THIẾT kế và lắp đặt từ TRƯỜNG bổ SUNG CHO hệ PHÚN xạ MAGNETRON PHẲNG

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

II-P-1.36
THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT TỪ TRƯỜNG BỔ SUNG CHO HỆ PHÚN XẠ MAGNETRON
PHẲNG
Lê Văn Ngọc, Lê Trương Kiều Oanh
Khoa Vật Lý-Vật Lý kỹ thuật, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh
Email:
TÓM TẮT
Trong công trình này, chúng tôi lắp đặt thêm một nam châm điện và thiết kế các từ cực để tạo từ
trường bổ sung cho hệ phún xạ magnetron phẳng. Từ trường bổ sung độc lập với từ trường sẵn có
của hệ magnetron phẳng và được cài đặt trong vùng không gian hoạt độn của plasma phóng điện
magnetron. Chiều và cường độ của từ trường bổ sung có thể thay đổi được nhờ điều chỉnh chiều và
độ lớn của cường độ dòng điện qua nam châm điện. Ảnh hưởng của từ trường bổ sung lên sự phóng
điện và lên sự phân bố vùng plasma của hệ phún xạ magnetron đã được khảo sát. Các ứng dụng tiềm
năng dựa trên ảnh hưởng của từ trường bổ sung lên quá trình phún xạ sẽ được bàn luận xa hơn.
Từ khóa: Phún xạ magnetron; magnetron phẳng; plasma
GIỚI THIỆU
Hiện nay, hướng nghiên cứu vật liệu màng mỏng là một trong những hướng nghiên cứu được nhiều phòng
thí nghiệm trong ĐHQG TPHCM đã và đang tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Việc chế tạo màng mỏng bằng
kỹ thuật phún xạ magnetron cũng đã trở nên phổ biến và thông dụng. Một trong những tiện lợi của phương pháp
này là thiết bị phún xạ tạo màng có thể tự chế tạo tại phòng thí nghiệm một cách dể dàng và rẻ tiền. Tuy nhiên,
một vấn đề còn tồn tại của quá trình lắng đọng màng như là áp suất phóng điện ẩn xử lý bề mặt đế trước khi lắng
đọng màng là khoảng cao hơn 5.10-2 torr, còn áp suất phóng điện phún xạ tạo màng thường thấp hơn 10 -2 torr [1].
Sự khác biệt về hai giá trị áp suất của hai công đoạn trên đòi hỏi là ngay sau khi phóng điện làm sạch bề mặt đế,
ta phải hút chân không để giảm áp suất trong môi trường làm việc xuống đến giá trị cần thiết. Việc phải thay đổi
áp suất này phát sinh hệ quả không mong muốn là trong thời gian đó khí còn lại trong buồng cũng kịp tạo các
lớp đơn và trở thành tạp chất gây bẩn bề mặt đế [2]. Mặt khác, một số hệ phún xạ không thể làm việc ở áp suất
thấp dưới 10-3 torr hoặc có thể làm việc ở áp suất thấp như trên nhưng dòng phún xạ phải được duy trì ở mức
cao. Để giải quyết các tồn tại trên, công trình này nghiên cứu hổ trợ thêm cho hệ magnetron một từ trường ngoài
được tạo bởi các nam châm điện. Từ trường này có vai trò có thể tăng cường hoặc giảm bớt quá trình bẫy điện tử

