[28][27]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN

PHAN THỊ TƢƠI

XÁC ĐỊNH CÁC THUỘC TÍNH PLASMA ION HÓA YẾU
TRONG VA CHẠM ELECTRON CỦA PHÂN TỬ KHÍ TRIES
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ
CHẾ TẠO VI MẠCH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HƢNG YÊN - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT HƢNG YÊN

PHAN THỊ TƢƠI

XÁC ĐỊNH CÁC THUỘC TÍNH PLASMA ION HÓA YẾU
TRONG VA CHẠM ELECTRON CỦA PHÂN TỬ KHÍ TRIES
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ
CHẾ TẠO VI MẠCH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS Đỗ Anh Tuấn
2. PGS. TS Phạm Ngọc Thắng

HƢNG YÊN - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong
bất kì cơng trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ.
Hưng Yên, ngày

tháng

Tác giả luận án
Phan Thị Tƣơi

i

năm


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tơi bày tỏ sự kính trọng và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể
giáo viên hƣớng dẫn, PGS.TS Đỗ Anh Tuấn và PGS.TS Phạm Ngọc Thắng đã ln

ln nhiệt tình chỉ bảo và ln động viên để tơi hồn thành bản luận án.
Tiếp theo, tơi gửi lời cảm ơn tới Phịng Đào tạo, Trƣờng Đại học SPKTHY
cùng các cán bộ công tác tại trƣờng đã giúp đỡ tơi trong q 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 ĐiệnĐiện tử trƣờng 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 tơi, đã ln động viên tơi để
tơi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án.

Hưng Yên, ngày

tháng

Tác giả luận án

Phan Thị Tƣơi

ii

năm


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................x

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xiii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án .................................................................... 1
2 Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................... 3
3 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ............................................... 3
4 Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 4
5 Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................ 4
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................... 4
7 Bố cục của luận án ......................................................................................... 5
CHƢƠNG 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 Khái niệm và phân loại plasma ................................................................ 6
1.1.2 Một số dạng phóng điện tạo plasma......................................................... 7
1.2. Sự cần thiết plasma trong vi mạch điện tử ................................................. 8
1.2.1 Quá trình plasma trong vi mạch điện tử ................................................... 8
1.2.2 Ứng dụng lắng đọng hơi hóa học tăng cƣờng plasma TRIES trong chế
tạo vi mạch điện tử .......................................................................................... 12
1.3 Phần mềm sử dụng bộ tiết diện va chạm để mơ phỏng các mơ hình plasma.. 16
1.4 Tiết diện va chạm của các electron trong phóng điện khí ........................ 19
1.5 Các hệ số chuyển động của các electron trong phóng điện khí ................ 21
iii


1.6 Tính chất vật lý, hóa học của các chất khí ................................................ 24
1.6.1 Khí TRIES (Triethoxysilane) ................................................................. 24
1.6.2 Khí Oxi (O2) [9] ..................................................................................... 25
1.6.3 Khí Argon (Ar) [7] ................................................................................. 25

1.6.4 Khí Krypton (Kr) [65] ............................................................................ 26
1.6.5 Khí Xenon (Xe) [64] .............................................................................. 26
1.6.6 Khí Helium (He) [35] ............................................................................. 27
1.6.7 Khí Neon (Ne) [64] ................................................................................ 27
1.7 Các bộ tiết diện va chạm electron trong các phân tử khí O2 và các nguyên tử khí
Ar, Kr, Xe, He, Ne .................................................................................................... 28

1.7.1 Bộ tiết diện va chạm electron trong phân tử khí O2 ............................... 28
1.7.2 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Ar........................... 29
1.7.3 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Kr........................... 30
1.7.4 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Xe .......................... 31
1.7.5 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí He .......................... 32
1.7.6 Bộ tiết diện va chạm electron trong nguyên tử khí Ne .......................... 33
1.8 Kết luận Chƣơng 1 .................................................................................... 35
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TỐN DỮ LIỆU TẠO NGUỒN
PLASMA...................................................................................................................36

