1.4 Màng kim cươngnhân tạo trên đế đồng
Các màng kim cương được tổng hợp trên đế kim cương sẽ có chất lượng
tốt và tốc độ mọc màng nhanh [12]. Tuy nhiên vì lý do giá thành nên các màng
kim cương thường được tổng hợp trên các loại đế không phải là vật liệu kim cương. Vật liệu đế để tổng hợp màng kim cương nhân tạo được chia làm 3 loại
[14]:
(i) Vật liệu định hìnhđược hợp chất của cácbon: Si, SiC, Cr, Ti, W.
(ii) Vật liệu hòa tanđược cácbon: thép, Fe, …
(iii) Vật liệu không hòa tanđược cácbon: Cu, Au, …
Quá trình tổng hợp màng kim cương trên đế silíc là đơn giản và thuận lợi
vì silíc là loại vật liệu tương thích tốt nhất đối với quá trình tạo màng kim
cương.Tuy nhiên, silíc không phải là loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao. Để có thể ứng dụng màng kim cương nhân tạo làm đế tản nhiệt, chúng tôi quyết định chế
tạo màng kim cương nhân tạo trên đế đồng (loại vật liệu dẫn nhiệt truyền thống).
Nhìn chung, việc chế tạo màng kim cương trên đế đồngcó những ưu điểm như sau [9]:
– Đồng có nhiệt độ nóng chảy cao (~ 1100 oC) phù hợp với quá trình chế
tạo CVD đòi hỏi nhiệt độ đế ~ 1000oC.
Nguồn sóng cao tần Dẫn sóng Antena Các van điều chỉnh Plasma Nơi gá mẫu Lồng chắn Faraday Chuông Silíca Hỗn hợp khí Vào (CH4 + H2) Bơm chân không
– Đồng có hằng số mạng và cấu trúc lập phương phù hợp với kim cương. – Đồng không hòa tan và phản ứng với nguyên tử cácbon nên các nguyên tử
cácbon trong quá trình chế tạo CVD không thể khuếch tán vào đế đồng
gâyảnh hưởng tớiquá trình tạo màng kim cương.
– Đồng là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nên nếu tổng hợp thành công màng
kim cương trên đế đồng sẽ giúp chúng ta dễ dàng ứng dụng màng kim
cương nhân tạo trong lĩnh vực tản nhiệt.
Chính vì vậy, việc tổng hợp màng kim cương nhân tạo trên đế đồng đang
nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhóm nghiên cứu trên thế giới. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ giới thiệu khái quát về các công trình nghiên cứu nổi
bật về quá trình tổng hợp màng kim cương trên đế đồng.
Đầu tiên là vào năm 1999, nhóm nghiên cứu của Chiu S. [8] đã tổng hợp màng cácbon trên đế đồng bằng phương pháp cấy ion nguồn plasma (plasma source ion implantation technique). Đế đồng được chọn để tổng hợp màng
cácbon do đồng là loại vật liệu không hòa tan cácbon nên sẽ không gây ảnh hưởng tới chất lượng màng cácbon thu được. Do đó nhóm nghiên cứu đã đặt
mục tiêu chế tạo màng kim cương trên đế đồng bằng phương pháp cấy ion
nguồn plasma. Màng cácbon được tổng hợp trên đế đồng với điều kiện chế tạo:
nhiệt độ đế thay đổi từ 25 oC ÷ 1000 oC, thế hiệu dịch từ 0 đến − 30 kV, vùng
plasma được tạo bởi nguồn cao tần 2.45 GHz, tỷ lệ lưu lượng khí 1 % CH4/H2, áp suất buồng phản ứng 1 ÷ 4 × 10−3 Torr. Các màng cácbon chế tạo được khảo
sát cấu trúc bằng phương pháp phổ tán xạ Raman và phương pháp nhiễu xạ tia
X. Phổ tán xạ Raman (hình 1.24) cho thấy sự xuất hiện của 2 vạch phổ rộng tại
vị trí 1370 cm−1 và 1550 cm−1 lần lượt có tên gọi là vạch D và vạch G của cấu
trúc DLC (cácbon giả kim cương). Ngoài ra phổ Raman không phát hiện thấy
vạch phổ sắc nhọn tại vị trí 1332 cm−1 đặc trưng cho cấu trúc tinh thể kim cương. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cũng cho kết quả là không có dấu hiệu
của cấu trúc tinh thể kim cương.
