HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÔ CƠ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SILIC VÀ PHIẾN SILIC DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ Giáo viên giảng dạy : Nguyễn Kim Thanh Nhóm : Sinh viên thực : Nguyễn Anh Sơn Lưu Thị Sáu Bùi Thị Sự Đinh Thị Tâm Hà Nội, tháng năm 2017 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÔ CƠ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SILIC VÀ PHIẾN SILIC DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ Giáo viên giảng dạy : Nguyễn Kim Thanh Nhóm : Sinh viên thực : Nguyễn Anh Sơn Lưu Thị Sáu Bùi Thị Sự Đinh Thị Tâm Hà Nội, tháng năm 2017 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ PHIẾN SILIC 1.1 Đại cương Silic 1.1.1 Giới thiệu Silic 1.1.2 Tính chất vật lý 1.1.3 Tính chất hóa học 1.1.4 Sự tồn Silic 1.2 Đại cương phiến silic 1.2.1 Giới thiệu phiến silic 1.2.2 Tính chất phiến silic CHƯƠNG II: SẢN XUẤT SILIC 2.1 Phương pháp phương pháp carbothermic Phương pháp vật lý 10 Phương pháp hóa học 10 2.2 Một số phương pháp sản xuất silic khác 11 CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHIẾN SI (SI WAFER) SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ 13 3.1 Các khái niệm bản: 13 3.2 Sơ đồ công nghệ 14 3.2.1 Cơ sở lý thuyết chung: 14 3.2.2 Sản xuất phiến si (si wafer) 16 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng: 17 CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG 18 4.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SILIC 18 4.2 Ứng dụng phiến silic 19 4.2.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất vi mạch 19 4.2.2 Công nghệ vi điện tử từ phiến silic đến chip thành phẩm 20 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 25 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ PHIẾN SILIC 1.1 Đại cương Silic 1.1.1 Giới thiệu Silic Silic nguyên tố phổ biến vỏ trái đất chiếm 27% phần vỏ trái đất, đứng thứ sau Oxy độ phổ biến Trong tự nhiên Silic có đồng vị: 28 Si(92, 27%) , 29Si(4,68%) , 30 Si(3,05%) Silic sử dụng rộng rãi công nghệ luyện kim kỹ thuật bán dẫn Trong thiên nhiên ta gặp Silic dạng hợp chất: silic dioxit ( SiO2 ) dạng muối acid silicic (silicate) Phổ biến aluminosilicate Ứng với loại khoáng đá fenspat, mica, caolanh, v.v…Ngoài ra, silic có thành phần chất hữu Silic nguyên tố có ích, cần thiết nhiều ngành công nghiệp Điôxít silic dạng cát đất sét thành phần quan trọng chế tạo bê tông gạch sản xuất xi măng Portland Silic nguyên tố quan trọng cho thực vật động vật Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo lớp vỏ bảo vệ tế bào Các ứng dụng khác có: + Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng sản xuất vật liệu chịu lửa silicat sử dụng sản xuất men sứ đồ gốm + Thép - Silic thành phần quan trọng số loại thép + Đồng thau - Phần lớn đồng thau sản xuất có chứa hợp kim đồng với silic + Thủy tinh - Silica từ cát thành phần thủy tinh Thủy tinh sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với thuộc tính lý học khác Silica sử dụng vật liệu sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), sứ cách điện nhiều đồ vật có ích khác + Giấy nhám - Cacbua silic vật