Từ các kết quả thực nghiệm thu đƣợc qua các nghiên cứu, rất nhiều tác giả đã xây dựng mô hình của quá trình AIC để từ đó tìm cách lý giải cho sự hình thành của màng silic đa tinh thể từ màng a-Si ban đầu. Nhìn chung quan điểm của các tác giả đƣa ra đã cho thấy đƣợc một mô
hình thực nghiệm tổng quát của quá trình AIC (hình 2.7) gồm 5 bƣớc cơ bản sau: 1) quá trình bắt đầu với việc các nguyên tử Si bị “đứt ra” (dissociation) khỏi mạng a-Si của nó và khuếch tán xuyên qua lớp nhôm oxit để “tan” (into) vào lớp Al bên dƣới; 2) điều này làm cho nồng độ của nguyên tử Si, bên trong lớp Al ban đầu tăng dần cho đến khi đạt đƣợc nồng độ tới hạn (critical concentration)
Hình 2.7: Các bƣớc chính của quá trình AIC
26
cho sự hình thành mầm tinh thể (nucleation), kết quả là các mầm bắt đầu hình thành cục bộ tại các vị trí cố định (locally) bên trong lớp Al; 3) Các mầm mới hình thành này “tăng trƣởng” theo mọi hƣớng cho đến khi chúng bị nén giữa bề mặt thủy tinh và lớp oxit nhôm, lúc này các mầm sẽ ƣu tiên phát triển theo chiều ngang của hai mặt bên, bằng cách liên kết tái hợp với các nguyên tử Si tự do đang di chuyển cho đến khi trở thành một hạt tinh thể độc lập; 4) Các hạt tinh thể Si tiếp tục tăng trƣởng theo chiều ngang của hai mặt bên cho đến khi chúng chạm nhau và kết hợp lại (coalesce) hình thành nên màng đa tinh thể liên tục trên đế thủy tinh; 5) Do sự tăng trƣởng liên tục của các hạt tinh thể Si nên Al bị đẩy lên phía trên, trộn lẫn với các hạt Si còn dƣ lại để hình thành pha hỗn hợp Al (+Si) nằm trên đỉnh của lớp poly-Si bên dƣới. Tuy nhiên không phải tất cả nguyên tử Al đều bị đẩy hết lên trên, một lƣợng ít vẫn có thể nằm dọc theo biên hạt của các hạt tinh thể Si hoặc một lƣợng nhỏ có thể tạp trong mạng Si hình thành bán dẫn loại p hay hình thành liên kết Al-Si.
Sau khi quá trình AIC xảy ra hoàn toàn, mẫu đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp hóa (thƣờng là xử lý mẫu trong dung dịch axit), để tẩy bỏ (etching) lớp Al dƣ. Việc loại bỏ Al làm lộ ra các ốc đảo Si (Si island) nằm trên đỉnh của lớp màng Si đa tinh thể bên dƣới (hình 2.8). Đây chính là mặt hạn chế của phƣơng pháp AIC, để thu đƣợc màng silic đa tinh thể hoàn hảo (smooth continous poly-Si film), mẫu cần phải đƣợc hỗ trợ bởi các phƣơng pháp khác
để loại bỏ các silic dƣ này nhƣ: CMP (chemical machanical polishing) (hình 2.8, ảnh nhỏ bên trong ảnh lớn); WCE (wet chemical etching) hoặc phƣơng pháp ăn mòn bằng ion (reactive ion etching)…
Hình 2.8: Ảnh SEM bề mặt của màng silic đa tinh thể thu đƣợc: - sau khi loại bỏ Al bằng dung dich axit (ảnh lớn)
- sau khi loại bỏ Al và Si dƣ bằng phƣơng pháp CMP (ảnh nhỏ bên trong) [29, tr. 199]
27
Hình 2.9 là ảnh SEM của mẫu đã đƣợc nung ở 420o
C trong 3 giờ và đƣợc xử lý trong dung dịch axit để loại bỏ Al
[29, tr. 197]
. Do nung ở nhiệt độ thấp trong thời gian ngắn nên quá trình AIC của mẫu chỉ mới xảy ra ở các giai đoạn đầu. Kết quả này là một minh chứng cho sự hình thành của một mầm Si (bƣớc 2 của hình 2.7) bên trong lớp Al (đƣờng màu đen trong hình 2.9, đây là vị trí ban đầu của lớp Al, đã bị tẩy bằng dung dịch axit).
Mô hình trên đã cho thấy rằng, để các mầm, các hạt Si tăng trƣởng liên tục (bƣớc 2 và 3) cho tới khi kết hợp lại hình thành màng silic đa tinh thể liên tục hoàn hảo (bƣớc 4) thì cần thiết phải có nguồn cung cấp các nguyên tử Si liên tục vào trong lớp Al. Nguồn cung cấp này chính là lớp a-Si ban đầu, do vậy mà cần thiết phải chế tạo lớp a-Si lớn hơn so với lớp Al nhƣ đã đề cập trƣớc đây. Hơn thế nữa chính vì lƣợng Si lớn hơn Al nên khi kết thúc quá trình, sẽ còn lại lƣợng Si dƣ trên bề mặt. Do vậy mà việc thay đổi hàm lƣợng Al hay Si có khả năng điều khiển đƣợc quá trình hình thành và tăng trƣởng của màng Si đa tinh thể.
Với mục đích xem xét khả năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp của phƣơng pháp này, đòi hỏi màng poly-Si thu đƣợc phải đạt đƣợc độ đồng đều cao
trên một diện tích lớn, nhóm tác giả S. Gall [46] đã chế tạo thành công màng poly-
Si liên tục, với bề dày 300 nm trên đế thủy tinh 3 inches nhƣ minh họa trong hình 2.10.
Hình 2.9: Ảnh SEM của mẫu cho thấy sự hình thành mầm Si bên trong phạm vi lớp Al. Mẫu đƣợc đặt nghiêng 30o để cho thấy phần mặt cắt cũng nhƣ bề mặt [29, tr. 197]
.
Bề mặt
Thủy tinh Mầm Si
28
Hình 2.10: Màng silic đa tinh thể liên tục trên đế thủy tinh 3 inch [46].