Công nghệ nano và micro điện tử = Micro and nanoelectronics technology

DÀO KHÄC AN

CÔNG NGHÊ MICRO

VÀ NANÔ DIÊN TU

r i \

S d NHÀXUÂT BAN GlAO DUC VIETNAM

Công ty cổ phần Dịch vụ xuất bản Giáo dục Hà Nôi -

Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam giữ quyền công bố tac phẩm

138->2009/CXB/l-189/GD Mã số : 7B614H9-NĐN

à ỹ n á i đ ầ w

C

uốn sách được biên soạn nhằm trình bày những

kiến thức cơ bản về một số công nghệ được cập

nhật cho đến nay trong lĩnh vực công nghệ micrô điện

tứ và nanô điện tứ. Công nghệ điện tứ bao gồm rất

nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực chế tạo vật liệu

chế tạo linh kiện điện tứ bán dẫn và vi mạch. Công

nghệ này đã đang phát triển nhanh chóng và có ảnh

hướng mạnh đến sự phát triển của xã hội. Từ những

thập niên cuối cúa thế kí XX và những năm đầu của

thế kí XXI, trên cơ sở của công nghệ micrô điện tứ và

tích hợp với nhiều liên ngành khác, cộng thêm một số

lĩnh vực công nghệ mới ra đời (công nghệ nanô sinh

học, công nghệ điện tứ phân tứ, công nghệ micrô và

nanô cơ điện tứ...), công nghệ nanô nói chung và công

nghệ nanô điện tứ nói riêng chiếm một vai trò đặc biệt

quan trọng, đang rất được chú trọng phát triến hiện

nay. Hi vọng trong tương lai không xa, chúng sẽ mang

lại những điều kì diệu có những ánh hưởng to lớn đến

nhiều mặt cúa sự phát triển xã hội.

Bản thân công nghệ micrô và nanô điện tứ cũng là một

lĩnh vực rất rộng lớn, rất được chú trọng phát triến

trong hơn bốn thập kí qua. Tính từ năm 1960, nó đã

góp phần mang lại các thành quá to lớn làm thay đối

nhiều diện mạo trong cuộc sống và xã hội loài người.

Một ví dụ có thế thấy rất rõ là nhờ có công nghệ micrô

điện tứ mà các thế hệ vi mạch khác nhau ra đời, trong

đó có các bộ nhớ máy tính CPU, tạo nên các thế hệ

máy tính cá nhân đang có vai trò to lớn, có sự ánh

hương sâu sắc đến sự phát triển xã hội loài người. Lĩnh

vực cong nghệ micrô và nanô điện tứ phát triến nhanh

và mạnh nhất, có vai trò đặc biệt quan trọng trong

ngành điện tứ, chính lcà lĩnh vực chế tạo vật liệu và linh

kiện bán dẫn, mạch tố hợp, các linh kiện cám biến

thông minh, linh kiện quang điện tứ bán dẫn và các

lĩnh vực vật liệu mới, linh kiện mới như điện tứ học

phân tứ... Các linh kiện bán dẫn vi điện tử là nền tảng

đế chế tạo các thiết bị điện tử tiên tiến, các hệ thống

thiết bị truyền thông, công nghệ thông tin, máy tính

quang lượng tứ, người máy, đo lường điều khiến... đã,

đang và sẽ phát triển rất mạnh trong thế kỉ XXI này.

