*1.6| CÁC KĨ THUẬT NUÔI CẤY VẬT LIỆU BÁN DẪN

Sự thành công trong việc chế tạo mạch tích hợp cỡ rất lớn (VLSI) là kết quả của sự phát triển và cải tiến kĩ thuật nuôi vật liệu đơn tinh thể thuần khiết. Bán dẫn là một trong số những vật liệu tinh khiết nhất. Chẳng hạn, Si có nồng độ tạp chất cao nhất nhỏ hơn một phần mười tỉ. Yêu cầu độ tinh khiết cao đồng nghĩa với việc cần phải rất cẩn thận trong việc phát triển và xử lí vật liệu ở mỗi bước trong quá trính chế tạo. Cơ chế và động học của quá trình phát triển tinh thể cực kì phức tạp và sẽ được mô tả một cách rất chung chung trong tài liệu này. Tuy nhiên, những kiến thức tổng quát về kĩ thuật nuôi và những thuật ngữ đã được đưa vào.

1.6.1 Nuôi bằng cách đun

Kĩ thuật thông thường để nuôi tinh thể được gọi là phương pháp Czochralski. Trong kĩ thuật này, một miếng nhỏ vật liệu bán dẫn được gọi là mầm được mang đến tiếp xúc với bề mặt của một vật liệu giống nó ở pha lỏng, và sau đó được kéo chậm từ thể lỏng. Khi mầm được kéo chậm, sự hóa rắn xuất hiện giữa lớp tiếp xúc lỏng-rắn. Thông thường tinh thể cũng được quay chậm khi nó đang được kéo để trộn lỏng, dẫn đến nhiệt độ đồng đều hơn. Những nguyên tử tạp chất, chẳng hạn như Bo hoặc Photpho có thể được thêm vào bán dẫn đang tan chảy. Hình 1.20 biễu diễn sơ đồ của quá trình nuôi Crochralski và thỏi silic được hình thành trong quá trình này.

Video sau đây sẽ mô tả phương pháp Czochralski:

Một vài tạp chất có thể đi vào thỏi một cách ngẫu nhiên. Sự tinh chế vùng là kĩ thuật phổ biến để làm tinh khiết vật liệu. Cuộn cảm nhiệt độ cao, hoặc cuộn dây cảm ứng r-f được cho đi chậm dọc theo chiều dài của thỏi. Nhiệt độ được cảm ứng bởi cuộn dây đủ cao để cho một lớp chất lỏng mỏng được hình thành. Tại lớp tiếp xúc rắn-lỏng, có sự phân bố tạp chất giữa hai pha. Thông số mô tả sự phân bố này được gọi là hệ số phân tầng: tỉ số giữa mật độ tạp chất trong chất rắn với mật độ trong chất lỏng. Chẳng hạn, nếu hệ số phân tầng bằng 0.1 thì có nghĩa là nồng độ tạp chất trong chất lỏng lớn gấp 10 lần nồng độ tạp chất trong chất rắn. Khi vùng chất lỏng di chuyển trong vật liệu, tạp chất được dồn theo chất lỏng. Sau vài đoạn của cuộn dây r-f, hầu như tạp chất bị dồn về cuối thanh, rồi bị cắt. Di chuyển vùng nấu chảy, hoặc kĩ thuật lọc vùng có thể tạo được mức độ tinh khiết cần thiết.

Sau khi bán dẫn được hình thành, thỏi bán dẫn được đẽo gọt để có đường kính thích hợp và lấy một mặt phẳng chuẩn trên toàn bộ chiều dài của thỏi để kí hiệu sự định hướng trong tinh thể. Mặt phẳng này vuông góc với hướng [110] hoặc biểu thị mặt phẳng (110). (xem hình 1.20b). Do đó, điều này cho phép nhiều chip riêng biệt được chế tạo theo một mặt phẳng tinh thể đã cho sao cho những chip có thể được tách ra từng phần dễ dàng hơn. Sau đó thỏi này được cắt thành từng miếng. Mỗi miếng phải đủ dày để tự hỗ trợ về mặt cơ khí cho nó. Thao tác mài 2 mặt cơ khí tạo ra một miếng phẳng có độ dày đồng nhất. Bởi vì quá trình mày có thể để lại những bề mặt bị hỏng và bị làm bẩn do hoạt động cơ khí, bề mặt phải được lấy đi bằng cơ chế hóa học. Bước cuối cùng là đánh bóng. Bước này cho ra một bề mặt nhẵn mà những thiết bị có thể được chế tạo hoặc những quá trình nuôi cấy tiếp theo có thể được tiến hành trên nó. Miếng bán dẫn cuối cùng này được gọi là vật liệu đế.

