Lắng tụ hơi hóa học tăng cường plasma

CVD - Giới thiệu • CVD là gì? – Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hoá học  Quá trình tạo màng từ pha hơi.  Phản ứng hoá học đóng vai trò chủ chốt.  Đối tượng lắng tụ: các nguyên tử hoặc phân tử. • So với PVD? – Độ đồng đều cao. – Ứng suất nén  màng xếp chặt. – Độ phủ bước (step coverage) cao. – Không cần chân không cao. • Nhưng: – Sản phẩm phụ có thể độc. – Tiền chất đắt tiền. – Nhiệt độ lắng đọng cao.

pdf62 trang | Chia sẻ: nguyenlinh90 | Ngày: 23/07/2019 | Lượt xem: 142 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Lắng tụ hơi hóa học tăng cường plasma, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Lắng Tụ Hơi Hóa Học Tăng Cường Plasma Màng AlN (Nhôm nitride) tạo bằng phương pháp CVD. Màng SiO2 tạo bằng phương pháp MOCVD Tiền chất: TEOS ( Tetraethyloxysilic – Si(O-C2H5)4 ) Cấu trúc màng đồng (Cu) tạo bằng phương pháp CVD PECVD • CVD thường, CVD nhiệt • Plasma trong CVD, PECVD CVD - Giới thiệu • CVD là gì? – Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hoá học  Quá trình tạo màng từ pha hơi.  Phản ứng hoá học đóng vai trò chủ chốt.  Đối tượng lắng tụ: các nguyên tử hoặc phân tử. • So với PVD? – Độ đồng đều cao. – Ứng suất nén  màng xếp chặt. – Độ phủ bước (step coverage) cao. – Không cần chân không cao. • Nhưng: – Sản phẩm phụ có thể độc. – Tiền chất đắt tiền. – Nhiệt độ lắng đọng cao. CVD - Giới thiệu Lắng tụ hơi hóa học(CVD) • Lắng tụ hơi hóa học áp suất khí quyển (APCVD): CVD áp suất khí quyển (áp suất cao) • Low pressure Lắng tụ hơi hóa học(LPCVD): CVD áp suất thấp. • Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD): CVD tăng cường Plasma. • Photochemical vapor deposition (PCVD): CVD quang hóa học • Metal _organic chemical vapor deposition (MOCVD): CVD sử dụng hợp chất hữu cơ kim loại • Chemical beam epitaxy (CBE): chùm tia hóa học. CVD - Giới thiệu CVD - Giới thiệu • Các hiện tượng truyền (transport phenomena): dòng chảy, lớp biên, khuyếch tán, truyền nhiệt. • Nhiệt động học (Thermodynamics) • Động hóa học (Kinetics) • Plasma trong CVD – hoá học và vật lý plasma. Khí phản ứng Tiền chấts Khuyếch tán xuống đế Phản ứng pha khí, va chạm trong plasma Hấp phụPhản ứng Hóa học Tạo màng Hiện tượng truyền Lớp biên Nhiệt hóa học Động hóa học MFC CEM Ion bombarding Các hiện tượng truyền (transport phenomena) • Dòng chảy của khí (Gas flow). • Khuyếch tán (Diffusion). • Lớp biên (Boundary layer). • Các profile vận tốc, nồng độ và nhiệt độ. • Các số không đơn vị (Dimensionless numbers). Hiện tượng truyền – Dòng chảy • Hình ảnh dòng chất lưu và chảy qua một khúc quanh. – Jconv - thông lượng dòng đối lưu (dòng chảy của chất lỏng). – Jdiff - thông lượng dòng khuyếch tán. – D - hệ số khuyếch tán. – n - nồng độ. • Dòng đối lưu không thể đưa vật