|
Chất khí : Một thành phần quan trọng trong việc chế tạo màng mỏng Trần Trí Năng - University of Minnesota & Ecosolar International Tháng trước, chúng ta đă thảo luận về thế giới cực mỏng của màng mỏng với những thông số mới. Trong số này chúng tôi xin giới thiệu một thành phần chính trong kỹ thuật chế tạo màng mỏng : chất khí (gas). Chất này là một trong bốn trạng thái chính của vật chất: Rắn, lỏng, khí và plasma tùy theo nhiệt độ. Chất khí gồm có hai loại chính: bulk gases gồm những chất khí phổ biến, rẻ và có độ tinh khiết cao (oxygen, hydrogen, nitrogen, helium, argon) và specialty gases gồm những chất khí đặc biệt bao gồm những chất khí dùng trong việc chế tạo màng mỏng của kỹ nghệ IC và non-IC. Khóa học mùa xuân (spring semester) vừa xong tuần rồi. Hôm nay khuôn viên trường yên tĩnh lạ thường. Ngoại trừ vài cô cậu sinh viên đi rải rác trên đường và vài chú sóc chạy nhảy đùa giỡn, t́m thức ăn, hầu như không c̣n một tiếng động nào khác. Cái lạnh mùa đông đă qua, trả lại sự ấm áp khi đất trời chuyển ḿnh vào hạ. Hoa tulip, thủy tiên đủ màu đua nhau nở rộ. Bầu trời trong xanh gửi xuống những tia nắng ấm làm ḷng người thấy nhẹ nhàng, thoải mái. Tôi đi chậm răi đến tiệm cà phê Starbucks, nơi tôi có hẹn với một đồng nghiệp đi ăn trưa và luôn tiện “catch up ” những “ chuyện bên lề” trong mấy tuần “bận rộn thi cử” vừa qua. Tiệm cà phê trống , nên chuyện t́m chiếc bàn để ngồi tương đối khá dễ dàng. Đang nh́n quanh quẩn, chợt tôi nghe tiếng gọi : “O, shoor esss warm today eh?” (It’s warm today, isn’t!) Nhận ra tiếng nói của Erick với giọng Minnesota “đặc sệt” , tôi cũng bắt chước đáp lại : “Yah, yah, it’s nice here enn MiniSoda” (It’s nice here in Minnesota) Erik tính hay khôi hài; thỉnh thoảng dùng giọng Minnesota cho nó vui và thay đổi không khí. Anh này lớn lên ở Bagley, một thành phố nhỏ nằm gần công viên quốc gia Itasca (bang Minnesota) , nơi ḍng sông Mississippi bắt đầu từ một con suối nhỏ bề ngang chừng vài chục bước (xem h́nh 1) , với cuộc hành tŕnh dài 4107 km (2552 miles) qua thành phố Minneapolis- St Paul, chảy xuyên qua nhiều bang như Iowa, Missouri, Arkansas về phía tây và Wisconsin, Illinois, Kentucky, Tennessee, Mississippi về phía đông trước khi hội ngộ ở New Orleans để đổ ra Vịnh Mễ Tây Cơ .
