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:lvngoc@hcmus.edu.vn TÓM TẮT Trong công trình này, lắp đặt thêm nam châm điện thiết kế 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 hệ magnetron phẳng cài đặt vùng không gian hoạt độn plasma phóng điện magnetron Chiều cường độ từ trường bổ sung thay đổi nhờ điều chỉnh chiều độ lớn cường độ dòng điện qua nam châm điện Ảnh hưởng từ trường bổ sung lên phóng điện lên phân bố vùng plasma hệ phún xạ magnetron khảo sát Các ứng dụng tiềm dựa ảnh hưởng từ trường bổ sung lên trình phún xạ bàn luận xa Từ khóa: Phún xạ magnetron; magnetron phẳng; plasma GIỚI THIỆU Hiện nay, hướng nghiên cứu vật liệu màng mỏng hướng nghiên cứu nhiều phòng thí nghiệm ĐHQG TPHCM tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Việc chế tạo màng mỏng kỹ thuật phún xạ magnetron trở nên phổ biến thông dụng Một tiện lợi phương pháp thiết bị phún xạ tạo màng tự chế tạo phòng thí nghiệm cách dể dàng rẻ tiền Tuy nhiên, vấn đề tồn trình lắng đọng màng áp suất phóng điện ẩn xử lý bề mặt đế trước lắng đọng màng khoảng cao 5.10-2 torr, áp suất phóng điện phún xạ tạo màng thường thấp 10 -2 torr [1] Sự khác biệt hai giá trị áp suất hai công đoạn đòi hỏi sau phóng điện làm bề mặt đế, ta phải hút chân không để giảm áp suất môi trường làm việc xuống đến giá trị cần thiết Việc phải thay đổi áp suất phát sinh hệ không mong muốn thời gian khí lại buồng kịp tạo lớp đơn trở thành tạp chất gây bẩn bề mặt đế [2] Mặt khác, số hệ phún xạ làm việc áp suất thấp 10-3 torr làm việc áp suất thấp dòng phún xạ phải trì mức cao Để giải tồn trên, công trình nghiên cứu hổ trợ thêm cho hệ magnetron từ trường ngoài tạo nam châm điện Từ trường có vai trò tăng cường giảm bớt trình bẫy điện tử ion hóa phân tử khí hệ magnetron [3] Từ trường điều chỉnh chiều độ lớn thông qua điều chỉnh chiều độ lớn cường độ dòng điện qua nam châm điện Sự ảnh hưởng từ trường lên tính phóng điện magnetron khảo sát chi tiết THỰC NGHIỆM Trong công trình này, hệ magnetron phẳng hổ trợ từ trường 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 thành phần vuông góc với bề mặt bia tâm khoảng 90 mT Nam châm điện tạo từ trường lõi sắt non thiết diện 2cm x 2cm với cảm ứng từ thay đổi nhờ thay đổi dòng điện qua từ -2A đến +2A Khoảng cách hai từ cực nam châm điện tạo từ trường khoảng 6cm bố trí theo sơ đồ hình Sự phân bố cảm ứng từ B khảo sát giá trị thành phần vuông góc dọc theo trục X1, X2 X3 hình Chiều dương trục chiều mũi tên, vị trí đo cảm ứng từ cách centimét Chiều dương cảm ứng từ chiều đường sức từ trường chọn theo chiều hướng về phía cực Nam nam châm vĩnh cửu tức nam châm tâm hệ magnetron phẳng Sự ảnh hưởng từ trường (do nam châm điện tạo ra) lên tính phóng điện hệ magnetron khảo sát vùng áp suất lân cận 10-3 torr Điện trường vùng phóng điện có chiều hướng từ vào bề mặt bia phún xạ tạo nhờ hiệu điện DC khoảng 500V đến 700V KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Để đánh giá vai trò từ trường bổ sung, trước tiên công trình khảo sát cảm ứng từ tổng hợp dọc theo trục X1, X2 X3 với khoảng cách đo theo chiều chọn hình 2a Các khoảng cách dọc theo trục X1 xác định theo khoảng cách từ bề mặt bia phún xạ đến từ cực thẳng nam châm điện Các giá trị cảm ứng từ tương ứng với chiều dương hướng vào cực Nam bề mặt 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 A -20 N 0,5 A -40 1,0 A -60 1,5 A Hệ magnetron phẳng 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 A -10 B (mT) B (mT) 30 10 0,5 A 20 10 d) -20 c) -30 -10 1,0 A -20 1,5 A -40 X2 (cm) X3 (cm) Hình Cảm ứng từ theo phương vuông góc với trục vùng phóng điện phún xạ hệ magnetron ứng với dòng điện qua nam châm điện khác a) trục chọn khảo sát; b) trục đối xứng X1; c) trục dọc đường biên bao quanh hệ magnetron d) trục theo phương ngang Trên hình 2b đồ thị biểu diển giá trị cảm ứng từ dọc theo trục đối xứng X hệ magnetron Từ đồ thị cho thấy, cảm ứng từ vùng lân cận nam châm vĩnh cửu, sát bề mặt bia có giá trị không đổi không phụ thuộc vào nam châm điện Cảm ứng từ dọc theo trục thay đổi chủ yếu vùng lân cận từ cực thẳng nam châm điện Sự phân bố đối xứng đường cong B(x)I qua đường cong B(x)I=0 ứng với vị trí X1 cho thấy có phụ thuộc tuyến