TRU?NG

1
TRU?NG Ð?I H?C KHOA H?C T? NHIÊNKHOA V?T LÝB?
MÔN V?T LÝ ?NG D?NG
MÔN CÁC PP TH?C NGHI?M CHUYÊN NGÀNH

• NGHIÊN C?U TÍNH CH?T QUANG ÐI?N C?A MÀNG TiN

GVHD TS Lê Tr?n HVTH Ph?m Van Th?nh
2
N?I DUNG

• GI?I THI?U MÀNG TiN
• CÁC PHUONG PHÁP XÁC Ð?NH TÍNH CH?T C?A MÀNG
• ?NG D?NG T? M?T S? TÍNH CH?T C?A MÀNG TiN
• 1. Màng ph?n x? trong h? màng da l?p
• 2. Màng TiN trên d?ng c? c?t g?t

3
Luu l?i thông tin c?n thi?t
Ð?a ch? b?n dã t?i http//mientayvn.com/Cao20hoc
20quang20dien20tu/Semina20tren20lop/seminar.h
tml
Noi b?n có th? th?o lu?n http//myyagy.com/mienta
y/
D?ch tài li?u tr?c tuy?n mi?n phí http//mientayv
n.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html
D? án d?ch h?c li?u m? http//mientayvn.com/OCW/M
IT/Co.html
Liên h? v?i ngu?i qu?n lí trang web Yahoo
thanhlam1910_2006_at_yahoo.com Gmail
frbwrthes_at_gmail.com
4
(No Transcript)
5
I. GI?I THI?U MÀNG TiN

• M?t s? tính ch?t c?a màng TiN
• Màng TiN là v?t li?u có màu c?a kim l?ai vàng, d?
  c?ng cao (21 - 24 GPa)
• Ch?u nhi?t cao (nhi?t nóng ch?y là 29500C)
• Ch?ng an mòn cao, oxy hóa ch?m (b?t d?u oxy hóa ?
  8000C) và có di?n tr? su?t khá nh? (20 - 30µO.cm)
  
• Ð? ph?n x? cao trong vùng h?ng ngo?i, chi?t su?t
  th?p và h? s? t?t cao

6
C?u trúc tinh th? c?a TiN

• Có c?u trúc c?a mu?i an (NaCl)
• Ti l?p d?y nh?ng v? trí trong m?ng l?p phuong tâm
  m?t (fcc)
• N l?p d?y v? trí bát di?n

7
II. CÁC PHUONG PHÁP XÁC Ð?NH TÍNH CH?T C?A MÀNG

• 1. Xác d?nh thông s? quang h?c
• 1.1. Phuong pháp ph? truy?n qua
• - Xác d?nh du?c các thông s? quang h?c c?a màng
  m?ng (d? dày, chi?t su?t, h? s? h?p th?, h? s?
  t?t) ti?n hành xác d?nh ph? truy?n qua c?a màng.
  T? các thông s? c?a ph? truy?n qua thu du?c và
  b?ng pp tính toán ta s? xác d?nh du?c các thông
  s? quang h?c c?a màng.
• - S? d?ng máy quang ph? truy?n qua Hewlett
  Packard

8
1.2. Phuong pháp Ellipsometry
9
Chi?t su?t n, h? s? t?t k c?a TiN thay d?i theo
bu?c sóng.
10
2. Phuong pháp xác d?nh c?u trúc màng

• 2.1. Phuong pháp nhi?u x? tia X

Công th?c Sherrer
11
2.2. Phuong pháp Stylus
12
2.3. Phép do hi?u ?ng Hall
? tr?ng thái cân b?ng
Ta có
13
2.4. Phuong pháp s? d?ng ph?n m?m kh?p ph? Scout

• M?c dích Xd d? dày, chi?t su?t, d? r?ng vùng
  c?m, di?n tr? su?t, n?ng d? h?t t?i và d? linh
  d?ng.
• Nguyên t?c - Khai báo các d? li?u
• - Xd lo?i ph? c?n kh?p, v? ph? lý thuy?t c?a nó
  d?a trên các ths? dã khai báo
• - Ch?n các ths? mu?n kh?p sao cho ph? lí thuy?t
  trùng v?i ph? th?c nghi?m nh?t.
• - Thay d?i d?n các ths? d? k?t qu? kh?p là t?t
  nh?t. T? dó ta xd du?c các ths? c?a màng.