liệu mài mòn quan trọng + Vật liệu bán dẫn - Silic siêu tinh khiết trộn thêm asen, bo, gali hay phốtpho sđể làm silic dẫn điện tốt transistor, pin mặt trời hay thiết bị bán dẫn khác sử dụng công nghiệp điện tử ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác Nói chung, silic chiếm lượng nhỏ thể sinh vật Tuy nhiên với số sinh vật biển có tích tụ lượng lớn silic, tảo cát (diatom), trùng tia (radiolaria) bọt biển 1.1.2 Tính chất vật lý Silic tinh khiết dạng tinh thể hình lập phương có cấu trúc tương tự kim cương Trong mạng tinh thể nguyên tử silic liên kết với nguyên tử silic khác tạo bao quanh kiểu hình tứ diện Độ dài liên kết Si-Si 2,34 A Giống với kim cương, silic tinh thể cứng (có độ cứng 7) , khó nóng chảy khó sôi ( nhiệt độ nóng chảy là: 1428℃, nhiệt độ sôi là: 3280℃) có tỉ khối 2,33 Trong tinh thể có phần không dịch chỗ liên kết nên silic có màu xám, có ánh kim chất bán dẫn( E  1,12eV ) Silic bán đẫn chịu nhiệt độ cao (250℃) 1.1.3 Tính chất hóa học Silic tinh thể trơ phương diện hóa học nhiệt độ thấp, không phản ứng với hầu hết đơn chất hợp chất trừ Flo Si  2F2  SiF4 Ở nhiệt độ cao, silic tham gia phản ứng thể trước hết tính khử Chẳng hạn, 400℃ bị clo ôxy hóa, 600℃ bị oxy ôxy hóa; với nitơ tác dụng đạt 1000℃; với cacbon 2000℃ tạo thành Si3 N SiC Silic bị thụ động hóa acid, tan HNO3 + HF 3Si  4HNO3  18HF  3H SiF6  NO  8H 2O Tan mãnh liệt kiềm giải phóng hidro Si  H 2O  2KOH  K2 SiO3  2H Ở khoảng nhiệt độ 800-900℃, silic có tác dụng với số kim loại magie, canxi, sắt, platin, đồng tạo thành silixua 2Mg  Si  Mg2 Si 1.1.4 Sự tồn Silic Silic suất dạng oxit thạch anh, cát kết hợp với kim loại dạng phức silicate đặc biệt đá macma Sự phân hủy silicate trình phức tạp , nói chung thủy phân muối silic thành phần khoáng đá Kết khoáng sét hình thành silic giải phóng vào môi trường nước tự nhiên dạng keo , polymer, acid silicic ion silicate hòa tan vào dòng chảy sau đổ biển Trong nước silic chủ yếu bắt nguồn từ loại đá, loại tảo vỏ, tảo silic, trùng tia, trùng roi silic… tiêu thụ trực tiếp silic hòa tan tạo thành cấu trúc màng tế bào thời gian ngắn (vài vài ngày) dạng silic vô định hình Dạng silic vô định hình tái tuần hoàn nhanh vào cột nước trình phân hủy xác thủy sinh vật tiêu thụ silic Silic tồn nước theo dạng đây:  HSiO3  SiO32  Si (OH )62  H SiO4  SiO2 Sự diện silic hòa tan phụ thuộc vào độ pH silic tan độ pH thông thường từ 6-8 Acid silicic ( H SiO4 ) dạng hợp chất hóa học silic hòa tan nước biển Nồng độ silic hòa tan thị(valuable tracer) chuyển khối nước trình hỗn hợp Nồng độ silic nước tự nhiên nằm khoảng từ 1-30mg/L, nồng độ silic tang đên 100mg/L môi trường trở nên bất thường Tuy nhiên tìm thấy nồng độ silic lên đến 1000mg/L nước lợ, nước mặn, đặc biệt nhiệt dịch (geothermal waters) liên quan đến hoạt động núi lửa Hàm lượng silic nước biển biến thiên khoảng 0-0,62mg/L, nồng độ silic nước sông nói chung cao gấp 15 lần so với nước biển bề mặt Nước thải sinh hoạt chứa lượng lớn silic người sử dụng số loại chất có chứa silic trình tẩy rửa, làm mềm vải 1.2 Đại cương phiến silic 1.2.1 Giới thiệu phiến silic Phiến silic, hay gọi lát mỏng hay lớp nền, miếng mỏng