Lĩnh vực Công nghệ thông tin Công nghệ nano và một số ứng dụng KS.Đặng Hoài Bắc Khoa Kỹ thuật Điện tử 1 Tóm tắt: Ngày nay, công nghệ nano đã trở nên phổ biến, là ngành công nghệ cao đang đợc quan tâm nghiên cứu, phát triển và có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực: sinh học, y tế, hoá học, môi trờng, điện - điện tử, vật liệu mới Trong ngành Điện tử viễn thông, công nghệ nano đã mở ra cuộc cách mạng trong công nghệ bán dẫn và đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực sản xuất vi mạch, IC, cáp quang Bài báo sẽ đề cập sơ lợc về công nghệ nano và một số ứng dụng liên quan. 1. Sơ lợc về công nghệ nano Công nghệ nanô là tập hợp các phơng pháp kỹ thuật cho phép thao tác những cấu trúc riêng biệt, những đối tợng, vật thể có kích thớc đo bằng nanômét ( 1nm = 10 -9 m). Trong khoảng cách 1nm chỉ chứa từ 3 đến 5 nguyên tử. Vào những năm cuối cùng của thế kỷ 20, các nhà khoa học đã chế tạo ra đợc những thiết bị cho phép nắm bắt, thả đi hay sắp xếp, chất đống các nguyên tử hay các phân tử, có nghĩa là con ngời có thể thao tác các vật liệu ở mức nguyên tử, cấp nanô. Nhờ vậy mà ngời ta có thể chế tạo đợc các vi mạch có độ phân giải ở cấp nguyên tử, nhờ đó mà các nhà kỹ thuật có thể tăng gấp nhiều lần mật độ bóng bán dẫn và tốc độ tính toán trên một đơn vị diện tích bán dẫn. Cho đến nay, tất cả các nớc công nghiệp phát triển đều đã coi công nghệ nanô là công nghệ chiến lợc của thế kỷ 21. Chúng ta có thể liệt kê ra đây một số ứng dụng quan trọng của công nghệ nanô trong các lĩnh vực sau: - Trong công nghiệp điện, điện tử: mật độ và tốc độ vi xử lý tăng vọt, một con rệp điện tử có thể chứa tới vài tỷ linh kiện, nhờ đó mà các thiết bị xử lý, nghe nhìn, viễn thông có độ phân giải siêu cao, có tốc độ xử lý, truyền dẫn cực lớn không còn là ớc mơ mà sẽ trở thành thực tiễn không xa. (Ngày 26/8/2001 Hãng IBM đã tuyên bố chế tạo thành công vi mạch máy tính nhỏ nhất thế giới, gồm hai transitor, đợc làm từ một phân tử cacbon đơn lẻ. Bộ chip này đợc một "ống nano cacbon"- một chuỗi cac nguyên tử cacbon kết nối theo dạng ống, có kích thớc mỏng hơn sợi tóc 10000 lần. Bớc tiến này có thể dẫn đến sự ra đời các máy tính mạnh hơn nhng tiêu thụ ít điện năng hơn). - Các thiết bị cảm biến năng lợng mặt trời siêu tính năng có thể thu nhận năng lợng mặt trời hiệu quả hơn, gọn nhỏ hơn, giá thành hạ hơn và không phụ thuộc vào thời tiết, cờng độ ánh sáng mặt trời - Ngành hoá học và công nghệ sinh học sẽ có những phơng tiện để sử dụng từng phân tử trong các phản ứng tinh vi khác nhau Ví dụ: gần đây hớng nghiên cứu sử dụng các hạt Học viện Công nghệ BCVT INCLUDEPICTURE "http://www.wtec.org/loyola/nano/f05_01.gi f" \* MERGEFORMATINET Hình 1. Phân loại kích cỡ nano Hội nghị Khoa học lần thứ 5 TiO 2 kích thớc nanô để chế tạo loại gạch gốm có tác dụng quang xúc tác, xử lý môi trờng ô nhiễm; sử