H́nh 1. Nguồn nước Itasca nơi ḍng sông Mississippi bắt đầu cuộc hành tŕnh 2552 miles [1] Đặt thức ăn và cà phê xong, chúng tôi vừa ăn vừa nói chuyện. Những mẫu chuyện “linh tinh” thuộc nhiều đề tài khác nhau đôi khi chẳng ăn nhập ǵ với nhau cả. Từ chuyện đội football “gà nhà” Vikings bị “đánh bại thê thảm” mùa này đến chuyện đi canoe của Erik ở Boundary Waters rộng mênh mông (nằm giữa biên giới Ontario/Canada và Minnesota/Mỹ) ; rồi chúng tôi chuyển sang chuyến lái xe thú vị của tôi và gia đ́nh trên Northshore highway 61 dọc theo Lake Superior từ Duluth (Minnesota) sang Thunderbay (Canada). Sau cùng, Erik cho tôi biết một tin “nóng hổi” là anh và chị Sarah mới mua một miếng đất gần hồ Owasso và muốn xây một “dream house” ở Roseville - một thành phố nằm ở ngoại ô của St. Paul, thủ phủ của bang Minnesota. Anh dự kiến ngôi nhà sẽ có 3 pḥng ngủ, 1 pḥng khách và gara cho 2 xe hơi. Nhà sẽ có vườn chơi rộng để Sarah trồng hoa quả và hai cháu Dave và Jackeline chơi sau giờ tan học. Những công việc như đào móng, xây tường… anh đă ủy thác cho một nhà thầu đảm nhiệm rồi. Tôi có đề cập đến vấn đề hơi ẩm vào mùa hè v́ nhà gần hồ; Erik nói có thể anh phải trải plastic trên sàn bê tông khi làm nền ; cũng có thể phải dùng hệ thống địa nhiệt (geothermal) để gỉam độ ẩm. Biết tôi làm về năng lượng mặt trời, nên anh ấy muốn nhờ tôi tư vấn về solar heating và pin mặt trời Tôi đưa ra những câu trả lời tổng quát về việc sử dụng năng lượng mặt trời trong sinh hoạt hàng ngày như đun nước, xem ti vi, sử dụng máy tính… Tôi cũng cho anh biết, với kỹ thuật hiện tại, mái nhà trang bị các tấm thu năng lượng mặt trời trông cũng rất đẹp, trông giống như những mái nhà mà người ta dùng hiện tại. Vả lại, v́ chính quyền bang Minnesota hỗ trợ trừ thuế cho 30% kinh phí tổn cho những ai lắp giàn pin mặt trời này, nên đây cũng là cơ hội tốt cho Erik dùng pin mặt trời cho ngôi nhà mới của anh. So với mái nhà b́nh thường, tổn phí có cao tuy nhiên nếu nghĩ đến tương lai dài hạn có lẽ có lợi hơn ; vă lại “it looks cool and sexy!” hơn. Nói chuyện hơi lâu , khi chúng tôi ăn xong đă gần một giờ rưởi chiều. Chúng tôi rời tiệm Starbucks trở về pḥng làm việc, hy vong là có thể về đến nhà khoảng 6 giờ , lúc trời c̣n sáng để thưởng thức những giờ đẹp trời c̣n lại trong ngày . Trước khi chia tay, Erik c̣n nhờ tôi cho anh “quá giang” v́ xe của anh ta hiện đang sửa ở tiệm. “Yah sure, you betcha” (Sure, no problems!). Làm một hệ thống chế tạo màng mỏng giống như xây một ngôi nhà của Erik Nghĩ cho cùng, có nhiều điểm giống nhau giữa đề tài tôi sắp viết và công việc xây nhà của Erik hôm nay. Trước khi xây nhà, cần phải biết anh ta muốn ǵ, như căn nhà rộng bao nhiêu, bao nhiêu pḥng và địa thế của căn nhà ra sao. Sau đó anh ta phải xây móng, làm nền, lắp đặt thiết bị gia dụng… Để làm một chiếc máy chế tạo màng mỏng cũng giống như vậy. Trước hết, chúng ta phải biết chúng ta cần loại màng mỏng có tính năng như thế nào, sau đó phải thiết kế mô h́nh, rồi mua các dụng cụ cần thiết như máy bơm, máy đo chân không, máy điều gas...
H́nh 2: Các thành phần cần thiết trong việc thiết kế một chiếc máy chế tạo màng mỏng Nh́n từ bên ngoài, mỗi căn nhà có một sắc thái riêng: Có nhà ngói đỏ, tường trắng, có nhà mái kim thuộc galvanium để ngăn không cho hơi nóng vào nhà trong mùa hè, có nhà một tầng, nhà nhiều tầng… Một chiếc máy chế tạo màng mỏng cũng vậy: Có thể khác nhau khi nh́n bên ngoài, nhưng thành phần chính ở bên trong (h́nh 2) th́ khá giống nhau. Những phương pháp chế tạo màng mỏng khác nhau Để giới thiệu với bạn đọc một hệ thống chế tạo màng mỏng, tôi xin đưa ra vài chiếc máy chế tạo màng mỏng do chính chúng tôi thiết kế và lắp đặt trong pḥng nghiên cứu của ḿnh (h́nh 3).
