Nghiên cứu nâng cao chất lượng màng mỏng quang học bằng phương pháp bốc hơi có trợ giúp của chùm ion

1

A. Những đặc điểm của luận án
1. Tính cấp thiết của đề tài: Bay hơi nhiệt trong chân không là
công nghệ đ và đang đợc sử dụng rộng ri trong chế tạo màng
mỏng quang học. Tuy nhiên công nghệ này không thể giải quyết
đợc nhiều yêu cầu cao về chất lợng màng mỏng quang học nh:
Màng mỏng có độ ổn định thông số quang học cao trớc sự thăng
giáng của nhiệt độ và/hoặc độ ẩm; Màng mỏng có độ bám dính cao
giữa màng-đế, khả năng chống mài mòn tốt, khả năng chịu tác động
ăn mòn hoá học; Màng mỏng quang học chất lợng cao trên các loại
vật liệu plastic quang học hay kính mắt plastic; Màng mỏng có giá trị
ứng suất trong giới hạn mong muốn Để đáp ứng đòi hỏi thực tế
này, phơng pháp Bay hơi có trợ giúp của chùm ion (phơng pháp
IAD- Ion Assisted Deposition) đ ra đời. Phơng pháp IAD đ đợc
phát triển và áp dụng thành công ở các nớc công nghiệp hàng đầu
trong khoảng hơn mời năm trở lại đây.
Đặc điểm khí hậu nóng ẩm của Việt nam ảnh hởng rất lớn tới
tính năng và độ bền của các lớp màng mỏng quang học. Nghiên cứu
áp dụng công nghệ IAD nâng cao chất lợng màng mỏng quang học,
vì vậy có ý nghĩa hết sức thiết thực.
2. Mục đích của luận án: Xây dựng một thiết bị thử nghiệm
công nghệ IAD. Nghiên cứu áp dụng công nghệ IAD nâng cao chất
lợng quang học của màng mỏng thông qua hai loại vật liệu màng
mỏng TiO
2
và SiO
2
.
3. Phơng pháp nghiên cứu. Luận án này đợc tiến hành bằng

phơng pháp thực nghiệm: Thiết bị công nghệ IAD thử nghiệm đợc
xây dựng trên cơ sở tham khảo các tài liệu về phơng pháp IAD đ
công bố của nớc ngoài; Thông số công nghệ IAD và phạm vi điều
khiển đợc thiết lập qua khảo sát thực nghiệm các thông số đặc trng

2

cho nguồn ion; Hàm số mô tả quan hệ giữa bộ thông số công nghệ
IAD với thông số chiết suất màng mỏng TiO
2
và SiO
2
đợc thiết lập
bằng phơng pháp qui hoạch thực nghiệm.
Thông số quang học của màng mỏng (chiều dày màng, chiết
suất, hệ số hấp thụ) đợc phân tích từ phổ truyền qua của mẫu bằng
phần mềm Spektrum. Phổ truyền qua của màng mỏng đợc đo bằng
máy quang phổ Jasco 530 UV-VIS. Một số phơng pháp phân tích
vật lí đợc sử dụng: Thành phần pha vật liệu màng mỏng đợc phân
tích bằng phơng pháp nhiễu xạ tia X(XRD), mật độ khối lợng và
độ nhám bề mặt của màng mỏng đợc phân tích bằng phơng pháp
phổ phản xạ tia X(XRR) và phổ tán xạ tia X (XRS).
4. Đóng góp mới của luận án:
Lần đầu tiên ở Việt nam, một thiết bị chế tạo màng mỏng công
nghệ IAD đ đợc xây dựng và vận hành thành công.
Đ nghiên cứu áp dụng công nghệ IAD để nâng cao chất lợng
màng mỏng quang học thông qua hai vật liệu TiO
2
và SiO
2

.
Đ xây dựng hàm toán học mô tả quan hệ giữa thông số công
nghệ IAD với thông số chiết suất của màng mỏng TiO
2
và SiO
2
.
Đ phát triển một phơng pháp mới nâng cao độ chính xác chế
tạo màng mỏng SiO
2
bằng công nghệ IAD từ vật liệu Si và SiO
Đ áp dụng thành công công nghệ IAD để chế tạo một số màng
mỏng quang học chất lợng cao nh: kính lọc đơn sắc, gơng
phản xạ mặt trớc.
5. Bố cục của luận án: Luận án đợc trình bày trong 4 chơng,
121 trang, bao gồm 64 hình vẽ và đồ thị, 30 bảng số liệu. Các nội
dung đợc trình bày theo trình tự sau:
Mở đầu

3

Chơng 1. Chất lợng màng mỏng quang học và phơng pháp
bay hơi có trợ giúp của chùm ion.
Chơng 2. Xây dựng thiết bị nghiên cứu phơng pháp IAD.
Chơng 3. Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO
2
và SiO
2
bằng
công nghệ IAD.

Chơng 4. Một số kết quả ứng dụng công nghệ IAD.
Kết luận
Danh mục công trình khoa học.
Tài liệu tham khảo.


