ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI p CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM LOẠI NHÔM

2 nhiệt của lớp kim loại nhôm và lớp silic vô định hình vào nhau, chính sự khuếch tán này đã tạo ra sự kết tinh màng silic vô định hình, thành màng silic đa tinh thể.. Tuy nhiên, với phư

Ph ạm Duy Phong

ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH

VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI p CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM

và làm việc với khoa học cho đến hôm nay

Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn chân thành và thân thương đến quí Thầy Cô, các anh chị đồng nghiệp, gia đình, bạn bè và các em nhỏ, đặc biệt là

“mái nhà KTC xưa và nay” vì sự giúp đỡ, động viên và chia sẻ đã dành cho tác giả trong suốt thời gian vừa qua

Kính chúc quí Thầy Cô và toàn thể anh chị em thật nhiều sức khỏe, bình

an và đạt được nhiều thành công trên con đường phía trước

Tác giả: Phạm Duy Phong

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

PHẦN A TỔNG QUAN 3

CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU SILIC 4

1.1 Silic đơn tinh thể 4

1.2 Silic vô định hình (amorphous silicon – a-Si) 6

1.2.1 Các tính chất của vật liệu 6

1.2.2 Sự pha tạp và truyền dẫn hạt tải 7

1.3 Silic đa tinh thể (polycrystalline silicon – poly-Si) 8

1.4 Sự khuếch tán nhiệt của nhôm vào silic 9

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC ĐA TINH THỂ

……… 13

2.1 Phương pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H2 13

2.2 Phương pháp CVD và PECVD 16

2.3 Phương pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC) 17

2.4 Phương pháp kết tinh bằng Laser (Laser Crystallization - LC) 19

2.5 Phương pháp kết tinh silic, được thực hiện bằng quá trình khuếch tán nhiệt màng kim loại Al vào màng a-Si [29] 20

2.5.1 Giới thiệu 20

2.5.2 Lược sử quá trình nghiên cứu của phương pháp AIC 21

2.5.3 Giản đồ pha của hệ thống Al/Si 22

2.5.4 Khái niệm chung về quá trình AIC 23

2.5.5 Mô hình của quá trình AIC 25

2.5.6 Động học của quá trình AIC (kinetics of the AIC process) 28

PHẦN B THỰC NGHIỆM 31

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI P CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM LOẠI NHÔM 32

3.1 Mô hình khuếch tán nhiệt của kết cấu thủy tinh/Al/a-Si dẫn đến sự hình thành màng silic đa tinh thể 32

3.2 Khảo sát cấu trúc và tính chất điện của màng theo sự thay đổi nhiệt độ nung 49

3.2.1 Khảo sát đặc tính cấu trúc màng 49

3.2.2 Khảo sát tính chất điện của màng 55

3.3 Khảo sát cấu trúc và tính chất điện của màng theo thời gian ủ nhiệt khác nhau 57

3.3.1 Đặc tính cấu trúc 57

3.3.2 Tính chất điện 59

3.4 Kết luận: 61

CHƯƠNG 4 CÁC VẤN ĐỀ KHÁC ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH AIC ……….63

4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ bề dày màng Al và Si lên quá trình AIC 63

4.2 Ảnh hưởng của lớp oxit Al ở mặt phân giới Al/Si lên quá trình AIC 70

4.3 Kết luận: 73

KẾT LUẬN 75

HẠN CHẾ 76

DANH MỤC CÔNG TRÌNH 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số phổ biến của silic đơn tinh thể 5

Bảng 3.1: Các vùng số sóng thể hiện vị trí các đỉnh phổ Raman đặc trưng cho

các dao động của liên kết Si-Si trong các cấu trúc mạng khác nhau 38 Bảng 3.2: Năng lượng liên kết enthalpy trung bình của các chất và hợp chất 46

Bảng 3.3: Biến đổi năng lượng tự do của các phản ứng tạo oxit 48 Bảng 3.4: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) được nung ở các nhiệt độ

khác nhau 49

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát điện trở mặt bằng phương pháp bốn mũi dò 55

Bảng 3.6: Bảng thống kê kết quả đo Hall của các mẫu 55

Bảng 3.7: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) được nung ở 500oC với

thời gian ủ nhiệt khác nhau 57 Bảng 3.8: Kết quả đo điện trở mặt bằng phương pháp 4 mũi dò 59

Bảng 3.9: Kết quả đo Hall các mẫu 60

Bảng 4.1: Các mẫu D được chế tạo với tỷ lệ bề dày lớp Al ban đầu tăng dần 63

Bảng 4.2: Các thông số ghi nhận từ kết quả đo Hall mẫu D4 68

Bảng 4.3: Thông số của các cặp mẫu được chế tạo trong cùng điều kiện và bề

dày Trong đó mẫu T*

1 và T*2 được xem như không có lớp oxit Al ở mặt phân giới Mẫu T1, T2 có lớp oxit ở mặt phân giới 70 Bảng 4.4: Thông số của các cặp mẫu với thời gian phơi ngoài không khí để tạo

lớp oxit của lớp Al ban đầu 72

Hình 2.1: Cấu trúc vi tinh thể của Si 13

Hình 2.2: Phổ Raman của màng silic vi tinh thể [6] 14

Hình 2.3: Phổ phát quang của Ar và H2 [8] 14

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của a) kích thước hạt tinh thể và b) cường độ đỉnh nhiễu

xạ vào sự thay đổi áp suất phún xạ ● tượng trưng mặt (111), ▲: (220)

và ■: (311) [8]

15

Hình 2.5: Giản đồ pha của hệ thống Al-Si 23

Hình 2.6: Mô tả quá trình AIC: a) mẫu trước khi nung nhiệt; b) mẫu sau khi

nung nhiệt 24 Hình 2.7: Các bước chính của quá trình AIC 25 Hình 2.8: Ảnh SEM bề mặt của màng silic đa tinh thể thu được: 26

Hình 2.9: Ảnh SEM của mẫu cho thấy sự hình thành mầm Si bên trong phạm vi

lớp Al Mẫu được đặt nghiêng 30o để cho thấy phần mặt cắt cũng như

bề mặt [29, tr 197] 27 Hình 2.10: Màng silic đa tinh thể liên tục trên đế thủy tinh 3 inch [46]

28

Hình 2.11: Ảnh ghi nhận được bằng kính hiển vi quang học của mẫu được nung

510oC tại những thời điểm khác nhau a) 19 phút; b) 26 phút; c) 33 phút [29, tr 200] 28

Hình 2.12: Sự phụ thuộc của hệ số kết tinh và số lượng hạt tinh thể vào thời gian

ủ nhiệt [29, tr 201-202]

29

Hình 3.1: Mô hình chụp ảnh của mẫu bằng kính hiển vi truyền qua quang học: 33

Hình 3.2: Ảnh OTM của mẫu nung ở 450oC với thời gian ủ nhiệt khác nhau:

a) 5 phút; b) 10 phút; c) 30 phút; d) 1 giờ 34

Hình 3.3: Ảnh SEM bề mặt của lớp Al ban đầu khi chưa phủ a-Si 35

Hình 3.4: Ảnh OTM của mẫu a) trước và b) sau khi được xử lý bằng dung dịch

axit [20] 36

Hình 3.5: Ảnh OTM của mẫu cho thấy sự thay đổi hệ số kết tinh (tăng trưởng

của “rễ cây”) của Si ở những ngưỡng nhiệt độ nung khác nhau [31] 37

Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ của mẫu sau quy trình xử lý nhiệt và dung dịch axit 37

Hình 3.7: Phổ Raman của mẫu được chụp ở hai vị trí a) và b) trên bề mặt mẫu 39 Hình 3.8: Phổ Raman của “wafer Si CZ” (Czochralski), những hạt silic đa tinh

thể và sự hình thành “rễ cây” của lớp phía trên sau khi loại Al [20] 40

Hình 3.9: Ảnh SEM của mẫu với độ phóng đại a) 23.000 lần; b) 30.000 lần

và c) 80.000 lần 41

Hình 3.10: Ảnh SEM của mẫu trong [39], cho thấy a) các ốc đảo Si dư trên lớp

poly-Si bên dưới; b) hình ảnh phóng lớn 42

Hình 3.11: Ảnh FIB (focused ion beam) của màng silic đa tinh thể trong [40]

Với sự thay đổi thời gian tiếp xúc ngoài không khí của lớp Al ban

đầu (để tạo lớp oxit ở mặt phân giới) trước khi lắng đọng Si, các ảnh lần lượt cho thấy hình dáng đa dạng của phần Si dư bên trên lớp Si đa tinh thể: 42

Hình 3.12: Phổ EDX của mẫu được chụp ở hai vị trí khác nhau trên bề mặt

màng: a) vị trí chụp còn Si dư bên trên; b) không còn Si dư bên trên

44 Hình 3.13: Mô hình quá trình khuếch tán của các nguyên tử Si vào lớp Al 45 Hình 3.14: Năng lượng tự do Gibbs của các phản ứng tạo thành oxít [11]

