CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. C ÔNG NGHệ CHế TạO MẫU
2.1.1. Kỹ thuật phún xạ
Hiện nay có một số phương pháp chế tạo màng mỏng đó là phương pháp bốc bay nhiệt, phương pháp bốc bay bằng chùm tia lazer và phương pháp phún xạ.
Riêng đối với phương pháp phún xạ có ba loại: phún xạ phóng điện hào quang một chiều DC, phún xạ catôt dòng xoay chiều cao tần RF và phún xạ magneton. Nhưng thông dụng nhất vẫn là dùng phương pháp phún xạ catôt xoay chiều cao tần RF. Vì nó mang lại nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp trên như buồng chân không cao đạt đến 10-6 mBar, màng có độ bằng phẳng cao hơn, liên kết giữa các nguyên tử trong màng rất chặt và có thể tạo ra chiều dày màng phù hợp với mục đích nghiên cứu,... Vì vậy trong luận văn này, tôi đã lựa chọn phương pháp phún xạ catốt xoay chiều cao tần RF để chế tạo màng mỏng. Để chế tạo được được màng mỏng có tính chất tốt đúng với mục đích nghiên cứu cần phải đi sâu vào bản chất vật lý cũng như quá trình hình thành màng mỏng bằng phương pháp phún xạ này.
2.1.1.1. Bản chất vật lý quá trình tạo màng bằng phún xạ
Quá trình phún xạ bắt đầu xảy ra khi một ion hay nguyên tử khí trơ Ar va đập vào bề mặt bia làm cho các nguyên tử trên bề mặt bia bị bật ra khỏi bia và bắn lên phía trên theo các hướng khác nhau rồi lắng đọng lên đế mẫu. Các nguyên tử bị bắn ra khỏi bia này gọi là các nguyên tử bị phún xạ và khi các nguyên tử bị phún xạ này đến được đế mẫu chúng bị lắng đọng lại trên bề mặt đế và bắt đầu hình thành màng mỏng như đã trình bày trong hình 2.1. Thời gian phún xạ dài làm cho các nguyên tử bị phún xạ lắng đọng trên đế mẫu dày hơn nghĩa là màng dày hơn nhưng độ dày của màng lại phụ thuộc vào công suất phún xạ cũng như tuỳ thuộc vào từng vật liệu cần phún xạ. Với mỗi vật liệu bia phún xạ khác nhau thì tốc độ các nguyên tử bị bật ra khỏi bia là khác nhau.
19
Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình hình thành màng bằng phương pháp phún xạ
Bản chất vật lý của quá trình phún xạ chính là một quá trình vận chuyển động lượng. Các ion khí Ar bắn phá bề mặt bia đồng thời xảy ra sự va chạm giữa các ion khí Ar với các nguyên tử trên bề mặt bia và quá trình xảy ra va chạm giữa chúng chỉ trong khoảng cách cỡ một vài nm tính từ bề mặt bia. Ngoài ra năng lượng của các ion khí Ar bắn phá bề mặt bia là rất lớn cỡ khoảng 100 eV đến 1000 eV, trong khi đó năng lượng liên kết của các nguyên tử trên bề mặt bia khoảng 2 eV đến 10 eV. Nhưng khi các nguyên tử trên bề mặt bia bị bắn ra khỏi bia thì năng lượng trung bình của các nguyên tử bị phún xạ vào khoảng từ 10 eV đến 40 eV, tuy nhiên một phần năng lượng của các nguyên tử bị phún xạ này sẽ bị hao hụt đi khi đến bề mặt đế mẫu cần lắng đọng và năng lượng của nó chỉ còn khoảng 1 eV đến 2 eV.
Chính năng lượng này đã làm tăng nhiệt độ đế mẫu và càng làm thuận lợi cho các nguyên tử bị phún xạ liên kết với nhau tốt hơn, có độ bám chặt hơn trên đế mẫu.
Điều kiện phún xạ để có màng lắng đọng tốt trên đế cần phải tạo chùm Plasma ở khoảng giữa bia và đế. Vùng plasma này có thể nhìn thấy thông qua một khe tròn có đường kính 10 cm và vùng plasma được tạo ra chính là do các ion khí Ar được tích điện dương va chạm với vật liệu của bia.
20
2.1.1.2. Hệ phún xạ cao tần RF Alcatel SCM-400
Ưu điểm của hệ phún xạ cao tần RF là có thể sử dụng được các bia và đế là các chất điện môi. Vì vậy với mục đích nghiên cứu chế tạo màng Co-Al2O3 trong đó Co là kim loại sắt từ còn Al2O3 là vật liệu cách điện. Nên trong luận văn này, đã sử dụng hệ phún xạ Alcatel SCM-400 là hệ phún xạ xoay chiều cao tần RF có nguồn công suất phát RF tối đa 600 W. Hệ máy phát xoay chiều RF dùng tần số sóng vô tuyến 13,56 MHz.
Ngoài ra hệ phún xạ Alcatel còn có bộ phối hợp trở kháng, giữa hai điện cực Anốt và Catốt luôn xảy ra quá trình phóng điện. Tụ điện C có tác dụng tạo ra điện áp âm ở bề mặt bia làm cho bia sẽ bị bắn phá bởi các ion có năng lượng cao. Bộ phối hợp trở kháng này còn có ý nghĩa giữ cho máy phát và tải làm tăng công suất phóng điện. Hệ phún xạ Alcatel SCM-400 có thể đạt được chân không cao khoảng (5-7).x10-6 mBar và có hai catốt riêng biệt để đặt bia. Hai giá đỡ đế mẫu nằm trên cùng một mâm tròn có thể xoay được, trước khi phún xạ phải đặt vị trí giá đỡ đế mẫu song song với bề mặt bia cần phún xạ. Khoảng cách giữa bia và đế mẫu có thể thay đổi được. Trong thực nghiệm chế tạo hệ màng mỏng Co-Al2O3, đã đặt khoảng cách giữa đế mẫu và bia là 80 mm. Đường kính của bia tối đa có thể đặt lên hai catốt này là 100 mm. Loại khí dùng để bắn phá bề mặt bia ghép Co- Al2O3 là khí Ar công nghiệp có độ sạch 99,99%. Lưu lượng khí Ar vào buồng chân không được điều chỉnh bằng vanvi chỉnh, van này có thể điều khiển được lưu lượng khí Ar trong buồng.
a) b) Hình 2.2: Hệ phún xạ RF Alcatel SCM-400 a)Máy phún xạ Alcatel, b)Nguồn RF