Phương pháp phún xạ magnetron DC

2.1.1. Hệ magnetron phẳng [5, 17].

Bộ phận chính của hệ phún xạ magnetron phẳng là một hệ nam châm được bố trí khép kín để tạo bẫy từ. Bẫy từ có tác dụng nhốt electron và bắt chúng chuyển động theo một “trường đua” nhằm tăng quãng đường chuyển động của chúng lên gấp nhiều lần so với khoảng cách giữa hai điện cực, qua đó làm tăng khả năng ion

Luận văn thạc sĩ Vật lý 29 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

hóa chất khí.

* Mô tả hệ phún xạ.

+ Hệ phún xạ magnetron phẳng như một diode phẳng, trong đó từ trường phối hợp với bề mặt catốt để tạo thành bẫy điện tử. Bẫy này cần phải có dạng thích hợp để dòng cuốn điện tử có thể tự khép mình.

+ Vật liệu cần phủ dùng để phún xạ là một tấm kim loại. Toàn bộ bia, bản giải nhiệt tạo thành một tổ hợp catốt.

+ Từ trường được thành lập do một vòng nam châm bên ngoài bao quanh và đối cực với một nam châm ở giữa. Chúng được nối từ với nhau bằng một tấm sắt.

Bằng cách bố trí thích hợp ta có thể thu được các giá trị khác nhau của cường độ từ trường trên mặt bia.

* Nguyên lý hoạt động.

Khi thế âm được áp vào hệ giữa bia (catốt) và đế vật liệu được phủ (anốt)

sẽ sinh ra một điện trườngE làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện có trong hệ. Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào catốt (bia) và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc

trong trong điện trường E đồng thời bị tác động của từ trường ngang B, từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần catốt theo quỹ đạo xoắn trôn ốc, do đó chiều dài quãng

Luận văn thạc sĩ Vật lý 30 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

đường đi của điện tửđược tăng lên nhiều lần trước khi đến anốt (đế).

Trong quá trình chuyển động, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử hay phân tử khí và tạo ra những ion (sự ion hóa), các ion này được gia tốc đến bia và làm phát xạ những điện tử thứ cấp dẫn làm cho nồng độ điện tửđược tăng lên. Khi sốđiện tử sản sinh bằng sốđiện tử mất đi do quá trình tái hợp lúc đó sự phóng điện là tự duy trì. Lúc này, khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh. Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao này đập vào bia làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện. Lúc này khi tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể.

Chuyển động của điện tử trong trường hợp trên được mô tả bằng bài toán tìm quỹđạo chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuông góc.

* Đặc trưng riêng của phún xạ.

Theo lý thuyết phóng điện khí, sự phân bố thế trong magnetron phẳng được chia làm 3 vùng:

 Vùng sụt thế catốt (vùng I) có điện trường lớn. Trong vùng này điện tử thứ cấp sinh ra từ catốt sẽ được điện trường gia tốc để đi vào vùng ion hóa theo hướng trực giao với nó.

 Vùng ion hóa (vùng II) có điện trường rất bé. Trong vùng này, điện tử va chạm với các phân tử khí, ion hóa chất khí, và mất năng lượng. Các ion sinh ra do quá trình ion hóa sẽ được gia tốc trong vùng sụt thế catốt và thực hiện chức năng

Luận văn thạc sĩ Vật lý 31 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

phún xạ.

 Vùng plasma (vùng III): điện trường trong vùng này cũng rất bé.

2.1.2. Hệ magnetron không cân bằng [5, 17].

Nam châm ở giữa có cường độ không đủ mạnh để có thể kéo vào tất cả các đường sức phát ra từ các nam châm vòng ngoài bao quanh nó. Chính vì thế, một vài đường sức không kéo vào, nó lượn uốn cong ra ngoài hướng vào đế. Các điện tử dịch chuyển trên những đường sức này không bị tác động của từ trường ngang nên sẽ di chuyển hướng về đế. Khi di chuyển nó sẽ kéo theo các ion được gọi là hiện tượng khuếch tán lưỡng cực, hiện tượng này làm tăng mật độ dòng ion đến đế. Năng lượng bắn phá đế có thể tăng lên tuỳ vào thế phân cực âm ởđế, và đế sẽ được đốt nóng. Như vậy, đế được cấp nhiệt một cách liên tục,bởi sự bắn phá của ion, do đó thích hợp cho việc tổng hợp các màng ở nhiệt độ cao.