48

Hình 3.15: Ảnh OTM của các mẫu theo sự thay đổi nhiệt độ nung từ 300-600oC

51

Hình 3.16: Ảnh OTM của mẫu nung ở 450oC: a) Sau khi nung; b) Sau khi xử lý

trong dung dịch axit 52

Hình 3.17: Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu DH2 đến DH7 sau khi đƣợc xử lý

axit 53

Hình 3.18: Ảnh OTM của các mẫu DH8-DH12 thu đƣợc sau quá trình nung

nhiệt ở các thời gian ủ nhiệt khác nhau 58

Hình 3.19: Phổ Nhiễu xạ tia X của các màng đƣợc nung ở 500oC theo thời gian ủ

nhiệt khác nhau từ 1 giờ đến 10 giờ 59

Hình 4.1: Ảnh OTM của các mẫu sau khi nung 500oC trong 3 giờ Chỉ có mẫu

D5 không đƣợc xử lý axit 64 Hình 4.2: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu D1-D6 65

Hình 4.3: Ảnh SEM của mẫu D4 66

Hình 4.4: Ảnh phổ AFM của mẫu D4 (đƣợc chụp tại khu Công Nghệ Cao

TPHCM) 66

Hình 4.5: Phổ EDX của mẫu D4 67

Hình 4.6: Phổ Raman của mẫu D4 so sánh với phổ chuẩn của “wafer silic” 68

Hình 4.7: ảnh OTM của mẫu a) T*3 và b) T3 sau khi xử lý axit 70 Hình 4.8: Phổ nhiễu xạ của hai cặp mẫu: a) T*1 và T1; b) T*2 và T2 71

Hình 4.9: Phổ nhiễu xạ của mẫu T5 và T6 72

1

MỞ ĐẦU

Vật liệu silic đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử

và các linh kiện quang điện Vật liệu khối silic đơn tinh thể, như các phiến silic (wafer silicon), đã được sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử, cho hiệu suất cao Tuy nhiên xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học là tìm giải pháp giúp giảm chi phí vật liệu cũng như chi phí chế tạo Chính vì thế

mà mối quan tâm của các nhà nghiên cứu hiện nay là tìm các dạng vật liệu khác,

có thể thay thế được vật liệu khối silic, mà vẫn giữ được hiệu suất cao của linh kiện

Với công nghệ chế tạo màng mỏng như hiện nay, thì màng mỏng silic đa tinh thể đang thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới do những

ưu điểm của nó về độ bền cũng như cải thiện được sự truyền dẫn hạt tải so với màng silic vô định hình Từ đó, việc chế tạo màng silic đa tinh thể đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học với tiềm năng có thể thay thế các vật liệu khối Hướng nghiên cứu này đã được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện bởi nhiều phương pháp khác nhau như: phún xạ magnetron, CVD, PECVD, MOCVD, phương pháp kết tinh pha rắn, phương pháp kết tinh bằng laser…Hiện nay, trong nước việc nghiên cứu chế tạo màng silic đa tinh thể đang được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu, đặc biệt bằng phương pháp PECVD, tuy nhiên vẫn chưa có nhóm tác giả nào công bố chế tạo thành công màng silic

đa tinh thể dẫn điện loại p

Từ quan điểm nêu trên cộng với tình hình nghiên cứu trong nước hiện nay, và để góp phần thêm vào xu hướng phát triển khoa học trên thế giới, tác giả

và nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm việc chế tạo màng silic đa tinh thể trên đế thủy tinh bằng phương pháp AIC (Aluminum-induced Crystallization) Đây là một phương pháp mới và đơn giản, đang được triển khai nghiên cứu bởi các tác giả trên thế giới Cơ chế của phương pháp này chính là sự khuếch tán

2

nhiệt của lớp kim loại nhôm và lớp silic vô định hình vào nhau, chính sự khuếch tán này đã tạo ra sự kết tinh màng silic vô định hình, thành màng silic đa tinh thể Và cũng chính vì xuất phát từ cơ chế khuếch tán nhiệt, nên chúng tôi đã chọn quy trình nung nhiệt là yếu tố ảnh hưởng chính, cần nghiên cứu kỹ đến sự hình thành màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p Tuy nhiên trong quá trình khảo sát, ngoài yếu tố nhiệt độ độ, còn có các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình AIC, cũng được trình bày, để làm sáng tỏ thêm về cơ chế hình thành màng đa tinh thể silic của phương pháp AIC

Trong luận văn, tác giả chia bố cục thành hai phần A và B:

Phần A tổng quan lý thuyết trong hai chương, chương 1 tổng quan về vật liệu silic, giới thiệu các dạng cấu trúc và đặc điểm từng loại cấu trúc của vật liệu silic, chương 2 tổng quát về các phương pháp chế tạo màng silic đa tinh thể hiện đang được nghiên cứu

Thực nghiệm được trình bày trong phần B gồm chương 3: ảnh hưởng của quá trình nung nhiệt lên sự hình thành màng silic đa tinh thể, chương 4: là các ảnh hưởng khác lên quá trình hình thành màng

4

Silic được phát hiện năm 1824 là nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng

hệ thống tuần hoàn Mendeleev Nó được xem là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxy trong tự nhiên, silic chiếm khoảng ¼ khối lượng vỏ trái đất, cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại Hợp chất phổ biến nhất của silic là SiO2 Silic đơn chất cho truyền qua hơn 95% các bước sóng hồng ngoại và là nguyên tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn và công nghệ cao Silic tinh thể có thể pha tạp thêm các nguyên tố như: As, Bo, Ga hay P để làm chất dẫn điện tốt hơn trong các transitor, pin mặt trời hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong các thiết bị điện tử và các ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech)

1.1 Silic đơn tinh thể

Silic đơn tinh thể (monocrystalline silicon or single-crystall silicon) là vật liệu cơ bản của công nghiệp điện tử Silic đơn tinh thể có cấu trúc mạng trật tự tuần hoàn liên tục, không bị gián đoạn, trong đó mỗi nguyên tử silic liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử khác và định hướng theo một phương xác định Phần lớn các thiết bị quang điện, như pin mặt trời, được chế tạo từ các phiến silic cho hiệu suất cao (khoảng 20-24%) Các phiến silic đơn tinh thể có các tính chất vật liệu rất tốt như là: sự truyền dẫn hạt tải, độ bền nhiệt… Tuy nhiên do công nghệ chế tạo các phiến silic rất khó khăn và tốn thời gian, nên giá thành các phiến silic cao Vấn đề này đã tạo ra sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, để tìm

ra phương pháp hay công nghệ chế tạo vật liệu silic đơn giản, ít tốn kém, mà vẫn đạt chất lượng vật liệu như mong muốn

6

1.2 Silic vô định hình (amorphous silicon – a-Si)

Vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, màng silic vô định hình (amorphous silicon thin films) đã được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu mạnh nhằm tìm kiếm một loại vật liệu rẻ tiền, phủ được trên nhiều loại đế khác nhau, có thể thay thế phiến silic tinh thể trong quá trình chế tạo các linh kiện điện tử và pin mặt trời Màng a-Si có ưu điểm nổi bật là độ hấp thụ trong vùng khả kiến cao, chi phí chế tạo thấp, nhưng khuyết điểm đáng tiếc là độ dẫn điện thấp và tính bền với môi trường không cao

1.2.1 Các tính chất của vật liệu:

Silic vô định hình (a-Si) là một dạng

không có cấu trúc tinh thể của silic Ta biết

trong tinh thể silic thì cứ mỗi nguyên tử Si sẽ

liên kết với bốn nguyên tử xung quanh để tạo

thành một cấu trúc mạng tuần hoàn Trong

silic vô định hình cũng tương tự như vậy, tuy

nhiên do thiếu trật tự xa (do góc liên kết bị

lệch so với góc 109,5o của tứ diện) nên silic vô

định hình là mạng không tuần hoàn mà nó chỉ

là “mạng ngẫu nhiên liên tục” (Continuous Random Network-CRN) Mạng CRN

có thể chứa các khuyết tật, trong đó có một loại gọi là khuyết tật “phối trí” Khuyết tật này tạo thành là do nguyên tử có quá ít hoặc nhiều liên kết Trong a-

Si, thường thì các nguyên tử Si không có đủ liên kết để tạo thành lớp ngoài cùng

là sp3 và đây có thể xem là sai hỏng chủ yếu trong a-Si có ba số phối trí Các sai hỏng này tạo nên các liên kết “bất bão hòa” (dangling bonds) Silic vô định hình thường có mật độ các liên kết bất bão hòa cao (cứ 500 nguyên tử sẽ cho một liên kết bất bão hòa) Các sai hỏng trong vật liệu vô định hình khác so với các sai hỏng trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, ở vật liệu vô định hình, các sai hỏng này xảy ra đồng đều trong suốt vật liệu và không chỉ xảy ra tại các biên hạt Chính

Hình 1.1: Mô hình cấu tạo mạng của silic vô định hình

7

mật độ sai hỏng cao trong vật liệu vô định hình làm cản trở hiện tượng quang điện và truyền dẫn hạt tải

Hình 1.2: Các khuyết tật trong mạng Si: a) vị trí trống trong mạng tinh thể;

b) liên kết bất bão hòa (dangling bonds)

