Vật lý màng mỏng -Các phương pháp chế tạo màng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
GVHD
GVHD
: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng
HVTH
HVTH
: Phan Trung Vĩnh
: Phan Trung Vĩnh
QUANG HỌC ỨNG DỤNG
QUANG HỌC ỨNG DỤNG

Phương pháp
Phương pháp
ngưng tụ vật lý (PVD)
ngưng tụ vật lý (PVD)
Phương pháp
Phương pháp
ngưng tụ hóa học (CVD)
ngưng tụ hóa học (CVD)
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG
P
P
hysical
hysical
V

V
apor
apor
D
D
eposition
eposition
C
C
hemical
hemical
V
V
apor
apor
D
D
eposition
eposition




Với một tác nhân cung cấp năng lượng,
Với một tác nhân cung cấp năng lượng,
vật liệu cần phủ màng bị hóa hơi.
vật liệu cần phủ màng bị hóa hơi.



Các hạt vật
Các hạt vật
liệu di chuyển
liệu di chuyển




Các phản
Các phản
ứng hình
ứng hình
thành hợp
thành hợp
chất (nếu có),
chất (nếu có),
xảy ra trên
xảy ra trên
đường đi
đường đi




Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế
Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế
→ Màng
→ Màng





Với một tác nhân cung cấp năng lượng,
Với một tác nhân cung cấp năng lượng,
vật liệu cần phủ màng bị hóa hơi.
vật liệu cần phủ màng bị hóa hơi.




Các hạt vật
Các hạt vật
liệu di chuyển
liệu di chuyển




Một chất
Một chất
khí được đưa
khí được đưa
vào (precursor)
vào (precursor)




Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế,

Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế,
phản ứng với chất khí
phản ứng với chất khí
→ Hợp chất → Màng
→ Hợp chất → Màng
T
đế
< 500
0
C T
đế
≈ 900 – 1200
0
C

Phương pháp
Phương pháp
bốc bay chân không
bốc bay chân không
Phương pháp
Phương pháp
phún xạ
phún xạ




HAI PHƯƠNG PHÁP PVD PHỔ BIẾN
HAI PHƯƠNG PHÁP PVD PHỔ BIẾN

1. Phương pháp bốc bay
1. Phương pháp bốc bay
chân không (Evaporation)
chân không (Evaporation)
Phương pháp
Phương pháp
bốc bay trực tiếp
bốc bay trực tiếp
Thermal
Thermal
Evaporation:
Evaporation:
Bốc bay nhiệt
Bốc bay nhiệt
Phương pháp
Phương pháp
bốc bay gián tiếp
bốc bay gián tiếp
Bốc bay
Bốc bay
nhiệt điện
nhiệt điện
trở
trở
Bốc bay
Bốc bay
bằng chùm
bằng chùm
điện tử
điện tử

Bay hơi
Bay hơi
phản ứng
phản ứng
(RE)
(RE)
Mạ ion
Mạ ion
Electron-beam
Electron-beam
Evaporation:
Evaporation:
Bốc bay bằng
Bốc bay bằng
chùm điện tử
chùm điện tử
Ion Plating:
Ion Plating:
Mạ ion
Mạ ion
Không
Không
kích hoạt
kích hoạt
Có kích
Có kích
hoạt (ARE)
hoạt (ARE)
R
R

eacting
eacting
E
E
vaporation:
vaporation:
Bay hơi phản ứng
Bay hơi phản ứng
A
A
ctivated
ctivated
R
R
eactive
eactive
E
E
vaporation:
vaporation:
B.hơi p.ứng có kích hoạt
B.hơi p.ứng có kích hoạt

1.1 Phương pháp bốc bay trực tiếp
1.1 Phương pháp bốc bay trực tiếp
BỐC BAY NHIỆT ĐIỆN TRỞ
BỐC BAY NHIỆT ĐIỆN TRỞ



Nguyên tắc chung
Nguyên tắc chung




Vật liệu (rắn, lỏng, bột)
Vật liệu (rắn, lỏng, bột)
được cung cấp E
được cung cấp E
→ hóa hơi
→ hóa hơi




