CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA TRONG KỸ THUẬT VI ĐIỆN TỬ 1.1 Giới thiệu tổng quan về plasma trong chế tạo vi mạch điện tử 1. Plasma Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất, và được nhà hóa học Irving Langmuir mô tả lần đầu tiên trong những năm 1928 [27]. Nó bao gồm một chất khí gồm các ion, các nguyên tử mất một số electron trên quỹ đạo và các electron tự do. Hơn 99% vật chất trong vũ trụ nhìn thấy là ở trạng thái plasma.
Thực tế các ngôi sao, cũng như tất cả các ngôi sao có thể nhìn thấy, đang ở trạng thái plasma. Phân loại plasma Phân loại plasma dựa vào nhiệt độ của điện tử, plasma được chia thành :plasma nóng và plasma không nóng (hay còn gọi là plasma lạnh) [54]. *Plasma nóng Plasma nóng (nhiệt) bao gồm các ion âm và các hạt tích điện nặng, nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt với nhau, tức là cả hai đều ở cùng nhiệt độ [26]. Plasma nhiệt là nhiệt động lực học và có thể tìm thấy rất nhiều trong vũ trụ [39].
Plasma nóng được áp dụng trong công nghiệp trên phạm vi rộng. Những thành tựu kinh tế mới là luyện kim, phun phủ plasma, ngưng tụ hơi vật lý, hóa học và loại bỏ các chất độc hại. Công nghệ plasma nóng hiện nay chủ yếu bao gồm hồ quang điện, plasma có tốc độ cao phản ứng hạt nhân plasma nhiệt độ siêu cao và plasma xung phóng điện. *Plasma không nóng Plasmas không nhiệt (Plasma lạnh) có điện tử ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với các hạt tích điện nặng.
Plasma lạnh không giống như trạng thái cân bằng nhiệt động lực học [41]. Các nguồn ion thông thường bao gồm máy phát plasma để tách và tăng tốc ion [19]. Các kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong máy phát điện LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 plasma để tạo ra phóng điện là điện tử cộng hưởng cyclotron và nguồn ion hóa tần số vi sóng [51]. Trong những năm gần đây, công nghệ plasma đang phát triển nhanh chóng cho các ứng dụng công nghiệp cũng như thương mại.
Công nghệ plasma cómột ứng dụng mạnh mẽ để sử dụng trong quá trình luyện kim, các công cụ công nghệ nano.2 Một số dạng phóng điện tạo plasma a. Phóng điện phát sáng một chiều ( DC) Phóng điện phát sáng một chiều thuộc về plasma không nhiệt, trong đó dòng điện một chiều (Direct current discharges: DC) là nguồn điện kết nối giữa tấm cực âm và cực dương ở giữa là các hỗn hợp khí để tạo plasma như hình vẽ 1.1 Hệ thống phóng điện phát sáng một chiều Khi ta cấp điện trường một chiều vào cực âm và cực dương gây ra gia tốc của electron ở cửa catốt trước, làm tăng va chạm không đàn hồi giữa nguyên tử và electron và dẫn đến sự ion hóa và kích thích. Các ion và các electron mới được tạo ra do va chạm ion hóa được tăng tốc mạnh bởi điện trường về phía catốt phóng điện tử mới bằng cách ion hóa thông qua sự phát xạ điện tử thứ cấp. Sự gia tăng các va chạm ion hóa làm tăng nồng độ của các điện tử và ion mới tại catốt tạo nên sự phóng điện phát sáng của plasma tự duy trì.
Các điện tử phát ra từ các điện cực thường không thể duy trì sự phóng điện khi không có hiệu điện thế giữa cácđiện cực. Điều này có thể được sử dụng rộng rãi cho xử lý vật liệu, như một nguồn sáng, khắc, lắng đọng ion và cho cơ chế vật lý của quá trình biến đổi bề mặt [27]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phóng điện RF Plasma phóng điện phát sáng tần số radio (radio-frequency discharges: RF- D) là một trong các nguồn plasma được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình chế tạo vật liệu [1].
Để duy trì phát sáng dòng điện một chiều, các điện cực phải được điều khiển. Khi một hoặc cả hai các điện cực không dẫn điện ví dụ khi phát sáng phóng điện để sử dụng phân tích quang hóa vật liệu không dẫn điện hoặc lắng đọng màng mỏng điện môi, nơi mà các điện cực dần dần được bao phủ bằng các vật liệu cách điện, các điện cực sẽ được tích điện do sự tích tụ của điện tích dương hoặc âm và sẽ phát sáng. Vấn đề này được khắc phục bằng cách đặt một điện áp xoay chiều giữa 2 điện cực để mỗi điện cực sẽ thay nhau hoạt động luân phiên cũng như cực âm và cực dương chồng chất trong một nửa chu kỳ sẽ làm ít nhất một phần hạt bị trung hòa bởi điện tích trái dấu tích lũy trong một nửa chu kỳ tiếp. Thông thường, phóng điện phát sáng RF sử dụng cho điện áp xoay chiều với tần số 13,56 MHz, áp suất trong quá trình phóng điện nằm từ 10-3 đến 100 Torr.
Mật độ điện tử trong phóng điện phát sáng RF ở áp suất thấp (10-3 đến 1 Torr) dao động từ 109 đến 1011 cm3, còn ở áp suất trung bình (10-100 Torr) có thể đạt 1012 cm3. Nhiệt độ điện tử là nhiều eV và nhiệt độ ion rất thấp. Plasma RF có độ đồng nhất tương đối tốt. Plasma RF được ứng dụng rất thành công trong lĩnh vực lắng đọng màng mỏng tăng cường bằng plasma, khắc ăn mòn plasma và trong phún xạ vật liệu cách điện.
