PECVD hoạt động dựa theo nguyên tắc của phương pháp CVD nhưng được kiểm sốt chặt chẽ bởi các thơng số sau đây:
° Nhiệt độ đế : làm tăng tốc độ phản ứng bề mặt và được kiểm sốt bởi nguồn nhiệt từ bên ngồi.
° Tốc độđdịng khí : mật độ dịng khí cao hơn cĩ thể tăng tốc độ phủ dẫn đến tính chất màng sẽ biến đổi.
°Aùp suất: làm thay đổi mật độ phủ, tăng áp suất cĩ thể dẫn đến các phản ứng hĩa học trong khí.
° Mơi trường truyền đĩng vai trị rất quan trọng, ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng và tính chất của màng. Mơi trường plasma là một ưu thế lớn của phương pháp PECVD.
° Thời gian lắng đọng: quyết định độ dày của màng.
Hình 1.18 minh họa sơ đồ hệ thống hoạt động của một hệ PECVD :
a. Plasma và vai trị của plasma:
Plasma dùng trong PECVD là dạng plasma phĩng điện khí (glow – discharge). Dạng plasma này được hình thành khi giữa anốt và katốt cĩ một hiệu thế xác định. Hiệu thế được cung cấp để hình thành và duy trì plasma cĩ thể từ nguồn DC hay RF.
Plasma đĩng vai trị ion hĩa các precursor tạo ra các gốc tự do và là mơi trường truyền các gốc tự do khuếch tán xuống đế.
b. Quá trình hình thành các gốc tự do dưới tác động của plasma:
Khí SiH4 dưới tác động của nguồn plasma sinh ra khí Si và ngưng tụ trên bề mặt. Khí bị phản ứng do sự va chạm với electron được thể hiện ở phương trình sau:
SiH4 + e-(năng lượng cao) → SiH3 + H + e- (năng lượng thấp)
Quá trình va chạm trên cho thấy khi một electron cĩ năng lượng cao va chạm với phân tử làm phân ly phân tử SiH4 thành hai gốc tự do SiH3 và H. Riêng SiH3 là gốc trung hịa cĩ một electron chưa bão hịa chính vì thế chúng làm cho các gốc tự do dễ dàng phản ứng để đưa electron này trở về trạng thái bảo hịa. Do đĩ, tốc độ phản ứng của các gốc tự do thường cao hơn các tác chất khác rất nhiều dẫn đến làm tăng tốc độ phản ứng của quá trình tạo màng. Dưới đây là một số phản ứng tạo thành các gốc tự do trong quá trình PECVD dùng precursor SiH4: 4 3 4 2 4 2 4 2 2 2 e SiH SiH H e SiH SiH H e SiH SiH H H e SiH Si H H − ∗ ∗ − ∗ ∗ − ∗ ∗ − ∗ + → + + → + + → + + + → + +
Các gốc tự do sinh ra trong mơi trường plasma chuyển động ngẫu nhiên đến đế và bị hấp phụ trên bề mặt đế. Sự hấp phụ này làm cho nồng độ gốc tự do tại bề mặt nhỏ hơn nồng độ trong plasma dẫn tới sự hình thành một gradient nồng độ hướng từ đế đến giữa plasma, các gốc tự do sẽ liên tục khuếch tán xuống đế nhờ gradient nồng độ.
d. Hấp phụ:
Hiện tượng hấp phụ vật lý và hấp phụ hĩa học xảy ra khi gốc tự do di chuyển xuống đế. Khả năng hấp phụ tại bề mặt cũng ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng của màng.
- Nếu tốc độ hấp phụ lớn hơn nhiều so với khuếch tán thì tốc độ lắng đọng được quyết định bởi quá trình khuếch tán.
- Nếu tốc độ hấp phụ nhỏ hơn nhiều so với khuếch tán thì tốc độ lắng đọng được quyết định bởi khả năng hấp phụ.
Bộ điều khiển dịng khí gồm cĩ bốn van cĩ thể điều chỉnh được tốc độ dịng khí đi vào buồng phản ứng (buồng lắng đọng). Tùy theo mục đích tạo màng mà ta đưa dịng khí vào, nếu tạo màng Si:H thuần thì chỉ đưa khí SiH4 và
H2, pha tạp loại n thì trộn thêm P, pha tạp loại p thì thêm B. Tỉ lệ giữa các khí được chọn theo yêu cầu thực nghiệm. Trong buồng lắng đọng đặt đế để phủ màng. Ngồi ra cịn cĩ bộ phận cung cấp nhiệt độ cho đế và nguồn RF để tạo và duy trì plasma trong quá trình tạo màng. Bộ phận bơm chân khơng để đạt được mơi trường chân khơng cao trong buồng. Khí N2 dùng để làm lỗng sản phẩm phụ trong q trình lắng đọng và đẩy chúng ra ngồi, an tồn cho cả hệ.