tính cảm ứng từ theo cường độ dòng điện qua nam châm điện Kết từ dư lõi sắt non không đáng kể bão hòa từ trường lõi sắt chưa có dấu hiệu xảy Một đặc điểm đặc biệt đáng lưu ý chiều từ trường hướng lên nam châm điện ứng với giá trị I > 0, tồn vùng X1 khoảng từ 2cm đến 4cm, cảm ứng từ theo phương thẳng đứng gần bị triệt tiêu Điều hạn chế lớn khả bẫy điện tử có xu hướng thoát theo hướng vuông góc với trục X1 Khác với phương trục X1 cảm ứng từ vùng lân cận bia phún xạ phụ thuộc vào nam châm vĩnh cửu, toàn trục X2 có cảm ứng từ phụ thuộc vào từ trường nam châm điện Sự phụ thuộc tuyến tính theo cường độ dòng điện qua nam châm điện thể đường cong đồ thị hình 2c Hình 2d đồ thị biểu diễn thành phần theo phương ngang cảm ứng từ theo phương trục X Khác với phương trục X2, cảm ứng từ theo phương trục X3 không phụ thuộc vào nam châm điện Các đường đồ thị nằm gần thay đổi đáng kể theo cường độ dòng điện qua nam châm điện Từ đường cong đồ thị biểu diễn cảm ứng từ ba trục hình cho thấy, từ trường nam châm điện gây ảnh hưởng chủ yếu vùng lân cận từ cực thẳng khoảng nối hai từ cực Các phép khảo sát cảm ứng từ bên cuộn dây nam châm điện cho thấy thất thoát từ trường vùng không gian không đáng kể Kết từ trở mạch từ tập trung chủ yếu khoảng không gian nối hai từ cực Rm   d S (  ) 0 (1) μ0 = 4.10-7 H/m; S thiết diện ngang vùng có từ trường 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 vị trí có tiết diện S B( S )   m m NI   S SRm S d  S(  ) 0 (2) với N I số vòng dây cường độ dòng điện qua nam châm điện 1,5A -0,5A 1,0A -1,0A 0,5A -1,5A Hình Sự phóng điện hệ magnetron phẳng ứng với giá trị cường độ dòng điện qua nam châm điện khác Điều cho thấy thiết diện lõi sắt cho phép tăng sức từ động nam châm điện tức tăng độ lớn cảm ứng từ bổ sung, tạo thuận lợi cho việc tăng cường từ trường bổ sung cho hệ magnetron Cùng với nhận định trên, ảnh hưởng từ trường bổ sung lên tính chất plasma phóng điện hệ magnetron khảo sát Trên hình hình ảnh phóng điện ứng với dòng điện qua nam châm điện khác theo hai chiều ±0,5A; ±1A ±1,5A Hình ảnh cho thấy có ảnh hưởng từ trường nam châm điện tạo lên mật độ ion hóa hay cường độ phát sáng vùng plasma Với áp suất làm việc thấp khoảng lân cận 10-3 torr, ngưỡng trì dòng phóng điện thấp, 100 mA Khi tăng cường độ dòng điện qua nam châm từ -1,5A lên dần đến 1,5A, cường độ phát sáng plasma tăng dần từ chổ không phóng điện (-1,5A) đến sáng chói Như vậy, nam châm điện làm tăng cường phóng điện làm suy giảm chí dập tắt phóng điện Hiện tượng lý giải dựa thay đổi giá trị cảm ứng từ dọc theo trục đối xứng khoảng nối hai từ cực nam châm điện gây Khi dòng điện qua nam châm điện dương, phóng điện hệ magnetron dựa vào trình bẫy điện tử từ trường sẵn có song song với bề mặt bia phún xạ thành phần bổ sung dọc theo trục đối xứng Điều thể rõ hình ảnh phát sáng khối plasma Đặc biệt tăng dòng qua nam châm từ 1A lên 1,5A, bẫy điện tử từ trường dọc theo trục thẳng đứng tăng cường, khối plasma co cụm sát vào trục đối xứng Khi đổi chiều dòng điện qua nam châm, từ trường ngược có xu hướng làm suy giảm trình bẫy điện tử bị dập tắt tự trì plasma dòng phóng điện (I= -1,5A) Tuy nhiên, áp suất làm việc đủ lớn, từ trường ngang hệ magnetron đủ khả trì phóng điện, từ trường bổ sung có chiều hướng lên từ cưc thẳng làm thay đổi hình ảnh plasma đến mức độ định Chiều ngược lại từ trường bổ sung tăng cường phóng điện Vì vậy, cần tăng cường phóng điện áp suất thấp vói dòng phóng điện ngưỡng thấp việc đưa từ trường vào trình xử lý bề mặt đế phóng điện khí plasma trước tạo màng khả thi KẾT LUẬN Trong công trình này, tạo ảnh hưởng từ trường lên tính phóng điện hệ magnetron áp suất thấp Sự phóng điện xảy mạnh bị dập tắt vùng tử cực nhờ điều chỉnh từ trường nam châm điện Công trình 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 bề mặt đế trước phún xạ lắng đọng màng nâng cao tính phóng điện phún xạ hệ magnetron 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:lvngoc@hcmus.edu.vn 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 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 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 lắp đặt từ trường 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