Nguồn ion hiệu ứng Hall đã đ−ợc sử dụng ở Mỹ vào cuối những năm 1980 trong công nghệ màng mỏng và xử lí bề mặt [25]. Do có dòng ion lớn, năng l−ợng ion nhỏ, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, kết cấu chắc chắn, nên nguồn ion hiệu ứng Hall đã đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nguồn ion hiệu ứng Hall đ−ợc phát triển để khắc phục hạn chế về mật độ dòng ion thấp của các nguồn ion có l−ới. Trong nguồn ion hiệu ứng Hall, hiệu điện thế dùng để gia tốc các ion đ−ợc tạo ra nhờ sự kết hợp của dòng điện tử với từ tr−ờng. Quá trình này tạo ra dòng điện hiệu ứng Hall trong vùng gia tốc. Nhờ cơ chế gia tốc này, mật độ dòng ion (đặc biệt là các ion năng l−ợng thấp) lớn hơn nhiều so với mật độ dòng ion của các nguồn có l−ới.
Hiện nay có hai cấu hình phổ biến của nguồn ion hiệu ứng Hall. Kiểu End- Hall [25], và Kiểu Closed-Drift [26]. Trên cơ sở hai cấu hình cơ bản này, các nhà chế tạo có nhiều biến thể nhằm đạt các tính năng hoặc tham số hoạt động cụ thể.
a. Nguyên lí hoạt động của nguồn ion End-Hall Trên hình 1.11 là mặt cắt của
nguồn ion kiểu End-Hall, hình 1.12 là sơ đồ mạch điện cung cấp cho nguồn ion này. Phát xạ điện tử từ cathode đ−ợc điều khiển bởi nguồn điện cấp cho cathode. Điện thế anode đ−ợc xác định bởi dòng điện anode, c−ờng độ từ tr−ờng, và l−u l−ợng khí cấp cho nguồn ịon. Nam châm điện thể hiện trên hình 1.11 có thể thay thế bằng nam châm vĩnh cửu, khi đó có thể bớt đi một nguồn điện cấp cho nam châm này.
Hình 1.11. Cấu tạo nguồn ion kiểu End-Hall
Hình 1.12.Sơ đồ mạch điện của nguồn ion kiểu End-Hall
Các quá trình xảy ra trong nguồn ion End-Hall đ−ợc mô tả trên hình 1.13. Nguyên tử hoặc phân tử khí công tác (1) đi vào nguồn ion qua lối vào. Các điện tử (2) phát ra từ cathode chuyển động theo quĩ đạo xoáy trôn ốc dọc theo đ−ờng sức từ tr−ờng (3) đi ng−ợc trở lại vùng phóng điện giới hạn bởi anode, tại đó điện tử va chạm với các nguyên tử hay phân tử khí công tác (4). Một trong số các va chạm này sẽ làm ion hoá khí, nói cách khác là tạo ra các ion mới (5). Tập hợp các điện tử và ion trong vùng phóng điện tạo thành plasma. Mật độ các nguyên tử hay phân tử khí trung hoà giảm nhanh khi rời xa anode (về phía cathode), do vậy hầu hết va chạm ion hoá xảy ra với các phần tử trung hoà xảy ra trong vùng anode.
Các ion vừa tạo ra đ−ợc gia tốc theo hai h−ớng: về phía trục của nguồn ion và dọc theo trục về h−ớng cathode. Thành phần vận tốc về phía trục có thể làm cho ion chuyển động cắt ngang trục, nh−ng bị phản xạ ng−ợc trở lại do điện thế d ơng ở − phía đối diện của trục. Tuỳ thuộc vào vị trí ion đ−ợc tạo ra mà nó có thể chuyển động cắt ngang trục không d−ới một lần tr ớc khi rời khỏi nguồn ion. Vì vậy các ion −
(6) rời khỏi nguồn ion theo những quĩ đạo khác nhau, làm cho chùm ion tạo ra có độ phân kì nhất định. Điện tích không gian mang giá trị d−ơng của chùm ion đ−ợc trung hoà bởi các điện tử (7) phát ra từ cathode.
b. Phân bố năng l−ợng ion của nguồn End-Hall
Các ion tạo ra bởi plasma trong buồng phóng điện và đ−ợc gia tốc hợp thành chùm tia ion. Điện thế tại các điểm khác nhau của plasma khác nhau đáng kể. Vì vậy tuỳ thuộc vào vị trí đ−ợc tạo ra, các ion trong chùm tia ion có động năng khác nhau. Kết quả là chùm tia ion chứa các ion có năng l−ợng phân bố trên một khoảng phổ năng l−ợng rộng. Phổ phân bố năng l−ợng của các ion đ−ợc đo bằng đầu dò
Hình 1.14. Kết quả đo phổ năng l−ợng của ion bằng đầu dò Faraday cup [27].
Faradaycup. Trên hình 1.14 là kết quả khảo sát phổ năng l−ợng của một nguồn ion hoạt động tại hai chế độ khác nhau [27]. Đ−ờng A ứng với nguồn ion hoạt động ở điện áp anode thấp, phần lớn ion có năng l−ợng ở khoảng 75eV, đây là chế độ th−ờng sử dụng. Khi điện áp anode nâng cao, đ−ờng B, có thể xuất hiện hai nhóm ion có năng l−ợng khoảng 50eV và khoảng 150eV.
Trong thực tế, giá trị năng l−ợng trung bình của ion đ ợc quan tâm hơn. Theo − nhiều tác giả [27], [48], đối với nguồn ion kiểu End-Hall năng l−ợng trung bình của ion có giá trị khoảng 40-70% giá trị điện áp anode. Năng l−ợng trung bình của ion thay đổi rất ít theo giá trị dòng điện anode.