chất bán dẫn silic tinh thể Nó sử dụng thiết bị điện tử để chế tạo mạch tích hợp quang điện để chế tạo pin mặt trời truyền thống Phiến silic đóng vai trò chất thiết bị vi điện tử xây dựng bên bên bề mặt phiến silic, trải qua nhiều bước chế tạo vi mô pha tạp, cấy ion, khắc, lắng đọng vật liệu khác tạo mẫu Cuối vi mạng đơn lẻ tách đóng gói Phiến silic hình thành với độ tinh khiết cao (99,999999%), khuyết tật vật liệu silic tinh thể Một quy trình hình thành tinh thể gọi Czochralski phát minh nhà hóa học người Ba Lan:Jan Czochralski Trong trình phôi hình trụ có độ tinh khiết cao bán dẫn đơn tinh thể hình thành kéo mầm tinh thể từ lượng nẫu chảy Sau cắt lát máy cưa đĩa đánh bóng hình thành bán dẫn Phiến silic đánh bóng acid yếu để loại bỏ hạt không mong muốn sửa chữa hư hỏng gây trình cưa sử dụng cho tế bào lượng mặt trời, sợi tạo thành để tạo bề mặt nhám để tăng hiệu chúng 1.2.2 Tính chất phiến silic - Kích thước tiêu chuẩn Phiến silic chế tạo với nhiều đường kính khác để sử dụng nhiều mục đích khác Đường kính gia tang nhằm cải thiện thông lượng giảm chi phí chế tạo Các phiến silic chế tạo với đường kính sau: + 1-inch (25 mm) + 2-inch (51 mm) Độ dày 275 μm + 3-inch (76 mm) Độ dày 375 μm + 4-inch (100 mm) Độ dày 525 μm + 5-inch (130 mm) 125 mm (4,9 inch) Độ dày 625 μm + 150 mm (5,9 inch, thường gọi "6 inch") Độ dày 675 μm + 200 mm (7,9 inch, thường gọi "8 inch") Độ dày 725 μm + 300 mm (11,8 inch, thường gọi "12 inch") Độ dày 775 μm + 450 mm (17,7 inch) Độ dày 925 μm (đề xuất) Phiến silic hình thành từ vật liệu khác với silic có bề dày khác so với silic có đường kính Độ dày phiến silic phụ thuộc vào độ bền học vật liệu sử dụng; phải đủ dày để không bị nứt trình vận chuyển - Định hướng tinh thể Các phiến hình thành từ tinh thể có cấu trúc chuẩn, với silic có cấu trúc khối kim cương với khoảng mạng (0,54nm) Khi cắt thành phiến, bề mặt chỉnh theo hướng tương đối gọi định hướng tinh thể Định hướng xác định số Miller với mặt (100) (111) phổ biến silic Nó có vai trò quan trọng nhiều thuộc cấu trúc điện tử tinh thể đơn đẳng hướng - Pha tạp tạp chất Các phiến silic silic tinh khiết 100%, mà tạo thành với nồng độ tạp chất từ 1013  1016 nguyên tử cm3 Brom, Photpho antimon thêm vào chất tan định nghĩa silic bán dẫ loại n loại p Tuy nhiên so với mật độ nguyên tử silic đơn nguyên tử 1022 cm cho độ tinh khiết lớn 99,99999% Silic sản xuất từ phương pháp công nghệ tương tự gọi silic đa tinh thể Silic đa tinh thể thông thường có tạp chất mức phần tỷ thấp Cùng thời gian đó, DuPont sản xuất silic siêu cách cho tetrachorua silic phản ứng với kẽm nguyên chất nhiệt độ 950 °C, theo phản ứng: SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2 Tuy nhiên, kỹ thuật vấp phải vấn đề thực tế (chẳng hạn sản phẩm phụ clorua kẽm đông đặc lại dính vào sản phẩm) cuối bị bỏ để sử dụng công nghệ Siemens 2.2 Một số phương pháp sản xuất silic khác - Sản xuất silic silicon tetrafluoride, sản phẩm phụ trình sản xuất phân bón superphosphate Quặng chứa CaF2, chuyển thành HF xử lý H2SO4; sau HF phản ứng với SiO2 để tạo SiF4, SiF4 phản ứng với H2Otrong điều kiện thích hợp tạo H2SiF6 Natri florua thêm vào