CAÙC PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC NGHIEÄM

1. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC NGHIEÄM PHÖÔNG PHAÙP PHUÙN XAÏ NGÖÔØI TRÌNH BAØY: Lê Trấn

2. Lưulạithông tin cầnthiết: Địachỉbạnđãtải: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html Nơi bạn có thể thảo luận: http://myyagy.com/mientay/ Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí: http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html Dự án dịch học liệu mở: http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html Liên hệ với người quản lí trang web: Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com

4. Phuùn xaï Trong phuùn xaï, naêng löôïng ñöôïc chuyeån töø ion tôùi ñeán nguyeân töû target, phaù vôû lieân keát giöõa caùc nguyeân töû, böùt nhöõng nguyeân töû ra khoûi target Taïi sao söû duïng phöông phaùp phuùn xaï? Phuùn xaï coù ñoä ñoàng ñieàu treân dieän tích lôùn Deã kieåm soaùt thaønh phaàn hôïp chaát Beà maët target ñöôïc röûa tröôùc khi laéng ñoïng maøng, nhaèm taåy caùc taïp chaát baån treân beà maët Haïn cheá: quaù trình laéng ñoïng ôû chaân khoâng trung bình coù theå laøm taêng taïp hôn quaù trình boác bay.

5. Ñieàu kieän caàn cho phuùn xaï 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

6. Chuùng ta caàn gì? Chuùng ta caàn Moâi tröôøng cuûa haït ion hoùa (Plasma) taïo ra plasma gia toác ion vaø ñieän töû plasma laø traïng thaùi thöù 4 cuûa vaät chaát Chöùa caùc ion di chuyeån töï do Caû haït mang ñieän aâm vaø döông Caùc nguyeân töû ôû traïng thaùi kích thích, naêng löôïng cuûa chuùng ôû traïng thaùi cao, baùn beàn Haït nhaân (do caùc phaân töû bò ñöùt lieân keát) plasma coù ñöôïc khi naêng löôïng ñuû cao

7. Saûn sinh plasma • Haït naêng löôïng cao söû duïng trong phuùn xaï ñöôïc saûn sinh bôûi phoùng ñieän • Aùp theá cao dc ngang qua khí loaûng gaây ra phoùng ñieän Caùi gì laø cô cheá chuyeån khí caùch ñieän thaønh moâi tröôøng daãn ñieän? Phoùng ñieän Böùt nhöõng nguyeân töû beà maët nhieàu nhaát trong khi giaûm toái ña nhöõng ion caáy vaøo target

8. Daãn ñieän trong moâi tröôøng khí • Nhöõng vuøng daãn ñieän khaùc nhau trong moâi tröôøng khí • Hai vuøng quan troïng • phoùng ñieän Townsend • Phoùng ñieän phaùt saùng

9. Phoùng ñieän Townsend • Ñieän töû phaân taùn töø cathode ñöôïc gia toác höôùng ñeán anode • Ñieän töû coù naêng löôïng ñuû, va chaïm vôùi caùc nguyeân töû khí trung hoøa (A) • Khoaûng caùch giöõa hai ñieän cöïc phaûi ñuû lôùn cho pheùp ñieän töû duy trì ñuû naêng löôïng • Cathode phaûi ñuû roäng ñeå ngaên caûn söï maát maùt ñieän töû • Chuyeån ñoåi khí trung hoøa thaønh ion döông (A+) • Hai ñieän töû ñöôïc giaûi phoùng e- + A  2e- + A+ • Caùc haït mang ñieän ñöôïc nhaân leân theo caáp soá nhaân • Quaù trình naøy ñöôïc goïi laø phoùng ñieän Townsend

10. Moái lieân heäTownsend • i0 laø doøng ban ñaàu • Moái lieân heä naøy lieân quan ñeán doøng ñieän tích taêng ñoät bieán do saûn sinh ñieän töû thöù caáp •  ñaëc tröng cho xaùc suaát ion hoùa moãi ñôn vò chieàu daøi, phuï thuoäc aùp suaát, ñieän tröôøng vaø naêng löôïng ion hoùa •  ñaëc tröng cho böùc xaï ñieän töû thöù caáp • Thaùc luõ xaûy ra khi maãu soá laøzero

11. Thaùc luõ • Theá ñaùnh thuõng laø theá khi phoùng ñieän townsend chuyeån sang phoùng ñieän corona : (Pashen’s law) A,B haèng soá d laø khoaûng caùch giöõa hai ñieän cöïc P laø aùp suaát • Aùp suaát thaáp: • Vaøi va chaïm giöõa ñieän töû vaø ion Hieäu suaát ñieän töû thöù caáp laø quaù thaáp theá VB cao hôn ñeå duy trì phoùng ñieän • Aùp suaát cao hôn: • Va chaïm ñeàu ñaën Ñieän töû khoâng coù naêng löôïng ñuû lôùn theá VB cao hôn

