Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Xác định các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của phân tử khí TRIES và khả năng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử "Xác định các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của phân tử khí TRIES và khả năng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về ứng dụng công nghệ plasma trong kỹ thuật vi điện tử; Xác định được các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của chất khí TRIES và hỗn hợp của chất khí TRIES với các chất khí khác,

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Xác định các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của phân tử khí TRIES và khả năng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch

[28][27] BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN PHAN THỊ TƯƠI XÁC ĐỊNH CÁC THUỘC TÍNH PLASMA ION HÓA YẾU TRONG VA CHẠM ELECTRON CỦA PHÂN TỬ KHÍ TRIES VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VI MẠCH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HƯNG YÊN - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN PHAN THỊ TƯƠI XÁC ĐỊNH CÁC THUỘC TÍNH PLASMA ION HÓA YẾU TRONG VA CHẠM ELECTRON CỦA PHÂN TỬ KHÍ TRIES VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VI MẠCH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Đỗ Anh Tuấn 2. PGS. TS Phạm Ngọc Thắng HƯNG YÊN - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hưng Yên, ngày tháng năm Tác giả luận án Phan Thị Tươi
ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi bày tỏ sự kính trọng và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể giáo viên hướng dẫn, PGS.TS Đỗ Anh Tuấn và PGS.TS Phạm Ngọc Thắng đã luôn luôn nhiệt tình chỉ bảo và luôn động viên để tôi hoàn thành bản luận án. Tiếp theo, tôi gửi lời cảm ơn tới Phòng Đào tạo, Trường Đại học SPKTHY cùng các cán bộ công tác tại trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và có những ý kiến đóng góp quý báu về nội dung, bố cục của luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô nơi tôi công tác tại khoa Điện- Điện tử trường đại học SPKTHY vì những động viên chân thành và sự san sẻ công việc chuyên môn để tôi yên tâm thực hiện nội dung luận án. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, đã luôn động viên tôi để tôi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án. Hưng Yên, ngày tháng năm Tác giả luận án Phan Thị Tươi
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... ix MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án..............................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................3 3. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................3 4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............................................................4 7. Bố cục của luận án ..................................................................................................5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA TRONG KỸ THUẬT VI ĐIỆN TỬ ..........................................................................................6 1.1 Giới thiệu tổng quan về plasma trong chế tạo vi mạch điện tử.............................6 1.1.1 Plasma là gì? ......................................................................................................6 1.1.2 Một số dạng phóng điện tạo plasma ...................................................................7 1.1.3 Va chạm trong plasma ........................................................................................8 1.2. Sự cần thiết plasma trong vi mạch điện tử .........................................................12 1.2.1. Quá trình plasma trong vi mạch điện tử ..........................................................12 1.2.2. Ứng dụng lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma TRIES trong chế tạo vi mạch điện tử ..............................................................................................................15 1.3. Phần mềm sử dụng bộ tiết diện va chạm để mô phỏng các mô hình plasma.....19 1.4 Tiết diện va chạm của các electron trong phóng điện khí...................................22 1.5 Các hệ số chuyển động của các electron trong phóng điện khí ..........................25 1.6 Tính chất vật lý, hóa học của các chất khí ..........................................................27