Hơi vật liệu bốc
Hơi vật liệu bốc
lên phía trên
lên phía trên




Cuối cùng, hơi vật liệu ngưng
Cuối cùng, hơi vật liệu ngưng
tụ trên đế, phân bố và kết tinh
tụ trên đế, phân bố và kết tinh
N

h
i
ệ
t
N
h
i
ệ
t
C
h
ù
m

e
L
a
s
e
r
L
a
s
e
r
H
ồ

q
u

a
n
g
Tác nhân hóa hơi là
Tác nhân hóa hơi là
nguồn nhiệt
nguồn nhiệt
,
,
mẫu được
mẫu được
giữ bằng điện trở
giữ bằng điện trở
BỐC BAY BẰNG CHÙM e
BỐC BAY BẰNG CHÙM e
Tác nhân hóa hơi là
Tác nhân hóa hơi là
chùm e có
chùm e có
động năng lớn
động năng lớn

BỐC BAY NHIỆT ĐIỆN TRỞ
BỐC BAY NHIỆT ĐIỆN TRỞ
Một hệ bốc bay chân không gồm
Một hệ bốc bay chân không gồm
4 bộ phận chính
4 bộ phận chính
:
:





Hệ bơm chân không
Hệ bơm chân không




Buồng chân không
Buồng chân không




Nguồn nhiệt
Nguồn nhiệt




Hệ giữ & điều chỉnh T
Hệ giữ & điều chỉnh T
đế
đế
Mẫu được giữ bằng “
Mẫu được giữ bằng “
giá điện trở
giá điện trở

”,
”,
được
được
đốt nóng đến hóa hơi
đốt nóng đến hóa hơi
bằng
bằng
dòng điện theo
dòng điện theo
ĐL Joule-Lenz
ĐL Joule-Lenz
:
:
Sơ đồ một hệ bốc bay
Sơ đồ một hệ bốc bay
chân không đơn giản
chân không đơn giản
2
. .Q R I t=
Các loại “giá điện trở”: dây
Các loại “giá điện trở”: dây
(a-d), thuyền (e-g) và chén (h)
(a-d), thuyền (e-g) và chén (h)
Nhiệt lượng
tỏa ra
Điện trở của thuyền
Cường độ
dòng điện
qua “thuyền”

Thời gian tỏa nhiệt

GIÁ ĐIỆN TRỞ
GIÁ ĐIỆN TRỞ
Thuyền điện trở
Thuyền điện trở




1 hay nhiều vòng dây
1 hay nhiều vòng dây




Làm bằng
Làm bằng




Vật liệu cần bốc bay được quấn
Vật liệu cần bốc bay được quấn
trong các vòng dây
trong các vòng dây
Vòng dây điện trở
Vòng dây điện trở
Chén điện trở
Chén điện trở





Tấm kim loại dạng thuyền để chứa
Tấm kim loại dạng thuyền để chứa
vật liệu
vật liệu




Làm bằng
Làm bằng




Chén được đốt nóng bằng các sợi
Chén được đốt nóng bằng các sợi
điện trở quấn quanh nồi
điện trở quấn quanh nồi




Làm bằng
Làm bằng
Thạch anh
Thạch anh

chịu nhiệt
chịu nhiệt
phủ
phủ
Al
Al
2
2
O
O
3
3
d > 1
d > 1
μ
μ
m
m

Tốc độ bay hơi
Tốc độ bay hơi
(1)
(1)
:
:
Số nguyên tử bốc bay
Số nguyên tử bốc bay
trong 1 đơn vị thời gian
trong 1 đơn vị thời gian
*