dụng hạt nanô CaO tứ diện để chống xuống cấp, nâng cao tuổi thọ cho các tác phẩm hội họa có giá trị cao Hiện nay chúng ta không thể dự đoán đợc hết những lợi ích mà công nghệ nanô sẽ đem lại cho con ngời, song có một điều chắc chắn là công nghệ nanô sẽ là công nghệ mũi nhọn của thế kỷ 21, là công nghệ sẽ đem lại những biến đổi kỳ diệu cuộc sống của con ngời trong tơng lai không xa. Ngời ta đã dự đoán rằng công nghệ nanô sẽ là mang đến cho nhân loại hai cuộc cách mạng công nghệ trong thế kỷ 21: cuộc cách mạng các công nghệ chế tạo cấp phân tử và cuộc cách mạng công nghiệp các máy sao chép thế hệ mới. 2. Một số công nghệ nanô then chốt Công nghệ nanô có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, đặc biệt là những ứng dụng trong công nghiệp chế tạo bán dẫn, vi điện tử, các hệ cơ điện tử cỡ nanô (Nanoelectromechanical systems - NEMS) , các hệ vi cơ điện tử (Microelectromechanical systems- MEMS) có thể biến các thông số vật lý thành các tín hiệu điện. NEMS và MEMS sẽ tạo ra những bớc ngoặt quan trọng trong công nghệ thông tin và thiết bị điện toán, hệ thống năng lợng, hàng không và an ninh quốc gia. Mặc dù có chức năng giống nhau nhng giữa NEMS và MEMS có những khác biệt: - NEMS là công nghệ nanô phân tử tập trung vào việc thiết kế, mô hình hoá, mô phỏng hóa sản xuất các linh kiện kích thớc phân tử (từ 0,1 đến 100nm) - MEMS đợc chế tạo theo công nghệ bán dẫn oxit kim loại (complementary metal oxide semiconductor- CMOS), kỹ thuật in khắc (lithography) bao gồm 2 bộ phận chính: vi điện tử (các IC) và vi máy (các cấu trúc chuyển động vi mô). Trên phơng diện vật liệu, hiện nay, công nghệ vi cơ silicon và cacbua silicon (Silicon and silicon carbide micromachining) là một trong những công nghệ phát triển nhất, đợc ứng dụng nhiều nhất đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất linh kiện bán dẫn. Trên phơng diện tạo màng mỏng bán dẫn, ta có các công nghệ nano nh PCVD, LPCVD Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu một số công nghệ nano chủ yếu. 2.1. Công nghệ vi cơ silicon và cacbua silicon a) Bản chất công nghệ: Có thể nêu tóm tắt công nghệ này nh sau: các thỏi đơn tinh thể silicon hình trụ đờng kính 300mm, dài 1000mm (đợc nuôi trong thiết bị đặc biệt) đợc cắt thành từng lát nhỏ (wafer) với các độ dày theo ý muốn, sau sử dụng các kỹ thuật cơ- hóa học để đánh bóng các wafer. Tính chất cơ và điện từ của các wafer phụ thuộc vào hớng phát triển tinh thể (khi nuôi tinh thể), nồng độ và dạng chất đợc cấy vào. Từ các wafer này ngời ta sẽ chế tạo ra các IC qua các bớc sau: khuyếch tán, ôxi hoá, tạo màng polisilicon, quang khắc, che phủ, khắc axit, tạo lớp phủ kim loại Các giai đoạn của quá trình trên đợc mô tả nh sau: - Quang khắc để chế tạo khuôn 3 chiều (photolithograhy, mould, three-dimensional shape) - Mask (khuôn tô) : hình đen trắng của các linh kiện