44
mũi dò tiếp xúc với điện cực của tụ điện sắt điện. Máy tính và phần mềm Vision cho phép điều khiển hệ đo, thực hiện quá trình đo mẫu một cách tự động, thu nhận và xử lý số liệu bằng máy tính. Thiết bị bơm hút chân khơng hỗ trợ giữ mẫu cố định trong quá trình đo và cải thiện tiếp xúc giữa kim đo và mẫu.
2.2.4.1. Phép đo độ phân cực điện
Nguyên lý phép đo độ phân cực điện của vật liệu sắt điện dựa trên mạch Sawyer - Tower nhƣ Hình vẽ 2.9. Trong mạch này, mẫu vật liệu điện là một tụ điện có giá trị điện dung CX nhỏ hơn nhiều so với giá trị của một tụ điện chuẩn CR của mạch làm cho điện thế VS đặt vào mạch phân bố chủ yếu giữa hai cực của mẫu đo. Do các tụ là nối tiếp nên nếu có một lƣợng điện tích Q phân bố trên diện tích S (bề mặt màng) thì điện thế VR đặt vào tụ điện chuẩn CR là:
S S R C D.S C Q V (2.2) Với DPεE là độ dịch chuyển. Trong các vật liệu sắt điện thì P ≥ εE nên biểu thức trên đƣợc viết lại thành:
. R S V C P S (2.3) Từ công thức trên ta thấy để xác định độ phân cực điện P của màng mỏng sắt điện PZT có thể thơng qua việc đo giá trị điện áp VR.
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer - Tower [38].
45
2.2.4.2. Phép đo dòng rò
Hình 2.10. Đặc trưng dịng rị của một vật liệu điện mơi.
Ngoài ra, việc khảo sát dịng rị (J-t hoặc J-V) nhằm mục đích đánh giá tính chất điện của màng mỏng sắt điện cũng rất quan trọng. Đặc trƣng dòng rò cho biết sự tiêu hao năng lƣợng của thiết bị ở trạng thái nghỉ. Điện thế đƣợc dùng để khảo sát đặc trƣng dòng rò thay đổi từ 1 đến 5 V, đây là khoảng điện áp hoạt động tối ƣu của tụ điện.
Hình 2.10 là đặc trƣng J-V điển hình cho một chất điện mơi, trên đó thì dịng rị phụ thuộc tuyến tính vào điện áp đặt lên nó. Có thể chia đƣờng cong J-V thành ba vùng chịu ảnh hƣởng của các hiệu ứng khác nhau. Theo chiều tăng điện thế, ở vùng thứ nhất, mật độ dòng và điện thế ngồi tỉ lệ tuyến tính, đặc trƣng J-V trong vùng
này tuân theo định luật Ohm. Trong vùng thứ 2, mật độ dịng vẫn tỉ lệ tuyến tính với điện thế nhƣng đã xuất hiện dấu hiệu phi tuyến, vùng này bị chi phối bởi hiệu ứng Pool-Frankel và Schottky. Tiếp tục tăng điện thế đến ngƣỡng đánh thủng điện mơi chúng ta sẽ có vùng thứ 3, mật độ dòng ở vùng này đƣợc cho là liên quan mật thiết đến sự đánh thủng điện mơi hoặc dịng chui ngầm Fowler-Nordheim.
2.2.5. Khảo sát hoạt động của ô nhớ
Để đo đặc trƣng lối ra của các transistor đã chế tạo, chúng tối sử dụng thiết bị phân tích các tham số bán dẫn (Semiconductor Parameter Analyzer) Agilent 4155C, tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (Japan Advanced Institute of
VH 1 2 3 Đánh thủng điện môi Định luật Ohm VS VB Ia Điện thế V M ật đ ộ d òn g
46
Science and Technology), nhƣ trên Hình 2.11 a, dƣới sự hỗ trợ tránh nhiễu của buồng cơ lập (probes station) nhƣ trên Hình 2.11 b.
Hình 2.11. (a) Thiết bị phân tích các tham số bán dẫn Agilent 4155C, tại Viện
Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản, (b) buồng cô lập chống nhiễu.