Cho đến nay RF plasma thường sử dụng công nghệ hút chân không [61].3 Va chạm trong plasma Trong plasma đồng nhất, các electron năng lượng trải qua va chạm với các hạt trung tính để tạo ra chất trung hòa bị kích thích, nguyên tử, gốc tự do, ion và các electron bổ sung và gồm những va chạm electron như sau [1, 90]. - Va chạm đàn hồi: là va chạm mà các tính chất của hạt sau khi tương tác vẫn giữ nguyên như trước. Va chạm đàn hồi không làm thay đổi năng lượng nội tại của các dạng trung tính nhưng làm tăng nhẹ năng lượng động học [1]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 - Phần lớn những dạng kích thích này có thời gian tồn tại ngắn và chúng trở lại trạng thái bình thường với việc sinh ra một photon.
Quá trình va chạm trong plasma tạo ra sự khác nhau về thành phần và đặc điểm của từng loại plasma. Sự va chạm của các electron là rất quan trọng vì năng lượng hay nhiệt độ rất cao của nó [1]. Mức độ kích thích và ion hóa của nguyên tử và phân tử có xác suất đáng kể mặc dù độ đậm đặc của không gian bị kích thích trong plasma lạnh thường thấp. Năng lượng giữa các trạng thái kích thích có sự khác nhau nhỏ hơn năng lượng giữa trạng thái nền và trạng thái kích thích đầu tiên, số lượng electron có năng lượng thấp cao hơn nhiều số lượng electron có năng lượng khoảng 10 eV.
Có thể tóm tắt một số quá trình tương tác cơ bản quan trọng do va chạm trong plasma như sau: Sự va chạm electron với phân tử khí trung hòa: Sự va chạm đàn hồi giữa điện tử với phân tử hoặc nguyên tử là những va chạm thường hay gặp nhất trong plasma. Khi năng lượng điện tử vượt quá vài electron Volt thì tiết diện va chạm đàn hồi sẽ giảm theo sự tăng lên của vận tốc điện tử. Sự trao đổi điện tích: Một dạng tương tác quan trọng khác giữa các hạt trong plasma là sự trao đổi điện tích. Điều đó có nghĩa là có sự truyền điện tích từ ion chuyển động nhanh sang cho các nguyên tử hay phân tử chuyển động chậm.
Quá trình này có một ý nghĩa lớn vì ion có năng lượng cao có thể biến thành phân tử trung hòa, ion mới có năng lượng thấp được hình thành trong plasma làm cho plasma lạnh đi dần dần [1].2 Sự kích thích electron LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Sự kích thích (hình 1.2): Khi va chạm với một hạt nặng, electron có thể gây ra sự kích thích hạt đó, nhờ vậy hạt sẽ có năng lượng cao hơn so với trước khi va chạm. Nguyên tử ion hay phân tử đã được kích thích có thể chuyển về trạng thái không kích thích ở mức năng lượng nhỏ hơn. Nhờ sự chuyển về đó, một lượng tử ánh sáng - photon sẽ được phát xạ.3 Sự ion hóa electron Sự ion hóa (hình 1.3): Sự chuyển trạng thái khí sang trạng thái plasma liên quan tới nhiều quá trình tương tác khác nhau giữa các hạt. Quá trình ion hóa là sự tách điện tử khỏi nguyên tử hoặc phân tử khí đóng một vai trò đặc biệt.
Thiếu quá trình ion hóa thì không thể có plasma.4 Sự tái hợp ion Sự tái hợp ion (hình 1.4): Sự tái hợp là quá trình kết hợp ion với điện tử để trở thành phân tử hoặc nguyên tử trung hòa. Quá trình này được coi là quá trình ngược với quá trình ion hóa. Các điện tử và các ion dương hoặc các ion có điện tích trái dấu có thể tái hợp với nhau [1]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5 Sự kết hợp electron Sự kết hợp các điện tử (hình 1.5): Điện tử có thể kết hợp và gắn vào với nguyên tử trung hòa thành ion âm.
Quá trình này gọi là sự kết hợp các điện tử. Khi số điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử càng ít thì nguyên tử càng dễ nhường điện tử hóa trị của mình để trở thành ion dương. Ngược lại, những nguyên tử của nguyên tố có nhiều điện tử ở lớp vỏ ngoài (số điện tử hóa trị nhỏ hơn 8) có khả năng kết hợp và giữ các điện tử để trở thành các ion âm. Sự “dính điện tử” biểu lộ mạnh nhất ở các nguyên tử thuộc nhóm nguyên tố halogen (nguyên tố nhóm VII), có 7 điện tử ở lớp vỏ bọc ngoài.
Thực nghiệm cũng cho thấy sự dính điện tử xảy ra đặc biệt mạnh đối với các nguyên tử của nguyên tố thuộc nhóm ôxy (nhóm VI). Sự hình thành các ion âm của nguyên tố ôxy có ý nghĩa vật lý đối với các lớp trên cùng của khí quyển Trái Đất. Ở đó, các nguyên tử oxy chiếm các điện tử gây ra giảm độ dẫn điện của plasma, chúng tạo thành tầng điện ly. Sự giảm độ dẫn điện đó liên quan đến các phần tử của dòng điện.
Các điện tử chuyển động nhanh được thay thế bằng các ion âm ôxy nặng chuyển động chậm. Như vậy, quá trình kết hợp điện tử dẫn đến sự giảm độ dẫn điện của chất khí [1].