1.2.2 Sự pha tạp và truyền dẫn hạt tải

Vấn đề pha tạp là một vấn đề vô cùng quan trọng đối với vật liệu bán dẫn Mục đích của màng Si là để ứng dụng chế tạo các linh kiện bán dẫn như transitor, pin mặt trời…cho nên việc tạo được màng loại n hay loại p sẽ là yêu cầu chính Đối với a-Si, việc pha tạp trở nên khá khó khăn, bởi vì mật độ khuyết tật rất lớn (>1016cm-3) Các hạt tải thêm vào vùng dẫn hay vùng hóa trị bằng các tạp chất donor hay acceptor sẽ bị bắt bởi các liên kết sai hỏng “dangling”, hoặc các khuyết tật trong màng Các trạng thái khuyết tật này hoạt động như các tâm tái hợp có thể bắt điện tử và lỗ trống, do đó giảm khả năng truyền dẫn hạt tải hay nói khác đi là giảm độ linh động và độ dẫn điện của vật liệu Đối với silic đơn tinh thể việc pha tạp trở nên dễ dàng hơn vì đơn tinh thể có cấu trúc mạng hoàn hảo, ít sai hỏng Việc pha tạp vào silic đơn tinh thể cũng được tiến hành bởi những phương pháp đơn giản như phương pháp khuếch tán nhiệt Trong phương pháp khuếch tán nhiệt, việc lựa chọn tạp chất pha tạp là một yếu tố quan trọng vì trong phương pháp này đòi hỏi tạp chất phải hòa tan tốt vào chất nền Các tạp chất như P, Bo, Sb, Al, Ni…đã được sử dụng để tạo ra bán dẫn silic loại n và loại p, trong đó Al là kim loại đã được nghiên cứu sử dụng trước đây bởi các nhà khoa học để tạo ra bán dẫn silic loại p++ với nồng độ hạt tải đạt được lên đến 1018

8

và 1019 cm-3 bằng phương pháp khuếch tán nhiệt vào đơn tinh thể silic [43] Tuy nhiên, với phương pháp khuếch tán nhiệt kim loại Al vào màng a-Si được chọn nghiên cứu trong luận văn này cho thấy, không những Al được pha tạp tạo ra bán dẫn silic dẫn điện loại p với nồng độ hạt tải cao mà còn là tác nhân gây ra sự kết tinh vật liệu a-Si ở nhiệt độ thấp (dưới 577oC) Nhờ sự kết tinh này đã làm tăng độ linh động của hạt tải so với màng a-Si ban đầu

1.3 Silic đa tinh thể (polycrystalline silicon – poly-Si)

Tiếp tục với mục đích tìm kiếm loại vật liệu tối ưu có khả năng thay thế vật liệu khối, thì việc chế tạo màng silic đa tinh thể đang là hướng nghiên cứu được quan tâm hiện nay bởi các nhà khoa học vì những ưu điểm của loại vật liệu này: có những tính chất gần giống như vật liệu khối và khắc phục được những nhược điểm của vật liệu vô định hình Tuy nhiên, bên cạnh đó thì màng silic đa tinh thể vẫn chứa đựng những khuyết điểm cần được tiếp tục nghiên cứu và cải thiện để đáp ứng yêu cầu về hiệu suất cao của các linh kiện

Hình 1.3: Cấu trúc đa tinh thể của màng silic trên đế thủy tinh

Màng silic đa tinh thể gồm nhiều hạt tinh thể độc lập tách biệt với nhau bởi những mặt phân giới với đế hoặc với những hạt lân cận gọi là biên hạt Hình 1.3 mô phỏng sự hình thành màng silic đa tinh thể trên đế Những hạt Si sắp xếp theo những định hướng ngẫu nhiên Vật liệu được tinh thể hóa theo chiều rộng của hạt (khoảng kích cỡ µm)

Trong mô hình được chấp nhận rộng rãi hiện nay của silic đa tinh thể, vật liệu này được xem như là những hạt tinh thể nhỏ kết dính lại với nhau bởi những đường biên hạt Trong mỗi hạt tinh thể, các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn tạo nên những đơn tinh thể, trong khi đó, những đường biên là tập hợp những nguyên tử sắp xếp không trật tự và chứa một lượng lớn những sai hỏng do liên kết không hoàn chỉnh Mật độ cao các sai hỏng và các liên kết dangling tại đường biên là nguồn gốc của những trạng thái bẫy và tái hợp hạt tải Do đó, tính dẫn điện của màng silic đa tinh thể bị chi phối bởi sự bẫy hạt tải tại những đường biên hạt

Như vậy, với các ưu điểm và nhược điểm nêu trên thì việc chế tạo màng silic đa tinh thể với định hướng tinh thể tốt, kích thước hạt tinh thể lớn (vài chục đến vài trăm micromet) sẽ giúp giảm phần nào các sai hỏng và khuyết điểm của vật liệu này, hứa hẹn khả năng ứng dụng trong việc chế tạo các thiết bị, linh

kiện

1.4 Sự khuếch tán nhiệt của nhôm vào silic

Khuếch tán phát sinh từ sự chuyển động của các hạt do chênh lệch về nồng độ hạt Theo cách thức thống kê, các hạt dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Việc sử dụng phương pháp khuếch tán nhiệt để pha tạp các nguyên tố như: B, P, Al, Ni…vào các khối rắn đơn tinh thể silic, tạo ra các bán dẫn loại n hay loại p đã được biết đến và thực hiện từ rất lâu, đặc biệt là việc khuếch tán Al vào khối rắn Si để tạo ra các lớp bán dẫn loại p++ ứng dụng vào cấu trúc của các pin mặt trời Đối với màng silic vô định hình, thì việc sử dụng màng kim loại nhôm khuếch tán nhiệt vào màng a-Si, để hình thành nên màng

10

silic đa tinh thể đang là một hướng nghiên cứu được triển khai, và tiến hành hiện nay bởi các tác giả trong và ngoài nước, như là một phương pháp mới có khả năng kết tinh lại vật liệu silic, tuy nhiên việc hiểu rõ về mô hình cũng như cơ chế khuếch tán của phương pháp này vẫn còn là vấn đề đang được thảo luận Vì vậy, việc xem xét lại cơ chế và mô hình khuếch tán của Al vào khối rắn đơn tinh thể silic, sẽ là cơ sở giúp chúng tôi đưa ra được cái nhìn tổng quát về những nét tương đồng cũng như sự khác biệt của quá trình khuếch tán Al vào a-Si

Hình 1.4: Cơ chế khuếch tán của nguyên tử tạp chất vào mạng đơn tinh thể:

a) Sự trao đổi vị trí; b) Sự trao đổi vòng; c) khuếch tán giữa các mạng tinh thể

và d) khuếch tán vào vị trí trống

Sự khuếch tán của các nguyên tử tạp chất bên trong các khối đơn tinh thể

Si có thể diễn tiến theo bốn cơ chế như được minh họa trong hình 1.4 gồm: a) sự trao đổi vị trí; b) sự trao đổi vòng; c) khuếch tán giữa các mạng tinh thể; và d) khuếch tán ở các vị trí trống [2] Năng lượng kích hoạt cần thiết và loại nguyên tử pha tạp (hóa trị, bán kính nguyên tử, năng lượng ion hóa) quyết định sự hình thành cơ chế nào trong các cơ chế khuếch tán khác nhau ở trên Khuếch tán loại trao đổi vị trí (a) và trao đổi vòng với mạng kế bên (b) cần năng lượng kích hoạt rất cao (>10 eV) Năng lượng này không thể đạt được trong silic, do vậy hai cơ chế khuếch tán này bị loại trừ Các nguyên tử khuếch tán rất nhanh, ví dụ: natri (Na) và lithium (Li), khuếch tán như những ion có đường kính bé ở những vị trí xen kẽ giữa các nút mạng tinh thể Sự khuếch tán xen kẽ giữa các nút mạng tinh thể cần năng lượng kích hoạt rất thấp, vì không cần sự phá vỡ các liên kết Loại khuếch tán này thường xảy ra với các nguyên tử có đường kính rất bé hơn so với

11

silic, ví dụ như các kim loại kiềm: Na, K, Li…hoặc khí như: H2… Khuếch tán qua các vị trí trống trong tinh thể (d), cần một năng lượng kích hoạt cao hơn, do các nguyên tử pha tạp cần được gắn vào các vị trí nút mạng bình thường Khuếch tán chậm, với các nguyên tử như B, P hoặc Al… có đường kính nguyên

tử gần bằng với các nguyên tử của tinh thể silic đều xảy ra theo cơ chế này

Các tạp chất khuếch tán (trong sự khuếch tán vào silic) được phân chia thành hai nhóm Các nguyên tử khuếch tán chậm (khi hệ số khuếch tán D = 10-

15

10-10 cm2s-1) và các nguyên tố khuếch tán nhanh (D= 10-9 10-3 cm2s-1) Năng lượng kích hoạt WA của các nguyên tử pha tạp cũng là một thông số có thể cho

ta biết cơ chế khuếch tán Khuếch tán ở vị trí trống khi WA>1eV (ví dụ: WA (B)