.
.
2 . .
e
e
e
B
dN
p p
A dt
m k T
α
π
−
=
Diện tích bề mặt của
Diện tích bề mặt của
nguồn bốc bay.
nguồn bốc bay.
Hệ số bốc bay
Hệ số bốc bay
(2)
(2)
Áp suất hơi cân bằng
Áp suất hơi cân bằng
của chất bay hơi
của chất bay hơi
Áp suất của
Áp suất của
chất bay hơi trong

chất bay hơi trong
buồng chân không
buồng chân không
Khối lượng
Khối lượng
nguyên tử
nguyên tử
Hằng số Boltzmann
Hằng số Boltzmann
(1,38.10
(1,38.10
-23
-23
J/K )
J/K )
Nhiệt độ tuyệt đối (K)
Nhiệt độ tuyệt đối (K)
Trong đó,
Trong đó,
áp suất hơi cân bằng
áp suất hơi cân bằng
là
là
1 hàm theo nhiệt độ
1 hàm theo nhiệt độ
:
:
0
0
* .

B
L
k T
p p e
−
=
Hằng số
Hằng số
Nhiệt ẩn bốc bay của 1
Nhiệt ẩn bốc bay của 1
nguyên tử hay phân tử
nguyên tử hay phân tử
(1)
(1)
Tốc độ bay hơi: Số nguyên tử bốc bay đi qua 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn
Tốc độ bay hơi: Số nguyên tử bốc bay đi qua 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn
vị thời gian.
vị thời gian.
(2)
(2)
Hệ số bốc bay (Evaporation Coefficient): Hệ số dính chặt của nguyên tử bay
Hệ số bốc bay (Evaporation Coefficient): Hệ số dính chặt của nguyên tử bay
hơi trên bề mặt.
hơi trên bề mặt.
Phương trình Hertz-Knudsen
Phương trình Hertz-Knudsen

Sự phân bố hướng của các nguyên tử bốc bay:
Sự phân bố hướng của các nguyên tử bốc bay:
Định luật phân bố Cosine:

Định luật phân bố Cosine:
0
.cos
i i
N N
α
=
N
N
0
0
: số hạt nằm trên
: số hạt nằm trên
phương pháp tuyến
phương pháp tuyến
với mẫu trong 1 đơn
với mẫu trong 1 đơn
vị thời gian
vị thời gian
N
N
i
i
: số hạt nằm trên
: số hạt nằm trên
phương hợp với
phương hợp với
phương pháp tuyến
phương pháp tuyến
1 góc

1 góc
α
α
i
i




Ưu điểm & hạn chế của p.p bốc bay nhiệt điện trở
Ưu điểm & hạn chế của p.p bốc bay nhiệt điện trở
ƯU ĐIỂM
ƯU ĐIỂM
Đơn giản
Đơn giản
Rẻ tiền
Rẻ tiền
HẠN CHẾ
HẠN CHẾ
Vật liệu T
Vật liệu T
nóng chảy
nóng chảy
cao
cao
K
h
ô
n
g

K
h
ô
n
g
HỢP CHẤT
HỢP CHẤT
,
,
HỢP KIM
HỢP KIM

BỐC BAY BẰNG CHÙM e
BỐC BAY BẰNG CHÙM e


Mẫu được cung cấp
Mẫu được cung cấp
năng lượng
năng lượng
để hóa hơi
để hóa hơi
từ sự
từ sự
va chạm
va chạm
với
với
chùm
chùm

điện tử
điện tử
có
có
động năng lớn
động năng lớn
.
.
Hạt
Hạt
vật liệu
vật liệu
Chùm e
Chùm e
Mẫu
Mẫu
Súng e
Súng e
Cấu tạo của súng điện tử
Cấu tạo của súng điện tử
Thế gia tốc
(6-10kV)
Thế đốt
Vật liệu
cần phủ
Chùm electron
Cuộn từ
trường

Chén đựng




Cathode được đốt nóng
Cathode được đốt nóng


Phát
Phát
xạ nhiệt điện tử, tuân theo phương
xạ nhiệt điện tử, tuân theo phương
trình Richardson:
trình Richardson:
0
2
0
B
k T
j A DT e
φ
−
=
Mật độ dòng
Mật độ dòng
phát xạ
phát xạ
nhiệt điện tử
nhiệt điện tử