Trong không gian buồng cách ly, ba điện cực bằng vonfram, có đầu nhọn đƣờng kính cỡ 10 m đƣợc sử dụng để tiếp xúc với vùng diện tích cổng, máng và nguồn. Thiết bị này có một số thơng số nổi trội nhƣ sau:
- Độ phân giải các bƣớc dòng và thế tƣơng ứng là: 10 fA, 0.2 V. - Độ chính xác của mỗi phép đo, đối với dịng là 20 fA, thế là 200 V. - Xung đo trong dải từ 500 s tới 100 ms.
- Điện thế cho phép quét từ -40 V tới 40 V. - Dòng ra tối đa là: 200 mA.
Khi thực hiện các phép khảo sát hoạt động của transistor, ví dụ đo đƣờng đặc trƣng truyền qua (transfer characteristic), điện thế cổng đƣợc quét từ -10 V đến 10 V, với bƣớc tăng điện thế là 0,1 V; điện thế máng đƣợc lựa chọn từ 0,5 V đến 2 V, tuỳ theo kích thƣớc cũng nhƣ chất lƣợng của mẫu. Đối với phép đo đặc trƣng lối ra (output characteristic), điện thế máng-nguồn đƣợc quét từ 0 đến 5 V với bƣớc khoảng 0,05 V, trong khi điện thế cổng đƣợc tăng từ 0 đến 10 V với bƣớc tăng 1 hoặc 2 V. Các kết quả thu đƣợc chi tiết sẽ đƣợc trình bày và thảo luận ở chƣơng 3.
(a) (b)
47
2.3. Phƣơng pháp chế tạo ô nhớ
2.3.1. Chế tạo ơ nhớ kích thƣớc micro mét bằng cơng nghệ quang khắc
Các ơ nhớ có kích thƣớc micro mét đƣợc chúng tôi chế tạo với sự hỗ trợ của công nghệ quang khắc và đƣợc thực hiện tại Phịng thí nghiệm Cơng nghệ micro và nano, Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Đại học Công nghệ ĐH QGHN.
Quang khắc (photo lithography) là kỹ thuật sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt vật liệu để tạo ra các chi tiết của vật liệu với hình dạng và kích thƣớc xác định nhờ một mặt nạ đặt lên trên vật liệu đó. Thực chất của công nghệ quang khắc là sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình.
Các chất cảm quang đƣợc phủ lên bề mặt vật liệu bằng kỹ thuật quay phủ, bên trong mơi trƣờng a-xít hay kiềm nhƣng lại rất nhạy ánh sáng, có vai trị bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dƣới các tác dụng của ăn mịn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo.
Nguyên lý hoạt động của hệ quang khắc đƣợc mô tả bởi Hình 2.12, chùm tia tử ngoại đƣợc chiếu qua một mặt nạ (có in hình ảnh của chi tiết cần chế tạo), sau đó đi qua một thấu kính hội tụ và hội tụ trên bề mặt mẫu đã phủ cảm quang.
Hình 2.12. Nguyên lý hoạt động của hệ quang khắc.
48
Hình 2.13. Các bước của kỹ thuật lift-off và kỹ thuật ăn mịn trong cơng nghệ
quang khắc.
Trong cơng nghệ quang khắc có hai kỹ thuật chính là:
Lift-off là kỹ thuật quang khắc sử dụng chất cảm quang bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa sau khi bị ánh sáng chiếu vào (cảm quang dƣơng);
Ăn mòn: là kỹ thuật quang khắc sử dụng chất cảm quang âm, khơng bị hịa tan trong các dung dịch tráng rửa sau khi bị ánh sáng chiếu vào, nó ngƣợc với q trình lift-off.
Trên Hình 2.13 là các bƣớc của kỹ thuật lift-off và kỹ thuật ăn mòn trong công nghệ quang khắc: (a) chiếu ánh sáng lên bề mặt vật liệu đã đƣợc phủ chất cảm quang; (b) tráng rửa làm mất phần cảm quang cần loại bỏ; (c) phún xạ vật liệu lên trên đế và lớp cảm quang còn lại; (d) tráng rửa để loại bỏ phần cảm quang còn lại và lớp vật liệu phún xạ trên lớp cảm quang đó.
