BỐC BAY NHIỆT

Các Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Chương 5.

BỐC BAY NHIỆT

(Evaporation)

1


Nội dung

1. Giới thiệu

2. Các phương pháp bốc bay nhiệt

3. Vật liệu nguồn

4. Quá trình hạt đến đế

5. Quá trình lắng đọng của nguyên tử lên đế

6. Ưu và nhược điểm

2

1887, Nahrwold và Kundt phủ màng Pt trong môi trường chân không,

đây là 1 cố gắng đầu tiên để tạo màng mỏng trong chân không, nhưng cho

đến 1930 chân không hiếm khi được sử dụng vì tạo ra chân không rất khó.

1892, H.D Toylor nhận ra rằng đốt nóng vật kính của kính thiên văn, sau

đó đốt sáng nó thì bề mặt kính sẽ chuyển sang màu tím và truyền nhiều ánh

sáng hơn so với những cái cùng loại, đây là khởi đầu cho việc dùng

phương pháp bốc bay nhiệt trong việc phủ màng mỏng quang lên kính.

1894, Edison nộp bằng sáng chế về phủ màng hồ quang và nhiệt bốc bay

từ bề mặt chất rắn.

1928, Ritschl sử dụng phương pháp nhiệt bốc bay và dây tóc để phủ

màng mỏng.


LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

3

4

1933, O’Brian & Skinner sử dụng electron beam không trực tiếp để

thay thế cho nhiệt bốc bay truyền thống. Plasma kích hoạt các phản ứng

trong quá trình bốc hơi khí.

1937, Berghaus nộp bằng sáng chế cho bốc bay lên bề mặt ion bắn

phá

1938, Cartwright & Turner làm ra màng chống phản xạ 2 lớp.

1940, M. Ruhle người đầu tiên sử dụng súng chùm celectron để chế

tạo màng.

1942, Geffcken làm ra màng chống phản xạ 3 lớp.

1955, Electron beam evaporation trong phủ màng mỏng quang học trở

nên trưởng thành.

1968, Hanks nộp bằng sáng chế cho bốc bay 2700 electron beam.

1970’s, thời đại hoàng kim của công nghiệp phủ màng mỏng trong

chân không.


LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

5

KHÁI NIỆM

Kỹ thuật phủ màng bằng

phương pháp nhiệt chân

không bao gồm việc đun

nóng trong chân không cho

đến khi có sự bay hơi của vật

liệu để phủ màng.

Hơi vật liệu cuối cùng sẽ

ngưng tụ dưới dạng màng

mỏng trên bề mặt lạnh của đế

(và trên thành buồng chân

không).

P =10-6 hoặc 10-5 torr tránh phản ứng giữa

hơi vật liệu và không khí



NGUYÊN LÝ CHUNG

Bốc bay chân không

là quá trình vật liệu

nguồn được hóa hơi

bay đến đế mà không

xãy ra va chạm với

phân tử khí trong

không gian giữa

nguồn và đế.

6


Phương pháp bốc bay trực tiếp

Thermal Evaporation: Bốc bay nhiệt

Phương pháp bốc bay gián tiếp

Bốc bay nhiệt điện

trở

Bốc bay bằng chùm

điện tử

Bay hơi phản ứng

(RE) Mạ ion

Electron-beam Evaporation: Bốc bay bằng chùm điện tử

Ion Plating: Mạ ion Không

kích hoạt Có kích

hoạt (ARE)

Reacting Evaporation: Bay hơi phản ứng

Activated Reactive Evaporation: B.hơi p.ứng có kích hoạt

7

8


Bay hơi trực tiếp

Tạo các màng từ

đơn kim loại (Au,

Ag, Al, Cr...)

hoặc các hợp

chất bay hơi

không bị phân li

(SiO, TiO, MgF2,

Al2O3...)

Nguyên lý bay hơi trực tiếp

9

- Thành phần hợp thức của lớp phủ phụ thuộc các

thông số của quá trình.

