Phún xạ cathode: công nghệ màng mỏng truyền thống mà vẫn rất hiện đại

Phún xạ cathode (Cathode sputter) là một kỹ thuật chế tạo màng mỏng rất quen thuộc trong nhiều phòng thí nghiệm ở Việt Nam và trên thế giới, trong cả thế giới nghiên cứu cơ bản và thế giới công nghiệp. Dù đã tồn tại rất lâu (đã hơn 100 năm lịch sử kể từ phát triển đầu tiên vào năm 1903 bởi Edison’s National Phonograph), sputter vẫn là một kỹ thuật tiên tiến được nhiều phòng thí nghiệm ưa chuộng bởi nó vừa không quá phức tạp mà vẫn tạo ra những màng mỏng với chất lượng cao từ quy mô lớn tới quy mô nhỏ. Bài viết này sẽ giới thiệu với bạn đọc về kỹ thuật này.

Sơ lược về phún xạ cathode

Tôi cũng chưa rõ lý do thuật ngữ “sputter” được dịch ra tiếng Việt là “phún xạ”. Theo từ điển tiếng Anh, “sputter” có nghĩa là “quá trình mà các nguyên tử từ một bia chất rắn bị bóc ra khỏi bề mặt khi bị bắn phá bởi các hạt tích điện”. Theo nguyên lý này, màng mỏng được tạo ra bằng việc mang các nguyên tử từ vật liệu nguồn (gọi là các bia – target) tới lắng đọng trên đế (substrate) mà quá trình này được thực hiện bằng cách dùng các chùm hạt (các ion khí) bắn phá vào bia vật liệu, làm bóc ra các nguyên tử vật liệu. Các nguyên tử này tiếp tục bay về phía đế nhờ tiếp nhận động năng từ chính quá trình bắn phá. Như vậy, sputter gồm 2 hiệu ứng vật lý:

–          Sự va chạm (bắn phá) giữa các ion khí và các nguyên tử bề mặt, quá trình này làm bật ra các nguyên tử của bia vật liệu;

–          Sự truyền động năng: các nguyên tử vật liệu bị bật ra sẽ có một phần động năng do va chạm, và bay về phía đế và lắng đọng tại đó tạo ra màng mỏng mà ta cần.

Ta cần chú ý rằng, quá trình phún xạ hoàn toàn khác với việc bay bốc. Quá trình bay bốc là sự bay hơi của vật liệu nguồn khi bị nóng chảy (do đốt bởi dòng điện hoặc một chùm hạt có cường độ lớn). Ở phún xạ hoàn toàn không có sự nóng chảy hay bay hơi. Video dưới đây sẽ cho bạn một sự hình dung về quá trình phún xạ.

Tôi sẽ đi sâu hơn về kỹ thuật này. Để có thể tạo ra quá trình phún xạ, trước tiên bạn cần tạo ra một môi trường chân không đủ cao (càng cao càng tốt) – thuật ngữ tiếng Anh gọi mức chân không này là “base vacuum” hay “base pressure”. Thế nào là “đủ”? Với các máy thuộc loại thô thiển, áp suất buồng chân không từ 10-6 đến 10-7 Torr là có thể chấp nhận được, tốt hơn nữa là chân không ở mức 10-8 Torr hay tốt nữa là 10-9 Torr (đạt mức gọi là chân không siêu cao – UHV), thậm chí 10-10 Torr. Chú ý là bạn cứ tăng mức chân không lên một cấp, độ phức tạp của hệ chân không lại khó hơn một bậc. Sau đó, người ta sẽ dùng một dòng khí hiếm (thường là Ar, Ne, He, Kr) nạp vào buồng với áp suất thấp (cỡ 10-4 Torr  tới 10-2 Torr) để dùng cho quá trình phún xạ. Áp suất khí quá lớn sẽ làm giảm khả năng phún xạ, áp suất quá nhỏ thì lại cho quá trình phún xạ quá chậm và yếu. Điều kiện áp suất phún xạ rất khác nhau với từng loại vật liệu – đây là một điểm kém của kỹ thuật phún xạ và bạn sẽ mất kha khá thời gian để tối ưu hóa điều này nếu làm việc trên một vật liệu mới.

