BỐC BAY CHÙM TIA ĐIỆN TỬ
1. Giới thiệu chung
Như, chúng ta đã nhận thấy rằng tất cả các nguồn bốc bay nhiệt từ thuyền xoắn, thuyền lá, thuyền graphít, chén kim loại v à chén sứ nhiệt độ cao, v.v… cũng chỉ sử được trong một số trường hợp nhất định, với thời gian sử dụng không cao . Một trong các nguyên nhân làm cho các nguồn bốc bay như thuyền hay chén kể trên có hạn chế là sự tương tác giữa thuyền hoặc chén với vật liệu gốc. Như vậy, muốn tránh hiện tượng này cần sử dụng nguồn nhiệt, trong đó không có tiếp xúc trực tiếp nào giữa chén hay thuyền với vật liệu gốc. Chùm tia điện tử hội tụ trong chân không là nguồn nhiệt lý tưởng đáp ứng yêu cầu trên. Dưới đây sẽ trình bày những nét cơ bản về nguyên lý hoạt động của chùm tia điện tử và ứng dụng chúng vào kỹ thuật chế tạo vật liệu màng mỏng. Đó là phương pháp lắng đọng màng mỏng trong chân không dùng chùm tia đi ện tử hội tụ làm nguồn bốc bay. Phương pháp này được gọi tắt là bốc bay chùm tia điện tử.
2. Bốc bay chùm tia điện tử
2.1. Ưu điểm của phương pháp
Đặc điểm nổi bật của phương pháp chùm tia điện tử khác với các phương pháp bốc bay nhiệt hay phún xạ catôt là sử dụng năng lượng của chùm điện tử được hội tụ trực tiếp lên vật liệu. Khi chùm tia điện tử năng lượng cao bắn lên vật liệu gốc, do bị dừng đột ngột to àn bộ động năng của chùm điện tử được chuyển thành nhiệt năng làm hóa hơi vật liệu này. Do đó có thể nhận thấy những ưu điểm chính của phương pháp này là:- Môi trường chế tạo mẫu sạch, nhờ có chân không cao;
- Hợp thức hóa học và độ tinh khiết của màng so với vật liệu gốc được đảm bảo do chùm tia điện tử cấp nhiệt trực tiếp cho vật liệu gốc và các phần tử hóa hơi xảy ra tức thì dưới tác dụng nhanh của nhiệt;
- Bốc bay được hầu hết các loại vật liệu khó nóng chảy vì chùm tia điện tử hội tụ có năng lượng rất lớn;
- Dễ điều chỉnh áp suất, thành phần khí và nhiệt độ và dễ theo dõi quá trình lắng đọng;
- Có thể sử dụng rất ít vật liệu gốc (đến 10 mg hoặc ít hơn), cho nên trong các trường hợp cần tiến hành nhiều thực nghiệm để tìm kiếm chế độ công nghệ mới sẽ tiết kiệm đáng kể nguồn vật liệu, nhất là vật liệu quý hiếm
2.2 Cấu hình súng điện tử và vật liệu bốc bay tương ứng
2.2.1 Súng điện tử sử dụng anốt là vật liệu bốc bay
Trong phương pháp bốc bay bằng súng điện tử mà anôt chính là vật liệu cần bốc bay, cấu tạo của súng điện tử có đặc điểm là: catôt (sợi phát xạ điện tử) có cấu trúc hình tròn đặt rất gần với vật liệu gốc (đồng thời là anôt). Các điện tử chuyển động theo quỹ đạo thẳng từ catôt hội tụ v ào đúng đầu trên của anôt (hình a). Như vậy, trong trường hợp này, anôt phải là kim loại và được thiết kế sao cho có thể dịch chuyển tịnh tiến với tốc độ đồng bộ với vận tốc bốc bay chính nó. Anôt thường được làm bằng thanh hoặc sợi kim loại, được đặt vào chính giữa vòng catôt. Bốc bay xảy ra ngay trên đầu của thanh kim loại, đế thường được đặt ở phía trên của catôt. Giọt pha lỏng giữ được trên đầu của anôt là nhờ sức căng bề mặt của nó. Do vậy, trong phương pháp này, khống chế năng lượng chùm tia điện tử cần thật chính xác. Nếu như chùm tia điện tử cung cấp nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cần bốc bay thì giọt đó sẽ bị rơi xuống thành chuông. Như vậy, với súng điện tử kiểu này, chỉ có thể bốc bay các vật liệu kim loại mà pha lỏng của chúng có sức căng lớn và áp suất hơi trên bề mặt lớn hơn 10-3 Torr tại nhiệt độ nóng chảy. Các kim loại có thể bốc bay bằng phương pháp này là Fe, W, Ni, Ta, Ag, Mo, Pt. Tốc độ bốc bay của chúng thường được khống chế thấp hơn giá trị tính toán từ lý thuyết. Ti và Zr cũng có thể bốc bay bằng cách này nhưng tốc độ bốc bay cần được khống chế thấp hơn nữa.