2.1 Phƣơng trình xấp xỉ bậc hai Boltzmann .................................................... 37
2.2 Phƣơng trình liên tục ................................................................................. 42
2.2.1 Lời giải phƣơng trình Boltzmann........................................................... 44
2.2.2 Các bƣớc trong tính tốn lý thuyết và các giả thiết khi thực hiện tính
tốn .................................................................................................................. 45
2.3 Phƣơng pháp Monte - Carlo ...................................................................... 48
2.4 Phƣơng pháp đám electron ........................................................................ 52
2.5 Kết luận Chƣơng 2 .................................................................................... 55
iv


CHƢƠNG 3: BỘ TIẾT DIỆN VA CHẠM ELECTRON, HỆ SỐ CHUYỂN ĐỘNG
CỦA KHÍ TRIES VỚI CÁC CHẤT KHÍ KHÁC NHAU ........................................56


3.1 Xác định bộ tiết diện va chạm electron trong phân tử khí TRIES ............ 56
3.2 Các hệ số chuyển động electron của hỗn hợp khí TRIES với O2, Ar, Kr,
Xe, He và Ne ................................................................................................... 64
3.2.1 Vận tốc chuyển động electron (W) ........................................................ 64
3.2.2 Các hệ số khuếch tán theo chiều dọc mật độ đặc trƣng và tỷ lệ của hệ số
khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động của electron (NDL và DL/µ) ...... 71
3.2.3 Các hệ số ion hóa do va chạm (α/N) ...................................................... 83
3.3 Khả năng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch .............................. 90
3.4 Kết luận Chƣơng 3 .................................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .........................................93

1.Những kết quả chính đã đạt đƣợc của luận án ............................................. 93
2. Những đóng góp mới của luận án ............................................................... 93
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ .......................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................97
PHỤ LỤC ................................................................................................................ P-1

Phụ lục 1. Bảng hiển thị kết quả tính tốn sử dụng thuật tốn giải hệ hai
phƣơng trình xấp xỉ Boltzmann đƣợc lấy ra từ kết quả chạy chƣơng 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-13
Phụ lục 5. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Kr .....................P-17
Phụ lục 6. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Xe.....................P-19
Phụ lục 7. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí He.....................P-27
Phụ lục 8. Số liệu về tiết diện va chạm của nguyên tử khí Ne.....................P-39

v



Phụ lục 9. Số liệu bộ tiết diện va chạm của khí TRIES cho vào phần mềm mơ
phỏng Multiphysic Comsol .......................................................................... P-45

