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

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, mạc

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!!

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

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 p m 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, T V

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 C ông nghệ nanô — Đ iện tứ nanô do tác giá biên soạn đế giáng dạy cho các lớp cao học

Đ iện tứ - Viễn thông cúa H ọ c viện C ô ng 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 ộ i, tháng 8 năm 2 0 0 9

GS TSKH Đào Khắc An

6

f j} f y u x m g / 1

KHÁI QUÁT NHỮNG VẤN ĐÊ CHUNG LIÊN

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

' 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*

(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

đ iệii” 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 côn g nghệ linh kiện điện tử, ngành thiết bị điện tử, hệ thống thiết bị điện tử và các chung loại thiêt bị m áy tín h N gày nay, các lĩnh vực như côn g nghệ bán dẫn, tin học, đieu khiên từ xa, tự động hoá, m áy 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

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

san xuât chê tạo và các hoạt động k h á c liên quan đến lĩnh vực điện và điện

tư Đ ó 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, côn g nghiệp vật liệu bán dân, công nghiệp sản suất linh kiện điện tử - bán dẫn vi m ạch, 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 cô n g nghiệp, điện tử quan sự, điẹn tư gia dụng ) hoặc phân chia theo đặc thù vật liệu c h 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 rô b ô t

a) Vật liệu điện tử nói chung là tất cả các loại vật liệu dùno để ch ế 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 V í 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 ch ế tạo các linh kiện điện

tử, các chủng loại vật liệu bán dẫn, họ vật liệu cách điện, họ vật liệu pôlim e

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 M ỘT S Ố KHÁI NIỆM TR O N G LĨNH v ự c ĐIỆN T Ử

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 ch ế 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 ch ế 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

Ị

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 , 7 lìh trong những năm từ ¡97

lỗ dưa I

l ĩ

ej Cúc d ế 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 C á c 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, C u ) 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.

a) Linh kiện điện tử là một cấu hình xác định, được c h 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 m ỗi 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

1ỹ

Hình 1.2 Ảnh về một số linh kiện điện tử bao gồm một số oại >ẹn

trở, tu điên, tranzìto lưỡng cực, M O SFET, phôtôđiô , a z e ■ ^

đóng mỏ, các mạch tổ hợp và các card dùng trong may in

- Các chủng loại mạch tổ hợp lưỡng cực (bipolar) có mật đọ nho, tru g bình, lớn và siêu lớn, các mạch IC thông m inh

- Các chủng loại mạch tổ hợp một cực (unpolar) có mật độ nho, trung bình, lớn và siêu lớn, các mạch IC thông m inh

1 2 3suMt CH ° ' Ễ" MỒDUN' V| MẠCH VÀ MẠCH T ó H ọp

khách quan tất yêu của n Vli tìtiết bị điện tử là nhu cầu đòi hỏi

càng tăng của con ngtrò^x tnnh phát tr^ n nlìằm phục vụ cho nhu cầu ngày thì các linh kiện, mạch điên ° ^ , xa ^ ng^y càng phát triển với trình độ cao hoàn thiện cho thích ứn« C ot 1 lêl b ' đi^n tử càng ngày càng được Phát triẻ n kiẹn thiết bị nhỏ gọn hơn , r.^ươl,c^nê ngày càng muốn chế tao các linh càng nhỏ càng tốt (con ngưòi 1 " í nâng sử dụng tiện 'Ợb có kích thước

16

di động có đa tính năng như gọi điện, tra internet, xem tivi, chụp ảnh ) Việc thu nhỏ linh kiện, mạch điện và thiết bị luôn luôn được đặt ra.

Ngày từ những năm 1950, người ta đã chế tạo được các linh kiện có kích thước nhỏ bé để lắp ráp trên tấm mạch in, sau đó các mạch in ngày càng được hoàn thiện môđun ở dạng khối nhỏ hơn để đưa vào sử dụng trong'lĩnh vực quân sự Tranzito bán dẫn ra đời đã mở ra việc thay thê các bóng đèn chân không to, tiêu thụ công suất lớn, bằng các linh kiện bán dẫn và mạch tổ họp với kích thước nhỏ đáng kể v ể sau, đó là các môđun, các micrô môđun được chế tạo ngày càng nhiều trong các thiết bị quân sự Trong những năm từ 1950 đến 1960, việc chế tạo ra các linh kiện có kích thước tương đối giống nhau

đã được đặt ra để tự động hoá việc lắp ráp, nhất là trong lĩnh vực chế tạo ti vi Vào thời kì đó RCA đ ã chế tạo được các môđun có kích thước 7.9 X 7,9 X 2,5 mm3 Các mạch điện có rất nhiều loại, từ các mạch in dến các vi mạch mât độ siêu cỡ lớn Một mach tô hợp vân được coi la một câu kiện gồm nhiều linh kiện ở dạng đặc biệt, tuy nhiên do tầm quan trọng, ở đây chúng ta đưa vào một mục riêng.

a) Sơ đổ mạch điện

Sơ đổ mach điện là một bàn v ẽ th ể hiện sự kết nối dây dẫn giữa các linh kiên điên tư khác nhau (hao gồm cả các linh kiện ròi rạc, các khối môđun

h o le cac vi mach ) cua một mạch điện xái'định nào đó Thông thường,

mach điên này khi được thiết kế xong sẽ có khả năng thực hiện một hay một

nnh vực điện tử (như khuếch đại, ổn áp, biến đổi A/D, D/A nhân chia ).

D1

1N4004

17

Trên sơ đồ mạch điện, người ta thường ghi chú đầy đủ tên, kí hiệu linh kiện và giá trị của các linh kiện có trong mạch (ví dụ : giá trị điện trở, tụ điện, tranzito, 1C ) Sơ đồ mạch điện có thể là sơ đồ chi tiết hay sơ đồ khối Từ sơ

đồ mạch điện đã thiết kế, các nhà công nghệ có thể thiết lập các công nghệ

để chế tạo chúng ở dạng môđun hay vi mạch, mạch tổ hợp Hình 1.3 là một

ví dụ về một sơ đồ mạch điện.

b) Mạch điện

Khái niệm chung phổ biến, mạch điện chính là tổ hỢỊJ của một s ố hay rất nhiều (có th ể lên tới hàng trăm triệu) linh kiện điện tử (hao gồm cả các linh kiện rỏfi rạc, các linh kiện tích cực và thụ động, IC) đ ã được sắp đặt trên

đ ế cách điện theo một cấu hình thiết k ếx á c đinh đ ể thực hiện một chức năng nhiệm vụ nào đó (khuếch đại, biến đổi tín hiệu, tạo dao động) trong thiết bị diện tử Mạch điện là một phần cơ bản trong thiết bị điện tử, nó ra đời và phát

triển cùng với sự phát triển của thiết bị điện tử.