12. Ñöôøng cong Paschen

13. Theá moài Theá ban ñaàu caàn ñeå hình thaønh neân plasma VS laø moät haøm cuûa khí, aùp suaát vaø khoaûng caùnh bia – ñeá Khi tích p.d thaáp, electron ñaït ñeán anode maø khoâng va chaïm vôùi khí. Vì theá, caàn coù theá cao hôn ñeå ñieän töû gaây ñuû va chaïm ñeå plasma hình thaønh Theá VS cao hôn cuõng caàn tích p.d cao hôn, bôûi vì ñieän töû va chaïm vôùi nguyeân töû khí tröôùc khi chuùng nhaän ñuû naêng löôïng ñeå gaây ion hoùa

14. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • A – B: Ñieän tröôøng queùt ion vaø ñieän töû, caùc haït mang ñieän ñöôïc taïo ra töø söï ion hoùa do böùc xaï moâi tröôøng. • Böùc xaï moâi tröôøng xuaát phaùt töø tia vuõ truï, vaät lieäu phoùng xaï hay caùc nguoàn khaùc.

15. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • B – C: Theá ñöôïc taêng ñuû lôùn, taát caû nhöõng ion vaø ñieän töû ñöôïc queùt ñi, vaø doøng ñieän ñöôïc duy trì. • Doøng naøy phuï thuoäc tuyeán tính vaøo ñoä maïnh cuûa nguoàn phuùn xa, doøng baõo hoøa khi caùc haït mang ñieän ñeàu ñaït ñeán caùc ñieän cöïc.ï

16. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • C – E: Theá taêng qua ñieåm C, doøng taêng theo haøm muõ. • Doøng taêng ñöôïc goïi laø phoùng ñieän townsend.

17. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • E: Thaùc luõ ñieän töû xaûy ra.

18. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • F – G khí vaøo vuøng phoùng ñieän bình thöôøng, trong ño,ù theá haàu nhö khoâng phuï thuoäc doøng.

19. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • G-H: phoùng ñieän baát thöôøng • Söï baén phaù cuûa ion raát lôùn. Vuøng naøy söû duïng cho phuùn xaï.

20. Ñaëc tröng I-V ñöôïc hieäu chænh laïi • H: phoùng ñieän hoà quang. Cathode bò ñoát noùng ñeán möùc coù theå phaùt xaï nhieät ñieän töû.

21. Caáu truùc cuûa phoùng ñieän • Caáu hình naøy trình baøy nhöõng vuøng chính ñaëc tröng cho phoùng ñieän phaùt saùng. • Nhöõng vuøng ñöôïc moâ taû nhö “phaùt saùng" böùc xaï aùnh saùng coøn nhöõng vuøng coù teân “khoâng gian toái" khoâng co böùc xaï aùnh saùng

22. Caáu truùc cuûa phoùng ñieän Nhöõng thaønh phaàn chính cuûa plasma dc Vuøng saùng laø vuøng ôû ñoù ñieän töû töông taùc vôùi nguyeân töû bò kích thích vaø ion, naêng löôïng maát maùt do phaùt saùng Maøu cuûa aùnh saùng laø haøm cuûa khí(naêng löôïng ion hoùa cuûa nguyeân töû vaø phaân töû) Ñieän töû nhaän quaù nhieàu naêng löôïng Phaùt quang giaûm vì söï chuyeån möùc naêng löôïng ñeán nguyeân töû khoâng töông thích vôùi möùc ion hoùa Vuøng toái laø vuøng ôû ñoù nguyeân töû khí trung hoøa toàn taïi Khoâng coù aùnh saùng bôûi vì ion hoùa vaø kích thích khoâng xaûy ra

23. Caáu truùc cuûa phoùng ñieän Khoâng gian toái cathode (C) laø vuøng töông ñoái toái, coù ñieän tröôøng maïnh nhaát. Coät aâm (D) laø vuøng coù cöôøng ñoä saùng nhaát trong toaøn phoùng ñieän, ñoä maïnh cuûa ñieän tröôøng trôû neân yeáu do maät ñoä ñieän töû giaûm. Ñieän töû coù naêng löôïng ñuû ñeå gaây ra kích thích nguyeân töû Khoâng gian toái Faraday (E) Naêng löôïng ñieän töû giaûm töø söï va chaïm trong coät aâm Coät döông (F) Ñoä maïnh cuûa ñieän tröôøng ñoàng ñeàu, maät ñoä ñieän töû vaø ion baèng nhau (vuøng plasma chính) Vuøng saùng anode (G) Ñieän töû gaàn anode ñöôïc gia toác vaø kích thích nguyeân töû. Khoâng gian toái anode Ion ñöôïc ñaåy bôûi anode, ñieän töû bò trieät tieâu (khoâng coù töông taùc do kích thích)

