công nghệ sản xuất silic và phiến silic

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

9

:

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Anh Sơn
Lưu Thị Sáu
Bùi Thị Sự
Đinh Thị Tâm

Hà Nội, tháng 4 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

9

:

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Anh Sơn
Lưu Thị Sáu
Bùi Thị Sự
Đinh Thị Tâm

Hà Nội, tháng 4 năm 2017


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ PHIẾN SILIC .......................... 1
1.1. Đại cương về Silic ................................................................................ 1
1.1.1. Giới thiệu về Silic ......................................................................... 1
1.1.2. Tính chất vật lý.............................................................................. 2

1.1.3. Tính chất hóa học .......................................................................... 3
1.1.4. Sự tồn tại của Silic ........................................................................ 3
1.2. Đại cương về phiến silic ...................................................................... 4
1.2.1. Giới thiệu về phiến silic ................................................................ 4
1.2.2. Tính chất của phiến silic ............................................................... 5
CHƯƠNG II: SẢN XUẤT SILIC .................................................................. 8
2.1. Phương pháp bằng phương pháp carbothermic ................................... 8
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 cơ 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 của phiến silic ................................................................... 19
4.2.1. Giới thiệu về 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 về Silic
1.1.1. Giới thiệu về Silic
Silic là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ trái đất và
chiếm 27% phần vỏ trái đất, đứng thứ 2 sau Oxy về độ phổ biến. Trong tự nhiên

Silic có 3 đồng vị:

28

Si(92, 27%) , 29Si(4,68%) ,

30

Si(3,05%)

Silic được sử dụng rộng rãi trong công nghệ luyện kim và kỹ thuật bán
dẫn. Trong thiên nhiên ta chỉ gặp Silic dưới dạng hợp chất: silic dioxit ( SiO2 ) và
dưới dạng muối của acid silicic (silicate). Phổ biến nhất là aluminosilicate. Ứng
với loại này là các khoáng đá fenspat, mica, caolanh, v.v…Ngoài ra, silic còn có
trong thành phần các chất hữu cơ.

Silic là nguyên tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công
nghiệp. Điôxít silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong chế
tạo bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng Portland. Silic là nguyên tố
rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ
nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào. Các ứng dụng khác có:
+ Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất các vật liệu
chịu lửa và các silicat của nó được sử dụng trong sản xuất men sứ và đồ gốm.
+ Thép - Silic là thành phần quan trọng trong một số loại thép.

1


+ Đồng thau - Phần lớn đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim
của đồng với silic.

+ Thủy tinh - Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Thủy tinh
có thể sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với những thuộc tính lý học khác
nhau. Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ
chứa (chai lọ), và sứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác.
+ Giấy nhám - Cacbua silic là một trong những vật liệu mài mòn quan
trọng nhất.
+ Vật liệu bán dẫn - Silic siêu tinh khiết có thể trộn
thêm asen, bo, gali hay phốtpho sđể làm silic dẫn điện tốt hơn trong
các transistor, pin mặt trời hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong
công nghiệp điện tử và các ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác.
Nói chung, silic chiếm lượng nhỏ trong cơ thể sinh vật. Tuy nhiên với
một số sinh vật biển có tích tụ một lượng lớn silic, như là tảo cát (diatom), trùng
tia (radiolaria) và bọt biển.
1.1.2. Tính chất vật lý
Silic tinh khiết ở dạng tinh thể hình lập phương có cấu trúc tương tự như
kim cương. Trong mạng tinh thể đó mỗi nguyên tử silic liên kết với 4 nguyên tử
silic khác tạo bao quanh kiểu hình tứ diện đều. Độ dài của liên kết Si-Si là 2,34
0

A . Giống với kim cương, silic tinh thể cũng cứng (có độ cứng bằng 7) , rất khó

nóng chảy và khó sôi ( nhiệt độ nóng chảy là: 1428℃, nhiệt độ sôi là: 3280℃)
và có tỉ khối là 2,33. Trong tinh thể có một phần nào đó sự không dịch chỗ của
liên kết nên silic có màu xám, có ánh kim và là chất bán dẫn( E  1,12eV ). Silic
bán đẫn chịu được nhiệt độ cao (250℃)

2


1.1.3. Tính chất hóa học

Silic tinh thể khá trơ về phương diện hóa học khi ở nhiệt độ thấp, nó
không phản ứng với hầu hết các đơn chất và hợp chất trừ Flo.

