Plasma trong việc chế tạo màng mỏng

Trần Trí Năng

University of Minnesota & Ecosolar International

             Trong số này, chúng tôi  sẽ trình bày plasma -  trạng thái thứ tư của vật chất, sau thể rắn, lỏng và thể khí mà chúng tôi đã đề cập trong số trước. Trong trạng thái plasma, số lượng của ion mang điện dương và hạt electron mang điện âm bằng nhau trong một đơn vị thể tích nhất định. Chúng tôi cũng sẽ thảo luận cơ cấu của hiện tượng phóng điện phát sáng (glow discharge). Dạng này thuộc thể loại tự duy trì plasma ion hóa yếu và có thể phát ra ánh sáng  và rất thịnh hành trong các hệ thống chế tạo màng mỏng cho công nghệ vi mạch IC và non-IC chẳng hạn như ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma (plasma-enhanced chemical vapor deposition) , phún xạ catốt (sputtering), sóng viba cộng hưởng gia tốc điện tử (microwave ECR) , oxy hóa bằng plasma (plasma oxidation) và polymer hóa  bằng plasma (plasma polymerization).

Keywords: plasma, glow discharge, mean free path, breakdown voltage, avalanche, gas-electron, ionization potential, ionization potential, ionization-recombination process, excitation - relaxation process, Paschen curve.

I’m beginning to see the light

(trích từ bài hát của Ella Fitzgeral với ban nhạc Duke Ellington)