Linh kiện bán dẫn và mạch tố hợp đã phát triển như vũ

bão từ sau khi phát minh ra tranzito lưỡng cực bởi

J. Bardeen, H. Brattain và w . Shockley ; phát minh ra

laze bới G. Basov, M. Prokhorov và H. Townes vào

năm 1952 ; phát minh ra lí thuyết siêu dẫn, hiệu

ứng Josephson ; phát minh ra sợi quang suy hao thấp

ở vùng bước sóng 0,8 pm,1,3 pm và 1,55 pm ... Các

phát minh này đã được trao giái thưởng Nobel. Vào

những năm 1959 - 1960, mạch tố hợp (IC) đầu tiên ra

đời do s. Kilby đề xuất và đến năm 2000 cũng được

tặng giái thướng Nobel. Trong lễ kỉ niệm 50 năm ngày

phát minh ra tranzito, tạp chí Thông tin Khoa học của

Mỹ đã gọi thê kí XX là thê kỉ cúa mạch rắn (solid State

century). Năm 2004, Hãng CNN đã tố chức một cuộc

thàm dò về các thành quả khoa học công nghệ vĩ đại

n^ât tron8 thời gian qua. Kết quả là, công nghệ micrô

điện tứ tạo nên các mạch tố hợp được đánh giá là một

thành quá khoa học công nghệ có tác động lớn nhất,

p at minh ra mạch vi điện tứ được xếp vào vị trí số

t'êp đó mới đến các phát minh về máy tính

ca n an, điện thoại di động, máy bay phán lực, TV...

y. 0a„? trong thê kỉ XXI, khi công nghệ nanô được

UA'f nen m^c hoàn thiện thì còn có nhiều

nhận ưươcơl ra đời mà COn người khó có thê đoán

4

vực rất rộng, cho nên để viết một quyến sách có một

nội dung đầy đú bao quát về lĩnh vực này sẽ vô cùng

khó khăn và rất khó đáp ứng được nhu cầu của các

độc giả muốn hiểu sâu về vấn đề này. Mặt khác, lĩnh

vực micrô và nanô điện tứ trên thế giới đã và đang phát

triến rất nhanh chóng, trong khi đó ở Việt Nam, lĩnh

vực công nghệ micrô và nanô điện tử lại chưa được

phát triển đáng kể. Tuy vậy, một số phòng thí nghiệm

ở một số viện nghiên cứu và trường đại học ở Việt

Nam ít nhiều đã quan tâm nghiên cửu triến khai một

số công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn rời rạc, một số

khâu công nghệ micrô và nanô điện tử... nhằm chế tạo

các mẫu vật liệu, mẫu linh kiện bán dẫn, linh kiện cảm

biến (sensor) và vi mạch tích hợp thấp... nhằm phục

vụ cho nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng. Trong

tương lai gần, với xu thế toàn cầu hoá, Việt Nam

không thể không phát triển các ngành công nghiệp

mũi nhọn như ngành năng lượng, cơ khí, luyện kim,

điện tứ, tự động hoá, vật liệu mới, công nghệ sinh

học... trong đó có ngành công nghiệp mỉcrô và nanô

điện tử. Các nước có nền kinh tế mạnh hiện nay không

nước nàc bỏ qua ngành công nghiệp micrô và nanô

điện tử, thậm chí còn được quan tâm đặc biệt.

Cuốn sách này được viết nhằm giới thiệu một cách

tương đối khái quát về công nghệ micrô và nanô điện

tứ trong đó công nghệ nanô điện tứ là một lĩnh vực

trọng yếu bao chùm ba lĩnh vực cúa công nghệ nanò

(bán dẫn điện tứ, điện tử phân tứ và điện tử nanô sinh

học) đang rất được quan tâm hiện nay. Song để nắm

băt đươc công nghệ nanô điện tử, nhất thiết phải hiểu

ve cong nghệ micrô điện tứ trên vật liệu bán dẫn, đặc

biệt la trên bán dẫn Si, GaAs, vì đấy là thành quả đã

đạt được và nó còn kéo dài ít nhất trong nhiều thập kỉ

nưa trong thế kỉ XXI. Cụốn sách viết về một chuyên

ngành rất rộng, bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau :

vat lí chất rắn, vật lí bán dẫn, khoa học vật liệu, hoá - lí,

sinh học, điện tử, mạch điện tử, thiết kế vi mạch, mô

phóng..., các linh vực này lại đang phát triến thay đối

9

hàng ngày hàng giờ nên Irong quá trình biên soạn cuốn

sách, chúng tôi gặp không ít khó khăn, nhất là mặt

thuật ngữ khoa học công nghệ trong lĩnh vực mới này

ớ Việt Nam chưa có tính thống nhất cao. Nội dung

cuốn sách được viết một phần dựa trên cơ sớ tống kết

một số kinh nghiệm làm việc, nghiên cứu cúa tác giá

trong thời gian từ năm 1972 đến nay ớ một số viện

nghiên cứu, công ty chế tạo linh kiện bán dẫn, vi mạch

trong và ngoài nước ; một phần dựa trên cơ sớ giáo

trình môn học Công nghệ nanô — Đ iện tứ nanô do

tác giá biên soạn đế giáng dạy cho các lớp cao học

Điện tứ - Viễn thông cúa Học viện Công nghệ

Bưu chính - Viễn thông từ năm 2002 đến năm 2009

và một phần nội dung khá quan trọng dựa trên các tài

liệu khoa học công nghệ mới thu thập từ sách, tạp chí

và từ các thông tin có trên internet hiện nay rồi biên

soạn lại. Tuy nhiên, các kiến thức mới về công nghệ

nanô - điện tứ nanô đang phát triến nhanh chóng, thay

đối hàng ngày, cho nên cuốn sách không thế tránh

khỏi khiếm khuyết về nội dung và hình thức. Tác giá

rất mong các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp

và bạn đọc xa gần đóng góp ý kiến đế cuốn sách này

ngay càng được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến góp ý xin

gứi vê công ty cố phần Dịch vụ xuất bán Giáo dục

Ha Nội - Nhà xuất bán Giáo dục Việt Nam, 187B

Giáng Võ, Hà Nội.

Hà N ội, tháng 8 năm 2 0 0 9

GS. TSKH. Đào Khắc An

6

ñ d f P c A

CỔNG NGHỆ

MICRO ĐIỆN TỬ

....

7

fj} fy u x m g / 1

KHÁI QUÁT NHỮNG VẤN ĐÊ CHUNG LIÊN

QUAN ĐẾN LỈNH vực MICRÔ VÀ NANÔ

ĐIỆN TỪ

1.1. LĨNH VỰC ĐIỆN TỬ - CỔNG NGHIỆP ĐIỆN TỬ

Ý nghĩa của từ “điện tử” theo nghĩa hẹp là hạt electron có điện tích

1 6.10“19 c có khối lượng nghỉ là 0,91095.10~3° kg. Khái niệm điện tử còn

có nghĩa rộng nghĩa tổng quát, đó là ngành điện tử hay lĩnh vực điện tử. Theo

quan niệm trước đây, vào đầu thế kỉ XX, khi đó lĩnh vực điện tử chưa phát

triển lắm ngành điện thường được chia thành hai lĩnh vực : “điện nặng” và

"điện nhẹ". Điện nặng bao gồm các lĩnh vực sản xuất điện năng, truyền tải

diện năng hạ điện áp bài các trạm biến áp, phân phối cung cấp diện nâng

qua các đường dây cao Ihế đến các noi cần thiết, cung cấp điện cho các trang

thiết bị, và cac nhà máy, biín dổi chỉnh lưu dòng diện vớt công suất lớn...

ngày nay thuòng dưọc gọi chung là ngành điện. Còn lĩnh vực điện nhẹ đưực

hiểu là lĩnh ™c liên quan đến diện tử vói các kĩ thuật telex điện báo, truyền

tin, radio, v ề sau với sự ứng dụng các phá. minh liên quan đến điện từ, ngành

này phát triển rất nhanh phân chia thann ìa , v '

. , * , ' „ 1 Iriivpn hình điều khiển từ xa, đo lường, máy nhỏ khác nữa như vô tuyến điện, truyen niiui, uit. e '

. ' A. «hiên lĩnh vưc khác nữa... Ngày nay, người tính, công nghệ thông tin và rất nhiêu nnn vục N “ ^ / * ,

, , „ ' . , . i;á„ và rìiên tử hoăc kĩ thuât điện và điện tứ

ta thường nói với cái tên ngành điện va ẹ ■ , / * V* , • r>pn nav khó có thế vạch ra rõ ranh (electrical and electronics engineeiing). ê y-1 1 ' ' * . „

