Tổng hợp màng mỏng bằng Magnetron sputtering

[aqhl]

Sputtering (phún xạ) là kỹ thuật để tổng hợp các thin film (màng mỏng) kim loại, các màng mỏng oxid và mảng mỏng nitrid.

Dòng khí (thường là argon hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+. Các ion này hướng về target (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế âm. Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá target và đánh bật các nguyên tử của target ra khỏi target. Các nguyên tử này "bốc hơi" và đi đến substrate (thuỷ tinh hay silicon wafer), tích tụ trên substrate và hình thành màng mỏng khi số lượng nguyên tử đủ lớn.






Trong quá trình bắn phá của ion Ar+ vào target, ngoài quá trình đánh bật các nguyên tử của target, còn có các quá trình khác xảy ra như hình thành các electron thứ cấp, hấp phụ, hình thành hợp chất...



Quá trình hình thành màng mỏng: các nguyên tử tập hợp lại thành từng cụm trên substrate. khi các cụm đủ lớn sẽ liên kết lại hình thành màng (gồm một số lớp nguyên tử). Từ các lớp ban đầu này màng sẽ tiếp tục phát triển, nhưng ko phải phát triển đồng đều cho cả bề mặt, mà phát triển theo các hướng có năng lượng tự do thấp nhất. Có thể hình thành các cột hay các cụm và cứ thế phát triển, hình thái và tính chất của màng sẽ khác nhau.






Hình thái (morphology) của màng mỏng: tuỳ theo nhiệt độ của substrate, năng lượng của ion Ar (hay áp suất), màng mỏng hình thành có các hình thái khác nhau.





Trong quá trình sputtering, ta có thể lợi dụng các ion thứ cấp hình thành để tăng tốc độ tạo màng hoặc giảm thế áp vào target hoặc giảm áp suất dòng Ar. Kỹ thuật này gọi là magnetron sputtering. Trong kỹ thuật này ta áp 1 từ trường vào target. Từ trường này sẽ giữ các electron thứ cấp dao động trên các đường sức từ quanh target. Các electron dao động gần bề mặt target sẽ góp phần ion hoá nhiều nguyên tử Argon hơn. Chính điều này tăng tốc độ quá trình tạo màng mỏng.







Nếu ta thay đổi dòng khí Argon bằng hỗn hợp Argon + O2 hoặc Argon + N2 thì ta thu được màng oxid hoặc nitrid tương ứng.