chất xuống đế nền. • Sự lắng đọng (chuyển vật chất từ dòng chảy xuống đế nền) có được bởi dòng khuyếch tán. • Định luật Fick 1: • Định luật Fick 2: C - nồng độ. • Hệ số khuyếch tán D: a: bán kính tiết diện tán xạ. • Hiện tượng khuyếch tán là hiện tượng gây ra lắng đọng trong CVD. • Khuyếch tán xảy ra khi có Gradient nồng độ trong dòng chất lỏng  Lớp biên có vai trò quan trọng. • Độ dài khuyếch tán thu được khi giải phương trình khuyếch tán với điều kiện biên cho trước: độ dài mà qua đó nồng độ giảm đi e lần. 3/ 2 3 2 Bk TD m Pa  Hiện tượng truyền - Khuyếch Tán dn J D dx   2 2 C C D t x       dL Dt Khuyếch tán tĩnh Khuyếch tán động Phụ thuộc mạnh vào áp suất khi ở áp suất thấp. Hiện tượng truyền - Khuyếch Tán (tiếp tục) • Nếu Ld >> L: nồng độ giảm không đáng kể trong buồng. • Nếu Ld << L: nồng độ giảm rất nhanh theo hàm exp(-x/Ld) trong buồng  “DOWN STREAM DEPLETION” Hiện tượng truyền - Lớp biên (boundary layer) • Lớp biên vận tốc sinh ra do độ nhớt của dòng khí và ma sát giữa dòng khí với thành buồng. • Lớp biên nồng độ sinh ra do sự hấp phụ chất phản ứng vào đế  gây ra gradient nồng độ  khuyếch tán. Ñoä daøy cuûa lôùp bieân taêng khi doøng khí nhoû vaø khoaûng caùch töø loái vaøo buoàng ñeán höôùng doøng troâi taêng. Lôùp bieân moûng hay daøy thì aûnh höôûng ñeán toác ñoä phaûn öùng. • Lớp biên nồng độ có dạng tương tự như lớp biên vận tốc. Hiện tượng truyền - Lớp biên (tiếp tục): Hình dạng lớp biên và các profile của vận tốc, nồng độ, nhiệt độ. Profile vận tốc Profile nồng độ Profile nhiệt độ Vaän khí phaûn öùng khi vaøo buoàng thì taêng daàn , ñaït cöïc ñaïi ngay taïi chính giöõa buoàng (nôi ñaët ñeá) vaø thaáp nhaát taïi beà maët cuûa thaønh oáng Khi nhieät ñoä ñeá thaáp thì phaûn öùng ñeá neàn seõ xaûy ra chaäm , do coù voâ soá chaát phaûn öùng ngay taïi beà maët. Do ñoù, phaûn öùng laéng ñoïng xaûy ra caøng nhanh khi nhieät ñoä ñeá caøng cao, luùc ñoù baát cöù phaân töû naøo ñeán beà maët ñeá ñeàu phaûn öùng ngay laäp töùc Doøng khí khi di chuyeån vaøo buoàng , seõ töø töø yeáu daàn, ngay taïi chính giöõa buoàng thì laéng ñoïng. Löôïng saûn phaåm phuï cuûa khí phaûn öùng seõ taêng leân trong lôùp bieân Hiện tượng truyền - Lớp biên (tiếp tục) Ảnh hưởng của lớp biên đến độ dày màng. Càng vào sâu trong buồng, lớp biên càng dày  gradient nồng độ càng nhỏ  độ dày màng không đồng đều. Đặt đế nền nghiêng song song với bề mặt lớp biên  làm giảm độ dày lớp biên  màng có độ dày đều hơn. Hiện tượng truyền – Các thông số cơ bản: số Reynold • Số Reynold: - Độ dày lớp biên: Re uL uL     Re x    khối lượng riêng chất của lưu.  độ nhớt.  