Ảnh hưởng của màng mỏng kim loại đến chất lượng kết tinh của màng mỏng silic

Dựa trên các kết quả thu được cho hai cấu trúc Si/thủy tinh và Si/YSZ*/thủy tinh, chúng tôi đã khảo sát chất lượng của cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thủy tinh kết tinh pha rắn bằng các phương pháp một bước và hai bước sử dụng chùm laser xung. Kết quả cho thấy, với cùng thời gian nung và tổng mật độ năng lượng thấp hơn, phương pháp hai bước tạo ra độ kết tinh cao hơn và chất lượng kết tinh tốt hơn so với phương pháp một bước.

UED Journal of Social Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Nhận bài: 14 – 06 – 2017 Chấp nhận đăng: 25 – 09 – 2017 http://jshe.ued.udn.vn/ ẢNH HƯỞNG CỦA MÀNG MỎNG KIM LOẠI ĐẾN CHẤT LƯỢNG KẾT TINH CỦA MÀNG MỎNG SILIC Mai Thị Kiều Liên Tóm tắt: Dựa kết thu cho hai cấu trúc Si/thuỷ tinh Si/YSZ*/thuỷ tinh, khảo sát chất lượng cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh kết tinh pha rắn phương pháp bước hai bước sử dụng chùm laser xung Kết cho thấy, với thời gian nung tổng mật độ lượng thấp hơn, phương pháp hai bước tạo độ kết tinh cao chất lượng kết tinh tốt so với phương pháp bước Điều chứng tỏ tính hiệu phương pháp hai bước việc cải thiện chất lượng kết tinh màng Si YSZ/kim loại/thuỷ tinh Hơn nữa, lớp kim loại có chút tác dụng nhiệt lên việc đẩy nhanh trình kết tinh màng Si Các điều kiện nung tối ưu để chế tạo transistor màng mỏng poly-Si điện cực đáy (*YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia) Từ khóa: PLA; kết tinh pha rắn; kết tinh nhiệt độ thấp; màng mỏng silic; YSZ; silic vơ định hình; silic đa tinh thể Giới thiệu Trong ứng dụng chế tạo transistor màng mỏng (thin-film transistor-TFT) điện cực đáy, sử dụng lớp bán dẫn silic (Si), gốm YSZ (YttriaStabilized Zirconia-một chất gốm cấu trúc tinh thể ôxit zicôni làm ổn định nhiệt độ phịng cách bổ sung ơxit yttri) sử dụng vừa lớp kích thích kết tinh vừa lớp cách điện Để làm điều này, lớp điện cực cổng phải lắng đọng đế thuỷ tinh, sau lớp YSZ lắng đọng lớp điện cực cổng Trong nghiên cứu trước, chúng tơi dùng lớp kích thích kết tinh YSZ [1,2] kết hợp với phương pháp kết tinh chùm laser xung (PLA) để tạo màng Si kết tinh có chất lượng tốt so với phương pháp kết tinh pha rắn lò nung [3,4] Tuy nhiên, chất lượng kết tinh màng Si mật độ lượng cao bị suy giảm Kết tinh mật độ lượng thấp tạo màng Si có chất lượng tốt nhiều thời gian để kết tinh hồn tồn Nhằm rút ngắn thời gian nung tạo màng kết tinh có chất lượng tốt, chúng tơi đề xuất phương pháp kết tinh hai bước, màng Si vơ định hình (a-Si) kết tinh sử dụng hai loại mật độ lượng [5-8] Trong nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng lớp kim loại lên chất lượng kết tinh màng mỏng Si lắng đọng lớp YSZ để ứng dụng chế tạo TFT điện cực đáy Dựa ưu điểm phương pháp nung hai bước, sử dụng phương pháp để kết tinh màng Si pha rắn minh hoạ Hình Màng a-Si nung hai giá trị mật độ lượng E khác Ở trạng thái ban đầu hay bước thứ nhất, màng a-Si nung giá trị E thấp (Ei) thời gian ngắn để tạo mầm tinh thể Si (c-Si) bề mặt chung màng Si lớp bên Sau đó, bước thứ hai, màng Si nung giá trị E cao (Eg) để tăng tốc trình phát triển mầm thúc đẩy kết tinh màng Si * Liên hệ tác giả Mai Thị Kiều Liên Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng Email: mtklien@ued.udn.vn Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 7, số (2017), 13-18 | 13 Mai Thị Kiều Liên tinh, X c, xác định công thức: X c = ( I  + I c ) ( I  + I c + I a ) , Ic, Iµ, Ia cường độ tích hợp đỉnh c-Si, vi tinh