B. Nội dung luận án
Chơng 1. Chất lợng màng mỏng quang học và
phơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion

1.1. ảnh hởng của chiết suất tới chất lợng màng mỏng quang học
Chất lợng quang học của màng mỏng đợc đánh giá qua các
thông số: hệ số phản xạ, hệ số truyền qua, hệ số hấp thụ.
Với hệ màng có n lớp, các thông số quang học nêu trên đợc xác
định bằng cách giải phơng trình ma trận đặc trng sau:


Trong đó:




rrr
r
dN cos2
=
là chỉ số pha của lớp màng mỏng thứ r
N
r
là chiết suất tơng đơng của lớp màng thứ r. N

r
đợc biểu
diễn dới dạng số phức: N
r
=n
r
+j.k
r
với n
r
-chiết suất, k
r
-hệ số hấp
thụ của màng
d
r
chiều dày của lớp màng thứ r
(
)

=






+
=

1
1
1
cossin
/sincos
n
n
r
rrr
rrr
i
i
C

B


(
1.1
)


4

là bớc sóng ánh sáng

r
= N
r
cos
r
đối với sóng TE,
r
= N
r
/cos
r
đối với sóng TM

n+1
là chiết suất tơng đơng của đế
Giải phơng trình (1.1), ta xác định đợc ma trận tích

C
B
đợc
gọi là ma trận đặc trng của hệ màng n lớp. Chiết suất tơng đơng Y
của hệ màng đợc xác định bằng: Y=C/B. Với giá trị Y ta xác định
đợc hệ số truyền qua, hệ số phản xạ của hệ màng.
Biên độ phản xạ của hệ màng
xác định bằng biểu thức (1.2) với

0
là chiết suất tơng đơng của
môi trờng tới. Hệ số phản xạ R
của hệ màng xácđịnh bằng biểu
thức (1.3). Biểu thức (1.1) và
(1.3) cho thấy cặp giá trị (N
r
, d
r
)
của các lớp màng trong hệ màng
mỏng quyết định hoàn toàn giá trị hệ số phản xạ/truyền qua của toàn
hệ màng mỏng, tức là chất lợng của hệ màng. Để chế tạo hệ màng
mỏng nhiều lớp có chất lợng cao, cần phải đảm bảo cặp giá trị (N
r
,
d

r
) của từng lớp màng trong hệ màng có giá trị chính xác và ổn định.
1.2. Vi cấu trúc của màng mỏng và ảnh hởng của nó đến chiết suất
Các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử cho thấy vật liệu màng
mỏng quang học có dạng cấu trúc cột với các khe hở xen kẽ ở giữa
khi đợc chế tạo bằng phơng pháp bay hơi nhiệt thông thờng. Hơi
ẩm của khí quyển hấp thụ vào các khe hở này sẽ làm thay đổi chiết
suất tổng thể của màng mỏng. Chiều dày quang học của màng mỏng,
là tích số giữa chiều dày vật lí và chiết suất, do vậy bị biến đổi theo
(1.2)

Y
Y
r
+

=
0
0

+









+

=
Y
Y
Y
Y
R
0
0
0
0




(1.3)


5

điều kiện môi trờng. Thông số mật độ xếp chặt đợc sử dụng để
đánh giá khía cạnh này của màng mỏng. Mật độ xếp chặt p đợc
định nghĩa bằng biểu thức (1.4):



ảnh hởng của vi cấu trúc cột tới chiết suất của màng mỏng đợc
biểu diễn bằng biểu thức
Kinosita-Nishibori (1.5)

trong đó: p là mật độ xếp chặt của màng mỏng
n
f
là chiết suất tổng cộng của màng mỏng
n
v
là chiết suất của phần rỗng bao quanh cột
n
s
là chiết suất của phần vật liệu rắn của màng mỏng
Một đặc điểm rất quan trọng của vi cấu trúc màng mỏng là trạng
thái tinh thể của nó. Nhiều vật liệu màng mỏng quang học không chỉ
ngng kết dới dạng vô định hình mà còn dới dạng tinh thể với
nhiều dạng pha khác nhau. Các pha này có chiết suất khác nhau, vì
vậy chiết suất của màng mỏng có thể biến đổi khá lớn tuỳ thuộc vào
vi cấu trúc tinh thể cụ thể. Ví dụ, màng mỏng TiO
2
có chiết suất có
thể biến đổi trong khoảng từ 2,1ữ2,6 tuỳ thuộc vào vi cấu trúc tinh

thể là vô định hình, anatase, hay rutil.
1.3. ảnh hởng của điều kiện lắng đọng màng mỏng đến vi cấu trúc
Điều kiện chủ yếu ảnh hởng đến mật độ xếp chặt của màng
mỏng bao gồm: nhiệt độ đế, áp suất khí trong quá trình lắng đọng
Theo mô hình Movchan-Demchishin, trong quá trình lắng đọng
màng mỏng bằng phơng pháp bay hơi nhiệt, thông số có tính quyết
định là tỉ số giữa nhiệt độ đế T và nhiệt độ nóng chảy T
m
của vật liệu
rỗng) khoangrắn mỏng(phần màngcủa tích thể Tổng
mỏng màngcủa rắn phầncủa tích Thể
+
=p
(1.4)

(
)
s
pn
v
np
f
n
+

=
1
(1.5)

6

tạo màng. Mô hình đề xuất: cấu trúc của màng mỏng chia ra làm 3
vùng: Vùng I (ứng với T/T
m
<0.25-0.3) gồm các cột dạng búp măng
có chóp nhọn với các khe hở xen kẽ; VùngII (ứng với 0.25-
0.3<T/T
m
<0.45) gồm các hạt dạng cột có bề mặt mịn hơn; Vùng III
(ứng với T/T
m
>0.45) tạo thành từ các hạt tinh thể đẳng hớng dạng đa
giác. Mô hình Thornton bổ sung thêm một thông số là áp suất khí đối
với quá trình lắng đọng màng bằng phơng pháp phún xạ.
1.4. Phơng pháp chế tạo màng mỏng quang học
1.4.1. Phơng pháp bay hơi nhiệt trong chân không
Quá trình bay hơi thực hiện trong buồng chân không với áp suất
khí khoảng 10
-5
đến 10
-6
Torr. Vật liệu tạo màng đợc nung nóng
(bằng dẫn nhiệt, bằng bức xạ nhiệt hoặc bằng bắn chùm tia điện tử
năng lợng cao) tới nhiệt độ hoá hơi. Hơi vật liệu bay lên sẽ lắng
đọng trên bề mặt của linh kiện quang đặt trong buồng chân không.
1.4.2. Phơng pháp phún xạ (Sputtering)
Bề mặt vật liệu tạo màng (đợc gọi là bia) đợc bắn phá bằng các
ion khí trơ (argon, neon, ) hoặc các ion và nguyên tử khác. Sự va
chạm giữa các ion với bề mặt bia làm bật (phún xạ) nguyên tử vật