độ nhớt động học,  = / - Re > 100: dòng chảy rối  không thể dùng trong CVD - Re < 10: dòng chảy tầng. Hiện tượng truyền – Các thông số cơ bản: số Damkohler. consumption at surface diffusion to surface s sK C K HDamkohler DC H D    • Dam no. << 1: tiêu tán << khuyếch tán  vận tốc phản ứng tại bề mặt quyết định tốc độ lắng đọng  “Differential Reactor” Nồng độ gần như không đổi ở theo chiều rộng buồng phản ứng. Ks: hằng số tiêu tán bề mặt  vận tốc tiêu tán bề mặt: R = KsC. Dòng khuyếch tán trong qua bề rộng H: J = D(dC/dx) ~ D(C/H). • Dam no. >> 1: tiêu tán >> khuyếch tán  vận tốc khuyếch tán xuống đế quyết định vận tốc lắng đọng  “Starved Reactor” Nồng độ giảm mạnh tại hai thành buồng Hóa học trong CVD • Nhiệt hóa học (Thermodynamics) • Động hóa học (Kinetics) • Các phản ứng hóa học trong CVD • Chất gốc (Tiền chất) Hóa học CVD - Nhiệt hóa học (Thermodynamics) • Khảo sát chiều xảy ra của một quá trình hóa học về phương diện năng lượng. • Chỉ quan tâm đến trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình, không quan tâm đến các trạng thái trung gian. Các khái niệm: 1. Năng lượng tự do Gibb: G = H –TS. 2. Hằng số cân bằng K. 3. Chiều xảy ra của phản ứng hóa học.         exp p q n m B C D G K k TA B         Nhiệt hóa học – Hằng số cân bằng K  Phaûn öùng:  Năng löôïng töï do Gibb: H: hàm nhiệt (enthalpy) S: entropy nA mB pC qD   G H T S     G caøng lôùn, K caøng nhoû Rào thế của phản ứng •Haèng soá caân baèng: ảnh hưởng của nhiệt độ 4 2 4 2 2 2 2 2 2 SiH Si H SiH O SiO H O      G = -1307 kJ/mole G = - 57 kJ/moleVd: 4 3 2 4 2 2 4 2 2 4 TiCl NH TiN HCl H TiCl H Ti HCl        G = 287 kJ/mole G = 92 kJ/mole Phản ứng rất dễ xảy ra  nổ Phản ứng không khả thi nhiệt học ở nhiệt độ thấp. Nhiệt hóa học - Chiều xảy ra của quá trình  K >> 1: phaûn öùng xaûy ra hoaøn toaøn.  K << 1: phaûn öùng khoâng theå xaûy ra veà maët nhieät hoïc.  Chæ phuï thuoäc T, khoâng phuï thuoäc aùp suaát hay noàng ñoä khí taûi.  Nhöng: AÙp suaát vaø noàng ñoä khí taûi aûnh höôûng ñeán noàng ñoä taïi ñieåm caân baèng. Vd: Silicon Epitaxy:        4 2 4 2 2 4 (1) ( ) ( ) 2 ( ) (2) SiCl gas H gas Si solid HCl gas SiCl gas Si solid SiCl gas      Noàng ñoä SiCl 4 cao, phaûn öùng (1) xaûy ra taïo maøng Si: DEPOSITION. Khi noàng ñoä SiCl 4 quaù cao, phaûn öùng (2) öu tieân xaûy ra , bieán Si töø pha raén sang SiCl 2 ôû pha khí: ETCHING. Nhiệt hoá học: Ăn mòn và lắng tụ • CÂN BẰNG PHẢN ỨNG Tạo màng Si trên đế Si: – Growth: SiHxCly +(y-x)/2 H2  Si(r) +x H2 + (y-x) HCl – Etching: Si(r) + Cl2  SiCl4 • LÀM SAO THU ĐƯỢC MÀNG ??? • CẦN PHẢI KIỂM SOÁT TỶ LỆ KHÍ CHO VÀO PHẢN ỨNG. • TỶ LỆ NÀY CÓ PHẢI LÀ HẰNG SỐ TRONG MỌI TRƯỜNG HỢP ??? TỶ LỆ NỒNG ĐỘ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ Hóa học CVD - Động hóa học (Kinetics) • Khảo sát cơ chế xảy ra của phản ứng hóa học. • Quan tâm đến các trạng thái trung gian. Các khái niệm: 1. Trạng thái trung gian (Transition state). 2. Năng lượng hoạt hóa (Activation energy). 