1

A. Những đặc điểm của luận án
1. Tính cấp thiết của đề tài: Bay hơi nhiệt trong chân không là
công nghệ đ và đang đợc sử dụng rộng ri trong chế tạo màng
mỏng quang học. Tuy nhiên công nghệ này không thể giải quyết
đợc nhiều yêu cầu cao về chất lợng màng mỏng quang học nh:
Màng mỏng có độ ổn định thông số quang học cao trớc sự thăng
giáng của nhiệt độ và/hoặc độ ẩm; Màng mỏng có độ bám dính cao
giữa màng-đế, khả năng chống mài mòn tốt, khả năng chịu tác động
ăn mòn hoá học; Màng mỏng quang học chất lợng cao trên các loại
vật liệu plastic quang học hay kính mắt plastic; Màng mỏng có giá trị
ứng suất trong giới hạn mong muốn Để đáp ứng đòi hỏi thực tế
này, phơng pháp Bay hơi có trợ giúp của chùm ion (phơng pháp
IAD- Ion Assisted Deposition) đ ra đời. Phơng pháp IAD đ đợc
phát triển và áp dụng thành công ở các nớc công nghiệp hàng đầu
trong khoảng hơn mời năm trở lại đây.
Đặc điểm khí hậu nóng ẩm của Việt nam ảnh hởng rất lớn tới
tính năng và độ bền của các lớp màng mỏng quang học. Nghiên cứu
áp dụng công nghệ IAD nâng cao chất lợng màng mỏng quang học,
vì vậy có ý nghĩa hết sức thiết thực.
2. Mục đích của luận án: Xây dựng một thiết bị thử nghiệm
công nghệ IAD. Nghiên cứu áp dụng công nghệ IAD nâng cao chất
lợng quang học của màng mỏng thông qua hai loại vật liệu màng
mỏng TiO
2
và SiO
2
.
3. Phơng pháp nghiên cứu. Luận án này đợc tiến hành bằng

.
Đ xây dựng hàm toán học mô tả quan hệ giữa thông số công
nghệ IAD với thông số chiết suất của màng mỏng TiO
2
và SiO
2
.
Đ phát triển một phơng pháp mới nâng cao độ chính xác chế
tạo màng mỏng SiO
2
bằng công nghệ IAD từ vật liệu Si và SiO
Đ áp dụng thành công công nghệ IAD để chế tạo một số màng
mỏng quang học chất lợng cao nh: kính lọc đơn sắc, gơng
phản xạ mặt trớc.
5. Bố cục của luận án: Luận án đợc trình bày trong 4 chơng,
121 trang, bao gồm 64 hình vẽ và đồ thị, 30 bảng số liệu. Các nội
dung đợc trình bày theo trình tự sau:
Mở đầu

3

Chơng 1. Chất lợng màng mỏng quang học và phơng pháp
bay hơi có trợ giúp của chùm ion.
Chơng 2. Xây dựng thiết bị nghiên cứu phơng pháp IAD.
Chơng 3. Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO
2
và SiO
2
bằng
công nghệ IAD.

r
đợc biểu
diễn dới dạng số phức: N
r
=n
r
+j.k
r
với n
r
-chiết suất, k
r
-hệ số hấp
thụ của màng
d
r
chiều dày của lớp màng thứ r
(
)












B


(
1.1
)4

là bớc sóng ánh sáng

r
= N
r
cos
r
đối với sóng TE,
r
= N
r
/cos
r
đối với sóng TM

n+1
là chiết suất tơng đơng của đế
Giải phơng trình (1.1), ta xác định đợc ma trận tích



r
) của từng lớp màng trong hệ màng có giá trị chính xác và ổn định.
1.2. Vi cấu trúc của màng mỏng và ảnh hởng của nó đến chiết suất
Các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử cho thấy vật liệu màng
mỏng quang học có dạng cấu trúc cột với các khe hở xen kẽ ở giữa
khi đợc chế tạo bằng phơng pháp bay hơi nhiệt thông thờng. Hơi
ẩm của khí quyển hấp thụ vào các khe hở này sẽ làm thay đổi chiết
suất tổng thể của màng mỏng. Chiều dày quang học của màng mỏng,
là tích số giữa chiều dày vật lí và chiết suất, do vậy bị biến đổi theo
(1.2)

