Phương pháp bốc bay nhiệt
Thiết bị bay hơi đơn giản được trình bày trên hình 10. Đế cần phủ màng sẽ được đặt trong buồng chân không của hệ bốc bay. Chân không được tạo ra bằng hệ bơm khuếch tán hoặc bơm nhiệt độ thấp. Các hệ bơm khuếch tán thường có bẫy lạnh để hạn chế hơi dầu của bơm bay vào buồng. Vật liệu cần lắng đọng được đặt vào vào chén nung (crucible) và được đốt nóng bằng lị điện trở. Vật liệu được nung nóng đến khi bay hơi. Vì áp suất trong buồng chân không thường cỡ 10-5 mmHg, các nguyên tử vật liệu sẽ bay thẳng lên đế và tích tụ thành màng trên bề mặt đế. Các hệ chân khơng có thể được trang bị đến 4 chén nung và cùng lúc có thể kết tủa màng cho 24 phiến. Hơn nữa, nếu cần tạo màng hợp kim, có thể sử dụng nhiều chén nung cùng một lúc.
19
Hình 10: Cấu tạo hệ bốc bay chân không cơ bản.
Phủ bậc thang
Một trong những hạn chế của phương pháp bay hơi là khả năng phủ bậc thang. Hình 10 miêu tả hình dạng của màng lắng đọng trên bậc thang. Bậc thangở đây là cửa sổ tiếp xúc được ăn mòn trong lớp cách điện cho đến đế bán dẫn. Trong phạm vi kích thước ∼1 µm có thể coi chùm vật liệu tới là song song. Giả thiết các nguyên tử vật liệu bất động trên bề mặt phiến Si, sẽ có hiện tượng bóng (shadow) và màng thường bị đứt đoạn trên một phía của tiếp xúc (hình 11a). Đây là vấn đề đặc biệt hệ trọng vì khâu phủ màng kim loại là những cơng đoạncuối cùng của quy trình chế tạo.
(a) (b)
Hình 11: Màng bay hơi trên bậc thang: (a) Trường hợp nhiệt độ đế thấp; (b)
Nhiệt độ đế cao và quay đế.
Phương pháp thường được sử dụng để cải thiện độ phủ bậc là quay phiến trong quá trình bay hơi. Giá đỡ phiến hình chỏm cầu được thiết kế sao cho có thể quay phiến xung quanh đỉnh của buồng chân không. Tốc độ lắng đọng trên
vách tuy vẫn nhỏ hơn tốc độ lắng đọng trên mặt phẳng nhưng đồng đều theo trục (hình 1.5b). Một thơng số quan trọng là tỉ số giữa chiều cao và chiều rộng bậc. Tỉ số này càng nhỏ hơn 1 thìđộ đồng đều của màng càng tốt.
Phương pháp thứ hai để cải thiện độ phủ bậc là đốt nóng phiến. Nhiều hệ bay hơi sử dụng đèn hồng ngoại hoặc sợi đốt kim loại để nung nóng phiến. Các nguyên tử đến được bề mặt có thể khuếch tán trên bề mặt trước khi liên kết hố học để tạo màng. Hiệu ứng bóng tạo ra gradient nồng độ, và khuếch tán sẽ giúp vật liệu di chuyển đến vùng có tốc độ lắng đọng thấp. Tương tự trường hợp khuếch tán trong khối, chúng ta có thể xác định hệ số khuếch tán bề mặt theo dạng Arrhenius:
Năng lượng hoạt hoá bề mặt nhỏ hơn nhiều so với năng lượng hoạt hoá khuếch tán khối, do đó khuếch tán mặt có thể xảy ra rất mạnh ngay cả ở nhiệt độ vài trăm oC. Nếu thời gian trung bình trước khi kết hợp là , ta có chiều dài
khuếch tán bề mặt đặc trưng:
Vì Ds phụ thuộc nhiệt độ theo hàm mũ, việc nung nóng phiến trên nhiệt
độ phịng có thể làm tăng đáng kểLs. Bằng phương pháp này có thể phủ màng
liên tục trên các bậc thang cao hơn nhiều. Một nhược điểm của phương pháp nung nóng đế là khó có thể lắng đọng màng hợp kim: hệ số khuếch tán của các nguyên tử khác loại có thể rất khác nhau, do đó thành phần của màng ở phía dưới và phía trên khác nhau. Nhược điểm thứ hai là khi nhiệt độ đế tăng hình thái màng bị ảnh hưởng, thường là tạo các hạt kích thước lớn.
Bốc bay chùm tia điện tử
Việc nhiễm bẩn vật liệu bay hơi từ chính vật liệu làm chén nung vẫn là vấn đề nan giải. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách chỉ nung vật liệu bay hơi mà không gia nhiệt cho chén. Để thực hiện việc này người ta sử dụng kỹ thuật bay hơi bằng chùm tia điện tử, với nguồn bay hơi thông dụng được miêu tả trên hình 12.
Một súng điện tử ở phía dưới chén nung phát ra chùm điện tử cường độ cao và năng lượng cao. Việc bố trí sợi đốt ở phía dưới làm giảm thiểu lắng đọng vật liệu sợi đốt lên bề mặt phiến. Từ trường mạnh lái chùm tia điện tử
− = kT E D D a o s exp s s D L =
21
lệch 2700 để chiếu lên bề mặt vật liệu bay hơi. Có thể quét chùm tia trên vật liệu để tăng phần bay hơi.
Do có khả năng kết tủa nhiều loại vật liệu khác nhau, các hệ bay hơi bằng chùm tia điện tử cũng được sử dụng nhiều trong cơng nghệ GaAs.
Hình 12: Nguồn bay hơi bằng chùm tia điện tử
Kể cả trong phương pháp bay hơi bằng chùm tia điện tử, sợi đốt vẫn là nguồn nhiễm bẩn trong buồng chân không, đặc biệt khi chân không siêu cao. Một vấn đề khác cũng rất nghiêm trọng đối với công nghệ silicon, đó là sai hỏng do bức xạ. Bức xạ ở đây là do các điện tử bị kích thích mạnh trong vật liệu bay hơi khi trở về trạng thái cơ bản thì phát ra tia X. Vì các tia X sẽ gây ra sai hỏng trong đế và trong lớp điện môi nên các hệ bay hơi bằng chùm tia điện tử không thể sử dụng trong công nghệ MOS và các công nghệ khác nhạy cảm đối với loại sai hỏng này.
Thơng thường nên có nhiều nguồn bay hơi trong một hệ, kể cả khi chỉ dùng một nguồn mỗi lần. Như vậy có thể lắng đọng các vật liệu khác nhau mà không cần mở buồng chân khơng cao. Đối với hệ điện trở, có thể sử dụng hộp chuyển mạch cơng suất, với mỗi chén nung có cuộn đốt riêng. Các hệ bay hơi bằng chùm điện tử rất thích hợp với ứng dụng này vì rất rễ lái chùm điện tử từ nguồn này sang nguồn khác nhờ thế tĩnh điện hoặc bằng từ trường. Mặt khác, có thể di chuyển các nguồn khác nhau đến vị trí chùm điện tử bằng cơ cấu cơ học.