và ion hóa các phân tử khí trong hệ magnetron [3]. Từ trường này cũng có thể điều chỉnh được chiều và độ lớn
thông qua điều chỉnh chiều và độ lớn cường độ dòng điện qua nam châm điện. Sự ảnh hưởng của từ trường ngoài
lên tính phóng điện magnetron cũng sẽ được khảo sát chi tiết.
THỰC NGHIỆM
Trong công trình này, hệ magnetron phẳng được hổ trợ từ trường ngoài để làm thí nghiệm có kích thước
10cm x 10cm. Các thành phần từ trường ngang song song với bề mặt bia phún xạ có độ lớn cảm ứng từ khoảng
60 mT và thành phần vuông góc với bề mặt bia tại tâm khoảng 90 mT. Nam châm điện tạo ra từ trường trong lõi
sắt non thiết diện 2cm x 2cm với cảm ứng từ có thể thay đổi nhờ thay đổi dòng điện qua nó từ -2A đến +2A.
Khoảng cách giữa hai từ cực của nam châm điện tạo từ trường ngoài khoảng 6cm và được bố trí theo sơ đồ như
trên hình 1. Sự phân bố của cảm ứng từ B được khảo sát các giá trị thành phần vuông góc dọc theo các trục X1,
X2 và X3 như trên hình 2. Chiều dương của các trục là chiều của các mũi tên, các vị trí đo cảm ứng từ cách nhau
một centimét. Chiều dương của cảm ứng từ là chiều của đường sức từ trường và được chọn theo chiều hướng về
phía cực Nam của nam châm vĩnh cửu tức là nam châm ở tâm của hệ magnetron phẳng.
Sự ảnh hưởng của từ trường ngoài (do nam châm điện tạo ra) lên tính năng phóng điện của hệ magnetron
được khảo sát ở vùng áp suất lân cận 10-3 torr. Điện trường trong vùng phóng điện có chiều hướng từ ngoài vào
bề mặt bia phún xạ và được tạo ra nhờ một hiệu điện thế DC khoảng 500V đến 700V.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Để đánh giá được vai trò của từ trường bổ sung, trước tiên công trình này khảo sát cảm ứng từ tổng hợp
dọc theo các trục X1, X2 và X3 với các khoảng cách đo theo chiều được chọn như trên hình 2a. Các khoảng cách
dọc theo trục X1 được xác định theo khoảng cách từ bề mặt bia phún xạ đến từ cực thẳng của nam châm điện.
Các giá trị của cảm ứng từ tương ứng với chiều dương hướng vào cực Nam ở bề mặt của hệ magnetron phẳng.

ISBN: 978-604-82-1375-6

263


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
120

Từ cực thẳng

a)

100

b)

80
60

X1

Từ cực vòng
X3
N

-1,5 A

40

B (mT)

X2

S

-1,0 A
20

-0,5 A
0

0,0 A

-20

N

0,5 A

-40

1,0 A

-60

1,5 A

Hệ magnetron phẳng
0

1

2

3

4

5

6

7

X1(cm)
50

-1,5 A

60

40

50

(0,0 A)
(-1,0 A)
(-1,5 A)
(1,0 A)
(1,5 A)

30

40

-1,0 A
20

-0,5 A

0

0,0 A

-10

B (mT)

B (mT)

30
10

0,5 A

20
10
0

d)

-20

c)

-30

-10

1,0 A

-20

1,5 A

-40
0

1

2

3

4

5

6

0

1

X2 (cm)

2

3

X3 (cm)