Ngoài hạn chế về tốc độ bốc bay, phương pháp “giọt anôt” của súng điện tử còn có những hạn chế khác. Một trong các khó khăn của công nghệ là thiết kế cấu hình súng điện tử rất khó phù hợp với độ chính xác của tốc độ dịch chuyển anôt, hơn nữa anôt còn phải được làm nguội bằng đường ống dẫn
nước chạy vòng quanh. Thêm vào đó là catôt để trần trong hơi kim loại, chúng dễ dàng tác dụng với nhau, nhất là khi nhiệt độ bốc bay tương đối cao, tạo ra các hơi của hợp chất không mong muốn bay lên làm nhiễm bẩn màng trên đế. Đồng thời catôt cũng nhanh bị ăn mòn bởi các phản ứng với hơi của vật liệu bốc bay, do đó catôt rất nhanh bị phá hủy. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã lắp thêm các bộ che chắn bảo vệ catôt (hình b và c)
2.2.2 Súng điện tử với anôt độc lập
Súng điện tử trong trường hợp này được chế tạo gần giống như ống phát tia X. Trong súng có nguồn phát xạ điện tử là giây volfram hình may-xo hoặc hình chữ V với đầu nhọn hướng về phía anôt. Hội tụ chùm tia điện tử thực hiện nhờ điện cực lưới của hệ tĩnh điện là hình trụ bên trong chứa catôt và điện áp của anôt hình đĩa (hình a). Vùng giữa anôt và chén đựng vật liệu gốc là vùng đẳng thế. Do khoảng cách catôt - anôt không lớn, cho nên áp suất tăng nhờ quá trình phân hủy khí sẽ dẫn đến hiện tượng ion hóa các chất khí còn lại trong chuông, điều này làm cho hội tụ chùm tia điện tử bị kém hẳn đi. Để có chùm tia đi xa và hội tụ tốt hơn, người ta đặt thêm vào súng điện tử một thấu kính từ trường.
Sơ đồ của súng loại này mô tả trên (hình b). Chùm tia điện tử được hội tụ nhờ việc điều chỉnh điện thế âm của lưới và anôt hình côn, đồng thời thay đổi độ lớn của từ trường lăng kính. Với cấu trúc này, chúng ta có vết hội tụ của chùm tia đường kính vào cỡ vài milimét. Súng điện tử kiểu này có khả năng hội tụ chùm tia với mật độ điện tử rất cao, cho n ên nó có thể bốc bay các vật liệu khó nóng chảy, thí dụ như BN hoăc Ta, nhiệt độ bốc bay cao hơn 3000oC. Nhược điểm của súng điện tử với anôt độc lập là ở chỗ, điện thế cao áp một chiều thường lớn hơn 10 kV, trong khi súng điện tử dùng vật liệu làm anôt chỉ cần điện áp vài kV. Giống như ống phát tia X, khi điện thế cao trên 10 kV chùm tia điện tử bị hãm trên đường đi của chúng sẽ gây ra phát xạ tia X từ hệ chân không. Theo các số liệu đã biết thì thép không rỉ chỉ có thể hấp thụ một phần nào đó bức xạ tia X phát ra khi chùm tia điện tử năng lượng cao hơn 10 keV bị hãm trên thành chuông. Vì vậy, đối với hệ chân không này, chuông cần được che chắn bằng các tấm thủy tinh hữu cơ chứa hàm lượng chì tương đối lớn để hấp thụ toàn bộ bức xạ tia X.
2.2.3 Súng có chùm tia điện tử quỹ đạo cong
Trong các súng điện tử nêu ở trên thì chùm tia điện tử đều chuyển động theo quỹ đạo thẳng, do đó, hoặc là súng hoặc là đế phải nằm ở vị trí đối diện với nguồn bốc bay. Nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách “bẻ” cong quỹ đạo của chùm tia điện tử nhờ việc đưa vào chuông một nam châm điện, mà độ lớn của từ trường điều khiển được bằng dòng điện.
(Nguồn: sách kĩ thuật )
0 nhận xét:
Đăng nhận xét