Cứ nhắc đến mưa là tôi nhớ đến những tia  nắng  mặt trời dịu dàng sau cơn mưa khi còn học bậc trung học ở thành phố cảng Qui Nhơn. Tôi còn  nhớ chiếc cầu vòng  đối diện với hướng mặt trời trên mặt biển. Tôi rất mê  những sắc màu trong chiếc cầu vòng này . Trông thật đẹp, thật rực rỡ và hiền dịu làm sao! . Cứ ngắm nghía hòai không chán . Tôi mãi mê nhìn   bảy sắc màu sáng chói : đỏ, cam, vàng, , xanh lá cây, xanh lam, chàm và tím. Đặc biệt là lớp cao nhất có màu đỏ rộn màu nắng lên.  Thiên nhiên bao la và huyền diệu quá với trăm màu vạn sắc!  Những chiều cuối tuần, tôi thường thích đi lang thang trên bãi biển nhặt những dấu chân và vài vạt nắng còn sót lại trong ngày, hoặc nhìn cầu vòng và thích  ánh sáng  rực rỡ tung tăng nhảy múa từ những bóng điện Neon khi phố lên đèn.  Có những đêm tôi đi dưới mưa , đếm  “mưa bay về rơi cùng sợi mềm*” trên đường Võ Tánh . Nhìn ánh đèn từ các tiệm ăn, tiệm rượu  mà cứ ngỡ là màu của chiếc cầu vòng đang bay lượn trước mắt tôi. Tôi yêu những màu sắc hoặc từ thiên nhiên như chiếc cầu vòng hoặc do con người tạo ra như đèn neon vì tất cả đều cho tôi  một cảm giác say mê, nhẹ nhàng  dễ chiu.  Tôi tìm ở đó sự an bình và niềm vui trong những tháng ngày sống  trong ”thành phố nhỏ nuôi mảnh  đời nho nhỏ” thân thương này. Tôi  vui buồn với những thăng trầm của con phố “ thành phố buồn.  Lòng tôi cũng buồn theo. Thành phố vui. Tôi nở trọn nụ cười. Thành phố giận. Tôi thấy mình lầm lỗi **” .
             Mọi chuyện cứ diễn tiến như thế cho đến khi tôi  lên lớp đệ tam , trong giờ khoa học, thầy T dạy chúng tôi về hiện tượng plasma và những màu sắc do các khí trơ như neon, argon, krypton tạo ra. Vì quá thích thú với đề tài này, nên chiều ngày hôm ấy, tôi đến gõ cửa nhà thầy T để học  hỏi thêm. Trong dịp này tôi cũng được biết thêm về cơ cấu  phát sáng và  các sắc màu khác nhau của bóng đèn Neon. Chẳng hạn như khí  neon cho màu đỏ, trong khi đó khí neon hợp với khí argon và thủy ngân,  tùy theo độ hỗn hợp,  cho màu xanh lợt, xanh đậm,  hay xanh lá cây lợt; và khí neon hợp với helium cho màu kim thuộc vàng (golden yellow) hay màu trắng . Rồi qua hai năm đệ nhị và đệ nhất vì bận rộn học thi cử tú tài 1 & 2 và vật lộn với  chuyện “cơm áo” trong cuộc sống hàng ngày, tôi không còn thì giờ để nghĩ đến câu chuyện “ những chiếc cầu vòng và đèn Neon” của tôi nữa . Bẵng đi một thời gian khá lâu, khi vào  năm thứ hai đại học về ngành điện tử ở Nhật, tôi bắt đầu quan tâm trở lại đến  ”những gì có liên quan đến ánh sáng” chẳng hạn như  bộ cảm nhận ánh sáng (sensors) ,  laser, pin mặt trời và  các chất phosphors . Rồi vào  đầu   năm thứ tư bậc đại học khoảng đầu thập niên 70’s , trước khi tốt nghiệp tôi được cơ hội vào phòng nghiên cứu về bán dẫn để làm luận văn tốt nghiệp.  Tôi được giao phó công tác  chế tạo màng mỏng nhôm, vàng  để khảo sát sự di động (migration) của chất này  trong tinh thể silic Schottky đi-ốt . Lần đầu tiên tôi được dùng máy phún xạ catốt  một chiều (DC sputtering)  để chế tạo màng  mỏng kim thuộc. Chiếc máy này trông rất thô sơ do nhóm tự lắp lấy : có vài bộ phận còn mới, còn lại hầu hết là những bộ phận  rất “xưa”. Vì là “lính mới” nên mấy đàn anh (sempai) giao cho tôi công việc thay dầu , bảo trì     máy bơm cơ khí (mechanical pump) ,  máy khuếch tán (diffusion pump)  và chạy máy . Có nhiều khi mặt mày tôi lem luốt như “bị bôi lọ nồi” , hôi hám với mùi  dầu vì phải vật lộn với những chiếc máy  cũ kỹ và “cứng đầu” này. Lúc đầu thì hơi nản, nhưng lần lần mấy chiếc máy  biết “nghe lời” nên thấy “cực mà vui”. Tôi còn nhớ lần đầu tiên tôi dùng argon và khi đặt  điện áp vào hai đầu điện cực thi tôi thấy tia sáng màu  tím phát ra  rất chói mắt . Thích qúa, tôi chạy ra ngòai như muốn chia xẻ điều mình mới tìm thấy với mọi người ; nhưng tôi cảm thấy chưng hửng khi không thấy ai tỏ vẻ gì ngạc nhiên vì có lẽ  tôi là người sau cùng thấy hiện tượng này.  “Sore wa atarimae sa (chuyện dĩ nhiên rồi!).  Với đầu óc tò mò, ngày hôm sau, chờ mọi người về hết, tôi thêm một ít khí nitrogen vào  argon, và tôi thấy màu tím từ từ đổi sang màu hồng. Thật rất là ngọan mục! Với những điều tôi học ở lớp quang học điện tử (optoelectronics)  , tôi mới hiểu đây là phát quang tự phát (spontaneous emission) của ions, molecules và atoms ở trạng thái kích thích “excited state” phóng ra tia sáng trong khi trở về trạng thái an định “ground state”. Tôi cũng học được hiện tượng này cũng tương tự với hiện tượng phát sáng  ở trong các  đèn neon mà chúng ta thường thấy hàng ngày.  Hiện tượng phát sáng này  được  gọi nôm na là phóng điện phát sáng (glow discharge) đóng một vai trò rất quan trọng và là “cốt lõi” của một số kỹ thuật  chế tạo màng mỏng dùng trong kỹ nghệ vi mạch  IC và non-IC. Rồi  dần dà theo thời gian , tôi “mạo hiểm” sâu hơn vào thế giới plasma . “I’m beginning to see the light” of my professional life!

Plasma là trạng thái thứ tư của vật thể

           Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất sau thể rắn, lỏng và  thể khí  tuy theo năng lượng (energy) tác động  vào  [1] . Hình 1 thể hiện sự liên hệ giữa bốn trạng thái này. Trong trạng thái plasma, số lượng của i-ôn  mang điện dương (positively charged particles) va hạt electron mang điện âm   (negatively charged  particles) bằng nhau trong một đơn vị thể tích nhất định. Số lượng lớn còn lại là  nguyên tử trung tính (neutral atoms). 