= 3.46eV, WA (P)=3.66 eV) Cơ chế khuếch tán qua khoảng trống giữa các nút mạng tinh thể chủ yếu với WA<1eV Đây là trường hợp sự nhiễm bẩn ion Natri

WA (Na) = 0.72 eV

Như vậy nếu thay khối rắn đơn tinh thể silic bằng một màng mỏng silic

vô định hình, thì các nguyên tử Al, khi cho khuếch tán vào vật liệu vô định hình rất khó có thể xảy ra theo cơ chế a, b, c như các lập luận ở trên Do vậy, mô hình khuếch tán vào các vị trí trống vẫn còn phù hợp trong trường hợp này Ngoài ra

do đặc thù cấu trúc vật liệu vô định hình silic bao gồm rất nhiều sai hỏng và khuyết tật trong mạng hơn so với khối đơn tinh thể nên các vị trí sai hỏng này chính là các vị trí “trống” lý tưởng để các nguyên tử Al chiếm chỗ và liên kết Chính vì thế mà thời gian và độ dài khuếch tán của nguyên tử Al vào vật liệu vô định hình sẽ nhanh hơn so với vật liệu khối tinh thể ở cùng điều kiện về nhiệt độ

và nồng độ Tuy nhiên, xét về khả năng pha tạp sinh ra các hạt tải đa số là lỗ trống, và sự truyền dẫn các hạt tải này trong vật liệu, thì việc thay thế của nguyên tử Al vào các vị trí trống, trong vật rắn tinh thể tuy diễn ra chậm nhưng lại cho hiệu suất cao hơn so với vật liệu vô định hình, nơi mà Al rất dễ “bị bắt” tại các sai hỏng hoặc các lỗ trống sinh ra dễ bị “bẫy” ở các tâm tái hợp Nói tóm

12

lại thì quá trình khuếch tán của nguyên tử Al vào vật liệu đơn tinh thể và vật liệu

vô định hình, theo nhận định của chúng tôi, về bản chất cơ chế giống nhau nhưng do khác nhau về mặt cấu trúc mạng nên thời gian và độ dài khuếch tán đối với vật liệu vô định hình sẽ nhanh hơn so với đơn tinh thể Cũng xin nhấn mạnh rằng các trường hợp chúng tôi xét ở trên, là trường hợp khuếch tán của các nguyên tử Al vào mạng của vật liệu silic, trong trường hợp này thì nồng độ hạt nguyên tử của Al rất nhỏ so với nồng độ của nguyên tử silic Nếu kim loại Al được khuếch tán từ một nguồn rất lớn (xét về mặt nồng độ hạt) vào màng a-Si, chẳng hạn việc sử dụng màng kim loại nhôm khuếch tán nhiệt vào màng a-Si dẫn tới sự hình thành màng silic đa tinh thể như đã được đề cập, thì cơ chế và

mô hình khuếch tán sẽ phức tạp hơn và sẽ được chúng tôi đề cập kỹ trong chương 2

13

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC

ĐA TINH THỂ

Trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu và chế tạo màng mỏng silic

đa tinh thể đã được rất nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm thực hiện rất

đa dạng bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phún xạ magnetron, CVD và PECVD, phương pháp kết tinh pha rắn, phương pháp kết tinh bằng laser, phương pháp kết tinh màng a-Si được thực hiện bởi quá trình khuếch tán nhiệt của Al vào màng a-Si (aluminum-induced crystallization: AIC)…Mỗi phương pháp đều

có thế mạnh riêng Cơ chế, nguyên lý và trình tự của mỗi phương pháp đều đã được trình bày rất chi tiết trong nhiều tài liệu tham khảo, nên trong chương này, chúng tôi chỉ tập trung phân tích, thống kê các kết quả đạt được của các tác giả, cũng như nhận xét các ưu và nhược điểm của từng phương pháp Bên cạnh đó, phương pháp AIC được xem như là một phương pháp mới, được sử dụng để nghiên cứu chính trong luận văn, do đó riêng phương pháp AIC được trình bày chi tiết hơn để làm cơ sở cho các bàn luận trong phần thực nghiệm của đề tài

2.1 Phương pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H 2

Việc nghiên cứu và chế tạo màng silic

bằng phương pháp phún xạ magnetron phản

ứng với khí H2 cũng đã được nhóm nghiên

cứu chúng tôi thực hiện [3], [6] song song với

các nhóm nghiên cứu của các tác giả trên thế

giới [12], [32] Kết quả chúng tôi đạt được khi

so sánh với các công bố khoa học khác cho

thấy màng silic được chế tạo bằng phương

pháp này thường có cấu trúc ở dạng vi tinh

thể (microcrystalline silicon _ μc-Si) Cấu trúc vi tinh thể của silic được định nghĩa là những cụm hay những hạt tinh thể nhỏ phân bố trong một nền vô định

Hình 2.1: Cấu trúc vi tinh thể

của Si

14

hình bao xung quanh được mô tả như hình 2.1 [7] Loại cấu trúc này, được thể hiện đặc trưng qua phổ Raman, ở vị trí số sóng trải dài từ 505 cm-1 đến 517 cm-1 [7], [15]

và qua hình ảnh SEM, với kích thước hạt nhỏ cỡ vài chục nanomet Chính

vì được bao quanh bởi mạng lưới vô định hình hay nói khác đi là pha vô định hình vẫn chiếm ưu thế trong toàn mạng của màng nên việc pha tạp và truyền dẫn hạt tải của màng thường rất kém Vì thế

việc đưa H2 vào mạng Si là một phương

án giải quyết được áp dụng, do kích

thước nguyên tử H rất nhỏ có khả năng

“len lỏi” sâu trong toàn mạng và rất dễ

liên kết với các Si bị đứt gãy (được xem

như là các tâm tái hợp hay các khuyết tật

“dangling bond”) Như vậy, muốn hidrô

liên kết được với các nguyên tử Si đòi

hỏi các phân tử khí H2 phản ứng, phải

được “ion hóa” hay “phân ly” thành các

nguyên tử H+ và liên kết với nguyên tử

Si ngay trong môi trường plasma hoặc

ngay trên bề mặt đế Do kích thước của

H2 rất nhỏ, nên muốn các phản ứng ion

hóa xảy ra hiệu quả, đòi hỏi tỷ lệ nồng độ

khí H2 cho vào phản ứng rất cao

(80-90%) Chính vì thế đã làm tăng áp suất

phún xạ của môi trường plasma và cũng

trực tiếp làm giảm vận tốc lắng đọng

màng silic, điều này rất dễ tạo điều kiện

cho sự tấn công của các nguyên tử oxy

dư trong buồng để tạo hợp thức SiOx

Hình 2.2: Phổ Raman của màng silic

15

Kết quả của nhóm tác giả A.Tabata [8] trong hình 2.3 và 2.4 đã cho thấy vùng áp suất làm việc hiệu quả để hình thành màng vi tinh thể silic bằng phương pháp phún xạ magnetron Trong đó, hình 2.3 hiển thị vùng áp suất khí từ 3x10-2đến 3x10-1

torr khả năng ion hóa của nguyên tử H2 đạt hiệu suất cao (chấm tròn

tô đen) Vì thế trong vùng áp suất này ở hình 2.4 cho thấy kích thước hạt cũng như cường độ đỉnh nhiễu xạ của các hạt tinh thể thu được là rất tối ưu Ngoài ra, yếu tố nhiệt độ đế cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành cấu trúc của màng Nhiệt độ đế tăng khả năng linh động của hạt (nguyên tử, phân tử…) trên

đế, giúp hệ các hạt đạt trạng thái năng lượng cực tiểu bền vững, chính là trạng thái các hạt sắp xếp trật tự và liên kết với nhau bền vững hơn tạo thành cấu trúc tinh thể ổn định Trong phương pháp phún xạ với vật liệu silic thì nhiệt độ đế thích hợp cho sự hình thành màng cấu trúc tinh thể tốt khoảng trên 600oC [28] Tuy nhiên, với hướng nghiên cứu để ứng dụng trong sản xuất công nghiệp thì nhiệt độ đế cao là một trở ngại lớn Do đó mà hướng phát triển hiện nay, các nhà nghiên cứu luôn tìm cách giảm nhiệt độ đế chế tạo mà vẫn tạo được cấu trúc tốt cho màng silic Các trở ngại và khó khăn trên cũng chính là những mặt hạn chế chung của phương pháp phún xạ magnetron

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của a) kích thước hạt tinh thể và b) cường độ đỉnh nhiễu xạ vào

sự thay đổi áp suất phún xạ ● tượng trưng mặt (111), ▲: (220) và ■: (311) [8]

16

2.2 Phương pháp CVD và PECVD

CVD (chemical vapour deposition) là phương pháp hình thành màng dựa trên chất nguồn dễ bay hơi và lắng đọng hơi hóa học này trên đế (substrate) Đặc trưng chung của quá trình CVD bao gồm một hay nhiều tiền chất dễ bay hơi được đưa vào buồng chân không, chúng sẽ phản ứng hoặc phân ly trên bề mặt đế