- Có thể dùng Plasma để tăng năng lượng

thực hiện cho quá trình phản ứng của các hạt vật liệu.

- Phương pháp này không áp dụng được cho vật liệu

có độ nóng chẩy cao và các hợp chất trong đó các

chất thành phần có độ bay hơi khác nhau.


Bay hơi trực tiếp

10


Bốc bay nhiệt điện trở

Khi dòng điện cao đi qua điện trở (bóng đèn) dây tóc sẽ sáng nóng lên.

Nếu dùng 1 dây tóc lớn hơn

và mốc vào 1 vài sợi kim

loại (Au ,Al).

Sợi dây kim loại sẽ chảy

và phân tán dọc theo sợi

dây tóc, sau đó sẽ bốc hơi.

50-100A, 6-20V

11


Wolfram (TM=33800C)

tantalus Ta (TM=29800C)

Molibdene (TM=26300C)

Al(6600C)

Ag (961,930C)

Au(1064,330C)

SiO, Cr…

Vật liệu làm dây tóc Vật liệu bốc bay

Nhiệt độ nóng chảy cao Nhiệt độ nóng chảy thấp

2. .Q R I tNhiệt lượng

tỏa ra

Điện trở của thuyền

Cường độ dòng điện qua “thuyền”

Thời gian tỏa nhiệt

Bốc bay nhiệt điện trở


12

GIÁ ĐIỆN TRỞ

Thuyền điện trở

1 hay nhiều vòng dây

Làm bằng

Vật liệu cần bốc bay được quấn

trong các vòng dây

Vòng dây điện trở

Chén điện trở

Tấm kim loại dạng thuyền để chứa

vật liệu

Làm bằng

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

Làm bằng Thạch anh chịu nhiệt

phủ Al2O3

d > 1μm

13


Tốc độ bay hơi(1):

Số nguyên tử bốc bay

trong 1 đơn vị thời gian

*.

. 2 . .

ee

e B

dN p p

A dt m k T

Diện tích bề mặt của

nguồn bốc bay.

Hệ số bốc bay(2)

Áp suất hơi cân bằng

của chất bay hơi Áp suất của

chất bay hơi trong

buồng chân không

Khối lượng

nguyên tử

Hằng số Boltzmann

(1,38.10-23J/K )

Nhiệt độ tuyệt đối (K)

Trong đó, áp suất hơi cân bằng là 1 hàm theo nhiệt độ:

0

0* . B

L

k Tp p e

Hằng số

Nhiệt ẩn bốc bay của 1

nguyên tử hay phân tử

(1) Tốc độ bay hơi: Số nguyên tử bốc bay đi qua 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian. (2) Hệ số bốc bay (Evaporation Coefficient): Hệ số dính chặt của nguyên tử bay hơi trên bề mặt.

Phương trình Hertz-Knudsen

14

Sự phân bố hướng của các nguyên tử bốc bay

Định luật phân bố Cosine: 0.cosi iN N

N0: số hạt nằm trên phương pháp tuyến với mẫu trong 1 đơn vị thời gian

Ni: số hạt nằm trên phương hợp với phương pháp tuyến 1 góc αi


15


Mẫu được cung cấp năng lượng để hóa

hơi từ sự va chạm với chùm điện tử có

động năng lớn.

Hạt vật liệu

Chùm e Mẫu

Súng e

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 Phát

xạ nhiệt điện tử, tuân theo phương

trình Richardson:

0

2

0Bk Tj A DT e

Mật độ dòng phát xạ

nhiệt điện tử

Hằng số kim loại

Hệ số truyền qua trung bình

Nhiệt độ kim loại

Hằng số Boltzmann

Công thoát của e ra

khỏi kim loại

BỐC BAY BẰNG CHÙM ELECTRON

16


Bay hơi phản ứng (RE)

• Thực hiện trong trường hợp các chất rắn có thể phản

ứng trực tiếp với chất khí (TiC...).