Hình 1. Nguyên lý của một hệ phún xạ cathode.
Hình 1. Nguyên lý của một hệ phún xạ cathode.

Để có quá trình phún xạ, đế (substrate – nơi màng được tạo ra) được đặt cách bia vật liệu nguồn một khoảng cách nhất định và một điện áp được đặt vào giữa đế và bia. Đế sẽ là anode trong khi bia sẽ là cathode (đó là lý do tại sao thuật ngữ đầy đủ lại là phún xạ cathode). Lúc này, các khí bơm vào sẽ bị ion hóa bởi điện trường giữa đế và bia (nếu bạn bơm khí với áp suất quá lớn, bạn sẽ không thể ion hóa khí và không có sự phún xạ nữa), bị tăng tốc dưới điện trường này và bắn thẳng về bia, tạo ra quá trình phún xạ. Và quay lại điều tôi mô tả trước là trước tiên cần tạo ra một môi trường chân không càng cao càng tốt. Tại sao vậy? Môi trường chân không cao có nghĩa là bạn loại toàn bộ những khí dư (đặc biệt là ôxi, hơi nước) trong buồng và hấp phụ trên bề mặt đế. Loại đi khí bám trên đế sẽ giúp cho việc màng mọc lên có chất lượng cao và tăng khả năng bám dính vào đế. Quan trọng hơn, loại đi các khí dư cũng có nghĩa là bạn giảm đi việc va chạm của các ion khí hiếm với các khí này (sự va chạm này làm giảm đi hiệu suất phún xạ) và cũng là giảm đi khả năng ôxi hóa màng. Trong quá trình ion hóa và bắn phá bia vật liệu, các khí sẽ phát quang tạo ra plasma giúp ta nhận ra quá trình phún xạ. Đây là một điểm rất thú vị của phún xạ. Trong hình vẽ trên, bạn sẽ thấy có một màn chắn đặt phía trên bia, có tác dụng bảo vệ các bộ phận không thuộc về phạm vi vật liệu cần phún xạ. Màn chắn này tiếng Anh gọi là chimney, được nối đất (trung hòa về điện) và sẽ không bị bắn phá. Khi bạn lắp đặt các bia vật liệu vào nguồn phún xạ, cần kiểm tra điện trở giữa bia và chimney, cần đảm bảo chúng cách điện với nhau.

Phún xạ một chiều (DC) và xoay chiều (RF)

Như vậy, ta có thể tạo ra quá trình phún xạ nhờ năng lượng cung cấp từ bộ nguồn. Mức độ phún xạ sẽ phụ thuộc vào các yếu tố: áp suất khí, công suất nguồn (là công suất phún xạ), khoảng cách giữa bia và đế. Đối với các vật liệu nền kim loại, nguồn cung cấp chỉ cần là một hệ một chiều (DC), lúc đó, ta sẽ có quá trình phún xạ một chiều. Nhưng với các vật liệu điện môi (ví dụ như các bia dạng gốm), nguồn một chiều hoàn toàn không thể hoạt động do dòng điện một chiều không thể truyền qua điện môi. Lúc này, ta lại cần đến một nguồn xoay chiều phát dòng điện cao tần và một bộ phối hợp trở kháng. Vai trò của bộ phối hợp trở kháng là tạo ra công suất điện lớn nhất trên hệ cathode-anode. Và ta sẽ có phún xạ xoay chiều (viết theo thuật ngữ tiếng Anh là Radio Frequency hay RF). Thường thì tần số phún xạ RF cỡ vài chục MHz. Ngoài ra, người ta có thể dùng dòng xung, tạo ra công suất rất lớn nhưng trong thời gian ngắn để tạo ra sự phún xạ cho một số vật liệu khó bị bắn phá.