để lắng đọng tạo màng, và sản phẩm thừa được đẩy ra ngoài theo luồng khí đi qua buồng Trong việc chế tạo màng silic, các tiền chất ban đầu thông thường được sử dụng là hỗn hợp khí: SiH4, H2, PH3, B2H5 Trong đó, các khí PH3 hay

B2H5 được cho vào như một chất pha tạp, tạo màng bán dẫn dẫn điện loại n hay

p Để tăng cường cho sự phản ứng của các tiền chất trên bề mặt đế, giúp cho sự linh động của các hạt trong việc tìm vị trí liên kết thích hợp, tức là vị trí đạt trạng thái bền về năng lượng, và thúc đẩy quá trình giải hấp các sản phẩm phụ ở thể khí, thì đế tạo màng thường được nâng ở nhiệt độ rất cao (>800oC), ngưỡng nhiệt độ này rất thích hợp cho việc hình thành các màng silic kết tinh tốt Tuy nhiên, việc sử dụng nhiệt độ đế cao, cũng hạn chế khả năng ứng dụng và sử dụng của phương pháp CVD, do chế tạo ở nhiệt độ cao thường rất kén vật liệu đế hay việc triển khai công nghiệp rất khó khăn vì vấn đề tạo nguồn nhiệt độ cao trong môi trường chân không cao không phải là vấn đề đơn giản Chính vì thế mà ngay nay song song với CVD, phương pháp PECVD được sử dụng rộng rãi hơn do được hỗ trợ thêm nguồn plasma phóng điện khí DC hoặc RF Plasma trong PECVD đóng vai trò ion hóa các tiền chất, tạo ra các gốc tự do và là môi trường truyền các gốc tự do khuếch tán xuống đế theo mô hình sơ đồ phản ứng sau đây:

e- + SiH4  SiH3* + H*

e- + SiH4  SiH2* + 2H*

e- + SiH4  SiH* + H2 + H*

e- + SiH4  Si + H2 + 2H*

17

Nhờ hỗ trợ thêm nguồn plasma phóng điện khí mà PECVD đã tăng được tốc độ lắng đọng màng, giảm được nguồn nhiệt độ đế đáng kể, nên có thể tạo màng trên các đế giá thành thấp và quan trọng là có thể triển khai công nghiệp trên diện rộng Việc chế tạo màng silic bằng PECVD chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các điều kiện chế tạo như: tỷ lệ pha loãng khí giữa H2 /SiH4 /Ar, nhiệt độ đế, công suất nguồn phóng điện… Mỗi điều kiện đều ảnh hưởng riêng đến sự hình thành cấu trúc màng Nhưng do chất nguồn xuất phát từ các pha khí, nên việc điều khiển các điều kiện chế tạo, đều nhằm mục đích chung là: tạo được hiệu suất ion hóa cao trong plasma của các pha khí, và tăng cường quá trình truyền của các tiền chất đến đế được thuận lợi Như vậy tiền chất đến đế là hỗn hợp các pha khác nhau gồm: pha Si, SiH*, SiH2

*

…, do đó cấu trúc màng lắng đọng là một hỗn hợp các liên kết Si-Si, và các SiHx Chính sự có mặt của các nguyên tử

H2 trong các liên kết Si-H đã làm giảm đáng kể các sai hỏng của cấu trúc mạng silic, tuy nhiên cũng chính các liên kết Si-Hx này làm giảm khả năng hình thành cấu trúc mạng tinh thể của Si, do vậy trong quá trình tái kết tinh, mạng cần giải hấp bớt các nguyên tử hidro để tái liên kết các nguyên tử Si lại với nhau tạo thành mạng lưới hoàn hảo Ở giai đoạn này, vai trò nhiệt độ đế rất quan trọng, thường nhiệt độ đế thích hợp cho sự tái kết tinh của silic trong trường hợp này là trên 500oC, cho nên trong các điều kiện chế tạo thông thường ở nhiệt độ thấp (<500oC) màng thường có cấu trúc vi tinh thể (μc-Si:H) Đây cũng là mặt hạn chế của phương pháp PECVD trong việc kết tinh vật liệu silic

2.3 Phương pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC)

Phương pháp kết tinh pha rắn sử dụng năng lượng nhiệt để kết tinh màng silic vô định hình Đây là phương pháp phổ biến để chế tạo màng silic đa tinh thể Thông thường một lớp màng mỏng silic vô định hình được phủ trên đế chịu nhiệt, sau đó màng được nung trong lò chân không ở nhiệt độ rất cao (≥700oC) trong thời gian ủ nhiệt lâu (≥ 10h) Đây là phương pháp đơn giản có khả năng kết tinh màng silic với kích thước hạt lớn Nhược điểm của phương pháp này

Các nhược điểm trên vẫn được tiếp tục nghiên cứu và khắc phục bởi các nhà khoa học trên thế giới, điển hình trong tài liệu [49], nhóm tác giả Thanh Nga Nguyen và Sungwook Jung đã đưa ra phương pháp kết tinh pha rắn cải tiến (advanced solid-phase crystallization) bằng quá trình nung nhiệt nhanh (Rapid Thermal Processing - RTP) Quá trình RTP này đòi hỏi sử dụng hệ thống cấp nhiệt đặc biệt, thay thế các lò nung thông thường, trong đó nhiệt độ cao (≥700oC) được tăng với tốc độ rất nhanh, sau thời gian ủ nhiệt ngắn, hệ thống được làm lạnh nhanh xuống nhiệt độ phòng Với việc sử dụng quá trình RTP, kết quả của nhóm tác giả trên, đã cho thấy hiệu quả của việc giảm thời gian ủ nhiệt

để kết tinh màng silic vô định hình so với phương pháp SPC thông thường, cụ thể là các hạt silic đa tinh thể bắt đầu hình thành ở ngưỡng 750oC với thời ủ 0.05 phút, màng silic đa tinh thể bắt đầu hình thành với thời gian ủ nhiệt 3 phút ở

750oC, và màng kết tinh gần như hoàn toàn với hệ số kết tinh (the crystalline fraction) đạt 96% ở 750o

C với thời gian ủ 5 phút

Tuy nhiên quá trình RTP vẫn phải thực hiện ở nhiệt độ cao để kết tinh vật liệu silic, điều này đã hạn chế rất nhiều khả năng phủ màng trên đế giá thành thấp Do đó vấn đề tìm phương pháp giảm nhiệt độ kết tinh silic vẫn đang từng bước được nghiên cứu, trong đó ý tưởng về sự khuếch tán nhiệt một số kim loại như Al, Ag, Ni…vào màng silic để gây ra sự kết tinh vật liệu này ở nhiệt độ thấp

19

đã được đề xuất và đang được triển khai nghiên cứu trong những năm gần đây Chi tiết cũng như cách thức tiến hành phương pháp này sẽ được trình bày kỹ trong phần 2.5

2.4 Phương pháp kết tinh bằng Laser (Laser Crystallization - LC)

Phương pháp LC dựa vào năng lượng cao của chùm laser kích thích chiếu vào mẫu, làm nóng chảy cục bộ vật liệu tại những điểm được chiếu trong thời gian rất ngắn, sau đó hệ được làm nguội rất nhanh Để tạo được sự tan chảy cục

bộ, việc chọn chùm laser phù hợp là rất cần thiết Chùm laser thích hợp thường phải hạn chế được sự mất năng lượng do sự truyền nhiệt trong vật liệu, do đó các laser có xung ngắn thường được sử dụng (nano or pico-second pulse laser) Thêm vào đó bước sóng của tia laser cũng phải được chọn sao cho hệ số hấp thụ bước sóng này của vật liệu là cao nhất để hầu hết năng lượng của xung laser đều được hấp thụ trên lớp bề mặt mỏng của màng Đặc tính quang và điện của màng silic đa tinh thể thu được bằng phương pháp LC bị ảnh hưởng rất lớn bởi năng lượng cũng như cường độ của chùm laser kích thích Báo cáo của nhóm tác giả In-Hyuk Song [21] cho thấy rằng, cường độ chùm laser kích thích càng cao thì kích thước hạt tinh thể càng lớn Như vậy thì việc có thể chế tạo màng silic đa tinh thể kích thước hạt lớn, độ linh động cao, quy trình thực hiện đơn giản, có thể kết tinh màng trên đế chịu nhiệt thấp là những ưu điểm của phương pháp LC Tuy vậy bên cạnh đó còn tồn đọng những nhược điểm như: độ đồng đều màng kém, thời gian toàn bộ quá trình rất lâu và chi phí đầu tư nguồn laser rất cao

…cũng đã hạn chế phần nào khả năng ứng dụng của phương pháp này

20

2.5 Phương pháp kết tinh silic, được thực hiện bằng quá trình khuếch

tán nhiệt màng kim loại Al vào màng a-Si [29]

2.5.1 Giới thiệu

Các hợp chất của kim loại và silic (metal/silicon compound) đã được

nghiên cứu từ rất lâu bởi các nhà khoa học trên thế giới đã cho thấy rằng một số kim loại có khả năng “hòa tan” vào vật liệu silic để hình thành các hợp kim

