Detector quang dẫn InSb là detecor hồng ngoại dùng hiệu ứng quang dẫn mà giá trị điện trở của phần tử detector giảm khi đƣợc lộ sáng.
2.2.1 Đường đặc trưng năng suất phát hiện riêng
Trên Hình 2.2 là đƣờng đặc trƣng phổ của detector quang dẫn InSb. Nó có ngƣỡng cắt sóng dài λc và
λc = 1,24/Eg (2.2)
trong đó Eg [eV] là độ rộng vùng cấm của bán dẫn.
Hiệu suất lƣợng tử nội của InSb là hiệu dụng (tức là đạt 100%) nhƣng là hàm của độ dày, đặc biệt cho các photon gần biên vùng. Detector InSb cần làm lạnh, khi hoạt động tại nhiệt độ lạnh sâu (thƣờng là 80K). Linh kiện bán dẫn InSb có khả năng hoạt động với thế hiệu dƣới 0,5V, giảm nhu cầu điện năng.
2.2.2 Đặc trưng nhiệt độ
Trên Hình 2.3 là năng suất phát hiện riêng D* của detector quang dẫn InSb. D* và đƣờng đặc trƣng phổ của detector quang dẫn thay đổi theo nhiệt độ phần tử detector. Khi nhiệt độ phần tử tăng, D* giảm (từ ~ 1010
cmHz1/2/W tại -600C xuống ~ 109 cm.Hz1/2/W tại -100 C). -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiệt độ phần tử (0 C)
Hình 2.3.Năng suất phát hiện riêng D* theo nhiệt độ
2.2.3 Đặc trưng nhiệt độ tecmist
-80 -60 -40 -20 0 20 40
Nhiệt độ phần tử (0
C)
Hình 2.4. Đặc trưng nhiệt độ tecmisto [Điện trở (RESISTANCE)
Trên Hình 2.4 là đặc trƣng nhiệt độ tecmisto của detector quang dẫn InSb. Khi nhiệt độ phần tử tăng, điện trở giảm (từ ~ 200kΩ tại -800C xuống ~ 10kΩ tại 00
C).
2.2.4. Đặc trưng nhiễu
Nhiễu của detector InSb bao gồm nhiễu 1/f , gây ra bởi nhiễu dòng điện; nhiễu g-r (generation-recombination noise: nhiễu sinh – tái hợp gây ra bởi sự sinh và tái hợp của điện tử và lỗ trống); nhiễu Johnson. Nhiễu 1/f chiếm ƣu thế trong vùng tần số thấp và nhiễu g-r chiếm ƣu thế trong vùng tần số cao hơn.
Chƣơng 3
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DETECTOR InSb 3.1 Chế tạo mẫu
Sơ đồ các bước chế tạo mẫu
Phiến InSb
B1: Ăn mòn, rửa sạch, sấy khô
B2: Bốc bay In hoặc Cr/In (nhiệt độ bay hơi, độ dày màng In?)
B3: Ủ nhiệt trong chân không (trong N2+H2, nhiệt độ, thời gian ủ?)
B4: Phủ lớp cảm quang dƣơng (cho cả 2 phiến) B5: Mở cửa sổ mặt trc (mặt nạ 01) B6: Ăn mòn máng 01 (kích thƣớc, độ sâu…)
B7: Rửa sạch, sấy khô B8: Phủ lớp cảm quang dƣơng
B9: Mở cửa sổ mặt sau
B10: Ăn mòn máng 02
B11: Rửa sạch, sấy khô B12: cắt thành chip
Mẫu đƣợc chế tạo dựa trên 1 phiến bán dẫn InSb tinh khiết ban đầu có thông số kỹ thuật đƣợc nêu ở bảng 3. 1, sau đó trải qua các quá trình xử lý hoá, làm sạch, quang khắc, ăn mòn để tạo cấu trúc quang trở nhƣ dƣới đây:
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật phiến InSb dùng chế tạo linh kiện quang trở
2" InSb wafer (N type, undoped)
Kích thƣớc: 2" dia x 0.5mm thick Định hƣớng: <100> +/-0.2o
hai chiều
Đánh bóng: đánh bóng một mặt bên ( mặt sau khắc) Đóng gói: Bảo quản trong Nitơ lỏng trong phòng sạch
Thuộc tính
Phƣơng pháp chế tạo, nuôi cấy: LEC
Định hƣớng (100) +/- 0.2o
Định hƣớng Flat (110) Pha tạp Không pha tạp Loại bán dẫn Bán dẫn loại N Nồng độ hạt dẫn 2x1014 ở 77K /cm3 Độ linh động >4x105 cm2/ v.s EPD <300cm-2 3.1.1 Xử lý hoá học bề mặt phiến
Các phiến InSb đƣợc cung cấp bởi nhà sản xuất thƣờng đƣợc đánh bóng nhƣ gƣơng 1 hoặc 2 mặt. Chúng đƣợc phủ bởi một lớp keo gốc dầu mỏ để bảo vệ và có thể dễ dàng tẩy đi khi gia công. Phƣơng pháp tẩy lớp keo này là sôi 2 đến 3 lần trong các dung dịch hữu cơ có thành phần khác nhau.