„Ann niôc cách mạng khoa học kĩ thuật giới giữa các lĩnh vưc, nhất là trong cống ọ c * ■ k l l '

T 7 . 7 /1 . . . “ kĩ thuât điện và điện tử đã đan xen vào đang phát triển như vũ bão hiện nay, k • " , T, V ,

b , ! , . , „„Anh rác lĩnh vưc khác nhau. Từ ngành nhau và xâm nhập vào hầu hêt các ngi I

n Cu-nx.; ỉ

điệii” theo tên gọi trước đây đã đẻ ra hai lĩnh vực chính có các đặc thù riêng

khá rõ rệt đó là điện và điện tử. Trong lĩnh vực điện tử lại rẽ nhánh thành

nhiều ngành quan trọng khác như ngành vật liệu điện tử, ngành công nghệ

linh kiện điện tử, ngành thiết bị điện tử, hệ thống thiết bị điện tử và các chung

loại thiêt bị máy tính... Ngày nay, các lĩnh vực như công nghệ bán dẫn, tin

học, đieu khiên từ xa, tự động hoá, máy rôbôt, trí tuệ nhân tạo, quang điện tử,

điẹn tư hang không - vũ trụ, năng lượng sạch... là các lĩnh vực mới hơn

thường được nhắc đên. Những ngành này lại liên quan mật thiết với nhau,

kho ai co the đinh ra ranh giới rõ ràng

Công nghiệp điện và công nghiệp điện tử bao gồm tất cả các lĩnh vực

san xuât chê tạo và các hoạt động khác... liên quan đến lĩnh vực điện và điện

tư. Đó là các hoạt động liên quan đến sản suất ra các sản phẩm điện - điện

tử. Trong lĩnh vực này, đôi khi người ta còn phân chia ra các ngành công

nghiệp nhỏ hơn như công nghiệp vật liệu điện tử, công nghiệp vật liệu bán

dân, công nghiệp sản suất linh kiện điện tử - bán dẫn vi mạch, công nghiệp

chê tạo thiêt bị điện tử..., các hoạt động về mua bán các sản phẩm điện và

điện tử là thương mại điện - điện tử

Người ta còn có thể phân chia lĩnh vực điện - điện tử ra các chuyên

ngành nhỏ khác nhau theo đặc thù sử dụng (như điện tử công nghiệp, điện tử

quan sự, điẹn tưgia dụng...) hoặc phân chia theo đặc thù vật liệu ch ế tạo hoặc

theo chưc nang cua chung như các sản phẩm điện tử bán dẫn, các sản phẩm

điẹn tư gom sư, cac hnh kiện điện tử thụ động, các linh kiện tích cực, các vi

mạch, cac mạch điẹn tư thông minh. . Có thế nói, ngành điện tử có tầm quan

tiọng đạc biẹt, không co ngành này thì không thể tiến hành công nghiệp hoá

đưọc. Điẹn va điẹn tư co vai trò ví như hệ thần kinh trong cơ thể con người

đưa cac tin hiẹu va nang lượng dên các bộ phận trong cơ thể để tham gia vào

cac qua trinh song. Do vậy, có thể nói, phần điện - điện tử trong các thiết bị

phan hon , va ơ mọt so trường hợp nó có vai trò như là “bộ não — trái

tim", ví như các CPU trong các máy tính cá nhân hay trong các rôbôt...

a) Vật liệu điện tử nói chung là tất cả các loại vật liệu dùno để chế tạ°

ra các sản phẩm điện tử, nó có rất nhiều loại khác nhau. Sản phẩm điện tù’

càng đa dạng thì nhu cầu về vật liệu điện tử càng đa dạng. Đến nay người ta

đã thống kê có hàng nghìn loại vật liệu điện tử khác nhau. Ví dụ, chủng loại

vật liệu làm dây dẫn điện như Cu, Al, Au, Ag, và các chủng loại hợp kim của

chúng, các chủng loại vật liệu gốm sứ dùng trong chế tạo các linh kiện điện

tử, các chủng loại vật liệu bán dẫn, họ vật liệu cách điện, họ vật liệu pôlime.

