6. Cấu trúc của luận án
1.2.1. Một số phương pháp chế tạo màng mỏng
Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo màng mỏng bán dẫn, điện môi và kim loại thường được dùng trong cơng nghệ micrơ và nanơ điện tử. Có thể phân ra thành một số nhóm cơng nghệ chính tuỳ theo tính chất như tạo màng bằng phương pháp sol-gel, lắng đọng hơi hoá học (CVD), epitaxi chùm phân tử (M E), bốc bay chùm điện tử (E E), bốc bay nhiệt trong chân không (VTE), phún xạ catôt (CS),... Dưới đây là một số phương pháp chủ yếu để chế tạo màng mỏng.
1.2.1.1. Phương pháp sol-gel
Trong khoa học vật liệu, phương pháp sol-gel [142] là một phương pháp hoá học để tạo ra vật liệu rắn từ các phân tử nhỏ. Phương pháp này được sử dụng để chế tạo các oxit kim loại. Phương pháp sol-gel là một kĩ thuật để tạo ra một số sản phẩm có hình dạng mong muốn ở cấp độ nano. Quá trình sol-gel thường liên quan đến những phân tử alkoxit kim loại mà chúng sẽ bị thuỷ phân dưới những điều kiện được kiểm sốt và ngay sau đó những chất này phản ứng với nhau tạo ngưng tụ để hình thành liên kết cầu kim loại-oxi-kim loại. Phản ứng sol-gel đã được quan tâm để tạo gốm sứ và được nghiên cứu rộng rãi vào đầu năm 1970, ngày nay sol-gel được ứng dụng rộng rãi trong khoa học đời sống.
Một hệ sol là sự phân tán của các hạt rắn có kích thước khoảng 0,1 đến 1 μm trong chất lỏng, trong đó chuyển động lơ lửng của các hạt trong hệ được duy trì bằng chuyển động ngẫu nhiên Brown [12]. Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đông tụ các hạt keo. Các hạt sol đến một thời điểm nhất định thì hút lẫn nhau để trở thành những phân tử lớn hơn (đến kích thước cỡ 1-100 nm) và tuỳ theo xúc tác có mặt trong dung dịch mà phát triển theo những hướng khác nhau. Một hệ gel là một trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đó một mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng kết dính lại tạo thành gel [27]. Sự ngưng tụ của các hạt sẽ tạo thành mạng lưới. Tăng nồng độ dung dịch, thay
đổi độ pH hoặc tăng nhiệt độ nhằm hạ hàng rào cản tĩnh điện cho các hạt tương tác để các hạt kết tụ với nhau, tạo thành gel.
1.2.1.2. Phương pháp lắng đọng hơi hoá học
Phương pháp lắng đọng hơi hoá học là phương pháp chế tạo màng vật liệu dựa trên các phản ứng hoá học ở pha hơi trong một buồng lị có nhiệt độ áp suất nhất định. Trong quá trình phản ứng, một số vật liệu cần chế tạo sẽ lắng đọng lên trên bề mặt của đế vật liệu hoặc lắng đọng vào các cấu hình định sẵn nhằm phục vụ cho chế tạo vật liệu linh kiện mạch tổ hợp. Các điều kiện về thiết bị, nhiệt độ trong buồng lò và áp suất sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới các thông số về cấu trúc màng, tính chất điện, nhiệt và tính chất quang, tính đồng đều của màng... [1].
Q trình lắng đọng hố học lên đế thường có những yêu cầu khác nhau: một số phương pháp chỉ đơn thuần lắng đọng tạo một lớp màng mỏng lên đế có độ bám dính tốt (nhờ lắng đọng lớp oxit, tạo màng kim loại lên đế...), một số phương pháp khác lại có yêu cầu khác nhờ cần nuôi một màng bán dẫn lên đế bán dẫn có cấu trúc tinh thể theo một hướng nhất định, có các thành phần hố học xác định.
Các phương pháp sau đây thuộc nhóm các phương pháp tạo màng bằng epitaxi.
1.2.1.3. Phương pháp epitaxi chùm phân tử
Chữ “epitaxi” là chữ ghép của 2 từ gốc Hy Lạp trong đó “epi” có nghĩa là “lên trên”, “taxi” có nghĩa là sắp xếp có thứ tự và “epitaxi” có nghĩa là sắp xếp có thứ tự liên tục lên trên đế. Phương pháp epitaxi có thể chế tạo một lớp màng bán dẫn mỏng xác định để tạo ra một lớp vật liệu có điện trở suất thích hợp, có chiều dày cỡ vài lớp nguyên tử đến vài micrômét lên trên tấm đế để làm linh kiện bán dẫn nanô và micrô điện tử [1].