Có 3 hợp chất dùng để làm sạch phiến InSb. Cần phải thiết kế một bộ giữ mẫu và sử dụng trong suốt quá trình ăn mòn tiếp theo. Ba chất ăn mòn đƣợc kiểm tra và quá trình xử lý chi tiết đƣợc trình bày ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Chi tiết về các phương pháp xử lý theo 3 phương pháp Phƣơng pháp 1 CP4 ở tỉ lệ Phƣơng pháp 2 CP4 ở tỉ lệ Phƣơng pháp 3 Iondined –methanol 1.Ăn mòn trong dung
dịch CP4 trong thời gian 3s
1. Ăn mòn trong dung dịch CP4A trong thời gian 2 phút
1. Ăn mòn trong dung dịch methanol trong thời gian 30 phút 2. Rửa trong nƣớc khử i-on 3 phút 2. Rửa trong nƣớc khử i- on 3 phút 2. Rửa trong cồn 3 phút
3. Rửa trong cồn 3 phút 3. Rửa trong cồn 3 phút 3. Ăn mòn trong HF 30s 4. Xì khô bằng khí N2 4. Xì khô bằng khí N2 4. Rửa trong cồn 3 phút
5. Xì khô bằng khí N2
Hình thái bề mặt
Sau khi ăn mòn phiến InSb, chúng tôi sử dụng hệ Alpha-Step IQ đặt tại trung tâm ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà nội để nghiên cứu độ nhám bề mặt. Kết quả đƣợc biểu diễn qua Bảng 2.3. Số liệu chỉ ra 2 phƣơng pháp tốt nhất để đạt đƣợc độ đồng đều bề mặt sau ăn mòn.
Bảng 3.2:Độ nhám bề mặt phiến sau khi làm sạch, đơn vị đo μm
Thử nghiệm 1 Thử nghiệm 2 Thử nghiệm 3
Lấy trung bình Mẫu khảo sát Phƣơng pháp 1 0.61 0.51 0.71 0.61 Phƣơng pháp 2 0.0008 0.00018 0.0004 0.001 Phƣơng pháp 3 0.71 0.81 0.91 0.71
Cụ thể tốc độ ăn mòn cho phƣơng pháp 1 là 20μm/s, cho phƣơng pháp 2 là 0.1μm/s và phƣơng pháp 3 là 20μm/s. Rõ ràng phƣơng pháp 2 cho kết quả tốt hơn các phƣơng pháp khác. Kết quả phân tích SEM cũng chỉ ra bề mặt dùng dung dịch CP4A nhẵn hơn các phƣơng pháp khác.
3.1.2 Làm sạch
Các tấm đƣợc làm sạch kế theo mỗi xử lí hóa học ƣớt dùng nƣớc siêu tinh khiết, song các dƣ thừa cũng đƣợc loại bỏ sau các quá trình khác bằng kỹ thuật làm sạch. Vì lí do đó mà có nhiều kỹ thuật làm sạch khác nhau cho mỗi loại ô nhiễm. Trong nƣớc siêu tinh khiết gần nhƣ không có ô nhiễm, 1-2 phần trên một triệu (ppm) là cho phép.
- Sau đó sấy khô phiến bằng máy sấy
3.1.3 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic
- Sau khi đƣợc làm sạch, bề mặt phiến đƣợc phủ một lớp kim loại In bằng phƣơng pháp phún xạ Cathode hoặc bốc bay bằng chùm tia điện tử trong chân không để tạo lớp tiếp xúc Ohmic
3.1.3.1 Phương pháp bốc bay nhiệt
Bay bốc nhiệt (Thermal evaporation) hoặc bay bốc nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trƣờng chân không cao và ngƣng tụ trên đế (đƣợc đốt nóng hoặc không đốt nóng). Kỹ thuật này đôi khi còn đƣợc gọi là bay hơi trong chân không nhƣng ít dùng hơn.
Nguyên lý của hệ bay bốc nhiệt:
Bộ phận chính của các thiết bị bay bốc nhiệt là một buồng chân không đƣợc hút chân không cao (cỡ 10-5
– 10-6 Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử...). Ngƣời ta dùng một thuyền điện trở (thƣờng làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tƣơng tác với vật liệu, ví dụ nhƣ vônphram, tantan, bạch kim...) đốt nóng chảy các vật liệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi.
