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.