“silicides” Chính sự tác động của các kim loại đã làm ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy, cũng như cấu trúc của vật liệu silic Nhiệt độ cần thiết để kết tinh vật liệu silic thuần vô định hình là khoảng 600oC trong thời gian

ủ rất lâu (≥10 giờ) (SPC), tuy nhiên khi được trộn lẫn bởi một kim loại thì có thể làm giảm mạnh nhiệt độ kết tinh này (Metal induced Crystallization - MIC) Một hỗn hợp của kim loại và silic có thể được hình thành ở hai trạng thái: (1) hỗn hợp ở dạng hợp kim, tức là hình thành pha “metal silicide” ổn định ở điều kiện cân bằng nhiệt động (thermodynamic equilibrium), ví dụ: Ni/Si, Pd/Si, Pt/Si…; (2) hỗn hợp ở dạng hợp chất “eutectic” đơn giản (simple eutectic systems) tức là không hình thành pha hợp kim “silicide” như: Al-Si, Ag-Si, Au-Si…

Với hợp chất “eutectic” đơn giản, thì quy luật chuyển pha của hợp chất,

sẽ tuân theo giản đồ pha, tùy thuộc từng kim loại riêng biệt Như vậy, nếu hỗn hợp là một cấu hình tiếp giáp “kim loại/Si”, gồm một lớp a-Si được phủ trên một lớp kim loại, thì quá trình khuếch tán nhiệt của hai pha kim loại/Si, trong hỗn hợp này, bên dưới điểm nhiệt độ “eutectic” của giản đồ pha, được xem như là quá trình dịch chuyển của hai pha rắn (solid phase transition), và quá trình kết tinh của vật liệu silic vô định hình dưới tác động của kim loại thông qua sự dịch chuyển pha rắn này (MIC – metal induced crystallization) đã được nhiều tác giả xây dựng mô hình gồm 3 giai đoạn như sau: (1) sự tách ra của các nguyên tử Si (dissociation of Si atom) từ mạng của a-Si và di chuyển vào trong lớp kim loại;

Si dưới tác động của Al luôn dẫn đến sự hình thành màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p Hơn một thập kỷ qua, quá trình AIC đã được nghiên cứu bởi rất nhiều tác giả, nhưng ở đây chúng tôi chỉ trình bày một số kết quả quan trọng của các tác giả khác nhau liên quan đến quá trình AIC trên đế thủy tinh

2.5.2 Lược sử quá trình nghiên cứu của phương pháp AIC

Năm 1977, Majni và Ottaviani đã phát hiện ra một hiện tượng ở kết cấu

“Si-wafer/Al/a-Si”, trong đó lớp Al và lớp a-Si được lắng đọng bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử (electron-beam evaporation) trên phiến Si (100) với

bề dày mỗi lớp khoảng 700nm Sau quá trình nung và ủ nhiệt ở 530oC trong 12 giờ, một quá trình hoán chuyển vị trí của hai lớp Al/a-Si được quan sát thấy và kết quả dẫn đến kết cấu thu được chuyển hóa thành “Si-wafer/Si/Al” Kết quả cho thấy, lớp silic đã phát triển epitaxy trên phiến Si (100) và do đó quá trình trên được gọi là quá trình “epitaxy” pha rắn (solid phase epitaxy) Do được pha tạp bởi kim loại Al nên lớp Si phát triển “epitaxy” này dẫn điện loại p với nồng

độ hạt tải được công bố vào khoảng 2 x 1018

cm-3

Đến năm 1979, cũng hai tác giả trên tiếp tục công bố những kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của lớp mặt phân giới giữa hai lớp Al/Si ban đầu (thường là lớp oxit nhôm) lên quá trình AIC Hai tác giả cho thấy lớp mặt phân

22

giới này đóng một vai trò quan trọng (fundamental role) trong việc: 1) điều khiển sự khuếch tán của hai lớp trong quá trình hoán chuyển vị trí và 2) giới hạn

bề dày của lớp Si kết tinh thu được (bằng với bề dày của lớp Al ban đầu)

Sau đó, năm 1981, Tsaur và đồng nghiệp đã ứng dụng phương pháp

“epitaxy” pha rắn trên, để chế tạo thành công một cấu trúc pin mặt trời đơn giản gồm: “200nm p-type Si / n-type Si wafer” Với việc sử dụng hai loại phiến đơn tinh thể và đa tinh thể Si (100) loại n khác nhau, hiệu suất của pin mặt trời thu được lần lượt là 10.4% và 8.5%

Mãi đến năm 1998, các nhà khoa học mới thử nghiệm và thấy rằng, quá trình kết tinh vật liệu silic không chỉ xảy ra trên các phiến silic mà còn xảy ra trên các bề mặt khác Điển hình là hai nhóm tác giả: Koschier [30] đã chứng minh rằng, quá trình kết tinh lại của silic trong phương pháp AIC còn xảy ra trên phiến silic đã được oxy hóa bề mặt và O Nast [38] cũng đã chứng minh quá trình còn xảy ra trên đế thủy tinh

Trong những năm tiếp theo và cho đến nay, rất nhiều các công trình nghiên cứu đang tập trung khai thác các vấn đề liên quan đến phương pháp này

2.5.3 Giản đồ pha của hệ thống Al/Si

Giản đồ pha (hay còn gọi là giản đồ trạng thái, hoặc giản đồ cân bằng) của hệ, là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (tỷ lệ) các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng

23

Giản đồ pha của hệ hai thành phần

Al-Si có hai trục: trục tung biểu thị

nhiệt độ, trục hoành biểu thị thành

phần (theo % khối lượng hoặc %

nguyên tử) với những đường phân

chia các khu vực pha theo nguyên

tắc: xen giữa các khu vực một pha

là khu vực hai pha tương ứng Mỗi

điểm trên trục hoành biểu thị một

C, rất phù hợp với các đế thủy tinh thường,

do đó được chọn làm ngưỡng nhiệt độ nghiên cứu chính trong luận văn

2.5.4 Khái niệm chung về quá trình AIC

Quá trình AIC là quá trình khuếch tán nhiệt bên dưới điểm nhiệt độ

“eutectic” của hệ thống Si/Al, dẫn đến sự kết tinh của vật liệu Si Bước đầu tiên

để giúp xảy ra quá trình này chính là bước chuẩn bị mẫu Thông thường mẫu được chuẩn bị theo kết cấu (layer stack) bao gồm một lớp kim loại Al được lắng đọng trên đế thủy tinh, sau đó một lớp a-Si được lắng đọng tiếp theo trên lớp Al ( glass/Al/a-Si) Đế thủy tinh được sử dụng cho quá trình này rất phong phú như: corning 1737, corning 7059, Schott Borofloat 33…, nhìn chung các loại đế thủy tinh này thường có nhiệt độ nóng chảy thấp (<600o

C), do đó đòi hỏi quá trình nung nhiệt phải phù hợp Việc lắng đọng lớp Al và Si ban đầu cũng có thể sử

Hình 2.5: Giản đồ pha của hệ thống Al-Si

24

dụng đa dạng bởi các phương pháp khác nhau như: phún xạ magnetron, bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử, CVD, PECVD…Nhưng vấn đề so sánh ảnh hưởng của các phương pháp chế tạo khác nhau lên quá trình AIC hiện nay vẫn chưa có tác giả nào công bố rõ ràng Theo nhóm nghiên cứu chúng tôi nhận thấy, các phương pháp chế tạo sẽ ảnh hưởng lên sự hình thành cấu trúc của lớp silic ban đầu, cấu trúc này sẽ tác động trực tiếp, quyết định cơ chế khuếch tán toàn bộ quá trình (như đã đề cập trong phần 1.4)

Trong quá trình AIC, để hình thành màng silic đa tinh thể liên tục thì hàm lượng của lớp a-Si ban đầu phải lớn hơn so với lớp Al, tức là bề dày của lớp a-Si ban đầu thường được lắng đọng lớn hơn lớp Al Thêm vào đó, quá trình AIC cũng cần được tác động bởi lớp oxit nhôm, ở mặt phân giới hai lớp Lớp oxit này được xem như có thể điều khiển quá trình khuếch tán của hệ, và được hình thành bằng việc phơi đế thủy tinh, đã được phủ lớp Al ban đầu, ngoài không khí trong một khoảng thời gian, trước khi phủ lớp a-Si tiếp theo, lý do về các vấn đề này

sẽ được làm sáng tỏ khi xét đến mô hình khuếch tán của hệ Sau bước nung nhiệt dưới nhiệt độ “eutectic”của hệ Al/Si (Teu = 577oC), quá trình khuếch tán giữa hai lớp xảy ra, dẫn đến sự kết tinh liên tục của vật liệu Si trong thời gian ủ nhiệt Kết quả là kết cấu ban đầu thủy tinh/Al/a-Si chuyển hóa thành thủy tinh/poly-Si/Al (+Si) như được mô tả trong hình 2.6

Hình 2.6: Mô tả quá trình AIC: a) mẫu trước khi nung nhiệt; b) mẫu sau khi nung nhiệt