• Kim loại được bay hơi từ nguồn qua môi trường khí

kích hoạt, cùng ngưng tụ tại đế và thực hiện phản ứng

tạo màng ở đó.

• Quá trình này phụ thuộc vào sự cung cấp đầy đủ các

chất phản ứng, tần số va chạm giữa các chất, vận tốc

phản ứng, áp suất, nhiệt độ trong buồng phản ứng...

17

• Sử dụng để tổng hợp các hợp chất vô cơ khó nóng chảy, vận

tốc phủ màng lớn như carbide, nitride của các kim loại chuyển

tiếp nhóm IV và V như TiC, TiN, Al2O3, TiO...

• Phản ứng hóa học xẩy ra mạnh và triệt để.

• Nhiệt độ đế thấp.

• Dễ khống chế độ dầy màng, có thể tạo màng dầy cỡ vài µm.

• Có thể điều khiển được quá trình kích thích plasma và bay hơi

kim loại.

• Khó đạt vận tốc phủ màng thấp.

Bay hơi phản ứng có kích hoạt (ARE)


18

Nguyên lí hoạt động của bay hơi phản ứng

Bay hơi phản ứng có kích hoạt (ARE)


19


Mạ ion (IP)

Sơ đồ nguyên lí hoạt động

Áp dụng tạo

màng oxid từ

các đơn kim

loại Ta, Mo,

Nb, Al, Mg với

O2, hoặc các

màng carbide

(có C), nitride

(có N) ...

20

Nguyên tử bốc bay được ion hóa trong plasma do va chạm. Các ion

được gia tốc đến đế nhờ thế âm áp lên đế hoặc thế phân cực giữa

nguồn bốc bay và đế. Có các ưu điểm:

• Độ bám dính giữa đế và màng rất tốt.

• Mật độ khối lượng màng cao, bề mặt phẳng.

• Lớp phủ trên bề mặt đế tương đối đồng nhất.

• Tự đốt nóng đế trong quá trình tạo màng, do ion có vận tốc lớn va

đập vào đế (nhiệt độ đế có thể lên tới 400-500oC).

• Có thể kết hợp với phương pháp ARE với thế âm áp lên đế, tăng

cao hiệu quả phủ màng


Mạ ion (IP)

21

Mạ ion điện thế thấp (RLVIP)

Sơ đồ nguyên lí hoạt động


22

- Vật liệu bốc bay là kim loại hoặc oxit dẫn điện.

- Nguồn đốt là chùm điện tử. Plasma được tạo bởi luồng hơi Ar

thế thấp, dòng cao.

- Đế có thế tự phân cực âm -15 ÷ -20V, có tác động gia tốc các ion

dương của vật liệu tạo màng, ngưng tụ ở đế với năng lượng cao.

Ưu điểm:

• Độ bám dính giữa màng và đế tốt.

• Mật độ khối lượng cao (gần bằng vật liệu khối).

• Lớp phủ đồng nhất, cả ở bề mặt đế phức tạp.

• Vận tốc lắng đọng cao.

• Việc nung đế được bổ sung trong quá trình lắng đọng.

Mạ ion điện thế thấp (RLVIP)


23


Theo lý thuyết động học: số hạt phân tử đập lên 1 đơn vị diện

tích bề mặt trong 1 đơn vị thời gian là:

Với n: số hạt trên một đơn vị thể tích

(1) vnN ..4

1

CƠ CHẾ CỦA SỰ TẠO MÀNG TRONG CHÂN KHÔNG

Bốc bay vật liệu phủ:

TK

P

V

Nn

. P: áp suất hơi của vật liệu (torr)

T : nhiệt độ bốc bay (2)

21

.

..8

m

TKv (3)

K: hằng số Boltzman = 1,03.10-22 torr/K

Vận tốc trung bình

Thế (2) và (3) vào (1), ta có:

MT

P3,5.10

m

8KT

4

nvn.

