Đ Ạ I HQ C QUỐC GIA TP Hồ CHÍ MINH TRƯ Ờ NG Đ Ạ I HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN VŨ THI hạnh thu KỶ THUẬT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hồ CHÍ MINH Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! ĐẠI HỌC QC GIA TP IIỊ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỤ'NHIÊN VŨ THỊ HẠNH THU K Y ỉ r iÜ Ä i ■ Ch e t a■ o m a n g m NIIẢ XUẤT BẢN DẠI HỌC QUỔC GIA TP IIỒ CHÍ MINH - 2014 o n g LỊ Ì N Ĩ I ĐẦU Giáo trình Kỹ thuật chế tạo mùng mỏng biên soạn chủ yếu đê làm tài liệu học tập tham khảo cho sinh viên học viên cao học học mơn có liên quan đến kỹ thuật vật liệu màng mỏng mà người viêt dang giảng dạy khoa Vật lỷ - Vật lý kỹ thuật, khoa Khoa học Vật liệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên khoa Công nghệ Vật liệu trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh Giáo trình bao gồm bảy chương, trình bày kỹ thuật chế tạo màng từ pha dung dịch pha Bao gồm phương pháp mạ điện, sol-gel, lắng dọng hóa học (CVD), lắng đọng lớp nguyên tử (ALD), bốc bay nhiệt, bốc bay chùm diện tử, láng đọng màng bàng xung lascr (PLD), phún xạ diode phảng, phún xạ magnetron, phún xạ chùm '°n, epitaxv chùm phân từ (MBE) phun nhiệt Ngoài ra, kỳ thuật khắc (lithoernphy) trình bày phươn2 pháp đươc dùnc để Uiôn dôi màng mong thánh cac chi tiềl linh kiện ứ cẩu trúc nano, micro Hy vọng rằng, giáo trình hữu dụng dc giúp em sinh viên học viên cao học hình dung rõ ràng kỹ thuật chế tạo màng mỏng Mồi kỹ thuât có ưu nhược diếm riêng Khơng có kỹ thuật đỉnh cao phù hợp cho tất cà loại màng, mà chi có kỳ thuật phù hợp với yôu cầu điều kiện thực tế Sự lựa chọn kỹ thuật tốt phù hợp cho loại iricàng mỏng náo dựa vào kiến thức cơng nghệ, u cầu lính chất mong muốn diều kiện sờ vật chát cùa người sử dụng Giáo trình dược dúc kết tàng kiến thức tài liệu tham khảo kinh nghiệm giáng dạv người viét qua năm giảng dạy mơn học có liên quan đên màng mỏng Tuy nhiên, giáo trinh khơng thố tránh khỏi sai sót chù quan, rát mong đóng góp cùa dồng nghiệp phàn hồi cùa người học để giáo trình có thề ngày tốt cho lần tái bàn Chân thành càm ơn! CHƯƠNG GIỚI THIỆU Giai đoạn cuối năm 1950, màng mỏng nghiên cứu rộng rãi liên quan đến ứng dụng chúng thiết bị điện tử Trong dãu nliĩrng năm I960, Weimer nghiên cứu thành cơng transistor máng mịng (TFTs, Thill Film Transistor) bao gôm màng bán dẫn CdS TFTs sau dó dược ứng dụng hình quét điện tử (television scanning), thiêt bị quang dẫn, tụ diện diện trở Mặc dù, thiêt bị dạng màng mỏng dược coi phát triển lốt cùa khoa học công nghệ màng mỏng lĩnh vực vi mạch, hạn chế độ bền cùa TFTs nên cản trở phần lớn khả ứng dụng thực tế Trong đó, nhiều loại vật liệu khối Si MOS (metal-oxide semiconductor) phát triển thành cơng vào cuối năm 1960 Vì vậy, thiết bị màng mỏng chì ứng dụng thiết bị thụ động điện trở tụ điện màng mỏng Trong năm 1970, so thiết bị màng mỏng đặc biệt nghiên cứu, bao