Y
Y
r
+

=
0
0













điều kiện môi trờng. Thông số mật độ xếp chặt đợc sử dụng để
đánh giá khía cạnh này của màng mỏng. Mật độ xếp chặt p đợc
định nghĩa bằng biểu thức (1.4):
ảnh hởng của vi cấu trúc cột tới chiết suất của màng mỏng đợc
biểu diễn bằng biểu thức
Kinosita-Nishibori (1.5)

trong đó: p là mật độ xếp chặt của màng mỏng
n
f
là chiết suất tổng cộng của màng mỏng
n
v
là chiết suất của phần rỗng bao quanh cột
n
s
là chiết suất của phần vật liệu rắn của màng mỏng
Một đặc điểm rất quan trọng của vi cấu trúc màng mỏng là trạng
thái tinh thể của nó. Nhiều vật liệu màng mỏng quang học không chỉ
ngng kết dới dạng vô định hình mà còn dới dạng tinh thể với
nhiều dạng pha khác nhau. Các pha này có chiết suất khác nhau, vì
vậy chiết suất của màng mỏng có thể biến đổi khá lớn tuỳ thuộc vào
vi cấu trúc tinh thể cụ thể. Ví dụ, màng mỏng TiO
2
có chiết suất có
thể biến đổi trong khoảng từ 2,1ữ2,6 tuỳ thuộc vào vi cấu trúc tinh

6

tạo màng. Mô hình đề xuất: cấu trúc của màng mỏng chia ra làm 3
vùng: Vùng I (ứng với T/T
m
<0.25-0.3) gồm các cột dạng búp măng
có chóp nhọn với các khe hở xen kẽ; VùngII (ứng với 0.25-
0.3<T/T
m
<0.45) gồm các hạt dạng cột có bề mặt mịn hơn; Vùng III
(ứng với T/T
m
>0.45) tạo thành từ các hạt tinh thể đẳng hớng dạng đa
giác. Mô hình Thornton bổ sung thêm một thông số là áp suất khí đối
với quá trình lắng đọng màng bằng phơng pháp phún xạ.
1.4. Phơng pháp chế tạo màng mỏng quang học
1.4.1. Phơng pháp bay hơi nhiệt trong chân không
Quá trình bay hơi thực hiện trong buồng chân không với áp suất
khí khoảng 10
-5
đến 10
-6
Torr. Vật liệu tạo màng đợc nung nóng
(bằng dẫn nhiệt, bằng bức xạ nhiệt hoặc bằng bắn chùm tia điện tử
năng lợng cao) tới nhiệt độ hoá hơi. Hơi vật liệu bay lên sẽ lắng
đọng trên bề mặt của linh kiện quang đặt trong buồng chân không.
1.4.2. Phơng pháp phún xạ (Sputtering)
Bề mặt vật liệu tạo màng (đợc gọi là bia) đợc bắn phá bằng các
ion khí trơ (argon, neon, ) hoặc các ion và nguyên tử khác. Sự va
chạm giữa các ion với bề mặt bia làm bật (phún xạ) nguyên tử vật

