BÀI GIẢNG 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 gì?

Chúng ta cần
Chúng ta cần

Môi trường của hạt ion hóa (Plasma)
Môi trường của hạt ion hóa (Plasma)

tạo ra plasma
tạo ra plasma

gia tốc ion và điện tử
gia tốc ion và điện tử

plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất
plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất

Chứa các ion di chuyển tự do
Chứa các ion di chuyển tự do

Cả hạt mang điện âm và dương
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 bò đứt liên kết)

plasma có được khi năng lượng đủ cao
plasma có được khi năng lượng đủ cao


Hạt năng lượng cao sử dụng trong phún xạ được sản sinh bởi
phóng điện

p 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


i
0
là dòng ban đầu

Mối liên hệ này liên quan đến dòng điện tích tăng đột biến
do sản sinh điện tử thứ cấp

α đặc trưng cho xác suất ion hóa mỗi đơn vò chiều
dài, phụ thuộc áp suất, điện trường và năng lượng

ion hóa

γ 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)]
α
α
=
− γ −
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

p suất thấp:

Vài va chạm giữa điện tử và ion  Hiệu suất điện tử thứ cấp là quá
thấp thế V

B
cao hơn để duy trì phóng điện

p suất cao hơn:

Va chạm đều đặn Điện tử không có năng lượng đủ lớn thế V
B
cao hơn
B
APd
V
ln(Pd) B
=
+

Ñöôøng cong Paschen

Thế ban đầu cần để hình thành nên plasma
V
S
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 V
S
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 bò 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 bò
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
bò 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 đònh
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 bò 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