các vật liệu quý hiếm...

b) Một số chủng loại vật liệu điện tử : Người ta có thể phân loại vật liệu

điện tử ra rất nhiều họ khác nhau dựa theo tính chât của chúng. Ở đây có thê

nêu ra một vài loại vật liệu điện tử có liên quan sẽ được bàn troné cuốn sách

này, ví dụ :

- Các họ vật liệu kim loại khác nhau sử dụng troné lĩnh vực điện tử, thấy

rõ nhất là các kim loại Cu, Au, Pt, Al, Ni, Sn, Sb làm dây dẫn và rất Iihiểu

ứng dụng khác nhau ;

- Các họ vật liệu hợp kim ;

- Các họ vật liệu gốm sứ ;

- Các họ vật liệu cách điện ;

- Các họ vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ;

- Các họ vật liệu bán dẫn đơn châì ;

- Các họ vật liệu bán dẫn hợp chất hai, ba, bốn thành phần :

- Các họ vật liệu vô định hình như thuỷ tinh, SiO-,... ;

- Các vật liệu sử dụng trong tích trữ và chuyển hoá năng lượng ;

- Họ vật liệu pôlime dùng trong điện tử ;

- Các họ vật liệu mới có tính năng đặc biệt dùng trong công nghiệp điện tử ;

1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG LĨNH v ự c ĐIỆN TỬ

1.2.1. VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

c) Vật liệu bán dẫn là họ vật liệu điện tử quan trọng nhất, nó có độ dẫn

(cỡ 10-8 -h 104 Í2~l.cm~l) và độ rộng vùng cấm (cỡ khoảng 1 eV) nằm giữa

vật liệu kim loại và điện môi, được sử dụng để chế tạo các linh kiện bán dñn

tích cực và vi mạch. Đến nay có khoảng độ 20 -ỉ- 30 loại vật liệu bán dẫn đơn

chất và hợp chất của chúng được sử dụng trong chế tạo linh kiện bán dần.

Một trong các đặc tính quan trọng nhất của vật liệu bán dẫn là tính dẫn điện

và một số đặc tính khác có thể điều khiển được bởi nồng độ pha tạp hoặc bởi

các kích thích khác nhau như nhiệt, điện từ, quang, cơ học...

11

a) Các phụ kiện kết nối, làm chân ra, toả nhiệt dùng tỉ ong linh kiện làm

liệu kim loại.

h) Các chi tiết kợp kim Ph - Sn để hàn, gắn kết các bộ phận trong linh

điện tử làm lừ vật liệu hợp kim.

I Cew- ttCịíiĩ v.k.;:G ÌUJ 12

Các đ ế vật liệu cách điện dùng đê ngăn cách giữa các chân ra và các hộ

ận trong linh kiện điện tử, hán dẫn.

PTi-a -----------------------------

?ác hộ phận của vỏ linh kiện hoặc dê nu7 cách diện có các

"taAt lì¡1,7lìh trong những năm từ ¡97

lỗ dưa I

lĩ

ej Cúc dế có các chân của linh kiện rời rạc và 1C cổ điển được SI

những năm 1965 trở đi sử dung một sô'vật liệu quý hiếm như teflon,

Au, Pt, Cr, Ni, Pd...

Hình 1.1. Các chi tiết làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau dùng tro

chế tạo linh kiện bán dẫn rời rạc và mạch tổ hợp (IC).

