Các kết quả nghiên cứu trong mục 3.3 cho thấy màng mỏng SiO2 nhận đ−ợc có chất l ợng đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra. Tron− g các nghiên cứu vừa trình bày vật liệu SiO2 đ−ợc bay hơi bằng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử. Đây là ph ơng pháp − chế tạo màng mỏng SiO2 đ−ợc sử dụng rộng rãi hiện nay.
Hình 3.18. Vật liệu SiO2 trong nồi chứa bị khoét sâu do chùm tia điện tử Chiều dày màng mỏng lắng đọng trên đế th−ờng đ−ợc xác định gián tiếp qua chiều dày màng mỏng lắng đọng
trên cảm biến thạch anh(không đặt cùng vị trí với đế) và tỉ số hiệu chỉnh. Tỉ số hiệu chỉnh là tỉ số giữa chiều dày màng mỏng lắng đọng trên đế và chiều dày màng mỏng chỉ thị bởi cảm biến thạch anh. Với ph−ơng pháp bốc hơi chùm tia điện tử, bề mặt vật liệu SiO2 trong nồi chứa rất dễ dàng bị chùm tia điện tử đào xuống thành một hốc sâu (hình 3.18) có hình dạng và kích th−ớc
khác nhau. Hậu quả là phân bố không gian của luồng hơi vật liệu bay lên từ nguồn bốc hơi chùm tia điện tử và tỉ số hiệu chỉnh thay đổi không thể dự đoán tr−ớc. Sự thay đổi bất th−ờng này gây ra sai số rất lớn cho chiều dày màng mỏng thực tế lắng đọng trên đế.
Để khắc phục khó khăn vừa nêu, một số tác giả đã sử dụng giải pháp điều khiển chùm tia điện tử quét trên bề mặt vật liệu SiO2 trong nồi chứa theo những quĩ đạo và tần số khác nhau. Tuy nhiên kết quả nhận đ−ợc ch−a đáp ứng đ−ợc mong đợi.
Theo một h−ớng tiếp cận khác, chúng tôi đã sử dụng Silic làm vật liệu bay hơi, và dùng
Hình 3.19. Vật liệu Silic trong nồi chứa của nguồn bốc hơi chùm tia điện tử
ion oxy của quá trình IAD để oxy hóa các nguyên tử Si lắng đọng trên đế thành SiO2. Vật liệu Silic dễ dàng nóng chảy nhờ nguồn bốc hơi chùm tia điện tử, và hơn nữa bề mặt vật liệu trong nồi chứa luôn trải phẳng đều (hình 3.19), nên phân bố không gian của luồng hơi vật liệu bay lên rất ổn định.
Bảng 3.14. Thông số công nghệ chế tạo mẫu màng SiO2 Mẫu Nhiệt độ đế [0C] Điện áp/dòng điện anode CC105 [V/A] Chiều dày màng [nm] L−u l−ợng khí [sccm] áp suất khí d− [Pa] 1 3000C - 125 - 2.10-2Pa 2 300C 173V/2,4A 127 20 8.10-2Pa 3 3000C 250V/1A 125 10 4.10-2Pa 4 3000C 160V/1A 124 15 6.10-2Pa 5 3000C 130V/0,5A 126 20 8.10-2Pa 6 3000C 150V/2A 110 20 8.10-2Pa 3.5.1. Chuẩn bị thực nghiệm
Nghiên cứu tiến hành trên thiết bị IAD thử nghiệm do chúng tôi xây dựng. Bố trí bên trong buồng chân không (vị trí nguồn ion, nguồn bốc hơi chùm tia điện tử, vị trí đặt đế và vị trí cảm biến đo chiều dày màng mỏng) t−ơng tự nh− bố trí trong các nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO2 và SiO2 trình bày ở mục 3.3.
Các mẫu màng mỏng và thông số lắng đọng t−ơng ứng đ ợc ghi trong bảng − 3.14. Phổ truyền qua của các mẫu đ−ợc đo bằng máy quang phổ JASCO 530. Các thông số quang học của màng mỏng (chiều dày màng, chiết suất và hệ số hấp thụ) đ−ợc xác định từ phổ truyền qua nhờ phần mềm Spektrum.
