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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm 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
LOẠI NHÔM
Chuyên ngành: Vật Lý Điện Tử
Mã số: 60 44 03 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Trần Cao Vinh

Tp. Hồ Chí Minh – 2011


Lời cảm ơn

Đầu tiên, tác giả muốn nói lời tri ân và lòng biết ơn đến cố GS.TS Nhà
Giáo Nhân Dân Nguyễn Văn Đến và TS. Lê Vũ Tuấn Hùng là những bậc Thầy
đã dìu dắt tác giả những bƣớc chập chững đầu tiên, làm quen với khoa học, và
cho tác giả cơ hội đƣợc làm việc trong môi trƣờng khoa học.
Tiếp theo, tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Cao Vinh, là
Thầy hƣớng dẫn và cũng là ngƣời Thầy định hƣớng cho tác giả sống, chiến đấu
và làm việc với khoa học cho đến hôm nay.
Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn chân thành và thân thƣơng đến q
Thầy Cơ, các anh chị đồng nghiệp, gia đình, bạn bè và các em nhỏ, đặc biệt là

“mái nhà KTC xƣa và nay” vì sự giúp đỡ, động viên và chia sẻ đã dành cho tác
giả trong suốt thời gian vừa qua.
Kính chúc q Thầy Cơ và toàn thể anh chị em thật nhiều sức khỏe, bình
an và đạt đƣợc nhiều thành cơng trên con đƣờng phía trƣớc.

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
CHƢƠNG 1.

VẬT LIỆU SILIC ..................................................................... 4

1.1

Silic đơn tinh thể ...................................................................................... 4

1.2

Silic vơ 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

CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC ĐA TINH THỂ
…………………………………………………………………………………..13
2.1

Phƣơng pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H2 .......................... 13

2.2

Phƣơng pháp CVD và PECVD............................................................... 16

2.3

Phƣơng pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC)........ 17

2.4

Phƣơng pháp kết tinh bằng Laser (Laser Crystallization - LC) ............... 19

2.5

Phƣơng pháp kết tinh silic, đƣợc 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 Lƣợc sử quá trình nghiên cứu của phƣơng pháp AIC ........................... 21
2.5.3 Giản đồ pha của hệ thống Al/Si ............................................................ 22
2.5.4 Khái niệm chung về q trình AIC ....................................................... 23
2.5.5 Mơ hình của q trình AIC. ................................................................. 25
2.5.6 Động học của quá trình AIC (kinetics of the AIC process) .................. 28


PHẦN B THỰC NGHIỆM .............................................................................. 31
CHƢƠNG 3. ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT
TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI P CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM
LOẠI NHƠM .................................................................................................. 32
3.1

Mơ 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

CHƢƠNG 4. CÁC VẤN ĐỀ KHÁC ẢNH HƢỞNG LÊN QUÁ TRÌNH AIC
………………………………………………………………….63
4.1

Ảnh hƣởng của tỷ lệ bề dày màng Al và Si lên quá trình AIC ................ 63

4.2

Ảnh hƣởng 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 CƠNG 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 trƣng cho
các dao động của liên kết Si-Si trong các cấu trúc mạng khác nhau.. 38
Bảng 3.2: Năng lƣợng liên kết enthalpy trung bình của các chất và hợp chất. .. 46
Bảng 3.3: Biến đổi năng lƣợng tự do của các phản ứng tạo oxit. ...................... 48

Bảng 3.4: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) đƣợc nung ở các nhiệt độ
khác nhau......................................................................................... 49
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát điện trở mặt bằng phƣơng 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) đƣợc nung ở 500oC với
thời gian ủ nhiệt khác nhau. ............................................................. 57
Bảng 3.8: Kết quả đo điện trở mặt bằng phƣơng pháp 4 mũi dò. ...................... 59
Bảng 3.9: Kết quả đo Hall các mẫu .................................................................. 60
Bảng 4.1: Các mẫu D đƣợc 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 đƣợc chế tạo trong cùng điều kiện và bề
dày. Trong đó mẫu T*1 và T*2 đƣợc xem nhƣ khơng 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 ngồi khơng khí để tạo
lớp oxit của lớp Al ban đầu. ............................................................. 72