4

1 N torr22

21

24



Bốc bay vật liệu phủ

25




AM: số Avogadro= 6,023.1023 mol

M = mAM: klượng phân tử

;PT

M5,38.10N

A

MmNM torr

21

2

M

N

Khoái löôïng töông öùng vôùi N haït ñoù:

26

Töø ñoù ta nhaän ñöôïc vaän toác bay hôi cuûa vaät chaát nhö hieäu cuûa

vaän toác bay hôi vaø vaän toác ngöng tuï:

21

210.38,5).(

T

MPPG Tv .).( 2 scm

gr

P : aùp suaát hôi cuûa vaät chaát (torr)

PT : aùp suaát hôi baûo hoøa cuûa vaät chaát taïi nhiệt độ cho tröôùc




27

sin

d

sin

O x

z

r

0

d

sin

x

z

0

b) a)

Sơ đồ bay hơi từ nguồn điểm a) và nguồn phẳng b)

Sự bay hơi từ nguồn điểm O tương ứng với sự phân bố

đẳng hướng:

ở đó, d= 2sin dd

4

ddP




28



dPGdGC

Sơ đồ ngưng tụ phân tử từ nguồn điểm a) và nguồn phẳng b)

h

ds ds

r

0

h r

ds ds

0

21

210.38,5).(

T

MPPG Tv

Sự ngưng tụ

29

Bieåu thöùc ñoái vôùi vaän toác ngöng tuï trong tröôøng hôïp naøy

24

cos

r

dsGdGCr

Doøng phaân töû daäp leân beà maët ds caùch nguoàn moät

khoaûng caùch ngaén nhaát:

24 h

dsGdGCh

2

cos

r

dsd

Vôùi

4

ddP

hr Vôùi

1cos0



Sự ngưng tụ

30



Sự ngưng tụ

Khi ñoù,tyû soá ñoä daøy d cuûa maøng ngöng tuï phuû leân caùc phaàn beà maët

khaùc nhau trong khoaûng thôøi gian gioáng nhau baèng:

2

32

3

3

2

2

1cos

hh

r

h

r

dG

dG

d

d

cr

ch

r

h

= h, ñoä daøy maøng taïi taâm vaø taïi bieân cuûa ñeá seõ khaùc nhau

2,8 laàn. Trong quaù trình bay hôi trong chaân khoâng, caàn thieát

baûo ñaûm tính ñoàng ñeàu cuûa ñoä daøy maøng phuû. Ñeå ñoä daøy sai

khaùc 10% thì khoaûng caùch cöïc tieåu giöõa nguoàn vôùi ñeá phaûi

baèng coøn 5% thì

6,2 6,3h

31



Sự ngưng tụ

• Caùc nguyeân töû khi va chaïm beà maët ñeá dính leân beà maët ñeá

taïo thaønh maàm ngöng tuï, maàm naøy phaûi thoõa:

+ söùc caêng maët ngoaøi(

s -

f) /

s

+ haèng soá khôùp maïng f << 1, caøng nhoû caøng toát

Bk maàm rk ñuû ñeå tieáp tuïc phaùt trieån maàm lieân keát laïi treân beà maët taïo

thaønh maøng lieân.

32

CẤU TRÚC CỦA VÀ TÍNH CHẤT MÀNG PHỤ THUỘC VÀO:

• Bản chất đế

• Nhiệt độ đế

• Vận tốc lắng đọng

• Độ dày màng phủ


33

Mô hình cấu trúc của màng: gồm 3 vùng:

• Vùng 1: T< 0,3 Tnc

T : nhiệt độ bề mặt đế

Tnc: nhiệt độ nóng chảy của KL bốc bay.

Ở vùng này, độ linh động của nguyên tử thấp, các mầm thành lập theo hướng vuông góc với đế. Màng có cấu trúc ốc đảo.



