Chip máy tính được làm trên những tấm silicon cắt ra từ một thỏi đơn tinh thể duy nhất, kéo chậm từ nồi silicon nóng chảy theo phương pháp Czochralski. Trong cả thỏi dài cỡ một, hai mét, hàng tỷ tỷ nguyên tử silic xếp theo đúng một mạng, không đứt gãy, không ranh giới hạt. Chính sự liền mạch ấy cho phép hàng tỷ transistor trên một con chip hoạt động giống hệt nhau.
Từ cát thạch anh đến silicon "chín số chín"
Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất sau oxy, nhưng ngoài tự nhiên nó luôn nằm trong silica và khoáng vật silicat, không bao giờ ở dạng nguyên tố. Từ đá đến chip phải qua ba nấc độ sạch:
| Nấc | Cách làm | Độ tinh khiết gần đúng |
|---|---|---|
| Silicon luyện kim | Nung thạch anh hoặc quặng silica với than cốc, than gỗ trong lò hồ quang điện, cacbon lấy oxy khỏi SiO₂ | Khoảng 98–99% |
| Polysilicon | Chuyển silicon thành hợp chất chứa clo dạng lỏng dễ bay hơi (triclorosilan), chưng cất tách tạp chất, rồi cho phân huỷ bám lên thanh silicon nung đỏ (phương pháp Siemens) | Cấp điện tử: thường mô tả là từ chín tới mười một số 9 (99,9999999% trở lên) |
| Đơn tinh thể | Nấu chảy polysilicon và kéo thành một tinh thể duy nhất, có pha tạp có kiểm soát | Như trên, cộng thêm chất pha tạp với lượng định trước |
Polysilicon ở bước hai đã rất sạch nhưng là đa tinh thể: vô số hạt nhỏ định hướng lung tung. Muốn làm chip, phải biến nó thành một tinh thể duy nhất.
Jan Czochralski và cây bút chấm nhầm
Năm 1916, nhà hoá học người Ba Lan Jan Czochralski làm việc ở Berlin, nghiên cứu tốc độ kết tinh của kim loại. Giai thoại thường được kể là ông chấm bút vào nồi thiếc nóng chảy thay vì lọ mực, nhấc lên thì thấy kéo theo một sợi kim loại mảnh, và sợi đó hoá ra là một đơn tinh thể. Dù chi tiết giai thoại thế nào, Czochralski đã công bố phương pháp kéo tinh thể từ khối nóng chảy năm 1918, ban đầu để đo tốc độ kết tinh của thiếc, kẽm, chì.
Phương pháp nằm im gần ba mươi năm. Năm 1950, Gordon Teal và John Little ở Phòng thí nghiệm Bell dùng nó kéo đơn tinh thể germanium, vật liệu của những transistor đầu tiên. Vài năm sau, silicon đơn tinh thể ra đời theo cùng cách. Silicon khó hơn vì nóng chảy ở 1.414 °C và phản ứng với hầu hết vật liệu làm nồi, nhưng nó thắng germanium nhờ lớp oxit SiO₂ bền, cách điện tốt, mọc được ngay trên bề mặt.
Kéo một thỏi silicon diễn ra thế nào
- Nấu chảy: polysilicon cục được xếp vào nồi bằng thạch anh nóng chảy (silica thuỷ tinh siêu sạch), đặt trong buồng kín chứa khí argon, nung lên trên 1.414 °C. Chất pha tạp được cho vào: bo để tạo silicon loại p, phốt pho hoặc antimon cho loại n.
- Nhúng mầm: một thanh silicon đơn tinh thể nhỏ, cắt theo hướng tinh thể mong muốn, hạ xuống chạm mặt khối nóng chảy.
- Thắt cổ: lúc đầu kéo nhanh để tạo một đoạn cổ rất mảnh, chỉ vài milimet. Kỹ thuật này, do William Dash công bố năm 1959, giúp các lệch mạng sinh ra do sốc nhiệt khi mầm chạm khối nóng thoát ra ngoài, để phần thân phía sau không có lệch mạng.