Hình 1: Các trạng thái khác nhau của vật chất [1]. Vật chất chuyển di từ thể rắn sang thể lỏng, thể khí và sau cùng đến thể plasma với sự gia tăng năng lượng.

    -  Thể rắn (solid state): Nguyên tử và phân tử hầu như ở vị trí rất cục bộ và ít di động trong cấu trúc tinh thể, mặc dù nguyên tử có chấn động với một mật độ dao động nhỏ. Có thể tích và hình thể rõ rệt.

    - Thể lỏng (liquid state): Khi năng lượng tăng lên, độ chấn động cũng tăng lên tới mức độ cấu trúc tinh thể  bị hủy hoại. Các nguyên tử bắt đầu di động nhiều hơn nhưng vẫn còn ở trong tầm kích của các nguyên tử láng giềng. Đây là trang thái dính (viscous state). Có thể tích nhất định nhưng thay đổi tùy theo hình thể của môi trường chứa.

    - Thể khí (gaseous state): Thêm nhiều năng lượng hơn nữa, độ dính (viscous) giảm; những thành phần cá nhân (individual constituents) của trạng thái lỏng bắt đầu được “tự do” và bắt đầu di động độc lập với nhau. Sẽ không có thể tích và hình thể nhất định nào cả.

    - Thể plasma (plasma state): Khi  năng lượng tăng lên rất cao, thành phần trung tính (neutralized components) bị  ion hóa. Một tập thể (ensemble) gồm hạt electron, ion và hạt trung tính được hình thành. 

    - Ngưng tụ Bose - Einstein (Bose-Einstein condensation). Trạng thái này xảy ra khi nhiệt độ hạ xuống tới mức cực thấp gần nhiệt độ tuyệt đối (0 K hay -273.15 C). Ở tình trạng này, các nguyên tử không còn di động được nữa. Chúng tôi sẽ  không thảo luận  trạng thái này  trong bài viết này và không đề cập đến trong hình 1.

Plasma là gì?

Phần lớn vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Phương pháp thông thường để tạo plasma là tác động nhiệt bằng cách nung nóng chất khí. Hiện tượng dùng nhiệt này thường được thấy trong thiên nhiên, chẳng hạn như các vì sao, tia điện, ngọn lửa và tia chớp. Ở nhiệt độ thông thường (27⁰C), số lượng hạt mang điện độc lập rất ít. Để có một số lượng hạt mang điện đủ lớn để tạo nhiệt plasma, cần phải có một nhiệt độ rất cao, khoảng từ 3.727⁰C đến 19.727⁰C tùy theo từng loại khí sử dụng. Điều này khó có thể thực hiện được cho việc chế tạo màng mỏng dùng trong các linh kiện bán dẫn, vì với nhiệt độ cao như vậy các phòng chứa plasma sẽ bị đốt cháy. Do đó, chúng ta phải dùng điện áp, điện trường và từ trường để tạo ion hóa plasma yếu (weakly ionized plasma). Trong phương pháp này, chỉ có hạt mang điện (charged particles) trong plasma mới đạt được năng lượng. Một khi năng lượng (energy) cần thiết đã đủ, hạt electron tự do có thể ion hóa nguyên tử khí để tạo ra plasma.

