BỐC BAY NHIỆT
1. Giới thiệu
Chế tạo màng mỏng bằng việc sử dụng kỹ thuật chân không l à công nghệ lắng đọng pha hơi vật lý, bởi vì trong công nghệ này, các phần tử hóa hơi (như phân tử, nguyên tử, cụm nguyên tử) nhận được bằng phương pháp vật lý. Phương pháp công nghệ chế tạo màng mỏng trong chân không từ đơn chất (như nhôm, vàng, bạc, kẽm,…) đến hợp kim hay các oxid và hợp chất nhiều thành phần. Tuỳ thuộc vào nguồn hóa hơi trong chân không, vào các kỹ thuật tạo ra nguồn bốc bay khác nhau, chúng ta có các phương pháp chế tạo màng mỏng như sau:
- Bốc bay nhiệt truyền thống (bốc bay nhiệt);
- Bốc bay bằng chùm tia điện tử (bốc bay chùm tia điện tử);
- Bốc bay bằng laze xung (bốc bay laze);
- Epitaxy chùm phân tử.
2. Bốc bay nhiệt
2.1 Giới thiệu chung
Phương pháp bốc bay trong chân không dùng thuyền điện trở làm nguồn cung cấp nhiệt là phương pháp bốc bay nhiệt truyền thống. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và hiệu quả cao. Để thực hiện quá trình bốc bay chúng ta cần có nguồn bốc bay để chứa vật liệu cần bốc bay và để cung cấp nhiệt tạo ra áp suất hơi cần thiết và duy trì quá trình bốc bay vật liệu. Trong phương pháp này, tốc độ lắng đọng màng có thể nằm trong khoảng rộng từ 1oA/s đến 1000oA/s. Hơn nữa, vật liệu khác nhau có nhiệt độ bốc bay rất khác nhau. Nhiệt độ bốc bay của vật liệu phụ thuộc rất mạnh vào áp suất, nó giảm theo chiều giảm của áp suất trong thiết bị chân không. Nói cách khác là chân không càng cao thì nhiệt độ bốc bay càng giảm. Bốc bay trong chân không thấp đòi hỏi nhiệt độ nguồn bốc bay cao hơn, điều này thúc đẩy các phản ứng hóa học giữa nguồn bốc bay và vật liệu cần bốc bay (vật liệu gốc). Thí dụ, khi bốc bay nhôm dùng thuyền điện trở W dễ nhận được hợp kim Al-W, nhiệt độ nóng chảy của hợp kim này thấp hơn hẳn so với nhiệt độ nóng chảy của W. Để khắc phục các hiện tượng phản ứng hóa học giữa nguồn và vật liệu gốc, trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng chén đựng vật liệu (chén được đặt trong thiết bị). Các loại chén được chế tạo từ vật liệu có nhiệt độ nóng chảy rất cao, như oxit nhôm hay oxit bery, thory, zircony,... Chúng được gọi chung là vật liệu khó nóng chảy.
Trên bảng 6.1 liệt kê một số nguyên tố điển hình được bốc bay trong chân không, bảng này cho chúng ta biết các thông số cần thiết khi bốc bay chân không, như nhiệt độ, áp suất, vật liệu gốc và các loại thuyền và chén có thể sử dụng.
Vật liệu bốc bay
|
Điểm nóng chảy
|
Nhiệt độ bốc bay tại 10-2
Torr
|
Điện trở
|
Chén
|
Chú thích
|
Nhôm
|
659
|
1220
|
W
|
C, BN, TiB2-BN
|
Tạo hợp kim với W, phản ứng với C
|
Antimon
(Sb4; Sb2)
|
630
|
530
|
Mo, Ta, Ni
|
Corun, BN, C
|
Hơi gồm nhiều nguyên tử, hiệu suất bốc bay thấp
|
Acxen
(As4; As2)
|
820
|
300
|
-
|
Oxit, C
|
Độc hại, thăng hoa, hơi lẫn các phân tử 2 và 4 nguyên tử
|
Bari
|
710
|
610
|
W, Mo, Ta, Ni
|
Kim loại
|
Không tương tác với điện trở
|
Đồng (Cu)
|
1084
|
1260
|
W, Mo, Ta
|
Mo, C, Al2O3
|
Không hợp kim hóa
|
2.2 Nguồn bốc bay bằng dây và lá kim loại
Các nguồn bốc bay được làm bằng dây hay lá kim loại chịu nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy của chúng thường là rất cao). Nguồn này cung cấp nhiệt bốc bay theo định luật Jun-Lenxơ. Các nguồn kiểu này được gọi chung là thuyền điện trở, mặc dầu không phải tất cả chúng đều có hình dạng như cái
Tăng nhiệt độ của thuyền được thực hiện bằng cách tăng dòng điện chạy qua thuyền. Tùy từng loại vật liệu cần bốc bay mà có thể dùng thuyền khác nhau cả về hình dạng và chất liệu. Các kim loại nóng chảy nhiệt độ cao thường dùng để làm thuyền điện trở là dây hoặc lá W, Mo, Ta. Đối với vật liệu bốc bay ở nhiệt độ thấp hơn 800oC có thể dùng thuyền Pt hay Ni, thường chỉ có ba loại (W,