MEMS trên kính. - Photoresist: lớp polime cảm quang đợc phủ trên wafer. Tia tử ngoại chiếu xuyên qua mask, rọi hình trên mask xuống photoresist. Chỗ nào ánh sáng rọi qua sẽ bị polime hoá, trở nên rắn chắc, bám dính chặt trên bề mặt wafer và không bị rửa trôi bởi hoá chất, ngợc lại chỗ nào không bị ánh sáng rọi tới, sẽ bị rửa trôi, để trơ lớp mặt wafer. Học viện Công nghệ BCVT Cắt lát Mask Quang khắc Tinh thể Wafer Khuôn 3D IC Hình 2. Quy trình chế tạo IC bằng công nghệ nano Lĩnh vực Công nghệ thông tin - Các chi tiết vi cơ điện tử (cấu trúc chuyển động) đợc chế tạo qua các bớc: thiết kế, khắc khô hay khắc ion hoạt động (Reactive ion etching, RIE or dry etching): các rãnh sâu hay nông, hẹp hay rộng có thể đợc điều chỉnh tuỳ theo yêu cầu. - Metal film đợc tạo khuôn nhờ kỹ thuật tạo khuôn tô giống nh đã nêu ở trên. ở đây, ngời ta tạo ra một lớp oxit kim loại trên bề mặt wafer trớc khi phủ một lớp cảm quang (photoresist) lên trên, sau đó rọi tia tử ngoại nh đã nêu. Lớp oxit đợc khắc axit theo khuôn tô. Ngời ta phủ lên wafer một lớp kim loại (metal film) theo công nghệ hoá hơi kim loại và loại bỏ phần (film) kim loại (phía trên rãnh trống photoresist). Loại bỏ lớp oxit kim loại, ta đợc khuôn hình màng kim loại (metal film pattern) Các wafer silicon và các chi tiết khác đợc nối với nhau nhờ kỹ thuật nối tĩnh điện anốt. Ngời ta có thể sử dụng áp suất với điều kiện bề mặt phải thật sạch, phẳng. b) Lĩnh vực ứng dụng: Nh trên ta thấy, lĩnh vực chủ yếu của công nghệ này là sản xuất chế tạo IC kích cỡ nhỏ có mật độ tích hợp cao. 2.2. Công nghệ tạo màng theo phơng pháp hoá hơi hoá học thể plasma (Plasma Chemical Vapor Deposition- PCVD) a/ Bản chất của công nghệ: Dòng plasma (dòng ion có năng lợng cao) trong khí mêtan (CH4) dới tác dụng của từ tr- ờng tần số radio bị kích thích, các phần tử trong hỗn hợp plasma phân ly, khuyếch tán với tốc độ cao, gặp vật cản là bề mặt vật liệu (ví dụ: silicon) sẽ sảy ra các phản ứng hoá học, tạo thành các hợp chất nh SiO 2 , GaO 2 phủ lên bề mặt vật liệu. Đây chính là quá trình tạo màng plasma. b/ Lĩnh vực ứng dụng: + Trong y học: tạo màng hydroxyapatit (HA) nối xơng gãy + Trong công nghiệp điện tử bán dẫn: chế tạo các bán dẫn vi điện tử, sợi quang nanô + Trong bảo vệ môi trờng: tạo lớp màng bảo vệ cho kim loại chống gỉ c/ Một số ứng dụng cụ thể: Sản xuất sợi quang: (fibre production) Dòng khí SiCl 4 , GeCl 4 , C 2 F 6 , O 2 đi qua ống thuỷ tinh thạch anh nung nóng ở 1200 o C biến thành dòng plasma nhiệt độ cao (tới 6000 o C). ở đây sẽ sảy ra phản ứng hoá học, tạo thành các đioxit SiO 2 , GeO 2 : SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2Cl 2 GeCl 4 + O 2 GeO 2 + 2Cl 2 Các phân tử SiO 2 , GeO 2 lắng đọng trên bề mặt ống thuỷ tinh thạch anh thành từng lớp. Lớp SiO 2 đợc nhiệt luyện ở 2200 o C trở nên mềm, dẻo, có thể kéo dài thành sợi với những