iv 1.6.1 Khí TRIES (Triethoxysilane) ...........................................................................27 1.6.2 Khí Oxy (O2) [8] ..............................................................................................29 1.6.3 Khí Argon (Ar) [6] ...........................................................................................29 1.6.4 Khí Krypton (Kr) [58] ......................................................................................29 1.6.5 Khí Xenon (Xe)[57] .........................................................................................30 1.6.6 Khí Helium (He) [31] .......................................................................................30 1.6.7 Khí Neon (Ne)[57] ...........................................................................................31 1.7.1 Bộ tiết diện va chạm electron trong phân tử khí O2 .........................................32 1.7.2 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Ar .....................................32 1.7.3 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Kr .....................................33 1.7.4 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Xe ....................................34 1.7.5 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí He ....................................35 1.7.6 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Ne ....................................36 1.8 Kết luận chương 1 ...............................................................................................37 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU ..................39 2.1 Phương trình xấp xỉ bậc hai Boltzmann ..............................................................39 2.2 Phương trình liên tục ...........................................................................................44 2.2.1 Lời giải phương trình Boltzmann .....................................................................47 2.2.2 Các bước trong tính toán lý thuyết và các giả thiết khi thực hiện tính toán ....48 2.3 Phương pháp Monte - Carlo ................................................................................51 2.4 Phương pháp đám electron ..................................................................................55 2.5 Kết luận chương 2 ...............................................................................................58 CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU........................................................59 3.1 Xác định bộ tiết diện va chạm electron trong phân tử khí TRIES .....................59 3.2 Các hệ số chuyển động electron của hỗn hợp khí TRIES với O2, Ar, Kr, Xe, He và Ne .........................................................................................................................67 3.2.1 Vận tốc chuyển động electron (W) ..................................................................67 3.2.2 Các hệ số khuếch tán theo chiều dọc mật độ đặc trưng và tỷ lệ của hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động của electron (NDL và DL/µ) ................74
v 3.2.3 Các hệ số ion hóa do va chạm (α/N) ................................................................85 3.3 Kết luận chương 3 ...............................................................................................92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .........................................93 1. Những kết quả chính đã đạt được của luận án ......................................................93 2. Những đóng góp mới của luận án .........................................................................93 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ .......................96 PHỤLỤC ................................................................................................................. P-1 Phụ lục 1. Bảng hiển thị kết quả tính toán sử dụng thuật toán giải hệ hai phương trình xấp xỉ Boltzmann được lấy ra từ kết quả chạy chương trình ......................... P-1 Phụ lục 2. Số liệu về tiết diện va chạm của phân tử khí TRIES ............................. P-3 Phụ lục 3. Số liệu về tiết diện va chạm của phân tử khí O2 .................................... P-6 Phụ lục 4. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Ar .............................. P-14 Phụ lục 5. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Kr .............................. P-19 Phụ lục 6. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Xe .............................. P-21 Phụ lục 7. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí He .............................. P-29 Phụ lục 8. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Ne .............................. P-41