không kết hợp đồng thời với bắn phá màng mỏng bằng các ion khí
phát ra từ nguồn ion. Phơng pháp IAD dựa trên cơ sở của quá trình
làm biến đổi cấu trúc màng mỏng bằng bắn phá ion. Khi ion với năng
lợng vài trăm eV bắn vào bề mặt của màng tơng đối xốp, nó có thể
xuyên sâu vào vật liệu tới chiều sâu khoảng vài lớp nguyên tử. Va
chạm trên đờng di chuyển của ion có thể tạo ra các phonon, tạo các
chỗ khuyết trong màng, làm phún xạ các nguyên tử hay kích thích
các điện tử. Các ion có thể bị bật ngợc trở lại hay kết hợp vào màng,
trong khi đó các nguyên tử bị bắn trúng có thể bật ra khỏi màng
mỏng (bị phún xạ) hay bị đẩy sâu hơn vào trong lớp màng, tại đó
chúng bị nằm kẹt lại tại các khoảng rỗng. Các chỗ khuyết gần bề mặt

8

màng mỏng, hình thành do sự bắn phá bởi ion, sẽ đợc điền đầy một
phần bởi các nguyên tử mới lắng đọng từ pha hơi. Nếu số lợng ion
bắn phá đủ lớn so với số nguyên tử lắng đọng thì cơ chế này sẽ khiến
các nguyên tử vật liệu đợc xếp lèn chặt tới mức cấu trúc cột rỗng
không thể phát triển đợc nữa.
Hiệu quả của phơng pháp IAD đối với việc tăng cờng mật độ
xếp chặt của màng mỏng phụ thuộc vào 2 yếu tố:
Tỉ số giữa số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng
Năng lợng của ion bắn phá
1.5.2. Thiết bị chế tạo màng mỏng bằng phơng pháp IAD
Trong buồng chân không với áp suất khí khoảng 10
-4
-10
-5
Torr, vật
liệu tạo màng đợc bay hơi từ nguồn bốc hơi nhiệt điện trở hoặc

chi phí cho vận hành thấp; cho chùm ion có năng lợng thấp và mật
độ dòng ion lớn; Có thể hoạt động trong thời gian dài với các loại khí
tích cực nh oxy, nitơ và khí trơ.
Các thơng hiệu nổi tiếng với nguồn ion loại này là CC-105 của
công ty Denton Vacuum Inc, và Mark II của công ty CVC Corp.

10

Chơng 2.
Xây dựng thiết bị nghiên cứu phơng pháp IAD

2.1. Thiết bị IAD thử nghiệm.
Thiết bị thử nghiệm gồm các khối nh trên hình 1.9. Việc lựa
chọn các khối căn cứ vào phân tích thông số kĩ thuật và tính toán sự
tơng tác giữa các thành phần. Các yêu cầu đợc tóm tắt nh sau:
Hệ thống chân không phải đảm bảo: áp suất tối thiểu 5.10
-5
Torr;
Có tốc độ bơm chân không phù hợp với lu lợng khí cần thiết
cấp cho nguồn ion; Kích thớc buồng chân không phù hợp với
công suất nguồn ion để đảm bảo mật độ dòng ion cần thiết trên
mặt phẳng đế.
Sử dụng nguồn bốc hơi chùm tia điện tử để có thể bay hơi các
loại vật liệu khó nóng chảy với tốc độ bay hơi ổn định.
Thiết bị đo chiều dày màng mỏng kiểu thạch anh dao động cho
phép đo chiều dày màng mỏng chính xác 1nm và khống chế ổn
định tốc độ lắng đọng màng tới 0.1A

Tốc độ hút của hệ bơm chân không B-55: 3000lít/giây.
Nguồn ion CC-105 hoạt động với khí oxy.
Lu lợng khí đợc điều chỉnh tăng dần theo các mức 5sccm,
10sccm, 15sccm, và 20sccm. Tại mỗi mức lu lợng khí, dòng
điện Cathode (sợi đốt trung hoà) đợc đặt ở các mức tăng dần
18A, 19A, 19,5A và 20A. Tại mỗi mức dòng điện Cathode, dòng
điện Anode đợc điều khiển tăng dần. Giá trị dòng điện và điện
áp Anode đợc ghi lại để xây dựng biểu đồ điện áp-dòng điện.
Các số liệu đo đợc sử dụng để xây dựng 2 họ biểu đồ: quan hệ
điện áp-dòng điện anode với các mức lu lợng khí khác nhau(hình
2.10d), và quan hệ điện áp-dòng điện anode với các mức dòng điện
sợi đốt khác nhau (hình 2.9c). 12