Bƣớc 1. Chuẩn bị bề mặt:
- Loại bỏ tạp chất trên bề mặt đế. Tùy vào từng bề mặt có thể lựa chọn một hay tổ hợp các phƣơng pháp sau: Thổi khí nitơ có áp suất cao; Tẩy tạp chất bằng
Đế
Chất cảm quang ban đầu
Cảm quang biến đổi do ánh sáng Vật liệu cần tạo
Ánh sáng Ánh sáng
Sau khi tráng rửa Sau khi tráng rửa
Ăn mòn phần thừa Bốc bay vật liệu
Loại bỏ cảm quang Loại bỏ cảm quang
Kỹ thuật liff-off Kỹ thuật ăn mịn
49
hóa chất thích hợp (nhƣ cồn, aceton …); Sử dụng vịi nƣớc có áp suất cao để cọ rửa. Cuối cùng thổi khơ bằng khí N2.
- Sấy tách ẩm. Loại bỏ ẩm trên bề mặt các wafer bằng cách gia nhiệt (150~200oC).
- Phủ lớp primer: Primer thƣờng sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane) có khả năng làm tăng khả năng kết dính giữa của photoresist trên bề mặt đế.
Bƣớc 2. Phủ lớp cảm quang (photoresist):
Sử dụng máy quay li tâm (spin-coating). Các thơng số kiểm sốt trong giai đoạn này gồm: Tốc độ 500-6000 vòng/phút; Thời gian quay từ 15-30 giây; Độ dày lớp phủ: 0.5-15 m.
Bƣớc 3. Sấy sơ bộ (pre-baking hoặc Soft-baking):
Sau khi phủ lớp cảm quang, mẫu đƣợc sấy sơ bộ trên hot plate làm bay hơi dung mơi và nƣớc có trong chất cảm quang. Sau quá trình sấy, độ dày lớp cảm quang giảm khoảng 25%.
Bƣớc 4. Chiếu sáng (Exposure):
Mặt nạ cách chất cảm quang một khoảng cách nhỏ. Hệ đƣợc chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên nền, mặt nạ đƣợc đặt giữa thấu kính và nền.
Bƣớc 5. Tráng rửa (development):
Dùng hóa chất tách các chất cảm quang chƣa đóng rắn. Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không đƣợc chiếu là 4:1. Các thông số cần đƣợc kiểm sốt trong q trình rửa là: nhiệt độ rửa, thời gian rửa, phƣơng pháp và hóa chất để rửa. Phƣơng pháp rửa bao gồm hai phƣơng pháp: phƣơng pháp nhúng (đƣa trực tiếp dung dịch rửa) và phƣơng pháp phun.
Bƣớc 6. Sấy sau khi hiện ảnh:
Mục đích của bƣớc này là làm cho lớp cảm quang cứng hoàn tồn, đồng thời tách tồn bộ dung mơi ra khỏi chất cảm quang
2.3.2. Chế tạo ô nhớ kích thƣớc nano mét bằng cơng nghệ quang khắc chùm điện tử
50
Trong nghiên cứu này, các kích thƣớc cỡ nano mét khi tạo hình transistor đƣợc thực hiện trên thiết bị khắc chùm điện tử (electron beam lithography), model JBX-6300FS, tại Viện Cơng nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology), nhƣ trên Hình 2.14a. Trong điều kiện lý tƣởng khi đạt cao áp 100 kV, thì chùm điện tử có thể hội tụ với đƣờng chùm (beam line) chỉ cỡ 2.1 nm, tuy nhiên trong điều kiện thông thƣờng, độ hội tụ của chùm điện tử đạt cỡ 5-8 nm.
Hình 2. 14. (a) Thiết bị khắc chùm điện tử JBX-6300FS, (b) sơ đồ cấu tạo
của hệ quang khắc chùm điện tử [112].
