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 [...]... phương pháp tạo màng từ quá trình sol-gel Phủ nhúng (Dip Coating) Phủ quay (Spin Coating) Đế được nhúng vào dung dịch sol, sau đó được kéo ra từ từ → màng/ đế Dung dịch được nhỏ dịc lên đế và cho đế quay Lực ly tâm → mẫu giọt lan tỏa đều trên đế → màng/ đế dmàng phụ thuộc: vkéo, dmàng phụ thuộc: độ góc kéo, độ nhớt, nồng độ dd, → Không đều nhớt, vbay hơi, vquay, → Đồng đều  Ưu điểm & hạn chế của phương. .. trì phóng điện e- bắn phá Bia sử dụng phải dẫn điện t Ion + bắn phá  Ưu điểm & hạn chế của p.p phún xạ magnetron ƯU ĐIỂM HẠN CHẾ   Hệ nước làm mát N lượng Màng đa lớp Bia  RẺ TIỀN Công nghiệp   Màn g Ba Biia Độ bám dính cao  < Các p.p khác Đắt tiền Bia  Độ gồ ghề Khó chế tạo Màng mỏng Độ chính xác cao  PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL  Hệ các hạt phân tán, kích thước: 0,1 → 1μm  Lực tương tác giữa các... tử vật liệu Trong quá trình đến bia Mức chân không Nguyên tử kích thích Trạng thái cơ bản Phát sáng HÌNH THÀNH PLASMA Giản đồ dịch chuyển năng lượng của e, nguyên tử, ion + + + Ion kích thích + + Ưu điểm nổi bật nhất của p.p PLD: phủ màng trên những đế tinh vi 1.2 Phương pháp bốc bay gián tiếp Phương pháp bốc bay trực tiếp Hợp chất HIỆN TƯỢNG PHÂN LY Màng không tinh khiết / bị biến chất KP: Phương pháp. .. dính màng- đế tốt  Mật độ màng cao 2 Phương pháp phún xạ (Sputtering) Phún xạ diode phẳng Vbia-đế Phún xạ Magnetron Hệ magnetron P.X.M dòng một chiều (DC) P.X.M dòng xoay chiều (RF) P.X.M DC cân bằng P.X.M DC không cân bằng P.X.M RF cân bằng P.X.M RF không cân bằng P.X.M cân bằng P.X.M không cân bằng Trực tiếp Phản ứng 2.1 Phún xạ diode phẳng + + + + + + +  Hạt vật liệu ngưng tụ trên đế,  lớp màng. ..Cuộn từ trường Vật liệu cần phủ Chùm electron Chén đựng Thế gia tốc (6-10kV)  Chùm electron được gia tốc trong điện trường, định hướng trong từ trường, va chạm với bề mặt vật liệu  Chén đựng mẫu được giải nhiệt bằng nước để tránh hao mòn Thế đốt  Ưu điểm & hạn chế của p.p bốc bay bằng chùm e ƯU ĐIỂM Vật liệu Tnóng chảy cao HỢP CHẤT, HỢP KIM HẠN CHẾ Thiết bị đắt tiền! BỐC BAY BẰNG... cấp  va chạm ion hóa  sản  Ion + “đánh bật” sinh ion +  duy trì plasma và phóng điện hạt vật liệu trên bia  Một khí đơn chất (thường là Ar) được đưa vào để làm gia tăng ion + : hạt phún xạ trong va chạm ion hóa  Ưu điểm & hạn chế của p.p phún xạ diode phẳng ƯU ĐIỂM HẠN CHẾ  Không đốt nóng trực tiếp vật liệu Ch ất ba y Th hơ uy i ền  Phải dùng Vbia-đế lớn làm thế mồi phóng điện Tạ p th uy ền... từ trường ngang Đế ít bị e va đập e chủ yếu chuyển động gần bia Đế bị nhiều e va đập mạnh e theo điện trường đến đế với v lớn Đế ít bị đốt nóng Thích hợp tạo màng cho các loại đế không chịu được T0 cao: nhựa, giấy,… Đế bị đốt nóng Thích hợp tạo các màng yêu cầu T0 cao  Hệ phún xạ DC và RF Hệ phún xạ một chiều (DC – Direct Current) Hệ phún xạ xoay chiều (RF – Radio Frequency) Bộ trở kháng và hệ tụ điện... (RE) (không kích hoạt) Thường dùng  màng oxit kim loại như TiO2, SiO2,  Bia là vật liệu đơn chất A  Một khí đơn chất được B đưa vào buồng chân không  Phản ứng A & B  Vật liệu hợp chất (AxBy) Bay hơi phản ứng (RE) Hợp chất Carbides: TiC, VC, NbC, Cr3C2 ; Hợp chất Nitrides: TiN, VN, ZrN, ; Oxides: Al2O3 KP: Hợp chất PHẢN ỨNG A & B KHÓ XẢY RA Tốc độ lắng đọng màng NHỎ P.P bay hơi phản ứng có kích...  Các hạt vật liệu bia ngưng tụ  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 = 2,4.108W/cm2  Vùng diện tích chiếu rọi lên bia: δA = 0,1cm2  Tần số lặp lại: f = 50Hz Năng lượng LASER bia hấp thu Cung cấp động năng lớn cho hạt vật liệu Kích thích e thoát ra khỏi bia Kích thích, ion hóa nguyên tử vật liệu Phá... màng/ đế dmàng phụ thuộc: vkéo, dmàng phụ thuộc: độ góc kéo, độ nhớt, nồng độ dd, → Không đều nhớt, vbay hơi, vquay, → Đồng đều  Ưu điểm & hạn chế của phương pháp sol-gel Đơn giản Cpha tạp ƯU ĐIỂM K H Ó HẠN CHẾ dễ dàng m kiể át so Độ dày màng kiểm soát Cám ơn Thầy và các bạn đã quan tâm theo dõi • Chúng tôi đã dịch được một số chương của một số khóa học thuộc chương trình học liệu mở của hai trường . 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. 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. 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