Phương pháp epitaxi chùm phân tử, M E (Molecular Beam Epitaxy) là một trong những phương pháp hiện đại, quan trọng nhất tạo ra tiếp giáp dị thể để chế tạo ra các linh kiện micrô và nanơ điện tử. Hình 1.6 là lược đồ của thiết bị M E [1]. Công
nghệ M E u cầu có độ chân khơng siêu cao (UHV) thơng thường ở 5.10−11 mbar
(áp suất khí quyển vào khoảng 103
nhiệt độ cần thiết. Trong buồng thiết bị có một số buồng đệm chứa các vật liệu khác nhau để phục vụ cho q trình ni màng. M E có tốc độ ni rất nhỏ, cỡ một lớp nguyên tử trên giây và với sự thay đổi tấm che chắn bên trong thiết bị người ta có thể thay đổi các lớp vật liệu khác nhau cần ni lên đế, nghĩa là có thể ni màng vật liệu cấu trúc có nhiều lớp thay đổi nhau, có nồng độ pha tạp và độ dày theo ý muốn.
Hình 1.6. Lược đồ thiết bị M E [1].
M E có thể cho phép người ta điều khiển rất chính xác các kích thước vật liệu dọc theo hướng ni. Vì khơng có phản ứng hố học xảy ra trong kĩ thuật M E, nên q trình ni là rất đơn giản so với các kĩ thuật nuôi epitaxi, song điều quan trọng nhất ở đây là q trình ni có thể điều khiển được hoàn toàn theo ý muốn. Tuy nhiên, tạo màng vật liệu bằng M E cần chân không rất cao nên việc hạn chế khơng để cho khí dị vào buồng chân khơng cao là vấn đề khó khăn nhất [1].
1.2.1.4. Phương pháp bốc bay nhiệt chân không
Phương pháp bốc bay nhiệt chân không (VTE) là một phương pháp tương đối cổ điển được phát triển từ những năm 1950, và sử dụng để chế tạo các lớp màng dẫn điện kim loại hay màng silicit. ốc bay nhiệt trong chân không (Vacuum Themal Evaporation − VTE) và bốc bay chùm tia điện tử (EBE) là hai phương pháp thơng
thường nhất. Ngồi ra, cịn có phương pháp epitaxi chùm tia phân tử M E như đã trình bày ở trên và phương pháp bốc bay tần số vơ tuyến (RF) [1].
Hình 1.7. Ngun lí cấu tạo của thiết bị bốc bay tần số vô tuyến (RF) [1].
Phương pháp bốc bay RF cũng thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết vi quang. Để lắng đọng một lớp cách điện hay lớp bao phủ bảo vệ cần nguồn đốt xoay chiều cao tần (khoảng 13,56 MHz) thay cho nguồn một chiều. Nguồn một chiều hay xoay chiều đều chỉ cho phép một tốc độ lắng đọng giới hạn. Nếu trong thiết bị có thêm từ trường dẫn cùng với điện trường sẵn có, điện tử ở trong mơi trường plasma phải đi theo các quỹ đạo xoắn. Đường đi của điện tử dài hơn và vì thế xác suất va chạm giữa điện tử và phân tử khí tăng lên rõ rệt và điều này làm cho số lượng ion cũng tăng đáng kể. Nhờ phương pháp này, tốc độ tạo màng có thể đạt được khoảng 1 μm/phút.
1.2.1.5. Phương pháp phún xạ catôt
Phương pháp phún xạ catôt (CS) là một trong những phương pháp lắng đọng quan trọng theo nguyên lí vật lí. Cấu trúc buồng phun gồm hai điện cực nằm đối diện nhau. ề mặt catôt được phủ bằng vật liệu cần tạo màng. Cực anôt là vật liệu cần được phủ màng lên. uồng phun chứa khí trơ thường là agôn với áp suất rất thấp. Dưới tác động của điện trường, một phần agơn bị ion hố. Những ion này được tăng tốc và bắn vào bề mặt catôt. Các nguyên tử bay ra khỏi bề mặt catôt đến anôt với năng lượng khoảng 10 eV. Năng lượng này giảm dần xuống 1 ÷ 2 eV trên
đường đến anôt do va chạm với plasma agôn. Kết quả là trên bề mặt anơt có một màng vật liệu như mong muốn được tạo ra.
Hình 1.8. Sơ đồ ngun lí về phún xạ catơt.
Trong sơ đồ này bia là vật liệu cần bốc bay bằng phún xạ được bắn phá bởi ion, ví dụ bằng ion
Ar+. Các ion và ngun tử của bia bị bật ra và vì catơt là điện cực Al được nối với thế âm, cịn anơt là đế phiến bán dẫn được nối với đất nên các nguyên tử Al sau khi bật ra được gia tốc về phía anơt tạo ra một màng mỏng Al trên bề mặt phiến đế [1].
Phương pháp này thường chỉ được dùng chế tạo các lớp màng dẫn điện. Các lớp màng tạo ra bằng (PVD) so với (CVD) sẽ có độ phủ bờ mép kém hơn, đặc biệt tại các rãnh sâu tạo ra bởi quang khắc, việc bao phủ khơng kín sẽ làm hở phần vật liệu đế gây nên nhiều phiền toái cho các khâu công nghệ tiếp theo. Phương pháp này còn gọi là phủ dị hướng vì khơng phủ được bờ tường rãnh sâu. Để tăng chất lượng phủ mép bờ, người ta cần áp dụng một số kĩ thuật đặc biệt như thay đổi khoảng cách giữa hai cực, giảm áp suất thấp hơn hay sử dụng một ống chuẩn trực nằm giữa hai điện cực.