2.1.3. Phún xạ phản ứng [14, 16].

Phún xạ phản ứng là sự phún xạ bia kim loại trong môi trường có khí hoạt tính như O2, N2, N2O… Màng tạo được là hợp chất giữa hạt phún xạ và khí hoạt tính.

Quá trình phún xạ trong plasma, các nguyên tử khí trung hòa va chạm với điện tử biến thành các chất khí có hoạt tính rất cao (khả năng tương tác hóa học lớn), các khí hoạt tính này phản ứng với hạt phún xạ trong 3 trường hợp: trên bia,

Luận văn thạc sĩ Vật lý 32 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

trên đế, và trong môi trường plasma. Trong đó, phản ứng tạo thành hợp chất chủ yếu xảy ra trên bia và trên đế, còn trong môi trường plasma xảy ra ít hơn do có sự giới hạn của các định luật bảo toàn xung lượng.

Hạn chế của quá trình phún xạ phản ứng là tốc độ hình thành màng thấp và hồ quang. Tốc độ hình thành màng thấp được giải thích là do năng lượng liên kết của các hợp chất cao hơn nên hiệu suất phún xạ hợp chất thấp. Còn hồ quang có thể được kiểm soát bởi phún xạ RF, vì trong phún xạ RF ion bắn phá bề mặt bia trong suốt một chu kì và trong chu kì kế, nên điện tử trung hòa với điện tích vừa thành lập.

2.1.4. Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình phún xạ [5].

Khi năng lượng ion nhỏ, quá trình phún xạ chỉ xảy ra do sự va chạm giữa ion với nguyên tử nằm trên lớp đầu tiên của bề mặt bia. Vì xác suất va chạm với những nguyên tử gần bề mặt tỉ lệ nghịch với quãng đường tự do trung bình λ(E) của ion trong kim loại, còn năng lượng mà ion trao cho nguyên tửở va chạm đầu tiên sẽ tỉ lệ với Emax, với 2 4 ( ) max mM E E m M   (2.1) Nên ta có thể viết: E M m mM E K N 2 ) ( ) (    (2.2) Trong đó:N : hệ số phún xạ

K: là hằng số phụ thuộc vào đặc trưng kim loại

λ(E): quãng đường tự do trung bình của ion trong kim loại, và được xác định: 0 2 1 n R    (2.3) n0: là số nguyên tử có trong một đơn vị thể tích

R: khoảng cách gần nhất giữa hai hạt trong quá trình va chạm (bán kính va chạm)

Luận văn thạc sĩ Vật lý 33 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

M, m: là khối lượng nguyên tử va chạm và ion Bán kính R có thểđược xác định từ biểu thức: 2 1 2 ' M Z Z e exp( )R E E m M R a    (2.4)

E’: là năng lượng ion trao cho nguyên tử trong quá trình va chạm. Z1, Z2: là sốđiện tích của ion và nguyên tử kim loại.

a*: là bán kính màn chắn hạt nhân ( bán kính Bohr) Từđó, ta nhận thấy rằng :

- Hệ số phún xạ tỷ lệ với đại lượng m.M(m+M)2, lớn nhất khi m = M.

- Với mỗi cặp ion – kim loại cho trước, N tăng khi năng lượng ion tăng, rồi tiến dần đến giá trị bão hòa. Giá trị năng lượng tương ứng với giá trị bão hòa càng nhỏ thì ion có khối lượng càng nhỏ.

- Biết được giá trị tới hạn của các cặp ion – kim loại loại cho phép ta lựa chọn khí trơ sao cho tương ứng với kim loại dùng làm bia để có được hiệu suất phún xạ lớn nhất.

2.2. Các phương pháp đo.

2.2.1. Xác định độ truyền qua của màng bằng thiết bị V – 530 UV-vis spectrophotometer. spectrophotometer. Máy đo phổ Máy tính Mẫu Đèn Thấu kính Đầu thu Bộ khuếch đại Hình 2.4: Sơđồ khối hệđo truyền qua.