Si  2F2  SiF4
Ở nhiệt độ cao, silic tham gia phản ứng và thể hiện trước hết là tính khử .
Chẳng hạn, ở 400℃ nó bị clo ôxy hóa, 600℃ nó bị oxy ôxy hóa; với nitơ chỉ tác
dụng khi đạt 1000℃; còn với cacbon ở 2000℃ tạo thành Si3 N 4 và SiC .
Silic bị thụ động hóa trong acid, chỉ tan trong HNO3 + HF.

3Si  4HNO3  18HF  3H 2 SiF6  4 NO  8H 2O
Tan mãnh liệt trong kiềm giải phóng hidro.

Si  H 2O  2KOH  K2 SiO3  2H 2
Ở khoảng nhiệt độ 800-900℃, silic có tác dụng với một số kim loại như
magie, canxi, sắt, platin, đồng tạo thành silixua.
2Mg  Si  Mg2 Si

1.1.4. Sự tồn tại của Silic
Silic suất hiện ở dạng oxit trong thạch anh, cát và kết hợp với các kim
loại ở dạng phức trong silicate đặc biệt là đá macma. Sự phân hủy silicate là một
quá trình phức tạp , nói chung là sự thủy phân các muối của silic trong thành
phần khoáng đá. Kết quả là khoáng sét được hình thành và silic được giải phóng
3


vào môi trường nước tự nhiên dưới dạng keo , polymer, acid silicic hoặc ion
silicate và hòa tan vào dòng chảy sau đó đổ ra biển.
Trong nước silic chủ yếu bắt nguồn từ các loại đá, các loại tảo vỏ, tảo
silic, trùng tia, trùng roi silic… tiêu thụ trực tiếp silic hòa tan và tạo thành cấu
trúc màng tế bào trong thời gian rất ngắn (vài giờ hoặc vài ngày) ở dạng silic vô

định hình. Dạng silic vô định hình này được tái tuần hoàn rất nhanh vào các cột
nước trong quá trình phân hủy xác thủy sinh vật tiêu thụ silic.
Silic tồn tại trong nước theo các dạng dưới đây:

 HSiO3
 SiO32
 Si (OH )62
 H 4 SiO4
 SiO2
Sự hiện diện của silic hòa tan phụ thuộc vào độ pH bởi vì silic chỉ tan ít
trong độ pH thông thường từ 6-8. Acid silicic ( H 4 SiO4 ) là dạng hợp chất hóa học
của silic hòa tan trong nước biển. Nồng độ silic hòa tan là chỉ thị(valuable
tracer) của sự chuyển khối nước hoặc quá trình hỗn hợp.
Nồng độ silic trong nước tự nhiên nằm trong khoảng từ 1-30mg/L, khi
nồng độ silic tang đên 100mg/L thì môi trường trở nên bất thường. Tuy nhiên có
thể tìm thấy nồng độ silic lên đến 1000mg/L trong nước lợ, nước mặn, đặc biệt
là nhiệt dịch (geothermal waters) liên quan đến hoạt động núi lửa.
Hàm lượng silic trong nước biển biến thiên trong khoảng 0-0,62mg/L,
nồng độ silic trong nước sông nói chung cao gấp 15 lần so với nước biển bề mặt.
Nước thải sinh hoạt cũng chứa một lượng lớn silic do con người sử dụng một số
loại chất có chứa silic trong quá trình tẩy rửa, làm mềm vải.
1.2. Đại cương về phiến silic
1.2.1. Giới thiệu về phiến silic

4


Phiến silic, hay còn gọi là lát mỏng hay lớp nền, là một miếng mỏng chất
bán dẫn như silic tinh thể. Nó được sử dụng trong các thiết bị điện tử để chế tạo
các mạch tích hợp và trong quang điện để chế tạo pin mặt trời truyền thống.

Phiến silic đóng vai trò như chất nền trong các thiết bị vi điện tử được xây dựng
bên trong và bên trên bề mặt của phiến silic, nó trải qua nhiều bước chế tạo vi
mô như pha tạp, cấy ion, khắc, lắng đọng các vật liệu khác nhau và tạo mẫu.
Cuối cùng các vi mạng đơn lẻ được tách ra và đóng gói.
Phiến silic được hình thành với độ tinh khiết cao (99,999999%), hầu như
không có khuyết tật vật liệu silic tinh thể. Một quy trình hình thành các tấm tinh
thể được gọi là Czochralski được
phát minh bởi nhà hóa học người Ba
Lan:Jan Czochralski. Trong quá
trình này một phôi hình trụ có độ
tinh khiết cao bán dẫn đơn tinh thể
được hình thành bằng các kéo một
mầm tinh thể từ lượng nẫu chảy. Sau
đó được cắt lát bằng máy cưa đĩa và đánh bóng hình thành tấm bán dẫn.
Phiến silic được đánh bóng bằng acid yếu để loại bỏ các hạt không mong
muốn hoặc sửa chữa hư hỏng gây ra trong quá trình cưa . khi sử dụng cho các tế
bào năng lượng mặt trời, các tấm sợi được tạo thành để tạo ra một bề mặt nhám
để tăng hiệu quả của chúng.
1.2.2. Tính chất của phiến silic
- Kích thước tiêu chuẩn
Phiến silic được chế tạo với nhiều đường kính khác nhau để sử dụng
trong nhiều mục đích khác. Đường kính càng gia tang nhằm cải thiện thông
lượng và giảm chi phí chế tạo. Các phiến silic được chế tạo với những đường
kính như sau:

5


+ 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) hoặc 125 mm (4,9
inch). Độ dày 625 μm.
+ 150 mm (5,9 inch, thường được gọi là "6 inch"). Độ dày 675 μm.
+ 200 mm (7,9 inch, thường được gọi là "8 inch"). Độ dày 725 μm.
+ 300 mm (11,8 inch, thường được gọi là "12 inch"). Độ dày 775 μm.
+ 450 mm (17,7 inch). Độ dày 925 μm (đề xuất).
Phiến silic được hình thành từ các vật liệu khác nhau với silic sẽ có bề
dày khác nhau so với một tấm silic có cùng đường kính. Độ dày của phiến silic
phụ thuộc vào độ bền cơ học của vật liệu được sử dụng; nó phải đủ dày để
không bị nứt trong quá trình vận chuyển.
- Định hướng tinh thể
Các phiến được hình thành từ tinh thể có cấu trúc chuẩn, với silic có cấu
trúc khối kim cương với khoảng các mạng là (0,54nm). Khi được cắt thành các
phiến, bề mặt được căn chỉnh theo một hướng tương đối gọi là định hướng tinh
thể. Định hướng được xác định bởi chỉ số Miller với mặt (100) hoặc (111) là phổ
biến nhất đối với silic. Nó có vai trò rất quan trọng bởi vì nhiều thuộc cấu trúc
và điện tử của tinh thể đơn đều rất đẳng hướng
- Pha tạp các tạp chất
Các phiến silic không phải là silic tinh khiết 100%, mà được tạo thành
với nồng độ tạp chất từ 1013  1016 nguyên tử mỗi cm3 của Brom, Photpho hoặc
6


antimon được thêm vào chất tan và định nghĩa các tấm silic là bán dẫ loại n hoặc
loại p. Tuy nhiên so với mật độ nguyên tử silic đơn nguyên tử 5 1022 mỗi cm
thì vẫn cho độ tinh khiết lớn 99,99999%.

7

3


CHƯƠNG II: SẢN XUẤT SILIC
2.1. Phương pháp bằng phương pháp carbothermic
Từ đầu thế kỷ, silic đã được sản xuất bằng phản ứng oxi hóa của Cacbon
với silic dioxit:
SiO2 + 2C → Si + 2 CO ΔH298 = 695 kJ
Một cách khác để sản xuất Si từ SiO2 là phản ứng nhiệt Nhôm:
3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3 ΔH298 = - 619 kJ

Hình 1 cho thấy năng lượng tự do ΔG0 trong hai phản ứng nằm trong
khoảng từ 900K đến 2100 K. Trong khi phản ứng carbothermic của SiO2 dưới
2000 K, thì phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng trong toàn bộ dải nhiệt độ.
Trong phản ứng carbothermic, xảy ra một số phản ứng phụ:
SiO2 + C → SiO + CO
SiO2 + 3C → SiC + 2 CO
Các phản ứng này tạo ra các sản phẩm không cần thiết và cần phải tránh.
Đối với sản xuất silic, người ta sử dụng lò nung điện với điện cực graphit
8


Lò hồ quang điện để sản xuất Silic
a) Cửa vào silica và cacbon

b) Máy giữ điện cực

c) Điện cực tiếp xúc

d) Điện cực cacbon

e) Cửa tháo
Nguyên tắc họat động:
- Silica (thạch anh…) được trộn với chất khử là cacbon (như gỗ, than
củi ,…) được đưa vào lò ở cửa vào a. Tùy vào độ tinh khiết của các yêu cầu ứng
dụng cuối cùng mà silica và cacbon được lựa chọ một cách cẩn thận và có độ
tinh khiết nhất định
- Hỗn hợp được đổ vào một nồi nóng chảy có đường kính vài mét. Tại
đây hỗn hợp được nung đến trạng thái lỏng nhờ sự sụt giảm điện của điện
cực carbon mà cung cấp năng lượng điện cho lò và lò đạt được nhiệt độ rất cao
phù hợp với phản ứng cần (khoảng 3 000 ° C trong khu vực của hồ quang
điện ở mũi của các điện cực).
- Tại điện cực cacbon với nhiệt độ của phản ứng khoảng 19000C thì
cacbon sẽ khử silica thành silic theo phản ứng:
9