Vật liệu bay hơi sẽ ngƣng đọng lên các đế đƣợc gắn vào giá phía trên. Đôi khi đế còn đƣợc đốt nóng (tùy theo mục đích tạo màng tinh thể hay vô định hình...) để điều khiển các quá trình lắng đọng của vật liệu trên màng. Chiều dày của màng thƣờng đƣợc xác định trực tiếp trong quá trình chế tạo bằng biến tử thạch anh. Khi màng bay hơi sẽ bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động của biến tử sẽ tỉ lệ với chiều dày của màng bám vào biến tử.[17]
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt
3.1.3.2 Phương pháp phún xạ catot
Khác với phƣơng pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay hơi do đốt nóng mà thực chất quá trình phún xạ là quá trình truyền động năng. Vật liệu nguồn đƣợc tạo thành dạng các tấm bia (target) và đƣợc đặt tại điện cực (thƣờng là cathode), trong buồng đƣợc hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ 10−2 mbar). Dƣới tác dụng của điện trƣờng, các nguyên tử khí hiếm bị ion hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia với tốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho các nguyên tử vật liệu tại bề mặt bia. Các nguyên tử đƣợc truyền động năng sẽ bay về phía đế và
lắng đọng trên đế. Các nguyên tử này đƣợc gọi là các nguyên tử bị phún xạ. Nhƣ vậy, cơ chế của quá trình phún xạ là va chạm và trao đổi xung lƣợng, hoàn toàn khác với cơ chế của phƣơng pháp bay bốc nhiệt trong chân không [17]
Hình 3.2.Nguyên lý của quá trình phún xạ
3.1.4 Quang khắc
3.1.4.1 Định nghĩa
Quang khắc (hay photolithography) là kĩ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu, nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu với hình dạng và kích thƣớc xác định, bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt vật liệu. Do ảnh hƣởng của nhiễu xạánh sáng nên phƣơng pháp quang khắc không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn micro mét, vì vậy phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là quang khắc micro (micro photolithography).
3.1.4.2.Kỹ thuật quang khắc
Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu đƣợc các phần
tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thƣớc xác định. Nhƣ vậy, quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình.
Bề mặt của đế sau khi xử lý đƣợc phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist). Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trƣờng kiềm hay axit. Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dƣới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cảm quang thƣờng đƣợc phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).
Cảm quang đƣợc phân làm 2 loại:
Cảm quang dƣơng: Chất cảm quang sau khi bị ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.
Cảm quang âm: Chất cảm quang sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.
Hình 3.3. Quy trình chế tạo vi linh kiện bằng kỹ thuật liff – off
và kỹ thuật ăn mòn
quang dƣơng sau khi đƣợc phủ trên đế đƣợc chiếu sáng thông qua mặt nạ (a). Những vùng chất cảm quang không đƣợc mặt nạ che (bị chiếu sáng) sẽ bị biến đổi tính chất, tan đƣợc trong dung dịch tráng rửa. Còn lại những vùng đƣợc mặt nạche (không bị chiếu sáng) sẽ bám dính trên đế (b). Tiếp đó vật liệu đƣợc bốc bay (bằng phƣơng pháp phún xạ, …) sẽ bám dính lên đế và lớp chất cảm quang (c). Sau đó phần vật liệu bám trên chất cảm quang sẽ bị loại bỏ (liff-off) bằng cách cho mẫu vào rung siêu âm trong acetone. Phần vật liệu bám trên chất cảm quang cùng lớp cảm quang này sẽ bị rửa trôi, chỉ còn lại lớp vật liệu bám chắc trên đế (d).
Kĩ thuật ăn mòn (Quang khắc bằng cảm quang âm): Là sự ngƣợc lại củaquy trình quang khắc dƣơng. Ban đầu vật liệu sẽ đƣợc bay bốc lên đế, sau đó phủ chấtcảm quang âm. Mẫu đƣợc cho vào chiếu sáng thông qua mặt nạ (a), những vùng cảmquang không đƣợc chiếu sáng sẽ tan trong dung dịch tráng rửa, chỉ còn lại những vùng cảm quang bị chiếu sáng (b). Sau đó phần vật liệu bám dính trên đế sẽ bị ăn mòn bằng chùm tia điện tử (c), lớp chất cảm quang còn lại sẽ bị rửa trôi bằng cồn để lại phần chitiết vật liệu cần tạo bên dƣới (d).