liệu ra khỏi bề mặt, tạo thành chùm hơi vật liệu lắng đọng trên bề
mặt chi tiết quang. Phơng pháp phún xạ có các cấu hình cụ thể sau:
Phún xạ điện áp một chiều DC kiểu diode; Phún xạ cao tần (RF);
Phún xạ Magnetron; Phún xạ chùm ion (IBS).
1.4.3. Lựa chọn phơng pháp chế tạo màng mỏng
Phơng pháp chế tạo màng mỏng đợc lựa chọn căn cứ vào: Khả
năng nâng cao chiết suất của màng mỏng; Tốc độ lắng đọng màng;
Vật liệu tạo màng; Khả năng hạn chế sự tăng nhiệt độ đế.
Phơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD) là giải pháp
công nghệ đợc luận án này chọn nhờ phát huy u điểm của cả hai

7

nhóm phơng pháp bay hơi nhiệt và phún xạ. Các u điểm của
phơng pháp IAD là:
Có thể nhanh chóng cải tạo thiết bị bay hơi nhiệt thành thiết bị
công nghệ IAD với việc tích hợp một nguồn ion thích hợp vào
trong buồng chân không.
Cho phép chế tạo màng mỏng quang học có chiết suất tơng
đơng nhóm phơng pháp phún xạ.
Tốc độ lắng đọng màng tơng đơng với phơng pháp bay hơi
nhiệt.
Hiệu quả sử dụng vật liệu tơng đơng phơng pháp bay hơi
nhiệt.
Có thể chế tạo màng mỏng có chất lợng quang học cao trên đế
không gia nhiệt.
1.5. Phơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD)
1.5.1. Cơ sở của phơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion
Phơng pháp bay hơi có trợ giúp của chùm ion (IAD- Ion Assisted
Deposition) là phơng pháp lắng đọng màng thực hiện trong chân

không kết hợp đồng thời với bắn phá màng mỏng bằng các ion khí
phát ra từ nguồn ion. Phơng pháp IAD dựa trên cơ sở của quá trình
làm biến đổi cấu trúc màng mỏng bằng bắn phá ion. Khi ion với năng
lợng vài trăm eV bắn vào bề mặt của màng tơng đối xốp, nó có thể
xuyên sâu vào vật liệu tới chiều sâu khoảng vài lớp nguyên tử. Va
chạm trên đờng di chuyển của ion có thể tạo ra các phonon, tạo các
chỗ khuyết trong màng, làm phún xạ các nguyên tử hay kích thích
các điện tử. Các ion có thể bị bật ngợc trở lại hay kết hợp vào màng,
trong khi đó các nguyên tử bị bắn trúng có thể bật ra khỏi màng
mỏng (bị phún xạ) hay bị đẩy sâu hơn vào trong lớp màng, tại đó
chúng bị nằm kẹt lại tại các khoảng rỗng. Các chỗ khuyết gần bề mặt

8

màng mỏng, hình thành do sự bắn phá bởi ion, sẽ đợc điền đầy một
phần bởi các nguyên tử mới lắng đọng từ pha hơi. Nếu số lợng ion
bắn phá đủ lớn so với số nguyên tử lắng đọng thì cơ chế này sẽ khiến
các nguyên tử vật liệu đợc xếp lèn chặt tới mức cấu trúc cột rỗng
không thể phát triển đợc nữa.
Hiệu quả của phơng pháp IAD đối với việc tăng cờng mật độ
xếp chặt của màng mỏng phụ thuộc vào 2 yếu tố:
Tỉ số giữa số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng
Năng lợng của ion bắn phá
1.5.2. Thiết bị chế tạo màng mỏng bằng phơng pháp IAD
Trong buồng chân không với áp suất khí khoảng 10
-4
-10
-5
Torr, vật
liệu tạo màng đợc bay hơi từ nguồn bốc hơi nhiệt điện trở hoặc

nguồn bốc hơi chùm tia điện tử. Màng mỏng sẽ đợc lắng đọng lên
đế bố trí ở phía trên của buồng chân không. Một nguồn phát ion bố
trí phía dới sẽ hớng chùm ion bắn phá vào đế đồng thời với quá
Hình 1.
9
. Sơ đồ nguyên lí thiết bị tạo màng bằng
phơng pháp IAD.