H2SiF6 để hình thành H2SiF6 + NaF → Na2SiF6 + HF Sau lọc sấy, Na2SiF6 bị phân hủy 920 K: Na2SiF6 → SiF4 + NaF Sau đó, SiF4 tinh chế cách cho qua vùng có nhiệt độ 1070 K để loại bỏ không khí SO2 chưng cất tiếp Silic tetrafluoride điều chế cách cho phản ứng với Natri: SiF4 + Na → Si (bột) + NaF Phản ứng cung cấp nhiệt độ 770K đủ để trì trình phản ứng Để tách silic khỏi NaF, hỗn hợp Si-NaF nóng chảy để tạo thành hai pha pha loãng mà việc tách chất lỏng chất lỏng (di chuyển tạp chất từ silic sang NaF) làm thêm Quá trình giảm gọi trình SRI (Stanford Research Institute International Institute) 11 - Một phương pháp khác để sản xuất H2SiF6 thành silic sử dụng Ethyl Corporation Na2SiF6 → SiF4 + NaF SiF4 + NaAlH4 → SiH4 + NaAlF4 Ngoài ra, KalH4 hỗn hợp NaAlH4 KalH4 sử dụng NaAlF4 sử dụng sản xuất nhôm, SiH4 bị phân hủy 1000 K để tạo silic 1000𝐾 SiH4 → Si + H2 Có khoảng 150 phản ứng khác tạo silic, hầu hết chúng không sử dụng sản xuất công nghiệp 12 CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHIẾN SI (SI WAFER) SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ 3.1 Các khái niệm bản: + Silicon wafer vật liệu phổ biến sử dụng rộng rãi cho ngành công nghiệp công nghệ cao, bao gồm mạch tích hợp, thiết bị cảm biến, chế tạo MEMS, linh kiện quang điện tử pin mặt trời Hình: inch (51 mm), inch (100 mm), inch (150 mm) inch (200 mm) + Các mẫu silicon tinh thể đơn hoàn hảo đồng nhất, làm từ Sitinh thể, phát triển trình Czochralski (CZ) Floatzone (FZ) + Sự phát triển tinh thể Si với mức độ hoàn hảo tính đồng cao đòi hỏi trình thiết kế công nghệ thiết bị phát triển cao Thêm vào đó, yêu cầu tinh thể Si kích thước wafer ngày tăng lý kinh tế + Các silicon có nhiều kích thước khác nhau, nằm khoảng đường kính từ 25,4 mm (1 inch) tới 300 mm (11,8 inch) Đường kính gia tăng để cải thiện thông lượng giảm chi phí, việc tăng kích thước đòi hỏi trình độ , chi phí kĩ thuật cao nhà khoa học nghiên cứu đưa vào sử dụng silicon có kích thước 450mm + Tùy theo yêu cầu sử dụng mà phiến silic có độ tinh khiết, chất lượng khác nhau, độ dẫn phù hợp 13 Ví dụ : p-type n-type thêm boron photpho vào silicon nóng chảy với số lượng xác 3.2 Sơ đồ công nghệ 3.2.1 Cơ sở lý thuyết chung: a Tăng trưởng tinh thể Một là: trình Czochralski (CZ) : phát minh nhà khoa học Ba Lan J Czochralski năm 1916 , phương pháp lựa chọn để sản xuất số lượng lớn Si đơn tinh thể với chất lượng vượt trội Hai : trình Floatzone (FZ) : phương pháp tạo tinh thể với độ tinh khiết cao nhất, không dễ để sản xuất phiến si với kích thước lớn.( kích thước thông thường đạt theo phương pháp 150mm, chưa có nghiên cứu làm phiến si kích thước 300mm) ,phương pháp sử dụng cho số chuyên ngành - Phương pháp Czochralski Bắt đầu với silic tinh khiết, thành phần cát bờ biển, silic xử lý hóa học nhằm đạt độ tinh khiết đến 99,9999% Silic đa tinh thể nấu chảy 2500 °F (1370 °C) để loại bỏ tạp chất hình thành đơn tinh thể Một mẫu silic đơn tinh thể nhúng vào silic nóng chảy, mẫu quay nâng dần lên với tốc độ 1,5 mm/phút Từ khối silic đơn tinh thể dần hình thành, trình có tên Czochralski Sản phẩm cuối trình khối silicon hình trụ nặng khoảng 200 kg, đường