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2

Các thuật
ngữ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

Alternating

Dòng điện xoay chiều

AC
APCVD

Atmospheric-pressure chemical
vapor deposition

Phƣơng pháp lắng

đọng hơi hóa học áp
suất khí quyển

3

Ar

Argon

Khí argon

4

AST

5

ASIC

6

CVD

Chemical Vapour

7

CF4

Fluorocarbon


8

DRAM

9

DC

10

DBD

11

DL

12

DL/µ

13

ECR

Electron cyclotron resonance

14

EEDF


Electron energy distribution function

15

He

16

HMDSO

Arrival-time spectral

phƣơng pháp phổ thời
gian

Application specific intergrated

Ứng dụng cho mạch

circuit

tích hợp
Deposition

Lắng đọng hơi hóa học
plasma
Khí Fluorocarbon

Dynamic random access memory


Bộ nhớ truy cập ngẫu
nhiên

Direct current

Dòng điện một chiều

Dielectric-barrier discharges

Phóng điện tĩnh

The longitudinal diffusion
coefficient

Hệ số khuếch tán dọc

The longitudinal diffusion

Hệ số khuếch tán dọc

coefficient to the electron mobility

theo mật độ electron

Helium

Plasma cộng hƣởng
cyclotron
Hàm phân phối năng

lƣợng electron
Khí Helium

Hexamethyldisiloxane

vii

Khí
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 mơ lớn

21

LPCVD

22

MOS

23

Low-pressure chemical vapor
deposition

Phƣơng pháp lắng
đọng hơi hóa học áp
suất thấp


Metal oxide semiconductor

Bán dẫn oixít kim loại

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 trƣng

27

O2

Oxy

Khí oxy

28

PDP

29

PECVD

Plasma display panel
Plasma – enhanced chemical vapor
deposion

Công nghệ hiển thị
plasma

Phƣơng pháp lắng
đọng hơi hóa học tăng
cƣờng plasma

The momentum transfer cross

Tiết diện chuyển động

section

bảo toàn động lƣợng

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)

37

TMS


Tetramethylsilane (Si(CH3)4)

30

Qm

31

viii

Khí Tatraethoxysilane
(Si(OC2H5)4)
Khí Tetramethylsilane
(Si(CH3)4)


38

TRIES

39

Xe

40

Triethoxysilane (HSi(OC2H5)3)

Khí Triethoxysilane
(HSi(OC2H5)3)


Xeon

Khí Xeon

SiO2

Silicon dioxide

Khí SiO2

41

SST

Steady-state townsend

Trạng thái ổn định

42

Wm

The mean-arrival-time drift velocity

43

UV

Ultraviolet


44

µ

45

α/N

Townsend first ionization coefficient Hệ số ion hóa

56

η/N

Attachment coefficient

47

(α-η)/N

Vận tốc dịch chuyển
theo thời gian
Vùng tử ngoại

The electron mobility

Effective ionization coefficient

ix


Độ linh hoạt của
electron
Hệ số kết hợp
Hệ số ion hóa theo mật
độ đặc trƣng


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Hệ thống phóng điện phát sáng một chiều ...................................................7
Hình 1.2 Các bước tạo một mạch tích hợp [43,88] ....................................................9
Hình 1.3 Lắng đọng hơi hố học tăng cường plasma trong hệ thống PECVD [87] 12
Hình 1.4 Q trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma [95] .......................15
Hình 1.5 Lắng đọng phù hợp SiO2 dùng Si(OC2H5)4/O2 [95] ...................................16
Hình 1.6 Sự lắng đọng khơng phù hợp của SiO2 dùng SiH4/O2 [95]........................16
Hình 1.7 Các bước thực hiện sử dụng phần mềm Comsol Multiphysic ....................17
Hình 1.8 Điện trường (bề mặt) và mật độ điện tử tới hạn trong vi sóng plasma
[53,56] .......................................................................................................................18
Hình 1.9 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 dịng
[53,56] .......................................................................................................................18
Hình 1.10 Ứng dụng của xác định tiết diện va chạm các electron trong các phân tử
khí và ngun tử khí ..................................................................................................21
Hình 1.11 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong phân tử O2 [37] .................29
Hình 1.12 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Ar [57, 84] ........30
Hình 1.13 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Kr [44] .............31
Hình 1.14 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Xe [73, 94] .......32
Hình 1.15 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử He [78, 94] .......33
Hình 1.16 Bộ tiết diện va chạm của các electron trong nguyên tử Ne [78, 94] .......34

Hình 2.1 Hàm phân bố Maxwellian và Druyvesteyn [14] ........................................40
Hình 2.2 Hàm phân phối đo ở áp suất thấp (1,3m Torr) [14] ..................................41
Hình 2.3 Hàm phân phối đo ở mơi trường áp suất (0,32 Torr) [14] ........................41
Hình 2.4 Lưu đồ thuật tốn tính tốn hàm phân bố năng lượng của phương trình
xấp xỉ bậc hai Boltzmann ..........................................................................................47

