là Ar áp suất thấp, đế được đặt ở anode, vật liệu tạo màng được đặt ở cathode (thường gọi là bia).
• Bộ phận chính của một hệ phún xạ magnetron phẳng bao gồm một hệ nam châm được xếp theo một trật tự sao cho từ trường luôn trải ngang qua vùng điện tích làm việc theo một cách nhất định (từ trường hướng từ ngoài vào trong). Vùng điện tích làm việc (vùng có từ trường) được thiết kế khép kín để làm “bẫy từ” “nhốt” các điện tử bên trong nó và quá trình ion hoá xảy ra. • Bia được đặt sát hệ thống nam châm, và trong quá trình làm việc cần được
giải nhiệt liên tục. Cả hệ thống nam châm và bia được cách điện với lớp áo bao bọc bên ngoài chúng. Lớp áo này được làm bằng kim loại và được nối đất. Khoảng cách từ lớp áo đến hệ thống nam châm – bia cũng được thiết kế thích hợp để chống sự phóng điện giữa chúng cũng như giữa bia (cathode) với thành buồng chân không.
• Các hạt vật liệu được bật ra từ bia do sự bắn phá của các ion Ar+ dưới tác dụng của điện trường đặt vào. Vật liệu bị bứt ra khỏi bia, đi đến đế và ngưng tụ trên bề mặt đế tạo thành màng.
Hình 2.3. Hệ magnetron cân bằng (a) và không cân bằng (b).
Hệ magnetron cân bằng (Hình 2.3a): Các nam châm có cường độ như nhau, nam châm ở giữa khá mạnh để có thể kéo hầu hết các đường sức từ phát ra từ nam châm bên ngoài nên có đường sức từ trường khép kín. Do đó, các e- chịu tác dụng mạnh của từ trường ngang, các e- chủ yếu chuyển động gần bia, ít bị va đập vào đế, đế ít bị đốt nóng, thích hợp tạo màng cho các loại đế không chịu được T0 cao: nhựa, giấy...
Hệ magnetron không cân bằng (Hình 2.3b): Nam châm ở giữa có cường độ yếu hơn, 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 dẫn đến đường sức từ trường không khép kín. Do đó các e- ít chịu tác dụng của từ trường ngang, e- sẽ theo từ trường đến đế với vận tốc lớn, đế bị e-
va đạp mạnh làm cho nó bị đốt nóng nhiều, thích hợp để tạo màng yêu cầu nhiệt độ cao.
2.1.3. Nguyên tắc hoạt động của phún xạ magnetron
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 đường đi của điện tử được tăng lên nhiều lần trước khi đến anode (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 tử được tăng lên. Khi số điện tử sản sinh bằng số điện 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. [2]
Chuyển động của điện tử trong trường hợp trên được mô tả bằng bài toán tìm quỹ đạo chuyển động của điện tử trong điện từ trường vuông góc.
Đặc trưng của quá trình phún xạ (Hình 2.5):
Khoảng không gian giữa anode và cathode có thể chia làm 3 vùng (Mỗi vùng có phân bố thế năng khác nhau).
• Vùng sụt thế Cathode (vùng 1): e thứ cấp vừa mới được sản sinh từ va chạm ion+ và bia, điện thế âm tăng dần (“sụt thế”), vận tốc e- thứ cấp ve nhỏ và được gia tốc trong điện trường.
• Vùng ion hóa (vùng 2): electron chuyển động “đặc biệt” trong điện từ trường với ve đủ lớn, ion hóa nguyên tử khí, làm tăng mật độ electron, điện thế âm tăng đến giá trị ngưỡng, rồi giảm do quá trình tái hợp.
• Vùng plasma (vùng 3): mật độ ion+ giảm dần, do đó, điện thế âm tăng chậm dần.
Hình 2.5. Sự phân bố thế trong phóng điện khí.