kính 200 mm tạo phương pháp nồi trục Độ liên kết tinh thể silicon vững khối lượng lớn giữ tinh thể mẫu ban đầu nhỏ bút chì Kiểm tra độ tinh khiết định hướng tinh thể với phương pháp hoá học tia X - Đặc điểm sản phẩm: 14 Các tỷ lệ vận tốc kéo (thường mm vài / phút) giá trị nhiệt độ xác định đường kính tinh thể Xác định nồng độ tạp chất tinh thể theo hệ số phân chia : + Độ tan nguyên tử tạp chất chất tan lớn chất rắn + Tinh thể tinh khiết (sạch) chất lỏng, tạp chấp phân bố nhiều bên rìa nên vào độ tinh khiết cao nên ta phải loại bỏ phần cuối tinh thể-nơi có nồng độ tạp chất cao + Sự phân bố tập chất thay đổi dọc theo chiều dài tinh thể khó để tạo nồng độ đồng Nguyên Cu Ag Au C Ge Sn · 10 -4 1-10 -6 2,5 ± 10 -5 · 10 -2 3,3 · 10 - 1,6 · 10 -2 tử Kseg Nguyên O S Mn Fe Co Ni Ta 1,25 1-10 -5 1-10 -5 · 10 -6 · 10 -6 · 10 -4 10 -7 tử Kseg Hình: biểu đồ mối quan hệ nồng độ tạp chất tốc độ tăng trưởng 15 + Cách khắc phục: bổ sung P B để kích thích (hệ số phân chia chúng xấp xỉ 1), đảm bảo phân bố đồng chiều tăng trưởng tinh thể Độ tinh khiết bán dẫn phân cho phân khúc thị trường từ Quân sự, Y tế đến dân dụng, giảm dần theo yêu cầu chất lượng sản phẩm b Sơ đồ công nghệ: 3.2.2 Sản xuất phiến si (si wafer) 16 Đòi hỏi kĩ thuật khả cao cần xác đường kính, độ dày, độ phẳng tới 1µm (cho bề mặt 1000 cm2 phiến 300 mm) cho hàng ngàn Tùy theo yêu cầu sử dụng xác định, khối tinh thể silicon cắt thành mỏng với kích thước đường kính độ dày khác Các bước đánh bóng làm cuối thực phòng nơi mà wafer đóng gói để vận chuyển.Các đánh bóng thô đánh bóng nhờ hoá chất đạt độ gồ ghề phần triệu mm 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng: + Nhiệt độ: + Độ tinh khiết silic + Tốc độ kéo + Tốc độ quay Sự xuất yếu tố không mong muốn silic nóng chảy tránh cách kiểm tra xác định xác giá trị nhiệt độ tốc độ trình tăng trưởng tinh thể Quá trình thường thực môi trường trơ, argon, buồng trơ, thạch anh 17 CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG 4.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SILIC Silic nguyên tố có ích, cần thiết nhiều ngành công nghiệp Điôxít silic dạng cát đất sét thành phần quan trọng chế tạo bê tông gạch sản xuất xi măng Portland Silic nguyên tố quan trọng cho thực vật động vật Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo lớp vỏ bảo vệ tế bào Các ứng dụng khác có: - Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng sản xuất vật liệu chịu lửa silicat sử dụng sản xuất men sứ đồ gốm - Thép - Silic thành phần quan trọng số loại thép - Đồng thau - Phần lớn đồng thau sản xuất có chứa hợp kim đồng với silic - Thủy tinh - Silica từ cát thành phần thủy tinh Thủy tinh sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với thuộc tính lý học khác Silica sử dụng vật liệu sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), sứ cách điện nhiều đồ vật có ích khác - Giấy nhám - Cacbua silic vật liệu mài mòn quan trọng - Vật liệu bán dẫn - Silic siêu tinh khiết trộn thêm asen, bo, gali hay phốtpho sđể làm silic dẫn điện tốt transistor, pin mặt trời hay thiết bị bán dẫn khác sử dụng công nghiệp điện tử ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác - Trong photonic - Silic sử dụng laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm - Vật liệu y tế - Silicon hợp chất dẻo chứa liên kết silic-ôxy silic-cacbon; chúng sử dụng ứng dụng nâng ngực nhân tạo lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng) 18 - LCD pin mặt trời - Silic ngậm nước vô định hình có hứa hẹn ứng dụng điện tử chẳng hạn chế tạo hình tinh thể lỏng (LCD) với giá thành thấp rộng Nó sử dụng để chế tạo pin mặt trời - Xây dựng - Silica thành phần quan trọng gạch tính hoạt hóa thấp 4.2 Ứng dụng phiến silic 4.2.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất vi mạch Khi chọn nguyên tố để sử dụng làm thành phần bóng bán dẫn máy tính, điều mà người ta quan tâm điện trở Dây dẫn cần có điện trở thấp để dòng điện chạy qua dễ dàng, chất cách điện tất nhiên phải có điện trở cao tốt để làm chậm ngăn chặn hoàn toàn dòng điện Đối với bóng bán dẫn, vốn cần phải bật tắt lúc, cần phải có dung hòa dây dẫn điện chất cách điện Chất bán dẫn tốt dành cho ngành công nghiệp điện tử dạng "chất kích tạp" (dopant), cho phép người ta điều chỉnh điện trở theo ý muốn Silic chất bán dẫn Trái Đất chí, chất bán dẫn tốt hành tinh Vậy silic có gì? Cho đến chất bán dẫn phổ biến Trái Đất Chính xác hơn, silic có sẵn khắp nơi, người ta khai thác dễ dàng, tập đoàn sản xuất chip không cần phải nhập từ mỏ khai thác đặc biệt từ nước ngoài, không cần phải nhiều thời gian, quy trình phức tạp ô nhiễm để tạo Ngoài việc dễ sản xuất, điều quan trọng nhà khoa học tìm cách khả thi để sản xuất silic dạng tinh thể cách hoàn hảo 19 Hình ảnh thỏi tinh thể silic (ingot) gần tinh khiết Dễ dàng chế tạo, tinh thể silic gần tinh khiết yếu tố trình sản xuất chip máy tính đại Các tinh thể tạo thành cắt thành mỏng, sau khắc, xử lý điều chỉnh hàng trăm cách khác trước tiếp tục cắt nhỏ thành khối đóng gói vào vi xử lý thương mại Thật người ta chế tạo bóng bán dẫn carbon chí loại vật liệu kỳ lạ gecmani, nhiều chất khác không chất số cho phép sản xuất số lượng lớn, tinh thể kích thước to tinh khiết silic (ít đến thời điểm không được) 4.2.2 Công nghệ vi điện tử từ phiến silic đến chip thành phẩm Phòng - Mọi trình công nghệ chế tạo mạch tổ hợp tiến hành phòng Đó nơi người cần phải xử lý thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm lưu thông khí cho số hạt bụi có đơn vị thể tích nhỏ nhiều so với môi trường bình thường Độ phòng chế tạo phải tuân thủ tiêu chuẩn ISO khác (từ ISO đến ISO ISO có độ cao tương đương với 10 hạt bụi kích thước nhỏ 0.1 micron phút khối) độ lớn chi phí vận hành tốn Độc giả tham khảo phòng loại Intel Coporation AMD 20 Xử lý bề mặt - viiệc người làm công nghệ cần thực phòng Công đoạn làm bề mặt phiến (silicon) thường thực nhờ axit mạnh, chất có tính ôxi hoá HNO3, H2SO4, H2O2 HF Việc xử lý bề mặt giúp loại bỏ tạp vô cơ, hữu sai hỏng bề mặt silicon trước chuyển vào bước công nghệ Ôxi hoá - trình chế tạo mạch tích hợp người ta thường phải dùng lớp SiO2 bề mặt tinh thể Si Lớp SiO2 có hệ số dãn nở nhiệt gần hệ số giản nở nhiệt Si, với số điện môi ~ 4, có tác dụng bảo vệ bề mặt linh kiện bán dẫn tác dụng môi trường bên ngoài, che chắn bề mặt Si