Người ta có thể phân loại mạch điện theo nhiều cách dựa trên công nghệ lắp ráp mạch điện :

- Mạch in là một cấu hình tổ hợp gồm các linh kiện điện tử rời rạc, các

môđun và IC ) được kết nối bằng các dây dẫn nằm trên một hoặc hai mặt của một tấm cách điện bakêlit.

- Mạch lai gồm một số linh kiện rời rạc thụ động, các IC và cùng một

số linh kiện bán dẫn chưa đóng vỏ ở dạng chip, thường được lắp đặt trên một

đế cách điện gốm sứ kết nối bằng dây dẫn với nhau.

- Mạch tổ hợp trên một phiến (monolit integrated circuit) là mạch tổ

hợp được chế tạo gồm các linh kiện được làm trên một đế bán dẫn (như S i ) với một loại công nghệ planar

Mạch điện còn có thể được phân loại theo chức năng nhiệm vụ như mạch khuếch đại, mạch tạo dao động, mạch lọc, mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại công suất, mạch biến đổi thế hiệu sang tần số, mạch điện tử thông minh

Hình 1.4 Một mạch điện bao gồm các linh kiện và IC trên đế mạch in.

18

Hình 1.5 Ví dụ về một môđun quang điện tử ngày nay ở dạng khối.

d) Vi mạch (microcircuit)

Vi mạch chính ban thân nó đã thể hiện sự thu nhỏ lại kích thưóc rà kính

thước linh kiện và kích (hước mạch điện Theo nghĩa rông này, v i mach đ ên

tử có thể bao gồm các loại mạch diện thu nhỏ tới kích thước micromct <y

vi mạch này có thế chế tạo bang các công nghệ khác nhau No CO thé hn«c

gồm cả các mạch lai, các mạch tổ hợp (IC), các mạch vi cơ điên (MFMSi°

nanô cơ điện (NEMS), các mạch điện thông minh được thiết k *| t' ; theo một cấu hình xác định nhàm thực hiện một tổ hợp chức nano IC le ft?0

e) Mạch tổ hợp (Integrated Circuit - IQ

Mạch tổ họp ỉà một chùng loại mạch điện tứ thuộc họ much li /' ') ■

đươc thiết k ế c h ế tao tích hợp tròn một chip hán dẩn nhỏ với rnn„ 1 ,1 ' 1 (y/\s 'i-gnC COo “

19

xác định (công nghệ planar, công nghệ micrô và nanô c ơ điện (MEMS, NEMS )), trong đó các linh kiện hán dẫn có mối liên kết với nhau theo thiết

kê không thê tách rời, đê thực hiện một nhiệm vụ hay m ột tổ hợp các nhiệm

vụ xác định trong một mạch điện hay trong thiết hị điện tử Mạch tổ hợp điện

tử đầu tiên được phát minh bởi Nicola và Killby vào năm 1960 Năm 2000, phát minh trên đã được tặng giải thưởng Nobel Phát minh này đã mở đầu cho sự phát triển của một kỉ nguyên mới cho ngành điện tử, nó làm biến đổi sâu săc rất nhiều lĩnh vực của xã hội loài người, nhất là từ khi các thế hệ máy tính cá nhân lần lượt ra đời Theo thời gian, lúc đầu mật độ mạch tích hợp là nhỏ (SSL - Small Scale Integrated Circuit), sau đó có mật độ tích hợp trung binh (MSI), mật độ tích hợp lớn (LSI) và hiện nay có mật độ tích hợp siêu lơn (ULSI Ultra Large Scale Integrated) IC ngày nay có thể chứa tới cỡ gần tỉ linh kiện (109 linh kiện) trên một chip bán dân.

Hình 1.6 Phiến bán dẫn Si trên rị' U’'

là một mạch tổ hơp (ìc ì Khi'fTÌ! 0 n u ° 9 '°n9 nhau, mỗi ô vuông

20

Bộ vi xử lí P resco tt của Hãng Intel:

Hình 1.7 Ảnh khái quát bên trong của một chip vi xử lí.

Khi tiến tới giới hạn lượng tử, dự đoán vào năm 2013, mật độ còn tăng lên nhiêu va tốc độ máy tính khi đó sẽ đạt tốc độ siêu nhanh khoảng 254 GHz hoặc lớn hơn.

f) Phân loại các mạch tổ hợp

Người ta có thể phân chia mạch tổ hợp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ : _ Theo chức năng : mạch A/D, D/A, mạch khuếch đại, mạch dao động,

IC đặc chủng (ASIC), mạch điện thông minh (inteligent I Q

- Phân loại theo cách chế tạo lắp ráp : mạch điện trên đế mạch in, trên

đế cách điện, mạch lai (hybrid circuit).

_ phân chia theo tần số hoạt động : mạch tần số thấp, tần số cao.

_ Phân chia mạch IC theo mức độ tổ hợp (SSI, MSI, LSI, ƯLSI

_ 'á,, hat tải hoãc theo tác nhân tính chất hoat đông :

z

_ Phần Chia theo công nghệ chế lạo : các mạch vi c a diên (MEMS) nanô

cơ điện (NEMS).

Thu nhó kích thuớc linh kiện và mnch tó hỢp là xu huóng t í t yếu nhung đầy nhung thách thủc

hó đòj hỏi kĩ thuật cao, công nghệ cao và kéo theo Lẩm nhỏ lại thi ra^ K phẩm sẽ cao nếu không sản xuất hàng loạt lớn dầu tư lớn, giá thanh t an ^ đến nay, việc thu nhỏ linh kiện bán dẫn

Trải qua hơn nửa the ki, tư n ni Trên hình 1.8 là ảnh của tranzito và

mỏđun mach IC trước y

80nm CMOS Transiter

5x5 (mm2)

e) Hình 1.8 Quá trình thu nhỏ các linh kiện và IC trước kia và hiện nay •

a) Linh kiện đơn, kích thước milimét; b) Linh kiện đơn C M O S, kích

thước 80 nm ; c), d) Vi điện tử mật độ thấp ; e) Vi điện tử mật độ sieu

cao, 109 linh kiện trên một chip ( 5 x 5 mm2).

Một số thách thức chính trong quá trình thu nhỏ thường gặp như sau :

- Giải quyết vấn đề toả nhiệt trong các IC Đây là vấn đề rất phức tạp Khi cú hàng tỉ linh kiện hoạt động tiêu thụ năng lượng trong một kích thươc ràt nho, làm sao có thể dẫn nhiệt ra ngoài để các linh kiện hoạt động binh thưòng, không mất ổn định Việc thu nhỏ chỉ có thể đạt đến giới hạn lượng

tử mà thôi Tuy nhiên, do còn nhiều giới hạn khác như giới hạn công nghệ, truyền nãng lượng nên không thể giảm thiểu kích thước tuỳ ý.