3.5.2. Kết quả và thảo luận
Các thí nghiệm cho thấy vật liệu Silic dễ dàng nóng chảy và bay hơi bằng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử. Bề mặt vật liệu trong nồi chứa luôn dàn phẳng đều, vì vậy chùm hơi vật liệu bay lên rất ổn định. Trong tất cả các thí nghiệm, tốc độ bay hơi của vật liệu luôn đ−ợc duy trì ổn định ở mức 0,2nm/giây.
Mẫu 1 đ−ợc lắng đọng bằng ph−ơng pháp bay hơi nhiệt thông th−ờng, không có sự trợ giúp của quá trình IAD. Phổ truyền qua của mẫu 1 thể hiện trên hình 3.20 (đ−ờng liền nét là kết quả đo của máy Jasco530, đ−ờng đứt nét là kết quả mô phỏng của phần mềm
Spektrum). Hai đ−ờng phổ lệch nhau khá xa, cho thấy hệ số hấp thụ của mẫu 1 khá
lớn. Sử dụng Spektrum để xác định hệ số hấp thụ của màng mỏng, chúng tôi nhận đ−ợc biểu đồ phổ hệ số hấp thụ của mẫu 1 trên hình 3.21.
Các mẫu 3, 4, 5 và 6 đ−ợc lắng đọng bằng quá trình IAD. L−u l−ợng khí cấp cho nguồn ion đ−ợc tăng lên từ 10sccm tới 20sccm để đánh giá ảnh h−ởng của l−u l−ợng khí tới tính chất của màng mỏng nhận đ−ợc. Phổ tán sắc của các mẫu đ−ợc trình bày trên hình 3.22. Khi tăng l−u l−ợng khí từ 10sccm (mẫu 3) lên 15sccm (mẫu 4), chiết suất của các mẫu tăng
t−ơng ứng từ 1,38 lên 1,42. Sau đó chiết suất d−ờng nh− không tăng thêm cho dù l−u l−ợng khí tăng lên đến 20sccm (mẫu 5 và 6). Tăng dòng anode của nguồn ion từ
Hình 3.20. Phổ truyền qua của mẫu 1
B−ớc sóng [nm]
Hình 3.21. Hệ số hấp thụ của mẫu 1
0,5A (mẫu 5) lên tới 2,0A(mẫu 6) không đem lại sự thay đổi đáng kể nào đối với chiết suất. Khi so sánh với các mẫu màng lắng đọng bằng bay hơi nhiệt vật liệu SiO2, có thể quan sát thấy chiết suất của các mẫu đã nhận đ−ợc thấp hơn ở vùng b−ớc sóng cao hơn 445nm và cao hơn ở vùng d−ới b−ớc sóng này. Hơn nữa mức độ tán sắc của các mẫu 3 đến 6 cao hơn.
Hình 3.23 (mẫu 3) cho thấy có sự trùng khớp giữa phổ đo đ−ợc (đ−ờng liền nét) và đ−ờng phổ nhận đ−ợc bằng tính toán (đ−ờng đứt nét). Điều này có nghĩa là hệ số hấp thụ của mẫu 3 khá nhỏ.
Để xác minh xem liệu riêng sự hỗ trợ bằng ion có thể oxy hoá hoàn toàn màng mỏng silic, chúng tôi đã chuẩn bị mẫu số 2 khi không gia nhiệt đế ở 3000C. Dòng điện anode đ−ợc tăng lên đến 2,4A để tăng c−ờng mật độ dòng ion bắn phá. Kết quả trên hình 3.24 (đ−ờng liền nét là kết quả đo, đ−ờng đứt nét là kết quả tính toán) cho thấy mẫu số 2 có hệ số hấp thụ khá cao trong vùng b−ớc sóng d−ới 550nm.
Hình 3.22. Phổ tán sắc của các mẫu 3, 4, 5, 6
B−ớc sóng [nm]
Hình 3.23. Phổ truyền qua của mẫu 3
Kết luận.
Các thí nghiệm vừa trình bày cho phép rút ra một số kết luận sau:
• Silic có thể đ−ợc bay hơi bằng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử. Vật liệu silic trong nồi chứa đ−ợc nung nóng chảy, có bề mặt giàn phẳng đều, vì vậy luồng hơi vật liệu bay lên có phân bố không gian khá ổn định. • Với sự hỗ trợ của chùm ion và đế đ−ợc gia nhiệt tới 3000C, màng mỏng
Silic lắng đọng trên đế đ−ợc chuyển đổi thành màng mỏng SiO2. Màng mỏng SiO2 nhận đ−ợc có tính chất quang học lặp lại.
