Tạo màng bằng phương pháp sputtering

Tạo màng bằng phương pháp sputtering Nguyễn Trung Độ Các ion khí trơ Phún xạ không phán ứng Vd: màng Al,Cu,Ag Các ion phản ứng với bia Phún xạ phản ứng Vd:màng Al2O3, TiO2, TiN là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế. Phún xạ là gì? Dòng khí (thường là argon hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+. Các ion này hướng về target (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế âm. Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá target và đánh bật các nguyên tử của target ra khỏi target. Các nguyên tử này "bốc hơi" và đi đến substrate (thuỷ tinh hay silicon wafer), tích tụ trên substrate và hình thành màng mỏng khi số lượng nguyên tử đủ lớn Cơ chế vật lý của phương pháp sputtering Cơ chế vật lý của phương pháp sputtering Keát quaû laø: - Vaät lieäu töø bia seõ hình thaønh maøng treân ñeá Bia đơn chất Bia hợp chất Màng đơn chất nếu là phún xạ không phản ứng Màng hợp chất nếu là phún xạ phản ứng Màng hợp chất Tất cả các màng này điều mang tính chất thin films Màng đơn lớp Màng đa lớp Điều kiện cần cho phún xạ Target: Coù ñoä nguyeân chaát cao laø caàn thieát Kích thöôùc phaûi lôùn hôn kích thöôùc cuûa ñeá ñeå maøng coù ñoä ñoàng ñeàu cao Nöôùc laøm nguoäi phía sau target Ñieàu khieån nguoàn ion Khí trô ñöôïc chuyeån thaønh plasma ñeå hoaït ñoäng nhö nguoàn ion Ñieàu khieån nguoàn ion plasma baèng caùch cung caáp naêng löôïng cho chuøm ion ÑOÄ XUYEÂN SAÂU CUÛA NHÖÕNG ION * Ñoä xuyeân saâu cuûa ion phuï thuoäc vaøo: -Naêng löôïng cuûa nhöõng ion -Goùc tôùi cuûa ion -Khoái löôïng cuûa ion so vôùi khoái löôïng cuûa bia Ñoä xuyeân saâu trung bình cuûa ion khoaûng 10 – 40 nm HIEÄU SUAÁT PHUÙN XAÏ Hieäu suaát phuùn xaï = toång caùc nguyeân töû phuùn xaï A / toång caùc ion tôùi = N A / N i Hieäu suaát phuùn xaï phuï thuoäc vaøo: - Baûn chaát cuûa bia. - Baûn chaát cuûa nhöõng ion (khí saïch, khí trô, khí phaûn öùng) - Naêng löôïng tôùi cuûa nhöõng ion - Goùc tôùi BAÛN CHAÁT CUÛA BIA NAÊNG LÖÔÏNG CUÛA ION GOÙC TÔÙI Tæ leä hieäu suaát (Y /Y 0 ) cao nhaát ôû khoaûng 72 o SƠ ĐỒ CAÁU TAÏO HEÄ PHUÙN XAÏ KYÕ THUAÄT PHUÙN XAÏ 1. Chaân khoâng ñöôïc taïo bôûi 2 loaïi bôm: - Bôm sô caáp (bôm rote, bôm quay daàu) - Bôm turbo (bôm khuyeách taùn) 2. Khí ñöôïc ñöa vaøo (thöôøng laø Ar) ñeå thöïc hieân quaù trình ion hoaù chaát khí CHAÂN KHOÂNG -Bôm quay (sô caáp, bôm rote, bôm quay daàu): + Toác ñoä: 30 m 3 /h. + AÙp suaát giôùi haïn: 10 -2 torr. -Bôm turbo (bôm khuyeách taùn): + Toác ñoä: 200 l/s + AÙp suaát giôùi haïn: 10 -10 torr. -Chaân khoâng phuùn xaï: + Chaân khoâng tôùi haïn: 10 -7 torr + AÙp suaát laøm vieäc: 10 -2 10-3 torr Haïn cheá: quaù trình laéng ñoïng ôû chaân khoâng trung bình