Lựa chọn ph−ơng pháp chế tạo màng mỏng

Lựa chọn ph−ơng pháp chế tạo nâng cao chiết suất của màng mỏng căn cứ vào các điểm sau:

• Khả năng nâng cao chiết suất của màng mỏng quang học. Màng mỏng nhận đ−ợc bằng ph−ơng pháp bay hơi nhiệt có chiết suất thấp hơn so với nhóm ph−ơng pháp phún xạ [8].

• Tốc độ lắng đọng màng. Ph−ơng pháp bay hơi nhiệt cho tốc độ lắng đọng màng cao hơn nhiều so với nhóm ph−ơng pháp phún xạ [8].

• Vật liệu tạo màng. Ph−ơng pháp bay hơi nhiệt th ờng sử dụng vật liệu rời − dạng hạt hay bột, có giá thành thấp hơn nhiều so với giá thành của bia phún xạ. Ph−ơng pháp phún xạ phải sử dụng vật liệu tạo màng d−ới dạng tấm, giá thành cao. Hiệu quả sử dụng vật liệu bia của ph−ơng pháp phún xạ magnetron phản ứng chỉ đạt 30-40% [8].

• Cho phép hạn chế sự tăng nhiệt độ đế.nhằm nâng cao năng suất và khả năng chế tạo màng mỏng trên đế plastic. Đa số các ph−ơng pháp phún xạ gây tải nhiệt lớn đối với đế. Đối với ph−ơng pháp bay hơi nhiệt, gia nhiệt đế

là yêu cầu bắt buộc để nhận đ−ợc màng mỏng có tính chất quang học phù hợp.

Ph−ơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (ph−ơng pháp IAD) (chi tiết xem mục 1.5) là giải pháp công nghệ cho phép phát huy −u điểm của cả hai nhóm ph−ơng pháp bay hơi nhiệt và phún xạ. Các −u điểm của ph−ơng pháp IAD là:

• Có thể nhanh chóng cải tạo các thiết bị bay hơi nhiệt thành thiết bị chế tạo màng mỏng bằng ph−ơng pháp IAD với việc tích hợp một nguồn ion thích hợp vào trong buồng chân không.

• Cho phép chế tạo màng mỏng quang học có chiết suất t−ơng đ ơng nhóm − ph−ơng pháp phún xạ.

• Tốc độ lắng đọng màng t−ơng đ ơng với ph ơng pháp bay hơi nhiệt. − − • Hiệu quả sử dụng vật liệu cao nh− với ph ơng pháp bay hơi nhiệt. −

• Có thể chế tạo màng mỏng có chất l−ợng quang học cao trên đế không gia nhiệt.

1.5. Ph−ơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD).

1.5.1. Cơ sở của ph−ơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion.

Ph−ơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD - Ion Assisted Deposition) là ph−ơng pháp lắng đọng màng thực hiện trong chân không kết hợp đồng thời với bắn phá màng mỏng bằng các ion khí phát ra từ nguồn ion.

Ph−ơng pháp IAD dựa trên cơ sở của quá trình làm biến đổi cấu trúc màng mỏng bằng bắn phá ion. Nhiều công trình nghiên cứu [71], [15], [18], [36], [10] cho thấy bắn phá bằng các ion làm biến đổi sâu sắc cấu trúc và tính chất của màng mỏng. Trong số các biến đổi về mặt vật lí có: thay đổi kích th−ớc hạt, mức độ hay góc định h−ớng cấu trúc, thay đổi mật độ khối l−ợng, ứng suất của màng...Các biến đổi có thể bao gồm cả sự thay đổi về mặt hoá học và thành phần, hoặc hình thành hợp chất mới hay sự kết hợp các phân tử khí vào màng mỏng. Sự bắn phá bởi ion trong quá trình lắng đọng màng có thể quan sát thấy ở hầu hết các ph−ơng pháp tạo màng có sự tham gia của plasma, chẳng hạn nh− phún xạ magnetron hay phún xạ cao tần. Trong ph−ơng pháp IAD ion bắn phá đ−ợc phát tra từ nguồn ion độc lập.

Tác động của quá trình IAD đối với việc nâng cao mật độ xếp chặt của màng mỏng đã đ−ợc giải thích bằng các công trình của Muller [45], [46]. Muller cho rằng: Khi ion với năng l−ợng vài trăm eV bắn vào bề mặt của màng t−ơng đối xốp, nó có thể xuyên sâu vào vật liệu tới chiều sâu khoảng vài lớp nguyên tử. Va chạm trên đ−ờng di chuyển của ion có thể tạo ra các phonon, tạo các chỗ khuyết trong màng, làm phún xạ các nguyên tử hay kích thích các điện tử. Các ion có thể bị bật ng−ợc trở lại hay kết hợp vào màng, trong khi đó các nguyên tử bị bắn trúng có thể bật ra khỏi màng mỏng (bị phún xạ) hay bị đẩy sâu hơn vào trong lớp màng, tại đó chúng bị nằm kẹt lại tại các khoảng rỗng. Các chỗ khuyết gần bề mặt màng mỏng, hình thành do sự bắn phá bởi ion, sẽ đ−ợc lấp đầy một phần bởi các nguyên tử mới lắng đọng từ pha hơi. Nếu số l−ợng ion bắn phá đủ lớn so với số nguyên tử lắng đọng thì cơ chế này sẽ khiến các nguyên tử vật liệu đ−ợc xếp lèn chặt tới mức cấu trúc cột rỗng không thể phát triển đ−ợc nữa.

