Các phương pháp thực nghiệm: Phương pháp phún xạ

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ Lê Trấn NGƯỜI TRÌNH BÀY: Trong phún xạ, năng lượng được chuyển từ ion tới đến nguyên tử target, Tại sao sử dụng phương pháp phún xạ? Phún xạ có độ đồng điều trên diện tích lớn Dễ kiểm soát thành phần hợp chất Bề mặt target được rửa trước khi lắng đọng màng, nhằm tẩy các tạp chất bẩn trên bề mặt Hạn chế: quá trình lắng đọng ở chân không trung bình có thể làm tăng tạp hơn quá trình bốc bay. Phún xạ phá vở liên kết giữa các nguyên tử, bứt những nguyên tử ra khỏi target Điều khiển nguồn ion Khí trơ được chuyển thành plasma để hoạt động như nguồn ion Điều khiển nguồn ion plasma bằng cách cung cấp năng lượng cho chùm ion Target: Có độ nguyên chất cao là cần thiết Kích thước phải lớn hơn kích thước của đế để màng có độ đồng đều cao Nước làm nguội phía sau target Điều kiện cần cho phún xạ Chúng ta cần gì?  Chúng ta cần  Môi trường của hạt ion hóa (Plasma)  tạo ra plasma  gia tốc ion và điện tử  plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất  Chứa các ion di chuyển tự do  Cả hạt mang điện âm và dương  Các nguyên tử ở trạng thái kích thích, năng lượng của chúng ở trạng thái cao, bán bền  Hạt nhân (do các phân tử bị đứt liên kết)  plasma có được khi năng lượng đủ cao  Hạt năng lượng cao sử dụng trong phún xạ được sản sinh bởi phóng điện  Aùp thế cao dc ngang qua khí loảng gây ra phóng điện Sản sinh plasma Cái gì là cơ chế chuyển khí cách điện thành môi trường dẫn điện? Phóng điện Bứt những nguyên tử bề mặt nhiều nhất trong khi giảm tối đa những ion cấy vào target Dẫn điện trong môi trường khí  Những vùng dẫn điện khác nhau trong môi trường khí  Hai vùng quan trọng  phóng điện Townsend  Phóng điện phát sáng Phóng điện Townsend  Điện tử phân tán từ cathode được gia tốc hướng đến anode  Điện tử có năng lượng đủ, va chạm với các nguyên tử khí trung hòa (A)  Khoảng cách giữa hai điện cực phải đủ lớn cho phép điện tử duy trì đủ năng lượng  Cathode phải đủ rộng để ngăn cản sự mất mát điện tử  Chuyển đổi khí trung hòa thành ion dương (A+)  Hai điện tử được giải phóng e- + A 2e- + A+  Các hạt mang điện được nhân lên theo cấp số nhân  Quá trình này được gọi là phóng điện Townsend  i0 là dòng ban đầu  Mối liên hệ này liên quan đến dòng điện tích tăng đột biến do sản sinh điện tử thứ cấp   đặc trưng cho xác suất ion hóa mỗi đơn vị chiều dài, phụ thuộc áp suất, điện trường và năng lượng ion hóa   đặc trưng cho bức xạ điện tử thứ cấp  Thác lũ xảy ra khi mẫu số làzero d 0 d e i i [1 (e 1)]       Mối liên hệTownsend Thác lũ  Thế đánh thũng là thế khi phóng điện townsend chuyển sang phóng điện corona : (Pashen’s law) A,B hằng số d là khoảng cách giữa hai điện cực P là áp suất  Aùp suất thấp:  Vài va chạm giữa điện tử và ion Hiệu suất điện tử thứ cấp là quá thấp thế VB cao hơn để duy trì phóng điện  Aùp suất cao hơn:  Va chạm đều đặn Điện tử không có năng lượng đủ lớn thế VB cao hơn B APd V ln(Pd) B   Đường cong Paschen Thế ban đầu cần để hình thành nên plasma VS là một hàm của khí, áp suất và khoảng cánh bia – đế Khi tích p.d thấp, electron đạt đến anode mà không va chạm với khí. Vì thế, cần có thế cao hơn để điện tử gây đủ va chạm để plasma hình thành Thế VS cao hơn cũng cần tích p.d cao hơn, bởi vì điện tử va chạm với nguyên tử khí trước khi chúng nhận đủ năng lượng để gây ion hóa Thế mồi Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại  A – B: Điện trường quét ion và điện tử, các hạt mang điện được tạo ra từ sự ion hóa do bức xạ môi trường.  