coù theå laøm taêng taïp hôn quaù trình boác bay. Caùc loaïi phöông phaùp phuùn xaï  Phuùn xaï DC  Phuùn xaï RF  Phuùn xaï phaûn öùng  Phuùn xaï magnetron  Phuùn xaï magnetron bieåu dieãn theo ba phöông phaùp vaø taêng cöôøng hieäu quaû •Ñöôïc thöïc hieän trong moâi tröôøng chaân khoâng thaáp hoaëc trung bình (~10 -3 10 -2 torr) • Thuaän lôïi Coù theå söû duïng target lôùn cho söï ñoàng ñeàu cuûa maøng Deå kieåm soaùt beà daøy theo thôøi gian Deå laéng ñoïng hôïp kim vaø hôïp chaát Khoâng coù böùc xaï tia X Caùc loaïi phöông phaùp phuùn xaï PHUÙN XAÏ MAGNETRON Phuùn xaï Magnetron Nhaéc laïi: PHUÙN XAÏ LAØ GÌ? * Söï töông taùc (va chaïm) cuûa nhöõng nguyeân töû hay ion dieãn ra treân beà maët vaät lieäu daãn ñeán quaù trình phuùn xaï töø beà maët. * Ñoù laø keát quaû cuûa quaù trình truyeàn ñoäng löôïng (xung löôïng) cuûa nhuõng haït tôùi. * Khaùc vôùi caùc kyõ thuaät taïo maøng töø pha hôi khaùc. Kyõ thuaät naøy khoâng noùng chaûy vaät lieäu. Hay ñaây laø quaù trình bay hôi töø pha raén pha hôi maø khoâng qua pha loûng Haït tôùi PHUÙN XAÏ Moâ taû söï phuùn xaï MAGNETRON Magnetron bao goàm: -Baûn Cathode: duøng laøm nguoàn ñieän töû. -Baûn Anode: nôi thu nhaän ñieän töû. -Keát hôïp cuûa ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau A – K  ñieän tröôøng E Töø tröôøng giöõa A – K  B Söï keát hôïp trong tröôøng ñieän töø, B vuoâng goùc E Ñieän tröôøng E vaø töø tröôøng B Moät soá loaïi magnetron thoâng thöôøng Caùc loaïi naøy thöôøng coù beân trong loø viba A K Caáu truùc cuûa moät soá heä magnetron thoâng duïng Moät soá daïng thoâng duïng laø daïng troøn, chöõ nhaät vaø vuoâng - Vaät lieäu caàn phuû (bia): duøng ñeå phuùn xaï ñöôïc gaén chaët vôùi moät baûn giaûi nhieät (baûn naøy ñöôïc aùp ñieän theá vaøo). Toaøn boä bia, baûn giaûi nhieät Cathode. Cathode ñöôïc caùch ñieän vôùi ñaát. - Töø tröôøng do moät voøng nam chaâm beân ngoaøi bao quanh vaø ñoái cöïc vôùi moät loõi nam chaâm ôû giöõa. Chuùng ñöôïc noái töø vôùi nhau baèng moät taám saét (vieäc noái töø coù taùc duïng kheùp kín ñöôøng söùc töø phía döôùi). - Baèng caùch boá trí thích hôïp vò trí giöõa caùc nam chaâm caùc giaù trò khaùc nhau cuûa cöôøng ñoä töø tröôøng treân beà maët bia. - Vaät lieäu ñöôïc phuû (ñeá): ñöôïc noái ñaát (aùp ñieän theá döông). Sô ñoà cuûa phuùn xaï magnetron. S N N N N (b)(a) (Kathod) Ñeá (Athod) Hình 2 Heä magnetron phaúng vaø caùc ñöôøng söùc töø treân beà maët bia Heä phuùn xaï magnetron. Sô ñoà minh hoaï cuûa phuùn xaï magnetron. Nguyeân lyù hoaït ñoäng Khi theá aâm ñöôïc aùp vaøo heä, giöõa Kathod (bia) vaø Anod (ñeá _ vaät lieäu ñöôïc phuû) sinh ra moät ñieän tröôøng laøm ñònh höôùng vaø truyeàn naêng löôïng cho caùc haït mang ñieän coù trong