9

trình hình thành màng mỏng trên đó. Nguồn phát ion hoạt động nhờ
điện năng từ nguồn cấp điện ở bên ngoài. Khí cấp cho đầu ion có thể
là khí trơ nh Argon, Neon hay khí phản ứng nh oxy, nitơ. Lợng
khí cấp cho nguồn phát ion đợc điều chỉnh bằng thiết bị điều khiển
lu lợng khí đặt ở bên ngoài. Chiều dày màng mỏng đợc đo bằng
cảm biến (đầuđo) ở gần vị trí đặt đế.
Nguồn ion dùng cho quá trình IAD cần đáp ứng các yêu cầu sau:
Không gây bẩn tới chi tiết quang.
Cho dòng ion lớn với năng lợng ion thấp.
Cho phân bố mật độ dòng ion bắn phá đồng đều trên một diện
tích lớn.
Có thể hoạt động trong thời gian dài với khí argon, oxy, nitơ.
1.5.3. Nguồn ion chùm tia rộng kiểu Kaufman
Nguồn ion Kaufman đợc sử dụng đầu tiên trong nghiên cứu công
nghệ IAD. Tuy nhiên hiện nay ít đợc sử dụng do nhợc điểm: góc
mở chùm tia nhỏ, lới gia tốc và lới chắn bị mòn nhanh gây tốn kém
trong vận hành.
1.5.4. Nguồn ion hiệu ứng Hall
Là loại nguồn ion đợc sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ
IAD nhờ các u điểm: Góc mở rộng; Không sử dụng lới gia tốc nên

chi phí cho vận hành thấp; cho chùm ion có năng lợng thấp và mật
độ dòng ion lớn; Có thể hoạt động trong thời gian dài với các loại khí
tích cực nh oxy, nitơ và khí trơ.
Các thơng hiệu nổi tiếng với nguồn ion loại này là CC-105 của
công ty Denton Vacuum Inc, và Mark II của công ty CVC Corp.




10

Chơng 2.
Xây dựng thiết bị nghiên cứu phơng pháp IAD

2.1. Thiết bị IAD thử nghiệm.
Thiết bị thử nghiệm gồm các khối nh trên hình 1.9. Việc lựa
chọn các khối căn cứ vào phân tích thông số kĩ thuật và tính toán sự
tơng tác giữa các thành phần. Các yêu cầu đợc tóm tắt nh sau:
Hệ thống chân không phải đảm bảo: áp suất tối thiểu 5.10
-5
Torr;
Có tốc độ bơm chân không phù hợp với lu lợng khí cần thiết
cấp cho nguồn ion; Kích thớc buồng chân không phù hợp với
công suất nguồn ion để đảm bảo mật độ dòng ion cần thiết trên
mặt phẳng đế.
Sử dụng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử để có thể bay hơi các
loại vật liệu khó nóng chảy với tốc độ bay hơi ổn định.
Thiết bị đo chiều dày màng mỏng kiểu thạch anh dao động cho
phép đo chiều dày màng mỏng chính xác 1nm và khống chế ổn
định tốc độ lắng đọng màng tới 0.1A

0
/giây.
Thiết bị điều khiển lu lợng khí cần phải điều khiển lợng khí
cấp cho nguồn ion với độ chính xác tới 0,5 sccm(xăng ti mét khối
khí tại điều kiện tiêu chuẩn trong một phút).
Nguồn ion sử dụng loại hiệu ứng Hall (mục 1.5.4)
Các thiết bị đ đợc lựa chọn để xây dựng hệ IAD thử nghiệm bao
gồm: Thiết bị chân không B55 và Nguồn bốc hơi chùm tia điện tử
ESV6 của VTD Đức; Nguồn ion CC-105 của Denton Vacuum Inc,.
Mỹ; Thiết bị đo chiều dày màng mỏng XTC/2 của INFICON,. Inc
Mỹ; Thiết bị điều khiển lu lợng khí FC-7700CD của Advanced
Energy Inc, Mỹ.



11

2.2. Xác lập tham số điều khiển nguồn ion CC-105

Trạng thái hoạt động của nguồn ion đợc quyết định bởi 3 yếu tố
điều khiển: nguồn điện Cathode, nguồn điện Anode, và lu lợng khí
cấp cho nguồn ion. Trạng thái hoạt động của nguồn ion quyết định
dạng phổ năng lợng và cờng độ chùm ion phát ra bởi nguồn ion, và
qua đó quyết định tính chất của các màng mỏng lắng đọng bằng quá
trình IAD. Trạng thái của nguồn ion CC-105 trong thiết bị IAD thử
nghiệm đ đợc khảo sát thông qua đặc tuyến điện áp-dòng điện
anode với các tổ hợp giá trị khác nhau của lu lợng khí và dòng điện
cathode (dòng điện sợi đốt) nh sau:
Kích thớc hình học của sợi dây trung hoà nguồn ion CC-105:
dây Wonfram đờng kính 0,63mm, dài 25cm.

Tốc độ hút của hệ bơm chân không B-55: 3000lít/giây.
Nguồn ion CC-105 hoạt động với khí oxy.
Lu lợng khí đợc điều chỉnh tăng dần theo các mức 5sccm,
10sccm, 15sccm, và 20sccm. Tại mỗi mức lu lợng khí, dòng
điện Cathode (sợi đốt trung hoà) đợc đặt ở các mức tăng dần
18A, 19A, 19,5A và 20A. Tại mỗi mức dòng điện Cathode, dòng
điện Anode đợc điều khiển tăng dần. Giá trị dòng điện và điện
áp Anode đợc ghi lại để xây dựng biểu đồ điện áp-dòng điện.
Các số liệu đo đợc sử dụng để xây dựng 2 họ biểu đồ: quan hệ
điện áp-dòng điện anode với các mức lu lợng khí khác nhau(hình
2.10d), và quan hệ điện áp-dòng điện anode với các mức dòng điện
sợi đốt khác nhau (hình 2.9c).