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các thuật Nghĩa Tiếng Việt STT Nghĩa Tiếng Anh ngữ viết tắt 1 AC Alternating Dòng điện xoay chiều 2 APCVD Atmospheric-pressure chemical Phương pháp lắng vapor deposition đọng hơi hóa học áp suất khí quyển 3 Ar Argon Khí argon 4 AST Arrival-time spectral phương pháp phổ thời gian 5 ASIC Application specific intergrated Ứng dụng cho mạch circuit tích hợp 6 CVD Chemical Vapour Deposition Lắng đọng hơi hóa học plasma 7 CF4 Fluorocarbon Khí Fluorocarbon 8 DRAM Dynamic random access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên 9 DC Direct current Dòng điện một chiều 10 DBD Dielectric-barrier discharges Phóng điện tĩnh 11 DL The longitudinal diffusion Hệ số khuếch tán dọc coefficient 12 DL/µ The longitudinal diffusion Hệ số khuếch tán dọc coefficient to the electron mobility theo mật độ electron 13 ECR Electron cyclotron resonance Plasma cộng hưởng cyclotron 14 EEDF Electron energy distribution function Hàm phân phối năng lượng electron 15 He Helium Khí Helium 16 HMDSO Hexamethyldisiloxane Khí
vii Hexamethyldisiloxane 17 IC Integrated circuit Mạch tích hợp 18 ITO Indium-tin- oxide Thiếc oxit 19 Kr Krypton Khí krypton 20 LSI Large scale integration Tích hợp quy mô lớn 21 LPCVD Low-pressure chemical vapor Phương pháp lắng deposition đọng hơi hóa học áp suất thấp 22 MOS Metal oxide semiconductor Bán dẫn oixít kim loại 23 MEMS Micro electro mechanical systems Hệ cơ vi điện tử 24 NaOH Natri hiđroxit Khí Natri hiđroxit 25 Ne Neon Khí Neon 26 NDL density-normalized longitudinal Hệ số khuếch tán dọc diffusion coefficient theo mật độ đặc trưng 27 O2 Oxy Khí oxy 28 PDP Plasma display panel Công nghệ hiển thị plasma 29 PECVD Plasma – enhanced chemical vapor Phương pháp lắng deposion đọng hơi hóa học tăng cường plasma 30 Qm The momentum transfer cross Tiết diện chuyển động section bảo toàn động lượng 31 Qi The ionization cross section Tiết diện ion hóa 32 Qv Vibrational excitation cross sections Tiết điện kích thích 33 Qd The dissociation cross section Tiết diện phân ly 34 GIS Gas insulated switchgear Máy cắt sử dụng khí 35 T Temperature Nhiệt độ 36 TEOS Tatraethoxysilane (Si(OC2H5)4) Khí Tatraethoxysilane (Si(OC2H5)4) 37 TMS Tetramethylsilane (Si(CH3)4) Khí Tetramethylsilane
viii (Si(CH3)4) 38 TRIES Triethoxysilane (HSi(OC2H5)3) Khí Triethoxysilane (HSi(OC2H5)3) 39 Xe Xeon Khí Xeon 40 SiO2 Silicon dioxide Khí SiO2 41 SST Steady-state townsend Trạng thái ổn định 42 Wm The mean-arrival-time drift velocity Vận tốc dịch chuyển theo thời gian 43 UV Ultraviolet Vùng tử ngoại 44 µ The electron mobility Độ linh hoạt của electron 45 α/N Townsend first ionization coefficient Hệ số ion hóa 56 η/N Attachment coefficient Hệ số kết hợp 47 (α-η)/N Effective ionization coefficient Hệ số ion hóa theo mật độ đặc trưng
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Hệ thống phóng điện phát sáng một chiều ...................................................7 Hình 1.2 Sự kích thích electron ...................................................................................9 Hình 1.3 Sự ion hóa electron ....................................................................................10 Hình 1.4 Sự tái hợp ion .............................................................................................10 Hình 1.5 Sự kết hợp electron .....................................................................................11 Hình 1.6 Các bước tạo một mạch tích hợp [43,87] ..................................................13 Hình 1.7 Lắng đọng hơi hoá học tăng cường plasma trong hệ thống PECVD [85] 16 Hình 1.8 Quá trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma [94] .......................18 Hình 1.9 Lắng đọng phù hợp SiO2 dùng Si(OC2H5)4/O2 [94] ...................................19 Hình 1.10 Sự lắng đọng không phù hợp của SiO2 dùng SiH4/O2 [94]......................19 Hình 1.11 Các bước thực hiện sử dụng phần mềm Comsol Multiphysic ..................20 Hình 1.12 Điện trường (bề mặt) và mật độ điện tử tới hạn trong vi sóng plasma [53,56] .......................................................................................................................21 Hình 1.13 Plasma cảm ứng; Nhiệt độ electron được hiển thị dưới dạng biểu đồ lát cắt và mật độ dòng điện gây ra trong plasma được hiển thị dưới dạng các dòng [53,56] .......................................................................................................................22 