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mơ hình cấu tạo mạng của silic vơ định hình ...................................... 6
Hình 1.2: Các khuyết tật trong mạng Si .............................................................. 7
Hình 1.3: Cấu trúc đa tinh thể của màng silic trên đế thủy tinh........................... 8
Hình 1.4: Cơ chế khuếch tán của nguyên tử tạp chất vào mạng đơn tinh thể .... 10
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 thƣớc hạt tinh thể và b) cƣờng độ đỉnh nhiễu
xạ vào sự thay đổi áp suất phún xạ. ● tƣợng trƣng mặt (111), ▲: (220)
và ■: (311) [8]. .................................................................................. 15
Hình 2.5: Giản đồ pha của hệ thống Al-Si. ....................................................... 23

Hình 2.6: Mơ tả q trình AIC: a) mẫu trƣớc khi nung nhiệt; b) mẫu sau khi
nung nhiệt ........................................................................................ 24
Hình 2.7: Các bƣớc chính của q trình AIC .................................................... 25
Hình 2.8: Ảnh SEM bề mặt của màng silic đa tinh thể thu đƣợc:...................... 26
Hình 2.9: Ảnh SEM của mẫu cho thấy sự hình thành mầm Si bên trong phạm vi
lớp Al. Mẫu đƣợc đặt nghiêng 30o để cho thấy phần mặt cắt cũng nhƣ
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 đƣợc bằng kính hiển vi quang học của mẫu đƣợc 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 lƣợng hạt tinh thể vào thời gian
ủ nhiệt [29, tr. 201-202]........................................................................... 29


Hình 3.1: Mơ 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 chƣa phủ a-Si. .................. 35
Hình 3.4: Ảnh OTM của mẫu a) trƣớc và b) sau khi đƣợc 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 trƣởng
của “rễ cây”) của Si ở những ngƣỡng 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 đƣợc 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 dƣ trên lớp

poly-Si bên dƣới; 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 ngồi khơng khí của lớp Al ban
đầu (để tạo lớp oxit ở mặt phân giới) trƣớc khi lắng đọng Si, các ảnh
lần lƣợt cho thấy hình dáng đa dạng của phần Si dƣ bên trên lớp Si đa
tinh thể: .......................................................................................... 42
Hình 3.12: Phổ EDX của mẫu đƣợc chụp ở hai vị trí khác nhau trên bề mặt
màng: a) vị trí chụp cịn Si dƣ bên trên; b) khơng cịn Si dƣ bên trên.
....................................................................................................... 44
Hình 3.13: Mơ hình quá trình khuếch tán của các nguyên tử Si vào lớp Al. ..... 45
Hình 3.14: Năng lƣợng 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 khơng 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 Cơng 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


MỞ ĐẦU
Vật liệu silic đã và đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử
và các linh kiện quang điện. Vật liệu khối silic đơn tinh thể, nhƣ các phiến silic
(wafer silicon), đã đƣợc sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử, cho
hiệu suất cao. Tuy nhiên xu hƣớng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học là
tìm giải pháp giúp giảm chi phí vật liệu cũng nhƣ 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 đƣợc vật liệu khối silic, mà vẫn giữ đƣợc hiệu suất cao của linh
kiện.
Với công nghệ chế tạo màng mỏng nhƣ hiện nay, thì màng mỏng silic đa
tinh thể đang thu hút đƣợc sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới do những
ƣu điểm của nó về độ bền cũng nhƣ cải thiện đƣợc sự truyền dẫn hạt tải so với
màng silic vơ định hình. Từ đó, việc chế tạo màng silic đa tinh thể đã mở ra một
hƣớng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học với tiềm năng có thể thay thế các
vật liệu khối. Hƣớng nghiên cứu này đã đƣợc các tác giả trong và ngoài nƣớc
thực hiện bởi nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: phún xạ magnetron, CVD,
PECVD, MOCVD, phƣơng pháp kết tinh pha rắn, phƣơng pháp kết tinh bằng
laser…Hiện nay, trong nƣớc việc nghiên cứu chế tạo màng silic đa tinh thể đang
đƣợc rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu, đặc biệt bằng phƣơng pháp PECVD,
tuy nhiên vẫn chƣa có nhóm tác giả nào cơng 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 nƣớc hiện
nay, và để góp phần thêm vào xu hƣớng 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 phƣơng pháp AIC (Aluminum-induced Crystallization).
Đây là một phƣơng pháp mới và đơn giản, đang đƣợc triển khai nghiên cứu bởi
các tác giả trên thế giới. Cơ chế của phƣơng pháp này chính là sự khuếch tán
1