3. Hằng số vận tốc (Rate constant). 4. Phản ứng phân giải phân tử (Unimolecular decomposition). 5. Xúc tác (Catalyst). Động hóa học - Hằng số vận tốc k • Phản ứng hoá học một giai đoạn mA nB pC qD   exp a B E k A k T        Naêng löôïng hoaït hoaù Haèng soá vaän toác (Rate constant) EX: Taïo maøng Polysilicon töø nguoàn Silane Saûn phaåm AB Traïng thaùi trung gian AB * Chất tham gia A & B Kích thíchKích thích * * * 4 2 22SiH SiH H   * * 2 2SiH Si H  Traïng thaùi trung gian Saûn phaåm k caøng lôùn: phaûn öùng xaûy ra caøng nhanh Vận tốc phản ứng     m n R k A B • Thực ra, các phản ứng là phức tạp (nhiều giai đoạn) *A B AB AB   Động hoá học: Trạng thái trung gian Động hóa học - Phản ứng phân giải phân tử Ñònh luaät Lindemann – Hinshelwood: A B C  *A A A A   *A A A A   *A B C    * 2 a d A k A dt     * ' * a d A k A A dt             * * b d A k A dt               2 ' b a A b a d B k k A R dt k k A      2 A aR k A  ' a b A a k k R A k  Phản ứng phân giải phân tử: i. Va chạm gây kích thích: ii. Va chạm khử kích thích: iii. Phân giải: Low P, Quassi - square High P 4 2( ) ( ) 2SiH gas Si solid H Vd: Động hoá học: Gốc tự do • Phản ứng trong CVD có Ea lớn vận tốc chậm. TẠI SAO TỐC ĐỘ TẠO MÀNG VẪN RẤT LỚN ?? • PHẢN ỨNG GỐC TỰ DO Ở PHA KHÍ – Gốc tự do có khả năng hoạt động hóa học lớn – Gốc tự do sau khi phản ứng sinh ra một gốc tự do mới • PHẢN ỨNG XẢY RA VỚI VẬN TỐC LỚN HƠN Động hóa học - Tổng kết. • Tóm lại : Bước trung gian chậm nhất quyết định vận tốc phản ứng. Nhiệt độ quá cao Bản thân đế nền là tác nhân XÚC TÁC. Sản phẩm bột , giảm chất lượng của màng. exp a B E k A k T        Rate constant k caøng lôùn: phaûn öùng xaûy ra caøng nhanh Ảnh hưởng nhiệt độ Activation Energy kgas > kdepo, xảy ra phản ứng pha khí. Kiểm soát điều kiện để hạn chế phản ứng pha khí, tăng phản ứng trên đế. Động hóa học - Tổng kết. • Thực tế: động học phản ứng và các trạng thái trung gian rất phức tạp. Hóa học CVD - Phản ứng trong CVD Nhiệt giải (Thermal decomposition – pyrolysis) 4 2( ) ( ) 2 ( )TiI g Ti s I g  • Hydrocarbon decom. • Halide decom. • Carbonyl decom. • Hydride decom. 4 2( ) ( ) 2CH gas C solid H  4( ) ( ) ( ) 4 ( )Ni CO gas Ni solid CO gas  4 2( ) ( ) 2SiH gas Si solid H  Khử bằng Hydro (Hydro reduction) 4 2( ) 3 ( ) ( ) 4 ( )SiCl g H g Si s HCl g   Coreduction 3 3 3 4( ) ( ) ( ) ( ) 3AsH g Ga CH g GaAs s CH   Oxy hóa (Oxidation) 4 2 2 2( ) ( ) 2SiH g O SiO s H   Carbide hóa và Nitrit hóa (Carbidization & Nitridation) 4 3 3 43 ( ) 4 ( ) ( ) 12 ( )SiCl g NH g Si N s HCl g   4 4( ) ( ) ( ) 4 ( )TiCl g CH g TiC s HCl g   GAS PHASE RECIPITATION - Độ quá bão hòa của chất phản ứng (reactants) cao. - Nhiệt độ đủ lớn. SOOT • Cấu trúc màng không đồng đều. • Bề mặt không phẳng. • Độ bám đế kém. Tạo bột cực mịn (Bột Nano?) Kết tủa từ pha khí Hóa học CVD - Tiền chất (chất gốc) • Ổn định ở nhiệt độ phòng. • Có thể phản ứng hoàn toàn trong vùng phản ứng mà không xảy ra phản ứng phụ. • Có thể điều chế với độ tinh khiết cao. • Dễ bay hơi ở nhiệt độ thấp. Có lớp e ngoài cùng bão hòa  Không tạo liên kết cộng hóa trị. Không có lưỡng cực điện  Không tạo liên kết hydro. Phân tử nhỏ  diện tích bề mặt nhỏ  Giảm lực Van der Waals. Các Tiền chất chính Metallorganic  Metal  Ga(CH3)3 , Zn(C2H5)2 , Al(CH3)3 Hydrides (H)  Semiconductor  AsH3 , SiH4 , PH3 , B2H6 Carbonyls (CO)  Trans. Metal V(CO)6 , Co2(CO)8 , Pt(CO)Cl2 Halide (Cl , F , Br)  Trans. Metal  SiCl4 , WF6 , AlBr3 Tiền chất III-V and II-VI semiconductor: AlxGa1-xAs Yêu cầu Plasma trong CVD • Plasma là gì? • Va chạm trong plasma. • Tương tác plasma – bề mặt. Plasma Plasma là gì? • Plasma: – Trạng thái thứ tư của vật chất (?) – Tập hợp các phân tử trung hoà, điện tích tự do (ion và e-) chuyển động hỗn độn. – Dẫn điện và chịu ảnh hưởng của từ trường. – Trung hoà về điện. – Ở đâu có plasma? • Mặt trời, các ngôi sao; • Tầng điện ly; • Lò phản ứng hạt nhân; • Đèn huỳnh quang; • Kim loại; • Hệ hồ quang chân không, phún xạ, PECVD, Phóng điện Plasma • Áp suất thấp: 1mTorr – 1 Torr. • Áp thế vào hai điện cực. • Plasma: giữa hai điện cực. • Miền tối (sheath): gần hai điện cực. Phóng điện Plasma (tt) • Mật độ plasma kém: ni~10 -5 ng  weakly ionized plasma discharge. • Electron tự do: dễ được gia tốc bởi điện trường. • Ion dương: nặng  khó gia tốc. • ni <<n: sự thăng giáng mật độ điện tích  thay đổi trạng thái plasma. (xem lại)  Đặc tính của phóng điện plasma ? Phóng điện Plasma (tt) Đặc điểm phóng điện plasma: 1. Điều khiển plasma: dòng điện. 2. Ion nặng, e- nhẹ  không cân bằng nhiệt động: • Electron nhận năng lượng trường ngoài  động năng lớn. • Ion trao đổi năng lượng: va chạm. • Te ~ 1-10V, Ti ~ 0,026V  Ti ~ 10 -2 Te. 3. Va chạm điện tích - phân tử trung hoà. 4. Mất điện tích tại thành buồng  sheath: • Năng lượng ion khi đi qua sheath: 100-1000V. 5. Duy trì plasma: ion hoá phân tử khí trung hoà. Miền tối (Sheath) • e- nhẹ, nhanh  dễ đập vào thành buồng. • Ion dương nặng  ít mất vào thành buồng.  Tại thành buồng: ni>ne.  Sheath:  Thay đổi điện thế: cao ở giữa buồng, thấp ở hai thành buồng  điện trường mạnh  Chênh lệch nồng độ trong sheath: ni>>ne  không trung hoà điện.  Vận tốc trung bình của ion tại biên sheath – thể tích: vận tốc Bohm uB=(eTe /M) 1/2 Miền tối (Sheath) (tt) Điện tích và sheath? • Ion dương: động năng rất lớn sau khi qua sheath (>>Te)  bắn phá bề mặt. • Electron và ion âm: ngược chiều điện trường  giam trong thể tích. • Chất lượng màng ? – Bắn phá bề mặt  giảm chất lượng màng?! – Giam hãm e- và ion âm  tạo điều kiện phản ứng pha khí  giảm chất lượng màng?!  