1.3.2. Các thơng số ảnh hưởng đến màng
Trong các thơng số đặc trưng của phương pháp chế tạo màng bằng phương pháp PECVD, chúng tơi chọn ra thơng số tỉ lệ khí pha lỗng để khảo sát ảnh hưởng của nĩ lên sự chuyển đổi cấu trúc của màng.
Tỉ lệ dịng khí pha lỗng giữa hydro và silan cĩ liên quan đến tốc độ lắng đọng và cĩ ảnh hưởng đến việc hình thành cấu trúc tinh thể của màng. Hydro được đưa vào buồng ngồi việc dễ dàng duy trì plasma mà cịn mục đích đưa ngun tử hydro phản ứng tại bề mặt đế tạo liên kết Si-H trong màng hình thành nên màng Si:H cĩ mật độ khuyết tật thấp. Chính vì thế mà chúng tơi chọn thơng số này để khảo sát và điều khiển quá trình phát triển màng, đồng thời tìm hiểu ảnh hưởng của nĩ lên tính chất của màng như thế nào.
Vấn đề này đã được nhiều nhĩm tác giả nước ngồi quan tâm và thực hiện đem lại một số kết quả đáng kể chẳng hạn như nghiên cứu của Mullerova – Trung tâm nghiên cứu khoa học thuộc trường đại học West Bohemia, Cộng hịa Czech [12], bằng phương pháp PECVD lắng đọng từ khí vào là Hydro và Silane, họ cho rằng tỉ lệ khí pha lỗng làm ảnh hưởng đến sự phát triển tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất quang của màng. Nhưng đối với Việt Nam thì đây là một vấn đề mới đang được chúng tơi nghiên cứu.
Ngồi ra nhiệt độ đế cũng giữ vai trị khá quan trọng trong quá trình hình thành màng. Nhĩm tác giả thuộc trường đại học Nagoya, Nhật Bản đã làm màng
c
µ -Si:H bằng phương pháp phún xạ từ RF sử dụng hỗn hợp Argon và Hydro, và kiểm tra sự phụ thuộc của cấu trúc màng vào nhiệt độ đế trong suốt quá trình lắng đọng. Tốc độ lắng đọng hầu như bất biến khi nhiệt độ đế nằm trong khoảng 70oC - 150 oC, và giữa 200 oC - 350 oC. Tuy nhiên, nĩ giảm 20% khi nhiệt độ đế tăng từ 150 oC đến 200 oC. Nồng độ hydro trong màng phản ánh sự phụ thuộc của cấu trúc màng vào nhiệt độ tương tự như phụ thuộc vào tốc độ lắng đọng. Những phát hiện này cho thấy phản ứng bề mặt đã thay đổi khi tăng nhiệt độ đế. Phổ nhiễu xạ tia X thể hiện màng được làm ở điều kiện nhiệt độ dưới 100 oC thì khơng kết tinh, trong khi màng được làm ở điều kiện trên 120 oC sẽ tinh thể hĩa. Cường độ đỉnh XRD và kích thước tinh thể trung bình được đánh giá từ bề rộng
đỉnh XRD tăng theo sự tăng của nhiệt độ đế. Việc điều chỉnh nhiệt độ đế cũng quan trọng để tạo màng Si:H với bậc tinh thể cao. Dựa vào sự kết tinh theo nhiệt này mà chúng tơi chọn điều kiện nhiệt độ thích hợp cho q trình tạo màng của chúng tơi là 2500C. Tuy nhiên, chúng tơi đã thực hiện các thí nghiệm ở những điều kiện nhiệt độ khác nhau để kiểm chứng lại điều này.
1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA MÀNG Si:H TRONG CƠNG NGHIỆP
Màng a-Si:H cĩ nhiều ứng dụng trong kĩ thuật đem lại cho chúng ta mơ hình cơng nghiệp microelectron phát triển trong đĩ cĩ pin mặt trời, transistor màng mỏng (FETs), cảm biến, diod phát sáng trong vùng khả kiến (LEDs) và detector màu. Dưới đây là một vài ứng dụng tiêu biểu của màng Si:H hiện nay.