14
II. CÁC PHUONG PHÁP XÁC Ð?NH TÍNH CH?T C?A MÀNG

• 3. Xác d?nh di?n tr? su?t
• 3.1. Phuong pháp do di?n tr? vuông

15
3.2. Phuong pháp do b?n mui dò
V?i
G S? hi?u ch?nh (tùy thu?c vào hình d?ng và
kích thu?c c?a m?u)
16
III. ?NG D?NG

• TiN du?c ?ng d?ng trong nh?ng linh v?c sau
• Màng ph?n x? h?ng ngo?i trong h? màng da l?p.
• Màng c?ng ph? trên nh?ng d?ng c? c?t g?t, khoan,
  cua, nghi?n
• Màng ch?ng an mòn.
• Hàng rào khuy?ch tán trong vi m?ch và công ngh?
  IC
• Trang trí trên kim lo?i, oxit kim lo?i

17
1. Màng ph?n x? trong h? màng da l?p

• 1.1. Gi?i thi?u
• 1.2. Th?c nghi?m và k?t qu?
• 1.2.1.Tính ch?t di?n
• 1.2.2.Tính ch?t quang
• 1.3. K?t lu?n

18
1.1. Gi?i thi?u

• Màng guong nóng truy?n qua
• Màng có d? truy?n qua cao ? vùng kh? ki?n (bu?c
  sóng 380nm ? 760nm) và ph?n x? cao ? vùng
  h?ng ngo?i ( ? 760nm).
• M?c dích Ti?t ki?m di?n nang tiêu th? t? lò su?i
  (vùng khí h?u l?nh) và t? máy l?nh (vùng khí h?u
  nóng) là v?n d? dang du?c quan tâm nhi?u hi?n nay

19
Ba hu?ng t?o màng guong nóng truy?n qua

• Màng d?n di?n nhu B?c, vàng và d?ng..(màng kim
  lo?i thu?ng không b?n v? nhi?t, co và hóa h?c)
• Màng bán d?n có d? ph?n x? cao ? vùng h?ng ng?ai
  nhu MgO, ZnO, NiO, SiO..(Màng bán d?n ph?n x?
  cao ? vùng bu?c sóng ?gt 2000nm)
• Màng da l?p di?n môi- kim lo?i -di?n môi
  SiO2/Al/SiO2, Al2O3/Mo/Al2O3, TiO2/Ag/TiO2,
  Al2O3/Cu/Al2O3

20
Màng da l?p TiO2/TiN/TiO2

• Màng da l?p có kh? nang kh?c ph?c du?c nhu?c di?m
  c?a màng bán d?n pha t?p là có vùng bu?c sóng
  ph?n x? r?ng ?gt 760 nm nhung b?n hon màng kim
  lo?i v? co, nhi?t và hóa h?c.
• TiO2 có chi?t su?t cao nên kh? ph?n x? t?t và nó
  là màng có d? b?n co h?c cao
• TiN có d? b?n co h?c, hóa h?c l?n nhi?t h?c r?t
  cao

21
1.2. Th?c nghi?m và k?t qu?

• Phuong pháp phún x? ph?n ?ng Magnetron DC
• H? chân không có áp su?t t?i h?n 10-4 torr
• Bia Titanium, d? tinh khi?t 99.6, kích thu?c bia
  100x100x6(mm).
• Khí làm vi?c Argon (99.99) và khí ho?t tính Nito
  (99.99),t? l? khí N2 so v?i Ar thay d?i t? 5 t?
  15.
• H? Magnatron có kích thu?c 119x119x51(mm), t?
  tru?ng do nam châm vinh c?u Ferit (350 Gauss)

22
Phún x? ph?n ?ng Magnetron DC
23
Lý do ch?n pp Phún x?

• C?n ch? t?o màng TiN có chi?t su?t th?p, h? s?
  t?t k l?n ? màng có di?n tr? su?t th?p hay d?
  ph?n x? cao ? vùng h?ng ng?ai. Do dó, màng TiN
  ph?i có c?u trúc d?c, t?c là m?t d? kh?i l?n ?
  c?n ph?i t?o màng theo co ch? nhi?t d?ng h?c và
  d?ng h?c.
• Gi?m di?n tr? su?t c?a màng ch? y?u áp d?ng co
  ch? d?ng h?c ? tang cu?ng m?t d? ion nang lu?ng
  cao d?n màng ? s? d?ng h? magnetron g?n cân b?ng
• Ch? s? d?ng m?t lo?i bia nguyên li?u là TiN (Ngay
  c? khi t?o màng da l?p TiO2/TiN/TiO2)