Luận văn thạc sĩ Vật lý 34 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Phương pháp đo phổ truyền qua được sử dụng để xác định tính trong suốt của màng mỏng. Nếu màng mỏng có độ truyền qua trong vùng ánh sáng khả kiến trên 80% thì được xem là trong suốt trong vùng đó. Ngoài ra từ phổ truyền qua chúng ta có thể tính được độ rộng vùng cấm quang, chiết suất, hệ số hấp thu của màng. Sơđồ khối của hệđo truyền qua được mô tả như hình 2.5.

Hệ số hấp thu  có thểđược tính theo phương trình sau:

1 ln T d         (2.5)

Trong đó: T là độ truyền qua và d là bề dày màng.

Đối với bán dẫn chuyển mức thẳng thì độ rộng vùng cấm quang phụ thuộc vào hệ số hấp thu theo phương trình:

 2  

g

h A h E

    (2.6)

Trong đó A, Eg, h lần lượt là hằng số, độ rộng vùng cấm quang và năng lượng photon tương ứng. Giá trị Eg được xác định bằng cách vẽ đường cong (h)2 theo năng lượng photon h và ngoại suy tuyến tính từđường cong theo trục h.

Độ truyền qua phụ thuộc vào bề dày và hệ số hấp thu màng có thểđược tính

theo công thức: T (1 R) exp(2 d) (2.7)

Trong đó: T là độ truyền qua  là hệ số hấp thu R là độ phản xạ d là độ dày màng.

Chiết suất cũng là một thông số quan trọng của vật liệu quang và các ứng dụng của nó. Do đó việc xác định các hằng số quang và chiết suất của màng là rất quan trọng. Chiết suất của màng có thểđược xác định theo công thức (2.8).

 2 2 1 4 1 1 R R n k R R       (2.8) Trong đó: k = /4 là hệ số tắt. Hằng số điện môi được định nghĩa là  ( ) 1( )i 2( ), các phần thực và phần ảo của hằng sốđiện môi liên quan tới giá trị của chiết suất n và hệ số tắt k. Các giá trị1, 2được tính từ các công thức (2.9):

Luận văn thạc sĩ Vật lý 35 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

2 2 1( ) n ( ) k ( )

      ;  2( ) 2 ( ) ( ) n k . (2.9)

2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X.

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp thông dụng nhất dùng để xác định cấu trúc của vật liệu. Sự nhiễu xạ tia X cho thông tin về mạng tinh thể 3 chiều khi  (góc tới) c (góc giới hạn), có thể xác định được tinh thể, phân biệt các dạng kết tinh khác nhau của cùng một chất, các biến thể. Với phương pháp này mẫu không bị phân huỷ, chỉ cần một lượng nhỏ có thể phân tích được, nên phương pháp này có thể dùng khảo sát cấu trúc của màng mỏng.

Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để khảo sát màng mỏng là phương pháp Bragg-Brentano. Theo công thức nhiễu xạ Bragg, khi chiếu chùm tia X có bước sóng λ lên một tinh thể, mỗi nút của mạng trở thành một tâm nhiễu xạ. Sự nhiễu xạ xảy ra theo mọi phương nhưng mạnh hơn cả là theo phương phản xạ gương. Ta xét một họ mặt nguyên tử song song cách đều nhau một khoảng dhkl.

Giả sử chùm tới nằm trong mặt phẳng của hình 2.5. Hiệu quang lộ giữa các tia phản xạ từ các mặt lân cận bằng 2dhklsin . Sóng phản xạ từ các mặt kế tiếp

Định luật Bragg

Điều kiện giao thoa:

Công thức định luật Bragg

Luận văn thạc sĩ Vật lý 36 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

nhau sẽđược tăng cường khi hiệu quang lộ bằng một số nguyên lần bước sóng:

2dhkl sin m (2.10)

Công thức này gọi là công thức nhiễu xạ Bragg hay điều kiện nhiễu xạ Bragg. Từ lập luận đơn giản như trên ta thấy công thức Bragg là hệ quả của tính chất cơ bản của tinh thể tính tuần hoàn không liên quan gì đến thành phần hoá học của tinh thể cũng như cách sắp xếp của các nguyên tử trong những mặt phản xạ. Các yếu tố đó ảnh hưởng đến cường độ của chùm nhiễu xạ, đây là một thông số quan trọng khi phân tích định lượng.

* Xác định kích thước hạt.