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 vơ 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 hƣởng 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, ngồi yếu tố nhiệt độ độ, cịn có các yếu tố khác ảnh hƣởng đến quá trình
AIC, cũng đƣợc trình bày, để làm sáng tỏ thêm về cơ chế hình thành màng đa
tinh thể silic của phƣơng pháp AIC.
Trong luận văn, tác giả chia bố cục thành hai phần A và B:
Phần A tổng quan lý thuyết trong hai chƣơng, chƣơng 1 tổng quan về vật
liệu silic, giới thiệu các dạng cấu trúc và đặc điểm từng loại cấu trúc của vật liệu
silic, chƣơng 2 tổng quát về các phƣơng pháp chế tạo màng silic đa tinh thể hiện
đang đƣợc nghiên cứu.
Thực nghiệm đƣợc trình bày trong phần B gồm chƣơng 3: ảnh hƣởng của
quá trình nung nhiệt lên sự hình thành màng silic đa tinh thể, chƣơng 4: là các
ảnh hƣởng khác lên quá trình hình thành màng.

2


CHƢƠNG 1.

VẬT LIỆU SILIC

Silic đƣợc phát hiện năm 1824 là ngun tố thuộc nhóm IV trong bảng
hệ thống tuần hồn Mendeleev. Nó đƣợc xem là nguyên tố phổ biến thứ hai sau
oxy trong tự nhiên, silic chiếm khoảng ¼ khối lƣợng 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 bƣớc 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 nhƣ: 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 đƣợc 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 hồn liên tục, khơng bị gián đoạn, trong đó mỗi nguyên tử silic liên kết
cộng hóa trị với bốn nguyên tử khác và định hƣớng theo một phƣơng xác định.
Phần lớn các thiết bị quang điện, nhƣ pin mặt trời, đƣợc 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 nhƣ 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 phƣơng pháp hay cơng nghệ chế tạo vật liệu silic đơn giản, ít tốn kém, mà vẫn
đạt chất lƣợng vật liệu nhƣ mong muốn.

4


Bảng 1.1: Các thông số phổ biến của silic đơn tinh thể.
Nguyên tử số

14

Nguyên tử lƣợng

28.08

Cấu hình điện tử

1s22s22p63s23p2

Cấu trúc tinh thể

Kiểu kim cƣơng

Đối xứng không gian

Oh5 (Fd3m)
0.00001) A0 (ở 298K)

(5.43072

Hằng số mạng
Hằng số điện môi

12

Trọng lƣợng riêng

2.3283 g/cm3

Hệ số khuếch tán của điện tử ở 300K

35 cm2/s

Hệ số khuếch tán của lỗ trống ở 300K

13.1 cm2/s
ni2 = 1.5

1033 T3 e-∆Eg / kT

Nồng độ hạt dẫn riêng ni2 (cm-3)
Với T = 300K thì ni = 1.5 1010 cm-3
Độ linh động ở 300K của điện tử

100) cm2/V.s

Độ linh động ở 300K của lỗ trống

15) cm2/V.s
1.21 eV (ở 0K)

Độ rộng vùng cấm
1.09 eV (ở 300K)

5


1.2

Silic vơ định hình (amorphous silicon – a-Si)
Vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trƣớc, màng silic vô định hình