Súng điện tử Cuộn dây định vị
Thấu kính hội tụ thứ nhất
Thấu kính hội tụ thứ hai Các tâm chắn Hạn chế góc mở Lớp cảm quang Phiến đế bán dẫn Giá đỡ Máy phát hình ảnh Điều khiển bằng máy tính (a) (b)
51
Hình 2.15. Thiết kế kích thước nano trên phần mềm AutoCAD.
Để hiểu về thiết bị khắc chùm điện tử JBX-6300FS, chúng ta xét nguyên tắc hoạt động, khác với lithorgraphy dùng chùm ánh sáng, phƣơng pháp EBL dùng chùm điện tử năng lƣợng cao để làm biến đổi tính chất của lớp cảm quang. Khắc hình bằng chùm tia điện tử là một phƣơng pháp công nghệ mới, tạo ra các chi tiết cỡ nm trong mạch điện tử tích hợp (IC). Chùm tia điện tử đƣợc chiếu thông qua các “mặt nạ”- đƣợc tạo ra nhờ các thấu kính điện từ - và truyền hình ảnh của mặt nạ lên đế bán dẫn. Những “mặt nạ” này đƣợc vẽ từ phần mềm AutoCAD, sau đó đƣợc số hoá và truyền sang bộ phận giao tiếp của thiết bị JBX-6300FS, thông qua card kết nối chuyên dụng. Bƣớc sóng λ chùm tia điện tử đƣợc tính thơng qua điện thế tăng tốc V. Nhƣng cƣờng độ chùm tia điện tử phải đạt cỡ hàng chục mA mới đảm bảo đƣợc năng suất khoảng hơn 10 phiến đế mỗi giờ (tất cả các kiểu chiếu véc tơ hay dò bƣớc - quét), nhƣ quan sát trên Hình 2.14b.
Thơng thƣờng, các q trình lift-off hay ăn mịn khơ/ƣớt sẽ đƣợc hỗ trợ để tạo khe máng và nguồn cho thiết bị transistor. Đối với quá trình lift-off, nếu chúng ta sử dụng đơn lớp phản chùm điện tử (EB resist), thì chất hồ tan lớp phản điện tử (resist remover) sẽ khó phá vỡ liên kết để tạo ra các khe nm, vì sau khi ngƣng kết lớp Pt lên, lớp này sẽ phủ kín tất cả các cạnh của hình mẫu đơn lớp (patterns). Vấn đề này sẽ đƣợc giải quyết khi sử dụng cấu trúc hai lớp (double-layer EB resist), trong đó lớp phía dƣới có tốc độ hồ tan trong nhanh hơn, tức là sau khi hoà tan hai chất phản chùm điện tử cùng nhau (quá trình developing), thì lớp ở dƣới sẽ ngắn hơn lớp
52
ở trên. Chính điều này làm cho chất hồ tan (remover) có thể xâm nhập vào các lớp phản chùm điện tử, trong quá trình lift-off. Tuy nhiên, kỹ thuật này sẽ gặp nhiều khó khăn khi tạo hình các kích thƣớc dƣới 100 nm, vì khó điều khiển chính xác 2 lớp sau khi chiếu chùm điện tử. Do đó trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển một kỹ thuật mới để tạo hình khe máng nguồn có các kích thƣớc 30, 50, 100 nm bằng cách chiếu trực tiếp chùm điện tử vào bề mặt mẫu đã đƣợc phủ lớp phản chùm điện tử dƣơng (ZEP520A). Lớp ZEP520A đƣợc quay phủ ở tốc độ 2000 rpm, để khống chế độ dày khoảng 100 nm. Sau đó, lớp này đƣợc sấy ở 90oC để đảm bảo độ bám dính cần thiết trên đế. Để tạo hình nhỏ nhất là 30 nm, chúng tơi đã sử dụng đƣờng chùm (beam line) cỡ 8 nm, tƣơng ứng với điện thế khoảng 80 kV, trong điều kiện chân không đạt cỡ 10-6
Pa, dƣới sự hỗ trợ của bơm chân không ion (ionization pump). Thời gian chiếu cho mỗi transistor phụ thuộc vào kích thƣớc thiết kế, ví dụ chiếu cho độ rộng 30 nm, và chiều dài khoảng 2 m, thì cần thời gian khoảng 10 phút. Để chiếu cho tồn bộ diện tích 1×1 cm2, thì thƣờng cần thời gian là 1 ngày hoặc dài hơn, phụ thuộc vào thiết kế tạo hình, nhƣ ví dụ trên Hình 2.15.