Trong các họ vật liệu điện tử ở trên, xét về khía cạnh công ngh

và nanô điện tử thì họ các vật liệu bán dẫn, vật liệu từ siêu dẫn nhiệl

một số vật liệu mới như pôlime dẫn đang có vai trò rất quan trọng. ^

dụng của chúng cũng rất quan trọng, ví dụ các vật liệu kim loại q

(Au, Pt, Ag, Ni, Pd, Cu...) được sử dụng rất nhiều trong bốc bay tạo

cực và dây dẫn. Vật liệu bán dẫn đơn hợp chất đã và đang giữ vai trò

để chế tạo các linh kiện bán dẫn micrô mạch siêu cỡ lớn, các họ vỉ

và gốm điện tử đang có vai trò ngày càng lớn trong lĩnh vực linh kiệr

tử spin và vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. Trong mỗi loại vật liệu, tu

mức độ sử dụng và tính quan trọng đểu có thể phân ra hai loại khá

vật liệu thông dụng được chế tạo với các công nghệ thông dụng và

chất lượng cao được chế tạo với công nghệ cao (công nghệ micrô

điện tử) phục vụ cho các mục đích khác nhau.

í

14

a) Linh kiện điện tử là một cấu hình xác định, được ch ế tạo trên một hay

nhiều loại vật liệu điện tử theo nguyên lí nhất định để thực hiện một chức

năng nhiệm vụ nhất định trong mạch điện tử hay thiết bị điện tử. Đến nay có

rất nhiều họ linh kiện điện tử khác nhau, trong mỗi họ lại có nhiều loại linh

kiện khác nhau, ví dụ riêng họ tụ điện có các chủng loại tụ giấy, tụ hoá, tụ

sứ, tụ mica, tụ dầu với hàng trăm loại khác nhau...

b) Linh kiện bán dẫn là một câu hình linh kiện xác định, được thiết kê

chê tạo và hoạt động dựa vào tính chát của vật liệu bán dẫn để thực hiện một

chức năng nào đây theo nguyên lí xác định trong mạch điện tử, hay thiết bị

điện tử. Trong các linh kiện bán dẫn không phải chỉ sử dụng vật liệu bán dẫn

mà còn sử dụng nhiều loại vật liệu khác, ví dụ trong điỏt bán dẫn không chỉ

có tiếp giáp pn bán dẫn mà còn có cả vàng (Au) đê làm điện cực, vỏ thuỷ tinh

hay kim loại, các dây dẫn kim loại nối các điện cực ra ngoài...

c) Các họ linh kiện điện tử, bán dẫn được phân theo mục đích sử dụng

hoặc đặc điểm tính chất : có thể phân loại theo môi trường vật chất mà linh

kiện hoạt động (bóng đèn chân không, bóng bán dẫn, tụ dầu, tụ điện gốm sứ,

tụ giây...) hoặc phân loại theo tần sô hoạt động (linh kiện cao tần, siêu cao

tần...), phân loại theo công suất như linh kiện công suât lớn..., phân loại theo

tính năng nguyên lí hoạt động như các linh kiện quang điện tử, linh kiện hoạt

động trên nguyên lí từ siêu dẫn, linh kiện cảm biên hoặc phân loại theo chât

lượng và lĩnh vực ứng dụng như linh kiện điện tử mang tính thương phẩm,

linh kiện điện tử phục vụ cho công nghiệp, cho quân sự, cho vũ trụ... Các họ

linh kiện điện tử, bán dẫn còn được phân theo mục đích sử dụng hoặc dặc

điểm tính chất :

— Các họ linh kiện điện tử rời rạc thông dụng dùng cho các mục đích

ngoại thương dân dụng (điện trở, tụ điện, điôt, tranzito, MOSFET, các 1C

thông dụng, CCD...).

— Các loại linh kiện chuyên dụng cho quân sự, hàng không - vũ trụ. bao

gồm nhiều loại hình khác nhau nhưng với độ tin cậy và chất lượng rất cao.

— Các linh kiện quang điện tử (phôtôđêtectơ, optronic, laze và các nguồn

sáng nhân tạo khác, khuếch đại quang, ống dẫn sóng, chuyển mạch).

— Các họ linh kiện cảm biến (sensor) với hàng trăm loại.

— Các linh kiện chuyển hoá nâng lượng, pin Mặt Trời.

1.2.2. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ LINH KIỆN BÁN DẪN

1