(amorphous silicon thin films) đã đƣợc các nhà khoa học tập trung nghiên cứu
mạnh nhằm tìm kiếm một loại vật liệu rẻ tiền, phủ đƣợc 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 ƣu điểm nổi bật là độ hấp thụ trong vùng
khả kiến cao, chi phí chế tạo thấp, nhƣng khuyết điểm đáng tiếc là độ dẫn điện
thấp và tính bền với mơi trƣờng khơng cao.
1.2.1 Các tính chất của vật liệu:
Silic vơ định hình (a-Si) là một dạng
khơng 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 hồn. Trong
silic vơ định hình cũng tƣơng tự nhƣ vậy, tuy
nhiên do thiếu trật tự xa (do góc liên kết bị
lệch so với góc 109,5o của tứ diện) nên silic vơ
định hình là mạng khơng tuần hồn mà nó chỉ

Hình 1.1: Mơ hình cấu tạo mạng
của silic vơ định hình

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 aSi, thƣờng thì các ngun tử Si khơng có đủ liên kết để tạo thành lớp ngồi 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 hịa” (dangling bonds). Silic vơ định hình
thƣờng 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 vơ định hình khác so với các sai
hỏng trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, ở vật liệu vơ định hình, các sai hỏng này
xảy ra đồng đều trong suốt vật liệu và khơng chỉ xảy ra tại các biên hạt. Chính
6


mật độ sai hỏng cao trong vật liệu vô định hình làm cản trở hiện tƣợng 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 nhƣ
transitor, pin mặt trời…cho nên việc tạo đƣợc 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 nhƣ 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 hồn
hảo, ít sai hỏng. Việc pha tạp vào silic đơn tinh thể cũng đƣợc tiến hành bởi
những phƣơng pháp đơn giản nhƣ phƣơng pháp khuếch tán nhiệt. Trong phƣơng
pháp khuếch tán nhiệt, việc lựa chọn tạp chất pha tạp là một yếu tố quan trọng vì
trong phƣơng pháp này địi hỏi tạp chất phải hòa tan tốt vào chất nền. Các tạp
chất nhƣ P, Bo, Sb, Al, Ni…đã đƣợc sử dụng để tạo ra bán dẫn silic loại n và
loại p, trong đó Al là kim loại đã đƣợc nghiên cứu sử dụng trƣớc đây bởi các nhà
khoa học để tạo ra bán dẫn silic loại p++ với nồng độ hạt tải đạt đƣợc lên đến 1018

7


và 1019 cm-3 bằng phƣơng pháp khuếch tán nhiệt vào đơn tinh thể silic

[43]

. Tuy

nhiên, với phƣơng pháp khuếch tán nhiệt kim loại Al vào màng a-Si đƣợc chọn
nghiên cứu trong luận văn này cho thấy, không những Al đƣợc 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 (dƣới 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 ƣu có khả năng thay thế

vật liệu khối, thì việc chế tạo màng silic đa tinh thể đang là hƣớng nghiên cứu
đƣợc quan tâm hiện nay bởi các nhà khoa học vì những ƣu điểm của loại vật liệu
này: có những tính chất gần giống nhƣ vật liệu khối và khắc phục đƣợc những
nhƣợc 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 đƣợc 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 mơ phỏng sự hình thành màng silic đa tinh thể trên đế. Những hạt Si sắp xếp
theo những định hƣớng ngẫu nhiên. Vật liệu đƣợc tinh thể hóa theo chiều rộng
của hạt (khoảng kích cỡ µm).