thể Si (µSi), a-Si phổ Raman [4,9] Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope-SEM) sử dụng để quan sát bề mặt màng xác định kích thước hạt Si kết tinh Hình Phương pháp kết tinh hai bước cho cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Quy trình thực nghiệm Hình Sơ đồ minh hoạ mẫu chế tạo cắt ngang cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Cấu trúc mẫu chế tạo minh hoạ Hình Lớp kim loại có cấu trúc gồm 30-nm SiNx/30-nm W/30-nm Ti tạo thành bề mặt đế thuỷ tinh nhiệt độ 100oC phương pháp phún xạ tần số vơ tuyến Lí chọn cấu trúc kim loại gồm ba lớp trình bày sau Sau đó, lớp YSZ dày 120-nm lắng đọng SiNx/W/Ti/thuỷ tinh nhiệt độ đế 50oC phương pháp phún xạ Tiếp theo, lớp a-Si dày 60-nm lắng đọng phương pháp bay dùng chùm electrôn 300oC, sử dụng vật liệu nguồn viên a-Si rắn Sự kết tinh màng a-Si tiến hành phương pháp nung laser xung mơi trường khí N2 Laser sử dụng neodymium-doped yttrium aluminium garnet (Nd:YAG) có bước sóng λ = 532 nm, tần số lặp lại 10 Hz thời gian xung ~ ns Tổng số xung N giữ không đổi 100 số xung bước thứ Ni bước thứ hai Ng thay đổi cho thoả mãn N = Ni + Ng Độ kết tinh màng Si đo máy đo phổ Raman He-Ne với kích thước điểm có đường kính ~1 mm Tỉ lượng kết 14 W hợp chất sử dụng rộng rãi làm điện cực chế tạo TFT tính ổn định hố học tính dẫn điện cao [10,11] Tuy nhiên, độ bám dính W đế thuỷ tinh yếu khác biệt hệ số giãn nở chúng Vì vậy, trước lắng đọng màng W, lắng đọng lớp Ti với vai trị làm tăng độ bám dính W đế thuỷ tinh Ti kim loại hoạt hoá, dễ tác dụng với nguyên tử oxy bề mặt thuỷ tinh (SiO2) để tạo thành oxit titan (TiO2) TiO2 có liên kết hố học bền mạnh, làm tăng độ bám dính Mặc dù lắng đọng màng kim loại thực phịng có lượng nhỏ chất cặn bẩn bám bề mặt đế thuỷ tinh suốt trình vận chuyển từ buồng rửa mẫu đến hệ phún xạ Sau lắng đọng màng W, cặn bẩn loại bỏ dễ dàng trình rửa học máy rung siêu âm Tuy nhiên, trình rửa làm W bị loại bỏ theo Vì thế, màng cách điện SiNx lắng đọng che phủ bề mặt W để bảo vệ khơng bị loại bỏ Kết thảo luận 3.1 Khảo sát phụ thuộc vào số xung N tỉ lượng kết tinh chất lượng tinh thể màng Si kết tinh phương pháp bước Đầu tiên, kết thu từ phương pháp nung bước giá trị mật độ lượng E cố định trình bày nhằm cung cấp cho người đọc số thông tin phương pháp nung laser xung Hình 3(a) 3(b) cho thấy phụ thuộc tỉ lượng kết tinh Xc toàn độ rộng cực đại (full width at half maximum-FWHM) đỉnh c-Si vào số xung N cho cấu trúc Si/thuỷ tinh, Si/YSZ/thuỷ tinh Si/YSZ/SiNx/W/Ti/thuỷ tinh (sau gọi đơn giản Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh), với mật độ lượng E thông số Kết thu từ phép đo phổ Raman ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 7, số (2017), 13-18 xung N cho ba cấu trúc Tại mật độ lượng E thấp, FWHM nhỏ gần giá trị N Tuy nhiên, tăng E, FWHM trở nên lớn tăng tăng số xung N Điều giải thích tăng mật độ khuyết tật bên lẫn bên hạt tinh thể Si Khi tăng E, kết tinh màng diễn nhanh hạt tinh thể va chạm lẫn trình phát triển từ mầm theo hướng không đồng tạo khuyết tật mạng Tại giá trị N, FWHM Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh gần với cấu trúc Si/YSZ/thuỷ tinh nhỏ cấu trúc Si/thuỷ tinh Vì FWHM thơng số cho biết chất lượng kết tinh màng mỏng, FWHM nhỏ chất lượng màng tốt ngược lại Vì thế, kết gợi ý chất lượng kết tinh hai cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Si/YSZ/thuỷ tinh tốt so với cấu trúc Si/thuỷ tinh 3.2 Cải thiện chất lượng kết tinh màng Si phương pháp hai bước a Sự phụ thuộc tỉ lượng kết tinh Xc