Đưa Plasma vào CVD để làm gì??? Plasma rf (radio frequency plasma) • Điện thế điều khiển: Xoay chiều RF – 13.5MHz. • Electron: biến đổi tức thời. • Ion dương: biến đổi trung bình.  Miền tối chuyển động: ion dương liên tục bắn phá bề mặt, electron bị bẫy. • Khi miền tối triệt tiêu: thời gian rất ngắn  e- mất vào thành buồng  trung hoà điện tích cho plasma. Plasma rf (radio frequency plasma) • Điện cực không bằng nhau  thế tự phân cực (self – bias voltage). • Ion: liên tục bắn phá bề mặt. • Electron: – Mất vào bề mặt khi sheath biến mất (thời gian ngắn). – Nhận hay mất xung lượng từ chuyển động của sheath. CVD tăng cường plasma • CVD tăng cường plasma: Tại sao? – Phản ứng: • TiCl4 +2H2  Ti +4HCl +H2 G=287 kJ/mole  Không khả thi ở nhiệt độ thấp.  Nhiệt độ phản ứng ~ 1000oC Nhiệt độ phản ứng quá cao: • Năng lượng lớn, khó điều khiển. • Nhiệt độ nóng chảy của đế  không thể tạo màng. – Hạ nhiệt độ buồng nhưng phản ứng vẫn phải xảy ra  Plasma – Chất lượng màng khi có plasma: tăng hay giảm? Tác dụng của ion • Bắn phá bề mặt: – Ứng suất dư trong màng: nén. – Tạo vị trí hoạt động bề mặt  màng lớn nhanh. – Xuyên sâu  phá huỷ các lỗ xốp. – Dịch chuyển nguyên tử đế và màng trộn lẫn (intermixing). – Sai hỏng  nội khuếch tán.  Cấu trúc đồng đều, độ bám đế cao. • Làm sạch đế, vệ sinh buồng. – Vd: phóng điện CF4 làm sạch lắng đọng Si, Si3N4, SiO2. Tác dụng của plasma • Ion chậm, e- nhanh  Te >> Ti: plasma “lạnh” (cold plasma) • Va chạm Tiền chất – electron  Ion dương, ion âm, gốc tự do. • Ion dương: bắn phá bề mặt. • Ion âm: hạt nano (?). • Gốc tự do: cực kỳ hoạt động. – Tạo sản phẩm phụ trong plasma. – Tạo hạt nano trong plasma. – Khuếch tán xuống đế  tạo màng. • Khác với Thermal CVD: – CVD: Tiền chất khuếch tán xuống đế + Tsubstrate  Phản ứng. – PECVD: va chạm  free radicals  khuếch tán  Phản ứng. – Nhiệt độ: Tsubstrate lớn (cung cấp Ea), Tplasma= Tion ????  Nhiệt độ phản ứng = Tplasma = Tion ????  PECVD là quá trình hoá lý (chemical physics) Va chạm phân tử trong plasma • Ion phân tử âm: AB-  ái lực electron của AB lớn  electronegative plasma. ???? • Các va chạm: Va chạm phân tử trong plasma (tt) Tương tác tại bề mặt • Hấp phụ (adsorption) Tiền chất, gốc tự do  Thay đổi nồng độ hoá học. • Khuếch tán ngược sản phẩm phụ và khí giải phụ (desorption)  Thay đổi nồng độ hoá học. • Ion dương bắn phá: – Trung hoà ion. – Phát xạ electron thứ cấp (electron Auger)  Dịch cân bằng điện tích Auger electron Hấp phụ và giải phụ • Hấp phụ vật lý: lực van der Waals, nhanh, không có rào thế – Yếu, – Dễ khuyếch tán, dễ giải phụ. – Tạo nhiều lớp. • Hấp phụ hoá học: tạo liên kết hoá học, rào thế: – Bền, – Đơn lớp – Khó giải phụ – Phân tử hấp phụ thường bị phân ly. Hấp phụ và giải phụ • Khuếch tán bề mặt: Qdiff<par<Qdes. • Hấp phụ vật lý: Qdiff nhỏ, Qdes nhỏ  khuếch tán + Giải phụ  vị trí năng lượng cực