“ Thách * ức về công nghệ lắp ráp cũng rất lớn khi mật độ lên hàng tỉ

in lện tren mọt chip có diện tích cỡ vài milimét vuông Công nghệ lắp ráp ->', ^ n^ư °ông nghệ hàn điên cưc bằng dây Au, công nghệ đóng

vỏ à các chip C6 nhiêu lép V« m ạ đô Hnh tóệ„

1.2.4 CÁC CHỦNG LOẠI THIẾT BỊ ĐIỆN TỦ

- - — VM iinư dưới đây •

- Các họ thiết bị điện tử dân dụng (rađiô tivi

- Các họ thiết bị điện tử dùng trong quân sự.

- Các họ thiết bị điện tử thuộc ïïnh vue hàno

cách, ví dụ phân chia theo

tivi, tủ lạnh, điện thoại ).

vực hàng không - vũ trụ.

- Các họ thiết bị nghiên cứu khoa học, ví dụ như các kính hiển vi điện

tử, các máy gia tốc, các máy phân tích

- Các họ thiết bị công nghệ, máy cái.

- Các họ thiết bị điện tử dùng trong đo lường, thử nghiệm.

- Các họ thiết bị cảm biến thông minh, điều khiển từ x a

- Người máy (rôbôt)

- Hệ thống định vị toàn cầu và thồng tin địa lí (GPS, GIS).

- Các họ máy tính lớn, máy vi tính.

Khi công nghệ micrô và nanô điện tử phát triển thì các thiết bị điện tử luôn biến đổi và phát triển theo hướng ngày càng nhỏ dần Hình 1.9 thể hiện sự giảm kích thước nhanh chóng theo thời gian cua chung loại may tinh cá nhân.

" Kĩ thuật tưcmg tự (analog)

Ki thuật truyền dẫn xử lí Số liệu

" “ 2 ! Ũ ! / ! ! 1 điều khiển h* “ * » vạ tinh

Kl thuật viễn thám

- Kĩ thuật xử lí, truyền tin tín hiệu quang

Cac ki thuật điên tử đo lưòng trong nông nghiệp, y tế, giáo dục.

1-3 CÁC CHỦNG LOẠI CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỨ

công nghệ sàn suít°Tươns i f f ? ? ag l°ại vdl li®u di®n lử tbl cỏ bá'y nhiêu

Cũng có b á y n h to i^ c h ú n ^ to a fc ó n ^ lí^ chủng loại linh kiện điện tử thì vối các thiít bị hoăc hê thong dién8.?rSTệ chf ‘ạ0 r? chún8 'c0n« tươn« ‘ư đối

công nghệ giữ vai trò quan troné „M,T"y nh 6n’ bf * * , ị "!ộ ‘ s ố chủ”g Io V

và góp phân khóng nhỏ thúc d a v a l e ? " ! s ■rp!’a l của "gành đ - ử công nghệ c h í tạo v ậ t lieu b á n ên ltinh ,ế thế giớL Đ ó là c ic loại

bán dán và vi mạch, bao eổm c á f e h ? cf !°ạ.' CÔng nghệ c h í *9° Iinh, ki9n lưỡng cực đến các citing loai cd„„ n? W CÔng nghệ,ch ế t?0 m9ch tẩ hợp

CMOS BiCMOS ) và h ' ng ng • C^ê íao m ?ch tô’ hợp đơn cực (MOS,

nanố điện tử Công' nghệ MEMS N P u f 0' dang quan Ml” d ín cồng ?ghệ

d i n h ; ; v¡ , t i n h X t V S ™ dang

Trong các phần sau của cuốn sách nà u _

hai chủng loại công nghệ chính, đó là 2 : ta sẽ tậ P trunê âỄ xem, xét

bán dẫn và công nghệ nano điên tư daño”* ^ micr0 đi^n tử trên

khi đi sáu hơn vào các vân để này, c h S nfưỢu ? uan tân! hiện nay- Trước nghệ chính dùng trong chế tạo các loaf SÔ chủn? ! ° ; 1 c^ng ' , .r : - , * : / l0?» vật liệu, linh kiên đián từ hắn dẫn.

Có rất nhiều cách phân chia các chủng loại công nghệ như : công nghệ chế tạo m ột loại vật liệu điện tử, công nghệ ch ế tạo một loại linh kiện xác đinh công nghê chê tao mach điên, công nghệ chê tạo IC, công nghệ chê tạo thiết bi Trong mỗi chủng loại công nghệ lại phải sử dụng một hay một số công nghê đơn lẻ khác nhau để tạo nên các phần của linh kiên V í dụ, khi ch ế tao m ôt tranzito bán dẫn cần khoảng 30 bước công nghệ khác nhau mới ra đươc san phẩm còn ch ế tạo một mạch tổ hợp IC phức tạp cần sử dụng trên dưới 100 bước công nghệ khác nhau, mỗi bước hay một nhóm bước công

nghệ này thuộc m i* chủng loại công nghệ (ví dụ : khi ch ế lạo ỊC sệ cé từ 4 '5 V J " 7y • h Jịê quan đến quang khăc, hàng chuc bước công

d ĩ ? 5 ,?.Òng ' T n T ị l f í ồ á h ộ c 7 D « c " th ể chia khái quá, ra Ị , nghệ liên quan en X rá tnIớc khi bàn sâu về công nghệ micrô và

số chủng loại công ê • ■ AA là •

nanô d iỉn J ,r o n g quyển sách này 46 là

_ (2ấ.c loai công nghê truyên thông, VI dụ cong nghẹ chê tạo các loai dây , , JAV 4Ẩnn dây nhôm, niken tiếjp đên là các loại dây điện trở trên cơ

í , ệ " 1t, * ĩ l v ĩ t ó p s a u là các loại dây cáp đáng, câp „hôm t^ n c o 2 T i

s ò c á c hợp ki va 11 p , - cớng nghệ micrô và nanô điện tử phát trié-n

vấn để tạo dây dan tro « 5 ra ở trên V í dụ, trong một IC mật độ cao, chiểu

rất khó giải quyêt n ư mảnh của dây dẫn cỡ nanômét cũng là một giới

dài dây dẫn tói 6 - 10 km, 09

hạn lượng tư trong ^ tạQ dng dẫn sóng ở dải vi ba và bước

- Các chủng loại côing n chếtạo các ống dẫn sóng ở dạng phẳng, sóng quang Hiện nay, cac cong 2 ‘p quang trên cơ sở các vật liệu khác nhau

công nghệ ch ế tạo sợi quang Jà J c ¿ng dụng khác như sensor quang cũng

dừng trong thông tin qo biệt.