• Cần phải tiến hành thêm một số nghiên cứu nhằm tối −u hoá các thông số của quá trình để nhận đ−ợc màng mỏng có chiết suất gần với chiết suất của màng mỏng lắng đọng từ vật liệu SiO2.
Hình 3.24.Phổ truyền qua của mẫu 2
Kết luận ch−ơng:
1. Đã chế tạo đ−ợc màng mỏng TiO2 và SiO2 bằng ph−ơng pháp IAD trên thiết bị thử nghiệm. Tính chất quang học của các màng mỏng này phù hợp với các số liệu đã công bố trên các ấn phẩm quốc tế [5], [8], [13], [35].
2. Đã xây dựng mô hình toán học (hàm hồi qui) mô tả quan hệ hàm số giữa chiết suất của màng mỏng TiO2 và SiO2 với 3 thông số công nghệ quá trình IAD (Tốc độ lắng đọng màng; L−u l−ợng khí cấp cho nguồn ion; và Dòng điện anode). Kết quả các thí nghiệm kiểm chứng đã xác nhận mức độ tin cậy của các hàm số nhận đ−ợc.
3. Trên cơ sở các hàm hồi qui đ−ợc thiết lập, đã xác định bộ thông số công nghệ tối −u của quá trình IAD để nhận đ ợc các màng mỏng với chiết suất cực đại: − n=2,58 với màng TiO2 và n=1,52 với màng SiO2. Với giá trị chiết suất cực đại này, độ dịch phổ theo nhiệt độ của các màng mỏng rất nhỏ (< 2nm). Các số liệu này t−ơng đ−ơng với kết quả của các tác giả [5], [8], [35]. Kết quả này chứng tỏ màng mỏng nhận đ−ợc có mật độ xếp chặt rất cao, l−ợng hơi n−ớc hấp thụ trong màng mỏng đã đ−ợc giảm thiểu, chiết suất của màng phụ thuộc rất nhỏ vào thăng giáng nhiệt độ độ ẩm của môi tr−ờng.
4. Đã khảo sát một số tính chất vật lí ( mật độ khối l−ợng, độ nhám bề mặt, thành phần pha) của màng mỏng TiO2 chế tạo bằng ph−ơng pháp IAD. Kết quả thu đ−ợc phù hợp với số liệu công bố của Hans Bach [8]. Với các mẫu màng TiO2 có chiết suất cao 2,58, vi cấu trúc có pha tinh thể rutil làm tăng độ nhám bề mặt của màng.
5. Đã thử nghiệm nâng cao độ chính xác chiều dày màng mỏng SiO2 nhờ ph−ơng pháp bay hơi vật liệu Silic trong quá trình IAD. Kết quả b−ớc đầu cho thấy ph−ơng pháp có thể sử dụng để nhận đ−ợc màng SiO2 với chiều dày và tính chất quang học có độ lặp lại cao.
Ch−ơng 4. Một số kết quả ứng dụng ph−ơng pháp IAD
4.1. Nghiên cứu nâng cao độ bền g−ơng nhôm phản xạ mặt tr−ớc.
a. Mở đầu.
G−ơng phản xạ mặt tr−ớc chế tạo bằng màng mỏng nhôm (g−ơng Al) đ−ợc sử dụng rộng rãi trong dụng cụ quang học, và trong các kính thiên văn[2]. G−ơng Al có −u điểm: dễ chế tạo, có hệ số phản xạ cao trong vùng phổ rộng. Ph ơng pháp thông − dụng để chế tạo g−ơng Al là bay hơi nhiệt trong chân không.