H́nh 3: Các máy chế tạo màng mỏng trong pḥng nghiên cứu của chúng
tôi: Sự khác biệt chính giữa những chiếc máy này là máy phún xạ ca tốt dùng plasma, trong khi đó máy bốc hơi nhiệt không dùng plasma. Giống như việc xây nhà, trước tiên, chúng ta phải biết dùng cái máy sắp chế tạo màng mỏng trong ứng dụng nào và màng mỏng tạo ra có độ mỏng bao nhiêu và phải có những chức năng như thế nào về điện học và quang học. Từ đó, chúng ta mới quyết định loại máy nào sẽ được dùng. Hiện tại, có rất nhiều quy tŕnh trong kỹ thuật chế tạo màng mỏng. Tuy nhiên, về cơ bản có thể chia làm 3 loại quy tŕnh: Bốc hơi nhiệt, dùng plasma, dùng chất khí. Trong số những quy tŕnh này, các phương pháp như epitaxy chùm phân thử (MBE), phún xạ magnetron (magnetron sputtering) , ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma (PECVD), ngưng đọng hơi hóa học bằng nhiệt ở áp suất thấp (LPCVD), ngưng đọng hơi hóa học metalo-organo (MOCVD), màng mỏng nguyên tử (ALD) và bốc nhiệt dùng chùm điện tử là được dùng nhiều nhất trong công nghệ vi mạch IC và non-IC.
Chúng ta cũng có thể phân loại các phương pháp này thành 2 loại chính (bảng 1): Chế tạo màng mỏng qua hệ thống gas (CVD) và chế tạo màng mỏng qua hệ thống chất rắn (PVD). Dù theo cách nào đi chăng nữa, những phương pháp trên được phân chia dựa theo việc quy tŕnh đó dùng chất khí hay dùng plasma hoặc kết hợp cả hai. Các chất khí dùng trong công nghệ IC và non-IC Gas là một trong bốn trạng thái chính của vật chất: Rắn, lỏng, khí và plasma tùy theo nhiệt độ. Thể rắn tồn tại ở nhiệt độ thấp; thể lỏng ở nhiệt độ cao; khi nhiệt độ tăng lên, chúng ta có thể khí và khi nhiệt độ lên cao nữa, chúng ta có thể plasma. Hiện tại, có khoảng 50 chất khí khác nhau dùng trong công nghệ này, đặc điểm chung của chúng có thể tóm lược như sau: - Hai loại chính: bulk gases gồm những chất khí phổ biến, rẻ và có độ tinh khiết cao (oxygen, hydrogen, nitrogen, helium, argon) và specialty gases gồm những chất khí đặc biệt gồm những khí khác dùng trong việc chế tạo màng mỏng. Thường những b́nh chứa chất khí được làm bằng kim loại. Các b́nh chứa này được tồn trữ trong những tủ đựng gas với bộ phận điều chỉnh áp suất, van đóng mở, bộ phận điều chỉnh lưu lượng gas, dụng cụ kiểm soát độ tinh khiết của gas, bộ phận lọc và thiết bị an toàn. Phần chi tiết, xin xem hinh 4 (a) và (b) - Độ tinh khiết: Được quy định bởi con số 9, chẳng hạn như 8 con số 9 có độ tinh khiết 99,999999%, hoặc 4 con số 9 có độ tinh khiết 99,99%. Khi liên lạc với các hăng gas, chúng ta thường dùng những con số 9 này để quy định độ sạch của gas mà chúng ta muốn dùng. Số những con số 9 càng nhiều th́ độ tinh khiết của gas càng cao. - Thiên nhiên thường có những quy luật ngang trái: Phần lớn những chất khí có hiệu quả càng cao th́ có độc tính càng nhiều hoặc có càng nhiều phản ứng có thể ảnh hưởng sức khỏe con người và môi trường . Những chất khí dùng trong công nghệ bán dẫn cũng không phải là ngoại lệ: Hoặc độc (toxic) như arsine hay phosphine; hoặc tác dụng ăn ṃn (corrosive) như hydrogen chloride, chloride hoặc dễ phản ứng nhanh (reactive) như tungsten hexafluoride hoặc dễ cháy khi tiếp xúc với không khí (pyrophoric) như silane. Bảng tóm tắt các chất khí chính dùng trong công nghệ được tŕnh bày ở bảng 2 [2]. Có những chất khí con người chỉ cần tiếp xúc ở mức độ rất nhỏ trong một thời gian ngắn là có thể nguy hiểm đến tính mạng, chẳng hạn như arsine với IDHL 6ppm, diborane 40ppm và hydrogen bromide với IDHL khoảng 50ppm. Con người cũng không thể tiếp xúc quá 15 phút trong môi trường có những chất khí như chlorine (ở mức độ 1 ppm), tungsten hexafluoride (6 ppm) va nitrogen trifluoride (15 ppm). Chúng ta cũng nên lưu ư là, mặc dù một số các chất khí dùng trong việc chế tạo màng mỏng có độc tính rất cao nhưng v́ công nghệ bán dẫn đă trưởng thành và đang phát triển rất nhanh trong ṿng 40 năm nay, nên những nhà máy chế tạo linh kiện bán dẫn có những thiết bị báo động, kiểm soát và pḥng ngừa hữu hiệu, không gây ảnh hưởng đến sức khỏe của những người làm việc ở đó.
(a) (b) H́nh 4. (a) Tủ chứa và phân phát gas (Matheson Model 1170), (b) Các bộ phận của b́nh chứa gas: (1) Nắp an toàn, (2) Van đóng hay mở, (3) Packing stem (ống kết nối) , (4) Van giảm áp, dùng để giảm áp suất trong b́nh gas nếu áp suất lên cao tới độ nguy hiểm, (5) Van để nối kết với bên ngoài, (6) Phần để giữ nắp an toàn, (7) outlet cap(nắp thoát gas) , (8) Con số chứng tỏ b́nh chứa gas đă đạt tiêu chuẩn, ở đây con số này là DOT-3AA, (9) và (10) số đăng kư có ngày tháng, ở đây là Tháng 4.1997 (tài liệu từ Matheson TRIGAS Company, http://www.mathesongas.com/). Về điểm này, chính phủ các nước sở tại cũng có những cơ quan đóng vai tṛ quan trọng trong việc duy tŕ độ an ṭan cho những hăng xưởng và nhân viên liên hệ. Chẳng hạn như OSHA (Occupational Safety & Health Administration), NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health) ở Mỹ; JISHA (Japan Industrial Safety and Health Association), JNIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health Japan) ở Nhật; EU-OSHA (European Agency for Occupational Safety and Health) và ENETOSH (European Network Education Training in Occupational Safety and Health) ở Âu châu. Ngoài ra, c̣n có một số chất khí thuộc loại organo-metalic (bảng 3) được dùng trong ngưng đọng hóa học metalo-organo (MOCVD), một hệ thống dùng để chế tạo các màng mỏng trong các linh kiện bán dẫn như laser, cám kích tia hồng ngoại và đi ốt phát quang (c̣n gọi là đèn LED). Các chất hóa học này có carbon kết hợp với metal và có hơi áp suất rất cao ở nhiệt độ b́nh thường, v́ thế hầu hết được cất giữ ở trong b́nh chứa ở nhiệt độ liquid nitrogen (-196 Celcius). Tên viết tắt của các chất này thường được đề cập hơn v́ dễ đọc và dễ nhớ. Một thí dụ như các chất bán dẫn thuộc nhóm III-V thường được chế tạo bằng cách dùng TMGa, TMIn, TMAl phản ứng với hợp chất (compounds) của nitrogen, phosphorus , arsenic hay antimony.
