CÔNG NGHỆ PHÚN XẠ MAGNETRON CÂN BẰNG VÀ KHÔNG CÂN BẰNG

CÔNG NGHỆ PHÚN XẠ MAGNETRON CÂN BẰNG VÀ MAGNETRON KHÔNG CÂN BẰNG

Trong thiết kế và vận hành hệ thống lắng đọng tạo màng sử dụng nguồn phún xạ, có nhiều khía cạnh liên quan đến đặc tính nguồn phún xạ cần được xem xét kỹ. Cần đào sâu vào một số khía cạnh của thiết kế và chế tạo các nguồn phún xạ để hiểu rõ cách thức hoạt động và các yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến quá trình làm việc của hệ thống.

Các nguồn phún xạ phẳng không sử dụng nam châm tăng cường (Magnetron) có tỷ lệ thất thoát electron và hiệu suất ion hóa thấp. Hậu quả của sự thất thoát này là các nguồn cấp năng lượng phải truyền tải điện thế lớn lên đến 2000V mới có thể duy trì vùng plasma có cường độ dòng thấp.

Hình: Hệ phún xạ phản ứng magnetron phẳng đang vận hành

Việc sử dụng nam châm (Magnet) xếp tạo thành hệ Magnetron cho phép bẫy bắt electron vào sát bề mặt bia phún xạ. Electron bị giam giữ trong vùng plasma gần bề mặt bia lâu hơn làm tăng xác suất va chạm ion hóa đáng kể. Hiệu suất ion hóa tăng lên  tạo nên plasma có mật độ cao hơn, truyền tải được ion có cường độ cao hơn với một điện thế thấp hơn 1000V. Điện thế phún xạ magnetron thường rơi vào khoảng 500-750V. Tốc độ phún xạ tỷ lệ với công suất và do đó hệ magnetron giúp cải thiện tốc độ phún xạ lên đến 10nm/s/kW so với không có magnetron chỉ 1nm/s/kW.

Cơ bản về công nghệ phún xạ magnetron DC trên bia phẳng

Phún xạ xuất hiện khi có một điện thế đủ lớn chênh lệch giữa hai bản điện cực đặt trong môi trường áp suất thấp khoảng 20 Pascal. Một vùng plasma hồ quang hình thành và đáng chú ý, xung quanh bản cực âm bị phủ một lớp vật liệu bay ra từ cực âm. Plasma này chứa các ion và electron, các ion (+) bị tăng tốc dưới ảnh hưởng điện thế bay về phía cực âm, các electron (-) thì đi về phía cực dương. Các ion dương sau đó va đập vào bề mặt cực âm và làm văng các vật liệu của cực âm ra khỏi bề mặt, các vật liệu này sẽ lắng đọng hình thành các lớp phủ màng mỏng.

Hình: cơ chế bẫy bắt electron bằng magnetron dưới tác dụng trường điện từ.

Quá trình phún xạ này được nghiên cứu phát triển để cải thiện hiệu suất và tốc độ lắng đọng tạo màng. Việc cải thiện mật độ plasma cho phép dòng điện – trường hợp này trong môi trường plasma là cường độ dòng ion (+) cao hơn được truyền qua giúp tăng tốc độ phủ màng. Với một hệ các nam châm được sắp xếp đúng cách, ta có thể tạo ra vùng từ trường có khả năng giam giữ electron từ đó cải thiện mật độ plasma.

Hệ magnetron được trình bày trong hình trên. Vật liệu bia được đặt tiếp xúc với đường bẫy electron của từ trường. Bia – cũng được gọi là cực âm

Sự ăn mòn bia diễn ra mạnh nhất ở nơi có đường sức từ song song với bề mặt bia. Đường chuyển động hình xoắn của electron vòng quanh mặt bia theo vòng cung từ trường có hình dạng giống đường một đường đua ngựa nên vùng ăn mòn này thường được gọi là đường đua magnetron. Khi Electron bay sát vào bề mặt bia, điện tích âm trên bia sẽ đẩy electron ra xa bề mặt rồi rơi lại vào vùng bẫy bắt từ trường. Một tỷ lệ electron bị đẩy đủ mạnh văng ra ngoài vùng không gian giam giữ từ trường.

Vùng plasma magnetron có đặc điểm là sự cân bằng giữa số lượng electron sinh ra và electron mất đi. Điều chỉnh độ mạnh yếu của nam châm hay vị trí các cực từ sẽ ảnh hưởng đến từ trường và làm thay đổi sự cân bằng trong plasma. Tại mỗi mức áp suất khác nhau, sự cân bằng này sẽ quyết định điện thế và cường độ dòng điện của nguồn phún xạ.

Phún xạ magnetron cân bằng và phún xạ magnetron không cân bằng

Bên cạnh khả năng bẫy bắt electron tăng hiệu suất phún xạ, từ trường còn được dùng để kiểm soát sự bắn phá các ion trên bề mặt mẫu (còn gọi là nền, sản phẩm hay đế). Một vùng từ trường mà trong đó các đường sức từ vừa khớp giữa cực trung tâm và các cực bên ngoài, hay nói cách khác, các đường sức từ đi ra khỏi 1 cực sẽ nhập về đầy đủ tại cực còn lại. Đây gọi là vùng từ trường cân bằng, điều này giúp tối đa hóa khả năng bắt giữa các electron trong plasma đồng thời giảm thiểu sự bắn phá lên bề mặt mẫu. Ngược lại, các đường sức từ có thể không khép kín giữa các cực, điều này sẽ khiến các electron thoát ra ngoài từ trường và bắn phá bề mặt mẫu. Kết quả của sự bắn phá này là bề mặt mẫu sẽ nóng lên đồng thời thay đổi cấu tạo màng mỏng hình thành trên mẫu.

Hình: So sánh phún xạ magnetron cân bằng và không cân bằng