Loại plasma dùng trong công nghệ vi mạch IC và non-IC thường được gọi là glow discharge (phóng điện phát sáng). Dạng này thuộc thể loại tự duy trì plasma (a self-sustaining plasma)  với  ion hóa yếu (weakly –ionized plasma) và có thể phát ra ánh sáng. Hãy tưởng tượng khi chúng ta ném trái bóng từ một khoảng cách ngắn vào một ngôi nhà cao tầng, trái bóng sẽ đổi hướng nhưng không mất năng lượng và tòa nhà vẫn đứng im bất động vì khối lượng (mass) của tòa nhà quá lớn so với khối lượng của trái bóng; vả lại, tốc độ và động năng (kinetic energy) của trái bóng quá nhỏ. Trong trường hợp này, sẽ không có sự chuyển nhượng năng lượng (energy transfer). Hiện tượng này được gọi là xung đột đàn hồi (elastic collision). Nhưng khi trái bóng được ném từ một khoảng cách xa với gia tốc nhanh thì có thể đạt được một tốc độ lớn, lúc đó trái bóng sẽ xung đột với tòa nhà với một động năng lớn. Vì thế, sẽ có sự chuyển nhượng năng lượng và hiện tượng này được gọi là xung đột không đàn hồi (inelastic collision). Sự xung đột của các hạt electron - chất khí (gas - electron) cũng vậy. Cứ tưởng tượng trái bóng là hạt electron và tòa nhà là nguyên tử. Khối lượng (mass) của hạt electron quá nhỏ so với khối lượng của nguyên tử, nên hầu hết các xung đột giữa các hạt electron -chất khí thuộc về dạng đàn hồi. Vì thế để có xung đột không đàn hồi, hạt electron phải đi một khoảng cách xa với gia tốc và chiều dài di động   của hạt electron (electron path length) lớn hơn khoảng cách trung bình của sự di động  tự do (mean free path). Dưới ảnh hưởng của điện áp, hạt electron tự do sẽ có đủ động năng để ion hóa hay kích thích nguyên tử khí. Có nghĩa là khi một lượng đáng kể năng lượng được vận chuyển đến nguyên tử như trong quy trình xung đột không đàn hồi, nguyên tử bị ion hóa và hạt electron được kích thích và thoát ly ra khỏi nguyên tử. Sự xung đột này tạo nên trạng thái gọi là tác động ion hóa (hình 2a), cho ra một ion dương  và hai hạt electron. Hạt electron sau khi được tự do, với sự gia tăng điện trường sẽ tiếp tục gây ra sự xung đột tương tự cho ra nhiều hạt electron khác. Hiện tượng gia tăng với tính chất dây chuyền này được gọi là hiệu ứng tuyết lở (avalanche) và chúng sẽ dẫn đến hiện tượng “thủng” điện áp (breakdown voltage). Năng lượng tối thiểu cần thiết để dời hạt electron kết nối lỏng lẻo (weakly bound electrons) trong nguyên tử thoát ly ra khỏi nguyên tử được gọi là ion hóa điện thế (ionization potential). Hình ảnh này cũng giống như một con vật bị cột lỏng và giam giữ dưới hầm, nó cần một năng lượng để thoát ra ngoài. Năng lượng tối thiểu đó tương đương với ion hóa điện thế của hạt electron.

Hiện tượng ngược lại với quá trình ion hóa (ionization process) này được gọi là quá trình tái kết hợp (recombination process), lúc này hạt electron thoát ly trong quá trình ion hóa kết hợp với ion dương đưa đến trạng thái trung hòa (hình 2b). Quá trình ion hóa và quá trình tái kết hợp đi đôi với nhau thành một cặp. Nếu năng lượng nhỏ hơn điện thế ion hóa như trong quá trình xung đột đàn hồi, chúng ta cũng có một quá trình khác đi đôi với nhau thành một cặp gọi là quá trình kích thích - thư giãn (excitation - relaxation process). Khi hạt electron xung đột với nguyên tử, hạt electron gò bó (bound electron) trong nguyên tử được phóng ra, chúng ta có trạng thái kích thích như trong hình 2c. Lượng năng lượng chuyển đến hạt electron gò bó sẽ làm hạt này nhảy vọt lên tầng năng lượng cao hơn. Trạng thái kích thích này thường được chỉ định với dấu sao (asterisk) trên đầu tên nguyên tử đang bị tác động. Cũng giống như trong trường hợp ion hóa, một lượng năng lượng tối thiểu trở thành cần thiết để hiện tượng kích thích xảy ra và năng lượng này được gọi là điện thế kích thích (excitation potential).

Ngược với hiện tượng kích thích là hiện tượng thư giãn. Ở hiện tượng này, hạt electron từ một trạng thái kích thích không an định (unstable excited state) sẽ trở về trạng thái an định (ground state), như trong hình 2d. Sự chuyển tiếp năng lượng này cho ra photôn hay quang tử (photon), nguồn gốc của hiện tượng phóng điện phát sáng (glow discharge).

