28 8
2.1.2.1. Khái quát về các phương pháp chế tạo màng mỏng
Trong khoa học kỹ thuật, màng mong được hiếu là lớp chất rắn phủ lên bề mặt của vật rắn khác (được gọi là đế) với chiều dày nhất định. Nhìn chung, chiều dày của màng mỏng được đề cập trong các công nghệ vật liệu và linh kiện điện tử, quang điện tử,... nằm trong khoảng từ vài nano-mét tới vài micro-mét.
Ngày nay, công nghệ màng mỏng liên tục được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo các linh kiện điện tử và vi điện tử, linh kiện quang điện tử, gương dẫn sóng quang học, lớp phủ đa lớp có các tính năng đặc biệt,... Công nghệ chế tạo màng mỏng vô cùng đa dạng và phong phú, bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp. Các phương pháp chế tạo màng mỏng được sử dụng phổ biến hiện nay được chia làm ba nhóm chính là [1]:
1) Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (Chemical vapor deposition - CVD). 2) Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lí (Physical vapor deposition - PVD). 3) Phương pháp hóa và hóa lí kết hợp.
Sự lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào đối tượng vật liệu quan tâm và điều kiện trang thiết bị. Trong điều kiện thực tế ở Việt Nam để chế tạo màng mỏng LLTO chúng tôi sử dụng phương pháp bốc bay chùm tia điện tử.
2.7.2.2. Bốc bay chùm tỉa điện tử a) Cơ sở lý thuyết và mô tả thực nghiêm
Đặc điểm nổi bật của phương pháp chùm tia điện tử khác với các phương pháp bốc bay nhiệt hay phún xạ catôt là sử dụng năng lượng của chùm điện tử được hội tụ trực tiếp trên vật liệụ Khi chùm điện tử năng lượng cao bắn phá vật liệu, toàn bộ động năng của chúng được chuyển thành nhiệt năng do bị dừng đột ngột. Nguyên lý hoạt động của súng điện tử trong chân không hoàn toàn giống như một đèn điện tử ba cực (triot): catôt là sợi volíram có điện áp một chiều tới -lOkV, điện áp điện cực lưới được điều khiển có độ chênh điện áp cần thiết so với catôt, anôt thường là toàn bộ thành chuông thép không rỉ. Khác với đèn triot, trong thiết bị chân không còn có nam
29 9
châm điện với từ trường hướng song song với sợi catôt (vuông góc với hướng bay ra của điện tử), điều khiển độ lớn của từ trường sẽ chỉnh được vị trí hội tụ của chùm điện tử.
Quỹ đạo của chùm điện tử được quyết định bởi hai yếu tố quan trọng là vận tốc ban đầu thoát ra khỏi catôt và độ lớn của từ trường, theo định luật Lorentz:
F = q [ v A B ] ( 2. 1)
Mật độ dòng điện tử ie sinh ra do phát xạ nhiệt bởi đốt nóng dây catôt được thể hiện bằng công thức Richardson:
ie=AT2exp|-^ậ| (2.2)
ớ đây: A là hằng số Richardson, e - độ lớn điện tích của điện tử và (p - thế hiệu mặt ngoài liên hệ với công thóat A<p theo công thức A(p = eọ, T - nhiệt độ sợi đốt.
Khi nguồn phát xạ hoạt động tại mức bão hòa thì dòng catôt cực đại được điều khiến bằng việc lựa chọn dòng đốt. Dưới mức bão hoà, mật độ dòng phụ thuộc vào thế gia tốc. Động năng ban đầu của điện tử 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 điện áp cao (từ 5 -r lOkV).
Các điện tử bắn ra từ súng điện tử có vận tốc khác nhau khi đi vào trong điện trường và từ trường do vậy chúng sẽ hội tụ trên bia ở các vị trí khác nhaụ Vì vậy, trên điện cực lưới bố trí một khe sao cho các điện tử thoát ra có vận tốc như nhau khi đi vào trong từ trường, nhờ đó, có thể dễ dàng điều chỉnh chùm điện tử hội tụ vào nguồn bốc baỵ
Chùm tia điện tử được gia tốc trong điện trường có năng lượng cao và được hội tụ vào vật liệu nguồn nhờ tác dụng của từ trường điều khiển, khi đó vật liệu được hóa hơi rồi lắng đọng lên đế. Do chùm tia điện tử có năng lượng rất lớn và diện tích hội tụ nhỏ vì vậy vật liệu gần như được hóa hơi tức thì. Chính đặc điểm này cho phép nó có thể tạo được màng mỏng của hầu hết các vật liệu đặc biệt là đối với các vật liệu nhiều thành phần.
30 0
b) ưu điếm của phương pháp
- Môi trường chế tạo mẫu sạch nhờ có chân không cao từ 1 O'4 -ỉ-10'7 torr; - 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 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;
- CÓ thể điều chỉnh áp suất, thành phần khí và nhiệt độ đế, dễ theo dõi quá trình lắng đọng;
- Có thể sử dụng rất ít vật liệu gốc (dưới lOOmg) để bốc bay cho phép tiết kiệm đáng kể nhất là với nguyên vật liệu quý hiếm.
Tóm lại, thiết bị bốc bay chùm tia điện tử là một thiết bị công nghệ thích hợp cho việc chế tạo màng mỏng của các loại vật liệu, đặc biệt là các vật liệu nhiều thành phần hay các vật liệu khó bay hơi do nhiệt độ hóa hơi caọ