Phún xạ magnetron và phún xạ chùm ion

Ngoài ra, để tăng hiệu suất phún xạ, người ta tạo ra thêm các bẫy từ trường (bằng cách sử dụng các nam châm đặt bên dưới các bia vật liệu) nhằm dùng từ trường bẫy các hạt mang điện, tập chung chúng bắn phá vào trung tâm của bia vật liệu. Với hình thức này, ta sẽ có magnetron sputtering – kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay. Magnetron được bổ sung trong hầu hết các hệ sputtering nhằm tăng hiệu suất phún xạ. Có thể hiểu dễ dàng quá trình này qua clip ngắn dưới đây.

Ngoài hình thức magnetron, người ta còn sử dụng một chùm ion điều khiển, có năng lượng cao, được tập trung nhờ một hệ thống súng điều khiển (gồm các thấu kính điện từ) bắn tập trung lên bia với năng lượng cao. Kỹ thuật này gọi là phún xạ chùm ion (ion beam sputtering), rất dễ dàng cho công suất lớn. Nhưng mức độ phổ biến của ion beam sputtering lại thấp hơn nhiều so với magnetron sputtering.

Tùy theo mong muốn của quá trình phún xạ mà bố trí của target và đế có thể khác nhau. Hai cách bố trí phổ biến nhất là bố trí thẳng, khi đó đế và target sẽ được đặt thẳng, hướng của phún xạ sẽ thẳng đứng, quá trình phún xạ bị hạn chế duy nhất bởi trọng lực. Cách bố trí thứ hai là đặt nghiêng các nguồn phún xạ còn đế thì đặt chính giữa đường trục của buồng nhằm giảm tác động của trọng lực (như hình vẽ dưới đây). Nhưng cách bố trí này sẽ rất hạn chế vị trí (theo phương thẳng đứng) của đế để có một vị trí tối ưu. Trong hầu hết các cách bố trí, để tạo sự đồng nhất của film tại nhiều vị trí, người ta thường cho đế quay trên trục quay thẳng đứng. Ngoài ra, người ta còn bố trí các lò đốt nhằm tạo ra sự đốt nóng cho đế, hỗ trợ cho sự phát triển của màng mỏng trên các đế, cho phép tạo ra các cấu trúc khác nhau.

Hình 2. Bố trí lắng đọng thẳng góc (ảnh từ http://www.ajaint.com/).
Hình 2. Bố trí lắng đọng thẳng góc (ảnh từ http://www.ajaint.com/).
Hình 3. Bố trí lắng đọng nghiêng (ảnh từ http://www.ajaint.com/).
Hình 3. Bố trí lắng đọng nghiêng (ảnh từ http://www.ajaint.com/).

Kết luận

Phún xạ cathode là một kỹ thuật truyền thống, rất được ưa thích bởi khả năng tạo ra màng mỏng chất lượng cao từ quy mô nhỏ (phòng thí nghiệm) đến lớn (công nghiệp). Sputter không đòi hỏi chân không quá mức cao, dễ dàng tạo ra màng đơn lớp và đa lớp, với chiều dày từ vài Angstrom đến cấp micromet. Cần chú ý là sputter hầu như không thể tạo ra màng đơn tinh thể nhưng có thể tạo ra màng có độ đồng nhất cao về cấu trúc, cũng như có độ định hướng cao (định hướng ưu tiên – texture). Có thể nói sputter hiện nay là phương pháp phổ biến nhất. Tuy nhiên, sputter không hẳn là hoàn hảo khi nó không thể tạo ra màng đơn tinh thể, tốc độ bốc bay phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố dẫn đến việc khó khống chế thành phần hợp thức khi tạo ra màng chứa nhiều thành phần. Hình ảnh dưới đây là hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Ta/Ru/CoIr/Ru/Ta mà tôi nghiên cứu trong quá trình làm luận văn tiến sĩ. Nhờ buồng chân không siêu cao, màng mỏng tạo ra có chất lượng cao với lớp tiếp xúc giữa các lớp rất mịn và độ nhám rất thấp.