SiO2 + 2C → Si + 2 CO
- Silic lỏng sau khi phản ứng được thu hồi ở đáy lò sau đó nó được tháo
ra ở cửa e và làm được làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic
loại luyện kim và nó đạt độ tinh khiết khoảng 99%.
* Làm sạch Silic
Phương pháp vật lý
Trong khu vực nung chảy, phương pháp đầu tiên làm tinh khiết silic
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các thỏi silic phẩm cấp công
nghiệp được nung nóng tại một đầu. Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động rất chậm
dọc theo chiều dài của thỏi, giữ cho chỉ một đoạn ngắn của thỏi nóng chảy và
silic được làm nguội và tái đông đặc ở phía sau nó. Vì phần lớn các tạp chất có
xu hướng nằm trong phần nóng chảy hơn là trong phần tái đông đặc, nên khi quá

trình này kết thúc, phần lớn tạp chất của thỏi sẽ chuyển về đầu nóng chảy sau
cùng. Đầu này sau đó bị cắt bỏ, và quy trình này được lặp lại nếu muốn có silic
với phẩm cấp cao hơn.
Phương pháp hóa học
Ngày nay, silic được làm sạch bằng cách chuyển nó thành các hợp chất
silic để dễ dàng làm tinh khiết hơn là làm tinh khiết trực tiếp silic, và sau đó
chuyển hợp chất của nó trở lại thành silic nguyên chất. Triclorosilan là hợp chất
của silic được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầu tetraclorua
silic và silan cũng được sử dụng. Khi các khí này được thổi qua silic ở nhiệt độ
cao, chúng phân hủy để tạo ra silic có độ tinh khiết cao.
Trong công nghệ Siemens, các thỏi silic có độ tinh khiết cao được đưa
vào triclorosilan ở nhiệt độ 1150 °C. Khí triclorosilan phân hủy và lắng đọng
silic bổ sung trên thỏi, làm to nó theo phản ứng sau:
2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4

10


Silic sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi là silic
đa tinh thể. Silic đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức một phần tỷ hoặc
thấp hơn.
Cùng thời gian đó, DuPont đã sản xuất silic siêu sạch bằng cách
cho tetrachorua silic phản ứng với hơi kẽm nguyên chất ở nhiệt độ 950 °C, theo
phản ứng:
SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn
như sản phẩm phụ clorua kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng
nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens.
2.2. Một số phương pháp sản xuất silic khác
- Sản xuất silic bằng silicon tetrafluoride, đây là sản phẩm phụ của quá

trình sản xuất phân bón superphosphate. Quặng chứa CaF2, được chuyển thành
HF khi xử lý bằng H2SO4; sau đó HF phản ứng với SiO2 để tạo ra SiF4, SiF4
phản ứng với H2Otrong điều kiện thích hợp tạo ra H2SiF6. Natri florua được
thêm vào H2SiF6 để hình thành
H2SiF6 + 2 NaF → Na2SiF6 + 2 HF
Sau khi lọc và sấy, Na2SiF6 bị phân hủy ở 920 K:
Na2SiF6 → SiF4 + NaF
Sau đó, SiF4 được tinh chế bằng cách cho nó qua vùng có nhiệt độ ở
1070 K để loại bỏ không khí và SO2 và chưng cất tiếp. Silic tetrafluoride có thể
điều chế bằng cách cho nó phản ứng với Natri:
SiF4 + 4 Na → Si (bột) + 4 NaF
Phản ứng này cung cấp một nhiệt độ là 770K đủ để duy trì quá trình
phản ứng. Để tách silic ra khỏi NaF, hỗn hợp Si-NaF được nóng chảy để tạo
thành hai pha không thể pha loãng được mà việc tách chất lỏng và chất lỏng (di
chuyển tạp chất từ silic sang NaF) sẽ làm sạch thêm. Quá trình giảm này được
gọi là quá trình SRI (Stanford Research Institute International Institute) .
11


- Một phương pháp khác để sản xuất H2SiF6 thành silic được sử dụng bởi
Ethyl Corporation
Na2SiF6 → SiF4 + NaF
SiF4 + NaAlH4 → SiH4 + NaAlF4
Ngoài ra, KalH4 hoặc hỗn hợp NaAlH4 và KalH4 có thể được sử dụng.
NaAlF4 được sử dụng trong sản xuất nhôm, và SiH4 bị phân hủy ở 1000 K để tạo
ra silic
1000𝐾

