CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC MÀNG.
2.2.5. Ảnh hưởng của quá trình “tăng trưởng dập tắt” lên độ ghồ ghề của màng trong phương pháp phún xạ [8,34].
màng trong phương pháp phún xạ [8,34].
Như trình bày trong chương 1, độ ghồ ghề bề mặt của màng có quan hệ mật thiết với diện tích hiệu dụng bề mặt. Tuy nhiên, khi kích thước hạt lớn, độ kết tinh cao thì độ ghồ ghề bề mặt lại giảm. Độ kết tinh và độ ghồ ghề bề mặt luôn là hai yếu tố trái ngược nhau trong thực nghiệm chế tạo màng. Tuy nhiên, trong phương pháp phún xạ magnetron, hai yếu tố này có thể đồng thuận với nhau trong một giới hạn của độ kết tinh của tinh thể và qua đó, giúp cho quá trình quang xúc tác đạt hiệu quả hơn.
* Sự tăng trưởng dập tắt.
Khi sự liên kết ban đầu của nguyên tử với bề mặt màng đủ lớn và nhiệt độ màng Ts đủ thấp, thì sự khuếch tán bề mặt không đủ thời gian để xảy ra trước khi lớp
nguyên tử tiếp theo phủ vào, tức là các nguyên tử trở nên bất động tại vị trí mà chúng đến. Cách tạo màng này được gọi là phủ màng “đạn đạo” vì tính chất của màng phủ được xác định bằng hướng đến của hơi. Có thể nghĩ rằng, phương pháp phủ màng như vậy sẽ cho màng phẳng và đồng nhất, đặc biệt là khi hơi đến đồng nhất và trực giao. Tuy nhiên, ngay cả khi hai điều kiện trên được thoả mãn, vẫn có hai yếu tố luôn luôn làm cho màng trở nên ghồ ghề và chứa nhiều lỗ xốp, đó là sự ghồ ghề có tính thống kê và hiệu ứng tự - che chắn.
- Nguyên nhân của sự ghồ ghề thống kê là sự thăng giáng thống kê của dòng hơi đến. Hiệu ứng này có thể được trình bày theo mô hình đơn giản: nguyên tử có bán kính a đến trực giao với màng có trạng thái ổn định tại các vị trí ngẫu nhiên của bề mặt. Kết quả là hình thái học của bề mặt sau khi phủ với số hạt trung bình N, sẽ có độ cao trung bình h - tức độ dày màng h=aN. Khi N đủ lớn, như được chứng minh bằng toán học, sự phân bố Gauss với độ lệch chuẩn là:
h a N a
σ= = (2.14)
Ở đây, σ chính là số đo của độ ghồ ghề màng; hoặc độ tản mạn của độ dày h xung quanh h .
- Tự - che chắn là yếu tố thứ hai làm cho màng không phẳng và tạo lỗ xốp trong cấu trúc cột của vùng I (hình 2.6). Để hiểu rõ hiệu ứng này, chúng ta hãy chú ý mô hình của nguyên tử đến đế (hình 2.7).
Nguyên tử tới không thể nằm trên đỉnh của hạt khác, mà được xếp đặt bên cạnh, ở đó xác lập độ dài liên kết ổn định với hạt lân cận gần nhất. Hiện tượng đó được gọi là “sự kết tụ đạn đạo” (hình 2.7.1). Do kích thước nguyên tử là hữu hạn, sự kết tụ có thể có cấu trúc lồi ra như ở hình 2.7.2, ở đó phần diện tích nhỏ bị che chắn nên không được phủ màng. Có trường hợp diện tích tập hợp hơi tăng từ Ah đến A’h và diện tích che chắn giảm từ Al đến A’l . Đó là “hiệu ứng kích thước hữu hạn ”. Sự lồi ra thêm là sản phẩm của lực hút nguyên tử hơi đập vào mặt bên của cột như trên hình 2.7.3. Như vậy, ngay cả khi phủ màng trực giao, cấu trúc cột trong vùng I sẽ được thành lập lỗ xốp do che chắn giữa chúng. Từ hình 2.7.2 và 2.7.3, ta cũng thấy hiệu ứng tự-che chắn càng làm tăng độ ghồ ghề. Ngoài ra, độ ghồ ghề cũng còn do thăng giáng thống kê gây nên.
1) Sự kết tụ đạn đạo; 2) Hiệu ứng kích thước hữu hạn; 3) Lực hút mặt bên; 4) Sự che chắn nghiêng; 5) Hiệu ứng tangent; 6) Lấp đầy lỗ xốp bằng hạt năng lượng cao do gia tăng độ linh động (trái) và phún xạ phía trước (phải).
Khi hơi đập vào theo hướng nghiêng một góc θ (hình 2.7.4) thì hiệu ứng tự che chắn tăng. Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng, độ nghiêng hình học α của cột thoả nguyên tắc tangent (hình 2.7.5):
α tg 2 θ tg = , (2.15) ở đó, 0<θ<π 2.
Chú ý rằng, ở trên chúng ta đã khảo sát độ ghồ ghề ban đầu gây nên bởi tính ghồ ghề thống kê trên mặt đế phẳng hoàn toàn. Khi màng đạt đến độ dày nào đó thì độ ghồ ghề của màng do nguyên nhân tự - che chắn trội hơn. Ở độ dày đó, các lỗ xốp bắt đầu được thành lập.
* Độ ghồ ghề được tạo ra nhờ năng lượng của hạt tới.
Quá trình gia tăng năng lượng có thể làm giảm lỗ xốp, do màng nhận được động năng tới của hạt nặng (ion hay nguyên tử siêu nhiệt). Ion có thể là của hơi vật liệu phủ như trong phương pháp bay hơi hồ quang hay chùm điện tử hoặc ion khí trơ (như Ar+) trong phóng điện ẩn. Nguyên tử siêu nhiệt có mặt trong chùm khí động lực, trong ăn mòn bằng chùm laser và trong cả trong hệ tạo màng bằng phương pháp phún xạ.
Việc làm giảm lỗ xốp có thể do bốn cơ chế sau đây:
1/ Đốt nóng định xứ do “xung nhiệt” khi va chạm và kết quả là gây nên sự khuếch tán định xứ. 1) ' h A A'l ' h A h A h A Al 2) 3) θ 4) θ α 5) 6) + +
2/ Làm cho độ cong quỹ đạo của hạt giảm nhờ tăng vận tốc của nó khi bay đến đế.
3/ Độ linh động của hạt va chạm cao hơn nên có thể chuyển động thẳng vào bên trong lỗ xốp.
4/ Phún xạ phía trước của các nguyên tử khác vào lỗ xốp.
Hai cơ chế sau là chủ yếu và được minh hoạ trên hình 2.7.6. Độ linh động của nguyên tử va chạm lớn đến mức để vận tốc khuếch tán bề mặt đạt đến vài khoảng cách nguyên tử và còn thừa động năng để tiêu tán bên trong khối. Trong hiệu ứng phún xạ phía trước, hạt nặng truyền xung lượng cho nguyên tử, làm cho nguyên tử này tán xạ về phía trước. Kết quả là độ ghồ ghề bề mặt được thiết lập và mạng tinh thể bớt sai hỏng.
Như vậy, trong phương pháp phún xạ, nhờ vào hiệu ứng phún xạ phía trước (khi động năng của các hạt lên đế lớn), màng có độ dày lớn hơn sẽ cho độ ghồ ghề bề mặt của màng lớn hơn.