Bức xạ môi trường xuất phát từ tia vũ trụ, vật liệu phóng xạ hay các nguồn khác. Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại  B – C: Thế được tăng đủ lớn, tất cả những ion và điện tử được quét đi, và dòng điện được duy trì.  Dòng này phụ thuộc tuyến tính vào độ mạnh của nguồn phún xa, dòng bão hòa khi các hạt mang điện đều đạt đến các điện cực.ï  C – E: Thế tăng qua điểm C, dòng tăng theo hàm mũ.  Dòng tăng được gọi là phóng điện townsend. Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại  E: Thác lũ điện tử xảy ra. Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại  F – G khí vào vùng phóng điện bình thường, trong đo,ù thế hầu như không phụ thuộc dòng. Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại  G-H: phóng điện bất thường  Sự bắn phá của ion rất lớn. Vùng này sử dụng cho phún xạ. Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại  H: phóng điện hồ quang. Cathode bị đốt nóng đến mức có thể phát xạ nhiệt điện tử. Đặc trưng I-V được hiệu chỉnh lại Cấu trúc của phóng điện  Cấu hình này trình bày những vùng chính đặc trưng cho phóng điện phát sáng.  Những vùng được mô tả như “phát sáng" bức xạ ánh sáng còn những vùng có tên “không gian tối" không co bức xạ ánh sáng Những thành phần chính của plasma dc Vùng sáng là vùng ở đó điện tử tương tác với nguyên tử bị kích thích và ion, năng lượng mất mát do phát sáng Màu của ánh sáng là hàm của khí(năng lượng ion hóa của nguyên tử và phân tử) Điện tử nhận quá nhiều năng lượng Phát quang giảm vì sự chuyển mức năng lượng đến nguyên tử không tương thích với mức ion hóa Vùng tối là vùng ở đó nguyên tử khí trung hòa tồn tại Không có ánh sáng bởi vì ion hóa và kích thích không xảy ra Cấu trúc của phóng điện Không gian tối cathode (C) là vùng tương đối tối, có điện trường mạnh nhất. Cột âm (D) là vùng có cường độ sáng nhất trong toàn phóng điện, độ mạnh của điện trường trở nên yếu do mật độ điện tử giảm. Điện tử có năng lượng đủ để gây ra kích thích nguyên tử Không gian tối Faraday (E) Năng lượng điện tử giảm từ sự va chạm trong cột âm Cột dương (F) Độ mạnh của điện trường đồng đều, mật độ điện tử và ion bằng nhau (vùng plasma chính) Vùng sáng anode (G) Điện tử gần anode được gia tốc và kích thích nguyên tử. Cấu trúc của phóng điện Không gian tối anode Ion được đẩy bởi anode, điện tử bị triệt tiêu (không có tương tác do kích thích)  Thế trong ống phóng điện giống hình dưới đây  Thế plasma cao hơn thế ở hai điện cực  Điện tử đẩy từ hai cực và điều này giúp plasma ổn định Vỏ điện cực Vỏ điện cực  Trong vùng vỏ điện cực, mật độ điện tử thấp  Hầu như không có va chạm hay nguyên tử bị ion hóa  Vùng này xuất hiện tối  Bởi vì điện trở thấp nên điện trường cao trong vùng này Các loại phún xạ Phún xạ diod Phún xạ phản ứng Ion plating và ion plating phản ứng Phún xạ magnetron phún xạ chùm ion  ÔÛ target:  Nguyeân töû target böùt ra  Ion target böùt ra (1 - 2 %)  Ñieän töû böùc xaï  Giuùp duy trì plasma  Ion Ar+ phaûn xaï nhö nguyeân töû trung hoøa  Ar bò troân trong target  Photon böùc xaï Nguyên tử vào trạng thái khí Xuyên sâu cỡ 10 Ao Năng lượng < 50 keV 95 % Năng lượng tới truyền cho đế => Cần làm nguội target 5 % Năng lượng tới thất thoát do ion tới bị phản xạ từ nguyên tử trung hòa target, Năng lượng này thường cỡ 5-100 eV Nguyên tử target bị