12

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
120
140
160
180
200
220
240
260
§iÖn ¸p (V)
Dßng ®iÖn (A)
18A
19A
19.5A
20A
H×nh 2.
9c
. BiÓu ®å ®iÖn ¸p-dßng ®iÖn anode
víi l−u l−îng khÝ 15sccm
H×nh 2.1
0d
.
BiÓu ®å ®iÖn ¸p-dßng ®iÖn anode
víi dßng ®iÖn sîi ®èt 20A
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
100
150

200
250
300
§iÖn ¸p (V)
Dßng ®iÖn (A)
10 sccm
15 sccm
20 sccm

13

Căn cứ vào các biểu đồ rút ra những kết luận quan trọng sau:
Khoảng giá trị thông số điều khiển nguồn ion: Lu lợng khí
8ữ15sccm; Dòng điện sợi đốt cố định tại 20A; Dòng điện anode
0ữ2A.
Lu lợng khí ảnh hởng trực tiếp tới độ dốc của đờng đặc
tuyến điện áp-dòng điện, qua đó tác động đến điện áp anode khi
duy trì dòng điện anode cố định. Có thể sử dụng thông số lu
lợng khí để điều khiển năng lợng trung bình của chùm ion
(năng lợng trung bình của chùm ion là 0,4ữ0,6 lần điện áp
anode).
2.3. Khảo sát mật độ dòng ion.
Tỉ lệ số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng là một trong hai tham
số có ảnh hởng quyết định đến tính chất màng mỏng lắng đọng
bằng quá trình IAD. Tỉ lệ này phụ thuộc vào số ion bắn phá, hay mật
độ dòng ion-là giá trị dòng điện ion đo trên một đơn vị diện tích tại vị
trí đặt đế. Mật độ dòng ion j
I
(thờng đợc đo bằng đơn vị àA/cm
2

)
có giá trị thay đổi theo vị trí tơng đối của điểm khảo sát so với
nguồn ion. Phân bố không gian (hình 2.14a) giá trị mật độ dòng ion
là cơ sở để:
Xác định khoảng cách nguồn ion-mặt phẳng đế sao cho mật độ
dòng ion j
I
có giá trị nằm trong giới hạn mong muốn.
Xác định kích thớc vùng không gian tại mặt phẳng đế, sao cho
biến thiên giá trị mật độ dòng ion j
I
trong vùng này nằm trong
giới hạn cho phép.
Trong luận án này mật độ dòng ion đợc đo bằng đầu đo Faraday

14


Mật độ dòng ion đợc khảo sát lần lợt trên hai mặt phẳng đo
vuông góc với trục của nguồn ion. Khoảng cách đến mặt nguồn ion là
25cm với mặt phẳng thứ nhất, và 40cm với mặt phẳng thứ hai. Trong
mỗi mặt phẳng đợc khảo sát, đầu đo Faraday đợc bố trí tuần tự tại
các điểm có khoảng cách so với trục nguồn ion là 0, 5, 10, 20 và
25cm. Tại mỗi điểm đặt đầu đo Faraday, các số liệu đo mật độ dòng
ion đợc ghi lại tơng ứng với dòng điện anode là 1A và 2A. Các giá
trị dòng điện anode vừa nêu đợc thiết lập với các giá trị lu lợng
khí thay đổi gồm: 5, 8, 10, 15, và 20sccm.
Từ số liệu đo rút ra các kết luận sau:
Mật độ dòng ion bắn phá trên một đơn vị diện tích tăng tỉ lệ với
dòng điện anode (tại vị trí mặt phẳng đế xác định và với lu

lợng khí cố định). Vì vậy ta có thể sử dụng giá trị dòng điện
anode làm tham số điều khiển mật độ dòng ion bắn phá trong quá
trình IAD.
0 5 10 15 20 25
0
40
80
120
160
200
240
280
àMật độ dòng ion ( /cm
2
)
Vị trí (cm)
20sccm
15sccm
12sccm
10sccm
5sccm
Hì
nh 2.
1
4
a
. Phân bố mật độ dòng ion tại mặt phẳng đế
cách nguồn ion 25cm, dòng anode 1.0A

15

Khoảng cách thích hợp bố trí mặt phẳng đế nằm trong khoảng
25cm tới 40cm. Nếu muốn duy trì tốc độ lắng đọng màng mỏng
cao, thì khoảng cách 25cm là thích hợp. Nếu muốn tăng tối đa số
lợng chi tiết đợc mạ trong một ca chạy máy thì khoảng cách
thích hợp là 40cm.
2.4. Thiết bị đánh giá độ hấp thụ hơi nớc trong màng mỏng.
Đánh giá lợng nớc hấp thụ trong màng mỏng là phép đo quan
trọng để nghiên cứu tối u thông số quá trình IAD chế tạo các màng
mỏng

Có 3 phơng pháp đánh giá: Phơng pháp quang phổ; Phơng
pháp phổ hấp thụ hồng ngoại; Phơng pháp đo độ ổn định phổ theo
nhiệt độ. Trong Luận án này phơng pháp đo độ ổn định phổ truyền
qua của mẫu đo theo nhiệt độ (hình 2.16) đợc sử dụng để đánh giá
mức độ hấp thụ hơi nớc trong màng mỏng. Thiết bị gia nhiệt mẫu
Hình 2.
1
6
.
Sơ đồ nguyên lí thiết bị đo độ ổn định phổ
theo nhiệt độ của màng mỏng

16

trên máy quang phổ Jasco-530 đ đợc chế tạo để thực hiện phép đo
này. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị có thể phát hiện độ dịch
phổ rất nhỏ (dới 2nm) của các màng mỏng chế tạo bằng công nghệ
IAD (hình 2.19).
Chơng 3. Nghiên cứu nâng cao chất lợng màng mỏng TiO

2
và
SiO
2
bằng phơng pháp IAD
3.1. Màng mỏng quang học TiO
2
và SiO
2

Theo Lí thuyết thiết kế màng mỏng quang học, với một cặp hai
vật liệu có chiết suất cao và chiết suất thấp ta có thể thiết kế chế tạo
hầu hết các hệ màng mỏng với đặc trng phổ quang học mong muốn.
Hình 2.
1
9
.
Kết quả khảo sát độ ổn định nhiệt độ của màng
mỏng TiO
2
lắng đọng bằng phơng pháp IAD: (a)-
phổ đo trớc khi gia nhiệt; (b)- phổ đo sau khi gia
nhiệt 150
0
C, độ dịch phổ là 2nm.