TLV-TWA: Mức độ an toàn. Đây là mức độ gas mà con người có thể tiếp xúc mỗi ngày mà không bị ảnh hưởng ǵ đến sức khỏe. STEL: Mức độ gas có thể tiếp xúc trong một thời gian ngắn. Thời gian tiếp xúc không quá 4 lần một ngày và mỗi lần không quá 15 phút. IDHL: Có thể nguy hiểm đến tính mạng ngay cả khi tiếp xúc trong một thời gian ngắn. Chính v́ vậy mà khi sử dụng các b́nh gas, chúng ta luôn phải đặt yếu tố an toàn lên hàng đầu và phải tuân thủ chặt chẽ các quy tŕnh, quy định về an toàn.
Những thận trọng cần thiết khi dùng các b́nh chứa gas Dưới đây là những thận trọng cần thiết khi dùng gas hoặc ở trong sản xuất fab hay ở các cơ quan nghiên cứu : - Luôn luôn có những thiết bị cấp cứu, chửa lửa dành cho trường hợp cấp bách. - Đọc kỷ bản MSDS (Material Safety Data Sheet) để hiểu rơ đặc tính của chất khí (gas) sắp dùng. -Các b́nh chứa gas phải được tồn trử ở một nơi thóang khí, sáng sủa và nhiệt độ không quá cao. Phải tiếp với mặt đất (grounded) để tranh tĩnh điện và phát tia điện (sparking).Con số b́nh chứa gas phải giử càng ít càng tốt. B́nh chứa những chất gas dễ cháy (flammable gases) phải giử xa b́nh chứa oxygen một khoảng cách 6-7 mét. - Các b́nh chứa gas phai có nhản hiệu . Sẽ không bao giờ dùng b́nh chứa gas không có nhản hiệu. - Các b́nh chứa gas phải có “cap” bảo vệ (cylinder protection cap). B́nh chứa gas nào đến trước sẽ được dùng trước. - Các b́nh gas sau khi dùng hết phải có nhản hiệu “empty hay MT” và phải được hoàn lại cho hăng chế tạo càng sớm càng tốt. - Luôn luôn mang kính an toàn (safety glasses), găng tay , giày an toàn (safety shoes) và bộ phận che mặt (face shield). - Luôn luôn di chuyển các b́nh chứa gas bằng đồ đẩy đặc biệt (hand trucks or carts). - Luôn luôn cột chặc các b́nh chứa gas bằng dây an toàn. - Các b́nh chứa gas được giử trong tủ chứa gas - Phải thực tập thường xuyên công tác cấp cứu và các đáp ứng trong trường hợp cấp bách. -Các lọai gas độc phải trung ḥa (neutralized) trước khi cho ra ngoai qua hệ thống thoát khí (exhaust stack). Thiết lập hệ thống thóat khí (exhaust) . Áp suất (pressure) Hầu hết các hệ thống chế tạo màng mỏng đều dùng chân không. Điều này có liên quan trực tiếp đến áp suất của gas. Cứ tưởng tượng một buổi sáng ở trạm xe điện ngầm Tokyo vào giờ cao điểm (h́nh 5a): Người chen lấn đứng chật cả toa xe không c̣n chỗ trống, ngay cả cử động cánh tay cũng không được. Trong khi đó, sau 10 giờ sáng, trong xe điện ngầm ở New York (h́nh 5b), xe trống và hành khách có thể đứng, ngồi thoải mái. T́nh trạng của toa xe cũng giống như t́nh trạng độ chân không trống trong hệ thống chế tạo màng mỏng vậy. Ở áp lực thông thường, không có độ chân không, các phân tử hay nguyên tử quá nhiều (tới mức không thể di động được). T́nh trạng này thuộc về ḍng di chuyển hỗn loạn (turbulent viscous) của chất khí, trong đó những ṿng tṛn lớn nhỏ tương đương với những hành khách trong xe (h́nh 5a). Thế nhưng, ở mức độ chân không cao (áp suất thấp), mặc dù có những va chạm ngẫu nhiên với nhau hoặc với tường của b́nh chứa, các nguyên tử/phân tử có rộng chỗ và có thể di động từ một điểm này sang điểm kia, hay nói một cách khác là có độ di động cao. T́nh trạng này thuộc về dạng ḍng chuyển động từng lớp (laminar flow) và ḍng chuyển động phân tử (molecular flow) của chất khí như trong hinh 5b, 6b và 6c.
