2.1.1 Phương pháp phun dung dịch
Dung dịch có chứa các thành phần của hợp chất bán dẫn được phun lên đế nóng và lắng đọng tại đó thành màng bán dẫn. Thành phần của màng dễ dàng được thay đổi và được xác định bởi sự tương quan giữa các thành phần có trong dung dịch.
Khí nén dùng để tạo áp suất ở đầu vòi phun dung dịch thường là khơng khí hoặc là khí trơ. Khi các ion trong dung dịch phun được gia tốc bằng một điện trường tạo ra từ nguồn cao thế giữ kim phun vào đế (đây là phương pháp phun tĩnh điện). Phương pháp này thường dùng để tạo ra các màng oxít kim loại từ dung dịch muối của chúng [6].
Hình 2.1 Hệ tạo màng mỏng bằng phương pháp phun dung dịch
1- Dung dịch 2- Lưu tốc kế
3- Vòi phun 4- Bộ phận dịch chuyển vòi 5- Hệ hút khí 6- Bơm khí mang
7- Bộ phận điều khiển nhiệt 8- Bộ phận giữa đế9-Đế 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2.1.2 Phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không
Bốc bay nhiệt (Thermal evaporation) hoặc bay bốc nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trường chân không cao và ngưng tụ trên đế (được đốt nóng hoặc khơng đốt nóng). Kỹ thuật này đơi khi cịn được gọi là bay hơi trong chân khơng nhưng ít dùng hơn.
Nguyên lý của hệ bốc bay nhiệt:
Bộ phận chính của các thiết bị bay bốc nhiệt là một buồng chân không được hút chân không cao (cỡ 10-5 - 10-6 Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử...). Người ta dùng một thuyền điện trở (thường làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tương tác với vật liệu, ví dụ như vơnphram, tantan, bạch kim...) đốt nóng chảy các vật liệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi.đốt
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt
Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên. Đơi khi đế cịn được đốt nóng (tùy theo mục đích tạo màng tinh thể hay vơ định hình...) để điều khiển các quá trình lắng đọng của vật liệu trên màng. Chiều dày của màng thường được xác định trực tiếp trong quá trình chế tạo bằng biến tử thạch anh. Khi màng bay hơi sẽ bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động của biến tử sẽ tỉ lệ với chiều dày của màng bám vào biến tử.
2.1.3 Phương pháp phún xạ catốt
Cơ sở của phương pháp là: Dựa vào hiện tượng bắn phá của các hạt có năng lượng cao vào bề mặt của vật rắn làm bia (được gần với catốt) làm bật ra các nguyên tử của vật liệu làm bia. Các nguyên tử này được gia tốc trong một điện trường giữa bia và đế (được gắn với anốt) bay đến bám vào đế rồi lắng đọng tạo thành màng mỏng.
Các hạt thường dùng để bắn phá bia là khí trơ như argon hoặc hỗn hợp khí argon với khí kích hoạt là oxi hay nitơ. Màng mỏng được chế tao bằng phương pháp này có chất lượng rất tốt như: độ sạch, độ đồng nhất, độ định hướng cao và có thể điều khiển được độ dày của màng [6].
Hình 2.3 Hệ tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catơt 2.1.4 Phương pháp lắng đọng hóa học CVD 2.1.4 Phương pháp lắng đọng hóa học CVD
Bên cạnh phương pháp dung dịch, một trong những phương pháp tổng hợp vật liệu rắn có độ tinh khiết cao là phương pháp lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapour
Deposition – viết tắt là CVD). Phương pháp CVD tổng hợp vật liệu rắn bằng cách cho các chất hóa học ban đầu (precursor) phản ứng với nhau và lắng đọng trên đế đã được nâng nhiệt để hình thành màng vật liệu rắn trên đế.
Bia Đế tạo
Catốt Anốt
Khí Ar Ngun tử kích
Sự hình thành vật liệu của phương pháp CVD bao gồm các quá trình:
a.Vận chuyển các precursor vào buồng phản ứng: Quá trình này nhằmcung cấp liên
tục và đồng nhất lượng precursor để lắng đọng trên đế.Precusor sẽ được dùng nhiệt để làm hóa hơi, sau đó hơi precusor được đưa vào buồng phản ứng bằng dịng khí mang.
b.Các precursor phản ứng với nhau và lắng đọng tạo màng:hơi các loạiprecusor
sau khi được dịng khí mang đưa vào buồng sẽ phản ứng vớinhau, các phản ứng này có thể xảy ra ở pha khí rồi mới lắng đọng xuống đế hay các chất khi khuếch tán xuống bề mặt đế mới phản ứng với nhau hoặc xảy ra đồng thời hai quá trình trên.
c.Quá trình giải hấp các sản phẩm phụ: các sản phẩm phụ sau phản ứng được giải
hấp ra khỏi bề mặt đế và được đưa ra khỏi buồng phản ứng theo dòng khí mang.
Hình 2.4 Sơ đồ của q trình CVD
Phương pháp CVD có thể được xem là một trong những phương pháp tạo màng có độ tinh khiết cao. Bên cạnh đó, phương pháp này cịn có một số ưu điểm như: tốc độ lắng dọng nhanh, có thể lắng đọng màng trên những cấu trúc hình dạng phức tạp, cho phép thay đổi hợp chất phản ứng ngay cả trong quá trình lắng đọng…Tuy nhiên ta vẫn phải kể đến những hạn chế khi lắng đọng màng bằng phương pháp CVD. Hạn chế đầu tiên là phương pháp này khó thực hiện với một số
tiếp theo cũng là vấn đề cần quan tâm khi thực hiện phương pháp này, đó là các sản phẩm phụ sau phản ứng có thể độc hại. Vì vậy, hệ thống xử lý chất thải của hệ CVD cần được thiết kế an tồn để bảo vệ cho mơi trường.
2.1.5 Phương pháp Spin-coating
Cơ sở của phương pháp là dựa vào hiện tượng dính ướt giữa dung dịch vật liệu với đế và lắng đọng tạo thành màng mỏng
Quy trình chế tạo:
+ Pha hỗn hợp dung dịch chứa hai muối của chất nền và chất kích hoạt sao cho sản phẩm kết tủa thu được, ứng với tỉ lệ chất nền chất kích hoạt như trong sản phẩm mong muốn.
+ Tạo kết tủa
+ Lọc và rửa kết tủa
+Vật liệu được hòa tan vào nước, khuấy từ để đảm bảo đồng đều, dung pipet nhỏ
từng giọt dung dịch theo phương thẳng đứng xuống đế đang quay tròn trong mặt
phẳng ngang, lực li tâm sẽ làm dung dịch lan trên mặt đế tạo thành màng.
Hình 2.5 Quy trình tạo màng bằng phương pháp Spin Coating
-Ưu điểm của phương pháp là tạo màng mỏng dễ dàng và nhanh chóng phủ được nhiều lớp màng lên đế.
-Nhược điểm của phương pháp là màng có thể khơng đồng đều nếu đế bị nghiêng hoặc hoạt chất không tập trung vào tâm đế.