24. Voû ñieän cöïc • Theá trong oáng phoùng ñieän gioáng hình döôùi ñaây • Theá plasma cao hôn theá ôû hai ñieän cöïc • Ñieän töû ñaåy töø hai cöïc vaø ñieàu naøy giuùp plasma oån ñònh

25. Voû ñieän cöïc • Trong vuøng voû ñieän cöïc, maät ñoä ñieän töû thaáp • Haàu nhö khoâng coù va chaïm hay nguyeân töû bò ion hoùa • Vuøng naøy xuaát hieän toái • Bôûi vì ñieän trôû thaáp neân ñieän tröôøng cao trong vuøng naøy

27. Caùc loaïi phuùn xaï Phuùn xaï diod Phuùn xaï phaûn öùng Ion plating vaø ion plating phaûn öùng Phuùn xaï magnetron phuùn xaï chuøm ion

28. Nguyeân töû vaøo traïng thaùi khí • 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

29. Quaù trình truyeàn ñoäng löôïng cuûa ion • Xuyeân saâu côõ 10 Ao • Naêng löôïng < 50 keV • 95 % Naêng löôïng tôùi truyeàn cho ñeá => Caàn laøm nguoäi target • 5 % Naêng löôïng tôùi thaát thoaùt do ion tôùi bò phaûn xaï töø nguyeân töû trung hoøa target, Naêng löôïng naøy thöôøng côõ 5-100 eV • Nguyeân töû target bò böùt ra vôùi naêng löôïng phaân boá khoâng ñoàng ñeàu Nhieàu nguyeân töû vuoâng goùc vôùi beà maët ñeá • Phaân boá cosine • Quaù trình ñöôïc ñaëc tröng bôûi hieäu suaát phuùn xaï (S) • S = soá nguyeân töû böùt ra khoûi target / soá ion döông ñaäp tôùi target

30. S phuï thuoäc: • Vaät lieäu target • Naêng löôïng lieân keát • Khoái löôïng nguyeân töû • Khí phuùn xaï • Khoái löôïng nguyeân töû (S taêng ñoái vôùi khí naëng) • Naêng löôïng tôùi (S taêng ñoái vôùi naêng löôïng tôùi cao)

31. Naêng löôïng cöïc ñaïi ion truyeàn cho target Phuùn xaï dc

32. Va chaïm giöõa caùc haït • Phuùn xaï coù nghóa laø haït naêng löôïng cao ñaäp leân target, loaïi haït naøy sinh ra trong quaù trình phoùng ñieän • Va chaïm ñaøn hoài, khoâng truyeàn naêng löôïng • Va chaïm khoâng ñaøn hoài • Naêng löôïng khoâng ñuû cao kích thích ñieän töû, böùc xaï photon • Naêng löôïng ñuû cao, ion hoùa ñieän töû, taïo ra ñieän töû thöù caáp • Caùc ñieän töû laïi ñöôïc gia toác, va chaïm lieân hoaøn vôùi khí • Doøng ñieän töû ñöôïc thu bôûi anode vaø suy giaûm veà 0 nhanh choùng

33. Quaù trình töông taùc cuûa caùc haït mang ñieän Ñieän töû ñöôïc sinh ra ôû cathode vaø di chuyeån höôùng ñeán anode, ñieän töû va chaïm vôùi nguyeân töû khí giöõa hai ñieän cöïc Khi va chaïm vôùi nguyeân töû khí, ñieän töû gaây ra: Kích thích Phaân ly Ion hoùa Ñieän töû ñöôïc taïo ra trong quaù trình, gaây ra hieän töôïng thaùc luõ Khi ñaït traïng thaùi caân baèng, soá ñieän töû ñuû buø tröø soá ñieän töû bò maát vaø soá ñieän töû taùi hôïp vôùi ion.