Một số nghiên cứu đã chứng tỏ rằng lớp oxit nhôm (đường màu trắng trong hình 2.6) ở giữa hai lớp Al và Si không dịch chuyển trong quá trình AIC

25

[19]

, do vậy đã dẫn đến bề dày của màng silic đa tinh thể thu được, bằng với bề dày của lớp Al ban đầu hay nói khác đi là sự hình thành màng silic đa tinh thể trong quá trình AIC bị giới hạn bởi bề mặt đế thủy tinh và lớp oxit nhôm này, vì thế mà bề dày lớp Al ban đầu đóng vai trò quyết định bề dày tối đa của màng silic đa tinh thể thu được Liên quan đến bề dày thì các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy có thể dùng phương pháp AIC để chế tạo thành công màng poly-Si với

bề dày nhỏ hơn 10 nm [50] hoặc có thể lên tới 1 µm [41] Hình 2.6 còn cho thấy, sau quá trình hoán chuyển, pha hình thành trên đỉnh của lớp poly-Si là một hỗn hợp Al và Si Pha Si trong hỗn hợp ở dạng các “ốc đảo” (Si islands) độc lập và được bao quanh bởi pha Al Cấu trúc của các ốc đảo này có dạng vô định hình hoặc vi tinh thể Như vậy có thể suy ra rằng, Si dư còn lại trên bề mặt của lớp poly-Si là do bề dày lớp a-Si ban đầu thường được chế tạo lớn hơn so với lớp Al,

do đó phần silic dư sẽ trộn lẫn với lớp Al được đẩy lên trong quá trình kết tinh silic do khuếch tán Từ đó cho thấy rằng, tỷ lệ bề dày của lớp Al và Si ban đầu cũng ảnh hưởng đến quá trình hình thành màng silic đa tinh thể

2.5.5 Mô hình của quá trình AIC

Từ các kết quả thực nghiệm thu

được qua các nghiên cứu, rất nhiều tác giả

đã xây dựng mô hình của quá trình AIC để

từ đó tìm cách lý giải cho sự hình thành

của màng silic đa tinh thể từ màng a-Si

ban đầu Nhìn chung quan điểm của các

tác giả đưa ra đã cho thấy được một mô

hình thực nghiệm tổng quát của quá trình AIC (hình 2.7) gồm 5 bước cơ bản sau: 1) quá trình bắt đầu với việc các nguyên tử Si bị “đứt ra” (dissociation) khỏi mạng a-Si của nó và khuếch tán xuyên qua lớp nhôm oxit để “tan” (into) vào lớp

Al bên dưới; 2) điều này làm cho nồng độ của nguyên tử Si, bên trong lớp Al ban đầu tăng dần cho đến khi đạt được nồng độ tới hạn (critical concentration)

Hình 2.7: Các bước chính của quá

trình AIC

26

cho sự hình thành mầm tinh thể (nucleation), kết quả là các mầm bắt đầu hình thành cục bộ tại các vị trí cố định (locally) bên trong lớp Al; 3) Các mầm mới hình thành này “tăng trưởng” theo mọi hướng cho đến khi chúng bị nén giữa bề mặt thủy tinh và lớp oxit nhôm, lúc này các mầm sẽ ưu tiên phát triển theo chiều ngang của hai mặt bên, bằng cách liên kết tái hợp với các nguyên tử Si tự do đang di chuyển cho đến khi trở thành một hạt tinh thể độc lập; 4) Các hạt tinh thể Si tiếp tục tăng trưởng theo chiều ngang của hai mặt bên cho đến khi chúng chạm nhau và kết hợp lại (coalesce) hình thành nên màng đa tinh thể liên tục trên đế thủy tinh; 5) Do sự tăng trưởng liên tục của các hạt tinh thể Si nên Al bị đẩy lên phía trên, trộn lẫn với các hạt Si còn dư lại để hình thành pha hỗn hợp Al (+Si) nằm trên đỉnh của lớp poly-Si bên dưới Tuy nhiên không phải tất cả nguyên tử Al đều bị đẩy hết lên trên, một lượng ít vẫn có thể nằm dọc theo biên hạt của các hạt tinh thể Si hoặc một lượng nhỏ có thể tạp trong mạng Si hình thành bán dẫn loại p hay hình thành liên kết Al-Si

Sau khi quá trình AIC xảy ra hoàn

toàn, mẫu được xử lý bằng phương pháp

hóa (thường là xử lý mẫu trong dung dịch

axit), để tẩy bỏ (etching) lớp Al dư Việc

loại bỏ Al làm lộ ra các ốc đảo Si (Si

island) nằm trên đỉnh của lớp màng Si đa

tinh thể bên dưới (hình 2.8) Đây chính là

mặt hạn chế của phương pháp AIC, để thu

được màng silic đa tinh thể hoàn hảo

(smooth continous poly-Si film), mẫu cần

phải được hỗ trợ bởi các phương pháp khác

để loại bỏ các silic dư này như: CMP (chemical machanical polishing) (hình 2.8, ảnh nhỏ bên trong ảnh lớn); WCE (wet chemical etching) hoặc phương pháp

ăn mòn bằng ion (reactive ion etching)…

Hình 2.8: Ảnh SEM bề mặt của màng silic đa tinh thể thu được:

- sau khi loại bỏ Al bằng dung dich axit (ảnh lớn)

- sau khi loại bỏ Al và Si dư bằng phương pháp CMP (ảnh nhỏ bên trong) [29, tr 199]

Do nung ở nhiệt độ thấp trong

thời gian ngắn nên quá trình AIC của mẫu

chỉ mới xảy ra ở các giai đoạn đầu Kết

quả này là một minh chứng cho sự hình

thành của một mầm Si (bước 2 của hình

2.7) bên trong lớp Al (đường màu đen

trong hình 2.9, đây là vị trí ban đầu của

lớp Al, đã bị tẩy bằng dung dịch axit)

Mô hình trên đã cho thấy rằng, để các mầm, các hạt Si tăng trưởng liên tục (bước 2 và 3) cho tới khi kết hợp lại hình thành màng silic đa tinh thể liên tục hoàn hảo (bước 4) thì cần thiết phải có nguồn cung cấp các nguyên tử Si liên tục vào trong lớp Al Nguồn cung cấp này chính là lớp a-Si ban đầu, do vậy mà cần thiết phải chế tạo lớp a-Si lớn hơn so với lớp Al như đã đề cập trước đây Hơn thế nữa chính vì lượng Si lớn hơn Al nên khi kết thúc quá trình, sẽ còn lại lượng

Si dư trên bề mặt Do vậy mà việc thay đổi hàm lượng Al hay Si có khả năng điều khiển được quá trình hình thành và tăng trưởng của màng Si đa tinh thể

Với mục đích xem xét khả năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp của phương pháp này, đòi hỏi màng poly-Si thu được phải đạt được độ đồng đều cao trên một diện tích lớn, nhóm tác giả S Gall [46] đã chế tạo thành công màng poly-

Si liên tục, với bề dày 300 nm trên đế thủy tinh 3 inches như minh họa trong hình 2.10

Hình 2.9: Ảnh SEM của mẫu cho thấy sự hình thành mầm Si bên trong phạm vi lớp Al Mẫu được đặt nghiêng 30o để cho thấy phần mặt cắt cũng như bề mặt [29, tr 197]

Bề mặt

Thủy tinh

Mầm Si

28

Hình 2.10: Màng silic đa tinh thể liên tục trên đế thủy tinh 3 inch [46]

2.5.6 Động học của quá trình AIC (kinetics of the AIC process)

Hình 2.11: Ảnh ghi nhận được bằng kính hiển vi quang học của mẫu được nung 510oC tại những thời điểm khác nhau a) 19 phút; b) 26 phút; c) 33 phút [29, tr 200]

Quá trình hình thành mầm và sự phát triển liên tục của hạt có thể được quan sát trực tiếp trong suốt quá trình hoán chuyển lớp, bằng việc sử dụng một kính hiển vi quang học phản xạ với hệ thấu kính chịu nhiệt cao (in-situ investigation) được kết nối với máy tính Các hiện tượng xảy ra được quan sát thông qua đế thủy tinh ở mặt phân giới của thủy tinh/Al Do độ phản xạ Al và Si khác nhau nên dễ dàng phân biệt: các vùng tối, vùng sáng lần lượt ứng với Si và

Al Ban đầu trước khi nung, hình ảnh nền thấy được là một vùng sáng màu hồng nhạt đặc trưng cho lớp màng Al liên tục ở mặt phân giới thủy tinh/Al Như vậy nếu bắt đầu có các chấm đen xuất hiện trong ảnh nền trong quá trình nâng nhiệt,

