Tìm hiểu về biến tính trong sản xuất linh kiện bán dẫn và vi mạch tích hợp

Việc nghiên cứu và phát triển đế linh kiện cũng như là linh kiện bán dẫn là một công việc thiết yếu và được cho là vô cùng quan trọng vì hầu hết các thiết bị điện tử, các máy móc thiết b

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TÌM HIỂU VỀ BIẾN TÍNH TRONG SẢN XUẤT LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ VI MẠCH TÍCH HỢPBÀI BÁO CÁO MÔN KỸ THUẬT BIẾN TÍNH BỀ MẶT VẬT LIỆU

NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TÌM HIỂU VỀ BIẾN TÍNH TRONG SẢN XUẤT LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ VI MẠCH TÍCH HỢP

Ngành: Công nghệ vật liệu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2022

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

DANH MỤC VIẾT TẮT 6

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 7

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG 8

1.1 Khái quát về linh kiện bán dẫn 8

1.2 Lịch sử 8

1.3 Cấu tạo của linh kiện bán dẫn 10

1.3.1 Định nghĩa 10

1.3.2 Cấu tạo 11

1.3.3 Đặc tính 11

1.3.4 Chức năng 12

1.3.5 Ưu nhược điểm Transistor 12

1.4 Kết luận chương 13

PHẦN 2: TÍNH CHẤT 13

2.1 Phương pháp chế tạo IC 13

2.2 Cấu tạo của IC 16

2.3 Công nghệ chế tạo IC 17

2.3.1 Thiết kế 17

2.3.2 Xử lý 19

2.5 Cấu trúc và thành phần IC 21

2.5.1 Cấp hệ thống 21

2.5.2 Cấp mô đun 21

2.5.3 Đăng ký mức chuyển giao (RLT) 21

2.5.4 Cổng cấp 22

2.5.5 Mật độ bóng bán dẫn 23

2.6 Công dụng của IC 24

2.7 Tổng kết chương 24

PHẦN 3: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 25

3.1 Ưu điểm của vi mạch điện tử IC 25

3.2 Nhược điểm của vi mạch điện tử IC 26

3.3 Tổng kết chương 27

PHẦN 4: ỨNG DỤNG 27

4.1 Phân loại IC 27

4.1.1 Phân loại IC theo khả năng xử lý tín hiệu 27

4.1.2 Phân loại IC dựa vào số lượng transistor/CMOS/số cổng (gate) có trong vi mạch 28

4.1.3 Phân loại dựa vào mức độ tích hợp 28

4.1.4 Phân loại dựa vào công nghệ chế tạo 29

4.3 Ứng dụng của thiết bị mạch bán dẫn 29

4.4 Ứng dụng thiết bị bán dẫn 30

4.5 Tổng kết chương 31

KẾT LUẬN 32

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của mỗi quốc gia hiện hay, ngành Vật liệu nắm một vai trò vô cùng quan trọng Không những đóng góp cho nền kinh tế mà ngành Vật liệu còn góp phần phát triển, mang lại Với quốc gia đang mạnh và phát triển về ngành Vật liệu, quốc gia đó sẽ có điểm tựa vững chắc để phát triển mạnh mẽ nền kinh tế của mình

Chính vì sự đa dạng và phát triển của ngành nên em đã chọn Vật liệu là con đường phát triển của mình Hơn bao giờ hết, Vật liệu bán dẫn là một trong những thứ cần thiết quan trọng trong quá trình ứng dụng vào đời sống, hỗ trợ rất nhiều cho con người vào đời sống Việc nghiên cứu và phát triển đế linh kiện cũng như là linh kiện bán dẫn là một công việc thiết yếu và được cho là vô cùng quan trọng vì hầu hết các thiết bị điện tử, các máy móc thiết bị đều sử dụng linh kiện Vậy để sản xuất ra được linh kiện bán dẫn, chúng ta cần phải biết được quá trình tạo ra đế linh kiện bán dẫn như thế nào.

Sau thời gian học tập cũng như tìm hiểu trên nhiều nguồn kiến thứckhác nhau chúng em đã nhận thức sâu sắc hơn tầm quan trọng đó, em quyết định chọn chủ đề “TÌM HIỂU VỀ BIẾN TÍNH TRONG SẢN XUẤT LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ VI MẠCH TÍCH HỢP” làm đề tài cho bài báo cáo thực tập của chúng em.