2*

triển rất mạnh mẽ Đó là các điện trở chế tạo bằng công nghệ khuếch tán, cấy ion, các điện trở màng bán dẫn đến các điện trở màng kim loại, đó là các điện trở ở dạng dây nanô đã được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau với các cấu trúc khác nhau.

- Các loại công nghệ truyền thống và công nghệ mói để ch ế tạo các chung loại tụ điện như công nghệ chế tạo tụ giấy, tụ gốm sứ, công nghệ chế tạo tụ hoá, tụ dâu Khi công nghệ vi điện tử và nanô điện tử phát triển thì các công nghệ chế tạo tụ điện MOS, pn phân cực ngươc và các cấu hình tụ điện khác rất được chú trọng.

7 “ c 7ng '0a' cdng nêhệ chế tạo các cuộn cảm và các vật liệu kèm

,e0 ,7 ,ư ° \ sa“ ư-■')' Trong công nghệ micrô và nanô điên tử, vấn đề cuộn

ca™ an^ 2rat nan glải- Đên nay mới chỉ chế tạo linh kiên cảm kháng trên đi^nơiroM angvơl f u trúcxoăn ỐC, cấu hình này vừa chiem nhiều diện tích, Chính V grám kích thước, vừa cho giá trị cảm kháng L nhỏ thiết k ế v a chế toĩTcác

l g "ghệ m « Ằ m Z Ỉ Í g n g íê M E M S ^ E M S ^ h í ĩ h ĩ u - ■

ba chiêu hoậc một công nghè „ào đó c 5 , MS với u ln ,8 8

• a do’ co thê cuộn cảm sẽ được chú ý hơn.

— Cac chung loai công nghê chế ta/- ' ĩ- 1

và luôn giữ vai trò đặc biệt trone tiến k á A nh kiện tích cực J ất ỏã dạng

loại linh kiện tích cưc đươc che ta *nnh củangành đi9n tử : Có rất nhiều

từ thô sơ đến phức tạp VI du c á c 1' T t - 1 nhiều Ỉ0ại CÔng nghệ khác nhau hiện trước năm 1970 nó co va ' t ' n tlch c,;rc hóng chân không xuất tranzito bán dẫn ra dơi (1948) ch htệt trong giai đoạn trước khi thù kích thước lớn, tiêu thu năng ? en rdiưng nam 1970 Tuy nhiên, do đặc chủng loại này nhanh chóng mất •*ơn’ không có khả năng thu nhỏ nên trong các lĩnh vực Hiện nay vai trò1 vai tr° Va hầu như bị thay thế hầu hết vực khuếch đại điên tử côno o.a* i7 Ua 0ng chân không chỉ còn rất ít ở lĩnh

26

(ohmic), công nghệ mạ vàng lên điện cực, công nghệ đóng vỏ IC bằng vỏ sắt hay vỏ nhựa, công nghệ ép in ấn, hàn ép nhiệt, hàn siêu âm thuộc chủng loại công nghệ này

- Chủng loại công nghệ ch ế tạo màng mỏng bao gồm các màng vật liệu khác nhau như bán dẫn, điện môi, màng kim loại, công nghệ in tạo các màng, tuỳ theo kích thước mà người ta còn chia ra công nghệ màng ra là công nghệ màng dày, công nghệ màng mỏng và màng nanômét.

- Các chủng loại công nghệ chế tạo mạch điện, bao gồm công nghệ truyền thống như lắp ráp mạch điện, công nghệ hàn mạch in trên bể thiếc, công nghê ch ế tao mach in đên các công nghệ tiên tiên hơn đê chê tạo mạch lai (hibriđ Circuit), mạch vi điện tử mật độ thấp đến mạch tổ hợp siêu cỡ lớn _ Công nghệ quan trọng nhất làm thay đổi phương thức chế tạo mạch điện kéo theo thay đổi phương thức chế tạo thiết bị điện tử, làm tiền đề ra

đời nhiều linh vực điện tử mới đó là công nghệ vật liệu và linh kiện bán dẫn,

keo theo no co cả một ngành công nghiệp bán dẫn ra đời Công nghệ chế tạo linh kiên bán dẫn và các mạch tổ hợp không ngừng được cải tiến, hoàn thiện Các công nghê này phát triển được chủ yếu dựa trên các thành tựu của nhiều ngành khoa học và công nghệ tiên tiến khác như Vật lí học, Hoạ học, kĩ thuật chân không lo thuật màng mỏng, kĩ thuật khắc (litogaph), kĩ thuật chùm tia

điện ử , ìd L ậ t pha nguyên tử tạp vào bán dẫn kĩ thuật ăn mòn hoá học khô -

ướt c ó ’kích thước cỡ dưới micrô, các: kĩ thuật plasma, các kĩ thuật laze và với các công nghệ bipolar, MOS, CMOS, BĩCBOS

? / 1_! inVo

nửa sau của thế

bán dẫn.

, „ , Ar triach tổ hợp do hai nhà khoa học là Nycole và

- Công nghệ c e tạo _ J960 được Hãng CNN lấy ý kiến bình Killby phát minh ” đánh giá ă một trong những phát minh tổng Chọn vào cuối năm 2004 va duợ j a ■ ^ sự phát triỂ; cùa xã hội loài ngư « hợp lớn, có ảnh hưởng s u sac^ m nữa Trong họ công nghệ chế tạo bong một nửa thê ki qua v a o nhất trong 50 năm qua là công nghệ mặt hnh kiện bán dân quan “ V sjjjc Công nghệ mặt là một họ công nghệ (planar technology) trên - ’ * J hê khác nhau để chế tạo môt ho linh

27

iưới ỊO pm nằm trên phiến đ ế bán dẫn silic có chiều dày từ

¿uu -s- HUU pm phụ thuộc vào đường kính phiến Tuy nhiên, để giảm thiểu kích thước của các Chip bán dẫn thì phải phát triển các công nghệ mới không chi che tạo cac linh kiện trên lớp mặt, mà còn có thể chế tạo trên bất cứ chỗ nj*°.tr^n k*10* b ệ n bán dẫn Đ ể làm được việc này, ngoài công nghệ mặt,

p ai p at tnen them các công nghệ ăn mòn định hướng, các công nghệ vi cơ

e tạo cac câu hình theo ba chiều và như vậy một chủng loại công nghệ mới

J °bưng năm 1980 đến nay, đó là các công nghê hê thống vi -

Mecha đ ^ 'Electr°-^echanics System s-M E M S va Nano -Elec tro-

ữỉảm X -'S j Stem,S 7 bĩEMS) Công nghệ mặt hay công nghê vi c ơ điên khỉ

thể chế tao đirríreri' CƠJ * các CÔng ngỉl^ cơ bản này, ngày nay con người có nâng khac nhỢC T nh ều l0ại mạch điện mật độ tổ bơp siêu lớn với các chức

mạnh x t ra S ô n g 3 n ^ g và con 3 ^

-theo tự nhiên (đã làm từ \ ĩ ’ a • 0n ngườl đang muôn bắt chước h<?c và làm

nhỏ bé với kích thướ ư ang d ^ u nâm^ đây) để ch ế tạo ra các cấu kiện

được hiểu là một cong nohe t° ' a° ham C(* CÔng nglỉệ nanô đ i^n t^’ có tiĩê' kiện điện tử có kích thước n c e tc^° r*a cdc cdw k^ n à dạng vật liệu và linh đang được phát triển trong rät°T ^ ơ iỸ lững v“n8 tích cực Công nghệ nanô