17

Trong vùng phổ ánh sáng nhìn thấy tới hồng ngoại gần, cặp vật liệu
TiO

2
/SiO
2
đợc sử dụng nhiều nhất do có nhiều đặc tính tốt. Đây là
cơ sở để cặp vật liệu TiO
2
/SiO
2
đợc luận án chọn làm đối tợng
nghiên cứu.
TiO
2
có thể tồn tại dới ba dạng hình tinh thể là rutile, anatase và
brookite (ít gặp) và dạng vô định hình. Sự tồn tại của các dạng thù
hình khác nhau này của màng mỏng TiO
2
khiến cho tính chất quang
học của màng phụ thuộc rất mạnh vào các điều kiện chế tạo.
Bảng 3.5. Chỉ tiêu chất lợng màng mỏng TiO
2
và SiO
2
.

Chỉ tiêu
chất lợng

Lắng đọng
bằng bay hơi
nhiệt (đế ở

nhiệt độ phòng)

Lắng đọng
bằng bay hơi
nhiệt (đế ở
nhiệt độ 300
0
C)

Lắng đọng
bằng phơng
pháp IAD
Màng mỏng TiO
2

Chiết suất

2,13 2,43 2,59
Độ dịch
phổ
~20nm ~12nm ~1nm
Hệ số hấp
thụ k
0,001 0,001 0,001
Màng mỏng SiO
2

Chiết suất 1,46 1,49 1,46ữ1,53
Độ dịch
phổ

~22nm ~10nm ~1nm
Hệ số hấp
thụ k
0,0001 0,0001 0,0001
SiO
2
là vật liệu chế tạo màng mỏng có chiết suất thấp và hệ số hấp
thụ nhỏ trong vùng phổ rộng từ vùng cực tím cho tới vùng hồng ngoại
trung. Màng mỏng SiO
2
thờng có cấu trúc vô định hình. Chiết suất

18

của màng mỏng SiO
2
có giá trị tuỳ thuộc vào phơng pháp và thông
số của quá trình lắng đọng. Hệ số hấp thụ của màng lắng đọng bằng
phơng pháp phún xạ magnetron phản ứng là <1.10
-4
, và <1.10
-5
với
phơng pháp IBS, IAD và IP. Tổn hao do tán xạ trên bề mặt của
màng mỏng SiO
2
rất nhỏ so với màng mỏng TiO
2
.
Trong Luận án này, chiết suất đợc chọn làm chỉ tiêu chất lợng

để nghiên cứu nâng cao chất lợng màng mỏng TiO
2
và SiO
2
. Chiết
suất của màng mỏng có thể xác định chính xác, và thuận tiện bằng
phơng pháp xử lí kết quả đo phổ truyền qua của màng mỏng nhờ
phần mềm Spektrum. Bảng 3.5 liệt kê giá trị các thông số của màng
mỏng TiO
2
và SiO
2
lắng đọng bằng phơng pháp IAD và phơng
pháp bay hơi nhiệt trong chân không với các nhiệt độ đế khác nhau.

3.2. Xác định thông số công nghệ của quá trình IAD.
Có 6 nhóm yếu tố ảnh hởng tới giá trị chiết suất (kết quả đầu ra):
môi trờng, thiết bị, con ngời, vật liệu, đo lờng, thông số công tác.
ảnh hởng của các yếu tố đợc phân tích để chọn ra các yếu tố cơ
bản, đồng thời cố định các yếu tố thứ yếu. Các yếu tố cơ bản đợc sử
dụng làm thông số công nghệ của quá trình IAD.
Kết quả nghiên cứu ở Chơng 1 đ chỉ ra rằng mật độ xếp chặt
của màng mỏng lắng đọng bằng quá trình IAD phụ thuộc vào 2 thông
số: năng lợng của ion và tỉ số số ion bắn phá/số nguyên tử lắng
đọng. Điều khiển quá trình IAD cần phải tác động tới hai thông số
này. Các thông số công nghệ đợc chúng tôi sử dụng để tác động tới
2 thông số nêu trên là:
Dòng điện anode của nguồn ion.
Lu lợng khí oxy cấp cho nguồn ion.
Tốc độ lắng đọng màng.

19

Bảng 3.6. Thông số công nghệ quá trình IAD.
Thông số Giá trị cực tiểu Giá trị cực đại

Lu lợng khí [sccm] 8 15
Dòng điện anode [A] 0,5 1,5
Tốc độ lắng đọng màng

mỏng TiO
2
[nm/giây]
0,1 0,3
Tốc độ lắng đọng màng

mỏng SiO
2
[nm/giây]
0,3 1,0
Phạm vi điều chỉnh của các thông số công nghệ đợc xác định dựa
vào kết quả phân tích cụ thể từng thông số trên thiết bị IAD thực
nghiệm (Bảng 3.6).
3.3. Nghiên cứu quan hệ giữa thông số công nghệ IAD với
chiết suất màng mỏng TiO
2
và SiO
2
Quan hệ giữa 3 thông số công nghệ IAD với chiết suất của màng
mỏng đợc thiết lập nhờ sử dụng phơng pháp Quy hoạch thực