kích thớc tuỳ ý. Sợi quang có thể đợc ứng dụng trong công nghệ truyền thông, vũ trụ do tính chịu lực, chịu nhiệt, chịu sói mòn Khắc ion (Reactive Ion Etching- RIE) - Nguyên lý: Dùng dòng ion dới thể plasma tạo trên bề mặt vật liệu lớp khắc bán dẫn. Sóng cao tần 13,56MHz tạo ra plasma gồm các chất khí CF 6 , CF 5 + , F - , phạt photon, điện tử, các gốc Flo (F)., kích thích và làm phân cực lớp phủ (wafer) bề mạt mạch in. Học viện Công nghệ BCVT Hình 3. Nguyên lý khắc Ion Hội nghị Khoa học lần thứ 5 Tại đây, trong dòng plasma sảy ra phản ứng hoá học , tạo thành màng thụ động gồm từ các hợp chất nh SiF 4 - ứng dụng của công nghệ: chế tạo các chất bán dẫn, mạch in kích thớc nano. 2.3. Công nghệ tạo màng hoá hơi áp lực thấp (Low pressure chemical vapor deposition- LPCVD) a) Bản chất của công nghệ: Màng đợc tạo thành trong môi trờng chân không ở nhiệt độ cao trên cơ sở phản ứng hoá học thể hơi để tạo thành màng mỏng . Năng lợng nhiệt là động lực của phản ứng hoá học trong khi áp suất thấp làm tâm pha khí. Dới đây là một số ví dụ về lớp màng LPCVD Sản phẩm Phản ứng Nhiệt độ Silicon nhiệt độ thấp LTO SiH 4 +2O 2 SiO 2 ( solid ) + 2H 2 ( g ) 450 o C Tetraethoxysilan TEOS 700 o C Thuỷ tinh P-Si SiH 4 +O 2 +PH 3 SiO 2 ( solid ) + P - Nitrit SiCl 2 H 2 +NH 3 SiN 4 800 o C b) ứng dụng của công nghệ: Dùng để chế tạo mạch in, các chất bán dẫn kích thớc nano. 3. Kết luận Bên cạnh các công nghệ nano đợc đề cập sơ lợc ở trên, còn có các công nghệ nano tiêu biểu khác nh công nghệ tạo màng hoá hơi cơ kim (MOCVD) hay tạo màng hoá hơi điện hoá (Electroplating) Nhìn chung, công nghệ nano đang phát triển không ngừng và mở ra nhiều hớng nghiên cứu cùng với các ứng dụng đa dạng trong thực tiễn. Các nghiên cứu mới nhất đã giảm kích thớc ứng dụng của nano từ 180nm ( năm 2000) xuống còn 130nm ( năm 2003). ở Việt Nam, việc tiếp cận, nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nano tuy còn mới mẻ nhng có ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệt trong công nghệ chế tạo bán dẫn và vi mạch điện tử. Đây là điều tất yếu để phát triển, tăng tính tự chủ công nghệ trong các ngành công nghệ cao nh Điện tử - Viễn thông và Công nghệ thông tin. Muốn vậy, chúng ta phải lựa chọn công nghệ nano thích hợp, xây dựng đội ngũ nghiên cứu cùng với các phòng Lab đợc trang bị thiết bị tiên tiến, hiện đại. Trong các bài báo sau, chúng tôi sẽ đề cập cụ thể hơn về công nghệ nano cũng nh các qui trình nghiên cứu chế tạo sản phẩm nano trong phòng Lab và trên thực tế. Học viện Công nghệ BCVT Hình 4. Tạo màng LPCVD . Lĩnh vực Công nghệ thông tin Công nghệ nano và một số ứng dụng KS.Đặng Hoài Bắc Khoa Kỹ thuật Điện tử 1 Tóm tắt: Ngày nay, công nghệ nano đã trở nên. cáp quang Bài báo sẽ đề cập sơ lợc về công nghệ nano và một số ứng dụng liên quan. 1. Sơ lợc về công nghệ nano Công nghệ nanô là tập hợp các phơng pháp