Mo và Ta) là đáp ứng yêu cầu trong kỹ thuật màng mỏng.Cũng cần biết rằng, ở nhiệt độ cao volfram và molipđen dễ dàng tác dụng với hơi nước hoặc oxy tan trong hơi nước còn sót lại trong thiết bị tạo thành tạp chất bẩn, tạp chất này cũng bay lên cùng các phân tử của vật liệu cần bốc bay, do đó chất lượng của màng sẽ bị giảm đáng kể. Các loại thuyền xoắn thường được làm bằng dây volfram đường
kính từ 0,5 đến 1,5 mm.Các thuyền lá volfram, molipden và tantan thường được chế tạo từ lá kim
loại tương ứng có bề dày từ 0,13 đến 0,38 mm. Phần ở giữa thuyền thường được dát mỏng hơn để tăng điện trở ở trung tâm, do đó nhiệt tập trung tốt hơn ở chỗ để vật liệu gốc. Trong nhiều trường hợp, người ta tạo một hố nhỏ, ngoài tác dụng tập trung nhiệt như trên, hố này còn cho phép tiết kiệm vật
2.3 Nguồn bốc bay cho vật liệu thăng hoa
Có những vật liệu như Cr, Mo, Pd, V, Fe và Si mà nhi ệt độ bay hơi của chúng tại áp suất cỡ 10-2Torr. Trong trường hợp này sử dụng thuyền trơ (về hóa học) đối với vật liệu bốc
bay là không cần thiết. Trong chân không đủ cao, các vật liệu có tính chất trên sẽ thăng hoa, trước
khi chúng nóng chảy. Vì vậy có thể thiết kế nguồn bốc bay sử dụng dây hoặc lá kim loại khó nóng chảy làm thuyền điện trở. Nhưng trong trường hợp này, cấu trúc của thuyền hoàn toàn khác, bởi vì vật liệu gốc luôn ở trạng thái rắn, cho nên không cần đặt chúng tiếp xúc trực tiếp với thuyền. Trên hình. mô tả sơ đồ của một kiểu nguồn để thăng hoa một số vật liệu như Si.
Nguồn bốc bay sử dung để thăng
hoa lượng lớn vật liệu bán dẫn
Trên thực tế, có thể sử dụng thuyền phủ oxit để bốc bay Si, tuy n hiên Si lại là chất dễ tương tác với các oxit để tạo thành SiO và do đó thuyền cũng nhanh bị phá hủy. Do vậy, ngoại trừ phương pháp chùm tia điện tử thì dùng thuyền cung cấp nhiệt độ bằng bức xạ nhiệt để thăng hoa các vật liệu tr ên là phương pháp hữu hiệu và cho màng chất lượng tốt. Các vật liệu như Ni, Rh và Ti cũng được bốc bay bằng phương pháp này. Màng mỏng titan phủ lên thủy tinh để làm kính phản quang, ngoài tác dụng phản xạ bức xạ nóng, chúng còn có khả năng hấp thụ các chất
2.4 Chén bốc bay và vật liệu chén
Khi bốc bay một lượng nhỏ (thưòng là dưới 1 gam) chúng ta có thể dùng các loại thuyền kể trên, nhưng nếu cần bốc bay một lượng lớn hơn vài hoặc chục gam thì không có cấu trúc thuyền nào có thể đáp ứng được. Để khắc phục điều này, người ta đã thiết kế nguồn bốc bay lớn hơn và có hình dạng của một cái chén, do đó chúng được gọi là chén bốc bay. Vì quá trình bốc bay vật liệu với khối lượng lớn xảy ra trong khoảng thời gian t ương đối dài cho nên việc lựa chọn chén sao cho chúng vừa bền nhiệt vừa “tr ơ” với vật liệu bốc bay là điều rất cần thiết. Tính chất phả n ứng tương tác của vật liệu bốc bay với vật liệu gốc có thể tra cứu từ giản đồ pha của hai vật liệu, trong đó có các điểm nhiệt độ và áp suất tương ứng với các điều kiện “hòa tan” của chúng. Vật liệu dùng làm chén cần đáp ứng yêu cầu không hòa tan vào vật liệu gốc và cũng không để vật liệu bốc bay hòa tan vào chúng. Khi điều kiện này đáp ứng thì loại chén làm bằng vật liệu kim loại khó nóng chảy có ưu điểm vượt trội so với loại chén l àm bằng oxit. Bởi vì chén kim loại dễ gia công theo các cấu hình mong muốn, chúng có độ dẫn nhiệt cao hơn và chịu được thay đổi nhiệt độ đột ngột tốt hơn so với chén oxit
( Nguồn : sách kĩ thuật )
( Nguồn : sách kĩ thuật )
0 nhận xét:
Đăng nhận xét