Hình 1.14 Ứng dụng của xác định tiết diện va chạm các electron trong các phân tử khí và nguyên tử khí ..................................................................................................25 Hình 1.15 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong phân tử O2 [18, 38] ...........32 Hình 1.16 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Ar [57, 82] ........33 Hình 1.17 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Kr [44] .............34 Hình 1.18 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Xe [73, 92] .......35 Hình 1.19 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử He [73, 93] .......36 Hình 1.20 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Ne [73, 93] .......37
x Hình 2.1 Hàm phân bố Maxwellian và Druyvesteyn [15] ........................................43 Hình 2.2 Hàm phân phối đo ở áp suất thấp (1,3m Torr) [15] ..................................44 Hình 2.3 Hàm phân phối đo ở môi trường áp suất (0,32 Torr) [15] ........................44 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán tính toán hàm phân bố năng lượng của phương trình xấp xỉ bậc hai Boltzmann ..........................................................................................50 Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán áp dụng phương pháp Monte Carlo .............................54 Hình 2.6 Lưu đồ áp dụng của phương pháp đám electron .......................................57 Hình 3.1 Vận tốc dịch chuyển electron trong phân tử khí TRIES nguyên chất ........63 Hình 3.2 Hệ số khuếch tán theo chiều dọc cho phân tử khí TRIES nguyên chất ......64 Hình 3.3 Hệ số ion hóa cho phân tử khí TRIES nguyên chất ...................................65 Hình 3.4 Bộ tiết diện va chạm phân tử khí TRIES nguyên chất ................................66 (Hình 3.5a) Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-O2 ....................68 (Hình 3.5b) Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Ar .....................69 (Hình 3.5c) Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Kr .....................70 (Hình 3.5d) Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Xe ....................71 (Hình 3.5e) Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-He ....................72 (Hình 3.5g) Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Ne ....................73 (Hình 3.6a) Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-O2 .........................74 (Hình 3.6b) Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Ar .........................75 (Hình 3.6c) Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Kr .........................76 (Hình 3.6d) Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Xe ........................77 (Hình 3.6e) Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-He ........................78 (Hình 3.6g) Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Ne ........................79 (Hình 3.7a) Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của hỗn hợp khí TRIES-O2 ...............................................................................................80
xi (Hình 3.7b) Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của hỗn hợp khí TRIES-Ar ...............................................................................................81 (Hình 3.7c) Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của hỗn hợp khí TRIES - Kr .............................................................................................82 (Hình 3.7d) Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của hỗn hợp khí TRIES-Xe ...............................................................................................83 (Hình 3.7e) Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của hỗn hợp khí TRIES-He ..............................................................................................84 (Hình 3.7g) Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động của điện tử (DL/µ) của hỗn hợp khí TRIES-Ne ........................................................................................85 (Hình 3.8a) Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-O2 .............................................86 (Hình 3.8b) Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Ar .............................................87 (Hình 3.8c) Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Kr .............................................88 (Hình 3.8d) Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Xe .............................................89 (Hình 3.8e) Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-He.............................................90 (Hình 3.8g) Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Ne.............................................91