gom lluel bị be mặl sóng âm (SAW, suiTace acoustic wave), thiết bị màng mịng tích hợp sóng âm lượng khối (BAW, bulk acoustic wave) màng mòng quang học lích hợp Một loạt thiết bị màng mỏng dược phát trien Trong số này, công nghệ thú vị màng mỏng Silic vô định hình (a-Si) Spear che tạo bảng phương pháp CVD Công nghệ đưa lượng pha tạp vào a-Si nhiệt độ thấp dược ứng dụng đổ che tạo transistor màng mòng TFTs tế bao lượng mặt trời a-Si Trong năm 1980, liến nhanh chóng cơng nghệ a-Si dã dtrợc thực Các tố bào lượng mặt trời vô định hình Si dã dược ứng dụng săn xuất máy tính điện tứ, hiệu suất clnivến dổi quang diện 5-7%, tháp so với tế bào nàng lượng mặt trời Si tinh thể Do cải thiện a-Si màng móng, hiệu suất chuyến dổi quang diện cùa le bào lượng mặt trời a-Si da dạt tới 12% Các a-Si/poly-Si xốp chồng lên tạo tế bào mặt trời dal dược hiệu suất lên tới 21-23% Miện nay, công nghệ màng móng đổ chế tạo pin mặt trời a-Si có hiệu suất cao, còng nghệ tốn it lượng, tiốt kiệm nguyên vật liệu vấn đè then chốt dế việc săn xuất lượng từ pin mặt trời thay dần cho công nghệ ché tạo pin mặt trời khối Si đơn tinh thể Như vậy, màng mịng dóng vai trị quan trọng Ironiì phát triển cùa công nghiệp dại ngày nay, công nghệ vi mạch Khi mà linh kiện thiết bị phục vụ cho người ngày có nhiều tiện ích nhỏ gọn thi vị trí cơng nghệ chế tạo màng móng ngày quan trọng quan tâm nghiên cửu phát triền 1.1 KHẢI NIỆM VÈ MÀNG MỎNG Màng mỏng (thin film) dược định nghĩa sau: - Màng mòng kiểu hình thái vật liệu có chiều kích thước (thường bề dày) vô nhỏ so với hai chiều lại - Màng mỏng hay nhiều lớp mỏng vật liệu dược phát triển đế để dạt tính chất mà bè mặt dế khơng thẻ không dỗ dàng dạt dược Máng (Thin films ID) ~v Sợi (wires 2D) - * t ham (dots, elements 2D) Mình tác dạng vật liêu số chiêu uronc irnu Bảng 1.1.Mơ tả tính chất vật liệu kích thước tới hạn tương ứng Lĩnh vực ứng dụng Tính chất điện Tính chát tù Tính chất quang Siêu dẫn Tính chất Tính chất Kích thước tới hạn (nm) Bước sóng điện tĩr 10-100 Ọuãng dường tự trung bình - 100 Hiệu ứng chui hầm - 10 Độ dày vách đômen I -500 Quãng đường tán xạ spin - 100 Hố lượng tử - 100 Độ sâu bề mặt kim loại 10- 100 Bước sóng ánh sáng khả kiến 300 - 600 Độ dài cặp Cooper 0,1 - 100 Thẩm thấu Meisner - 100 Biên hạt T-ỉo Sai hỏng 0,1-10 - Màng mỏng khác với vật liệu khói nhờ tính chát “mỏng” Khái niệm “mỏng” hiểu sau: ■ Xét khổng gian ba chiều (X, y , z ) , mỏng hiểu chiều z « X y ■ Có thể nhìn xun (hav dộ truyền qua tót) ■ Dộ dày màng mỏng phải so sánh dược với chiều dài tương tác (theo loại tính chắt) Khi chiều dày màng mỏng đủ nhỏ so với quang dường tự trung bình diện tứ hoậc chiồu dài tương tác tính chất màng hồn tồn thay dổi so với tính chất vật liệu khối Lúc dó, diện tích bồ mạt tăng lên nhiều so với thổ tích vật liệu vật liệu áy dcỊt dược nhiều tính chắt dạc biệt so với vật liộu khối Neu iricàng dcày so với chiều dài tương