heä (thoâng thöôøng moät theå tích khí ôû ñieàu kieän thöôøng luoân chöùa moät soá ñieän töû vaø ion, 1 cm3 khí quyeån treân maët bieån trung bình coù gaàn 103 ion aâm vaø döông ñöôïc taïo neân bôûi tia vuõ truï, tia töû ngoïai vaø phoùng xaï cuûa moâi tröôøng xung quanh) Nhöõng ñieän töû vaø ion taïo thaønh thaùc luõ ñieän töû [1], nhöõng ion ñaäp vaøo kathod vaø giaûi phoùng caùc ñieän töû thöù caáp, caùc ñieän töû naøy ñöôïc gia toác trong ñieän tröôøng ñoàng thôøi bò taùc ñoäng cuûa töø tröôøng ngang , töø tröôøng naøy seõ giöõ ñieän töû ôû gaàn Kathod theo quyõ ñaïo xoaén troân oác. Nhôø vaäy chieàu daøi quaõng ñöôøng ñi cuûa ñieän töû ñaõ ñöôïc taêng leân nhieàu laàn tröôùc khi noù ñeán anod Trong quaù trình chuyeån ñoäng cuûa ñieän töû, ñieän töû seõ va chaïm vôùi caùc nguyeân töû hay phaân töû khí vaø sinh ra nhöõng ion (söï ion hoùa). Caùc ion naøy ñöôïc gia toác ñeán Kathod vaø laøm phaùt xaï ra nhöõng ñieän töû thöù caáp. Nhö vaäy, noàng ñoä ñieän töû seõ taêng, khi soá ñieän töû ñöôïc saûn sinh baèng vôùi soá ñieän töû maát ñi do quaù trình taùi hôïp, luùc ñoù phoùng ñieän töï duy trì. Luùc naøy, khí phaùt saùng treân beà maët bia, theá phoùng ñieän giaûm vaø doøng taêng nhanh. Nhöõng ñieän töû naêng löôïng cao sinh ra nhieàu ion vaø nhöõng ion naêng löôïng cao ñaäp vaøo kathod laøm phuùn xaï vaät lieäu bia vaø böùc xaï caùc ñieän töû thöù caáp ñeå tieáp tuïc duy trì phoùng ñieän. Luùc naøy khi taêng theá raát nhoû doøng seõ taêng ñaùng keå Söï ion hoaù dieãn ra trong ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau  plasma Plasma laø ñaùm goàm ion döông vaø nhöõng ñieän töû  traïng thaùi gaàn nhö trung hoaø veà ñieän. Vuøng plasma hình thaønh trong ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau. Vôùi nhöõng öùng duïng taïo maøng trong moâi tröôøng plasma, ion döông ñöôïc sinh ra bôûi quaù trình va chaïm giöõa caùc haït trung hoaø vaø nhöõng ñieän töû mang naêng löôïng. Nhöõng ñieän töû trong moâi tröôøng plasma coù ñoä linh ñoäng raát lôùn. Ñieàu khieån caùc ñieän töû coù ñoä linh ñoäng lôùn naøy chính laø ñieàu khieån ñöôïc plasma. Plasma laø gì? Baøi toaùn tìm phöông trình chuyeån ñoäng cuûa ñieän töû trong ñieän töø tröôøng vuoâng goùc nhau. y z x B(0,0,Bz) E (0,Ey,0) v bia ñeá Ñöôøng söùc töø Truïc toïa ñoä vaø höôùng cuûa E,B,v töông öùng treân beà maët bia Töø phöông trình (1.2), ta thaáy vôùi vaø vuoâng goùc nhau thì chuyeån ñoäng cuûa haït seõ laø toång hôïp cuûa 2 daïng chuyeån ñoäng: chuyeån ñoäng troøn vaø chuyeån ñoäng tònh tieán doïc theo truïc x. Noùi caùch khaùc, quyõ ñaïo cuûa chuùng laø cycloic vôùi baùn kính Larmor: amFFF BEhl ][)( BveEevm BV, Be Vm r ee Ñònh luaät II Newton: (1) hay (2) Thanks you..