Phún xạ là hiện tượng vật lý mà các ion khí trơ (thường là Argon) được gia tốc trong điện trường sẽ bắn phá bề mặt bia vật liệu được áp điện thế âm. Tại đó, nhờ có động năng lớn chúng đẩy các nguyên tử ra khỏi bề mặt. Cuối cùng các nguyên tử này sẽ lắng đọng trên đế.
Hình1.2. Bản chất vật lý của quá trình phún xạ.
Xét về mặt điện áp sử dụng, có hai phương pháp phún xạ là phún xạ một chiều (DC sputtering) và phún xạ xoay chiều (RF sputtering). Ngoài ra, nhằm tăng hiệu suất phún xạ người ta đặt các nam châm bên trong nguồn phún xạ nhằm tạo ra từ trường bao quanh catot để bẫy các điện tử dễ dàng hơn. Phương pháp này gọi là phún xạ magnetron.
Phún xạ phóng điện phát sáng một chiều (DC glow - discharge sputtering) Trong kỹ thuật này, một điện trường được tạo ra giữa anot là tấm giữ đế (substrate holder) và catot là bia. Các điện tử được tăng tốc trong điện trường này và va chạm với các nguyên tử Argon, làm ion hóa các nguyên tử này và tạo ra các điện tử thứ cấp. Các electron mới tạo ra nhận năng lượng từ điện trường để ion hóa các nguyên tử Argon mới, tạo thành plasma ở gần bề mặt bia. Các ion Argon từ plasma tăng tốc về phía bia được tích điện âm, ở đó chúng làm bật ra (phún xạ) các nguyên tử trên bề mặt bia. Áp suất trong buồng trong quá trình phún xạ thường vào khoảng từ 10 -3 tới 10 -1 torr. Ở khoảng áp suất này, các nguyên tử (hay ion) bị phún xạ từ bia sẽ di chuyển tới đế mà không chịu va chạm đáng kể, trong khi đó vẫn có đủ va chạm giữa các electron và nguyên tử Argon để duy trì plasma.
Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF glow - discharge sputtering) Đối với bia là vật liệu cách điện thì cần phải sử dụng một nguồn xoay chiều (phún xạ RF). Nếu không, bia sẽ liên tiếp bị bắn phá bởi các ion dương, và do vật liệu là cách điện, bề mặt bia sẽ nhanh chóng tích điện dương và ngăn cản các ion dương tiếp tục đi tới. Trong một hệ thống phún xạ RF, bề mặt của bia được tích điện bởi một tụ điện tại tần số 13.56MHz (đây là tần số được quy ước sử dụng cho phún xạ RF), khiến bia sẽ tích điện âm trong một nửa chu kỳ và tích điện dương trong nửa chu kỳ còn lại. Như vậy bia sẽ bị bắn phá liên tục bởi hoặc các ion dương hoặc là các điện tử.
Phún xạ magnetron (magnetron sputtering)
Một biện pháp để tăng mật độ ion ở gần bề mặt bia là sử dụng từ trường để giữ electron, nhờ vậy sẽ tăng hiệu suất ion hóa của chúng ở vùng gần bia.
Hình 1.3 cho thấy cấu hình của hệ phún xạ này được cải tiến bằng cách đặt thêm một đĩa nam châm ở đằng sau bia. Từ trường của các nam châm này có tác dụng bẫy các điện tử lại gần bia, làm cho các điện tử chuyển động xoắn ốc và làm tăng hiệu ứng ion hóa của chúng bằng cách tăng số va chạm giữa các điện tử và các nguyên tử khí. Các ion có khối lượng khá lớn nên không bị giữ lại bởi từ trường. Trong các cấu hình phún xạ thông thường không sử dụng nam châm, chỉ vài phần trăm lượng nguyên tử khí trơ được ion hóa. Trong cấu hình này, thành phần từ trường vuông góc với điện trường làm tăng quãng đường của các điện tử ion hóa. Do vậy các hệ phún xạ magnetron có các ưu điểm như: tốc độ phủ cao, nhiệt độ đế giảm và sự phóng điện phát sáng có thể được duy trì ở áp suất phún xạ thấp hơn. Phương pháp này cũng có hiệu điện thế trong quá trình phún xạ thấp hơn so với các phương pháp phún xạ thông thường, giúp giảm thiểu sự tạo ra các bức xạ đâm xuyên.
Hình 1.3. Mô hình quá trình phún xạ magnetron.