200
250
300
§iÖn ¸p (V)
Dßng ®iÖn (A)
10 sccm
15 sccm
20 sccm

13

Căn cứ vào các biểu đồ rút ra những kết luận quan trọng sau:
Khoảng giá trị thông số điều khiển nguồn ion: Lu lợng khí
8ữ15sccm; Dòng điện sợi đốt cố định tại 20A; Dòng điện anode
0ữ2A.
Lu lợng khí ảnh hởng trực tiếp tới độ dốc của đờng đặc
tuyến điện áp-dòng điện, qua đó tác động đến điện áp anode khi
duy trì dòng điện anode cố định. Có thể sử dụng thông số lu
lợng khí để điều khiển năng lợng trung bình của chùm ion
(năng lợng trung bình của chùm ion là 0,4ữ0,6 lần điện áp
anode).
2.3. Khảo sát mật độ dòng ion.
Tỉ lệ số ion bắn phá/số nguyên tử lắng đọng là một trong hai tham
số có ảnh hởng quyết định đến tính chất màng mỏng lắng đọng
bằng quá trình IAD. Tỉ lệ này phụ thuộc vào số ion bắn phá, hay mật
độ dòng ion-là giá trị dòng điện ion đo trên một đơn vị diện tích tại vị
trí đặt đế. Mật độ dòng ion j
I
(thờng đợc đo bằng đơn vị àA/cm
2

lợng khí cố định). Vì vậy ta có thể sử dụng giá trị dòng điện
anode làm tham số điều khiển mật độ dòng ion bắn phá trong quá
trình IAD.
0 5 10 15 20 25
0
40
80
120
160
200
240
280
àMật độ dòng ion ( /cm
2
)
Vị trí (cm)
20sccm
15sccm
12sccm
10sccm
5sccm
Hì
nh 2.
1
4
a
. Phân bố mật độ dòng ion tại mặt phẳng đế
cách nguồn ion 25cm, dòng anode 1.0A

15

2
và
SiO
2
bằng phơng pháp IAD
3.1. Màng mỏng quang học TiO
2
và SiO
2

Theo Lí thuyết thiết kế màng mỏng quang học, với một cặp hai
vật liệu có chiết suất cao và chiết suất thấp ta có thể thiết kế chế tạo
hầu hết các hệ màng mỏng với đặc trng phổ quang học mong muốn.
Hình 2.
1
9
.
Kết quả khảo sát độ ổn định nhiệt độ của màng
mỏng TiO
2
lắng đọng bằng phơng pháp IAD: (a)-
phổ đo trớc khi gia nhiệt; (b)- phổ đo sau khi gia
nhiệt 150
0
C, độ dịch phổ là 2nm.

17

Trong vùng phổ ánh sáng nhìn thấy tới hồng ngoại gần, cặp vật liệu
TiO

nhiệt độ phòng)

Lắng đọng
bằng bay hơi
nhiệt (đế ở
nhiệt độ 300
0
C)

Lắng đọng
bằng phơng
pháp IAD
Màng mỏng TiO
2

Chiết suất

2,13 2,43 2,59
Độ dịch
phổ
~20nm ~12nm ~1nm
Hệ số hấp
thụ k
0,001 0,001 0,001
Màng mỏng SiO
2

Chiết suất 1,46 1,49 1,46ữ1,53
Độ dịch
phổ

để nghiên cứu nâng cao chất lợng màng mỏng TiO
2
và SiO
2
. Chiết
suất của màng mỏng có thể xác định chính xác, và thuận tiện bằng
phơng pháp xử lí kết quả đo phổ truyền qua của màng mỏng nhờ
phần mềm Spektrum. Bảng 3.5 liệt kê giá trị các thông số của màng
mỏng TiO
2
và SiO
2
lắng đọng bằng phơng pháp IAD và phơng
pháp bay hơi nhiệt trong chân không với các nhiệt độ đế khác nhau.