x


Hình 2.5 Lưu đồ thuật tốn áp dụng phương pháp Monte Carlo .............................51
Hình 2.6 Lưu đồ áp dụng của phương pháp đám electron .......................................54
Hình 3.1 Vận tốc dịch chuyển electron trong phân tử khí TRIES ngun chất ........60
Hình 3.2 Hệ số khuếch tán theo chiều dọc cho phân tử khí TRIES ngun chất ......61
Hình 3.3 Hệ số ion hóa cho phân tử khí TRIES ngun chất ...................................62
Hình 3.4 Bộ tiết diện va chạm phân tử khí TRIES ngun chất ................................63
Hình 3.5a Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-O2 .......................65
Hình 3.5b Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Ar .......................66
Hình 3.5c Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES - Kr .....................67
Hình 3.5d Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Xe .......................68
Hình 3.5e Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-He .......................69
Hình 3.5g Vận tốc dịch chuyển electron của hỗn hợp khí TRIES-Ne .......................70
Hình 3.6a Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES - O2 .........................72
Hình 3.6b Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Ar............................73
Hình 3.6c Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Kr............................74
Hình 3.6d Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-Xe...........................75
Hình 3.6e Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES-He ...........................76
Hình 3.6g Hệ số khuếch tán dọc NDL của hỗn hợp khí TRIES –Ne .........................77
Hình 3.7a Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của
hỗn hợp khí TRIES-O2 ...............................................................................................78
Hình 3.7b Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của

hỗn hợp khí TRIES – Ar ............................................................................................79
Hình 3.7c Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của
hỗn hợp khí TRIES – Kr ............................................................................................80

xi


Hình 3.7d Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của
hỗn hợp khí TRIES-Xe ...............................................................................................81
Hình 3.7e Hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động electron (DL/µ) của
hỗn hợp khí TRIES-He ..............................................................................................82
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...............................................................................................83
Hình 3.8a Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-O2................................................84
Hình 3.8b Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Ar ................................................85
Hình 3.8c Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Kr ................................................86
Hình 3.8d Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Xe ...............................................87
Hình 3.8e Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-He ...............................................88
Hình 3.8g Hệ số ion hóa của hỗn hợp khí TRIES-Ne ...............................................89
Hình 3.9 Bộ tiết diện va chạm khí Ar [57] ................................................................ 91

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số bộ tiết diện va chạm electron ban đầu cho phân tử khí TRIES .59
Bảng 3.2 Thông số các hệ số chuyển động electron cho phân tử khí TRIES............59

xiii



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 nhƣ ngành công nghiệp hàng không vũ
trụ, y sinh, .… đặc biệt trong công nghệ sản xuất các mạch tích hợp có quy mơ rất
lớn đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử. Xử lý plasma đƣợc sử dụng
nhiều trong sản xuất các thiết bị vi điện tử, đặc biệt nó là một trong những q
trình quan trọng trong lắng đọng và khắc các màng mỏng. Loại plasma đƣợc áp
dụng thƣờng đƣợc gọi là phóng điện phát sáng có khả năng tự duy trì
plasma với ion hóa yếu và có thể phát ra ánh sáng. Thực tế, trong việc thu nhỏ
thiết bị sẽ khó khăn hơn nhiều nếu khơng có q trình plasma [34, 96]. Có nhiều
cách để tạo ra plasma nhƣng phổ biến nhất vẫn là sử dụng hiện tƣợng phóng điện
của các chất khí. Trƣớc khi tiến hành tạo ra plasma trong từng ứng dụng thực tế,
việc ƣớc tính và đánh giá các tham số plasma là cần thiết giúp tối ƣu về thời gian
và kinh tế. Tuy nhiên để có mơ hình plasma thì cần thu thập 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 trƣng, hệ số ion hóa, hệ số kết hợp các electron, hệ số ion hóa
hiệu dụng theo mật độ khối khí đặc trƣng, 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 mơ phỏng cho mơ hình plasma đƣợc
ứng dụng trong chế tạo vi mạch điện tử [16, 76].
Màng mỏng Silicon dioxide (SiO2) là một trong những vật liệu quan trọng
trong ngành công nghiệp bán dẫn [62, 67]. SiO2 là vật liệu đƣợc sử dụng làm chất
điện môi giữa các lớp không thể thiếu trong ngành công nghiệp điện tử. Sự lắng
đọng hơi hóa học tăng cƣờng plasma (Plasma – enhanced chemical vapor
deposion: PECVD) đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để
ngƣng tụ màng mỏng. Vật liệu điện môi SiO2 thƣờng đƣợc lắng đọng bởi phƣơng