Nhìn chung nhóm nghiên cứu của Chiu S. chỉ tổng hợp được màng DLC
trên đế đồng và hoàn toàn không thu được màng kim cương. Điều này được giải thích là do Chiu S. đã thực hiện quá trình CVD tạo màng cácbon mà không thực
hiện quá trình tạo mầm trên đế đồng. Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng công đoạn tạo mầm là rất quan trọng trong quá trình tổng hợp màng kim cương trên các đế không phải là kim cương [3,5,14]. Tạo mầm có chức năng làm tăng mật độ các vị trí mọc kim cương, giảm năng lượng liên kết ở bề mặt đế. Điều này đã
được Ali N. và các cộng sự [3,5] chỉ ra trong các công trình nghiên cứu của họ vào các năm 1999 và 2000.
Hình 1.24. Phổ tán xạ Raman của màng cácbon tổng hợp trên đế đồng bằng phương pháp cấy ion nguồn plasma với các điều kiện thế hiệu dịch và nhiệt độ
đế khác nhau [8]
Nhóm nghiên cứu của Ali N. [5] đã tổng hợp màng cácbon được trên đế đồng bằng phương pháp HFCVD với điều kiện chế tạo: sợi đốt kim loại Ta (dài
100 mm, đường kính 0.5 mm), nhiệt độ đế 1000 K, tỷ lệ lưu lượng khí 1 %
CH4/H2, áp suất làm việc 20 Torr, khoảng cách giữa đế và sợi đốt là 4 mm, thời
gian CVD 5 giờ. Đế đồng sử dụng trong quá trình chế tạo có kích thước 5 mm ×
5 mm × 0.5 mm. Trong công trình của Ali N., đế đồng được tạo mầm bằng 2
cách:
− Cách 1:Chà xát đế đồng với bột kim cương. Rung siêu âm đế đồng trong
dung dịch chứa bột kim cương có kích thước 1 ÷ 3 µm trong thời gian 3 phút để tạo mầm kim cương trên đế. Sau đó đế đồng được rung siêu âm trong dung dịch acetone để làm sạch và bảo quản đợi CVD.
− Cách 2: Lắng đọng một lớp cácbon đệm trên bề mặt đế đồng nhẵn và phẳng. Đế đồng được đặt vào buồng phản ứng để lắng đọng lớp cácbon đệm với các thông số thực nghiệm: tỷ lệ lưu lượng khí 3 % CH4/H2, thế
hiệu dịch − 250 V, nhiệt độ sợi đốt 2500 K, thời gian lắng đọng lớp cácbon đệm là 30 phút.
Các màng cácbon chế tạo được khảo sát hình thái học bề mặt và cấu trúc
Hình 1.25.Ảnh SEM của màng cácbon tổng hợp trên đế đồng được chà xát bề
mặt (bên trái) và trên đế đồng được lắng đọng lớp cácbon đệm (bên phải) [5]
Ảnh SEM cho thấy màng cácbon được tổng hợp trên đế đồng theo cả 2 cách đều là màng liên tục và có kích thước hạt ~ 2 ÷ 6 µm (hình 1.25). Trên phổ
tán xạ Raman của màng kim cương tổng hợp trên đế đồng theo cả 2 cách chỉ tồn
tại một vạch phổ sắc nhọn tại vị trí 1332 cm−1 đặc trưng cho cấu trúc tinh thể kim cương (hình 1.26). Các kết quả chụp ảnh SEM và phân tích phổ Raman cho
thấy màng cácbon chế tạo là màng liên tục và có cấu trúc tinh thể kim cương.
