2.1 Các phương pháp chế tạo màng mỏng
2.1.2. Phương pháp bốc bay chùm tia điện tử
a. Cơ sở lý thuyết
Đặc điểm nổi bật của phương pháp chùm tia điện tử khác với các phương pháp bốc bay nhiệt hay phún xạ catốt là sử dụng năng lượng của chùm electron hội tụ trực tiếp trên vật liệu. Khi chùm electron năng lượng cao bắn phá vật liệu thì tồn bộ động năng của electron được chuyển thành nhiệt năng do electron bị dừng đột ngột. Nguyên lý hoạt động của súng điện tử trong chân khơng hồn tồn giống như một đ n điện tử ba cực (triôt): catốt là sợi dây volfram có điện áp tới -10kV. Điện áp trên điện cực lưới được điều khiển có độ chênh điện áp cần thiết so với catôt. Anốt thường là tồn bộ thành chng thép không rỉ. Khác với triốt, trong thiết bị chân khơng cịn có nam châm điện với từ trường có hướng song song với sợi catốt (vng góc với hướng bay ra của electron). Điều khiển độ lớn của từ trường sẽ chỉnh được khoảng cách hội tụ của chùm tia điện tử.
Quỹ đạo bay của chùm tia điện tử được quyết định bởi hai yếu tố quan trọng đó là vận tốc ban đầu thốt ra khỏi catốt và độ lớn của từ trường, theo định luật Lorentz:
(2.1)
Mật độ dòng electron Je sinh ra do phát xạ nhiệt bởi đốt nóng dây catốt được thể hiện bằng phương trình Richardson:
( ) ) (2.2)
A là hằng số Richardson, e là độ lớn điện tích electron và Ф là cơng suất thốt, T- nhiệt độ sợi đốt.
Khi ngu n phát xạ hoạt động tại mức bão hịa thì dịng catốt cực đại được điều khiển bằng việc lựa chọn dòng đốt. Dưới mức bão hòa, mật độ dòng phụ thuộc vào thế gia tốc. Động năng ban đầu của electron phát xạ là 3kT/2, không đáng kể so với động năng cuối cùng chúng đạt được sau khi được gia tốc trong điện trường một chiều với điện áp cao từ 7 đến 10kV.
Chùm electron bắn ra từ súng điện tử được chuyển động trên các cung tròn khác nhau và hội tụ vào bia vật liệu. Đường đi của chùm electron đã được thăm dò một cách định lượng. Quĩ đạo của electron được tính tốn bằng tích phân các phương trình chuyển
29
động. Các kết quả đã chỉ ra rằng: có thể xác định được vị trí ban đầu của electron đối với sợi phát xạ trong điện trường và từ trường, phát ra từ sợi phát xạ, được điều khiển và bắn chính xác vào bia vật liệu theo cung tròn. Những electron nằm ở bên dưới sợi phát xạ được điều khiển và hội tụ vào bia vật liệu hồn tồn chính xác. So sánh quĩ đạo chuyển động của các electron phát ra từ các vị trí của sợi phát xạ cho thấy những electron xuất phát từ vị trí ở bên dưới sợi phát xạ bắn vào chén nung chính xác hơn electron xuất phát bên trái sợi phát xạ và kém chính xác đối với vị trí xuất phát ở bên trên sợi phát xạ. Đối với vị trí bên phải sợi phát xạ, nghĩa là vị trí nằm giữa sợi phát xạ và chén nung, electron chuyển động với quĩ đạo lệch ra ngoài chén nung. Vì vậy, súng điện tử cấu tạo sao cho những electron bắn ra từ sợi phát xạ, qua khe hẹp, vào bia vật liệu đạt hiệu quả cao. Chùm tia điện tử được gia tốc trong điện trường có năng lượng cao và hội tụ vào bia vật liệu nhờ tác dụng của từ trường điều khiển. Vật chất từ bia vật liệu được hóa hơi, thành các phần tử r i lắng đọng lên đế nóng. Phương pháp bốc bay chùm tia điện tử là phương pháp chế tạo màng mỏng có độ tinh khiết cao. Trong một số trường hợp lắng đọng màng mỏng, chùm tia điện tử được lai ghép cùng với chùm ion hoặc có sự tham gia của khí phản ứng. Trong q trình bay hơi phản ứng, cả hơi kim loại và khí phản ứng đều được ion hóa trong mơi trường plasma, tăng cường phản ứng của hơi kim loại trên bề mặt mọc của màng, thúc đẩy sự hình thành hợp chất. Quá trình lắng đọng bằng chùm tia điện tử được hỗ trợ bằng chùm ion (ion beam assisted deposition), đã kết hợp được lợi ích của tốc độ lắng đọng cao và sự bắn phá của chùm ion, làm thay đổi tính chất của màng mỏng được lắng đọng. Màng mỏng Ti trong đề tài chủ yếu được bốc bằng hệ mini – sputter của
ULVAC
b. Ưu điểm của phương pháp bốc bay chùm tia điện tử
- Môi trường chế tạo mẫu sạch nhờ có chân khơng cao từ 10-5
-10-6 mbar
- Độ tinh khiết của màng so với vật liệu gốc được đảm bảo do các phần tử gần như bay hơi tức thời dưới tác dụng nhiệt nhanh của chùm tia điện tử;
- Bốc bay được hầu hết các loại vật liệu vì chùm tia điện tử hội tụ có năng lượng rất lớn;
- Dễ điều chỉnh áp suất, thành phần khí, nhiệt độ, cũng như dễ theo dõi quá trình lắng đọng;
30
- Có thể sử dụng rất ít vật liệu gốc (dưới 10mg) để bốc bay, cho nên trong các trường hợp tiến hành nhiều thực nghiệm để tìm kiếm cơng nghệ chế tạo vật liệu mới sẽ tiết kiệm đáng kể nguyên vật liệu quý hiếm