1


pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cƣờng plasma (PECVD), đƣợc sử dụng làm chất
điện môi liên kết hoặc làm các lớp thụ động cho mạch tích hợp. Các tiền chất
thông thƣờng dùng để ngƣng tụ SiO2 phục vụ tạo lớp màng mỏng cách điện là
SiH4/O2 hoặc SiH4/N2O [93]. Hiện nay có sử dụng các hợp chất hữu cơ nhƣ
tatraethoxysilane (TEOS), tetramethylsilane (TMS), triethoxysilane (TRIES) lắng
đọng với oxy bằng phƣơng pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cƣờng plasma đã
đƣợc sử dụng vì các hợp chất hữu cơ chứa Si và O2 không gây nguy hiểm và đây là
một số hợp chất thuộc họ hợp chất hữu cơ chúng dễ sử dụng có tính phù hợp cao,
xử lý dễ dàng [30, 91]. Các tiền chất tetramethoxysilane (TMOS) và
antrimethoxysilane (TriMOS) là các hợp chất của silane đƣợc sử dụng để ngƣng tụ
SiO2 bằng phƣơng pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cƣờng plasma, đồng thời đƣợc
sử dụng là lớp điện môi của các linh kiện điện tử lƣỡng 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 tƣơng tự nhƣ các hợp chất trên.
Vì sự va chạm của electron với các phân tử khí đƣợc 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 do va chạm electron. Quan trọng là các hệ số
này đáng tin cậy và cần thiết cho mơ 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 vơ cơ khi có phóng điện khí xảy ra. Các hợp chất hữu cơ cùng
họ với TRIES nhƣ TEOS, TMS đã đƣợc 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 mơ hình hố
plasma [42, 66]. Tuy nhiên cho đến nay, trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam, các
nghiên cứu liên quan đến bộ tiết diện va chạm electron, các thơng số kỹ thuật của
khí TRIES khi xảy ra phóng điện còn hạn chế, tồn tại một khoảng trống về việc

xác định hiện tƣợng vật lý xảy ra giữa các electron với các phân tử khí khác nhau
để tạo nên mơ hình plasma của chất khí TRIES cũng nhƣ hỗn hợp chất khí này với
các chất khí khác. Vì vậy, luận án thực hiện “Xác định các thuộc tính Plasma ion

2


hóa yếu trong va chạm electron của các phân tử khí TRIES và khả năng ứng dụng
trong cơng nghệ chế tạo vi mạch” là cần thiết. Cụ thể trong luận án này, nghiên
cứu sinh sẽ định hƣớng 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
mơ hình plasma ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch điện tử.
2 Mục tiêu nghiên cứu
Luận án đặt ra với các mục tiêu nhƣ sau:
- Thứ nhất, xác định bộ tiết diện va chạm electron thích hợp của phân tử khí
TRIES khi xảy ra phóng điện để định hƣớng ứng dụng tạo nguồn plasma trong
công nghệ chế tạo vi mạch.
- Thứ hai, xác định đƣợc 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 nhƣ hỗn hợp của chất khí
TRIES với các chất khí khác trong cơng nghệ chế tạo vi mạch.
3 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu
- Nghiên cứu các thuộc tính Plasma ion hóa yếu trong va chạm electron của
các phân tử khí TRIES.
- Đề xuất khả năng ứng dụng chất khí TRIES và hỗn hợp của khí TRIES với
các chất khí khác trong công nghệ chế tạo vi mạch.
Phạm vi nghiên cứu

- Phóng điện trong chất khí, các chất khí ngun chất và hỗn hợp khí đƣợc
dùng làm nguồn tạo plasma trong giai đoạn tạo ngƣng tụ SiO2 trong công nghệ chế
tạo vật liệu màng mỏng ứng dụng trong công nghệ chế tạo vi mạch.