4

5

Hình 2. Cảm ứng từ theo các phương vuông góc với các trục trong vùng phóng điện phún xạ của hệ
magnetron ứng với các dòng điện qua nam châm điện khác nhau. a) các trục được chọn khảo sát; b)
trục đối xứng X1; c) trục dọc đường biên bao quanh hệ magnetron và d) trục theo phương ngang.
Trên hình 2b là đồ thị biểu diển các giá trị cảm ứng từ dọc theo trục đối xứng X 1 của hệ magnetron. Từ đồ
thị này cho thấy, cảm ứng từ ở vùng lân cận nam châm vĩnh cửu, ở sát bề mặt bia có giá trị hầu như không đổi và
không phụ thuộc vào nam châm điện. Cảm ứng từ dọc theo trục này thay đổi chủ yếu ở vùng lân cận từ cực
thẳng của nam châm điện. Sự phân bố đối xứng của các đường cong B(x)I qua đường cong B(x)I=0 ứng với các vị
trí X1 cho thấy có sự phụ thuộc tuyến tính của cảm ứng từ theo cường độ dòng điện qua nam châm điện. Kết quả
này chỉ ra rằng từ dư trong lõi sắt non là không đáng kể và sự bão hòa từ trường trong lõi sắt chưa có dấu hiệu
xảy ra.
Một đặc điểm khá đặc biệt và đáng lưu ý đối với chiều từ trường hướng lên của nam châm điện ứng với các
giá trị I > 0, tồn tại một vùng X1 trong khoảng từ 2cm đến 4cm, cảm ứng từ theo phương thẳng đứng gần như bị
triệt tiêu. Điều này là một hạn chế rất lớn đối với khả năng bẫy những điện tử có xu hướng thoát ra ngoài theo
hướng vuông góc với trục X1.
Khác với trên phương trục X1 ở đó cảm ứng từ ở vùng lân cận bia phún xạ hầu như chỉ phụ thuộc vào nam
châm vĩnh cửu, trên toàn trục X2 có cảm ứng từ hầu như chỉ phụ thuộc vào từ trường của nam châm điện. Sự phụ
thuộc này là tuyến tính theo cường độ dòng điện qua nam châm điện và được thể hiện bởi các đường cong đồ thị
trên hình 2c. Hình 2d là đồ thị biểu diễn thành phần theo phương ngang của cảm ứng từ theo phương trục X 3.
Khác với trên phương trục X2, cảm ứng từ theo phương trục X3 hầu như không phụ thuộc vào nam châm điện.
Các đường đồ thị nằm rất gần nhau và không thể hiện sự thay đổi đáng kể nào theo cường độ dòng điện qua nam
châm điện.
Từ các đường cong đồ thị biểu diễn cảm ứng từ trên ba trục như trên hình 2 cho thấy, từ trường do nam

châm điện gây ra ảnh hưởng chủ yếu trong vùng lân cận từ cực thẳng và trên khoảng nối giữa hai từ cực. Các
phép khảo sát cảm ứng từ ở bên ngoài các cuộn dây nam châm điện cho thấy sự thất thoát từ trường ra vùng
không gian này là không đáng kể. Kết quả này chỉ ra rằng từ trở trong mạch từ tập trung chủ yếu trong khoảng
không gian nối giữa hai từ cực.

Rm  

d
S (  ) 0

(1)

ở đó μ0 = 4.10-7 H/m; S là thiết diện ngang của vùng có từ trường đi qua.

ISBN: 978-604-82-1375-6

264


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Từ trường tại vị trí có tiết diện S là

B( S ) 

 m m
NI


S

SRm S d
 S(  ) 0

(2)

với N và I là số vòng dây và cường độ dòng điện qua nam châm điện.

1,5A

-0,5A

1,0A

-1,0A

0,5A

-1,5A

Hình 3. Sự phóng điện của hệ magnetron phẳng ứng với các giá trị cường độ dòng điện qua nam châm
điện khác nhau.
Điều này cũng cho thấy thiết diện của lõi sắt cho phép tăng sức từ động của nam châm điện tức là tăng độ
lớn của cảm ứng từ bổ sung, tạo thuận lợi cho việc tăng cường từ trường bổ sung cho hệ magnetron.
Cùng với những nhận định trên, ảnh hưởng của từ trường bổ sung lên tính chất plasma phóng điện của hệ
magnetron cũng đã được khảo sát. Trên hình 3 là hình ảnh của sự phóng điện ứng với các dòng điện qua nam
châm điện khác nhau theo hai chiều lần lượt là ±0,5A; ±1A và ±1,5A. Hình ảnh trên cho thấy có sự ảnh hưởng
của từ trường do nam châm điện tạo ra lên mật độ ion hóa hay cường độ phát sáng của vùng plasma. Với áp suất
làm việc rất thấp khoảng lân cận 10-3 torr, ngưỡng duy trì dòng phóng điện cũng khá thấp, dưới 100 mA.
Khi tăng cường độ dòng điện qua nam châm từ -1,5A lên dần đến 1,5A, cường độ phát sáng của plasma
cũng tăng dần từ chổ không phóng điện (-1,5A) đến sáng chói. Như vậy, nam châm điện đã có thể làm tăng