Trong khi Al dạng vật liệu khối khá ổn định trong môi tr−ờng bình th−ờng, thì màng mỏng Al lại giòn hơn và kém bền vững hơn nhiều. Vi cấu trúc cột của màng mỏng Al khiến cho các tác nhân có hại trong môi tr−ờng (trong đó có hơi ẩm) dễ dàng thâm nhập vào khe hở giữa các cột và vào vùng tiếp giáp màng mỏng-đế, gây phá huỷ màng mỏng Al từ trong ra. Mặt khác vi cấu trúc cột cũng khiến cho màng mỏng Al mềm hơn và dễ bị h− hại do các tác động cơ học nh− chà xát hay cào x−ớc. Một số loại màng mỏng điện môi đã đ−ợc sử dụng phủ lên trên màng mỏng Al, nhằm nâng cao độ bền môi tr−ờng và tăng c−ờng hệ số phản xạ của màng Al. Các màng bảo vệ này đặc biệt có hiệu quả trong việc ngăn chặn hơi ẩm thâm nhập vào màng Al, nhờ đó nâng cao tuổi thọ của g−ơng lên nhiều lần. Màng bảo vệ còn nâng cao độ cứng bề mặt và độ bền cơ học, cho phép g−ơng có thể v−ợt qua các phép thử chà x−ớc thông th−ờng. Vì vậy chất l−ợng màng bảo vệ có ảnh h−ởng lớn đến độ bền của g−ơng Al phản xạ mặt tr−ớc.
Trong nghiên cứu này màng bảo vệ bằng vật liệu SiO2 đ−ợc chế tạo thử nghiệm bằng hai ph−ơng pháp: bay hơi bằng nguồn bay hơi chùm tia điện tử, và bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD).
b. Thực nghiệm
G−ơng Al đ−ợc chế tạo theo thiết kế sau:
Đế thủy tinh/ màng Al dày 100nm/ màng SiO2 bảo vê dày 172nm.
Phổ phản xạ của g−ơng Al thiết kế biểu diễn trên hình 4.1 cho thấy: tại vùng lân cận b−ớc sóng trung tâm 550nm g−ơng có màng mỏng SiO2 bảo vệ có hệ số phản xạ xấp xỉ g−ơng không có màng bảo vệ. Hệ số phản xạ của g−ơng có màng
mỏng bảo vệ giảm khoảng 4% tại rìa ngoài (>630nm và <430nm) của vùng b−ớc sóng công tác.
Các mẫu g−ơng Al đ−ợc chế tạo trên thiết bị IAD thử nghiệm với sơ đồ bố trí đ−ợc mô tả trên hình 4.2. Màng mỏng Al và màng bảo vệ SiO2 đ−ợc lắng đọng trong cùng một chu trình máy. Màng mỏng Al đ−ợc lắng đọng bằng bay hơi vật liệu Al có độ tinh khiết 99,9% lên đế thuỷ tinh K8.
Để có thể bay hơi Al với tốc độ cao, chúng tôi sử dụng nguồn bay hơi làm từ dây wonfram (đ−ờng kính 0,8mm) xoắn hình lò xo, đốt nóng bằng dòng điện c−ờng độ lớn trên 100A. Al đ−ợc bay hơi theo định l−ợng, tức là l−ợng vật liệu sử dụng đ−ợc điều chỉnh sao cho sau khi bay hơi hết toàn bộ thì chiều dày của màng Al trên đế là khoảng 100nm. Trong quá trình lắng đọng màng Al và các màng bảo vệ SiO2 bằng cả hai ph−ơng pháp (bay hơi chùm tia điện tử và ph−ơng pháp IAD), đế thuỷ tinh không đ−ợc nung nóng.
Hình 4.1.Phổ phản xạ của g−ơng Al (đ ờng liền nét- g ơng có lớp bảo − −
vệ SiO2; đ−ờng đứt nét-g−ơng không có lớp bảo vệ)
Lớp màng bảo vệ SiO2 đ−ợc lắng đọng bằng 2 ph ơng pháp: bay hơi chùm tia − điện tử (SiO2-EB) và bằng ph−ơng pháp IAD (SiO2-IAD). Thông số của quá trình lắng đọng các màng mỏng ghi trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Thông số quá trình chế tạo các màng mỏng. Màng mỏng Ph−ơng pháp lắng đọng màng Tốc độ lắng đọng màng [nm/giây] L−u l−ợng khí [sccm] Dòng điện anode [A] áp suất khí oxy [Torr] Al Bay hơi nhiệt 7,0 - - 3.10 -5 SiO2-EB (n=1,45) Bay hơi chùm tia điện tử 0,5 - - 2.10-4 SiO2-IAD (n=1,52) Ph−ơng pháp IAD 1,0 11,5 1,5 3.10 -4 Nhôm
Màng mỏng SiO2-IAD chế tạo theo thông số công nghệ của mẫu số 4 (Bảng 3.10) nhằm đảm bảo chiết suất của màng là cực đại (n=1.52). Với chiết suất cực đại và mật độ xếp chặt cực đại t−ơng ứng, màng mỏng SiO2 nhận đ−ợc cho phép giảm thiểu sự thẩm thấu của các tác nhân ăn mòn đối với màng Al bên d−ới.