Hình 1.26. Phổ tán xạ Raman của cácbon tổng hợp trên đế đồng được chà xát bề mặt (a) và trên đế đồng được lắng đọng lớp cácbon đệm (b) [5]
Tóm lại, nghiên cứu của Ali N. và các cộng sự đã đưa ra 2 cách tạo mầm để tổng hợp màng kim cương trên đế đồng. Tuy nhiên công trình của Ali N.
cũng chỉ ra độ bám dính kém giữa màng kim cương và đế đồng. Điều này được
giải thích là do có sự chênh lệch lớn về hệ số nở nhiệt của đồng (51×10–6/K) và
kim cương (3×10–6/K) trong khi nhiệt độ trong quá trình tạo màng kim cương cỡ
1000 oC. Nên dẫn tới hiện tượng tự tách lớp kim cương khỏi đế đồng khi hạ
nhiệt độ trong buồng phản ứng về nhiệt độ phòng. Hơn nữa đồng là loại vật liệu
không có sự tương thích hóa học với cácbon nên sẽ khó định hình màng kim
cương trên đế đồng.
Do đó việc tổng hợp màng kim cương trên đế đồng là quá trình khó thực
hiện, đặc biệt là trở ngại về độ bám dính kém giữa màng kim cương và đế đồng.
Trong một nghiên cứu khác của cùng tác giả Ali N. [4] vào năm 2000, ông đã
đưa ra một giải pháp để giải quyết vấn đề này. Đó là sử dụng lớp chuyển tiếp Cr để làm tăng khả năng gắn kết màng kim cương với đế đồngvì Cr là loại vật liệu tương thích tốt đối với quá trình tạo màng kim cương. Quá trình chế tạo mẫu được thực hiện như sau:
− Lớp chuyển tiếp Cr dày ~ 0.2 ÷ 2 µm được phủ lên đế đồng bằng phương pháp
bốc bay nhiệt.
−Lắng đọng một lớpcácbon đệm trên bề mặt đế đồng đã phủ Cr (quá trình thực
hiện đãđược nêu chi tiết ở phần trên).
− Tiến hành tổng hợp màng kim cương trên đế đồng bằng phương pháp
HFCVD.
Các màng cácbon chế tạo được khảo sát cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử
quét và phương pháp phổ tán xạ Raman.Các kết quả này cho thấy màng cácbon tổng hợp trên đế đồng phủ lớp chuyển tiếp Cr là màng liên tục có cấu trúc tinh
thể kim cương. Để kiểm chứng độ bám dính của mẫu chế tạo, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một tải trọng tác dụng một lực là 376 N lên bề mặt của màng kim
cương. Sau khi ngừng tác dụng lực, màng kim cương chế tạo không có dấu hiệu
của sự rạn nứt. Điều này chứng tỏ màng kim cương tổng hợp trên đế đồng phủ
lớp chuyển tiếp Cr có độ bám dính tốt.