Vùng 2: 0,3 Tnc< T< 0,45 Tnc

• Độ linh động của hạt lớn

• Mầm phát triển theo chiều ngang

• Màng có cấu trúc tinh thể hình trụ

• Độ bám dính và độ cứng tối ưu

Vùng 3: T> 0,45 Tnc

• Màng bị kết tinh lại

34


h

n

n

o

exp

Với: no: số hạt KL bay hơi

n: số nguyên tử KL không bị va chạm với khí

λ: quãng đường tự do trung bình của ion KL

xác suất hơi va chạm trên đế sẽ rất bé h quá lớn

h quá nhỏ sẽ bị ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn bốc hơi

Khoảng cách h từ nguồn bốc bay đến đế cần phủ:

NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG MÀNG

35

Cần được tiến hành trong môi trường chân không cao

P= 10-6 hoặc 10-5 torr

Áp suất p:

Tránh hơi vật liệu phản ứng với không khí, ảnh hưởng đến độ tinh

khiết màng



Xử lý hóa học

Xử lý cơ

Phóng điện khí

Độ bám dính: Phản ánh độ bền của màng:

36

Nguồn điểm:

Vận tốc bay hơi

Sơ đồ ngưng tụ của phân tử từ nguồn điểm

Độ đồng đều của màng phủ:

4

ddP

2

cos

r

dsd

24

cos

r

dsdP



37

24

cos.

r

dsGdPGdGr

Vận tốc ngưng tụ theo hướng r:

Tương tự ta có vận tốc ngưng tụ theo hướng h:

24 h

GdsdGh

Nguồn điểm:



38

Tỷ số độ dày d của màng ngưng tụ phủ lên các phần bề mặt khác nhau:

2

32

3

3

2

2

1cos

hh

r

h

r

dG

dG

d

d

r

h

r

h

: là khoảng cách từ tâm đế đến 1 điểm được phủ trên đế

Nguồn điểm:

8,2r

h

d

dh

6,2hđộ dày màng sai khác 10%

6,3hđộ dày màng sai khác 5%



39

Vận tốc bay hơi dP:

Vận tốc ngưng tụ dG:

2

2cos.

r

dsGdPGdGr

2

2coscos

r

dsddP

2h

GdsdGh

Nguồn phẳng:





Tỷ số độ dày d: 2

2

4

4

1

hh

r

d

d

r

h

h

độ dày màng sai khác 10% 5,4h

độ dày màng sai khác 5% 3,6h

độ dày màng tại tâm và tại biên của

đế khác nhau 4 lần

Nguồn phẳng:

41

Với dsddm ..

: góc lệch giữa bề mặt đế với hướng của dòng hơi

24

cos

r

md

24

cos

r

dsmdm

Nguồn phẳng:

2

coscos

r

md

2

2cos

r

dsmdm

Lượng vật chất đập lên bề mặt ds trong 1 giây

Lượng vật chất đập lên bề mặt ds trong 1 giây:

Nguồn điểm:

Khối lượng chất cần bốc bay để tạo màng có độ dày d:


42


vA

mT

AV: tốc độ bay hơi của vật liệu KL

m : khối lượng chất cần bốc bay

Thời gian bốc bay:

43

Tyû soá ñoä daøy d cuûa maøng ngöng tuï phuû leân caùc phaàn beà maët khaùc

nhau trong khoaûng thôøi gian gioáng nhau baèng:

Đê mang có đô day đồng nhất:

Khi đo:

Như vậy:

2

32

3

3

2

2

1cos

hh

r

h

r

dG

dG

d

d

cr

ch

r

h

1dd

r

h

0h

h

CHỎM CẦU QUAY


44

Bằng cach nao đê mang phủ có đô day

đồng nhất nhưng khoảng cach ngắn

nhất từ nguồn đến đê không qua lớn?


Documents

BỐC BAY NHIỆT