Hằng số
Hằng số
kim loại
kim loại
Hệ số truyền
Hệ số truyền
qua trung bình
qua trung bình
Nhiệt độ kim loại
Nhiệt độ kim loại
Hằng số Boltzmann
Hằng số Boltzmann
Công thoát
Công thoát
của e ra
của e ra
khỏi kim loại
khỏi kim loại





Chùm electron được
Chùm electron được
gia tốc trong điện trường
gia tốc trong điện trường
,
,
định hướng trong từ

định hướng trong từ
trường
trường
,
,
va chạm
va chạm
với bề
với bề
mặt vật liệu.
mặt vật liệu.
Thế gia tốc
(6-10kV)
Thế đốt
Vật liệu
cần phủ
Chùm electron
Cuộn từ
trường
Chén đựng




Ưu điểm & hạn chế của p.p bốc bay bằng chùm e
Ưu điểm & hạn chế của p.p bốc bay bằng chùm e
ƯU ĐIỂM
ƯU ĐIỂM
HẠN CHẾ
HẠN CHẾ





Chén đựng mẫu được
Chén đựng mẫu được
giải nhiệt
giải nhiệt
bằng nước để
bằng nước để
tránh hao mòn.
tránh hao mòn.
Vật liệu T
Vật liệu T
nóng chảy
nóng chảy
cao
cao
HỢP CHẤT
HỢP CHẤT
,
,
HỢP KIM
HỢP KIM
Thiết bị đắt tiền!
Thiết bị đắt tiền!

BỐC BAY BẰNG XUNG LASER
BỐC BAY BẰNG XUNG LASER
(PLD – Pulse Laser Deposition)

+
+
+
+
+
+
Electron
Nguyên tử
trung hòa
+ Ion +
Laser




Chùm
Chùm
laser xung công
laser xung công
suất lớn
suất lớn
được chiếu vào bia.
được chiếu vào bia.




Bia
Bia
hấp thu

hấp thu
năng lượng
năng lượng
laser,
laser,
nóng lên và bay hơi
nóng lên và bay hơi




Phía trên bia hình thành
Phía trên bia hình thành
một vùng không gian chứa
một vùng không gian chứa
plasma phát sáng
plasma phát sáng




Các
Các
hạt vật liệu
hạt vật liệu
bia
bia
ngưng tụ
ngưng tụ



màng trên đế
màng trên đế
Thông tin về nguồn laser xung thường sử dụng
 Laser Excimer KrF: λ = 248nm
 Độ dài xung: δt = 25ns
 Mật độ công suất: j = 2,4.10
8
W/cm
2
 Vùng diện tích chiếu rọi lên bia: δA = 0,1cm
2
 Tần số lặp lại: f = 50Hz

Năng lượng
Năng lượng
LASER
LASER
bia hấp thu
bia hấp thu
Cung cấp động năng
Cung cấp động năng
lớn cho hạt vật liệu
lớn cho hạt vật liệu
Kích thích e thoát
Kích thích e thoát
ra khỏi bia
ra khỏi bia

Kích thích, ion hóa
Kích thích, ion hóa
nguyên tử vật liệu
nguyên tử vật liệu
HÌNH THÀNH PLASMA
HÌNH THÀNH PLASMA
Trong quá trình đến bia
Phá vỡ liên kết
Phá vỡ liên kết
mạng thoát khỏi bia
mạng thoát khỏi bia
Nguyên tử, cụm
Nguyên tử, cụm
nguyên tử trung hòa
nguyên tử trung hòa
Kích thích ion
Kích thích ion
nguyên tử vật liệu
nguyên tử vật liệu
Nguyên tử
kích thích
Ion
kích thích
Trạng thái
cơ bản
Phát
Phát
sáng
sáng
Ưu điểm nổi bật nhất của p.p PLD: phủ màng trên những đế tinh vi