Mục đích chính của việc tổng hợp màng kim cương trên đế đồng là ứng
dụng làm đế tản nhiệt cho các linh kiện công suất. Nếu màng kim cương chế tạo
càng dày thì giá thành sản phẩm sẽ càng cao. Chính vì lý do đó, đế đồng được
chọn để tổng hợp màng kim cương do đồng là loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao. Khi đó màng kim cương có chức năng là một lớp chuyển tiếp giữa linh kiện và
đế đồng. Màng kim cương sẽ lấy nhiệt một cách nhanh chóng từ linh kiện rồi
Nhìn chung, màng kim cương được tổng hợp trực tiếp trên đế đồng thường có mật độ tạo mầm thấp và độ bám dính kém [3,5,9,14]. Để giải quyết
vấn đề này, Ali N. [4] đã đưa ra giải pháp sử dụng lớp chuyển tiếp Cr để làm
tăng khả năng gắn kết màng kim cương với đế đồng. Tuy nhiên, Chen Yi−Jiun (2009) [7] đã chỉ ra hạn chế của cách làm này. Khi màng kim cương được tổng hợp trên đế đồng phủ lớp chuyển tiếp Cr, các nguyên tử C sẽ dễ dàng hòa tan vào lớp Cr để tạo ra muối crôm cácbua. Lớp crôm cácbua có độ dẫn nhiệt thấp
sẽ đóng vai trò như một lớp cách nhiệt làm hạn chế khả năng tản nhiệt của mẫu
chế tạo. Vì vậy, việc tổng hợp màng kim cương trên đế đồng để ứng dụng làm
đế tản nhiệt cho các linh kiện công suất đanglà một bài toán khó giải quyết.
Đây là lần đầu tiên phòng thí nghiệm tiến hành chế tạo màng kim cương
trực tiếp trên đế đồng nênchúng tôi đã xácđịnh hai phương án như sau:
Phương án 1:
Nếu mẫu chế tạo là màng kim cương có độ bám dính tốt với đế đồng thì chúng tôi sẽ ứng dụng mẫu làm đế tản nhiệt cho đèn LED như trong sơ đồ hình 1.27. Trong đó màng kim cương có chức năng lấy nhiệt một cách nhanh chóng
từ đèn LED rồi chuyển xuống đế đồng để khử lượng nhiệt tỏa ra từ đèn LED. Chúng tôi đặt mục tiêu đế tản nhiệt kim cương sẽ giải quyết được vấn đề tản
nhiệt của đèn LED công suất.
Hình 1.27. Sơ đồ nguyên lý của đèn LED công suất sử dụng đế tản nhiệt kim cương chế tạo được
Phương án 2:
Nếu mẫu chế tạo là màng kim cương có độ bám dính kém với đế đồng (như trong các tài liệu đã công bố) thì điều này giúp chúng tôi thu được một màng kim cương riêng biệt. Thông thường, màng kim cương nhân tạo được tổng
hợp trên vật liệu đế không phải là kim cương. Do đó độ dẫn nhiệt của mẫu chế
tạo sẽ phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của vật liệu kim cương và vật liệu đế. Trong
(+) (–)
Wire bond LED chip
Lớp liên kết
kim loại Au/Pt
n–contact
Đế tản nhiệt
kim cương Đế đồng
trường hợp này, chúng tôi thu được một màng kim cương riêng biệt có độ dẫn
nhiệt cao mà không phụ thuộc vào bất kỳ loại vật liệu nào khác.
Do việc sử dụng lớp chuyển tiếp Cr để gắn kết màng kim cương và đế đồng là không hiệu quả. Nên chúng tôi sẽ tiến hành gắn kết màng kim cương với đế đồng bằng keo epoxybạcdẫn nhiệt. Nếu quá trình thử nghiệm có kết quả tốt,
chúng tôi sẽ tiến hành bước tiếp theo là sử dụng cách hàn linh kiện với mối hàn In thay thế cho việc sử dụng keo dẫn nhiệt để nâng cao hiệu suất tản nhiệt cho linh kiện. Nhìn chung, cách làm này là dễ thực hiện và hiệu quả hơn cách sử
dụng lớp chuyển tiếp Cr để gắn kết màng kim cương và đế đồng. Do các loại
keo epoxy dẫn nhiệt thường dễ sử dụng và có độ dẫn nhiệt cao hơn các loại
muối cácbua. Sau đó mẫu chế tạo sẽ được ứng dụng làm đế tản nhiệt cho linh
CHƯƠNG2
THỰC NGHIỆM
2.1 Hệ thiết bịMPCVD
2.1.1.Các thông số cơ bản củahệ thiết bị MPCVD