điện tử, thiết kế mô phỏng Kh'leu? ^lrdl ^ nbư trong Sinh học, Hoá học, thước nanô thì rất nhiều hiêu irn 1 kkb tbước của linh kiện xuống kích

kírh tVi.rr*, 1A- t_ • 6 nợng tử mói YiiaiV k;a„ —X Z, ux„ AẰ" vux; r>Á

28

tỉnh vi và đến nay đ ã có nhiêu ho linh kiện KHỚI KQ đơi nhu CŨC linh kiẹn tren

cơ sở giếng lượng tử, các bộ nhớ m ột điện tử, tra m ito m ột điện tử, các điôt xuyên hầm cộng hưởng, bộ nhớ tia chớp Chúng ta sẽ có dịp ban ki hơn

trong một số lĩnh vực trong các chương của cuốn sách này.

- Xét về tổng thể, người ta đã phân chia các chủng loại công nghệ ra

làm hai phương pháp tiêp cân • phương phap công nghệ tiep cạn tư nen xuống (top-down appoach), tức là công nghệ đi tư phiên ban dân to, qua nhiều bước công nghê để tao ra các linh kiện nano va phương phap tiep cạn

từ dưới lên ịbottom -up approach), tức là lợi dụng quá trinh tự lăp ráp đê tạo

ra các linh kiện nanô rồi sau đó sử dụng các quá trình tự tô chưc đê tạo ra các cấu hình mạch điện tử nanô lớn hơn.

] 4 t h iế t k ế m ô p h ỏ n g t r o n g MICRO VA NANO ĐIẸN TƯ

Linh kiên điên tử bán dẫn là một cấu hình tương đối phức tạp, nhất là các mạch tổ hợp 1C mật độ siêu cữ lốn Thiẽt k í một mạch tổ họp có khoảng 10« linh kiện trên một chip như hiện nay thị mức độ phức tạp cùa nó cònI lán

h a nh éu sà với thiít k í mọt thành phố có tren 10 triệu dan, cu sinh stfng,

trong dô một tramrito ví nhu một ngôi nhà hoạt đ ộ tg đ i lại cùa một nguôi

.rang thành phá cüng tuung tự nhu hoạt đông cùa một diện từ chạy trong mạch tổ hợp.

Quá trình p h i triển của công nghệ chế t*D < * ■ £ * » linh kiên bán din , ^ ỵ „ nơỉme của công nghệ thiết kế và mô phỏng Đến

éo theo sự pháttriên hỏng vât liệu linh kiện bán dẫn vi mạch đã

phát triểnqua 5 thế hệ ^ hộ ¿ sõng song (còn gọi là máy tính

siêu cỡ lớn hay máy tín q o m nincu s ;■ trình công nghệ chế tạo các

có nhiều nhân - cores) t ảo (visual labs), nhà máy ảo (visual

fac-mạch tổ hợp Các phong t in tuẹ ^ triển rất mạnh trong những năm gần

fory), công nghệ ao da 1 a ao Vd p ng thí nghiệm ảo, nhà máy ao, cồng dây Với sự trợ giúp của may ' c£u trúc tinh thê’ của vật liệu, các đặc nghệ chế tạo mạch tổ hợp, cae ạc t(~jn mô phỏng trước khi chế tạo thực tính của linh kiện vạ 1C đa ư<?c ^ rá tiết kiệm được rất nhiều thời trong phòng thí nghiệm- c ° n g vl? ^ nhiêu tiền của, công sức để làm các thí gian, công sức và có the tiet ì ẹ 1 ‘j* Trong công nghệ nanô thì vấn đề mô nghiêm trước khi đưa vào san x u d trong lĩnh vực này không phái lúc

29

1.5 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC LỈNH v ự c ĐIỆN TỬ

Sơ Đổ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU BÁN DẪN, LINH KIỆN, IC, MẠCH IN, MÔĐỦN, THIẾT BỊ VÀ

Xử lí hoả Pha tạp khoáng chất Cấy ion

Quang khắc

• E khắc, X khắc

• Hàn, đóng vỏ

Công nghệ chế tạo mạch in, môđun

- Công nghệ hàn mạch in, môđun

- Công nghệ lắp ghép linh kiện

► * * *

- Công nghệ chế tạo thiết bị điện tử

► Công nghệ đóng

vỏ thiết bị điện

*■ Công nghệ lắp ráp thiết bi

Các hệ thống điện tử

: 5 iẻ\ kế hệ thống cá?h-ci n9 kết cố'

1.6 MỘT SỐ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHÍNH TRONG LĨNH v ự c MICRO

VÀ NANÔ ĐIỆN TỬ HIỆN NAY

- Giảm các kích thước các linh kiện trong các mạch tổ hợp xuống tới kích thước tới hạn (tới vài nghìn angstrom).

- Tăng mật độ của các mạch tổ hợp siêu cỡ lớn (ULSI) dùng trong máy tính và các thiết bị điện tử (SRAM, DRAM, MRAM).

- Tiến tới ch ế tạo ngày càng nhiều các multichip môđun.

- Triển khai chế tạo các hệ thống trên chip (SoC - System on Chip).

- Chế tạo các linh kiện hoạt động với tốc độ nhanh (tần số siêu cao).

- Tích hợp các chức năng vào điện thoại di động (bao gồm việc gọi điện, nghe nhạc, MP3, chụp ảnh, tivi, internet ).

- Đẩy mạnh việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện quang điện tử, sợi quang, các laze lượng tử

- Phát triển máy tính lượng tử.

— Triển khai các thê hệ linh kiện trên cơ sở đặc tính spin (van spin, S01-, M RAM ).

sen Triển khai phát triển điện tử phân tử.

- Triển khai nghiên cứu c h í tạo điện tử sinh học nanô.

- Tích họp các công nghệ khác nhau để chế tạo hệ thòng.