24
H? magnetron cân b?ng
H? magnetron không cân b?ng
(hu?ng vô)
Ði?n tru?ng
T? tru?ng khép kín
Các e ch?u tác d?ng c?a t? tru?ng ngang
T? tru?ng không khép kín
Các e ít ch?u tác d?ng c?a t? tru?ng ngang
e ch? y?u chuy?n d?ng g?n bia
Ð? ít b? e va d?p
e theo di?n tru?ng d?n d? v?i v l?n
Ð? b? nhi?u e va d?p m?nh
Thích h?p t?o màng cho các lo?i d? không
ch?u du?c T0 cao nh?a, gi?y,
Thích h?p t?o các màng yêu c?u T0 cao
Ð? ít b? d?t nóng
Ð? b? d?t nóng
25
1.2. Th?c nghi?m và k?t qu?

• Quá trình t?o màng v?i áp su?t 3.10-3 torr d?n
  6.10-3 torr,
• Th? phún x? thay d?i t? 350 V d?n 650 V,
• B? dày màng du?c xác d?nh b?ng phuong pháp
  Stylus.
• Ði?n tr? m?t c?a màng du?c xác d?nh b?ng phuong
  pháp b?n mui dò.
• C?u trúc tinh th? và kích thu?c h?t c?a màng xác
  d?nh t? ph? nhi?u x? tia X. Chi?t su?t n và h? s?
  t?t k xác d?nh b?ng pp Ellipsometry

26
1.2.1.Tính ch?t di?n

• Kh?o sát ?nh hu?ng c?a th? phún x? theo t? l? khí
  Nito và Argon

27
Kh?o sát ?nh hu?ng c?a th? phún x? theo t? l? khí
Nito và Argon

• Ði?n tr? su?t gi?m theo th? phún x?, là do s?
  truy?n xung lu?ng gi?a ion và nguyên t? Titan
  tang, làm tang d? linh d?ng c?a nguyên t? h?p th?
  Titan trên b? m?t, d?n d?n ph?n ?ng gi?a Titan và
  Nito tang cho màng h?p th?c t?t
• K?t qu? cho th?y v?i t? l? c?a Nito và Ar là 10
  thì th? phún x? ngu?ng là 550 V, khi dó màng có
  di?n tr? su?t th?p nh?t

28
Ph? nhi?u x? c?a các màng TiN du?c t?o theo th?
phún x? khác nhau và các thông s? t? l? N2/Ar là
10 áp su?t làm vi?c p3mtorr
29
Kh?o sát ?nh hu?ng c?a th? phún x? theo t? l? khí
Nito và Argon

• Khi tang th? phún x? d?t d?n giá tr? ngu?ng, co
  ch? trung hòa Auger x?y ra có nghia là di?n t?
  d?n di?n th? nh?t t? Ti chuy?n qua tr?ng thái co
  b?n c?a ion N2 b?ng hi?u ?ng du?ng h?m, trung hòa
  nó và d?ng th?i trao nang lu?ng th?a cho di?n t?
  th? hai trong vùng d?n di?n, kích thích nó lên
  mi?n nang lu?ng liên t?c.
• V?y, khi tang th? phún x?, Nguyên t? trung hòa N2
  gi?i phóng t? b? m?t bia Ti và du?c c?p nang
  lu?ng c? th? áp vào bia

30
Kh?o sát s? ?nh hu?ng c?a di?n tr? su?t theo
kho?ng cách bia d?
31
Ph? nhi?u x? c?a màng TiN du?c t?o v?i các thông
s? Up550V t? l? N2/Ar là 10 p3mtorr,
2000C. kho?ng cách bia và d? thay du?c h3,5cm
h4,5cm h5,5cm
32
Kh?o sát s? ?nh hu?ng c?a di?n tr? su?t theo
nhi?t d?

• S? ?nh hu?ng c?a di?n tr? su?t theo nhi?t d? d?