Các mẫu g−ơng sau khi chế tạo đ−ợc đánh giá bằng các phép thử sau: 1. Thử bám dính bằng ph−ơng pháp Bóc băng dính Scotch-Tape [12]. 2. Thử độ bền chống mài mòn của
g−ơng đ−ợc đánh giá bằng ph−ơng pháp phun cát (falling sand ) [11] theo tiêu chuẩn thử nghiệm DIN 50 320 (hình 4.3). Sử dụng 3 kg cát có kích th−ớc hạt 0,5/0,71mm cho rơi từ bồn chứa (2) trên cao xuống bề mặt mẫu thử (5) phía d−ới. Các mẫu thử đ−ợc gắn chặt trên một đĩa quay (6). Đĩa quay có trục tạo thành một góc 450 so với trục đứng của ống phun cát. Sau khi quá trình phun cát kết thúc, các mẫu đ−ợc đo độ truyền qua ánh sáng bằng máy quang phổ JASCO 530. G−ơng có độ bền chống mài mòn tốt hơn thì lớp màng mỏng nhôm phản xạ không bị tróc hoặc bị tróc ít hơn, vì vậy hệ số truyền qua của nó tăng ít hơn. Để bổ sung cho kết quả đo, bề mặt của g−ơng nhôm sau đó đ−ợc kiểm
Hình 4.3. Dụng cụ thử độ bền chống mài mòn theo tiêu chuẩn DIN 50 320
tra bằng kính hiển vi ASCANIA phóng đại 1000 lần.
3. Thử độ bền chống ăn mòn theo ph−ơng pháp Sainty-Netterfield [23]. G−ơng nhôm đ−ợc ngâm vào dung dịch NaOH nồng độ 0,2M. Sau mỗi khoảng thời gian 30 phút các mẫu đ−ợc đo phổ truyền qua trên máy quang phổ JASCO 530. Dung dịch NaOH nồng độ 0,2M hoà tan lớp màng Al dày 100nm không có bảo vệ chỉ trong vòng vài phút. Nếu màng mỏng bảo vệ để dung dịch NaOH thấm xuyên qua thì dung dịch NaOH sẽ ăn mòn dần lớp nhôm bên trong, hệ số truyền qua của g−ơng sẽ tăng dần lên theo thời gian. Lớp màng mỏng SiO2 bảo vệ càng tốt thì thời gian để độ truyền qua của g−ơng tăng lên càng dài.
c. Kết quả và thảo luận
Độ bám dính. Các g−ơng Al có màng SiO2 bảo vệ chế tạo bằng hai ph−ơng pháp khác nhau đều v−ợt qua đ ợc phép thử Bóc băng dính. −
Khả năng chống ăn mòn. Sự biến đổi hệ số truyền qua của các g−ơng Al đ−ợc
biểu diễn trên giản đồ 4.4. G−ơng Al với màng bảo vệ SiO2-EB chế tạo bằng bay hơi chùm tia điện tử thông th−ờng,
bắt đầu bị ánh sáng truyền qua mạnh sau khoảng 1,5 tới 2 giờ. Với màng bảo vệ SiO2- IAD chế tạo bằng ph−ơng pháp IAD, thời gian chịu ăn mòn của g−ơng Al kéo dài đ−ợc tới 4 giờ. Sau thời gian này, hệ số truyền qua ổn định ở khoảng 20%, tức là hệ số phản xạ của g−ơng Al vẫn duy trì đ−ợc bằng 80% hệ số phản xạ khởi điểm của nó. Quan sát bề mặt g−ơng Al trên kính hiển vi cho
thấy màng Al bị ăn mòn xuyên thủng lấm tấm tại các điểm nhỏ. Hơn nữa tại các