Ưu điểm nổi bật nhất của p.p PLD: phủ màng trên những đế tinh vi
Mức chân không
Mức chân không
Giản đồ dịch
Giản đồ dịch
chuyển năng
chuyển năng
lượng của e,
lượng của e,
nguyên tử, ion +
nguyên tử, ion +
+ +
+
+

1.2 Phương pháp bốc bay gián tiếp
1.2 Phương pháp bốc bay gián tiếp
KP:
KP:
Phương pháp bốc
Phương pháp bốc
bay trực tiếp
bay trực tiếp
HIỆN TƯỢNG
HIỆN TƯỢNG
PHÂN LY
PHÂN LY
Hợp chất
Màng không tinh
Màng không tinh

khiết / bị biến chất
khiết / bị biến chất
Phương pháp bốc bay gián tiếp
Phương pháp bốc bay gián tiếp
Bay hơi
Bay hơi
phản ứng
phản ứng
(RE)
(RE)




Bia là vật liệu đơn chất
Bia là vật liệu đơn chất




Một khí đơn chất được
Một khí đơn chất được
đưa vào buồng chân không
đưa vào buồng chân không
A
B



Phản ứng
Phản ứng
A
A
&
&
B
B




Vật liệu
Vật liệu
hợp chất (
hợp chất (
A
A
x
x
B
B
y
y
)
)
(
(
không kích hoạt
không kích hoạt

)
)
Thường dùng
Thường dùng




màng oxit
màng oxit
kim loại
kim loại
như
như
TiO
TiO
2
2
, SiO
, SiO
2
2
,
,

Bay hơi phản ứng (RE)
Bay hơi phản ứng (RE)
PHẢN ỨNG A &
PHẢN ỨNG A &
B KHÓ XẢY RA

B KHÓ XẢY RA
Tốc độ lắng đọng
Tốc độ lắng đọng
màng NHỎ
màng NHỎ
Hợp chất
Hợp chất Carbides
Hợp chất Carbides
: TiC, VC,
: TiC, VC,
NbC, Cr
NbC, Cr
3
3
C
C
2
2
;
;
Hợp chất Nitrides
Hợp chất Nitrides
:
:
TiN, VN, ZrN, ;
TiN, VN, ZrN, ;
Oxides
Oxides
: Al
: Al

2
2
O
O
3
3
KP:
KP:
P.P. bay hơi phản ứng có kích hoạt (ARE)
P.P. bay hơi phản ứng có kích hoạt (ARE)




Có thêm 1 dây lò xo, được đốt nóng
Có thêm 1 dây lò xo, được đốt nóng
bởi nguồn điện V
bởi nguồn điện V
1
1






Phát xạ nhiệt điện từ
Phát xạ nhiệt điện từ



Điện tử phát xạ được gia tốc bởi điện
Điện tử phát xạ được gia tốc bởi điện
trường V
trường V
2
2






Va chạm kích thích
Va chạm kích thích
khí A, B
khí A, B




Phản ứng
Phản ứng
giữa
giữa
A
A
và
và

B
B
xảy ra với
xảy ra với
xác
xác


suất lớn
suất lớn




Hợp chất
Hợp chất
A
A
x
x
B
B
y
y
V
1
V
2

V

1
V
2
Mạ ion
Mạ ion
(Ion Plating)
(Ion Plating)




Xuất phát từ mô hình
Xuất phát từ mô hình
bay hơi phản ứng
bay hơi phản ứng
A
B
A
x
B
y




Một dây tóc được đốt nóng
Một dây tóc được đốt nóng



Phát xạ nhiệt điện tử
Phát xạ nhiệt điện tử




Điện tử phát xạ
Điện tử phát xạ
gia tốc trong
gia tốc trong
điện trường
điện trường






Va chạm ion hóa
Va chạm ion hóa
phân tử A
phân tử A
x
x
B
B
y
y
thành ion (A

thành ion (A
x
x
B
B
y
y
)
)
-
-
A
x
B
y
(A
x
B
y
)
-
e
-




(A
(A
x

x
B
B
y
y
)
)
-
-


gia tốc trong điện áp
gia tốc trong điện áp
giữa bia-đế
giữa bia-đế
, hướng về đế với
, hướng về đế với
năng lượng lớn
năng lượng lớn