xii DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Thông số bộ tiết diện va chạm electron ban đầu cho phân tử khí TRIES .62 Bảng 3.2 Thông số các hệ số chuyển động electron cho phân tử khí TRIES............62
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Ngày nay công nghệ xử lý plasma cực kỳ quan trọng đối với hầu hết các ngành công nghiệp sản xuất trên thế giới như ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, y sinh, .…đặc biệt trong công nghệ sản xuất các mạch tích hợp có quy mô rất lớn được sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử. Xử lý plasma được sử dụng nhiều trong sản xuất các thiết bị vi điện tử, đặc biệt nó là một trong những quá trình quan trọng trong lắng đọng và khắc các màng mỏng. Loại plasma được áp dụng thường được gọi là phóng điện phát sáng có khả năng tự duy trì plasma với ion hóa yếu và có thể phát ra ánh sáng. Trong phương pháp này, chỉ có hạt mang điện trong plasma mới đạt được năng lượng. Một khi năng lượng cần thiết đã đủ, hạt electron tự do có thể ion hóa nguyên tử khí để tạo ra plasma. Thực tế, vì có nhiều tiến bộ đạt được cho đến nay trong việc thu nhỏ thiết bị sẽ khó khăn hơn nhiều nếu không có quá trình plasma [34, 94]. Có nhiều cách để tạo ra plasma nhưng phổ biến nhất vẫn là sử dụng hiện tượng phóng điện của các chất khí. Trước khi tiến hành tạo ra plasma trong từng ứng dụng thực tế, việc ước tính và đánh giá các tham số plasma là cần thiết giúp tối ưu về thời gian và kinh tế. Tuy nhiên để có mô hình plasma thì cần thu thập được đầy đủ dữ liệu liên quan. Một trong số các dữ liệu quan trọng là các bộ tiết diện va chạm electron, các hệ số chuyển động electron trong chất khí/hỗn hợp khí. Các hệ số chuyển động electron gồm các vận tốc dịch chuyển electron, hệ số chuyển động dọc/ngang theo mật độ khối khí đặc trưng, hệ số ion hóa, hệ số kết hợp các electron, hệ số ion hóa hiệu dụng theo mật độ khối khí đặc trưng,.v.v...Các dữ liệu này sẽ là nguồn dữ liệu quan trọng cho nhiều lĩnh vực sử dụng các chất khí/hỗn hợp khí, đặc biệt nó là dữ liệu đầu vào quan trọng cho một số phần mềm để mô phỏng cho mô hình plasma được ứng dụng trong chế tạo vi điện tử [16, 75]. Màng mỏng Silicon dioxide (SiO2) là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn [62, 67]. Sự lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (Plasma – enhanced chemical vapor deposion :PECVD) được sử dụng rộng
2 rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để ngưng tụ màng mỏng. Vật liệu điện môi SiO2 thường được lắng đọng bởi phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD), được sử dụng làm chất điện môi liên kết hoặc làm các lớp thụ động cho mạch tích hợp. Các tiền chất thông thường dùng để ngưng tụ SiO2 phục vụ tạo lớp màng mỏng cách điện là SiH4/O2 hoặc SiH4/N2O [91]. Hiện nay có sử dụng các hợp chất hữu cơ như tatraethoxysilane (TEOS), tetramethylsilane (TMS), triethoxysilane (TRIES) lắng đọng với oxy bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma đã được sử dụng vì các hợp chất hữu cơ chứa Si và O2 không gây nguy hiểm [30, 89]. Các tiền chất tetramethoxysilane (TMOS) và antrimethoxysilane (TriMOS) là các hợp chất của silane được sử dụng để ngưng tụ SiO2 bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma, đồng thời được sử dụng là lớp điện môi của các linh kiện điện tử lưỡng cực hoặc các thiết bị MOS (metal-oxide-semiconductor) [47, 58, 59]. Do đó nghiên cứu sinh tiến hành xem xét tiền chất khí TRIES với phạm vi ứng dụng tương tự như các hợp chất trên. Vì sự va chạm của electron với các phân tử khí được biết là các quá trình quan trọng để tạo ra và duy trì phóng điện, cụ thể tạo ra phóng điện với hệ số chuyển động electron và hệ số tốc độ cho va chạm electron. Quan trọng là các hệ số này đáng tin cậy và cần thiết cho mô hình phóng điện khí. Trên thế giới một số nhà nghiên cứu đã xác định các bộ tiết diện va chạm electron, các hệ số chuyển động electron của các chất khí trong va chạm electron của các phân tử khí dùng cả hợp chất hữu cơ và vô cơ khi có phóng điện khí xảy ra. Các hợp chất hữu cơ cùng họ với TRIES như TEOS, TMS đã được xác định đầy đủ về các bộ thông số kỹ thuật để các bộ thông số này là dữ liệu đầu vào quan trọng cho mô hình hoá plasma [42, 66].Tuy nhiên cho đến nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến bộ tiết diện va chạm, các thông số kỹ thuật của khí TRIES khi xảy ra phóng điện còn hạn chế,tồn tại một khoảng trống về việc xác định hiện tượng vật lý xảy ra giữa các electron với các phân tử khí khác nhau để tạo nên mô hình plasma của chất khí TRIES cũng như hỗn hợp chất khí này với các chất khí khác. Vì vậy, luận án thực hiện “Xác định các thuộc tính Plasma ion