Hình 4. Hình chụp cắt lớp HRTEM màng đa lớp Ta/Ru/CoIr/Ru/Ta mọc trên đế SiN bằng kỹ thuật magnetron sputtering trong buồng chân không siêu cao.
Hình 4. Hình chụp cắt lớp HRTEM màng đa lớp Ta/Ru/CoIr/Ru/Ta mọc trên đế SiN bằng kỹ thuật magnetron sputtering trong buồng chân không siêu cao.

Chú thích: một số hình ảnh mô tả trong bài viết được lấy từ website: http://www.ajaint.com/

6 Comments

    1. Tôi có một comment nho nhỏ về việc bạn định tạo màng trên đế thủy tinh là đế thủy tinh có độ bám dính kém, nên bạn cần hết sức chú ý điều này. Trở lại với việc bạn có ý định tạo màng TiO2 trên đế thủy tinh, có 3 cách để tạo ra TiO2 bằng sputtering:
      1) Dùng bia kim loại Ti và sử dụng khí hoạt tính (active gas) mà ở đây cụ thể là có sự hỗ trợ của Oxygen. Với bia kim loại Ti, bạn có thể sử dụng DC sputtering để bắn phá bia Ti. Khí bạn sử dụng có thể là hỗn hợp Ar + O2 (O2 với tỉ lệ thấp), hoặc sử dụng thiết bị có một vòi phun khí O2 ngay tại đế (lúc này sử dụng khí nạp trong buồng chỉ cần Ar), và khí O2 sẽ phản ứng với Ti để tạo ra màng TiOx ngay tại đế khi nó lắng đọng. Nên có sự đốt nóng đế để hỗ trợ cho phản ứng Ti+O2
      2) Sử dụng bia gốm TiO2 và sử dụng RF sputtering để có sự lắng đọng, lúc này sử dụng khí Ar;
      3) Tạo màng Ti bằng DC sputtering, sau đó ủ trong môi trường khí O2 để tạo ra màng TiO2, nhưng cần có khảo sát cẩn thận để chọn được nhiệt độ ủ thích hợp.
      Tất nhiên, màng bạn tạo ra có hợp thức sẽ là TiOx (x có thể là 2 hoặc sai khác đôi chút), đây là điểm kém của sputtering, khó kiểm soát được hợp thức.
      Tôi không thể nói chi tiết hơn vì bản thân tôi chưa bao giờ chế tạo màng TiO2. Chú ý thêm là bạn nên làm sạch trước đế thủy tinh bằng dung dịch HF loãng (dưới 5%) và sau đó rửa sạch bằng nước deionised và bằng plasma để có một bề mặt đế sạch.

  1. “tăng mức chân không lên một cấp, độ phức tạp của hệ chân không lại khó hơn một bậc”.Có ai giải thích cho mình câu này được không vậy?

    1. Ví dụ như chân không bạn đang có là 10^-8 Torr, bạn có thể dùng một bơm turbo hoặc bơm khuếch tán là đủ. Nhưng nếu bạn muốn đạt chân không thêm một cấp tức là vào cỡ 10^-9 Torr, bạn sẽ phải sử dụng hệ chân không đắt tiền hơn: ví dụ như bơm turbo với công suất lớn hơn nhiều, đi kèm với bơm kiểu Titan sublimation, hoặc thậm chí cần tới các bộ phụ trợ như baking, cryotrap,…

    1. Tôi từng biết ở Việt Nam nhiều phòng thí nghiệm phải tự chế tạo target vì mua target ở nhà sản xuất đắt (so với túi tiền Việt Nam). Nhưng nên nhớ là loại tự tạo thì độ sạch cực kỳ tệ, không kiểm soát nổi tạp chất. Còn tôi làm việc ở nước ngoài thì chưa từng tự tạo mà chỉ “tự mua” ở nhà sản xuất

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s