cường sự phóng điện và cũng có thể làm suy giảm thậm chí dập tắt sự phóng điện. Hiện tượng này có thể lý giải
dựa trên những thay đổi giá trị cảm ứng từ dọc theo trục đối xứng và trong khoảng nối giữa hai từ cực do nam
châm điện gây ra. Khi dòng điện qua nam châm điện là dương, sự phóng điện của hệ magnetron dựa vào quá
trình bẫy điện tử do từ trường sẵn có song song với bề mặt bia phún xạ và thành phần bổ sung dọc theo trục đối
xứng. Điều này thể hiện rõ trên hình ảnh phát sáng của khối plasma. Đặc biệt là khi tăng dòng qua nam châm từ
1A lên 1,5A, sự bẫy điện tử do từ trường dọc theo trục thẳng đứng được tăng cường, khối plasma co cụm sát vào
trục đối xứng. Khi đổi chiều dòng điện qua nam châm, từ trường ngược này có xu hướng làm suy giảm quá trình
bẫy điện tử và có thể bị dập tắt do không thể tự duy trì plasma dòng phóng điện (I= -1,5A).
Tuy nhiên, khi áp suất làm việc đủ lớn, từ trường ngang của hệ magnetron đủ khả năng duy trì phóng điện,
từ trường bổ sung có chiều hướng lên từ cưc thẳng cũng chỉ có thể làm thay đổi hình ảnh plasma đến một mức
độ nhất định. Chiều ngược lại của từ trường bổ sung cũng vẫn tăng cường sự phóng điện. Vì vậy, khi cần tăng
cường phóng điện ở áp suất thấp vói dòng phóng điện ngưỡng thấp thì việc đưa từ trường ngoài vào trong quá
trình xử lý bề mặt đế bằng phóng điện khí plasma trước khi tạo màng là rất khả thi.
KẾT LUẬN
Trong công trình này, chúng tôi đã tạo ra sự ảnh hưởng của từ trường ngoài lên tính phóng điện của hệ
magnetron ở áp suất thấp. Sự phóng điện xảy ra mạnh và cũng có thể bị dập tắt nhất là ở vùng tử cực nhờ điều
chỉnh từ trường của nam châm điện. Công trình này sẽ được tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào việc phóng điện

ISBN: 978-604-82-1375-6

265


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
làm sạch bề mặt đế trước khi phún xạ lắng đọng màng cũng như nâng cao tính năng phóng điện phún xạ của hệ
magnetron trong vùng áp suất thấp.

DESIGNING AND INSTALLING THE ADDED MAGNETIC FIELD FOR THE PLANAR
MAGNETRON SPUTTERING
Le Van Ngoc, Le Truong Kieu Oanh

Department of Physics and Engineering Physics, University of Science of Ho Chi Minh City
Email:
ABSTRACT
In this paper, we installed an electrormagnet and designed the magnetic poles to add on a
magnetic field to the planar magnetron sputtering. The added magnetic field was created in the
plasma region and was independent of origin magnetic field of the planar magnetron. The direction
and the intensity of the added magnetic field can be altered likely base on adjusting the direct and the
value of the direct current of electromagnet. The influences of the added magnetic field on the
magnetron discharge and on the plasma region distribution of the planar magnetron sputtering were
investigated. The applied potentials base on the influence of added magnetic field on sputtering
process will be discussed further.
Keywords: Magnetron sputtering; planar magnetron; plasma.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phan Thanh Phúc, Chế tạo màng SnO2 pha tạp Sb bằng phương pháp phún xạ magnetron DC ứng dụng
làm cảm biến nhiệt độ, Khóa luận tốt nghiệp 2013, Bộ môn Vật lý Ứng dụng, ĐHKHTN ĐHQG
TPHCM.
[2]. Nguyễn Hửu Chí, Vật lý và kỹ thuật chân không , tủ sách ĐHKHTN ĐHQG TPHCM, 2008.
[3]. Nguyễn Hửu Chí, Vật lý Plasma (1998), tủ sách ĐHKHTN ĐHQG TPHCM.
[4]. Lê Trương Kiều Oanh, Thiết kế và lắp đặt từ trường ngoài cho hệ phún xạ magnetron phẳng, Khóa luận
tốt nghiệp 2014, Bộ môn Vật lý Ứng dụng, ĐHKHTN ĐHQG TPHCM.

ISBN: 978-604-82-1375-6

266