Chọn màng có độ dày tương đối để tìm kích thước hạt của màng. Áp dụng công thức Scherrer [92] để tính kích thước hạt thông qua phổ nhiễu xạ tia X:

 max 2 cos 9 . 0    B d  (2.11) Trong đó: d là kích thước hạt (nm). B2 là độ bán rộng của đỉnh tại nữa cường độ vạch phổ (rad). θmax là góc nhiễu xạ của đỉnh phổ (rad).

 là bước sóng đặc trưng của tia X sử dụng ( 1.5406Ao).

2.2.3. Phương pháp Stylus.

Phương pháp Stylus là phương pháp đo bề dày màng bằng cách di chuyển một cách chính xác và đầu dò ghi theo chương trình làm sẵn về quét chiều dài, tốc độ và lực đầu dò. Máy Stylus là một thiết bị có hệ cơ nốt kết với hệ LVDT (Linear Variable Differential Transformer).

Khi bàn soi di chuyển mẫu, đầu dò sẽ lướt trên bề mặt mẫu. Biến thiên của bề mặt làm đầu dò dịch chuyển theo chiều thẳng đứng. Tín hiệu đầu dò ghi nhận được sẽđược chuyển đến vị trí lõi của LVTD. Thang đo LVTD sẽ chuyển thành tín hiệu điện với độ chính xác cao tương ứng với sự thay đổi vị trí của đầu dò, tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số.

Luận văn thạc sĩ Vật lý 37 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Tín hiệu số trong quá trình quét sẽ được lưu lại trong bộ nhớ máy tính cho việc biễu diễn, tính toán, đo đạc và in. Chương trình bộ nhớ máy đo Stylus (Dektal 6M) có thể dễ dàng thay đổi để phù hợp với mục đích sử dụng và thí nghiệm.

2.2.4. Phương pháp bốn mũi dò.

Điện trở suất của mẫu là thông số quan trọng, nó có thể liên hệ với độ dẫn của mẫu (ví dụ như quá pha tạp) như là hiệu ứng một chiều trên đặc tính thiết bị. Một phương pháp đơn giản để xác định  mà không phá hủy mẫu thường người ta dùng phương pháp bốn mũi dò.

Có bốn đầu nhọn bằng kim loại tungsten (W) có khoảng cách bằng nhau Dòng thay đổi Đầu dò 1mm Mẫu R A V Hình 2.7: Sơđồ phương pháp bốn mũi dò. LVTD Điều kiện tín hiệu Mẫu Bàn soi Chuyển đổi A/D Bộ nhớ máy tính Hình 2.6. Sơđồ khối của máy đo Stylus.

Luận văn thạc sĩ Vật lý 38 GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

được dùng để tiếp xúc với bề mặt bán dẫn. Dòng điện đi qua giữa hai kim bên ngoài, trong khi đó hiệu điện thếđược đặt giữa hai mũi kim bên trong. Vì không có dòng điện (rất nhỏ) đi xuyên qua nên không có sự sai biệt hiệu điện thế đưa vào giữa các kim tiếp xúc. Tuy nhiên, có sự giảm thế ngang ở chổ tiếp xúc của các kim bên ngoài nhưng chúng ta chỉ đo dòng trong phạm vi vòng giữa chỗ tiếp xúc các kim.

Các đầu dò mang dòng (đầu dò bên ngoài) giống như nguồn lưỡng cực, thiết lập trường phân bố bên trong mẫu khi đo. Chúng ta phải giải thích điện thế khác nhau giữa hai đầu dò lân cận dưới sự biến đổi của điều kiện biên, từđó suy ra biểu thức liên hệ dòng cung cấp, hiệu điện thế khác nhau và điện trở suất của mẫu thông qua các trường hợp sau:

Trường hợp mẫu bán vô hạn, điện trở suất được cho bởi công thức

I V s) 2 (    (2.12) s: khoảng cách giữa các đầu dò.

Trong trường hợp màng hai chiều mỏng. Ởđây dòng được xem như bị giam hãm hoàn toàn trong lớp bề dày t, với t << s. Điện trở này được định nghĩa là “điện trở mặt”, Rs (Ohm/square) hay (Ω/).

Điện trở suất của thanh vật liệu có chiều dài, rộng và bề dày t là

 Rs.t(.cm) (2.13) Và điện trở mặt cho hai hướng

I V I V G Rs . 4.53. 2 ln .    ( Ω/) (2.14)

Mẫu tạo bởi quá trình khuếch tán có độ sâu lớp khuếch tán t thì