Kết luận ch−ơng
1. Các tính chất quang học của hệ màng mỏng quang học (hệ số phản xạ, hệ số truyền qua) phụ thuộc vào chiết suất của các lớp màng mỏng. Do sự hấp thụ hơi n−ớc trong vi cấu trúc màng, chiết suất của màng mỏng quang học có giá trị thăng giáng theo điều kiện môi tr−ờng (nhiệt độ và độ ẩm). Màng mỏng có mật độ xếp chặt càng cao thì chiết suất càng cao và độ thăng giáng của chiết suất càng nhỏ. Vì vậy nâng cao giá trị chiết suất của màng mỏng là h−ớng tiếp cận đ−ợc chúng tôi lựa chọn nhằm nâng cao độ ổn định thông số quang học của các hệ màng mỏng. 2. Giải pháp nâng cao chiết suất màng mỏng quang học bao gồm: sử dụng
ph−ơng pháp chế tạo màng mỏng quang học thích hợp và tối −u hoá thông số quá trình chế tạo màng. Trong luận án này, ph−ơng pháp chế tạo màng mỏng đ−ợc lựa chọn là Ph−ơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (ph−ơng pháp IAD). Ph−ơng pháp IAD phát huy đ−ợc các −u điểm của 2 nhóm ph−ơng pháp Bay hơi nhiệt và Phún xạ: Chiết suất màng có giá trị cao nhất; Tốc độ lắng đọng màng cao; Dễ dàng cải tạo thiết bị bay hơi nhiệt thành thiết bị công nghệ IAD; Cho phép nhận đ−ợc màng mỏng có chất l−ợng cao trên đế không gia nhiệt.
3. Trong ph−ơng pháp IAD, vi cấu trúc của màng mỏng đ−ợc biến đổi nhờ quá trình bắn phá màng mỏng đang hình thành bởi các ion mang năng
l−ợng thấp. Quá trình bắn phá bởi các ion làm tăng c−ờng chuyển động nhiệt và dồn nén do va chạm các nguyên tử lắng đọng. Kết quả là mật độ xếp chặt của màng mỏng đ−ợc tăng lên. Có 2 thông số chính quyết định kết quả của quá trình IAD [45], [46] là: năng l−ợng của ion bắn phá và tỉ số giữa số l−ợng ion bắn phá trên số nguyên tử lắng đọng. Đây là 2 thông số đ−ợc chúng tôi lựa chọn nhằm tối −u giá trị chiết suất của màng mỏng chế tạo bằng ph−ơng pháp IAD.
4. Các ion dùng cho quá trình IAD có thể là ion oxy hoặc ion khí trơ. Nguồn ion dùng cho quá trình IAD phải có khả năng hoạt động lâu dài với khí oxy; tạo ra các chùm ion có năng l−ợng trong khoảng 10-300eV với dòng ion lớn. Trong số các nguồn ion th−ơng mại đáp ứng tốt các yêu cầu này có: nguồn ion hiệu ứng End-Hall loại MarkII hoặc nguồn ion CC-105.
Ch−ơng 2
Xây dựng thiết bị nghiên cứu ph−ơng pháp IAD
Những kiến thức cơ sở trình bày trong ch−ơng I là định h−ớng quan trọng giúp lựa chọn cấu hình và lựa chọn tính năng kĩ thuật phù hợp của các thiết bị cấu thành thiết bị IAD. Thiết bị IAD thử nghiệm đ−ợc xây dựng cần phù hợp với điều kiện kinh tế-kĩ thuật của Việt nam. Thiết bị phải có đủ các tính năng cần thiết của quá trình IAD, và cho phép sản xuất loạt nhỏ một cách tin cậy. Ch−ơng 2 sẽ tập trung trình bày các phân tích lựa chọn thiết bị và tính năng kĩ thuật của các thiết bị đ−ợc lựa chọn. Để thiết bị thử nghiệm đáp ứng yêu cầu của quá trình IAD, cần có một số nghiên cứu khảo sát các tính năng cơ bản của nó. Các nghiên cứu này sẽ đ−ợc trình bày ở phần cuối của ch−ong 2.
2.1. Thiết bị IAD thử nghiệm
Buồng công tác của thiết bị IAD thử nghiệm (hình 2.1) bao gồm: buồng chân không, nguồn bốc hơi vật liệu, nguồn ion và thiết bị đo chiều dày màng mỏng. Tính năng kĩ thuật của các thiết bị cấu thành vừa trình bày có quan hệ t−ơng hỗ với nhau .áp suất khí d− trong buồng chân không phụ thuộc vào tốc độ hút của hệ bơm chân không, kích th−ớc của buồng chân không, và phụ thuộc vào l−u l−ợng khí oxy liên tục chảy qua nguồn ion trong quá trình hoạt động. Đồng thời áp suất khí d− trong buồng chân không lại ảnh h−ởng quyết định đến các thông số chủ yếu của nguồn ion (năng l−ợng của ion, mật độ dòng ion), qua đó ảnh h−ởng đến tính chất của màng mỏng lắng đọng bởi quá trình IAD. Nếu hệ bơm chân không có tốc độ hút quá thấp, thì với l−u l−ợng khí nhất định cấp cho nguồn ion, áp suất trong buồng chân không sẽ tăng cao quá mức cho phép. Sự tăng áp suất quá mức, không chỉ ảnh h−ởng tới tính chất của màng mỏng, mà còn có thể v−ợt ng ỡng cho phép của nguồn − bốc hơi chùm tia điện tử. Nguồn bốc hơi chùm tia điện tử chỉ có thể hoạt động ổn đinh khi áp suất khí d− trong buồng công tác ở mức d ới 6. 10− -4Torr.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lí thiết bị IAD thử nghiệm