33
Ph? nhi?u x? c?a các TiN v?i các thông s? Up550
V t? l? N2/Ar là 10 p 3mtorr kho?ng cách
bia d? là h4,5 cm nhi?t d? thay d?i t? 2000C
d?n 4000C
34
Kh?o sát s? ?nh hu?ng di?n tr? su?t theo áp su?t
phún x?
35
Ph? nhi?u x? c?a các màng TiN du?c t?o theo áp
su?t phún x? và các thông s? Up 550 V t? l?
N2/Ar là 10,kh?ang cách bia d? h 4,5cm nhi?t
d? 2000C
36
1.2.2.Tính ch?t quang

• Chi?t su?t n và h? s? t?t k c?a màng m?ng TiN

Chi?t su?t n và h? s? t?t k c?a m?u L1 theo bu?c
sóng
37
Chi?t su?t n và h? s? t?t k c?a màng m?ng TiN

• T? công th?c th?c nghi?m
• Rs là di?n tr? m?t c?a màng
• ?khi màng có Rs nh? thì h? s? ph?n x? R l?n

38
Ph? ph?n x? c?a m?u L1 theo bu?c sóng
39
Ph? ph?n x? c?a m?u L4 theo bu?c sóng
40
1.3. K?T LU?N

• Màng TiN t?o du?c có c?u trúc tinh th? cao, t?n
  t?i d? các m?t m?ng (111), (200) và (311).
• Màng có di?n tr? su?t th?p ?35µO.cm ?ng v?i các
  thông s? t?o màng t?i uu Th? phún x? ngu?ng
  Up550V, t? l? N2/Ar 10, kho?ng cách gi?a bia
  d? h 4,5cm, áp su?t phún x? tòan ph?n P
  3.10-3 torr, nhi?t d? d? 2000C.
• Chi?t su?t và h? s? t?t c?a màng ? bu?c sóng
  550nm là 1,14 và 2,13.

41
Lieân heä giöõa tính chaát quang vaø ñieän
Theo lý thuy?t Drude
và
42
Lieân heä giöõa tính chaát quang vaø ñieän
- t?n s? c?ng hu?ng plasma
- h?ng s? di?n môi trong môi tru?ng và chân không
- kh?i lu?ng hi?u d?ng c?a các h?t mang di?n
N
- m?t d? h?t mang di?n
- th?i gian h?i ph?c
43
Vùng h?p th?
hay ? ltlt ?
V?i
Hagen-Rubens
44
Ð?i v?i màng r?t m?ng
Hagen-Rubens
tr? kháng phông chính là tr? kháng c?a không gian
t? do
Do RS ltlt Z0
Màng có di?n tr? m?t nh? hay có d? d?n di?n t?t,
cho k?t qu? ph?n x? cao
45
Vùng ph?n x?
va
khi b? dày c?a màng l?n hon b? dày l?p da
thì h? s? ph?n x? s? là
Hê? sô pha?n xa? R lon, dô?c lâ?p voi buoc
song
46
Vùng truy?n qua
va
Tru?ng h?p này v?t li?u g?n nhu trong su?t
47
2. Màng TiN trên d?ng c? c?t g?t

• 2.1. Gi?i thi?u
• 2.2. Th?c nghi?m và k?t qu?.
• 2.3. K?t lu?n

48
2.1. Gi?i thi?u

• Nghiên c?u d? t?o các lo?i màng ph?c h?p
  (composite) có d? c?ng, d? ch?ng mài mòncao d?
  ph? lên các v?t li?u kh?i có th? giòn, d? gãy
  nhung r? ti?n d? tang hi?u qu? c?a s?n ph?m
• TiN d? c?ng c? 2300 HV (so v?i Kim cuong 10.000
  HV) ?ph? màng TiN lên v?t li?u b?ng thép thu?ng,
  thép v?n t?c cao (HSS) và tungsten carbide (WC)
  b?ng phuong pháp phún x? m? ion (SIP-Sputter Ion
  Plating)

49
2.1. Gi?i thi?u

• M?t s? lo?i mui khoan dã du?c ph? màng TiN
• V?t li?u b?ng thép thu?ng, thép v?n t?c cao (HSS)
  và tungsten carbide (WC)