nghiệm. Quy hoạch thực nghiệm cho phép tìm ra kết quả tối u với
số lợng thí nghiệm phải tiến hành là ít nhất. Trong luận án này,
chúng tôi đ sử dụng phần mềm qui hoạch thực nghiệm Design
Expert để nghiên cứu tối u hoá thông số công nghệ IAD chế tạo
màng mỏng TiO
2
và SiO
2
. Design Expert là phần mềm quy hoạch
thực nghiệm của công ty Stat-Ease,. Inc, Mỹ.
Qui hoạch kiểu Box-Behnken đợc chúng tôi sử dụng để nghiên
cứu ảnh hởng của 3 thông số công nghệ quá trình IAD tới chiết suất
màng mỏng. Bảng qui hoạch thực nghiệm đợc lập ra nhờ Design
Expert căn cứ vào các lựa chọn sau:
Kiểu qui hoạch: Box-Behnken.
Yếu tố đầu vào: A-tốc độ lắng đọng màng; B-lu lợng khí cấp
cho nguồn ion; C- dòng điện anode.

20

Khoảng biến thiên của các yếu tố A, B, C (giá trị cực đại, giá trị
cực tiểu): theo số liệu của bảng 3.2
Kết quả đầu ra: chiết suất.
Có 15 mẫu màng mỏng TiO
2
và SiO
2
đ đợc chế tạo bằng phơng
pháp IAD với các thông số công nghệ theo bảng qui hoạch thực
nghiệm. Xử lí số liệu thực nghiệm bằng phần mềm Design Expert đ

đem lại các kết quả sau:
a/ ảnh hởng của 3 thông số công nghệ tới chiết suất màng mỏng
TiO
2
(3.1) và SiO
2
(3.2) đợc biểu diễn bởi các hàm hồi qui sau:
n = 2,43 - 0,45.X
1
- 0,02.X
2
+ 0,3.X
3
(3.1)
n = 1,50 - 0,016 X
1
- 0,005.X
2
+ 0,05.X
3
(3.2)
trong đó:
n là chiết suất của màng mỏng TiO
2
và SiO
2

X
1
là tốc độ lắng đọng màng [nm/giây]

X
2
là lu lợng khí cấp cho nguồn ion[sccm]
X
3
là dòng điện anode nguồn ion CC-105 [A]
B/ Giá trị tối u chiết suất màng mỏng TiO
2
và SiO
2
thể hiện trong
các bảng 3.9 và bảng 3.11
Bảng 3.9. Kết quả tối u giá trị chiết suất màng mỏng TiO
2

Giá trị
chiết suất
mong
muốn
Lu
lợng khí
[sccm]
Dòng
điện
anode
[A]
Tốc độ
lắng đọng
[nm/giây]

Giá trị
chiết suất
theo tính
toán
Giá trị
chiết suất
thực tế
nhận đợc
Cực đại

11,1 1,5 0,1 2,65 2,58
2.4 8,9 0,9 0,3 2,40 2,41
Cực tiểu

15 0,5 0,3 2,19 2,13



21

Bảng 3.11. Kết quả tối u giá trị chiết suất màng mỏng SiO
2

Giá trị
chiết suất
mong
muốn
Lu
lợng khí
[sccm]

Dòng
điện
anode
[A]
Tốc độ
lắng đọng
[nm/giây]

Giá trị
chiết suất
theo tính
toán
Giá trị
chiết suất
thực tế
nhận đợc
Cực đại

8,12 1,29 0,98 1,52 1,52
1.48 8,7 0,5 0,72 1,48 1,48
Cực tiểu

14,3 0,5 0,84 1,45 1,44
Trên cơ sở các hàm hồi qui đợc thiết lập, đ xác định bộ thông số
công nghệ tối u của quá trình IAD để nhận đợc các màng mỏng
với chiết suất cực đại: n=2.58 với màng TiO
2
và n=1.52 với màng
SiO
2

. Với giá trị chiết suất cực đại này, độ dịch phổ theo nhiệt độ của
các màng mỏng rất nhỏ (<2nm). Rõ ràng màng mỏng nhận đợc có
mật độ xếp chặt rất cao, lợng hơi nớc hấp thụ trong màng mỏng đ
đợc giảm thiểu, chiết suất của màng phụ thuộc rất nhỏ vào thăng
giáng nhiệt độ độ ẩm của môi trờng
3.4. Khảo sát một số tính chất vật lí của màng mỏng TiO
2
Đ khảo sát một số tính chất vật lí ( mật độ khối lợng, độ nhám
bề mặt, thành phần pha) của màng mỏng TiO
2
chế tạo bằng phơng
pháp IAD. Kết quả nhận đợc phù hợp với số liệu công bố trên các ấn
phẩm quốc tế. Với các mẫu màng TiO
2
có chiết suất cao 2.58, vi cấu
trúc có pha tinh thể rutil làm tăng độ nhám bề mặt của màng.
3.5. Nghiên cứu nâng cao độ chính xác chế tạo màng mỏng SiO
2
Đ thử nghiệm nâng cao độ chính xác chiều dày màng mỏng SiO
2

nhờ phơng pháp bay hơi vật liệu Silic trong quá trình IAD. Kết quả
bớc đầu cho thấy:
Silic có thể đợc bay hơi bằng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử,
luồng hơi vật liệu bay lên có phân bố không gian khá ổn định.

22

Với sự hỗ trợ của chùm ion và đế đợc gia nhiệt 300
0

C, đ nhận
đợc màng mỏng SiO
2
có tính chất quang học lặp lại. Cần phải
nghiên cứu tối u hoá nhằm nâng cao hơn nữa chiết suất của
màng mỏng.