chất lượng màng mỏng vào mật độ lượng bước thứ Ei Hình Sự phụ thuộc (a) tỉ lượng kết tinh Xc (b) FWHM c-Si vào số xung N Mật độ lượng E thơng số Từ Hình 3(a), thấy tăng N (hay tăng thời gian nung) làm Xc tất cấu trúc tăng Tại mật độ lượng E cao, Xc tăng nhanh chóng bão hồ số xung N nhỏ Điều chứng tỏ tạo mầm phát triển mầm tinh thể Si diễn bên màng Si Xc cấu trúc Si/thuỷ tinh cao so với cấu trúc Si/YSZ/thuỷ tinh Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Kết cho thấy màng Si cấu trúc Si/thuỷ tinh kết tinh nhanh so với màng Si hai cấu trúc lại giá trị N E Điều cho hấp thụ quang học màng Si đế thuỷ tinh cao so với hai cấu trúc lại7) Xc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh cao chút so với Si/YSZ/thuỷ tinh Điều lớp kim loại hấp thụ lượng quang học từ chùm laser, nhiệt độ màng Si cao chút so với Si cấu trúc Si/YSZ/thuỷ tinh Trong Hình 3(b), thấy phụ thuộc FWHM vào số Chúng áp dụng phương pháp hai bước để cải thiện chất lượng kết tinh cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Trong nghiên cứu trước [7], kết thí nghiệm cho thấy giá trị Eg tối ưu bước thứ hai để kết tinh pha rắn màng Si cho hai cấu trúc Si/thủy tinh Si/YSZ/thủy tinh 106-109 mJ/cm2 111-114 mJ/cm2 Trong nghiên cứu này, chọn giá trị Eg tối ưu cho cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thủy tinh 108-112 mJ/cm2 Các giá trị gần nhỏ mật độ lượng tới hạn làm nóng chảy màng Si cho cấu trúc Trong phương pháp hai bước, mật độ lượng bước thứ Ei thông số quan trọng để điều khiển vị trí tạo mầm tinh thể Si thể vượt trội so với phương pháp bước Nếu chọn Ei thấp tạo mầm tinh thể Ngược lại, Ei cao mầm tinh thể không tạo bề mặt chung màng Si lớp bên mà tạo bên màng Sự phát triển mầm bên màng cản trở phát triển mầm bề mặt chung Kết làm cho chất lượng kết tinh giảm Vì vậy, chúng tơi tối ưu hố Ei việc khảo sát phụ thuộc độ kết tinh màng Si vào Ei với Eg, Ni, Ng giữ cố định 108–112 mJ/cm2, 10, 90 15 Mai Thị Kiều Liên Hình Sự phụ thuộc Xc FWHM vào Ei cho cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh phương pháp nung hai bước Kết cấu trúc Si/YSZ/thuỷ tinh điều kiện tối ưu đưa để so sánh Hình cho thấy phụ thuộc vào Ei Xc FWHM cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Kết cấu trúc Si/YSZ/thuỷ tinh điều kiện tối ưu đưa để so sánh Chúng ta thấy Xc tăng FWHM giảm Ei tăng đến 20 mJ/cm2 Sau đó, Xc FWHM gần không đổi tăng Ei đến 24 mJ/cm2 Tại đây, Xc đạt cực đại FWHM đỉnh c-Si đạt cực tiểu, gợi ý chất lượng kết tinh đạt cực đại So sánh với cấu trúc Si/YSZ/thuỷ tinh, Xc FWHM Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh cao chút, chứng tỏ màng Si đế YSZ/kim loại/thủy tinh kết tinh nhanh chất lượng giảm chút so với màng Si đế YSZ/thủy tinh Điều cho thấy lớp kim loại có tác dụng thúc đẩy nhanh q trình kết tinh mà khơng có tác dụng cải thiện màng Si b Sự phụ thuộc vào số xung bước thứ Ni tỉ lượng kết tinh Xc chất lượng màng Kết thí nghiệm cho thấy mật độ lượng tối ưu cho trạng thái đầu cuối cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh phương pháp hai bước 20-24 108-112 mJ/cm2 Bây giờ, khảo sát phụ thuộc chất lượng kết tinh vào số xung ban đầu Ni Hình cho thấy phụ thuộc Xc FWHM đỉnh c-Si vào số xung ban đầu Ni cho hai cấu trúc Si/YSZ/kim loại/thuỷ tinh Si/YSZ/thuỷ tinh phương pháp hai bước (Ni ≠ 0), so sánh với phương pháp bước (Ni = 0), với tổng số xung N = Ni + Ng Khi Ni tăng, thấy FWHM giảm Xc tăng cho hai cấu trúc Điều chứng tỏ chất lượng kết tinh màng Si cải thiện sử dụng phương pháp hai bước Tại giá trị 16 0