bứt ra với năng lượng phân bố không đồng đều Nhiều nguyên tử vuông góc với bề mặt đế Phân bố cosine Quá trình được đặc trưng bởi hiệu suất phún xạ (S) •S = số nguyên tử bứt ra khỏi target / số ion dương đập tới target Quá trình truyền động lượng của ion Vật liệu target Năng lượng liên kết Khối lượng nguyên tử Khí phún xạ Khối lượng nguyên tử (S tăng đối với khí nặng) Năng lượng tới (S tăng đối với năng lượng tới cao) S phụ thuộc: Năng lượng cực đại ion truyền cho target Phún xạ dc  Phún xạ có nghĩa là hạt năng lượng cao đập lên target, loại hạt này sinh ra trong quá trình phóng điện  Va chạm đàn hồi, không truyền năng lượng  Va chạm không đàn hồi  Năng lượng không đủ cao kích thích điện tử, bức xạ photon  Năng lượng đủ cao, ion hóa điện tử, tạo ra điện tử thứ cấp  Các điện tử lại được gia tốc, va chạm liên hoàn với khí  Dòng điện tử được thu bởi anode và suy giảm về 0 nhanh chóng Va chạm giữa các hạt Điện tử được sinh ra ở cathode và di chuyển hướng đến anode, điện tử va chạm với nguyên tử khí giữa hai điện cực Khi va chạm với nguyên tử khí, điện tử gây ra: Kích thích Phân ly Ion hóa Điện tử được tạo ra trong quá trình, gây ra hiện tượng thác lũ Khi đạt trạng thái cân bằng, số điện tử đủ bù trừ số điện tử bị mất và số điện tử tái hợp với ion. Quá trình tương tác của các hạt mang điện Năng lượng của ion đập lên target được kiểm soát như sau: < 5eV : giải hấp vật lý và phản xạ 5  10 eV: có thể làm hư hại bề mặt và di chuyển trên bề mặt 10  30 eV: phún xạ > 30 eV: cấy ion Quá trình tương tác của các hạt mang điện Các loại phương pháp phún xạ  Phún xạ DC  Phún xạ RF  Phún xạ phản ứng  Phún xạ magnetron  Phún xạ magnetron biểu diễn theo ba phương pháp và tăng cường hiệu quả Sử dụng hạt năng lượng cao (plasma) để di đẩy những nguyên tử ra khỏi bề mặt •Được thực hiện trong môi trường chân không thấp hoặc trung bình (~10-3 10-2 torr) • Thuận lợi Có thể sử dụng target lớn cho sự đồng đều của màng Dể kiểm soát bề dày theo thời gian Dể lắng đọng hợp kim và hợp chất Không có bức xạ tia X Các loại phương pháp phún xạ DC sputtering  Dạng đơn giản của phún xạ dc là ống phóng điện  Ion phún xạ nguyên tử từ target và chúng định vị trên đế Nguồn vật liệu rắn và cấu hình có thể tùy ý Nhiệt độ lắng đọng thấp Có thể đạt tốc độ lắng đọng cao Độ bám dính tốt Thành phần của màng có thể bằng thành phần của nguồn DC sputtering DC sputtering DC sputtering Phún xạ chùm ion Nguyên tử hơi được tạo ra bởi một loạt những va chạm truyền năng lượng và động lượng từ nguyên tử hay ion được gia tốc ban đầu đến những nguyên tử trong target. Khi năng lượng của nguyên tử đủ vượt qua năng lượng liên kết của bề mặt, U, và khi động lượng hướng ra từ bề mặt, nó sẽ thoát vào pha khí  Aùp suất ảnh hưởng tới tốc độ lắng đọng:  Aùp suất thấp:  Vỏ cathode rộng, ion được sản sinh xa từ target, cơ hội mất mát rất lớn  Quảng đường tự do trung bình là dài, cơ hội va chạm do ion hóa thấp  phóng điện duy trì không thể đạt được dưới áp suất 10 mTorr vì thế áp suất thấp có thể giảm tốc độ lắng đọng  Aùp suất cao:  Nguyên tử phún xạ trải qua nhiều tán xạ  Vì thế áp suất cao cũng làm giảm tốc độ lắng đọng Các thông số phún xạ  Tốc độ lắng đọng tối ưu vòng quanh 100 mTorr  Tương đồng giữa  Số ion Ar+ tăng  Tán xạ của ion Ar+ với nguyên tử trung hòa tăng  Nếu tăng số ion mà không tăng số nguyên tử trung hòa thì quá trình phún xạcó thể hoạt động ở áp suất thấp Các thông số Hiệu suất