8


Vì hạt có kích cỡ lớn, nên cấu trúc vùng năng lƣợng và hệ số hấp thụ gần
nhƣ tƣơng tự với vật liệu đơn tinh thể. Tuy nhiên, các tính chất về sự truyền dẫn
và tái hợp của hạt tải lại bị ảnh hƣởng mạnh bởi biên hạt và những khuyết tật bên
trong hạt. Thƣờng thì những biên hạt này chứa mật độ lớn các trạng thái mặt
phân giới, có thể bẫy các hạt tải tự do, hoặc gây ra sự tán xạ hạt tải.
Trong mơ hình đƣợc chấp nhận rộng rãi hiện nay của silic đa tinh thể, vật
liệu này đƣợc xem nhƣ là những hạt tinh thể nhỏ kết dính lại với nhau bởi những
đƣờng biên hạt. Trong mỗi hạt tinh thể, các nguyên tử sắp xếp tuần hồn tạo nên
những đơn tinh thể, trong khi đó, những đƣờng biên là tập hợp những nguyên tử
sắp xếp không trật tự và chứa một lƣợng lớn những sai hỏng do liên kết khơng
hồn chỉnh. Mật độ cao các sai hỏng và các liên kết dangling tại đƣờng 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 đƣờng biên hạt.
Nhƣ vậy, với các ƣu điểm và nhƣợc điểm nêu trên thì việc chế tạo màng
silic đa tinh thể với định hƣớng tinh thể tốt, kích thƣớc 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 phƣơng pháp khuếch tán nhiệt để pha tạp
các nguyên tố nhƣ: B, P, Al, Ni…vào các khối rắn đơn tinh thể silic, tạo ra các
bán dẫn loại n hay loại p đã đƣợc 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 vơ định hình, thì việc sử dụng
màng kim loại nhôm khuếch tán nhiệt vào màng a-Si, để hình thành nên màng
9


silic đa tinh thể đang là một hƣớng nghiên cứu đƣợc triển khai, và tiến hành hiện
nay bởi các tác giả trong và ngoài nƣớc, nhƣ là một phƣơng pháp mới có khả
năng kết tinh lại vật liệu silic, tuy nhiên việc hiểu rõ về mơ hình cũng nhƣ cơ chế
khuếch tán của phƣơng pháp này vẫn còn là vấn đề đang đƣợc thảo luận. Vì vậy,
việc xem xét lại cơ chế và mơ hình khuếch tán của Al vào khối rắn đơn tinh thể
silic, sẽ là cơ sở giúp chúng tơi đƣa ra đƣợc cái nhìn tổng qt về những nét
tƣơng đồng cũng nhƣ 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 nhƣ đƣợc minh họa trong hình 1.4 gồm: a) sự
trao đổi vị trí; b) sự trao đổi vịng; c) khuếch tán giữa các mạng tinh thể; và d)
khuếch tán ở các vị trí trống [2]. Năng lƣợng kích hoạt cần thiết và loại ngun tử
pha tạp (hóa trị, bán kính ngun tử, năng lƣợng 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 lƣợng kích hoạt
rất cao (>10 eV). Năng lƣợng này khơng thể đạt đƣợc 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 nhƣ những ion có đƣờng 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 lƣợng kích hoạt rất thấp, vì khơng cần sự phá vỡ các liên kết. Loại
khuếch tán này thƣờng xảy ra với các ngun tử có đƣờng kính rất bé hơn so với
10


silic, ví dụ nhƣ các kim loại kiềm: Na, K, Li…hoặc khí nhƣ: H2… Khuếch tán
qua các vị trí trống trong tinh thể (d), cần một năng lƣợng kích hoạt cao hơn, do
các nguyên tử pha tạp cần đƣợc gắn vào các vị trí nút mạng bình thƣờng.
Khuếch tán chậm, với các nguyên tử nhƣ B, P hoặc Al… có đƣờng 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) đƣợc phân chia
thành hai nhóm. Các nguyên tử khuếch tán chậm (khi hệ số khuếch tán D = 1015

..10-10 cm2s-1) và các nguyên tố khuếch tán nhanh (D= 10-9...10-3 cm2s-1). Năng

lƣợng kích hoạt WA của các nguyên tử pha tạp cũng là một thơng 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 trƣờng hợp sự nhiễm bẩn ion Natri
WA (Na) = 0.72 eV.
Nhƣ vậy nếu thay khối rắn đơn tinh thể silic bằng một màng mỏng silic
vơ định hình, thì các ngun tử Al, khi cho khuếch tán vào vật liệu vơ định hình
rất khó có thể xảy ra theo cơ chế a, b, c nhƣ các lập luận ở trên. Do vậy, mơ hình
khuếch tán vào các vị trí trống vẫn cịn phù hợp trong trƣờng hợp này. Ngoài ra
do đặc thù cấu trúc vật liệu vơ 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 tƣởng 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 vơ
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 nhƣng
lại cho hiệu suất cao hơn so với vật liệu vơ 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
11