SiH4 →

Si + 2 H2

Có khoảng 150 phản ứng khác tạo ra silic, nhưng hầu hết chúng không
được sử dụng trong 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 cơ bản:
+ Silicon wafer là vật liệu phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi cho
các ngành công nghiệp công nghệ cao, bao gồm các mạch tích hợp, thiết bị cảm
biến, chế tạo MEMS, linh kiện quang điện tử và pin mặt trời

Hình: 2 inch (51 mm), 4 inch (100 mm),
6 inch (150 mm) và 8 inch (200 mm)
+ Các mẫu silicon tinh thể đơn và hoàn hảo đồng nhất, được làm từ Sitinh thể, được phát triển bởi quá trình Czochralski (CZ) hoặc Floatzone (FZ)
+ Sự phát triển của các tinh thể Si với mức độ hoàn hảo và tính đồng
nhất cao đòi hỏi quá trình thiết kế và công nghệ thiết bị phát triển cao. Thêm vào
đó, yêu cầu đối với tinh thể Si và kích thước của wafer ngày càng tăng do các lý
do kinh tế.
+ Các tấm silicon có nhiều kích thước khác nhau, nằm trong khoảng
đường kính từ 25,4 mm (1 inch) tới 300 mm (11,8 inch). Đường kính dần dần
gia tăng để cải thiện thông lượng và giảm chi phí, tuy rằng việc tăng kích thước
đòi hỏi trình độ , chi phí và kĩ thuật rất cao nhưng các nhà khoa học vẫn đang
nghiên cứu đưa vào sử dụng các tấm 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 hoặc n-type khi thêm boron hoặc photpho vào silicon
nóng chảy với số lượng chính xác
3.2. Sơ đồ công nghệ
3.2.1. Cơ sở lý thuyết chung:
a. Tăng trưởng tinh thể
Một là: quá trình Czochralski (CZ) : phát minh bởi nhà khoa học Ba
Lan J. Czochralski trong năm 1916 , là phương pháp được lựa chọn để sản xuất
số lượng lớn của Si đơn tinh thể với chất lượng vượt trội.
Hai là : quá trình Floatzone (FZ) : đây là phương pháp tạo ra tinh thể với
độ tinh khiết cao nhất, nhưng không dễ để sản xuất ra các phiến si với kích
thước lớn.( kích thước thông thường có thể đạt được theo phương pháp này là
150mm, chưa có nghiên cứu nào có thể làm ra phiến si kích thước 300mm). do
đó ,phương pháp này hiện nay chỉ được sử dụng cho 1 số chuyên ngành.
- Phương pháp Czochralski
Bắt đầu với silic tinh khiết, thành phần chính trong cát ở bờ biển, silic
được xử lý hóa học nhằm đạt được độ tinh khiết đến 99,9999%.
Silic đa tinh thể được nấu chảy ở 2500 °F (1370 °C) để loại bỏ tạp chất
và hình thành đơn tinh thể.
Một mẫu silic đơn tinh thể được nhúng vào silic nóng chảy, mẫu này
được quay đều và nâng dần lên với tốc độ 1,5 mm/phút. Từ đó khối silic đơn
tinh thể dần được hình thành, quá trình này có tên Czochralski. Sản phẩm cuối
cùng của quá trình này là một khối silicon hình trụ nặng khoảng 200 kg, đường
kính 200 mm được tạo bởi phương pháp nồi trục . Độ liên kết của tinh thể
silicon vững đến nỗi cả khối lượng lớn này được giữ bởi một thanh tinh thể mẫu
ban đầu nhỏ như cây bút chì.
Kiểm tra độ tinh khiết cũng như sự định hướng của tinh thể với các
phương pháp hoá học và tia X

- Đặc điểm của sản phẩm:

14


Các tỷ lệ vận tốc kéo (thường là một mm vài / phút) và các giá trị nhiệt
độ xác định đường kính tinh thể
Xác định nồng độ tạp chất trong tinh thể theo hệ số phân chia :
+ Độ tan của các nguyên tử tạp chất trong chất tan lớn hơn trong chất
rắn.
+ Tinh thể sẽ tinh khiết (sạch) hơn chất lỏng, tạp chấp sẽ phân bố càng
nhiều ở bên rìa nên càng vào giữa độ tinh khiết càng cao. nên ta phải loại bỏ
phần cuối cùng của tinh thể-nơi có nồng độ tạp chất cao
+ Sự phân bố tập chất sẽ thay đổi dọc theo chiều dài của một tinh thể rất khó để tạo được nồng độ đồng nhất
Nguyên