3 hóa yếu trong va chạm electron của các phân tử khí TRIES và khả năng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch” là cần thiết. Cụ thể trong luận án này, nghiên cứu sinh sẽ định hướng nghiên cứu bộ tiết diện của khí TRIES sau đó xác định các hệ số chuyển động electron của TRIES với các hỗn hợp khí khác nhau để tạo nên mô hình plasma ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch điện tử. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án đặt ra với cácmục tiêu như sau: - Thứ nhất, xác định bộ tiết diện va chạm electron thích hợp của phân tử khí dạng hợp chất hữu cơ TRIES khi xảy ra phóng điện để định hướng ứng dụng tạo nguồn plasma trong công nghệ chế tạo vi mạch. - Thứ hai, xác định được các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của chất khí TRIES và hỗn hợp của chất khí TRIES với các chất khí khác, cụ thể là các hệ số chuyển động electron: vận tốc va chạm của các electron, hệ số chuyển động ngang và dọc của các electron, hệ số ion hóa và hệ số kết hợp nhằm xem xét khả năng ứng dụng của phân tử khí TRIES cũng như hỗn hợp của chất khí TRIES với các chất khí khác trong công nghệ chế tạo vi mạch. 3. Đối tượng nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu của một luận án tiến sĩ, nghiên cứu sinh tập trung vào nghiên cứu đối tượng là hiện tượng phóng điện trong chất khí,các chất khí nguyên chất và hỗn hợp khí được dùng làm nguồn tạo plasma trong giai đoạn tạo ngưng tụ SiO2 trong công nghệ chế tạo vật liệu màng mỏng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch. 4. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: -Nghiên cứu lý thuyết và tài liệu liên quan đếnphương pháp dùng plasma tạo ngưng tụ SiO2. -Nghiên cứu và tổng hợp một số phương pháp thông dụng được áp trong việc tính toán các hệ số chuyển động của electron trong phóng điện của chất khí.
4 -Với mục đích xem xét khả năng ứng dụng chất khí TRIES cũng như hợp chất của chất khí này với các chất khí khác tương ứng với các phần trăm trộn khí khác nhau trong công nghệ chế tạo vi mạch, luận án thực hiện: + Xác định bộ tiết diện va chạm electron của phân tử khí triethoxysilane (TRIES) và các phân tử, nguyên tử khí khác. + Tính toán, mô phỏng và phân tích các hệ số chuyển động của electron trong các hỗn hợp khí của phân tử khí triethoxysilane (TRIES) và các chất khí khác trong phóng điện khí. 5. Phương pháp nghiên cứu Do điều kiện trong nước không thể tiến hành thực nghiệm nên luận án được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tính toán mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng để khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp đề xuất. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các nghiên cứu của luận án đã đưa ra được hai nhóm kết quả mới sau: * Về khoa học: - Ứng dụng được cơ sở toán học của phương pháp xấp xỉ bậc hai Bolzmann và phương pháp đám electron trong xác định các bộ tiết diện va chạm electron của một số phân tử khí. - Tổng hợp được các thuật toán trong tính toán các thông số kỹ thuật của phóng điện khí, phương trình xấp xỉ bậc hai Bolzmann và phương pháp Monte Carlo. - Xác định được bộ tiết diện va chạm electron của phân tử khí TRIES. - Xác định được các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của phân tử khí dạng hợp chất hữu cơ (phân tử khí TRIES) thông qua tính toán được các thông số vật lý trong các hỗn hợp khí của phân tử khí TRIES với các chất khí khác trong phóng điện khí là dữ liệu đầu vào cho mô hình plasma ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch.
5 * Ý nghĩa thực tiễn: Sản phẩm nghiên cứu của luận án có tác dụng định hướng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 03 chương và kết luận chung của luận án. Chương 1: Tổng quan về ứng dụng công nghệ plasma trong kỹ thuật vi điện tử. Chương 2: Cơ sở lý thuyết để thực hiện nghiên cứu. Chương 3: Các kết quả nghiên cứu. Kết luận chung của luận án.
6 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 1.1.1 Plasma là gì? a. 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. b. 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