tác tính chất tương tự vật liệu khối Bàng 1.1 mơ tã tính chất kích thước tới hạn tương ứng cùa loại vật liệu để hình dung chiều dài tương tác độ dày cùa màng mịng dược chế tạo Vì vậy, khái niệm "mịng" chi từ vài lớp nguyên tử, dốn vài nano mét hay hàng micrơ mét, tùy vào tính chất, chất vật liệu phù tròn đế - Màng mỏng dược xem vật liệu chiều Trong khi, vật liệu dạng sợi hai chiều, vật liệu dạng chấm (thánh phần) ba chiều (hình ) 1.2 MỘT SỐ KHÁI KIỆM CĨ LIÊN QU AN (a) (b) Hình 1.2 Màng da lớp tiep xúc từ (a) màng lớp dơn nguyên tứ (b) Màng mỏng thường phải phù lên vật liệu de (hay nen), nên cảu tạo cùa hộ vật liệu bao gồm: - Màng mỏng (film layer): lớp vật liệu màng phần tạo nên tính chất máng Mủng mỏng cỏ the dược phủ dổ dang như: ■ Đơn lớp (single layer): chi có loại vật liệu phủ trơn dế có thồ có nhiều lớp nguyên từ Khác với dơn lớp, lớp dơn n°uvên lừ (monolayer) chi có lớp nguyên lử cùa loại vật liệu hình thành đế (hình 2b) ■ Đa lớp (multilayer): nhiều lớp vật liệu khác nhau, cỏ tác động tương hỗ lẫn (hình 1.2a) Thơng thường, đề biểu diễn màng đa lớp dược viết theo kiểu dế/lớp 1/lớp / /lớp n, dế/[lớp X/lớpY]n nghĩa cập lớp X/Y dược lặp lại nhiều lẩn đế Đa lớp: SiN/Ta/Ru/Colr/Ru/Ta - Mọc đế SÌN vơ định hình - T a lớp đệm - Ru lớp mầm - Colr lớp vật liệu tạo tính chất - Ở phù lớp Ta đồ bào vệ Hình 1.3 Màng đa lớp với lớp phủ có chức khác ■ Các loại màng phù đa dạng màng kim loại, màng oxide kim loại,, màng hợp kim, màng hợp ch ất, - Đế (substrate): nơi màng phát triển mọc lên, thường khối vật liệu màng mỏng Các lơại đế thông thường đế đơn tinh thể (các loại wafer Si, Ge, GaAs, MgO, ), đế đa tinh thể (Si, In, ), dế vô định hình (thủy tinh, plastic, giấy, ) Một số đặc trưng cùa vật liệu đé như: ■ Đế thành phần phụ vật liệu màng mịng, thơng thường đé khơng thề tự tạo nên tính chất màng ■ Bề mặt đế ảnh hưởng đến cấu trúc cùa lớp mầm giai đoạn cùa trình phát triển màng mỏng, nhát đế đơn tinh thể Ngoài ra, bề mặt đế ảnh hường dén tinh chất tlộ bám dính cùa màng mịng - Lóp đệm (buffer laver): lớp phủ có tác dụng tạo bề mặt dể tăng cường tính chắt lớp phủ sau làm tăng độ bám dinh màng lên đế (hình 1.3) - Lóp mầm (seed layer): lớp tạo mầm cấu trúc cho lớp tiếp theo, thường lớp mầm có cấu trúc tinh cần hình thành (hình 1.3) - Lóp băo vệ (capped layer): lớp báo vệ màng (hình 1.3) 1.3 VÍ DỤ VÀ ỬNG DỤNG Khi bề dày màng kim loại Au nhị 1pm màng kim loại nhìn xun qua nhờ bề dày cỡ bước sóng ánh sáng, lúc màng có thẻ dược xem màng quang học (a) (b) (c) Hình 1.4 Cánh bướm (a), màng xà phòng (b) dược xem màng quang học Sự phàn xạ giao thoa ánh sang đến màng tạo màu sấc sặc sỡ chúng (c) Bong bóng xà phịng ánh sáng xun qua nhìn thấy có nhiêu màu săc sặc sỡ Giãi thích tượng trình bày hình 1.4, máng xà phịng xem màng quang học móng, ánh sáng truyên đến màng, ánh sáng phán xạ hai mặt cùa màng (mật tiêp xúc với khơng khí mặt dưới) sC xày tượng giao