CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC MÀNG.
2.2.4. Sự phát triển cấu trúc [34].
Sự tăng trưởng của các mầm bề mặt để thành lập màng liên tục là bước thứ năm trong quá trình phát triển và hình thành cấu trúc màng. Đây là quá trình quan trọng để xác định cấu trúc và hình thái màng, thường được gọi là vi cấu trúc và hình thái học.
Vi cấu trúc và hình thái học của màng dày đã được nghiên cứu rộng rãi đối với kim loại, hợp kim và hợp chất khó nóng chảy. Mô hình cấu trúc đầu tiên được Movchan và Demchischin đưa ra từ năm 1969 (hình 2.5) và sau đó được Thornton hoàn thiện từ năm 1974 (hình 2.6).
Mô hình của Movchan và Demchischin đưa ra để mô hình hoá cấu trúc của màng, nhưng không chú ý vùng chuyển tiếp (vùng T) như trong mô hình của Thornton. Vùng này không đáng kể với quá trình lắng đọng của kim loại tinh khiết
Hình 2.4. Hiện tượng khuyếch tán lưỡng cực trong hệ phún xạ magnetron
hay pha hợp kim đơn giản, nhưng trở nên quan trọng đối với quá trình lắng đọng của hợp chất khó nóng chảy hoặc hợp kim phức tạp bằng bay hơi hoặc bằng các dạng lắng đọng khác mà trong đó tồn tại áp suất riêng phần của khí trơ hoặc khí hoạt tính (phương pháp phún xạ, mạ ion, …).
Đặc trưng cấu trúc của bốn vùng cơ bản được trình bày trên hình 2.6. Ở đó, T TM là tỉ số giữa nhiệt độ đế T và nhiệt độ nóng chảy TM của vật liệu tạo màng (tính bằng K).
Vùng I: ứng với
a
<
Λ . Cấu trúc vùng này đạt được khi T TM nhỏ đến mức để có thể bỏ qua sự khuếch tán bề mặt, (ở đây, Λ là độ dài khuyếch tán, a là khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp hấp phụ trên bề mặt màng). Ở vùng này, cấu trúc phát triển như tinh thể hình nến từ một số mầm tới hạn. Nó không phải là cấu trúc với mật độ xếp chặt mà chứa những lỗ xốp xen giữa các vi tinh thể nến có độ rộng vài nm. Mặt trên của cấu trúc này dàn trãi những mái vòm có kích thước tăng khi độ dày màng tăng. Màng rất xốp khi có cấu trúc thuộc vùng này.
Vùng T: cũng xảy ra khi Λ<a. Trong vùng này, ảnh hưởng của sự bắn phá ion đối với vi cấu trúc màng được chú ý hàng đầu. Ảnh hưởng này được thấy rõ nhất trong vùng nhiệt độ thấp của mô hình Movchan - Demchischin mà ở đó, nhiệt độ ít
Hình 2.5. Mô hình vùng I, II, III của Movchan và Demchischin.
ảnh hưởng lên độ linh động của hạt. Ở điều kiện của vùng này, năng lượng và xung lượng của những hạt bắn phá đã chuyển sang những nguyên tử bề mặt và những nguyên tử nằm sâu hơn trong màng (~ 5 o
A). Khi đó chúng làm gia tăng độ linh động và làm dày đặc vi cấu trúc màng thông qua quá trình phún xạ và tái phân bố. Vì vậy, trong vùng này màng có cấu trúc sợi bó chặt, không còn lỗ xốp và mái vòm. Nghĩa là, từ cấu trúc vùng T trở đi, màng không còn cấu trúc xốp nên có khả năng làm diện tích hiệu dụng bề mặt giảm đi.
Vùng II: xảy ra khi T TM > 0.3. Ở vùng này, nhiệt độ T đủ lớn để sự khuếch tán bề mặt trở nên có ý nghĩa. Cấu trúc vùng này là cấu trúc cột có biên hạt bó chặt và đường kính cột tăng khiT TM tăng. Tinh thể cột có sai hỏng thấp hơn vùng I và vùng T.
Vùng III: xảy ra khi T TM > 0.5. Ở vùng này, nhiệt độ T đủ lớn để có thể xem như màng bị đốt nóng trong quá trình lắng đọng. Đặc trưng của vùng này là tính đẳng hướng nhiều hơn hoặc dạng vi tinh thể có tính đẳng trục. Bề mặt màng thường nhẵn hơn vùng II, nhưng biên hạt có thể phát triển thành khe, rãnh.
Ngoài yếu tố nhiệt độ, sự thay đổi áp suất trong quá trình chế tạo cũng làm thay đổi cấu trúc màng theo các vùng tương ứng (hình 2.6).
Màng có cấu trúc thuộc vùng I và vùng T là kết quả của quá trình “tăng trưởng dập tắt”, ở đó sự di chuyển vật liệu hấp phụ do nhiệt có thể bỏ qua. Trong khi đó, màng có cấu trúc ở vùng II và vùng III là kết quả của quá trình nhiệt kích hoạt, làm cho các hạt phân bố lại ở trên hoặc bên trong màng. Phần trình bày dưới đây bàn luận về quá trình “tăng trưởng dập tắt”trong sự phát triển cấu trúc này.