Cu

Ag

Au

C

Ge

Sn

4 · 10 -4

1-10 -6

2,5 ± 10 -5

6 · 10 -2

3,3 · 10 - 1,6 · 10 -2

tử
Kseg

1
Nguyên

O

S

Mn

Fe

Co

Ni

Ta

1,25

1-10 -5

1-10 -5

8 · 10 -6

8 · 10 -6

4 · 10 -4

1 10 -7

tử
Kseg

Hình: biểu đồ mối quan hệ của nồng độ tạp chất và tốc độ tăng trưởng
15


+ Cách khắc phục: bổ sung P và B để kích thích (hệ số phân chia của
chúng xấp xỉ 1), đảm bảo sự phân bố đồng nhất 1 chiều khi tăng trưởng tinh thể
Độ tinh khiết của bán dẫn được phân cho các phân khúc thị trường từ
Quân sự, Y tế rồi mới đến dân dụng, giảm dần theo yêu cầu về chất lượng sản
phẩm.
b. Sơ đồ công nghệ:

3.2.2. Sản xuất phiến si (si wafer)

16

Đòi hỏi kĩ thuật và khả năng rất cao vì cần chính xác về đường kính, độ
dày, độ phẳng tới 1µm (cho bề mặt hơn 1000 cm2 đối với phiến 300 mm) cho
hàng ngàn chiếc.
Tùy theo yêu cầu sử dụng đã xác định, khối tinh thể silicon được cắt
thành từng tấm mỏng với kích thước đường kính và độ dày khác nhau
Các bước đánh bóng và làm sạch cuối cùng được thực hiện trong
một phòng sạch nơi mà các tấm wafer được đóng gói để vận chuyển.Các tấm
này được đánh bóng thô và đánh bóng nhờ hoá chất cho đến khi đạt độ gồ ghề
dưới 1 phần triệu mm.
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng:
+ Nhiệt độ:
+ Độ tinh khiết của silic
+ Tốc độ kéo
+ Tốc độ quay
Sự xuất hiện của các yếu tố không mong muốn trong silic nóng chảy có
thể tránh được bằng cách kiểm tra và xác định chính xác các giá trị nhiệt độ và
tốc độ trong quá trình tăng trưởng tinh thể. Quá trình này thường được thực hiện
trong một môi trường trơ, như argon, trong một buồng trơ, như thạch anh.

17


CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG
4.1. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SILIC
Silic là nguyên tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công
nghiệp. Điôxít silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong chế
tạo bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng Portland. Silic là nguyên tố
rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ
nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào. Các ứng dụng khác có:

- Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất các vật liệu
chịu lửa và các silicat của nó được sử dụng trong sản xuất men sứ và đồ gốm.
- Thép - Silic là thành phần quan trọng trong một số loại thép.
- Đồng thau - Phần lớn đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim của
đồng với silic.
- Thủy tinh - Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Thủy tinh
có thể sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với những thuộc tính lý học khác
nhau. Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ
chứa (chai lọ), và sứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác.
- Giấy nhám - Cacbua silic là một trong những vật liệu mài mòn quan
trọng nhất.
- Vật liệu bán dẫn - Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm asen, bo, gali
hay phốtpho sđể làm silic dẫn điện tốt hơn trong các transistor, pin mặt trời hay
các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử và các ứng
dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác.
- Trong các photonic - Silic được sử dụng trong các laser để sản xuất ánh
sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm.
- Vật liệu y tế - Silicon là hợp chất dẻo chứa các liên kết silic-ôxy và
silic-cacbon; chúng được sử dụng trong các ứng dụng như nâng ngực nhân tạo
và lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng).

18


- LCD và pin mặt trời - Silic ngậm nước vô định hình có hứa hẹn trong
các ứng dụng như điện tử chẳng hạn chế tạo màn hình tinh thể lỏng (LCD) với
giá thành thấp và màn rộng. Nó cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời.
- Xây dựng - Silica là thành phần quan trọng nhất trong gạch vì tính hoạt
hóa thấp của nó.
4.2. Ứng dụng của phiến silic