DANH MỤC VIẾT TẮT

PVC Polyvinyl chloride Nhựa nhiệt dẻoESD Electrostatic discharge Sự phóng tĩnh điệnRTL Register-transfer level Mức độ truyền thanh

Transistor

Transistor có cực điềukhiển cách lyBJT Bipolar junction

USD United States Dollar Đồng tiền đô la Mỹ

IC integrated circuit Vi mạch tích hợp

AC Alternating current Điện xoay chiều

MỤC LỤC HÌNH ẢN Hình 1 1: Transistor đầu tiên 8 Hình 1 2: Jack Kilby và những con chip IC hiện đại 9

Hình 1 3: Vi mạch điện tử đầu tiên trên thế giới do Jack Kilby phát

minh 9

Hình 1 4: Hình ảnh transistor NPN 11

Hình 1 5: Hình ảnh transistor PNP 12

Y Hình 2 1: Quy trình tạo ra chip IC 16

Hình 2 2: Cấu tạo cơ bản của IC 17

Hình 2 3: Quy trình xử lý wafer 20

Hình 2 4: Quy trình làm ra IC trên nền silicon 20

Hình 2 5: Hình ảnh quá trình chuyển giao dữ liệu 22

Hình 2 6: Kí hiệu BJT 23

Hình 2 7: Kí hiệu mạch MOSFET 24

Hình 4 1: Các loại IC khác nhau 28

Hình 4 2: Hình ảnh cho thấy sự phổ biến của bán dẫn 30

Hình 4 3: Hình ảnh các chip bán dẫn 31

Hình 4 4: Các bóng bán dẫn 31

Hình 4 5: Bản mạch IC 31

Hình 4 6: Hình ảnh bóng bán dẫn dưới góc nhìn phóng đại 31

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái quát về linh kiện bán dẫn

Linh kiện bán dẫn hay phần tử bán dẫn là linh kiện điện tử khai tháccác vật liệu có tính bán dẫn như silic, germani, arsenua galli cũng như cácchất bán dẫn hữu cơ khác Các linh kiện này sử dung dẫn truyền điện tử ởdạng rắn, một điểm khác biệt so với các các linh kiện điện tử chân khôngdùng dẫn truyền ở dạng phát xạ nhiệt hay khí Vì thế chúng được thay thếcác linh kiện ion nhiệt trong hầu hết ứng dụng

Trong linh kiện bán dẫn thì hai dạng rời và vi mạch được gia công,kết nối trên một nền bán dẫn duy nhất là tấm wafer

1.2 Lịch sử

Sự ra đời của câc chất bân dẫnlần đầu tiín được đânh dấu bởi sựkiện phât minh bộ phât minh (AC –

DC converter) văo năm 1874 Đếnnăm 1946, Đại học Pennsylvania –

Mỹ đê cho xđy được hệ

thống mây tính đầu tiín sử

dụng đỉn chđn không nhưng kích thước quâ lớn của nó chiếm gần như toăn

bộ ngôi nhă, đồng nghĩa với việc lượng điện tiíu thụ cùng nhiệt tỏa ra lă rấtlớn Năm 1947, Bardeen vă Brattain tại Bell Laboratories – Mỹ đê phâtminh ra transistor tiếp điểm, sau đó một năm lă sự ra đời của transistor lớpchuyển tiếp do Shockley phât minh Năm 1956, sự nghiín cứu vă phâttriển bóng bân dẫn đê đạt giải thưởng Nobel danh giâ do ba nhă vật lý tăinăng Shockley, Bardeen, Brattain thực hiện tiếp nối sự phât triển của bóngbân dẫn lă tốc độ vượt bậc của công nghiệp bân dẫn Số liệu được tính toânchỉ trong một năm sau lă quy mô hơn 100 triệu USD Đến năm 1959, mạchtích hợp lưỡng cực IC được phât minh bởi nhă nghiín cứu Kilby vă Noyce,đânh dấu sự mở cửa con đường phât triển mới của kỷ nguyín IC Chiếc ICđầu tiín năy được Jack Kilby phât minh ra để giải quyết những vấn đề mẵng gặp phải Nó được tạo thănh từ silicon Nổi bật với những ưu điểm như

Hình 1 2: Transistor đầu tiín Hình 1 1: Jack Kilby vă những con chip IC hiện đại

kích thước, trọng lượng nhỏ nhẹ, các vi mạch ngày càng được sử dụngrộng rãi trong loạt các thiết bị điện Hãng sản xuất Texas Instruments đãphát triển chiếc máy tính để bàn sử dụng IC vào năm 1967 Cuộc đua “IC”bắt đầu nổ ra sau khi Nhật Bản cũng bắt tay vào sản xuất một chiếc máytính khác và diễn ra khốc liệt đến đến những năm 1970, IC được cải tiến,

và quy mô tích hợp lớn hơn (LSI) Sau đó, các linh kiện VLSI (100.000 –10.000.000 linh kiện tích hợp trên mỗi chip) được phát triển vào nhữngnăm 1980, ULSI (hơn 10 triệu linh kiện trên mỗi chip) được phát triển vàonhững năm 1990 Tiếp sau đó là sự phát triển của LSI ( một LSI đa chứcnăng với nhiều chức năng được tích hợp trong 1 chip)