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 tơi, về bản chất cơ chế giống nhau
nhƣng do khác nhau về mặt cấu trúc mạng nên thời gian và độ dài khuếch tán
đối với vật liệu vơ định hình sẽ nhanh hơn so với đơn tinh thể. Cũng xin nhấn
mạnh rằng các trƣờng hợp chúng tôi xét ở trên, là trƣờng hợp khuếch tán của các
nguyên tử Al vào mạng của vật liệu silic, trong trƣờng hợp này thì nồng độ hạt
nguyên tử của Al rất nhỏ so với nồng độ của nguyên tử silic. Nếu kim loại Al
đƣợc 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 nhƣ đã đƣợc đề cập, thì cơ chế và
mơ hình khuếch tán sẽ phức tạp hơn và sẽ đƣợc chúng tôi đề cập kỹ trong
chƣơng 2.

12


CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC
ĐA TINH THỂ
Trong những năm gần đây, hƣớng nghiên cứu và chế tạo màng mỏng silic
đa tinh thể đã đƣợc rất nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc quan tâm thực hiện rất

đa dạng bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: phún xạ magnetron, CVD và
PECVD, phƣơng pháp kết tinh pha rắn, phƣơng pháp kết tinh bằng laser, phƣơng
pháp kết tinh màng a-Si đƣợc thực hiện bởi quá trình khuếch tán nhiệt của Al
vào màng a-Si (aluminum-induced crystallization: AIC)…Mỗi phƣơng pháp đều
có thế mạnh riêng. Cơ chế, nguyên lý và trình tự của mỗi phƣơng pháp đều đã
đƣợc trình bày rất chi tiết trong nhiều tài liệu tham khảo, nên trong chƣơng này,
chúng tơi chỉ tập trung phân tích, thống kê các kết quả đạt đƣợc của các tác giả,
cũng nhƣ nhận xét các ƣu và nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp. Bên cạnh đó,
phƣơng pháp AIC đƣợc xem nhƣ là một phƣơng pháp mới, đƣợc sử dụng để
nghiên cứu chính trong luận văn, do đó riêng phƣơng pháp AIC đƣợc trình bày
chi tiết hơn để làm cơ sở cho các bàn luận trong phần thực nghiệm của đề tài.
2.1

Phƣơng pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H2
Việc nghiên cứu và chế tạo màng silic

bằng phƣơng pháp phún xạ magnetron phản
ứng với khí H2 cũng đã đƣợc nhóm nghiên
cứu chúng tơi 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 đƣợc khi

so sánh với các công bố khoa học khác cho
thấy màng silic đƣợc chế tạo bằng phƣơng
pháp này thƣờng có cấu trúc ở dạng vi tinh

Hình 2.1: Cấu trúc vi tinh thể
của Si.

thể (microcrystalline silicon _ μc-Si). Cấu trúc vi tinh thể của silic đƣợc định
nghĩa là những cụm hay những hạt tinh thể nhỏ phân bố trong một nền vô định
13


hình bao xung quanh đƣợc mơ tả nhƣ hình 2.1

[7]

. Loại cấu trúc này, đƣợc thể

hiện đặc trƣng 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 thƣớc hạt nhỏ cỡ vài chục nanomet. Chính

vì đƣợc bao quanh bởi mạng lƣới vơ định hình hay nói khác đi là pha vơ định
hình vẫn chiếm ƣu thế trong toàn mạng của màng nên việc pha tạp và truyền dẫn
hạt tải của màng thƣờng rất kém. Vì thế
việc đƣa H2 vào mạng Si là một phƣơng
thƣớc nguyên tử H rất nhỏ có khả năng
“len lỏi” sâu trong tồn mạng và rất dễ

Cƣờng độ

án giải quyết đƣợc áp dụng, do kích

liên kết với các Si bị đứt gãy (đƣợc xem
nhƣ là các tâm tái hợp hay các khuyết tật
“dangling bond”). Nhƣ vậy, muốn hidrô
liên kết đƣợc với các nguyên tử Si địi
hỏi các phân tử khí H2 phản ứng, phải