trình khuếch tán định xứ tạp chất P B Ngoài lớp SiO2 sử dụng làm cực (gate) cửa cho bóng bán dẫn (transistor) Có nhiều phương pháp tạo lớp SiO2 phương pháp sử dụng rộng rãi để nhận lớp SiO2 phương pháp ôxy hoá nhiệt độ cao (khoảng 10000C 11000C) Khuếch tán - kỹ thuật sử dụng công nghệ bán dẫn để tạo vùng chuyển tiếp transitor Có nhiều phương pháp để khuếch tán tạp tạo vùng chuyển tiếp P-N khác phương pháp khuếch tán nhiệt độ cao, phương pháp cấy ion Tuỳ thuộc vào đế silicon mục đích việc pha tạp người làm công nghệ phải dùng hai loại tạp phổ biến Boron (B) phốtpho (P) cho trình Quang khắc (photolithography) - tập hợp trình quang hoá nhằm tạo chi tiết bề mặt phiến silicon có kích thước hình dạng giống thiết kế Để làm điều cần phải có mặt nạ (mask), chất cảm quang (photoresist) nguồn sáng UV dung dịch hình (developer) Mặt nạ thường thuỷ tinh hữu phủ màng crôm khắc hoạ chi tiết phù hợp với thiết kế cảm biến mạch tích hợp (IC) Người ta phủ lên bề mặt phiến silicon có tính chất nhậy sáng đặc biệt gọi chất cản quang (photoresist) – thường gọi chất cảm quang 21 Chất cảm quang phải bảo đảm hai tính chất: - Nhậy quang; - Bền vững dung môi axít kiềm Chất cảm quang có nhiệm vụ lớp bảo vệ có hình dạng cần thiết cho bề mặt khỏi bị tác dụng dung môi hoá học Người ta phân loại cảm quang thành cảm quang dương cảm quang âm dựa vào chế phản ứng xẩy cảm quang bị chiếu sáng thay đổi tính chất trình chiếu sáng Cảm quang âm bị chiếu sáng trở nên không bị hoà tan dung môi tương ứng Còn cảm quang dương ngược lại, bị chiếu sáng hoà tan dung môi Dung dịch Developer cho phép hình chi tiết tạo lớp cảm quang tác dụng nguồn UV Quá trình giống trình rửa ảnh kỹ thuật nhiếp ảnh Ở mặt nạ trình quang khắc thực đơn giản: đặt phiến silicon lên gá, thiết lập điều kiện cần thiết chân không, khí nén, chế độ tiếp xúc, công suất UV, thời gian chiếu sáng … chiếu sáng Tuy để chế tạo mạch tổ hợp người ta phải dùng tới nhiều mặt nạ khác Để chi tiết mặt nạ, phiến silicon lần chế tạo trước (với mặt khác bộ) trùng khít lên chi tiết mặt nạ người ta phải dùng kỹ thuật gọi kỹ thuật đồng chỉnh (so mask hay mask aligner) Kỹ thuật thực thông qua dấu hiệu gọi dấu so (mask marks) với trợ giúp quang học (kính hiển vi, CCD camêra…) hệ vi chỉnh khí theo chiều X,Y chỉnh méo Thông qua dấu so đặc biệt người ta chắn chi tiết phiến silicon nhận từ mặt nạ khác trùng khít lên Trong trình chế tạo photođiốt sử dụng 03 mặt nạ Hiện mật độ bóng bán dẫn chíp ngày tăng nên kỹ thuật quang khắc nhiều kỹ thuật khác cho phép khắc lên lớp cảm quang chi tiết với độ phân giải mức độ tinh vi tốt nhiều kỹ thuật e-beam lithography (kỹ thuật khắc dùng chùm điện tử), tia X Ăn mòn - cộng nghệ vi điện tử sở silicon kỹ thuật hay sử dụng Có hai phương pháp ăn mòn : ăn mòn ướt ăn mòn khô 22 Ăn mòn ướt - Đây kỹ thuật thông dụng công nghệ bán dẫn Ngay từ công đoạn phiến vừa cưa khỏi thỏi silion từ nhà máy sản xuất phiến, hóa chất sử dụng để mài nghiền đánh bóng cuối thu silicon phẳng nhẵn Đối với thiết bị đơn lẻ mạch tích hợp có kích thước đủ lớn (> µm), hoá chất ăn mòn sử dụng để khắc hoạ tiết mở cửa sổ lớp vật liệu điện môi Ăn mòn khô - kỹ thuật ăn