Video sau đây sẽ cho bạn biết quy trình chế tạo ra đế như thế nào

1.6.2 Nuôi bằng kĩ thuật epitaxy

Một kĩ thuật nuôi tinh thể được dùng phổ biến là kĩ thuật epitaxy. Kĩ thuật epitaxy là một quá trình mà qua đó lớp vật liệu đơn tinh thể được hình thành trên bề mặt của đế đơn tinh thể. Trong quá trình epitaxy, đế đơn tinh thể đóng vai trò như mầm, mặc dù quá trình xảy ra với nhiệt độ rất thấp so với nhiệt độ nóng chảy. Khi lớp epitaxy được tạo ra trên đế của vật liệu cùng loại, quá trình được gọi là đồng epitaxy. Sự hình thành silic trên đế silic là ví dụ của quá trình đồng epitaxy. Tuy nhiên, trong hiện tại, phần lớn công việc được thực hiện với quá trình dị epitaxy. Trong quá trình epitaxy, mặc dù đế và vật liệu epitaxy không giống nhau nhưng hai cấu trúc tinh thể phải rất giống nhau nếu muốn thu được đơn tinh thể và tránh các sai hỏng tại bề mặt chuyển tiếp giữa epitaxy và đế. Sự hình thành những lớp epitaxy của hợp kim ba thành phần AlGaAs trên đế GaAs là ví dụ về quá trình dị epitaxy.

Một kĩ thuật epitaxy đã được dùng rộng rãi là ngưng tụ hóa học từ pha hơi (CVD). Những lớp epitaxy silic được hình thành trên đế silic bằng cách lắng đọng những nguyên tử silic trên bề mặt do những hơi hóa học chứa silic. Trong phương pháp, SiCl₄ phản ứng với hidro tại bề mặt của đế được nun nóng. Những nguyên tử silic được giải phóng trong phản ứng và lắng tụ trên đế, cùng với sự thoát ra HCl ở dạng khí. Phương pháp CVD có thể tạo ra nồng độ tạp chất khác nhau ở đế và ở lớp epitaxy. Kĩ thuật này tạo ra tinh mềm dẻo lớn trong việc chế tạo thiết bị bán dẫn.

Epitaxy pha lỏng là một kĩ thuật nuôi tinh thể khác. Hợp chất bán dẫn chứa những thành phần khác có thể có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn chính chất bán dẫn. Đế bán dẫn được giữ trong chất lỏng. Bởi vì nhiệt độ đun nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của đế nên đế không chảy. Khi dung dịch được làm lạnh chậm, một lớp bán dẫn đơn tinh thể hình thành trên bán dẫn mầm. Kĩ thuật này có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn phương pháp Czochralski, và thường được dùng để chế tạo bán dẫn hợp chất nhóm III-V.

Một kĩ thuật để hình thành lớp epitaxy là quá trình epitaxy chùm phân tử (MBE). Đế được đặt trong chân không với nhiệt độ trong khoảng từ 400 đến 800⁰C, một nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ ở các bước gia công bán dẫn. Sau đó, bán dẫn và những nguyên tử pha tạp bốc hơi trên bề mặt của đế. Trong kĩ thuật này, sự pha tạp có thể được điều khiển chính xác dẫn đến biên dạng pha tạp rất phức tạp. Những hợp chất ba thành phần chẳng hạn như AlGaAs có thể được hình thành trên đế, hoặc là GaAs, ở đây người ta muốn có sự thay đổi đột ngột trong thành phần tinh thể. Nhiều lớp epitaxy khác nhau có thể được hình thành trên đế theo kiểu này. Những cấu trúc này được dùng trong các thiết bị quang học chẳng hạn như diode laser.

Sau đây là video phỏng vấn giáo sư tiến sĩ Tom Tiedje, cha đẻ của phương phương MBE về chính phương pháp của ông. Video có phụ đề các thứ tiếng như Anh, Pháp, Đức, Nhật, Hàn Quốc, Nga, Hoa, Việt Nam, Thái Lan. Bạn nên dùng Internet download manager để down video này về máy.