2.3.3. Ăn mòn (Etching)
Tùy vào độ phân giải của chi tiết, các thiết bị có thể đƣợc sử dụng cơng nghệ ăn mịn ƣớt (> 3m) hay ăn mịn khơ (< 3m)
Ăn mòn ƣớt: là phƣơng pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất để hòa tan các
resist chƣa đóng rắn. Dụng cụ chỉ bao gồm một thùng chứa hóa chất để hịa tan resist chƣa đóng rắn và một mặt nạ. Mặt nạ không tan trong dung môi (hoặc tan chậm hơn rất nhiều) so với phần resist chƣa đóng rắn có tác dụng giữ hình ảnh đúng theo yêu cầu. Tuy nhiên phƣơng pháp này có hai nhƣợc điểm sau:
Thứ nhất, dễ ăn mịn vào lớp ơ-xít bên dƣới lớp phản quang (photoresist) do sự ăn mịn này khơng có định hƣớng làm cho hình ảnh khơng đúng với u cầu.
Thứ hai, sử dụng hóa chất chủ yếu là các a-xít cho nên sẽ gây ảnh hƣởng tới sức khỏe của kỹ thuật viên và gây tác động không mong muốn đến mơi trƣờng.
Đã có nhiều nghiên cứu về q trình ăn mịn màng mỏng PZT. Hầu hết đều sử dụng dung dịch ăn mịn là hỗn hợp của các axít nhƣ HF và HCl [86, 80]. Nguyên
53
tố Zr, Ti, Pb trong màng PZT lần lƣợt bị ăn mịn (hay hịa tan) bởi dung dịch axít HF, HF và HCl, HCl.
A xít HF phản ứng với PZT theo phƣơng trình sau: Pb(Zr,Ti)O3 + H+ + F- + Cl- →
PbFCl↓ + [PbCl4]2- + [ZrF6]2- + [TiF6]2- + H2O (2.4) Cả hai nguyên tố Ti và Zr đều bị ăn mịn bởi a xít HF, tuy nhiên nguyên tố Ti tan trong dung dịch axít HF nhanh hơn so với nguyên tố Zr. Ngoài ra ở phản ứng trên ta thấy cịn hình thành pha rắn PbFCl. Chất rắn này tiếp tục đƣợc hịa tan trong dung dịch axít HCl hay HNO3 theo phƣơng trình phản ứng sau:
PbFCl↓ + H+ → PbCl2 + Pb2+ + HF (2.5)
Ăn mịn khơ: là kỹ thuật ăn mịn có định hƣớng sử dụng các plasma hoặc
hỗn hợp khí có tính phá hủy mạnh (CH4/O2/H2, F2...) để tạo các chi tiết có độ phân giải nhỏ cho các thiết bị. Tùy vào vật liệu ăn mòn ngƣời ta sẽ sử dụng hơi ăn mòn (khơng phản ứng) hay dùng ion hoạt hóa để ăn mịn.
Hình 2.16. Cấu tạo buồng RIE dùng trong phương pháp ăn mịn khơ ICP.
Phƣơng pháp dùng ion hoạt hóa (RIE): Hình 2.16 mơ tả sơ đồ ngun lí của buồng ăn mịn khơ. Dịng khí thích hợp (tùy vào photoresist) đƣợc đƣa vào buồng (1) để tạo ra plasma bằng nguồn điện có tần số radio 13.56 MHz và vài trăm Watt.
Dịng khí
Đế cần ăn mịn Cuộn dây
tạo điện trƣờng
Nguồn rf