Chơng 4. Một số kết quả ứng dụng phơng pháp IAD
4.1. Nghiên cứu nâng cao độ bền gơng nhôm phản xạ mặt trớc.
Để nâng cao độ bền của gơng nhôm, bề mặt phản xạ của gơng
đợc phủ lớp màng bảo vệ SiO
2
(dày 172nm) chế tạo bằng phơng
pháp IAD và phơng pháp bay hơi nhiệt thông thờng. Các phép thử
độ bền cho thấy màng SiO
2
chế tạo bằng phơng pháp IAD có độ bền
vợt trội: Độ bền hoá trong phép thử ăn mòn bằng dung dịch NaOH
0,2M tăng lên nhiều lần; Độ bền chịu mài mòn trong phép thử phun
cát tốt hơn nhiều so với gơng phủ bảo vệ bằng bay hơi nhiệt.
4.2. Nghiên cứu chế tạo kính lọc đơn sắc có độ ổn định phổ cao.
Kính lọc đơn sắc kiểu Fabry-Perrot 15 lớp màng đợc chế tạo từ
cặp vật liệu TiO
2
/SiO
2
bằng phơng pháp IAD và phơng pháp bay
hơi nhiệt. Với các thông số công nghệ IAD đ tối u, chất lợng
quang học của kính lọc chế tạo bằng phơng pháp IAD là rất tốt: Sai
lệch của phổ truyền qua nhỏ (~2nm) so với thiết kế; Độ dịch phổ theo

nhiệt độ của kính lọc rất nhỏ (<2nm).

C. Kết luận
Đ nghiên cứu và xây dựng thành công một hệ thiết bị thử
nghiệm công nghệ IAD. Thiết bị sử dụng nguồn ion CC-105 bố
trí trong buồng chân không thể tích 150 lít. Đ xây dựng một
thiết bị đo độ dịch phổ theo nhiệt độ trên máy quang phổ Jasco

23

530, cho phép đánh giá mức độ hấp thụ hơi nớc trong màng
mỏng. Thiết bị phát hiện đợc độ dịch phổ xấp xỉ 1-2nm.
Đ nghiên cứu ảnh hởng của 3 thông số cơ bản của công nghệ
IAD (Tốc độ lắng đọng màng; Lu lợng khí cấp cho nguồn ion;
Dòng điện anode) lên chất lợng màng mỏng TiO
2
và SiO
2
. Đ
thiết lập hàm hồi qui mô tả quan hệ chiết suất của màng mỏng
TiO
2
và SiO
2
với bộ 3 thông số công nghệ IAD nêu trên để tìm
chế độ tối u: n
max
= 2,58 với TiO
2
và n

max
=1,52 với SiO
2
. Độ dịch
phổ theo nhiệt độ của hai màng mỏng có chiết suất cực đại này là
xấp xỉ 1-2nm.
Đ nghiên cứu chế tạo màng mỏng SiO
2
từ vật liệu Si bằng
phơng pháp bốc hơi có trợ giúp của ion oxy nhằm nâng cao độ
chính xác chiều dày màng. Màng mỏng SiO
2
nhận đợc bằng
phơng pháp IAD trên đế thuỷ tinh gia nhiệt ở 300
0
C có chiều
dày và chiết suất ổn định lặp lại với độ chính xác cao.
Đ sử dụng vật liệu màng mỏng TiO
2
và SiO
2
với chiết suất tối u
để chế tạo 2 hệ màng mỏng quang học chất lợng cao: kính lọc
đơn sắc, gơng Al phản xạ mặt trớc. Chất lợng quang học của
kính lọc đơn sắc đợc khẳng định qua: sai lệch rất nhỏ (2nm) so
với thiết kế của phổ truyền qua; độ dịch phổ rất nhỏ (<2nm) theo
nhiệt độ. Gơng Al có lớp bảo vệ SiO
2
chế tạo bằng IAD có độ
bền hoá học rất tốt: sau 4 giờ ngâm trong dung dịch NaOH 0,2M

hệ số phản xạ của gơng vẫn duy trì ở ~80%. Trái lại, gơng Al
có lớp bảo vệ SiO
2
chế tạo bằng bốc hơi chùm tia điện tử có hệ số
phản xạ giảm mạnh trên 50% sau 2 giờ trong dung dịch ăn mòn.




24

Danh mục công trình khoa học
1. Pham Hong Tuan, Dang Xuan Cu, Tham ngoc Tu, Nguyen thi
Khyen, Some aspects about the resistance of optical coatings
under the tropical climate conditions. Proceedings of the 4
th

German-Vietnamese Seminar on Physics and Engineering
(GVS4), Dresden, 05-09 June 2001.
2. Pham Hong Tuan, Dang Xuan Cu, Ion Assisted Deposition-a
solution for moisture stable optical coatings. Proceedings of
the 5
th
Vietnam-German Seminar on Physics and Engineering,
Hue 3/2002.
3. Phạm Hồng Tuấn, Đặng xuân Cự, Nghiên cứu chế tạo kính lọc
giao thoa màng mỏng cho bộ ghép tách kênh quang học. Kỉ yếu
Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ hai về Nghiên cứu, Phát triển
và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông, Hà nội 9/2004.
4. Pham Hong Tuan, Dang Xuan Cu, Ion Assisted Deposition of

SiO
2
film from Silicon. International Symposium on Optical
System Design 2005, Jena-Germany, 12-16/9/2005, Proceedings
SPIE vol 5963-67.
5. Phạm Hồng Tuấn, Trần Định Tờng, Nghiên cứu chuyển đổi
màng SiO thành màng SiO
2
bằng phơng pháp bốc hơi có trợ
giúp của chùm ion, Kỉ yếu Hội nghị khoa học lần thứ 20, Phân
ban cơ khí, Đại học Bách khoa Hà nội, 10/2006.