mòn khô, silicon đưa vào buồng chân không, sau hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn đưa vào buồng phản ứng Ở chân không thích hợp, tác dụng nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion hoá thu hỗn hợp plasma khí nói bao gồm ion F+ SiO2 Si … bị ăn mòn tạo sản phẩm phản ứng tương ứng Nhờ kỹ thuật mà mang lại kỹ thuật ăn mòn vật liệu với hệ số tỷ lệ d/w (sâu/cao) lớn Tuỳ theo độ dầy vật liệu mà người ta chọn chế độ ăn mòn khác Với kỹ thuật hãng sản xuất lớn phân đoạn thiết bị dành riêng cho trình ăn mòn “nông” với vài micromet chiều sâu thiết bị ăn mòn qua silicon (cỡ 400 micrômét) hai Kỹ thuật màng mỏng – chủ yếu để tạo lớp vật liệu có bề dày mong muốn lên lớp vật liệu khác Đây trình đòi hỏi nhiều kiến thức bổ xung kỹ thuật chân không, cấu trúc vật liệu…Các kỹ thuật để tạo màng mỏng gồm hai phương pháp – vật lý hoá học Phương pháp vật lý bao gồm: phún xạ (sputtering), bốc bay nhiệt (evaporation), phương pháp phun tĩnh điện… Trong phương pháp hoá học có: lắng đọng hoá học pha (CVD), lắng đọng hoá học pha áp suất thấp (LPCVD), Solgel Đo đạc khảo sát thông số công nghệ - giai đoạn sau phiến silicon qua bước công nghệ phòng Ở khâu người kỹ sư cần xác định đặc tuyến I-V, C-V điện trở (R), dòng dò, chế độ làm việc.…của linh kiện Lúc này, chíp nằm phiến Để tiến hành 23 bước tiếp sau, người kỹ sư phải cắt rời chíp silicon, giai đoạn chíp gọi “die” Như vậy, qua số bước trình chế tạo chíp phòng Ở phần sau trình bày khâu đóng vỏ, công đoạn quan trọng quy trình chế tạo chíp bán dẫn 24 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN Silic hữu tất nơi sống chúng ta, xuất thường xuyên dòng tin mà bạn đọc Tinh Tế đề cập tới vấn đề có liên quan tới vi xử lý, đặc biệt xuất nhiều lần viết Ngay người ta tìm kiếm cách dùng carbon nguyên tố khác để dùng làm tảng cho hệ điện toán tiếp theo, vốn điều cần phải làm để thuận theo dòng chảy lịch sử ngàng điện toán thứ đời sau phải nhanh, mạnh trước đó, silic tiếp tục lựa chọn nhiều lĩnh vực Chúng ta tìm cách hoàn thiện để kiểm soát khả điều chỉnh dòng điện? Có thể chứ! Chúng ta phát silic tạo nên toàn sống bên vũ trụ ngoại trừ Trái Đất? Có thể không Dù nhất, có lẽ không từ bỏ nguyên tố phổ biến sau oxy, có mặt khắp nơi có vô vàng ứng dụng đời sống người, từ xây dựng, vật dụng công nghệ,… Do đó, sử dụng sản phẩm có liên quan tới silic sống cần phải thầm cảm ơn loại nguyên tố kỳ diệu - nguyên tố góp phần chủ yếu tạo nên lớp vỏ Trái Đất 25 ... công nghệ sản xuất vi mạch 19 4.2.2 Công nghệ vi điện tử từ phiến silic đến chip thành phẩm 20 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 25 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ PHIẾN SILIC 1.1 Đại cương Silic. .. (chẳng hạn sản phẩm phụ clorua kẽm đông đặc lại dính vào sản phẩm) cuối bị bỏ để sử dụng công nghệ Siemens 2.2 Một số phương pháp sản xuất silic khác - Sản xuất silic silicon tetrafluoride, sản phẩm... KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÔ CƠ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SILIC VÀ PHIẾN SILIC DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ Giáo viên giảng dạy : Nguyễn Kim Thanh Nhóm