Hình 1.7. D−ới tác động bắn phá của ion oxy có năng l−ợng 600eV

mật độ của màng ZrO2 thay đổi theo tỉ số giữa số ion bắn

Lí thuyết của Muller cho các kết quả khá phù hợp với các số liệu thực nghiệm (hình 1.7). Đoạn bão hoà của đ−ờng cong thực nghiệm trên hình 1.7 cho thấy mật độ nguyên tử đã đạt tới mức bão hoà và màng mỏng không thể nén chặt đ−ợc hơn nữa do lực đẩy giữa các nguyên tử của màng mỏng.

Trong một công trình khác, Muller [46]đã nghiên cứu mô phỏng quá trình IAD lắng đọng màng mỏng CeO2 với các mức năng l−ợng khác nhau của ion oxy. Quan hệ giữa năng l−ợng ion oxy và mật độ của màng CeO2 đ−ợc biểu diễn trên hình 1.8. Kết quả tính toán phù hợp với nhận định quan trọng thu đ−ợc từ thực nghiệm rằng: mức độ xếp chặt của màng

mỏng đạt giá trị cực đại ứng với năng l−ợng của ion oxy khoảng 150eV, nếu tiếp tục tăng năng l−ợng lên trên mức này thì mật độ màng lại giảm xuống. Với năng l−ợng lớn trên 150eV, ion có thể tạo ra những chỗ trống ở sâu d−ới bề mặt màng không thể lấp đầy bởi các nguyên tử mới lắng đọng.

Độ sâu của lớp bề mặt có thể điền đầy bởi các nguyên tử mới lắng đọng là trong khoảng 1ữ2 lần kích th−ớc nguyên tử.

Từ kết quả nghiên cứu của Muller, chúng tôi nhận

thấy rằng để tối −u hoá thông số quá trình IAD cần phải điều khiển đ−ợc 2 thông số: 1. Tỉ số giữa số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng

2. Năng l−ợng của ion bắn phá

Hình 1.8. Mật độ của màng mỏng CeO2 lắng đọng bằng ph−ơng pháp IAD với các mức năng l−ợng khác nhau của ion oxy, tỉ lệ giữa số ion oxy trên số nguyên tử lắng đọng là jI/jA=1.

1.5.2. Thiết bị chế tạo màng mỏng bằng ph−ơng pháp IAD

Nguyên lí của một thiết bị chế tạo màng mỏng bằng ph−ơng pháp IAD đ−ợc mô tả trên hình 1.9. Trong buồng chân không, áp suất trong khoảng 10-4-10-5Torr, vật liệu tạo màng đ−ợc bay hơi từ nguồn bốc hơi nhiệt điện trở hoặc nguồn bốc hơi chùm tia điện tử. Màng mỏng sẽ đ−ợc lắng đọng lên đế bố trí ở phía trên của buồng chân không. Một nguồn phát ion bố trí phía d−ới sẽ h−ớng chùm ion bắn phá vào đế đồng thời với quá trình hình thành màng mỏng trên đó. Nguồn phát ion hoạt động nhờ điện năng từ nguồn cấp điện ở bên ngoài. Khí cấp cho đầu ion có thể là khí trơ nh− argon, neon... hay khí phản ứng nh− oxy, nitơ. L−ợng khí cấp cho nguồn phát ion đ−ợc điều chỉnh bằng thiết bị điều khiển l−u l ợng khí đặt ở bên ngoài. Chiều − dày màng mỏng đ−ợc đo bằng cảm biến (đầuđo) ở gần vị trí đặt đế.

Những nghiên cứu đầu tiên về ph−ơng pháp IAD đ−ợc tiến hành vào đầu những năm 1970 bởi Heitmann [19] và lần đầu tiên đ−ợc ứng dụng thành công để

chế tạo màng mỏng TiO2 bởi Ebert [13]. Hàng loạt các nghiên cứu về IAD đ−ợc công bố vào đầu những năm 1980 khi có nguồn ion đủ mạnh kiểu Kaufmann [23],[24] ra đời. Tuy nhiên do giá thành và chi phí vận hành của nguồn ion Kaufmann cao, nên ph ơng pháp IAD vẫn ch− −a đ−ợc ứng dụng rộng rãi vào thời gian đó. Sự gia đời của nguồn ion hiệu ứng Hall đã khai thông bế tắc này vào khoảng giữa những năm 1980 [25],[26],[47]. Nguồn ion hiệu ứng Hall là kiểu nguồn ion đ−ợc dùng phổ biến nhất hiện nay trong công nghệ IAD với hai th−ơng hiệu nổi tiếng: Nguồn ion Cathode lạnh CC-105 của công ty Denton Vacuum Inc, và các nguồn MarkI, MarkII của công ty CVC Corp.

