Quá trình AIC là quá trình khuếch tán nhiệt bên dƣới điểm nhiệt độ “eutectic” của hệ thống Si/Al, dẫn đến sự kết tinh của vật liệu Si. Bƣớc đầu tiên để giúp xảy ra quá trình này chính là bƣớc chuẩn bị mẫu. Thông thƣờng mẫu đƣợc chuẩn bị theo kết cấu (layer stack) bao gồm một lớp kim loại Al đƣợc lắng đọng trên đế thủy tinh, sau đó một lớp a-Si đƣợc lắng đọng tiếp theo trên lớp Al ( glass/Al/a-Si). Đế thủy tinh đƣợc sử dụng cho quá trình này rất phong phú nhƣ: corning 1737, corning 7059, Schott Borofloat 33…, nhìn chung các loại đế thủy
tinh này thƣờng có nhiệt độ nóng chảy thấp (<600o
C), do đó đòi hỏi quá trình nung nhiệt phải phù hợp. Việc lắng đọng lớp Al và Si ban đầu cũng có thể sử
Hình 2.5: Giản đồ pha của hệ thống Al-Si.
N hi ệt đ ộ ( o C) Nồng độ mol Si (%)
24
dụng đa dạng bởi các phƣơng pháp khác nhau nhƣ: phún xạ magnetron, bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử, CVD, PECVD…Nhƣng vấn đề so sánh ảnh hƣởng của các phƣơng pháp chế tạo khác nhau lên quá trình AIC hiện nay vẫn chƣa có tác giả nào công bố rõ ràng. Theo nhóm nghiên cứu chúng tôi nhận thấy, các phƣơng pháp chế tạo sẽ ảnh hƣởng lên sự hình thành cấu trúc của lớp silic ban đầu, cấu trúc này sẽ tác động trực tiếp, quyết định cơ chế khuếch tán toàn bộ quá trình (nhƣ đã đề cập trong phần 1.4).
Trong quá trình AIC, để hình thành màng silic đa tinh thể liên tục thì hàm lƣợng của lớp a-Si ban đầu phải lớn hơn so với lớp Al, tức là bề dày của lớp a-Si ban đầu thƣờng đƣợc lắng đọng lớn hơn lớp Al. Thêm vào đó, quá trình AIC cũng cần đƣợc tác động bởi lớp oxit nhôm, ở mặt phân giới hai lớp. Lớp oxit này đƣợc xem nhƣ có thể điều khiển quá trình khuếch tán của hệ, và đƣợc hình thành bằng việc phơi đế thủy tinh, đã đƣợc phủ lớp Al ban đầu, ngoài không khí trong một khoảng thời gian, trƣớc khi phủ lớp a-Si tiếp theo, lý do về các vấn đề này sẽ đƣợc làm sáng tỏ khi xét đến mô hình khuếch tán của hệ. Sau bƣớc nung nhiệt dƣới nhiệt độ “eutectic”của hệ Al/Si (Teu = 577oC), quá trình khuếch tán giữa hai lớp xảy ra, dẫn đến sự kết tinh liên tục của vật liệu Si trong thời gian ủ nhiệt. Kết quả là kết cấu ban đầu thủy tinh/Al/a-Si chuyển hóa thành thủy tinh/poly-Si/Al (+Si) nhƣ đƣợc mô tả trong hình 2.6.
Hình 2.6: Mô tả quá trình AIC: a) mẫu trƣớc khi nung nhiệt; b) mẫu sau khi nung nhiệt
Một số nghiên cứu đã chứng tỏ rằng lớp oxit nhôm (đƣờng màu trắng trong hình 2.6) ở giữa hai lớp Al và Si không dịch chuyển trong quá trình AIC
25
[19]
, do vậy đã dẫn đến bề dày của màng silic đa tinh thể thu đƣợc, bằng với bề dày của lớp Al ban đầu hay nói khác đi là sự hình thành màng silic đa tinh thể trong quá trình AIC bị giới hạn bởi bề mặt đế thủy tinh và lớp oxit nhôm này, vì thế mà bề dày lớp Al ban đầu đóng vai trò quyết định bề dày tối đa của màng silic đa tinh thể thu đƣợc. Liên quan đến bề dày thì các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy có thể dùng phƣơng pháp AIC để chế tạo thành công màng poly-Si với
bề dày nhỏ hơn 10 nm [50] hoặc có thể lên tới 1 µm [41]. Hình 2.6 còn cho thấy,
sau quá trình hoán chuyển, pha hình thành trên đỉnh của lớp poly-Si là một hỗn hợp Al và Si. Pha Si trong hỗn hợp ở dạng các “ốc đảo” (Si islands) độc lập và đƣợc bao quanh bởi pha Al. Cấu trúc của các ốc đảo này có dạng vô định hình hoặc vi tinh thể. Nhƣ vậy có thể suy ra rằng, Si dƣ còn lại trên bề mặt của lớp poly-Si là do bề dày lớp a-Si ban đầu thƣờng đƣợc chế tạo lớn hơn so với lớp Al, do đó phần silic dƣ sẽ trộn lẫn với lớp Al đƣợc đẩy lên trong quá trình kết tinh silic do khuếch tán. Từ đó cho thấy rằng, tỷ lệ bề dày của lớp Al và Si ban đầu cũng ảnh hƣởng đến quá trình hình thành màng silic đa tinh thể.