4.2.1. Giới thiệu về công nghệ sản xuất vi mạch
Khi chọn một nguyên tố để sử dụng làm thành phần cơ bản trong bóng
bán dẫn của máy tính, điều mà người ta quan tâm chính là điện trở. Dây dẫn cần
có điện trở thấp để dòng điện có thể chạy qua dễ dàng, trong khi đó các chất
cách điện thì tất nhiên phải có điện trở càng cao càng tốt để làm chậm hoặc ngăn
chặn hoàn toàn dòng điện. Đối với bóng bán dẫn, vốn cần phải bật hoặc tắt đúng
lúc, cần phải có sự dung hòa giữa dây dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn
tốt nhất dành cho ngành công nghiệp điện tử là một dạng "chất kích tạp"
(dopant), cho phép người ta điều chỉnh điện trở theo ý muốn.
Silic không phải là chất bán dẫn duy nhất trên Trái Đất và thậm chí, nó
cũng không phải là chất bán dẫn tốt nhất hành tinh. Vậy silic có gì? Cho đến nay
thì nó vẫn là chất bán dẫn phổ biến nhất trên Trái Đất. Chính xác hơn, silic có
sẵn ở khắp mọi nơi, người ta có thể khai thác dễ dàng, các tập đoàn sản xuất
chip không cần phải nhập khẩu nó từ bất cứ mỏ khai thác đặc biệt nào từ nước
ngoài, cũng không cần phải mất nhiều thời gian, quy trình phức tạp hoặc ô
nhiễm để tạo ra nó. Ngoài việc dễ sản xuất, điều quan trọng nhất là các nhà khoa
học đã tìm được cách khả thi để sản xuất ra silic ở dạng tinh thể một cách hoàn
hảo.

19


Hình ảnh thỏi tinh thể silic (ingot) gần như tinh khiết
Dễ dàng chế tạo, các tinh thể silic gần như tinh khiết là một trong những
yếu tố cơ bản trong quá trình sản xuất chip máy tính hiện đại. Các tinh thể tạo
thành sẽ được cắt thành những tấm mỏng, sau đó được khắc, xử lý và điều chỉnh
trong hàng trăm cách khác nhau trước khi được tiếp tục cắt nhỏ thành từng khối
và đóng gói vào các bộ vi xử lý thương mại. Thật ra người ta có thể chế tạo các
bóng bán dẫn bằng carbon và thậm chí là bằng loại vật liệu kỳ lạ như gecmani,
hoặc nhiều chất khác nhưng không chất nào trong số đó cho phép sản xuất số

lượng lớn, tinh thể kích thước to và tinh khiết như silic (ít ra đến thời điểm hiện
tại là không được).
4.2.2. Công nghệ vi điện tử từ phiến silic đến chip thành phẩm
Phòng sạch - Mọi quá trình công nghệ chế tạo mạch tổ hợp được tiến
hành trong phòng sạch. Đó là nơi con người cần phải xử lý các thông số môi
trường như nhiệt độ, độ ẩm và lưu thông khí sao cho số hạt bụi có trong một đơn
vị thể tích là nhỏ hơn rất nhiều so với môi trường bình thường. Độ sạch của
phòng sạch khi được chế tạo phải tuân thủ những tiêu chuẩn ISO khác nhau (từ
ISO 1 đến ISO 9 trong đó ISO 1 có độ sạch cao nhất tương đương với 10 hạt bụi
kích thước nhỏ hơn 0.1 micron trong một phút khối) độ sạch càng lớn thì chi phí
vận hành càng tốn kém. Độc giả có thể tham khảo những phòng sạch loại này tại
Intel Coporation hoặc AMD.
20


Xử lý bề mặt - đó là viiệc đầu tiên người làm công nghệ cần thực hiện
trong phòng sạch. Công đoạn làm sạch bề mặt phiến (silicon) thường được thực
hiện nhờ các axit mạnh, các chất có tính ôxi hoá như HNO3, H2SO4, H2O2 và
HF. Việc xử lý bề mặt sẽ giúp chúng ta loại bỏ những tạp vô cơ, hữu cơ hoặc sai
hỏng trên bề mặt tấm silicon trước khi chuyển nó vào những bước công nghệ
tiếp theo.
Ôxi hoá - trong quá trình chế tạo mạch tích hợp người ta thường phải
dùng lớp SiO2 trên bề mặt tinh thể Si. Lớp SiO2 này có hệ số dãn nở nhiệt gần
bằng hệ số giản nở nhiệt của Si, với hằng số điện môi ~ 4, có tác dụng bảo vệ bề
mặt các linh kiện bán dẫn dưới tác dụng của môi trường bên ngoài, che chắn bề
mặt Si trong quá trình khuếch tán định xứ các tạp chất như P và B. Ngoài ra lớp
SiO2 còn được sử dụng làm cực (gate) cửa cho bóng bán dẫn (transistor). Có
nhiều phương pháp tạo ra lớp SiO2 nhưng phương pháp được sử dụng rộng rãi
nhất để nhận lớp SiO2 là phương pháp ôxy hoá ở nhiệt độ cao (khoảng 10000C 11000C).
Khuếch tán - là kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ bán dẫn để tạo