Việc ăn mòn vật liệu bám dính trên đế khó và phức tạp hơn việc rửa trôi lớp cảm quang đóng rắn rất nhiều vì quy trình ăn mòn là quy trình bắn phá các điện tử lên bề mặt mẫu. Vì vậy, nếu không kiểm soát tốt quy trình này thì các hạt điện tử có thể bắn phá đế gây ra thủng đế. Trong kĩ thuật liff - off ngoài việc sử dụng cảm quang dƣơng cho mặt nạ dƣơng ngƣời ta còn dùng cả tính chất âm của cảm quang âm (photoresist revert) cho mặt nạ âm.
3.1.4.3.Nguyên lý hệ quang khắc
Hình 3.5 mô tả nguyên lý của một hệ quang khắc, gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này đƣợc khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ. Mặt nạ là một tấm chắn sáng đƣợc in trên đó các chi tiết cần tạo (che
sáng) để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi. Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, sau đó nó đƣợc hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ.[16].
Hình 3.4. Nguyên lý hệ quang khắc
3.1.4.4.Ứng dụng của quang khắc
Quang khắc là kỹthuật đã đƣợc phát triển từ đầu thế kỷ 20, và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các phiến Si. Ngoài ra, quang khắc đƣợc sử dụng trong ngành khoa học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh kiện
vi cơ điện tử (MEMS). Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi tiết có kích thƣớc nanô (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50 nm), do đó khi chếtạo các chi tiết nhỏcấp nanomet, ngƣời ta phải thay bằng công nghệkhắc chum điện tử(electron beam lithography)[17]
3.1.4.5.Quy trình quang khắc
Hình 3.5mô tả các bƣớc trong quy trình quang khắc.
Hình 3.5.Các bước trong quy trình quang khắc
Bƣớc 1: Làm sạch và khô bề mặt đế: Có nhiều cách để tách tạp chất trên bề mặt đế nhƣ: Thổi khí nitơ có áp suất cao, vệ sinh bằng hóa chất, dòng nƣớc có áp suất cao và dùng cọ rửa. Sau đó sấy tách ẩm bằng cách gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150o
C đến 200oC trong thời gian 10 phút.
Bƣớc 2: Phủ lớp tăng cƣờng độ bám dính (primer). Vai trò của lớp này là làm tăng khả năng kết dính giữa đế và chất cảm quang. Lớp tăng cƣờng độ bám dính thƣờng sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane).
Làm sạch và khô bề mặt đế
Phủ lớp tăng cƣờng độ bám dính
Phủ lớp cảm quang bằng quay ly tâm
Sấy sơ bộ (Solf Bake)
Định vị mặt nạ và chiếu sáng Công đoạn công nghệ tiếp theo
Ổn định hình ảnh đã tạo thành Sấy sau khi hiện ảnh Tráng lớp cảm quang đƣợc chiếu
sáng
Bƣớc 3: Phủ lớp cảm quang bằng phƣơng pháp quay li tâm. Ởgiai đoạn này đế đƣợc quay trên máy quay li tâm trong môi trƣờng chân không. Các thông số kĩ thuật trong giai đoạn này: tốc độ quay (3000 - 6000 vòng/phút), thời gian quay (15 - 30 s), độ dày lớp phủ (0.5 ÷ 15 μm)
Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ cảm quang:
𝑡 = 𝑘𝑝2 𝜔(3.1) Với k: hằng số của thiết bị quay li tâm (80-100)
p: hàm lƣợng chất rắn trong chất cảm quang (%) 𝜔: Tốc độ quay của máy quay li tâm (vòng/1000)
Hình 3.6. Sơ đồ hệ quay ly tâm
Các sự cố thƣờng gặp trong quá trình phủ lớp cảm quang:
Sự cố Nguyên nhân Hƣớng khắc phục
Độ dày không đều - Bề mặt khô không đều - Các đƣờng biên dày hơn (có thể dày hơn 20- 30 lần)
- Có thể đặt một vòng tròn ở đƣờng biên. - Dùng dung môi phun lên lớp biên để hoàn tan Xuất hiện các đƣờng sọc Do trong chất cảm
quang có các hạt rắn có đƣờng kínhlớn hơn độ dày lớp phủ.
- Làm sạch chất cảm quang trƣớc khi quay phủ.
Bước 4: Sấy sơ bộ (Soft-Bake). Mục đích của bƣớc này là làm bay hơi dung môi có trong chất cảm quang. Trong quá trình sấy, độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%. Phƣơng pháp thực hiện:
Dùng lò đối lƣu nhiệt Dùng tấm gia nhiệt Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại - Nhiệt độ: 90-100oC
- Thời gian: 20 phút
- Nhiệt độ: 75-85oC - Thời gian: 45 giây
Bƣớc 5: Định vị mặt nạ và chiếu sáng. Trong giai đoạn này, hệ sẽ đƣợc