H́nh 5: (a) Tàu điện trong giờ cao điểm ở Tokyo và (b) sau 10 giờ sáng ở New York [4]
(a) Ḍng chuyển động hỗn loạn
(b) Ḍng chẩy theo lớp
(c) Ḍng chuyển động của phân tử H́nh 6: Các ḍng chuyển động khác nhau tùy theo áp suất của các chất khí Để chế tạo màng mỏng, thường chúng ta cần một độ chân không tốt, khoảng 10-5-10-8 Torr (Torr là một đơn vị bằng 1/760 của một atmotphe hay một khí áp (astmosphere). Sự liên hệ giữa các đơn vị đo độ chân không được tóm tắt ở bảng 4.
Những hệ thống chế tạo màng mỏng ở bảng 1 đ̣i hỏi độ chân không khác nhau. Ví dụ như, phún xạ ca tốt hay ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma cần mức độ chân không khoảng 10-5-10-6 Torr. Trong khi đó, những hệ thống như MBE cần mức độ chân không rất cao, khoảng 10-8-10-10 Torr. Các mức độ chân không cũng chia thành nhiều cụm chẳng hạn như độ chân không thấp (low vacuum, 105 Pa (750 Torr) - 3 x 103 Pa hay 25 Torr), độ chân không trung b́nh ((medium vacuum, 25 Torr – 7,5 x 10-4 Torr), độ chân không cao (high vacuum, 7 x 10-4 Torr - 7.5 x 10-7 Torr), độ chân không rất cao (very high vacuum, 7.5 x 10-7 Torr - 7.5 x 10-10 Torr) và độ chân không cực cao (ultrahigh vacuum, 7.5 x 10-10 Torr – 7,5 x 10-13 Torr). Sự liên hệ giữa độ chân không và khoảng cách trung b́nh có sự di động tự do Trở lại trường hợp xe điện xe điện ngầm ở Tokyo và New York ở h́nh 5 trên và giả sử mỗi nguyên từ là một con người di chuyển từ toa A tới toa B trong môi trường không khí . Trong quá tŕnh di chuyển này, con người sẽ va chạm với những người đồng hành trong toa xe. Tùy theo số người trong xe (độ chân không) , khoảng cách trung b́nh có sự di động tự do (mean free path) của người này sẽ thay đổi. Mean free path được định nghĩa như là khoảng cách di động trung b́nh của nguyên tử chất khí trước khi va chạm với những nguyên tử chất khí khác. Bảng 5 diễn tả sự liên hệ này.
Như vậy chất khí và mức độ chân không đóng một vai tṛ quan trọng trong chế tạo màng mỏng. Việc chọn lựa các chất khí để dùng và độ chân không quyết định một phần tính năng của màng mỏng được dùng trong những ứng dụng khác nhau. Số tới, chúng tôi sẽ tŕnh bày một thành phần khác không kém phần quan trọng như chất khí trong việc chế tạo màng mỏng: Đó là plasma. Tài liệu tham khảo [1] http://www.backwoodscampground.com/headwaters.jpg [2] P. Singer , “Handling Hazardous Materials: What you should know”, Semiconductor International (December 1996), page 63. [3] K. Seshan, “Thin Film Deposition”, Noyes Publications, 2001. [4] http://www.youtube.com/watch?v=b0A9-oUoMug
|
.jpg)
.jpg)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)