50
Phuong pháp phún x? m? ion (SIP-Sputter Ion
Plating)

• Co ch? tuong t? phún x? Magnetron ph?ng. Tuy
  nhiên nó còn k?t h?p thêm m?t th? hi?u d?ch âm
  d?t lên d? ph? màng.
• Tác d?ng
• Th? âm áp vào d? thay d?i dòng và nang lu?ng c?a
  h?t phún x? (th? âm c? -5?-300V) làm gi?m s? b?n
  phá d? b?i ion ?tang m?t d? màng,màng ph?ng hon,
  tang d? bám dính..
• Th? âm áp lên d? d? d? gi?i h?p nh?ng lo?i khí
  h?p ph? trên d?, d?ng th?i làm tang nang lu?ng b?
  m?t d?, giúp tang cu?ng khuy?ch tán b? m?t c?a
  các nguyên t? bia.

51
2.2. Th?c nghi?m và k?t qu?

• H? s? d?ng là h? magnetron ph?ng

52
Phún x? m? ion (Ion Plating)
N2
Ti
TiN
Uu di?m không d?t nóng tr?c ti?p v?t li?u, không
gây ph?n ?ng gi?a ch?t bay hoi v?i thuy?n nung
nhu trong k? thu?t nhi?t b?c bay nên t?o màng h?p
kim khá d? dàng, ph?n ?ng du?c kích ho?t b?ng
plasma và th? nên nhi?t d? d? r?t th?p so v?i
phuong pháp CVD ph?i kích ho?t ph?n ?ng b?ng
nhi?t d?

53
Các thông s? t?i uu cho quá trình t?o màng

• Dòng phóng di?n Ia 0,8 ? 1,2A
• Áp su?t khí còn l?i 10-5 torr
• Áp su?t khí làm vi?c 10-3 ? 5.10-3torr
• Kho?ng gi?a bia và d? h 3 ? 5cm
• Th?i gian ph? màng 60 phút
• Th? d?ch c?a d? Vd -100V
• Th? c?a bia -480 ? -540V
• T? l? h?n h?p khí Nito và Argon ban d?u 1/8
• V?t li?u d? Thép thu?ng, WC (tungsten carbide),
  HSS (high speed steel)

54
Yêu c?u màng TiN

• 1. ?ng su?t
• ?ng su?t là l?c tác d?ng lên m?t don v? di?n tích
  c?a m?t c?t d?c có th? nguyên là l?c (N/m2 hay
  Pa). ?ng su?t ph? thu?c vào d?i lu?ng (?x/x). Do
  dó d?a vào d?ng ?ng su?t ta th?y
• ?ng su?t nén là âm, ?ng su?t cang là duong.
• ?ng su?t c?n thi?t cho màng m?ng ph? lên d?ng c?
  c?t g?t là ?ng su?t nén.

55
Yêu c?u màng TiN

• 2. Ð? c?ng
• Ð? c?ng là thu?c do s?c b?n c?a v?t li?u khi b?
  va ch?m hay b? tr?y xu?c
• Ð? c?ng b?n ch?t c?a màng TiN ph? thu?c vào áp
  su?t riêng ph?n c?a Nito trong quá trình t?o
  màng, vì trong các h?p th?c du?c t?o ra gi?a nito
  và titan thì TiN là h?p th?c có d? c?ng cao nh?t.
  

56
Ð? c?ng màng thay d?i theo nhi?t d?
57
Yêu c?u màng TiN

• 3. Ð? bám dính
• Là d?i lu?ng d?c trung cho kh? nang liên k?t gi?a
  các h?t v?t ch?t màng và d?. Ð? du?c d? bám dính
  cao c?n thõa mãn hai y?u t?
• ?ng su?t nén v?a d?
• Có l?p ti?p giáp gi?a hai môi tru?ng màng và d?
• Ð? d?t du?c di?u dó tru?c tiên b? m?t c?a d? c?n
  du?c x? lý s?ch

58
2.3. K?t lu?n

• Thí nghi?m d?t du?c k?t qu? t?t v?i nh?ng v?t
  li?u sau
• M? TiN trên d? thép thu?ng (c?a Ð?c và Liên Xô)
• M? TiN trên d? WC
• M? TiN trên d? HSS
• Kh? nang s? d?ng tang lên g?p 10 l?n

59
CAÛM ÔN THAÀY VAØ CAÙC BAÏN !!