- Nghiên cứu chế tạo các vật liệu mới cho điện từ nanô.

_ Nghiên cứu ché tạo các linh kiện mạch1 tổ hạp trên các vật hệu mói

iNgnien c UC* * r* d ị ôxit kjm loại, trên vật liệu phân như trên các hợp chất bán dân, Chat sieu Udii,

tử hữu cơ, điện tử sinh học

, L Hên cảm biến, vi cảm biến, nanô cảm

- Nghiên cứu chế tạo các lỉnh kiẹn l g "hộ 6 mầm bênh

biến V cinh hör Các chế phẩm y sinh học, dan mu

để chữa.

^ , ,;nh I,lât vât lí, hoá học, sinh học trong vùng kích

- Nghiên cứu các định luạt vại 1 , V

thước trung gian (mesoscopic size) _ , - 1 - _

công nghê tao nên một khoa học công

- Tích hợp các ngành khoa học cong 8

• Đinh Ì ìa A í M oot‘d Ví/ CCỈC §■ '

Năm 1965, E Moore đa d a a U " -đinh luật này như sau : Khỉ mật

độ linh kiện trên một chip của mạch tổ hợp tăng lên thì giá thành của mạch giảm xuôhg Cứ sau 18 tháng thì mật độ đó lại tăng lên gấp đôi và giá thành của mạch giảm đi khoảng một nửa Sự biến thiên của mật độ linh kiện trên

chip tuân theo định luật Moore có thể nhìn thấy trên hình 1.11.

Tuy nhiên, khi tiến tới công nghệ nanô điện tử thì định luật trên còn đúng hay không, đến nay chưa có câu trả lời xác đáng.

' l"1JÍ iương lai vò các yếu tố khác có th ể ảnh hưởng

Cae nha khoa học vũ tru của Mĩ/ n V- _

đã dự đoán rằng, tốc độ giãn no cu ~ ^ rauss và G Starkman, nám 2004) của sự phát triển tương lai cua cône'™ h- se CÓ định đến giới hạn điện tử và thông tin Cae nhà khoa h n ' ’ nỉlât cônê nghệ micrô - nanô

?.u?ết đmh đến một giới hạn cơ bản vp T ^ idẫchỉ Ia rằ"g ’ sự tăng tôc CÓ th®

ả năng chứa và xử lí trong tương lai u ° 'ỉỢng l^nẽ cộng của thông tin có

uạt Moore nói về sự tăng mât đô linh V ^ CUng tlnh tQán dự đoán rằng, định

^agiam thành áp dụng trong lĩnh vù^n„ ỉ^ n chtp vcá sự giảm kích thước

ợp trong vòng 600 năm nữa ! Măc dh c và nanô điện tử sẽ còn phù na% C0nv ilìghẽ bán cl^n hiện đang rất bi Qn^ ckl|yên gia làm việc trong lĩnh

f y SỄ khím8 <Mng nữa trong mộỉ ha! K 1* »*M rằng định haât nổi hing

r Ü ‘ - c r V A i "luv .5, ■»'Vy hai thập kỉ t<3fn Nếu định luât này

không còn đúng nữa, có nghĩa là khả năng giảm kích thước và tăng mật độ các linh kiên trong các mach vi điên tử siêu cỡ lơn keo theo gia thanh giam

cỡ 15 H- 20 %/nãm sẽ không còn được duy trì Điều này có ảnh hương lớn đên tốc độ phìat triển và giá thanh của các mạch micrô - nanô điện tử, ẹác thiết

bị máy tính, truyền thông, kéo theo nhiều ngành kinh tê khac co hen quan Tất nhiên, khả năng kiếm lợi nhuận trong lĩnh vực này cũng sẽ bị ảnh hưởng đáng kể, kéo theo sự sụt giảm về đầu tư.

Như chúng ta đã biết, lượng thông tin có thể xử lí và lưu giữ trong bất

cứ linh kiện điẹn tử hay bộ nhớ nào sẽ bị giới hạn bởi các định luật của cơ học lượng tư Tile nhưng, một vài nhà khoa học (Krauss và Starkman) đã chỉ

ra rằng, bản chất tự nh ẵn của chính bản thân vũ trụ sẽ quyết định các giới hạn bộ nhớ của máy tĩnh CÓ thể nhận thấy rằng, se khôug co khả năng truyền và nhận thông tin d ư ớ ĩm ự tg iớ ih ạ n á o đang cô tốc độ dLi nở như hiện nay Gia tốc của vũ trụ.được điều kh ển bm mộ lực , , v ‘ Y ‘ „V , „à,, r A Aãc tính đẩv hơn là tương tác trong

Z g * E g

trương do sức hút Mâc h nan |ương của vũ trụ Chưa ai biít

hằng số vũ trụ mới cùng vói m ộ tđại 7 \ - S d ((dược, họ gia thiết rängvü trụ toaiTlượng tổng cjng .M ng tin có khá 7 ; “ " ^ ¿ " X n g L 7 k ể (ho c

có nhiệt đô cực tiêu, dưới nhiệt đỏ này näng ỊC ° ” ™ "* “ hân được U bằng không), do vậy cũng kh ôngc ưa n o n ị M tồn tại nếu như vũ trụ thuyết đã đoán nhận rằng, nhiệt dọ

^ật ra các ràng buộc (robust) cho cuọ kản châ't như thế nào Krauss chúng ta không biết công nghệ đo g \°r^ h iùân’mới về các giới hạn của máy

cỉlòr đợi rằng, việc này sẽ tạo ra cae tr m liên quan.

«nh, tri tuệ nhân tạo và một số vấn đế khac

nêành điên tử có thể liệt kê như sau Jl0ăc các ngành khoa học

’ , „ rvoành Vât lí, Hoa nv^, ■• 1- (hiêư ứng tranzito)

~ Các phát minh thuộc ngan v V Iũêu ứng vi 1 •

•* "hita khäc ví dự như 5 c ph« minh ^ ,

ĩ ĩ

- V/M.V/ \ s V J U Q it

pha nguyên tử tạp chất vào chất bán dẫn

cận công nghệ từ dưới lên (bottom-up) ° ”°" T r 6 ■

ché' kĩ Uiuäunm^T11 u~nẽ chê 'ý' các kĩ thuật điện tử như các kĩ thuật ỏ

Ä Ä T * kĩ * * * « t o * « £ H t o # hồng ngoại W

các madidtón tiwlSn*"8 ĩ ' e.ý 'Ịf thuyít m?ch các mạch dien, ví dụ như

m ạ c <j,ẹ„ tứ thòng minh, mạch CMOS, mạch BiCMOS.

