao (phổ biến là Ar) bắn phá bề mặt bia rắn để tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion và lắng đọng lên trên đế, tạo màng. Năng lượng của các ion này không chỉ phụ thuộc vào điện tích, mức độ được gia tốc của nó trong điện trường mà còn phụ thuộc vào khối lượng của nó.Chính vì điều này nên không phải khí nào cũng có thể làm khí phún xạ được.
Đế
Hình 2.4. Nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot
Năng lượng của ion tới được chia làm hai phần cơ bản : Một phần để phân cắt các liên kết trên bề mặt bia vật liệu, tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion riêng rẽ; phần còn lại được truyền thành động năng cho các phần tử này tán xạ ngược và lắng đọng lên đế. Năng lượng của các ion tới phụ thuộc vào điện trường (cụ thể là thế đặt giữa hai điện cực). Năng lượng liên kết của bia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hóa học và trạng thái tồn tại của nó. Mối tương quan giữa hai đại lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả của quá trình lắng đọng.
Các thiết bị phún xạ (đều là phún xạ catot) vì quá trình phún xạ xảy ra trên bia vật liệu gắn lên cực âm. Các thiết bị khác nhau chủ yếu là liên quan đến nguồn cấp cho điện cực để duy trì dòng plasma trong quá trình phún xạ: Nguồn một chiều - DC (DC - sputtering), nguồn cao tầng - RF (RF - Sputtering), có hay không sự trợ giúp của từ trường (Mangetron), để tăng cường mật độ dòng plasma trên bề mặt bia vật liệu (Mangetron - Sputtering). Các thế hệ thiết bị phún xạ khác nhau chủ yếu ở mức độ tối ưu hóa cấu hình, mà quan trọng nhất là: Độ đồng nhất của màng, chân không cao nhất có thể đạt được, khả năng phối họp trở kháng, độ ổn định và độ phân giải của nguồn cấp.
Quá trình phún xạ tạo màng mỏng trong khóa luận này được thực hiện trên thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC.Hình 2.51à ảnh chụp thiết bị phún xạ catot ATC - 2000FC ở PTN Mircro & Nano Khoa Vật lý kĩ thuật-Trường đại học Công N ghệ.cấu tạo thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính: buồng phún xạ, buồng phụ, bảng điều khiển, hệ thông van bơm,hút chân không. Thiết bị này còn được ghép với hệ thống máy tính để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng tạo màng.
Chân không của buồng phún xạ (buồng chính) có thể đạt tới 10“ 8 Ton*, buồng phụ là 1 0 " 6 Torr.Nhờ có buồng phụ mà chân không buồng chính luôn được giữ ổn định quá trình phún xạ. Do đó, sự ổn định tính chất của mấu luôn được giữ trong các lần chế tạo khác nhau. Buồng chính có hệ thống bơm sơ cấp và thứ cấp giúp có thể đạt được chân không cao trong thời gian ngắn, hạn chế nhiều khả năng nhiễm bẩn buồng phún xạ.
Buồng phụ (buồng chân không đệm) là buồng trung gian, được sử dụng để vận chuyển mẫu vào và ra từ buồng chính.Giữa buồng chính và buồng phụ được ngăn cách bởi 1 cách ngăn.Trong quá trình chế tạo, đế được đưa vào buồng phụ trước, sau đó buồng phụ được hút chân không cho đến khi áp suất tại buồng phụ chênh lệnh khoảng 2 bậc (5 x l0 -5 Torr) so với buồng chính thì mới được mở vách ngăn và chuyển mẫu vào buồng chính.
Trong khóa luận này, chúng ta sử dụng các bia vật liệu NiFe, Ta, Cu với chiều dày từ 3-6mm, đường kính 2 inch. Các bia vật liệu Ta, Cu được phún xạ sử dụng nguồn DC, còn bia vật liệu từ NiFe được phún xạ sử dụng nguồn RF.
Hình 2.5. Thiết bị phún xạ catot
Hình 2.6.. Mặt nạ tạo màng điện trở
Phún xạ tạo màng điện trở : Khi đế được làm sạch và được gắn mặt nạ được cắt bằng máy laser như hình 2.2, được đưa vào trong thiết bị phún xạ để tạo thanh điện trở.
Trong quá trình phún xạ, mẫu được ghim trong từ trường 600 Oe (từ trường này dùng để tạo dị hướng cho cảm biến).Trong quá trình chế tạo, để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút. Màng có cấu trúc ba lớp Ta//Vi80F e20/Ta trong đó, lớp Ta dưới cùng đóng vai trò là lóp đệm, giúp N i80Fe20 bám dính tốt hơn. Lớp Ta trên cùng đóng vai trò lớp phủ bảo vệ cho lớp N i80Fe2 0
chống lại quá trình oxy hóa khi đặt ngoài không khí. Thông số của quá trình phún xạ tạo lớp điện trở được nêu ở bảng .
Bảng 2.2. Thông sổ quá trình phún xạ điện trở
Vật liệu Chân không cơ sở (Torr) Ap suât khí Ar (mTorr) Công suât phún (W) Vận tôc quay đế (prm) Chiêu dày màng (nm) Ta 2 X 10 -5 2,2 25 30 5 N ig0F e2 0 2 X 10 -5 2,2 75 30 5 Phún xạ tạo màng điện cực
Đe kết nối các thanh điện trở với nhau đế tạo thành mạch cầu W heatstone và tạo điện cực, các điện cực bằng Cu đã được chế tạo.Quy trình phún xạ giống như quá trình phún xạ tạo màng điện trở, điểm khác của quá trình này là chúng tôi sử dụng mặt nạ điện cực và phún xạ lớp vật liệu có cấu trúc Ta/Cu.
Trong đó, Ta là lớp vật liệu được sử dụng để tạo bám dính tốt cho lớp vật liệu Cu, Cu là lớp vật liệu có độ dẫn cao (= 58 X 106 s/m). Thông số phún xạ tạo điện cực được nêu ở bảng.
Hình 2.7. Mặt nạ tạo điện cực Bảng 2.3. Thông số phún xạ điện cực Vật liệu Chân không cơ sở (Torr) Ap suât khi Ar (mTorr) Công suât phún (W) Vận tôc quay đế (prm) Chiêu dày màng (nm) Ta 2 X 1 (T 5 2,2 25 30 5 Cu 2 X 10-5 2,2 30 30 15 24
Hình 2.8. Cảm biến đã được đóng gói