3


4 Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và tài liệu liên quan đến phƣơng pháp dùng plasma
tạo ngƣng tụ SiO2.
- Nghiên cứu và tổng hợp một số phƣơng pháp thơng dụng đƣợc áp trong
việc tính tốn các hệ số chuyển động của electron trong phóng điện của chất khí.
- Với mục đích xem xét khả năng ứng dụng chất khí TRIES cũng nhƣ hợp
chất của chất khí này với các chất khí khác tƣơng ứng với các phần trăm trộn khí
khác nhau trong cơng 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, ngun tử khí khác.
+ Tính tốn, mơ phỏng và phân tích các hệ số chuyển động của electron
trong các hỗn hợp khí của phân tử khí triethoxysilane (TRIES) với các chất khí
khác trong phóng điện khí.
5 Phƣơng pháp nghiên cứu
Do điều kiện trong nƣớc không thể tiến hành thực nghiệm nên luận án đƣợc
thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và tính tốn mơ 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 đƣợc cơ sở toán học của phƣơng pháp xấp xỉ bậc hai Bolzmann
và phƣơng pháp đám electron trong xác định các bộ tiết diện va chạm electron của

một số phân tử khí.
- Tổng hợp đƣợc các thuật tốn trong tính tốn các thơng số kỹ thuật của
phóng điện khí, phƣơng trình xấp xỉ bậc hai Bolzmann và phƣơng pháp Monte
Carlo.
- Xác định đƣợc bộ tiết diện va chạm electron của phân tử khí TRIES.
- Xác định đƣợc các thuộc tính plasma ion hóa yếu trong va chạm electron
của phân tử khí dạng hợp chất hữu cơ (phân tử khí TRIES) thơng qua tính tốn

4


đƣợc 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 mơ hình plasma ứng
dụng trong cơng nghệ chế tạo vi mạch.
* Ý nghĩa thực tiễn:
Sản phẩm nghiên cứu của luận án có tác dụng định hƣớng ứng dụng trong
cơng 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 đƣợc trình bày trong 03 chƣơng và kết luận chung của luận án.
Chƣơng 1: Tổng quan về ứng dụng công nghệ plasma trong kỹ thuật vi điện
tử.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết để tính tốn dữ liệu đầu vào tạo nguồn plasma
Chƣơng 3: Bộ tiết diện va chạm electron , hệ số chuyển động của khí TRIES
với các chất khí khác nhau.
Kết luận chung của luận án.

5



CHƢƠNG 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 Khái niệm và phân loại plasma
a. Khái niệm về Plasma
Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất, và đƣợc nhà hóa
học Irving Langmuir mơ tả lần đầu tiên trong những năm 1928 [27]. Nó bao gồm
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 nhƣ 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 đƣợc chia thành:
plasma nóng và plasma khơng nhiệt (hay cịn gọi là plasma lạnh) [1, 54].
 Plasma nóng
Plasma nóng 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 nóng
là nhiệt động lực học và có thể tìm thấy rất nhiều trong vũ trụ [39].
Plasma nóng đƣợc áp dụng trong công nghiệp trên phạm vi rộng. Những
thành tựu kinh tế mới là luyện kim, phun phủ plasma, ngƣng tụ hơi vật lý, hóa học
và loại bỏ các chất độc hại. Cơng 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 khơng nhiệt
Plasmas khơng nhiệt có điện tử ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với các hạt tích điện
nặng. Plasma khơng nhiệt khơng giống nhƣ trạng thái cân bằng nhiệt động lực học
[41]. Các nguồn ion thông thƣờng bao gồm máy phát plasma để tách và tăng tốc
ion [19]. Các kỹ thuật đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong máy phát điện plasma để
tạo ra phóng điện là điện tử cộng hƣởng cyclotron và nguồn ion hóa tần số vi sóng