Nguồn ion dùng cho quá trình IAD cần đáp ứng các yêu cầu sau:

• Không gây bẩn tới chi tiết quang đ−ợc mạ do hơi của các vật liệu chế tạo nguồn ion.

• Cho dòng ion lớn với năng l−ợng ion thấp nhằm hỗ trợ tối đa quá trình lắng đọng màng mà vẫn giảm thiểu sự phá hỏng màng.

• Cho phân bố mật độ dòng ion bắn phá đồng đều trên một diện tích lớn. • Có thể hoạt động trong thời gian dài với khí argon, oxy, nitơ. Chi phí vận

hành nguồn ion thấp.

1.5.3. Nguồn ion chùm tia rộng kiểu Kaufman [29], [30]

Nguồn ion chùm tia rộng kiểu Kaufman ra đời vào khoảng năm 1960 tại Mỹ và Liên xô trong Ch−ơng trình nghiên cứu chế tạo động cơ phản lực cho các phi thuyền không gian.

Sơ đồ nguyên lí của nguồn ion chùm tia rộng và bộ điều khiển (nguồn điện ) đ−ợc trình bày trên hình 1.10. Khí công tác đ−ợc đ−a vào buồng phóng điện, tại đó các điện tử phát ra từ cathode đ−ợc gia tốc bởi điện tr ờng giữa cathode-anode tới − năng l−ợng cao sẽ va đập và làm ion hoá các nguyên tử hay phân tử khí công tác. Các ion trong buồng phóng điện sẽ đ−ợc chiết ra khỏi buồng phóng điện bởi hệ thống “quang học ion” (tạo thành bởi các l−ới chắn và l−ới gia tốc) và đ ợc gia tốc − tạo thành chùm tia ion. Các lỗ trên các l−ới phải đ−ợc bố trí sao cho l−ới chắn bảo vệ cho các l−ới gia tốc tránh khỏi sự bắn phá trực tiếp của các ion trong quá trình hoạt

động. Để tránh hiện t−ợng phóng điện hồ quang trong buồng chân không, chùm tia ion đ−ợc bù điện tích không gian bằng các điện tử phát ra từ sợi đốt trung hoà. Phóng điện hồ quang có thể trực tiếp làm hỏng bề mặt chi tiết quang, hoặc gây bẩn bề mặt bởi phún xạ các chi tiết kim loại trong buồng chân không. Ngoài ra việc bù điện tích không gian của chùm tia còn nhằm giảm độ phân kì không mong muốn của chùm ion trên bề mặt đế.

Cathode và sợi đốt trung hoà của nguồn ion Kaufman là sợi Vonfram đ−ợc đốt nóng bởi dòng điện lên trên 20000C để phát xạ nhiệt điện tử. Buồng phóng điện và

hệ thống “quang học ion” là hai thành phần chủ yếu tạo nên nguồn ion, và là đối t−ợng của những cải tiến công nghệ không ngừng.

Để nâng cao hiệu suất ion hoá của buồng phóng điện, tức là tạo ra nhiều ion hơn trên một đơn vị điện năng, đã có rất nhiều cải tiến liên quan đến cấu hình của nó. Tất cả các cấu hình này đều sử dụng bẫy từ tr−ờng để tăng chiều dài quãng đ−ờng chuyển động của điện tử trong plasma, qua đó nâng cao hiệu suất ion hoá của các điện tử. Từ tr−ờng có thể tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện.

Các nguồn ion Kaufman tiêu chuẩn cho dòng ion 20-500mA, góc mở của chùm ion khoảng 120, đ−ờng kính chùm tia từ 5-40cm, năng l−ợng ion có thể điều khiển trong khoảng 100-1200eV. Tuy nhiên khi chế tạo màng mỏng quang học chất l−ợng cao, nguồn ion Kaufman bộc lộ một số nh−ợc điểm quan trọng:

• Vì chùm tia ion có góc mở khá nhỏ nên.không thể sử dụng cho chi tiết quang có kích th−ớc lớn, hay sản xuất loạt lớn.

• Các l−ới gia tốc và l ới chắn bị ăn mòn nhanh do phún xạ. Việc thay l− −ới tốn kém và tốn nhiều thời gian. Ngoài ra vật liệu phún xạ từ l−ới còn gây bẩn các màng mỏng trên chi tiết quang.

1.5.4. Nguồn ion hiệu ứng Hall.

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