Hợp chất A
Hợp chất A
x
x
B
B
y

y
ƯU ĐIỂM
 Độ bám dính màng-đế tốt
 Mật độ màng cao

2. Phương pháp phún xạ
2. Phương pháp phún xạ
(Sputtering)
(Sputtering)
Phún xạ
Phún xạ
diode phẳng
diode phẳng
P
P
hún
hún
x
x
ạ
ạ
M
M
agnetron
agnetron
P.X.M
P.X.M
dòng một
dòng một
chiều (DC)

chiều (DC)
P.X.M
P.X.M
dòng xoay
dòng xoay
chiều (RF)
chiều (RF)
P.X.M
P.X.M
không
không
cân bằng
cân bằng
P.X.M
P.X.M
cân bằng
cân bằng
V
bia-đế
Hệ magnetron
P.X.M DC cân bằng
Trực tiếp
Trực tiếp
Phản ứng
Phản ứng
P.X.M DC không cân bằng
P.X.M RF cân bằng P.X.M RF không cân bằng

2.1 Phún xạ diode phẳng
2.1 Phún xạ diode phẳng





Trong vùng không gian bên trong
Trong vùng không gian bên trong
buồng chân không, có sẵn một số
buồng chân không, có sẵn một số
ion dương và e
ion dương và e
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+




Áp một điện thế DC lên bia-đế,
Áp một điện thế DC lên bia-đế,
ion + “tiến” về bia, e
ion + “tiến” về bia, e
-
-

“tiến” về đế
“tiến” về đế
+
+
+




Ion + “đánh bật”
Ion + “đánh bật”
hạt vật liệu trên bia
hạt vật liệu trên bia
: hạt phún xạ
: hạt phún xạ




Hạt vật liệu
Hạt vật liệu
ngưng tụ trên đế,
ngưng tụ trên đế,




lớp màng.
lớp màng.





Ion + va chạm bề mặt bia
Ion + va chạm bề mặt bia


phát xạ e thứ cấp
phát xạ e thứ cấp


va chạm ion hóa
va chạm ion hóa


sản
sản
sinh ion +
sinh ion +


duy trì plasma và phóng điện.
duy trì plasma và phóng điện.




Một khí đơn chất (thường là Ar) được đưa vào để làm gia tăng ion +
Một khí đơn chất (thường là Ar) được đưa vào để làm gia tăng ion +
trong va chạm ion hóa.

trong va chạm ion hóa.





Ưu điểm & hạn chế của p.p phún xạ diode phẳng
Ưu điểm & hạn chế của p.p phún xạ diode phẳng
ƯU ĐIỂM
ƯU ĐIỂM
HẠN CHẾ
HẠN CHẾ




Không đốt
Không đốt
nóng trực
nóng trực
tiếp vật liệu
tiếp vật liệu
C
h
ấ
t

b
a
y

h
ơ
i
C
h
ấ
t

b
a
y

h
ơ
i
T
h
u
y
ề
n
T
h
u
y
ề
n
T
ạ

p

c
h
ấ
t
T
ạ
p

c
h
ấ
t
t
h
u
y
ề
n
t
h
u
y
ề
n
2.2 Phún xạ magnetron
2.2 Phún xạ magnetron



Phải dùng V
Phải dùng V
bia-đế
bia-đế
lớn làm
lớn làm
thế mồi phóng điện
thế mồi phóng điện




Sự mất mát e thứ cấp lớn
Sự mất mát e thứ cấp lớn




Tốc độ lắng đọng nhỏ
Tốc độ lắng đọng nhỏ
KP:
KP:




Từ mô hình
Từ mô hình

p.x. diode phẳng
p.x. diode phẳng
, có thêm
, có thêm
hệ magnetron
hệ magnetron
,
,
hệ các nam châm định hướng N-S nhất định ghép với nhau