3.2. Xác định thông số công nghệ của quá trình IAD.
Có 6 nhóm yếu tố ảnh hởng tới giá trị chiết suất (kết quả đầu ra):
môi trờng, thiết bị, con ngời, vật liệu, đo lờng, thông số công tác.
ảnh hởng của các yếu tố đợc phân tích để chọn ra các yếu tố cơ
bản, đồng thời cố định các yếu tố thứ yếu. Các yếu tố cơ bản đợc sử
dụng làm thông số công nghệ của quá trình IAD.
Kết quả nghiên cứu ở Chơng 1 đ chỉ ra rằng mật độ xếp chặt
của màng mỏng lắng đọng bằng quá trình IAD phụ thuộc vào 2 thông
số: năng lợng của ion và tỉ số số ion bắn phá/số nguyên tử lắng
đọng. Điều khiển quá trình IAD cần phải tác động tới hai thông số
này. Các thông số công nghệ đợc chúng tôi sử dụng để tác động tới
2 thông số nêu trên là:
Dòng điện anode của nguồn ion.
Lu lợng khí oxy cấp cho nguồn ion.
Tốc độ lắng đọng màng.

nghiệm. Quy hoạch thực nghiệm cho phép tìm ra kết quả tối u với
số lợng thí nghiệm phải tiến hành là ít nhất. Trong luận án này,
chúng tôi đ sử dụng phần mềm qui hoạch thực nghiệm Design
Expert để nghiên cứu tối u hoá thông số công nghệ IAD chế tạo
màng mỏng TiO
2
và SiO
2
. Design Expert là phần mềm quy hoạch
thực nghiệm của công ty Stat-Ease,. Inc, Mỹ.
Qui hoạch kiểu Box-Behnken đợc chúng tôi sử dụng để nghiên
cứu ảnh hởng của 3 thông số công nghệ quá trình IAD tới chiết suất
màng mỏng. Bảng qui hoạch thực nghiệm đợc lập ra nhờ Design
Expert căn cứ vào các lựa chọn sau:
Kiểu qui hoạch: Box-Behnken.
Yếu tố đầu vào: A-tốc độ lắng đọng màng; B-lu lợng khí cấp
cho nguồn ion; C- dòng điện anode.

20

Khoảng biến thiên của các yếu tố A, B, C (giá trị cực đại, giá trị
cực tiểu): theo số liệu của bảng 3.2
Kết quả đầu ra: chiết suất.
Có 15 mẫu màng mỏng TiO
2
và SiO
2
đ đợc chế tạo bằng phơng
pháp IAD với các thông số công nghệ theo bảng qui hoạch thực
nghiệm. Xử lí số liệu thực nghiệm bằng phần mềm Design Expert đ

X
2
là lu lợng khí cấp cho nguồn ion[sccm]
X
3
là dòng điện anode nguồn ion CC-105 [A]
B/ Giá trị tối u chiết suất màng mỏng TiO
2
và SiO
2
thể hiện trong
các bảng 3.9 và bảng 3.11
Bảng 3.9. Kết quả tối u giá trị chiết suất màng mỏng TiO
2

Giá trị
chiết suất
mong
muốn
Lu
lợng khí
[sccm]
Dòng
điện
anode
[A]
Tốc độ
lắng đọng
[nm/giây]


Dòng
điện
anode
[A]
Tốc độ
lắng đọng
[nm/giây]

Giá trị
chiết suất
theo tính
toán
Giá trị
chiết suất
thực tế
nhận đợc
Cực đại

8,12 1,29 0,98 1,52 1,52
1.48 8,7 0,5 0,72 1,48 1,48
Cực tiểu

14,3 0,5 0,84 1,45 1,44
Trên cơ sở các hàm hồi qui đợc thiết lập, đ xác định bộ thông số
công nghệ tối u của quá trình IAD để nhận đợc các màng mỏng
với chiết suất cực đại: n=2.58 với màng TiO
2
và n=1.52 với màng
SiO
2

C, đ nhận
đợc màng mỏng SiO
2
có tính chất quang học lặp lại. Cần phải
nghiên cứu tối u hoá nhằm nâng cao hơn nữa chiết suất của
màng mỏng.