phún xạ n Y n    : Số hạt trung bình bức xạ mỗi lần ion đập lên bề mặt target n+: Số ion đập lên bề mặt target Y phụ thuộc vào loại ion và vật liệu target Các thông số Hiệu suất phún xa phụ thuộc khí và vật liệu target Ion có năng lượng Uo = 0.1 - 10 keV t 2 t o 4M M E Y (M M ) U      M+: Khối lượng ion Mt: Khối lượng nguyên tử target E+: Thế năng va chạm Hiệu suất phún xạ Năng lượng ion > 10 KeV Bốc bay nhiệt xảy ra o B U Y exp( ) k T   Hiệu suất phún xạ Để duy trì plasma: Aùp suất cao, dẫn đến mật độ tạp trong khí cao, do va chạm gữa khí và thành buồng lớn Phún xạ dc Ion plating Khắc phục tạp trong phún xạ diod, một chút thế âm được áp trên đế đủ đế giải hấp những loại khí hấp phụ trên đế, đồng thời làm tăng năng lượng bề mặt đế, giúp tăng cường khuếch tán bề mặt của các nguyên tử target Phún xạ magnetron Hạ áp suất bằng cách sử dụng từ trường để bẩy điện tử gần target, làm tăng quá trình ion hóa và tăng tốc độ lắng đọng.  Thế âm thường được áp vào đế để thay đổi dòng và năng lượng của hạt phún xạ.  Thế âm cỡ -5 đến -300 vôn được sử dụng  Điều này làm giảm sự bắn phá đế bởi ion, vì thế:  Tăng độ bám dính  Tăng mật độ màng  Giảm điện trở của màng kim loại  Tăng độ phản xạ quang học Thế âm ở đế  Hoạt động rất đơn giản  Phún xạ dc không được sử dụng nữa  Tốc độ lắng đọng thấp  Thuận lợi trong việc đảo cực  Có thể etching (ăn mòn) đế trước Bias sputtering  Phân cực đảo làm thay đổi vai trò giữa target và đế  Ion đập lên bề mặt và ăn mòn màng từ đế  Ion rất nhạy để tăng độ mạnh lực liên kết nguyên tử hơn thành phần của các loại khác nhau  Không lọc lựa  Ăn mòn dị hướng Ăn mòn bằng plasma Phún xạ magnetron  Nam châm giam plasma phóng điện phát sáng đối với vùng gần bề mặt target nhất  Từ trường giữ điện tử gần target  Xác suất va chạm tăng Cấu hình hệ magnetron: điện trường và từ trường trực giao, đặt nam châm phía sau target. Phún xạ magnetron  Hệ magnetron bao gồm target mà nam châm được đặt sau nó để tạo thành bẩy từ đối với những hạt mang điện, như những ion Ar phía trước target  Nguyên tử được bật ra khỏi bề mặt target bởi ion – đó là phún xạ. Những nguyên tử phún xạ không tích điện âm hay dương, vì thế chúng di chuyển thẳng ra khỏi bẩy từ và lắng đọng ở đế. Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron Phún xạ magnetron  Giam giữa target và từ trường khép kín sinh ra plasma mật độ đặc.  Mật độ ion cao được sinh ra trong plasma có bẩy từ, và những ion này được hút bởi target có áp thế âm, tạo ra phún xạ tốc độ cao. Plasma magnetron  Sự xói mòn target lớn nhất ở nơi từ trường và mật độ plama lớn nhất.  Điều này dẩn đến công dụng không hiệu quả của target có từ tính Xói mòn target Thuận lợi Mật độ dòng (tỉ lệ với tốc độ ion hóa) tăng 100 lần so với phún xạ dc Aùp suất phóng điện có thể giảm 100 lần Tốc độ lắng đọng tăng 100 lần  Trong những năm trước đây màng mỏng kim loại được bốc bay nhưng bây giờ phún xạ được sử dụng  Phún xạ có thể được sử dụng để lắng đọng tất cả các loại chất dẫn điện  Chúng ta không thể lắng đọng màng hợp kim bởi phương pháp bốc bay do nhiệt độ nóng chảy của các kim loại khác nhau  Phún xạ không làm thay đổi hợp thức Sự phủ kim loại  Tỉ số môn của các nguyên tố trong một hợp chất được gọi là hợp thức  Trong lắng đọng hợp kim chúng ta cần kiểm soát tỉ lệ giữa các nguyên tố  Bốc bay: điểm nóng chảy thấp hơn lắng đọng nhanh hơn  Phún xạ: điểm nóng chảy không liên quan Hợp thức  Tạp chất trong