Các tấm đệm Các đường sức từ trường
Tấm sắt nối từ




Hệ
Hệ
magnetron
magnetron
được gắn bên dưới bia, dưới cùng
được gắn bên dưới bia, dưới cùng
là tấm sắt nối từ.
là tấm sắt nối từ.




e thứ cấp
e thứ cấp

sinh ra từ
sinh ra từ
va chạm giữa ion + và bia
va chạm giữa ion + và bia
,
,
chuyển động đặc biệt
chuyển động đặc biệt
trong điện từ trường
trong điện từ trường
.
.





Đặc trưng của quá trình phún xạ
Đặc trưng của quá trình phún xạ
Khoảng
Khoảng
không gian giữa anode
không gian giữa anode
và cathode
và cathode
có thể chia làm
có thể chia làm
3
3
vùng

vùng
(Mỗi vùng có phân bố thế
(Mỗi vùng có phân bố thế
năng khác nhau):
năng khác nhau):
Vùng sụt thế Cathode: e thứ cấp vừa
mới được sản sinh từ va chạm ion + và
bia, điện thế âm tăng dần (“sụt thế”), v
e

nhỏ và được gia tốc trong điện trường.
Vùng ion hóa: e chuyển động “đặc
biệt” trong điện từ trường với v
e
đủ
lớn, ion hóa nguyên tử khí, làm tăng
mật độ e, điện thế âm tăng đến giá trị
ngưỡng, rồi giảm do quá trình tái hợp.
v
e
: vận tốc e thứ cấp
Vùng plasma: mật độ ion + giảm dần,
do đó, điện thế âm tăng chậm dần.
Cathode
Anode
V = |-V
e
|
1
2

3
1 2 3





Quỹ đạo chuyển động của e
Quỹ đạo chuyển động của e


e
e
chuyển động trong từ trường
chuyển động trong từ trường
sẽ
sẽ
chịu tác dụng của
chịu tác dụng của
lực Lorentz
lực Lorentz
. Hướng
. Hướng
lực tuân theo
lực tuân theo
Quy tắc Bàn tay trái
Quy tắc Bàn tay trái
:
:
Từ trường

Vận tốc hạt
Lực Lorentz
+
-
-


Trong
Trong
hệ phún xạ magnetron
hệ phún xạ magnetron
, e chuyển động vừa trong
, e chuyển động vừa trong
từ trường
từ trường
(không đều), vừa trong
(không đều), vừa trong
điện trường
điện trường
(đều).
(đều).
S
N
N
S
S
N
Xem như từ trường đều
Điện
trường

-
B
r
E
r
y
z
x
-
y
x
B
r
E
r
(hướng vô)
.
Loz
f q v B
 
= ×
 
ur r ur

-
y
x
B
r
E

r
(hướng vô)
O




Giả sử, e thứ cấp vừa thoát ra khỏi bia
Giả sử, e thứ cấp vừa thoát ra khỏi bia
có v ≈ 0. Tại O, e chỉ chịu tác dụng của
có v ≈ 0. Tại O, e chỉ chịu tác dụng của
điện trường E, di chuyển đến O’.
điện trường E, di chuyển đến O’.




Tại O’, e có v
Tại O’, e có v
1
1
≠ 0, nên chịu tác dụng
≠ 0, nên chịu tác dụng
của lực Lorentz theo phương x. Vì v
của lực Lorentz theo phương x. Vì v
1
1
còn
còn
nhỏ nên f

nhỏ nên f
Loz
Loz
< F
< F
điện
điện
. e di chuyển đến M.
. e di chuyển đến M.
O’
F
điện
f
Loz
M




e gia tốc trong điện trường. Tại M, e có
e gia tốc trong điện trường. Tại M, e có
v
v
2
2
> v
> v
1
1
, f

, f
Loz
Loz
lớn hơn ở O’ và tiến tới bằng
lớn hơn ở O’ và tiến tới bằng
F
F
điện
điện
. e di chuyển đến N.
. e di chuyển đến N.