Hình 1 3: Vi mạch điện tử đầu tiên trên thế giới do Jack Kilby phát minh

Ngày nay, chất bán dẫn đã có mặt trên hầu như mọi thiết bị phục vụtrong mọi lĩnh vực Phổ biến nhất là silic, với điểm mạnh là chi phí nguyênliệu thấp, gia công đơn giản, phạm vi nhiệt độ rộng, có khả năng chế tạothành tấm nền có đường kính lên đến 300mm (12 inches) Trong khiGermani là loại vật liệu bán dẫn được sử dụng đầu tiên, nhưng một điểmtrừ làm nó kém hơn silic là sự nhạy nhiệt Hiện nay, để phát huy đến ưuđiểm của hai loại vật liệu này, người ta đã kết hợp chúng các linh kiệnSiGe tốc độ cao Một trong những nhà sản xuất đi đầu trong lĩnh vực này làIBM Ngoài ra, Arsenua galli (GaAs) cũng được sử dụng rộng rãi trong các

linh kiện tốc độ cao, nhưng để chếtạo được tấm nền lớn thì rất lớn,

và chi phí cũng đắt hơn silic rấtnhiều Ngoài những vật liệu nàythì những loại khác cũng đangđược nghiên cứu và phát triển.Đơn cử là carbide silic (SiC) được ứng dụng trong sản xuất linh kiện cho

diot phát sáng xanh lam (LED), một loại linh kiện có khả năng chịu nhiệt

độ hoạt động rất cao cùng môi trường vức xạ ion hóa lớn, ngoài ra các hợpchất indi như (arsenua, antimonua, phosphua indi) cũng được ứng dụngtrong sản xuất LED và diot laser Một ví dụ cho việc chế tạo chế tạo linhkiện từ SiC là diot IMPATT

1.3 Cấu tạo của linh kiện bán dẫn

Ví dụ: transistor trong IC

Vi mạch điện tử hay còn có tên gọi IC (Integrated Circuit - mạch tích

hợp) là một thuật ngữ quen thuộc với các kỹ sư công nghệ Đây là loại linh

kiện điện tử cốt lõi có nhiều ứng dụng thiết thực

1.3.1 Định nghĩa

Diode bán dẫn là loại linh kiện bán dẫn có một tiếp giáp P-N, có vỏbằng thủy tinh, nhựa hoặc kim loại Có hai dây dẫn ra là hai điện cực: Anot(A), Catot (K) Linh kiện bán dẫn tranzito có 3 điện cực, trixto có 3 lớptiếp giáp P-N, có vỏ bằng nhựa hoặc kim loại, có 3 dây dẫn ra: Anot (A),Catot (K), cực điều khiển (G) Triac và Diac cũng là loại linh kiện bán dẫn

có 3 điện cực A1, A2, G, cả hai đều có cấu tạo giống nhau nhưng Diackhông có cực điều khiển G Một trong những nghiên cứu sản xuất các tếbào năng lượng mặt trời là sulfile Seleni, một chất bán hữu cơ được sửdụng cho diot phát sáng hữu cơ

1.3.2 Cấu tạo

Diode được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp p-n, có hai cực, anot A là cựcnối với lớp p, catot K là cực nối với lớp n Dòng điện chạy theo chiều từ Ađến K khi dòng qua diode bằng không

1.3.3 Đặc tính

Với transistor NPN:

Hình 1 4: Hình ảnh transistor NPN

 Cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C - E (Trong đó (+) là nguồn vào cực C, (-) là nguồn vào cực E).

 Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B – E (trong đó cực (+) vào chân B và cực (-) vào chân E)

 Khi công tắc mở, mặc dù hai cực C - E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua (lúc này dòng IC = 0)

 Khi công tắc đóng, mối P – N được phân cực thuận khi đó có dòng điện chạy từ nguồn (+) UBE qua công tắc tới R hạn dòng và qua mối

 IC: dòng chạy qua mối CE

 IP: dòng chạy qua mối BE

 Β: hệ số khuếch đại của transistor

Các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N khi có điện UCE để tạo thanh những dòng điện, vì lớp bán dẫn P tại cực rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp khi xuất hiện dông điên IBE , cho nên số điện tử tự

do từ các lớp bán dẫn nhỏ ở trong các điện tử đó lấp vào các lỗ trống tạo thành dòng IB Số điện tử bị hút về cực C dưới tác dụng của điện áp UCE chiếm phần lớn , tạo thành dòng ICE qua transistor

Với transistor PNP:

Tương tự nguyên lý hoạt động của transistor NPN nhưng hoạt động của transitor PNP có cực tính của các

nguồn điện UCE và UBE ngược lại Đối với dòng IC thì từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B

1.3.4 Chức năng

Ta thấy được hai chức năng chính của transistor đó chính là transistorcông tắc và transistor khuếch đại Transistor công tắc có vai trò như một chiếc khóa điện tử để kích hoạt chế độ bật tắt cho các ứng dụng năng lượngcao và thấp Transistor khuếch đại có vẻ như gần gũi hơn khi chúng được dùng để khuếch đại âm thanh, hình ảnh của các thiết bị như điện thoại, TV hay các thiết bị điện tử khác

1.3.5 Ưu nhược điểm Transistor

 Ưu điểm:

o Transistor có mức độ tiêu thụ điện năng và độ trễ gần như không lớn, không chứa chất độc hại bởi chúng không có bộ phận làm nóng cathode

o Với kích thước nhỏ và nhẹ hơn nên sản phẩm được tối ưu hơn rất nhiều

o Hiện nay, transistor phát huy vai trò bởi chúng rất tốt với các thiết bị hiện đại bởi vì chúng được sử dụng mức điện áp hoạt động nhỏ gần bằng với pin tiểu

o Ngoài ra chúng còn có hiệu suất cao và tuổi thọ dài, ít bị vỡ nên được ưa chuộng sử dụng

 Nhược điểm:

o Khả năng hoạt động suy giảm theo thời gian, chúng chỉ hoạt động tốt tần số nhỏ còn với công suất lớn và tần số cao thì chúng tỏ ra chưa phù hợp

Hình 1 5: Hình ảnh transistor PNP

o Dễ hỏng nếu sốc điện hay nhiệt, rất nhạy cảm với bức xạ.

1.4 Kết luận chương

Chương này, tác giả tập trung vào khái niệm, lịch sử, và một phần cấutạo nhỏ của Transistor có trong linh kiện bán dẫn Trình bày một số đặctính, cấu tạo, ưu và nhược điểm của transistor Đưa ra cho chúng ta đượcnguyên lý hoạt động của transistor NPN và PNP.Từ điều này tác giả đãgiúp cho chúng ta hiểu được một phần linh kiện có bên trong

PHẦN 2: TÍNH CHẤT 2.1 Phương pháp chế tạo IC

MEMS là một công nghệ mà ở dạng tổng quát nhất của nó có thể được định nghĩa là các phần tử cơ điện và cơ điện thu nhỏ (tức là các thiết bị và cấu trúc) được tạo ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật chế tạo vi mô Các kích thước vật lý quan trọng của thiết bị MEMS có thể thay đổi từ dưới một micrômet ở đầu dưới của phổ kích thước, cho đến vài milimét Tương

tự như vậy, các loại thiết bị MEMS có thể thay đổi từ cấu trúc tương đối đơn giản không có phần tử chuyển động đến hệ thống cơ điện cực kỳ phức tạp với nhiều phần tử chuyển động dưới sự điều khiển của vi điện tử tích hợp Một tiêu chí chính của MEMS là có ít nhất một số phần tử có một số loại chức năng cơ học cho dù các phần tử này có thể di chuyển hay không Thuật ngữ được sử dụng để định nghĩa MEMS khác nhau ở các khu vực khác nhau trên thế giới Ở Hoa Kỳ, chúng chủ yếu được gọi là MEMS, trong khi ở một số nơi khác trên thế giới, chúng được gọi là “Công nghệ hệthống vi mô” hoặc “thiết bị vi cơ”

Trong khi các yếu tố chức năng của MEMS là cấu trúc thu nhỏ, cảm biến, thiết bị truyền động và vi điện tử, thì các yếu tố đáng chú ý nhất (và

có lẽ thú vị nhất) là cảm biến vi mô và bộ phản ứng vi mô Bộ cảm biến vi

mô và bộ phản ứng vi mô được phân loại một cách thích hợp là “bộ chuyển

đổi”, được định nghĩa là những thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác Trong trường hợp cảm biến vi mô, thiết bị thường chuyển đổi tín hiệu cơ đo được thành tín hiệu điện.