6


[51]. Trong những năm gần đây, công nghệ plasma đang phát triển nhanh chóng
cho các ứng dụng cơng nghiệp cũng nhƣ thƣơng mại. Cơng nghệ plasma có một
ứng dụng mạnh mẽ để sử dụng trong quá trình luyện kim, các cơng cụ cơng nghệ
nano.
1.1.2 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 dịng
điện một chiều (Direct current discharges: DC) là nguồn điện kết nối giữa tấm cực
âm và cực dƣơng ở giữa là các hỗn hợp khí để tạo plasma nhƣ hình vẽ 1.1 [60], [1]

Hình 1.1 Hệ thống phóng điện phát sáng một chiều
Khi ta cấp điện trƣờng một chiều vào cực dƣơng và cực âm gây ra gia tốc
của electron ở cửa catốt trƣớc, làm tăng va chạm không đàn hồi giữa nguyên tử và
electron, dẫn đến sự ion hóa và kích thích. Các ion và các electron mới đƣợc tạo ra
do va chạm ion hóa đƣợc tăng tốc mạnh bởi điện trƣờng về phía catốt phóng điện
tử mới bằng cách ion hóa thơng 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

7


phóng điện phát sáng của plasma tự duy trì. Các điện tử phát ra từ các điện cực
thƣờng không thể duy trì sự phóng điện khi khơng có hiệu điện thế giữa các điện
cực. Điều này có thể đƣợc sử dụng rộng rãi cho xử lý vật liệu, nhƣ một nguồn
sáng, khắc, lắng đọng ion và cho cơ chế vật lý của q trình biến đổi bề mặt [27].
b. Phóng điện RF
Plasma phóng điện phát sáng tần số radio (radio-frequency discharges: RFD) là một trong các nguồn plasma đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình chế

tạo vật liệu [1].
Để duy trì phát sáng dịng điện một chiều, các điện cực phải đƣợc điều khiển.
Khi một hoặc cả hai các điện cực khơng 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 đƣợc bao phủ bằng các vật liệu cách
điện, các điện cực sẽ đƣợc tích điện do sự tích tụ của điện tích dƣơng hoặc âm và
sẽ phát sáng. Vấn đề này đƣợc 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 nhƣ cực
âm và cực dƣơng chồng chất trong một nửa chu kỳ sẽ làm ít nhất một phần hạt bị
trung hịa bởi điện tích trái dấu tích lũy trong một nửa chu kỳ tiếp. Thơng thƣờng,
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, cịn 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 tƣơng đối tốt.
Plasma RF đƣợc ứng dụng rất thành công trong lĩnh vực lắng đọng màng mỏng
tăng cƣờng bằng plasma, khắc ăn mòn plasma và trong phún xạ vật liệu cách điện.
Cho đến nay plasma RF thƣờng sử dụng công nghệ hút chân không [61].
1.2 Sự cần thiết plasma trong vi mạch điện tử
1.2.1 Quá trình plasma trong vi mạch điện tử
Quá trình plasma đƣợc coi nhƣ là công nghệ quan trọng cho lắng đọng và
khắc màng mỏng trong sản xuất các thiết bị vi điện tử. Plasma phân tử khí hiện

8


đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để lắng đọng và
khắc màng mỏng. Xử lý plasma là một trong những kỹ thuật và các quy trình đƣợc
sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp [50, 90]. Tầm quan trọng của quá trình xử lý
plasma cho đến nay và những phát triển trong tƣơng lai của ngành công nghiệp vi

điện tử, nhằm sản xuất vi điện tử với độ tích hợp lớn hơn nhờ tạo mẫu và pha tạp
nhiều lớp màng mỏng cách điện tạo ra lớp bán dẫn và lớp dẫn điện. Do đó việc
lắng đọng và khắc có chọn lọc lên màng mỏng là các bƣớc cơ bản để phục vụ cho
ngành công nghiệp này [43, 88]. Khắc Plasma là quy trình cơng nghệ quan trọng
hơn, mơ hình tích hợp có quy mơ rất lớn dựa trên độ truyền mẫu vƣợt trội để có
thể khắc plasma. Các bƣớc điển hình để tạo màng mỏng với kích thƣớc siêu nhỏ
trên bề mặt có diện tích lớn gồm có 6 bƣớc nhƣ hình vẽ 1.2.