Tại N, e có v
Tại N, e có v
3
3
> v
> v
2
2
, f
, f
Loz
Loz
lớn hơn F
lớn hơn F
điện

điện
, e di
, e di
chuyển đến P rồi đến Q.
chuyển đến P rồi đến Q.
f
Loz
f
Loz
N
v
P
-
y
x
E
r
(hướng vô)
B
r
-
e chuyển động theo quỹ đạo cycloid (hay quỹ đạo “trường đua”)
e chuyển động theo quỹ đạo cycloid (hay quỹ đạo “trường đua”)
-
S
N
Hệ magnetron làm
Hệ magnetron làm
tăng quãng đường đi
tăng quãng đường đi

chuyển
chuyển
của e
của e




tăng khả năng ion hóa.
tăng khả năng ion hóa.
Điện trường




Tại Q, f
Tại Q, f
Loz
Loz
bắt đầu giảm nhưng vẫn còn
bắt đầu giảm nhưng vẫn còn
lớn hơn F
lớn hơn F
điện
điện
, e có v
, e có v
4
4
< v

< v
3
3
. Cứ thế, sau 1
. Cứ thế, sau 1
lúc, f
lúc, f
Loz
Loz
= F
= F
điện
điện
, e trở về nằm trên trục Ox
, e trở về nằm trên trục Ox
và một chu kỳ mới bắt đầu.
và một chu kỳ mới bắt đầu.
Q
-





Phương trình chuyển động của điện tử trong
Phương trình chuyển động của điện tử trong
điện trường
điện trường
và
và

từ trường
từ trường


vuông góc
vuông góc
có dạng:
có dạng:
( )
.
sin
1
1 cos
.
y
y
E t
t
x c
H t
E
y c t
H
ω
ω
ω
ω
 
= −
 ÷

 
= −
Trong đó:
E
y
: độ lớn của vector cường độ điện
trường theo phương y
H: độ lớn vector cường độ từ trường
t: thời điểm khảo sát






Hệ magnetron cân bằng và không cân bằng
Hệ magnetron cân bằng và không cân bằng
Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng
Hệ mag-
Hệ mag-
netron
netron
cân bằng,
cân bằng,
các nam
các nam
châm có
châm có
cường độ
cường độ

như nhau
như nhau
.
.
Các đường
Các đường
sức
sức từ
trường
khép kín.
Hệ mag-
Hệ mag-
netron
netron
không
không
cân bằng,
cân bằng,
nam châm
nam châm
ở giữa có
ở giữa có
cường độ
cường độ
yếu hơn
yếu hơn
.
.
Các đường
Các đường

sức
sức từ
trường
không
khép kín.

Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng
Từ trường
Từ trường
khép kín
khép kín
Các e chịu tác dụng
Các e chịu tác dụng
của từ trường ngang
của từ trường ngang
e chủ yếu chuyển
e chủ yếu chuyển
động gần bia
động gần bia
Đế ít bị e
Đế ít bị e
va đập
va đập
Đế ít bị
Đế ít bị
đốt nóng
đốt nóng
Thích hợp tạo màng cho
Thích hợp tạo màng cho
các loại đế không chịu

các loại đế không chịu
được T
được T
0
0
cao: nhựa, giấy,…
cao: nhựa, giấy,…
B
r
(hướng vô)
Từ trường
Từ trường
không khép kín
không khép kín
Các e ít chịu tác dụng
Các e ít chịu tác dụng
của từ trường ngang
của từ trường ngang
e theo điện trường
e theo điện trường
đến đế với v lớn
đến đế với v lớn
Đế bị nhiều e
Đế bị nhiều e
va đập mạnh
va đập mạnh
Đế bị
Đế bị
đốt nóng
đốt nóng

Thích hợp tạo các
Thích hợp tạo các
màng yêu cầu T
màng yêu cầu T
0
0
cao
cao
Điện trường