màng phún xạ thấp  Trong bốc bay, tạp chất do vật liệu chứa  Sự bao phủ bậc thang tốt hơn  Phún xạ được làm từ diện tích mở rộng của target bóng mờ là thấp nhất  Đồ đồng đều tương đối cao Một số ưu điểm khác của phún xạ Sự va chạm giữa các hạt Sự phân bố cosin của dòng hạt rời khỏi đế. Sự phân bố tốc độ lắng đọng Năng lượng phản xạ của hạt tới thay đổi theo khối lượng nguyên tử target Năng lượng phản xạ của hạt tới Lấy đi những cấu hình không phẳng trong lắng đọng phún xạ có thế âm ở đế, cho phép lọc lựa tốt hơn mẫu có dạng lỗ Bias sputtering Phún xạ phản ứng Phún xạ phản ứng Khí phản ứng được đưa vào buồng phún xạ cùng với khí Ar. Hợp chất được hình thành giữa khí phản ứng và nguyên tử phún xạ (ví dụ TiN). Phản úng thường xảy ra trên bề mặt đế và trên target. Khi quá nhiều khí phản ứng có thể gây ra tốc độ phản ứng vượt quá tốc độ phún xạ  Sự đầu độc target làm thay đổi tốc độ phún xạ rất lớn ! Phún xạ phản ứng Hợp chất được lắng đọng bởi phún xạ phản ứng Target Reactive Gas Compound Al O2 Al2O3 Al N2 AlN Ti O2 TiO2 Ti N2 TiN Si N2 Si3N4 Ta O2 Ta2O5 Zn O2 ZnO In-Sn O2 In2O3-SnO2 Phún xạ phản ứng  Phún xạ DC sử dụng cho đế dẫn điện  Lắng động SiO2 sử dụng phún xạ DC cần 10 12 V  Phún xạ DC không duy trì đối với target không dẫn điện, bởi vì điện tích dương trên bề mặt target từ chồi dòng ion và dập tắt phún xạ  Thế RF có thể được nối thông qua đế cách điện, vì thế điện cực dẫn là không cần thiết.  Tần số RF đủ cao để duy trì phóng điện.  Tần số chuẩn 13.56MHz  Chúng ta phải đảm bảo rằng ion dương chỉ bắn phá cathode(target) Phún xạ RF Phún xạ RF Ở tần số radio (13.56 MHz), điện cực nguồn sẽ phát triển một màng điện tích âm (tự hình thành) do sự khác biệt độ linh động của điện tử và ion Ion dương sẽ bắn phá điện cực nguồn, do đó dẫn đến phún xạ target Đế được đặt ở điện cực nối đất (hay bất cứ nơi nào khác trong buồng) Hiệu ứng quan trọng  Trên 1MHz một số hiệu ứng quan trọng xảy ra:  Cơ chế Ping-pong  Điện tử đi vòng quanh vỏ plasma và chúng có năng lượng  Thế RF có thể được áp vào thông qua bất kỳ trở kháng nào  giảm năng lượng ion  Ơû cùng nguồn áp vào, nhiều sự phân chia làm tăng năng lượng điện tử Hiệu ứng quan trọng  Tần số nhỏ hơn 1 MHz  Điện tử và ion trong plasma linh động  Cả hai loại hạt mang điện theo sự chuyển đổi giữa anode và cathode  Phún xạ DC căn bản ở cả hai bề mặt  Tần số lớn hơn 1 MHz  Ion có thể không theo sự chuyển đổi này(nặng)  Điện tử có thể trung hòa với điện tích dương được thành lập Điện cực nào là cathode?  Độ linh động của điện tử cao hơn cathode thu được nhiều điện tích âm hơn điện tích đương  Bộ tụ điện khóa thế dc từ nguồn cấp điện  Sau một vài chu trình cathode được tích thế âm  Trong suốt một vài chu kỳ đầu, nhiều điện tử được thu ở điện cực nhiều hơn ion (độ linh động cao), và gây ra tích điện âm hình thành ở điện cực.  Do đó, điện cực duy trì thế DC ổn định, âm so với thế plasma, Vp.  Thế plama Vp dương giúp truyền ion dương chậm hơn và làm chậm sự hình thành điện cực âm. Phún xạ RF  Đế được phún xạ cùng tốc độ như target bởi vì sụt thế bằng nhau ở cả hai điện cực đối với hệ đối xứng.  Điều này khó có thể lắng đọng vật liệu.  Điện cực nhỏ hơn đòi hỏi mật dộ dòng RF cao hơn để duy trì cùng một dòng tổng cộng như điện cực lớn Phún xạ RF  Làm điện cự target nhỏ hơn điện cực khác, sụt thế ở điện cực target sẽ lớn hơn nhiều điện cực khác  Vì thế hầu hết phún xạ xảy ra ở target. Phún xạ RF