ưong^ừng rfnhmrach Dm* S í S"® duợc phân 'oại ở mức độ khác nhau ô

- !' ^ b n U đ ỉ‘™8 Vẽ lược dô vêm áý ừ l

- n Nam l *26’ khái quát đinh luâtZ 826 kh w Herschel khám phá ra tia hồng ng° ại

4- " Năm 1888, H Hertz chiVrc ^ min^ ra kúug đèn dây tóc cacbon

dã dự đoán trước đàv? chứng minh sư tồn to; I 4,

- Năm 1905, A Einsten thiết lập lí thuyết tương đối và phát minh ra hiệu ứng quang điện.

- Năm 1924 - 1926, w K Heisenberg, E Schrödinger và Born đưa ra

lí thuyết cơ học lượng tử.

- Nãm 1924, P R D e Broglie đưa ra lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.

- Năm 1925, w Pauli đưa ra nguyên lí Pauli.

- Năm 1927, G E Uhlenberg và s A Goudsmith phát minh ra spin của électron.

- Năm 1927, P A M Dirac đưa ra cơ học lượng tử tương đối.

- Năm 1931, quan sát thấy tia từ vũ trụ đến.

- Năm 1935 -1 9 3 9 , phát minh ra rada.

- Năm 1937, máy tính tự động đầu tiên ra đời.

- Năm 1938, chế tạo ra đêtectơ tinh thể Si (do nhu cầu phát triển rada).

- Năm 1938, o Halin khám phá ra hiện tượng phân hạch.

- Năm 1942, E Fermi thực hiện phản ứng hạt nhân trong lò phản ứng.

- Năm 1946, phát minh ra tế bào quang điện Si.

- Nãm 1947, phát minh ra tranzito tiếp điểm.

- Năm 1948, H Brattain, J Bardeen và w Shockley phát minh ra tranzito, được giải thưởng Nobel về vật lí vào năm 1956.

- Nãm 1952, phát minh ra laze bởi H Townes, G Basov, M Prokhorov.

- Năm 1959, mạch tổ họp về linh kiện Ge và mạch tổ hợp sử dụng công nghệ bề mặt (planar) trên vật liệu Si ra đời do Kilby và Nicola để xuất và trình diễn.

- Năm 1959, Richard Feynman nêu ra ý tưởng đầu tiên hướng các nghiên cứu vào khoa học và công nghệ nanô.

- Năm 1965, E Moore đưa ra định luật nổi tiếng về sự phát triển của vị điện tử - định luật Moore.

- Năm 1972 J Berdeen, L Cooper và J Schricffcr nhận giải thưởng Nobel về lí thuyết siêu dẫn.

- Năm 1973 I Giaever, L Esaki, B D Josephson nhận giải thưởng Nobel về vật lí cho các nghiên cứu xuyên hầm.

_ Năm 1974 Norio Tangiguchi đưa ra khái niệm về công nghệ nanô (nanotechnology) để chỉ cấu trúc các linh kiện nho hơn 100 nanômét.

- Nãm 1979 công nghiệp bán dẫn đạt mức 10 tỉ USD.

'

C Ỉ.'1'O Y ìi 1

_ Năm 1981, Heinrich Rohler và Gerd Karl Binning đưa ra trình diên kính hiển vi quét xuyên hầm (STM).

_ Năm 1981, IBM, Intel, Microsoft nghiên cứu chế tạo máy tính PC.

_ Nám 1985, Yoshida đưa ra ý tưởng linh kiện nanô ở Nhật Bản.

_ Năm 1986 công nghệ CMOS 1 um đưa vào sản suất đại trà.

- Năm 1986, kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) ra đời.

_ Nàm 1986, K Eric Drexel xuất bản “ Engines of Creation” chứa đựng

ý tưởng về công nghệ nanô phân tử.

- Năm 1987, Theodore A Fulton và Gerald J Dolan công bố về tranzito một điện tử đầu tiên.

- Năm 1990, công nghiệp bán dẫn đạt mức 50 tỉ USD.

- Năm 1991, ống nanô cacbon được phát hiện là một phần kết quả trong chương trình ERATO ờ Nhật Bản.

- Năm 1994, công nghiệp bán dẫn đạt 100 tỉ USD.

- Năm 1995, công nghiệp bán dẫn tăng tốc đến khoảng thời gian hai năm một chu kì.

Nãm 1991, các cău kiện cơ nanô dụa trên ADN được thiết lập.

- Nãm 1999, M Reed và J M Tour che' tạo chuyên mạch phin tử điện tử.

- Nam 2000, công nghlẹp bấn dăn vtrợt qua doanh thu 200 tì USD.

- ^ 2000' ™ 0 S 30 ran được đua ra trtnlTdièn.

- Nãm 2001, ống nanô cacbon duọc dua vào úng dung.

- Năm 2004, vi mạch duoc đánh „tá ũ 7 "

nhít trong thê ki quá, xep hang trên cáồ á|ỉ ỉ q“ả c6 ảnh huàng t<LllSn lầy ý kiến đánh gỉí) 6 cac Ph4t minh lãn khác (do Hãng CNN

L

là công nghệ nanô điện tử.

Trên hình 2.1, chúng ta có thể nhìn thấy đến năm 2000 kích thước linh kiện đạt đến cỡ 100 nm, sau đó sự giảm kích thước linh kiện bằng các công nghệ truyền thống gần như bão hoà Trong vài thập kỉ đầu của thế ki XXI, kích thước sẽ giảm xuống giá trị giới hạn Trên hình cũng thể hiện điểm khởi đâu cúa cồng nghệ chế tạo mạch micrô điện tử, được phát triển rất nhanh từ sau phát minh của Nicola và Kilby vào năm 1959 - 1960 nhờ những thành quả có tính ứng dụng cao Tuy nhiên, nó đã kế'thừa và phát triển các chủng loại công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn rời rạc trước đó như điôt, tranzito, thirito, sư dụng một cách có hiệu quả các công đoạn công nghệ tạo các vật liệu màng trong đó quan trọng nhất là các màng cách điện, quang khắc, pha tạp bang các phương pháp khuếch tán và cấy ion , đăc biệt là sự phát hiện

ra lơp SiO? va các tính chất cách diên cùa nố trên bề mặt phiến Sỉ vào khoảng

^ ^ TU ữỉầtih phát trién công nghệ lớp ìtiãt

ư ° ns gỉaì đ o -n to 1950 - 1970 K ẻ từ đo d ĩ tạo ra một 1,1,1 hanB loạt chip linh kiên (điôt, tranzito Si, IC ) ưen cung một phiến Si, mà ỏ đó mõi một đợt sản xuất có thể bao gồm hàng

n !h IPT ến ? luỳ the° khả năng chất lư9"g và sư tiến bô cua thiết bị công

nhau' m ì Wn, n '2 f c4l plliê si co rất n h iêu các chip 1C «iổng

“ h ‘ l™* áĩ ! àn suít c6 ,hể khoảng v á chuc d ín vài t r L phhín ã Pha w ; ; r uộc đạ dàì ^ g ' • 10 (>° khních tán, lắng đọng pha hơi hoá học, epitaxi ,) cùa thiít bị công nghê.