Số sóng (cm-1)

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

đƣợc “ion hóa” hay “phân ly” thành các
nguyên tử H+ và liên kết với nguyên tử
Si ngay trong môi trƣờng plasma hoặc
H2 rất nhỏ, nên muốn các phản ứng ion
hóa xảy ra hiệu quả, địi hỏi tỷ lệ nồng độ
khí H2 cho vào phản ứng rất cao (8090%). Chính vì thế đã làm tăng áp suất

Cƣờng độ phát quang

ngay trên bề mặt đế. Do kích thƣớc của

Vùng 1

Vùng 2

Vùng
3

phún xạ của môi trƣờng 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
dƣ trong buồng để tạo hợp thức SiOx.
14

Áp suất [Pa]

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


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 phƣơng
pháp phún xạ magnetron. Trong đó, hình 2.3 hiển thị vùng áp suất khí từ 3x10-2
đến 3x10-1 torr khả năng ion hóa của nguyên tử H2 đạt hiệu suất cao (chấm trịn
tơ đen). Vì thế trong vùng áp suất này ở hình 2.4 cho thấy kích thƣớc hạt cũng
nhƣ cƣờng độ đỉnh nhiễu xạ của các hạt tinh thể thu đƣợc là rất tối ƣu. Ngoài ra,
yếu tố nhiệt độ đế cũng ảnh hƣởng 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 lƣợng 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 phƣơng 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 hƣớng nghiên cứu để ứng dụng trong sản xuất cơng nghiệp thì
nhiệt độ đế cao là một trở ngại lớn. Do đó mà hƣớng phát triển hiện nay, các nhà
nghiên cứu ln tìm cách giảm nhiệt độ đế chế tạo mà vẫn tạo đƣợc cấu trúc tốt
cho màng silic. Các trở ngại và khó khăn trên cũng chính là những mặt hạn chế

Cƣờng độ đỉnh nhiễu xạ [au]

Kích thƣớc hạt trung bình [nm]

chung của phƣơng pháp phún xạ magnetron.

Áp suất [Pa]

Áp suất [Pa]

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của a) kích thƣớc hạt tinh thể và b) cƣờng độ đỉnh nhiễu xạ vào
sự thay đổi áp suất phún xạ. ● tƣợng trƣng mặt (111), ▲: (220) và ■: (311) [8].

15

2.2

Phƣơng pháp CVD và PECVD
CVD (chemical vapour deposition) là phƣơng pháp hình thành màng dựa

trên chất nguồn dễ bay hơi và lắng đọng hơi hóa học này trên đế (substrate). Đặc
trƣng chung của quá trình CVD bao gồm một hay nhiều tiền chất dễ bay hơi
đƣợc đƣa vào buồng chân không, chúng sẽ phản ứng hoặc phân ly trên bề mặt đế
để lắng đọng tạo màng, và sản phẩm thừa đƣợc đẩy ra ngồi theo luồng khí đi
qua buồng. Trong việc chế tạo màng silic, các tiền chất ban đầu thơng thƣờng
đƣợc sử dụng là hỗn hợp khí: SiH4, H2, PH3, B2H5...Trong đó, các khí PH3 hay
B2H5 đƣợc cho vào nhƣ một chất pha tạp, tạo màng bán dẫn dẫn điện loại n hay
p. Để tăng cƣờng 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 lƣợng, và thúc đẩy quá trình giải hấp các sản phẩm phụ ở thể
khí, thì đế tạo màng thƣờng đƣợc nâng ở nhiệt độ rất cao (>800oC), ngƣỡng
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 phƣơng pháp CVD, do chế tạo ở nhiệt độ cao thƣờng rất kén vật liệu đế hay
việc triển khai cơng nghiệp rất khó khăn vì vấn đề tạo nguồn nhiệt độ cao trong
môi trƣờng chân khơng cao khơng phải là vấn đề đơn giản. Chính vì thế mà ngay
nay song song với CVD, phƣơng pháp PECVD đƣợc sử dụng rộng rãi hơn do
đƣợc hỗ trợ thêm nguồn plasma phóng điện khí DC hoặc RF. Plasma trong
PECVD đóng vai trị ion hóa các tiền chất, tạo ra các gốc tự do và là môi trƣờng
truyền các gốc tự do khuếch tán xuống đế theo mơ 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*