34. Quaù trình töông taùc cuûa caùc haït mang ñieän Naêng löôïng cuûa ion ñaäp leân target ñöôïc kieåm soaùt nhö sau: < 5eV : giaûi haáp vaät lyù vaø phaûn xaï 5  10 eV: coù theå laøm hö haïi beà maët vaø di chuyeån treân beà maët 10  30 eV: phuùn xaï > 30 eV: caáy ion

35. 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

36. Caùc loaïi phöông phaùp phuùn xaï Söû duïng haït naêng löôïng cao (plasma) ñeå di ñaåy nhöõng nguyeân töû ra khoûi beà maët •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

37. DC sputtering • Daïng ñôn giaûn cuûa phuùn xaï dc laø oáng phoùng ñieän • Ion phuùn xaï nguyeân töû töø target vaø chuùng ñònh vò treân ñeá

38. DC sputtering Nguoàn vaät lieäu raén vaø caáu hình coù theå tuøy yù Nhieät ñoä laéng ñoïng thaáp Coù theå ñaït toác ñoä laéng ñoïng cao Ñoä baùm dính toát Thaønh phaàn cuûa maøng coù theå baèng thaønh phaàn cuûa nguoàn

39. DC sputtering

40. DC sputtering

41. Phuùn xaï chuøm ion

42. Caùc thoâng soá phuùn xaï • Aùp suaát aûnh höôûng tôùi toác ñoä laéng ñoïng: • Aùp suaát thaáp: • Voû cathode roäng, ion ñöôïc saûn sinh xa töø target, cô hoäi maát maùt raát lôùn • Quaûng ñöôøng töï do trung bình laø daøi, cô hoäi va chaïm do ion hoùa thaáp • phoùng ñieän duy trì khoâng theå ñaït ñöôïc döôùi aùp suaát 10 mTorr vì theá aùp suaát thaáp coù theå giaûm toác ñoä laéng ñoïng • Aùp suaát cao: • Nguyeân töû phuùn xaï traûi qua nhieàu taùn xaï  Vì theá aùp suaát cao cuõng laøm giaûm toác ñoä laéng ñoïng

43. Caùc thoâng soá • Toác ñoä laéng ñoïng toái öu voøng quanh 100 mTorr • Töông ñoàng giöõa • Soá ion Ar+ taêng • Taùn xaï cuûa ion Ar+ vôùi nguyeân töû trung hoøa taêng • Neáu taêng soá ion maø khoâng taêng soá nguyeân töû trung hoøa thì quaù trình phuùn xaïcoù theå hoaït ñoäng ôû aùp suaát thaáp

44. Caùc thoâng soá Hieäu suaát phuùn xaï <n>: Soá haït trung bình böùc xaï moãi laàn ion ñaäp leân beà maët target n+: Soá ion ñaäp leân beà maët target Y phuï thuoäc vaøo loaïi ion vaø vaät lieäu target

45. Hieäu suaát phuùn xa phuï thuoäc khí vaø vaät lieäu target

46. Hieäu suaát phuùn xaï Ion coù naêng löôïng Uo = 0.1 - 10 keV M+: Khoái löôïng ion Mt: Khoái löôïng nguyeân töû target E+: Theá naêng va chaïm

47. Hieäu suaát phuùn xaï Naêng löôïng ion > 10 KeV Boác bay nhieät xaûy ra

48. Phuùn xaï dc Ñeå duy trì plasma: Aùp suaát cao, daãn ñeán maät ñoä taïp trong khí cao, do va chaïm göõa khí vaø thaønh buoàng lôùn Ion plating Khaéc phuïc taïp trong phuùn xaï diod, moät chuùt theá aâm ñöôïc aùp treân ñeá ñuû ñeá giaûi haáp nhöõng loaïi khí haáp phuï treân ñeá, ñoàng thôøi laøm taêng naêng löôïng beà maët ñeá, giuùp taêng cöôøng khueách taùn beà maët cuûa caùc nguyeân töû target Phuùn xaï magnetron Haï aùp suaát baèng caùch söû duïng töø tröôøng ñeå baåy ñieän töû gaàn target, laøm taêng quaù trình ion hoùa vaø taêng toác ñoä laéng ñoïng.

49. Theá aâm ôû ñeá • Theá aâm thöôøng ñöôïc aùp vaøo ñeá ñeå thay ñoåi doøng vaø naêng löôïng cuûa haït phuùn xaï. • Theá aâm côõ -5 ñeán -300 voân ñöôïc söû duïng • Ñieàu naøy laøm giaûm söï baén phaù ñeá bôûi ion, vì theá: • Taêng ñoä baùm dính • Taêng maät ñoä maøng • Giaûm ñieän trôû cuûa maøng kim loaïi • Taêng ñoä phaûn xaï quang hoïc

50. Bias sputtering • Hoaït ñoäng raát ñôn giaûn • Phuùn xaï dc khoâng ñöôïc söû duïng nöõa • Toác ñoä laéng ñoïng thaáp • Thuaän lôïi trong vieäc ñaûo cöïc • Coù theå etching (aên moøn) ñeá tröôùc