tiểu: sai hỏng, thềm bậc,  tạo liên kết hoá học  hấp phụ hoá học. • Càng nhiều vị trí năng lượng cao  màng bám tốt, đồng đều, phát triển nhanh. Hấp phụ và giải phụ (tt) • Giải phụ: phản ứng nghịch với hấp phụ. • Qdes< par • Thường xảy ra kết hợp tạo phân tử khí. • Năng lượng: gia nhiệt đế, ion dương. Ngoài ra: phân mảnh tại bề mặt, phún xạ. PECVD • Thay đổi môi trường tạo màng: từ khí trơ  trạng thái plasma. • Quá trình CVD thông thường: cơ chế tạo màng là phản ứng hoá học. • PECVD là quá trình hoá lý: – Hoá học và vật lý plasma. – Hoá học và vật lý bề mặt.  Hạ nhiệt độ nhờ có va chạm của electron. Tạo màng có độ đồng đều, độ xếp chặt cao. Tạo được những màng mà CVD thường không làm được. Phức tạp hơn, nhưng thú vị và hiệu quả cao. a-Si:H (hydrogenated amorphous silicon) • Đặc tính cấu trúc và ứng dụng của vật liệu. • PECVD và a-Si:H: – Hoá học plasma. – Mô hình tạo màng. – Thông số thực nghiệm và chất lượng màng. a-Si:H Cấu trúc a-Si:H • Mô hình mạng CRN (continuous random network): – Nguyên tử Si có 4 liên kết cộng hoá trị. – Độ dài liên kết bằng nhau.  trật tự gần (2nm) như tinh thể – Góc giữa các liên kết không bằng nhau  không có trật tự xa. • Sai hỏng? – Không phải sai hỏng trong tinh thể: điền khích, nút khuyết. – Nguyên tử Si có nhiều hay ít liên kết so với 4  sai hỏng phối vị (coordination defect) – Thường gặp: sai hỏng 3 liên kết  một liên kết lắc lư (dangling bond ) Cấu trúc a-Si:H - Miền năng lượng • Eg: khe năng lượng giống tinh thể (trật tự gần) • Không có trật tự xa: đuôi của hàm mật độ trạng thái trong vùng cấm (band tail states). • Các liên kết Dangling  trạng thái điện tử giữa vùng cấm  bắt và tái hợp hạt tải  giảm tính chất quang và điện. • Hydro: liên kết với các liên kết dangling  thụ động hoá  làm biến mất trạng thái defect  tăng hiệu suất. • Tồn tại nhiều vi cấu trúc và giả bền: liên kết yếu (strained bond). PECVD tạo màng a-Si:H Hoá học plasma • Va chạm e – phân tử: – Hầu hết va chạm tạo H. – Tạo nhiều gốc tự do hoạt động: • SiH3 (silyl)  phát triển màng. • SiH2 (silylene)  tạo silane bậc cao (Si2H6). – Tỷ lệ trung bình gốc tự do: 83% SiH2, 17%SiH3. – Tạo nhiều ion dương: Si2H4 +, SiH2 +, H2 +. ??? – Gốc tự do SiH3 : ái lực electron lớn  ion SiH3 -. ??? Hoá học plasma (tt) • H va chạm Silane  gốc tự do hoạt động. • Silylene SiH2: tạo silane bậc cao. • Va chạm giữa hai gốc tự do  disilane kích thích  tự phân ly. • Va chạm gốc tự do – ion: rất ít do mật độ ion thấp hơn gốc tự do nhiều. Mô hình tạo màng • Tạo màng: SiH3 • Bề mặt: – SiH  thụ động hoá. – Silylene SiH2: • Gắn trực tiếp vào nối Si-Si hay Si-H  PVD regime. • Tạo Si2H6. – SiH3: • Hấp phụ vật lý. • Khuếch tán bề mặt tìm vị trí năng lượng cực tiểu  Chế độ CVD • Lớp kế tiếp  phủ lên (bury) lớp hydro bề mặt. Mô hình
Tài liệu liên quan