16


Nhờ hỗ trợ thêm nguồn plasma phóng điện khí mà PECVD đã tăng đƣợc
tốc độ lắng đọng màng, giảm đƣợc 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 cơng nghiệp
trên diện rộng. Việc chế tạo màng silic bằng PECVD chịu ảnh hƣởng rất lớn bởi
các điều kiện chế tạo nhƣ: tỷ lệ pha loãng khí giữa H2 /SiH4 /Ar, nhiệt độ đế,
cơng suất nguồn phóng điện… Mỗi điều kiện đều ảnh hƣởng riêng đến sự hình
thành cấu trúc màng. Nhƣng 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 đƣợc hiệu
suất ion hóa cao trong plasma của các pha khí, và tăng cƣờng q trình truyền
của các tiền chất đến đế đƣợc thuận lợi. Nhƣ 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 lƣới hoàn hảo. Ở giai đoạn này, vai trò nhiệt độ đế rất quan trọng,
thƣờng nhiệt độ đế thích hợp cho sự tái kết tinh của silic trong trƣờng hợp này là
trên 500oC, cho nên trong các điều kiện chế tạo thông thƣờng ở nhiệt độ thấp
(<500oC) màng thƣờng có cấu trúc vi tinh thể (μc-Si:H). Đây cũng là mặt hạn
chế của phƣơng pháp PECVD trong việc kết tinh vật liệu silic.
2.3

Phƣơng pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC)
Phƣơng pháp kết tinh pha rắn sử dụng năng lƣợng nhiệt để kết tinh màng

silic vô định hình. Đây là phƣơng pháp phổ biến để chế tạo màng silic đa tinh

thể. Thông thƣờng một lớp màng mỏng silic vơ định hình đƣợc phủ trên đế chịu
nhiệt, sau đó màng đƣợc nung trong lị chân khơng ở nhiệt độ rất cao (≥700oC)
trong thời gian ủ nhiệt lâu (≥ 10h). Đây là phƣơng pháp đơn giản có khả năng
kết tinh màng silic với kích thƣớc hạt lớn. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này
17


chính là việc sử dụng nhiệt độ đế cao, nên khó ứng dụng cho các loại đế giá rẻ,
thƣờng chịu đƣợc nhiệt độ thấp (<500oC). Thêm vào đó, thì việc nung ở nhiệt độ
cao rất dễ bị ảnh hƣởng bởi tạp nguyên tử oxy trong màng, nên để hạn chế điều
này, thƣờng phải sử dụng các lị nung chân khơng cao hoặc nung trong mơi
trƣờng khí trơ nhƣ Ar, He... Ngoài ra thời gian ủ lâu cần thiết cho sự kết tinh
cũng là một yếu tố hạn chế khả năng ứng dụng trong việc sản xuất công nghiệp
của phƣơng pháp này.
Các nhƣợc điểm trên vẫn đƣợc 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 đƣa ra phƣơng 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 lị nung thơng thƣờng, trong đó nhiệt độ cao
(≥700oC) đƣợc tăng với tốc độ rất nhanh, sau thời gian ủ nhiệt ngắn, hệ thống
đƣợc làm lạnh nhanh xuống nhiệt độ phịng. Với việc sử dụng q 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 vơ định hình so với phƣơng pháp SPC thông thƣờng, cụ
thể là các hạt silic đa tinh thể bắt đầu hình thành ở ngƣỡng 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 nhƣ hoàn toàn với hệ số kết tinh (the crystalline
fraction) đạt 96% ở 750oC 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 phƣơng pháp giảm nhiệt độ kết tinh silic vẫn đang từng
bƣớc đƣợc nghiên cứu, trong đó ý tƣởng về sự khuếch tán nhiệt một số kim loại
nhƣ Al, Ag, Ni…vào màng silic để gây ra sự kết tinh vật liệu này ở nhiệt độ thấp

18