các vùng chuyển tiếp của transitor. Có nhiều phương pháp để khuếch tán tạp tạo
vùng chuyển tiếp P-N khác nhau như phương pháp khuếch tán ở nhiệt độ cao,
phương pháp cấy ion... Tuỳ thuộc vào đế silicon và mục đích của việc pha tạp
người làm công nghệ sẽ phải dùng hai loại tạp phổ biến nhất là Boron (B) hoặc
phốtpho (P) cho quá trình này.
Quang khắc (photolithography) - là tập hợp các quá trình quang hoá
nhằm tạo ra các chi tiết trên bề mặt phiến silicon có kích thước và hình dạng
giống như thiết kế. Để làm được điều này cần phải có những bộ mặt nạ (mask),
chất cảm quang (photoresist) nguồn sáng UV và dung dịch hiện hình
(developer). Mặt nạ thường là một tấm thuỷ tinh hữu cơ được phủ một màng
crôm trên đó khắc hoạ những chi tiết phù hợp với thiết kế của cảm biến hoặc
mạch tích hợp (IC).
Người ta phủ lên trên bề mặt phiến silicon có tính chất nhậy sáng đặc
biệt gọi là chất cản quang (photoresist) – thường được gọi là chất cảm quang.
21


Chất cảm quang phải bảo đảm hai tính chất: - Nhậy quang; - Bền vững trong các
dung môi axít hoặc kiềm. Chất cảm quang có nhiệm vụ là lớp bảo vệ có hình
dạng cần thiết cho bề mặt khỏi bị tác dụng của các dung môi hoá học. Người ta
phân loại cảm quang thành cảm quang dương và cảm quang âm dựa vào cơ chế
phản ứng xẩy ra trong cảm quang khi bị chiếu sáng và sự thay đổi tính chất
trong quá trình chiếu sáng. Cảm quang âm khi bị chiếu sáng trở nên không bị
hoà tan trong các dung môi tương ứng. Còn các cảm quang dương thì ngược lại,
khi bị chiếu sáng sẽ hoà tan trong các dung môi.
Dung dịch hiện Developer cho phép hiện hình những chi tiết tạo ra trên
lớp cảm quang do tác dụng của nguồn UV. Quá trình này giống như quá trình
rửa ảnh trong kỹ thuật nhiếp ảnh. Ở mặt nạ đầu tiên quá trình quang khắc được
thực hiện khá đơn giản: đặt phiến silicon lên gá, thiết lập các điều kiện cần thiết
như chân không, khí nén, chế độ tiếp xúc, công suất UV, thời gian chiếu sáng …

và chiếu sáng. Tuy vậy để chế tạo một mạch tổ hợp người ta phải dùng tới nhiều
bộ mặt nạ khác nhau. Để các chi tiết trên mặt nạ, trên phiến silicon của lần chế
tạo trước đó (với một mặt khác trong cả bộ) trùng khít lên những chi tiết của mặt
nạ hiện tại người ta phải dùng một kỹ thuật gọi là kỹ thuật đồng chỉnh (so mask
hay mask aligner). Kỹ thuật này được thực hiện thông qua những dấu hiệu gọi là
dấu so (mask marks) với sự trợ giúp quang học (kính hiển vi, CCD camêra…)
và hệ vi chỉnh cơ khí theo các chiều X,Y và chỉnh méo. Thông qua những dấu so
đặc biệt này người ta có thể chắc chắn được rằng mọi chi tiết trên phiến silicon
nhận được từ các mặt nạ khác nhau là trùng khít lên nhau. Trong quá trình chế
tạo photođiốt chúng ta sẽ sử dụng một bộ 03 mặt nạ.
Hiện nay mật độ bóng bán dẫn trên một chíp ngày một tăng nên ngoài kỹ
thuật quang khắc còn nhiều kỹ thuật khác cho phép khắc lên trên lớp cảm quang
những chi tiết với độ phân giải và mức độ tinh vi tốt hơn rất nhiều như kỹ thuật
e-beam lithography (kỹ thuật khắc dùng chùm điện tử), hoặc tia X.
Ăn mòn - trong cộng nghệ vi điện tử trên cơ sở silicon là một kỹ thuật rất
hay được sử dụng. Có hai phương pháp ăn mòn chính là : ăn mòn ướt và ăn mòn
khô.
22