Lắng đọng phốt pho

Tiếp xúc quang

Phim
Nền

Phim
Nền

(b)

(c)

Khuếch tán phốt pho

Khắc plasma

Chống oxy hóa

Phim
Nền


Nền

Lắng đọng màng mỏng

Phim
Nền

(a)

(d)

Nền

(g)

(e)

Hình 1.2 Các bước tạo một mạch tích hợp [43,88]

9


Các bƣớc cần thiết để chế tạo một mạch tích hợp đƣợc thể hiện nhƣ trong
Hình 1.2. Tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu của luận án thì luận án quan tâm
đến q trình tạo nguồn plasma sau đó plasma đƣợc dùng trong trƣờng hợp để lắng
đọng màng mỏng và để khắc plasma. Vậy để có đƣợc nguồn plasma cần các thơng
số vật lý quan trọng, đó là: các bộ tiết diện va chạm electron và các hệ số chuyển
động electron của các phân tử khí ta đƣa vào đầu tiên có thể coi là các tiền chất khí
để tạo nguồn plasma. Vì khi có các thơng số kỹ thuật của chất khí, chúng ta có thể

xây dựng đƣợc các mơ hình plasma hay các kỹ thuật plasma có thể có nhƣ: phóng
xả điện một chiều, lắng đọng hơi hố học tăng cƣờng plasma, plasma microwave.
Các mơ hình plasma sẽ giúp chúng ta sử dụng plasma vào từng bƣớc trong cơng
nghệ chế tạo vi mạch. Các khí tạo plasma hay dùng là nitơ, argon, hydro, oxi,
khơng khí nén. Bên cạnh đó, màng mỏng Silicon dioxide (SiO2) là một trong
những vật liệu quan trọng nhất sử dụng làm chất điện môi, không thể thiếu trong
ngành công nghiệp bán dẫn. Sự lắng đọng hơi hóa học plasma (PECVD) đƣợc sử
dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để ngƣng tụ màng mỏng [47],
[25]. Vật liệu điện môi SiO2 thƣờng đƣợc lắng đọng bởi phƣơng pháp lắng đọng
hơi hóa học tăng cƣờng plasma, đƣợc sử dụng làm chất điện môi liên kết hoặc làm
các lớp thụ động cho mạch tích hợp. Các tiền chất thông thƣờng dùng để ngƣng tụ
SiO2 phục vụ tạo lớp màng mỏng cách điện là SiH4 - O2 hoặc SiH4 - N2O [93].
Hiện nay có sử dụng các hợp chất hữu cơ nhƣ tatraethoxysilane (TEOS),
tetramethylsilane (TMS), triethoxysilane (TRIES) lắng đọng với oxi bằng phƣơng
pháp lắng đọng hơi hóa học plasma đã đƣợc sử dụng vì các hợp chất hữu cơ chứa
phần tử Si và O2 không gây nguy hiểm [30, 91].
Ứng dụng sớm nhất của plasma cho việc khắc là vào năm 1960 khi các nhà
nghiên cứu plasma dùng ôxi để loại bỏ các màng chứa carbon khỏi các bề mặt (ví
dụ: loại bỏ photoresist). Sau đó, các phóng điện chứa flo và clo đã đƣợc khám phá
để khắc silic. Bằng phát minh đầu tiên sử dụng hỗn hợp CF4 và O2 để khắc silicon
vào năm 1969 bởi Coburn và Winters [55]. Một sự phát triển quan trọng khác là
việc sử dụng plasma để lắng đọng silicon nitride nhƣ một lớp thụ động (bảo vệ)

10