29

điều đó chứng tỏ đã có sự khuếch tán giữa hai lớp và các hạt Si hình thành đã chạm đến đế thủy tinh (bước 2,3 trong hình 2.7) Hình 2.11 minh họa cho các hiện tượng xảy ra ở mặt phân giới thủy tinh/Al sau những thời gian ủ nhiệt khác nhau của mẫu trong suốt quá trình AIC tại 5100C [29, tr 200] Hình 2.11a thể hiện mặt phân giới thủy tinh/Al được ủ nhiệt trong 19 phút, ở thời điểm này hầu như tất cả các hạt Si tạo thành đều xuất hiện trong cùng lúc Cùng với việc tăng thời gian ủ, thì kích thước của hạt Si cũng tăng theo (hình 2.11 b và c), và hầu như không có hạt mới được tạo ra Sự giới hạn phát triển của hạt giữa đế và mặt phân giới của Al/Si là nét đặc trưng quan trọng của phương pháp AIC Nhờ đó, các hạt Si sẽ phát triển đồng nhất theo phương ngang đến khi chúng chạm và hòa lẫn vào nhau Cuối cùng, một lớp silic đa tinh thể liên tục được hình thành

Hình 2.12: Sự phụ thuộc của hệ số kết tinh và số lượng hạt tinh thể vào thời gian ủ

nhiệt [29, tr 201-202]

Hệ số kết tinh hay phần trăm kết tinh (the crystallzed fraction), xác định bằng tỷ lệ phần trăm của diện tích vùng tối so với diện tích tổng cộng chụp được bằng kính hiển vi quang học, được biểu thị như là hàm của thời gian nung tA ở các nhiệt độ nung T khác nhau (từ 5000C tới 5300C) trong hình 2.12 Nhìn vào

đồ thị thấy rằng nhiệt độ nung càng tăng lên thì thời gian nung tA cần để tạo thành một màng silic đa tinh thể liên tục (đạt tới tỷ lệ kết tinh 100%) càng giảm đáng kể Ví dụ, tại 5300

C màng kết tinh 100% sau 19 phút Trong khi đó, phải

30

mất 90 phút để tạo thành màng silic đa tinh thể ở 5000C Việc giảm thời gian kết tinh khi nhiệt độ nung tăng lên nghĩa là giảm thời gian cần thiết để hoàn thành quá trình AIC, điều này cũng có nghĩa là thời gian cho sự hình thành hạt (tN) và thời gian tăng trưởng của hạt (tG) cũng giảm đáng kể Kết quả trong hình 2.12 cho thấy thêm rằng, trong toàn bộ thời gian ủ nhiệt, số hạt được tạo ra không tăng mà nhanh chóng đạt đến một giá trị ổn định (khoảng 16) trong một khoảng thời gian rất ngắn Như vậy có thể thấy rằng trong suốt quá trình ủ nhiệt, giai đoạn tăng trưởng hạt đóng vai trò quan trọng hơn quá trình hình thành các hạt tinh thể Và cũng dựa trên đồ thị hình 2.12 tác giả S.Gall [47] đã tính toán năng lượng kích hoạt (activation energy EA) cho quá trình hình thành mầm là 1.8 eV Mức năng lượng này thấp hơn rất nhiều so với năng lượng cần cho sự kết tinh pha rắn thông thường của a-Si 4.9 eV được đưa ra bởi tài liệu [51] Từ so sánh trên, tác giả S.Gall [47] cho rằng việc giảm được năng lượng kích hoạt cho quá trình tạo hạt Si là do ảnh hưởng của mặt phân giới giữa Al/a-Si ban đầu (barrier layer) Điều này cũng được khẳng định lại bởi nhóm tác giả J Schneider [25], cho thấy mẫu với lớp oxít dày (được chuẩn bị bởi sự oxi hóa nhiệt của bề mặt Al tại

5600C trước khi lắng đọng a-Si) thì năng lượng kích hoạt tương ứng cho quá trình tạo mầm hạt là EA = 1.9 eV Bên cạnh các nghiên cứu về quá trình tạo hạt tinh thể, tác giả J Schneider [25] cũng đưa ra các kết quả về khảo sát quá trình tăng trưởng của hạt Để xác định vận tốc phát triển (vg) của một hạt riêng lẻ, bán kính hạt (rg) được đo như là một hàm của tA bằng phần mềm phân tích hình ảnh

do kính hiển vi quang học thu được Kết quả cho thấy, sau thời gian bắt đầu hình thành hạt tN, vận tốc phát triển hạt (vg = drg/dtA) tăng, tới khi nó đạt tới giá trị không đổi cuối cùng Quá trình đo đạc sau đó được lập lại trên rất nhiều hạt để xác định vận tốc trung bình của sự phát triển hạt Một số kết quả ghi nhận từ việc

đo đạc cho thấy: tại 4500

C, vận tốc tăng trưởng hạt trung bình là 0.076 m.min-1

32

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI p CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM LOẠI NHÔM

3.1 Mô hình khuếch tán nhiệt của kết cấu thủy tinh/Al/a-Si dẫn đến sự

hình thành màng silic đa tinh thể

Trong phần này, nhóm nghiên cứu chúng tôi tiến hành thực nghiệm để tìm hiểu mô hình khuếch tán của hai lớp Al và Si trong quá trình nung nhiệt Khảo sát diễn biến của quá trình khuếch tán nhiệt này là một bước quan trọng giúp cho việc đánh giá, dự đoán cũng như điều khiển quá trình kết tinh của màng silic Việc quan sát tiến trình khuếch tán được chúng tôi thực hiện một cách gián tiếp, bằng kính hiển vi quang học truyền qua (gọi tắt là OTM, với độ phóng đại

400 lần, do nhóm chuyên viên Khoa Điện Tử Viễn Thông trường ĐHKHTN TP.HCM thiết kế) thông qua quá trình ủ nhiệt khác nhau của mẫu (thủy tinh/Al(70nm)/Si(235nm)) ở 450oC Mẫu gồm hai lớp Al và Si, được chế tạo lần lượt trên đế thủy tinh, bằng phương pháp phún xạ magnetron DC (hệ Univex 450 tại phòng thí nghiệm Vật Liệu Kỹ Thuật Cao) và đây cũng là phương pháp chính được dùng để chế tạo các mẫu trong luận văn này Trước khi lắng đọng màng Si, lớp Al được phơi ngoài không khí 5 phút để tạo lớp oxit bề mặt Bề dày mỗi lớp được tính thông qua việc chuẩn vận tốc lắng đọng của từng vật liệu bằng đầu dò dao động thạch anh Mô hình thực nghiệm chụp ảnh OTM được trình bày trong hình 3.1

33

Hình 3.1: Mô hình chụp ảnh của mẫu bằng kính hiển vi truyền qua quang học:

a) mẫu hoàn toàn chắn sáng

b) mẫu cho ánh sáng truyền qua

Hình 3.1 cho thấy hệ kính hiển vi truyền qua quang học cơ bản bao gồm: nguồn phát ánh sáng khả kiến; hệ thấu kính, thu nhận ảnh từ ánh sáng truyền qua mẫu, phóng đại và hiển thị ảnh qua màn hình máy tính thông qua cáp kết nối Trong hình 3.1 a), do lớp kim loại Al phản xạ ánh sáng rất mạnh, nên mẫu trước khi được xử lý nhiệt là hoàn toàn chắn sáng và ảnh trên màn hình thu được là ảnh nền đen Như vậy nếu mẫu được xử lý nhiệt sao cho quá trình khuếch tán giữa hai lớp xảy ra rất chậm cho đến khi Si chạm đế ở những vị trí khác nhau, kết quả là trên màn hình sẽ thấy hình dáng các đốm (hoặc là các ốc đảo), với các màu sắc đặc trưng cho độ truyền qua của Si trên nền màu đen (đặc trưng cho sự phản xạ ánh sáng của Al) như được minh họa trong hình 3.1 b) Dựa vào cơ chế thu ảnh của OTM chúng tôi tiến hành quan sát các mẫu được nung ở 450oC với thời gian ủ khác nhau 5 phút, 10 phút, 30 phút và 1 giờ Việc chọn thời gian ủ đã được chúng tôi nghiên cứu ở nhiều thời điểm khác nhau và đây là bốn thời điểm điển hình với mong muốn thấy được quá trình khuếch tán rất chậm của Si vào

Al Kết quả được hiển thị trong hình 3.2

Do được kích hoạt bởi năng lượng nhiệt, quá trình khuếch tán bắt đầu xảy

ra Hình 3.2 (a) cho thấy hình dạng của các “ốc đảo Si” khi vừa chạm đế trong thời gian ủ nhiệt ngắn 5 phút Từ hình dạng của các ốc đảo này có thể thấy rằng, việc Si khuếch tán vào Al sẽ được ưu tiên tập trung theo các “kênh dẫn” hay ở các vị trí đặc biệt bên trong lớp Al Tại các vị trí này, các nguyên tử Si sẽ sớm chạm đế tạo thành các “cột” hoặc “ốc đảo” Khi thời gian ủ nhiệt tăng, được thể hiện trong hình 3.2 (b) và (c), tức lượng nguyên tử Si khuếch tán vào Al càng tăng, các “ốc đảo” được cung cấp thêm các nguyên tử Si sẽ tăng trưởng lớn dần theo hình dạng giống “rễ cây” Các hình “rễ cây” trong hình 3.2 (b) và (c) còn cho thấy các “ốc đảo Si” tăng trưởng đều theo mọi hướng và lan tỏa theo các kênh ngang thành các “rãnh” Khi so sánh hình ảnh các “rễ cây” trong OTM với