Tầm nhìn về MEMS theo đó các cảm biến vi mô, bộ vi phản ứng, vi điện tử và các công nghệ khác, có thể được tích hợp vào một vi mạch duy nhất, được kỳ vọng sẽ là một trong những bước đột phá công nghệ quan trọng nhất trong tương lai Điều này sẽ cho phép phát triển các sản phẩm thông minh bằng cách tăng cường khả năng tính toán của vi điện tử với khảnăng nhận thức và điều khiển của cảm biến vi mô và bộ phản ứng vi mô Các mạch tích hợp vi điện tử có thể được coi là "bộ não" của hệ thống và MEMS tăng cường khả năng ra quyết định này với "mắt" và "cánh tay", để cho phép các hệ thống vi mô cảm nhận và kiểm soát môi trường Cảm biếnthu thập thông tin từ môi trường thông qua việc đo các hiện tượng cơ học, nhiệt, sinh học, hóa học, quang học và từ tính Sau đó, thiết bị điện tử xử lýthông tin thu được từ các cảm biến và thông qua một số khả năng ra quyết định, chỉ đạo các bộ truyền động phản ứng bằng cách di chuyển, định vị, điều chỉnh, bơm và lọc, do đó kiểm soát môi trường cho một số kết quả hoặc mục đích mong muốn Hơn nữa, bởi vì các thiết bị MEMS được sản xuất bằng kỹ thuật chế tạo hàng loạt, tương tự như IC, các mức độ chức năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng có có thể được đặt trên một chip silicon nhỏ với chi phí tương đối thấp Công nghệ MEMS vô cùng đa dạng

và màu mỡ, cả trong các lĩnh vực ứng dụng dự kiến của nó, cũng như cách các thiết bị được thiết kế và sản xuất Hiện tại, MEMS đang cách mạng hóanhiều danh mục sản phẩm bằng cách cho phép hiện thực hóa các hệ thống hoàn chỉnh trên một con chip

Công nghệ nano là khả năng điều khiển vật chất ở cấp độ nguyên tử hoặc phân tử để tạo ra thứ gì đó hữu ích ở quy mô kích thước nano Về cơ bản, có hai cách tiếp cận trong việc triển khai: từ trên xuống và từ dưới lên

Theo cách tiếp cận từ trên xuống, các thiết bị và cấu trúc được tạo ra bằng nhiều kỹ thuật tương tự như được sử dụng trong MEMS ngoại trừ chúng được tạo ra với kích thước nhỏ hơn, thường bằng cách sử dụng các phươngpháp khắc và khắc quang học tiên tiến hơn Cách tiếp cận từ dưới lên thường bao gồm các công nghệ lắng đọng, phát triển hoặc tự lắp ráp Ưu điểm của các thiết bị kích thước nano so với MEMS liên quan đến các lợi ích chủ yếu bắt nguồn từ các quy luật về tỷ lệ, điều này cũng có thể gây ra một số thách thức.

Công nghệ MEMS đang trở nên phụ thuộc vào công nghệ nano để tạo ra các sản phẩm mới thành công Ví dụ, máy đo gia tốc túi khí va chạm được sản xuất bằng công nghệ MEMS có thể bị suy giảm độ tin cậy lâu dài do hiệu ứng ngẫu nhiên trong sử dụng động giữa khối lượng bằng chứng và chất nền Một công nghệ nano được gọi là lớp phủ một lớp tự lắp ráp (SAM) hiện được sử dụng thường xuyên để xử lý bề mặt của các phần tử MEMS chuyển động để ngăn chặn các hiệu ứng ma sát xảy ra trong suốt thời gian sử dụng của sản phẩm

Nhiều chuyên gia đã kết luận rằng MEMS và công nghệ nano là hai nhãn hiệu khác nhau về bản chất là một công nghệ bao gồm những thứ cực nhỏ không thể nhìn thấy bằng mắt người Lưu ý rằng một định nghĩa rộng tương tự tồn tại trong lĩnh vực mạch tích hợp thường được gọi là công nghệ vi điện tử mặc dù các công nghệ vi mạch hiện đại thường có các thiết

bị có kích thước hàng chục nanomet Cho dù MEMS và công nghệ nano cógiống nhau hay không, thì không cần nghi ngờ rằng có sự phụ thuộc lẫn nhau áp đảo giữa hai công nghệ này và sẽ chỉ tăng lên theo thời gian Có lẽđiều quan trọng nhất là những lợi ích chung mà các công nghệ này mang lại, bao gồm: tăng khả năng thông tin; thu nhỏ hệ thống; vật liệu mới kết quả từ khoa học mới ở quy mô chiều thu nhỏ; và tăng cường chức năng và quyền tự chủ cho hệ thống