2a. Tác động ion hóa điện tử

2b. Tái kết hợp

2c. Kích thích

2d. Thư giãn 

Hình 2: Những quá trình khác nhau của sự va chạm hạt  electron với  chất khí [2]

Đường cong Paschen (Paschen curve)  

Đánh thủng điện áp trong quá trình xung đột không đàn hồi biến đổi theo tích số của áp xuất P và khoảng cách d giữa hai điện cực. Ở trạng thái “vỡ” khí này, dòng điện chạy trong mạch điện bên ngoài khi nhiều hạt điện tử tự do được thu thập ở anốt. Sự biến đổi của đánh thủng điện áp với tích số Pd được diễn ra rõ rệt hơn ở hình ­3. Đường cong này được gọi là đường cong Paschen (Paschen curve)^(***). Ở đây, chúng ta có thể tìm thấy giá trị tối thiểu của đánh thủng điện áp với những chất khí khác nhau: Không khí, thủy ngân, hydrogen, argon và neon. Nếu chúng ta dùng đánh thủng điện áp làm điểm tham khảo, thì ở vùng phía bên trái, khi tích số Pd nhỏ, sự xung đột của electron - ion còn ít và sản lượng của điện tử thứ cấp (secondary electron) không đủ để duy trì tình trạng ion hóa và phóng điện phát sáng. Trường hợp ngược lại, khi tích số Pd lớn, con số xung đột electron - ion tăng lên, vì thế phóng điện phát sáng không thể duy trì được. Trên thực tế người ta dùng tích số Pd nằm ở phía trái đường cong của đánh thủng điện áp (hình 3). Những đường cong Paschen cho các chất khí khác nhau này được dùng như là một dụng cụ tham khảo khi giải quyết những công việc liên quan đến phóng điện phát sáng. Nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến hình thái của đường cong Paschen, chẳng hạn như: tính không đều của bề mặt, nhiệt độ, độ ẩm, bụi…

Hình 3: Đường cong Paschen (Paschen curves) của một số khí khác nhau [2]

Các phản ứng tổng quát trong plasma

Nếu A là tên nguyên tử khí, thì các phản ứng tổng quát có thể biểu hiện như dưới đây:

Ion hóa       

Tái kết hợp:     

Kích thích:         

Thư giãn        

Phân ly    

Phân ly/ion hóa    

Ion hóa do hạt electron tác động chỉ có thể xảy ra khi năng lượng của electron vượt quá ion hóa điện thế của nguyên tử hay phân tử (Bảng 1).

Bảng 1: Tóm tắt điện thế ion hóa của một số nguyên tử và phân tử thường dùng

Hiện tượng phóng điện phát sáng một chiều

Hiện tượng phóng điện phát sáng một chiều (DC glow discharge) được thực hiện khi chúng ta đặt điện áp chẳng hạn như 100 V ở hai đầu điện cực (hình 4). Chúng ta sẽ quan sát sự di động của hạt electron và ion dương (positive ion) trong không gian giữa hai điện cực. Điện trường được tính như tỷ số giữa điện áp V và khoảng cách d, nói một cách khác là tỷ số V/d.

Hình 4a: Những ion dương  di động với gia tốc về phía cực âm (catốt). Xung đột với catốt phát ra nhiều điện tử trung tính. Những hạt điện tử này sẽ di chuyển từ catốt đến cực dương anốt  xuyên qua vùng plasma do điện trường gây ra

Hình 4b: Những hạt electron mới hình thành di động với gia tốc về hướng cực dương (anốt)

Hình 4c: Với điện áp đủ cao, hạt electron xung đột với nguyên tử khí trung lập tự tạo thành những ion mang điện dương và thêm một hạt electron mới. Quy trình này tiếp tục với con số ion và electron tăng lên rất nhanh

Trong hình 5, một lượng lớn ion dương xuất hiện trước catốt. Hạt electron gần catốt bị đẩy đi với gia tốc nhanh vì khối lượng nhỏ. Trong khi đó, với sự giúp sức của điện trường, ion di động với gia tốc chậm về hướng catốt, vì ion có khối lượng lớn nên cần nhiều thời gian để đi qua vùng tối (dark space) hơn là hạt electron. Trong vùng tối, lượng ion sẽ nhiều hơn so với lượng hạt electron. Kết quả là lượng ion gia tăng với một mức độ khá lớn ở vùng lân cận của catốt. Điều này ám chỉ điện trường trong những vùng còn lại yếu hơn và đồng dạng hơn. Số ion và hạt electron phải trải qua một gia tốc lớn nhất trong vùng này. Thế nên, hạt electron trong vùng tối gia tốc rất mạnh và di chuyển xuyên qua vùng này rất nhanh, để lại sự giảm nhanh mật độ electron. Mặc dù có ít hạt electron, nhưng hạt này có thể đạt được năng lượng cao do sự gia tốc bởi điện trường. Khi những hạt electron xung đột với nguyên tử khí trong vùng tối, những hạt electron thường tạo ra ion hóa hơn là kích thích. Kết quả là ít ánh sáng được tạo ra hơn. Khi áp suất trong phòng chứa plasma giảm, xác suất của những sự xung đột cũng sẽ giảm và vùng tối lan rộng hơn. Nếu áp suất quá thấp, vùng tối sẽ bành trướng hơn nữa và vùng phát điện sẽ biến mất.