thoa ánh sáng Vi màng rât mịng, nên nhìn tháy cực dại giao thoa tương ứng với bước sóng khác thể qua màu sắc sặc sỡ Giải thích tương tự cho cánh bướm có nhiều màu sấc cánh bướm xem màng mỏng quang học Ngồi ra, cách giải thích dược áp dụng người làm thực nghiệm chế tạo màng mỏng oxide kim loại, màng mỏng, họ thường nhìn thấy vân giao thoa nhiều màu quầng màu cầu vồng bày sảc Nhưng tăng bề dày màng, tượng 10, P3 o - - I ■ Tỉuh tốn lv thuyết ♦ Thực Dgbiộm 5 6.2.2 f Sự phân bố độ dày màng đế phảng 168 6.3 PHÚN XẠ MAGNETRON 173 6.3.1 Phún xạ magentrorupliẳng DC 174 6.3.2 Phún xạ magntron phăng cârt không cân 178 6.3.3 Phún xạ magetron RF 180 6.4 PHÚN XẠ CHÙM 10N 183 6.5 MỘT SỐ THÊ MẠNH VÀ HẠN CHÉ 184 6.6 MỘT SÓ ỨNG DỤNG 185 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP K H Á C 188 PHƯƠNG P1-IÁP EPITAXY CHÙM PHÂN TỬ (MBE) .188 1.1 Nguyên lý MBE 188 7.1.2 Cơ chế phát triển màng kỹ thuật MBE 190 7.1.3 Một số dặc trưng kỹ thuật MBE 192 7.2 KỸ THUẬT PHỦ PHUN NHIỆT 192 7.2.1 Dịnh nghĩa 192 7.2.2 Vật liệu d ế 192 7.2.3 Vật liệu phủ màng .193 Quá trinh cúa phủ phun nhiệt 194 226 7.2.4 a Kỹ thuật phù phun lửa thôns thường 195 7.2.4 b Kỹ thuật phủ phun hồ quang điện (Electric Arc Wire Spray) 196 7.2.4.C Kỹ thuật phù phun plasma (Plasma Spray) 197 7.2.4 d Kỹ thuật phù phun nhiên liệu ơxy tóc độ cao (HVOF) 198 7.2.5 Một số ứng dụng cùa kỹ thuật phù phun nhiệt '199 7.3 KỸ THUẬT KHẮC (LITHOGRAPHY) 201 7.3.1 Kỹ thuật quang khẳc (photolithography) 202 7.3.1 a Chát càn quang mặt nạ 203 7.3.1 b Chiếu x .206 7.3.1 c Hai kỹ thuật litf-off etching 208 7.3.2 Kỹ thuật khác chùm điện tử 210 7.3.3 Khác chùm io n 212 7.3.4 Khăe dâu câu trúc nano 213 TÀI LIỆU THAM KHẢO 215 MỤC L Ụ C 221 KỸTHUẬT CHẼTẠO MÀNG MỊNG Vũ 77)/Hạnh Thu • Nhà xuất bàn DHQG-HCM tác giả/đối tác liên kêt giữ quyền Copyright © by VNU-HCM Publishing House and author/co-partnership All rights reserved NHÀXUÁTBẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ Hồ CHỈ MINH Khu pị-|0 6, Phường Linh Trung, Quặn Thủ Đức, TP Hồ Chí.Minh Số Cơng trường Quốc tế, Quận 3, TP Hồ Chí Minh ĐT: 38239171 - 38225227 - 38239172 Fax: 38239172 E-mail: vnuhp@vnuhcm.edu.vn PHỊNG PHÁT HÀNH Số Cơng trường Quốc tế, Quận 3, TP Hồ Chí Minh ĐT: 38239170 - 0982920509 - 0913943466 pax-38239172 - Website: www.nxbdhqghcm.edu.vn Chịu trách nhiệm xuất bản: NGUYỄN HOÀNG DŨNG Chịu trách nhiệm nội dung: NGUYỀN h o n g d ũ n g ró chúc thảo chịu trách nhiệm vẻ tác quyền BAN XUÁT BẢN - TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC T ự NHIÊN TPHCM Xuất năm 2014 Biên tập: HỒNG KHÁC THỦY Sùa in:_ MINH NHẬT Trình bày bìa: Lê Nguyễn Số lượng: 500 cuốn, Khổ: 14.5 X20.5 cm, ĐKKHXB số: 1629-2014/CXB/0194/ĐHQGTPHCM, Quyết định XB số: 175 ngày 03/09/2014 NXB ĐHQG-HCM KỶ THUẠT CHÉ TẠO MẢNG MỎNG In xucng in Trường ĐH KHĨN - ĐHQG TP HCM 227 Nguyền Văn Cư Q ĨP HCM Nỏp luu chiếu thang 09 năm 2014 ISBN 978-604-73-2790-4