Chơng 4. Một số kết quả ứng dụng phơng pháp IAD
4.1. Nghiên cứu nâng cao độ bền gơng nhôm phản xạ mặt trớc.
Để nâng cao độ bền của gơng nhôm, bề mặt phản xạ của gơng
đợc phủ lớp màng bảo vệ SiO
2
(dày 172nm) chế tạo bằng phơng
pháp IAD và phơng pháp bay hơi nhiệt thông thờng. Các phép thử
độ bền cho thấy màng SiO
2
chế tạo bằng phơng pháp IAD có độ bền
vợt trội: Độ bền hoá trong phép thử ăn mòn bằng dung dịch NaOH
0,2M tăng lên nhiều lần; Độ bền chịu mài mòn trong phép thử phun
cát tốt hơn nhiều so với gơng phủ bảo vệ bằng bay hơi nhiệt.
4.2. Nghiên cứu chế tạo kính lọc đơn sắc có độ ổn định phổ cao.
Kính lọc đơn sắc kiểu Fabry-Perrot 15 lớp màng đợc chế tạo từ
cặp vật liệu TiO
2
/SiO
2
bằng phơng pháp IAD và phơng pháp bay
hơi nhiệt. Với các thông số công nghệ IAD đ tối u, chất lợng
quang học của kính lọc chế tạo bằng phơng pháp IAD là rất tốt: Sai
lệch của phổ truyền qua nhỏ (~2nm) so với thiết kế; Độ dịch phổ theo

max
=1,52 với SiO
2
. Độ dịch
phổ theo nhiệt độ của hai màng mỏng có chiết suất cực đại này là
xấp xỉ 1-2nm.
Đ nghiên cứu chế tạo màng mỏng SiO
2
từ vật liệu Si bằng
phơng pháp bốc hơi có trợ giúp của ion oxy nhằm nâng cao độ
chính xác chiều dày màng. Màng mỏng SiO
2
nhận đợc bằng
phơng pháp IAD trên đế thuỷ tinh gia nhiệt ở 300
0
C có chiều
dày và chiết suất ổn định lặp lại với độ chính xác cao.
Đ sử dụng vật liệu màng mỏng TiO
2
và SiO
2
với chiết suất tối u
để chế tạo 2 hệ màng mỏng quang học chất lợng cao: kính lọc
đơn sắc, gơng Al phản xạ mặt trớc. Chất lợng quang học của
kính lọc đơn sắc đợc khẳng định qua: sai lệch rất nhỏ (2nm) so
với thiết kế của phổ truyền qua; độ dịch phổ rất nhỏ (<2nm) theo
nhiệt độ. Gơng Al có lớp bảo vệ SiO
2
chế tạo bằng IAD có độ
bền hoá học rất tốt: sau 4 giờ ngâm trong dung dịch NaOH 0,2M

SiO
2
film from Silicon. International Symposium on Optical
System Design 2005, Jena-Germany, 12-16/9/2005, Proceedings
SPIE vol 5963-67.
5. Phạm Hồng Tuấn, Trần Định Tờng, Nghiên cứu chuyển đổi
màng SiO thành màng SiO
2
bằng phơng pháp bốc hơi có trợ
giúp của chùm ion, Kỉ yếu Hội nghị khoa học lần thứ 20, Phân
ban cơ khí, Đại học Bách khoa Hà nội, 10/2006.