Hình 5. Các vùng khác nhau của phóng điện phát sáng một chiều [2]

Hình 5 diễn tả các vùng khác nhau của phóng điện phát sáng, chẳng hạn như vùng phát sáng (vùng phát sáng catốt, vùng phát sáng âm), vùng tối (vùng tối catốt, vùng tối Faraday, vùng tối anốt).  Vùng tối Aston (Aston dark space)  là một vùng rất mỏng  chứa hạt electron với năng lượng thấp di động ngược chiếu với ion có năng lượng cao. Vùng phát sáng catốt (cathode glow)  là một vùng  rất mỏng nằm gần catốt  , và trong nhiều trường hợp khó có thể thấy.  Nằm gần vùng phát sáng catốt là vùng tối  catốt (cathode dark space) thường được gọi là vùng tối Crooke.  Ở vùng tối Crooke này, hầu hết các điện thế phóng điện qua vùng này; vùng này cũng có  điện trường  lớn và  một con số khiếm khuyết hạt electron (đó là lý do mà vùng này tương đối tối!) và thường được biết với cái tên vùng bọc điện tích không gian (space charge sheath) hay  vùng bọc catốt (cathode sheath) . Vùng  phát sáng âm (negative glow), là một vùng rất sáng có mật độ hạt electron và ion bằng nhau, khoảng từ 10⁹ tới 10¹³/cm^-3. Khi  catốt va anốt được rút ngắn lại như trong trường hợp của các hệ thống chế tạo màng mỏng - nơi mà anốt sẽ nằm ngay trong vùng plasma, vùng tối catốt và vùng phát sáng âm (negative glow) sẽ không bị ảnh hưởng. Khoảng cách giữa catốt và vùng phát sáng âm ước lượng vào khoảng 2-3 lần chiều dày của vùng tối gần catốt (cathode dark space) và vào khoảng 10 lần quãng đường trung bình  của sự di động tự do. Hình 6 diễn tả trạng thái này; nơi mà điện thế gia tăng theo dạng tuyến (linear) từ - V_C ở vùng vùng tối catốt (hay vùng cathode sheath) đến V_P nơi vùng phóng điện phát sáng rồi giảm  dần xuống zero  ở vùng tối anốt.

 Hình 6: phân phối điện áp trong vùng DC phóng điện phát sáng.

Trong vùng phát sáng âm và cột dương (positive column), mật độ ion và hạt electron bằng nhau. Tuy nhiên, mật độ hạt electron trong vùng phát sáng âm cao hơn. Ở vùng tối Faraday (Faraday dark region) , hạt electron mất hầu hết năng lượng do ion hóa hay do xung đột có tính đàn hồi. Kết quả là năng lượng còn lại trong những hạt electron trở thành quá yếu để kích thích khí nguyên tử. Trong cột dương, hạt electron được gia tốc bởi điện trường cục bộ (localized electric field) và những tổn thất chính là do sự khuếch tán đến bức tường của vật chứa gần  anốt và vì không đủ hạt electron nên trở thành vùng tối anốt (anode dark space). Nơi đây sự phân phối điện thế không thuộc tuyến (linear) và điện trường vì thế không trở thành nhất định.

Những thông số liên quan đến điện thế phát sáng

Chúng ta có ion, điện từ và trung tính trong phóng  điện phát sáng (plasma). Ở trạng thái này, khối lượng m, nhiệt độ T( bằng đơn vị Kelvin) và  tốc độ trung bình  có những con số sau đây.