ị < UM, M,w Micno , , N1MI ditN í ú 78

Hình 2.2 C á c phiến Si đã chế tạo xong, trên đó có hàng trăm

chip IC giống nhau C á c ô vuông có màu đen là các ô dùng để

định vị làm trùng khớp giữa các quá trình công nghệ quang khắc

khác nhau.

Đến nay có thể khẳng định rằng, công nghệ lớp mặt (planar) là một công nghệ chủ yếu quan trọng nhất để chế tạo các mạch tổ hợp có mật độ nhỏ (Small Scale Integrated Circuit - SSIC), trung bình (Medium Scale Integrated Circuit - MSIC), cỡ lớn (Large Scale Integrated Circuit - LSIC) và siêu cỡ lớn (Very Large Scale Integrated Cừcuit - VLSIC) trong giai đoạn sau Trên hình 2 3 là sự phân chia một cách khái quát về thời gian phát triển, kích thước linh kiên điôt với mạch tổ hợp cỡ lớn (LSIC), siêu cỡ lớn (VLSIC) và công nghệ nanô trong thế kỉ XXI đối với họ IC CMOS Tuỳ theo mức độ phức tạp của một mạch tổ hợp (IC) mà số bước công nghệ chế tạo ra chúng có thể bao gồm từ 30 đến 150 bước công nghệ đơn lẻ khác nhau, thời gian chế tạo mỗi

~ > »V _ Ann 1 rlA 'n 9 fh:inn V i ố c x A v rlimp nonnli rAiit»

tài chính đầu tư vào đây, nen CO.IE .- - ; ' — nans ,eu thụ, cạnh tranh cùa sản phẩm Hiên nay, chi có mộ s« nưđc giàu

-na g tie nụ, C^IH Hà Lan đang có những đầu tư lớn và

có cạnh tranh 1^ hong in ^ (triển công nghiẹp diện tù trong dó có

nghiêp tiên tiến không tne Knuue V

lĩnh vực bán dẫn

Hình 2.3 Ảnh về cấu trúc bên trong của một chip điểu khiển biên độ

và pha 16 kênh phôtônic với kích thước 8,5 X 8 mm2.

an toàn đảm bảo Khu nhà xưởng chia ra các cấp độ sạch khác nhau : ví dụ nơi sản xuất chip tuỳ theo chất lượng chip sản xuất mà có các phòng sạch thích hợp, tiếp đến là các khu có độ sạch ở cấp thấp hơn như trong các xưởng, các phòng thí nghiệm kiểm tra đo lường sau khi đã hoàn thiện đóng vỏ sản phẩm, các kho tàng cũng không cần các độ sạch cao

b) Hệ thống cung cấp nước : Bao gồm hệ thống nước sạch và đặc biệt

hệ thống cung cấp hệ nước khử ion cao ôm liên hoàn từ trung tâm đến các phòng thí nghiệm chế tạo chip theo tiêu chuẩn Việc tạo ra được hệ thống nước khử ion cao ôm rất tốn kém Vì trong nước có rất nhiều kim loại nặng (Fe, Na, K, Ni, Cu, C a ) và rất nhiều các hạt hữu cơ, vi khuẩn, cặn nên nước thường được làm sạch khử ion, lọc bẩn để làm sao điện trở cần đạt là 18 MQ

Có như vậy, khi rửa xử lí các phiến bán dẫn, các chip sau các khâu công nghệ

thì các kim loại nặng, các bẩn mói không bám vào bê mặt phiên bán dân gây sai hỏng trong quá trình sản suất.

c) Hệ thống cung cấp k h í : Hệ thống khí sạch bao gồm hệ thống các máy nén rồi hê thống lọc không khí sạch được lọc sạch rât công phu, sau đo

có hê thống ống dẫn vào các phòng thí nghiệm, một phân dùng đê thôi sạch dụng cụ làm thí nghiêm, thổi khô mẫu, một phân được làm sạch tiêp ơ mưc cao hon rồi mới đưa vào các phòng sạch, các phong thi nghiệm Hệ thông khi còn bao gồm rất nhiều các loại khí rất sạch, khô theo tiêu chuẩn được chế tạo hay mua từ nước ngoài đưa vào các phòng thí nghiệm, VI dụ như cac khi N2,

0 2, Ar, He, NH3, SiH2Cl2, SiH4, PH3, SiCl4, N2, He lỏng cùng với việc đảm bảo các quy định an toàn về cháy nô nghiêm ngặt.

^2^ Ỉ1Ó9 chât sach * Cac hoa chat co đọ sạch ỉctt cao ỉ3ọ sạch hoa chất dùng ở đây là sạch điện tử (electronic pure), không dùng độ sạch PA (Pure Analyis) Các hãng chế tạo linh kiện bán dẫn và vi mạch thường mua các hoá chất từ một số hãng tiêu chuẩn trên thế giới như Hãng Merck, Kodak, Dorwcoming

e) Các vật liệu sạch và các dụng cụ sạ ch : Có tới hàng trăm loại vật liệu khác nhau (như Au, Pt, Al, Si ) và các dụng cụ như panh, cốc, giá thuyền thường làm bằng thạch anh, nhựa teflon hay thép không gỉ, chúng cũng cần

có độ sạch nghiêm ngặt theo quy định.

f) Hệ thống phòng sạch : Hệ thống phòng sạch (clean room) theo cấp

độ tương ứng cho mỗi bộ phận sản xuất thí nghiệm Môi trường sản xuất bao gồm các loại phòng sạch là đặc biệt quan trọng Phần lớn lỗi sản phẩm do bụi trong môi trường sản xuất gây ra Ví dụ, một hạt bụi rơi lên một mạch vi điện tử có thể gây ra sai hỏng nhiều linh kiện trèn mạch IC, nếu có nhiểu bụi

sẽ làm hỏng nhiêu linh kiện Trong chế tạo nanô, một hạt bụi có kích thước

1 um có thể gây sai hỏng hàng trảm linh kiện kích thước nanô Các vật liệu, dụng cụ và máy móc trong phòng phải sạch, con người làm trong đó phai mạc quần áo, đi giày sạch không có bụi Số lượng hạt bụi trong 1 m3 không khí se quyết định cấp độ của phòng sạch, ngoài ra các thông sỗ vật li khác như nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc dòng khí, lượng ôxi và rung động nền cũng cần đảm bảo theo tiêu chuẩn u s (còn gọi là chuẩn Mỹ).