Trung tính      

Ions            

Electrons      

            Mật độ dòng electron j_e và mật độ dòng ion j_i có thể tính dùng những phương trình sau và giả sử  rằng số hạt electron và số ions bằng nhau : 

Các loại khí khác nhau cho màu sắc khác nhau

Dưới đây là ví dụ về màu sắc của phóng điện phát sáng trong máy phún xạ catốt với những chất khí phún xạ khác nhau trong việc chế tạo màng mỏng (hình 7). Chẳng hạn như phóng điện phát sáng dùng trong việc chế tạo màng mỏng ITO (Indium Tin Oxide). Nếu dùng khí argon thôi, thì phát sáng sẽ có màu tím (hình 7b) và nếu thêm 3% khí oxy vào khí argon, thì màu phát sáng sẽ đổi sang màu cam (hình 7a)

(a)  97% Ar+ 3% oxygen                                      (b) Argon only

Hình 7: Sắc màu của phóng điện phát sáng khác nhau như trong trường phún xạ catốt trong việc chế tạo màng mỏng ITO [3]

8a                                                                    8b

Hình 8: Khi dùng khí argon như là khí phún xạ để chế tạo màng mỏng CuZnSnS4, màu của phóng điện phát sáng là tím (hình 8a). Tuy nhiên, với hỗn hợp của khí argon và khí nitrongen để chế tạo TiN, màu phát sáng trở thành xanh đậm (hình 8b) [3]

Tương tự, trong quá trình chế tạo màng mỏng CuZnSnS4, khi argon được dùng như là khí phún xạ,  phóng điện phát sáng có màu  tím (hình 8a). Trong khi đó, với hỗn hợp của khí argon và  nitrongen để chế tạo TiN, màu phát sáng trở thành xanh đậm (hình 8b)

Một cách tổng quát, ở một nhiệt độ nhất định, màu sắc của phóng điện phát sáng trong các hệ thống chế tạo màng mỏng cũng theo một nguyên tắc điều khiển chức năng trong bóng đèn neon. Thường thường ở những đèn neon chúng ta dùng hàng ngày có màu đỏ cam ở áp suất 2 mm Hg (chân không 2 Torr). Ngoài ra, màu sắc của dòng điện phát sáng cũng khác nhau tùy theo loại khí trơ được dùng, chẳng hạn như helium (đỏ hồng), argon (màu tím), krypton (vàng xám) va xenon (xanh nhạt hơi pha đỏ) như trong hình 9.

Hinh 9: Phóng điện phát sáng trong các bóng đèn với những khí trơ khác nhau [4]

Màu của những bóng đèn neon này có thể thay đổi bằng cách hỗn hợp với những khí trơ khác như helium và argon ở những thành phần hỗn hợp khác nhau. Neon hỗn hợp với helium có thể có màu trắng, hổ phách hay vàng bóng; trong khi đó neon kết hợp với helium và argon, sẽ có các màu như xanh nhạt, xanh lợt hay xanh đậm [3]. Một loại khí khác là thủy ngân thường được hợp chung với argon dùng trong đèn huỳnh quang. Thủy ngân được dùng vì có áp suất hơi cao, điện thế ion hóa thấp và dùng được lâu. Để kết thúc phần này, chúng tôi xin mạo muội dùng bức hình chụp thành phố Sài Gòn về đêm rực sáng với những bóng đèn neon đủ sắc màu, một hiện tượng phát sáng mà chúng ta thường thấy hàng ngày, để gợi lại phần phóng điện phát sáng quan trọng trong việc chế tạo những linh kiện bán dẫn mà chúng ta dùng trong kỹ nghệ điện tử hiện nay  (hình 9).

Hình 10. Những sắc màu đèn Neon khác nhau ở thành phố Hồ Chí Minh trong dịp Tết năm 2011 [5]

Hiện tượng phóng điện phát sáng này có màu sắc khác nhau tùy theo loại khí dùng và  có nhiều ảnh hưởng đến tính năng của màng mỏng được tạo ra.

____________________________

(*)Trong bài hát “ Em ơi lá thu mưa” của Hoàng Thảo Du

(**) Trần Bình An  

^(**) Gọi theo tên của ông Friedrich Paschen, nhà khoa học người Đức gốc Áo đã khám phá ra hiện tượng này năm 1908.  

Tài liệu tham khảo

1.      F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Plenum Press, New York, 1984.

2.      M. Ohring, Materials Science of Thin Films, Academic Press, 2001.

3.      http://www.tutorvista.com/chemistry/uses-of-noble-gases

4.      http://en.wikipedia.org/wiki/Discharge_tube

5.      http://www.travelpod.com/travel-blog-entries/twoteachers/1/1294050748/tpod.html