- Mở vai và kéo thân: giảm tốc độ kéo, đường kính nở ra đến cỡ đích (200 mm hoặc 300 mm), rồi giữ đều. Mầm và nồi quay ngược chiều nhau để trộn đều nhiệt và tạp chất. Tốc độ kéo cỡ một milimet mỗi phút hoặc chậm hơn, nên một thỏi mất nhiều giờ đến hơn một ngày.
- Thu đuôi: cuối cùng thu nhỏ đường kính dần để tách thỏi khỏi khối nóng chảy mà không gây sốc nhiệt lan ngược lên.
Thỏi silicon 300 mm có thể nặng vài trăm kilôgam, mặt ngoài xám ánh kim, có những gờ chạy dọc thân. Các gờ ấy không phải lỗi: chúng lộ ra hướng các mặt tinh thể, giống những gờ trên thân một lăng trụ thạch anh mọc tự nhiên.
Những điều thỏi silicon "kể" lại
Tạp chất pha vào không phân bố đều tuyệt đối. Khi kết tinh, đa số chất pha tạp thích ở lại phần lỏng hơn là chui vào tinh thể, nên càng về đuôi thỏi, khối lỏng càng đậm tạp, và điện trở suất thay đổi dọc thân thỏi. Phốt pho có xu hướng này mạnh hơn bo. Ngoài ra, nồi thạch anh tan rất chậm vào silicon lỏng, nên silicon Czochralski luôn chứa một lượng oxy nhỏ. Lượng oxy này vừa có lợi (giúp tấm silicon cứng hơn, giữ tạp kim loại ở xa vùng linh kiện) vừa có hại cho một số linh kiện công suất. Khi cần silicon cực sạch oxy, người ta dùng phương pháp vùng nóng chảy (float zone), không cần nồi.
Đây là chuyện người chơi đá quen thuộc: các dải màu, bao thể và đường tăng trưởng trong một viên đá là "nhật ký" điều kiện lúc nó lớn lên. Thỏi silicon cũng có nhật ký như vậy, chỉ là đọc bằng máy đo điện trở và phổ hồng ngoại.
Từ thỏi thành tấm wafer
Thỏi được mài tròn đều, xác định hướng tinh thể bằng nhiễu xạ tia X, rồi khía một rãnh nhỏ (notch) dọc thân để đánh dấu hướng. Sau đó máy cưa dây phủ hạt kim cương cắt thỏi thành hàng trăm tấm mỏng. Tấm 300 mm tiêu chuẩn dày khoảng 0,775 mm. Tiếp theo là mài phẳng, ăn mòn hoá học bỏ lớp hỏng do cưa, rồi đánh bóng hoá cơ đến khi bề mặt phẳng ở thang nanomet.
Hướng tinh thể quan trọng vì silicon mang cấu trúc kim cương: mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử bên cạnh thành tứ diện, cạnh ô mạng khoảng 0,543 nanomet. Các mặt tinh thể khác nhau có mật độ nguyên tử khác nhau, nên tính chất bề mặt, tốc độ oxy hoá và tốc độ ăn mòn khác nhau. Chip logic thông dụng làm trên mặt (100). Dung dịch kiềm ăn mòn mặt (100) nhanh hơn hẳn mặt (111), nên trên tấm (100) nó khoét ra những kim tự tháp hoặc rãnh có vách nghiêng khoảng 54,7°, đúng góc giữa hai họ mặt tinh thể. Pin mặt trời đơn tinh thể dùng chính hiện tượng này để tạo bề mặt nhám bẫy ánh sáng.
Vì sao phải là đơn tinh thể
- Ranh giới hạt là chỗ hỏng: tại nơi hai hạt tinh thể gặp nhau, liên kết đứt gãy, bẫy điện tử và lỗ trống, gây rò dòng. Một transistor nằm vắt qua ranh giới hạt sẽ khác hẳn transistor bên cạnh.
- Pha tạp đều: trong đơn tinh thể, chất pha tạp và các bước khuếch tán, cấy ion diễn ra như nhau ở mọi điểm của tấm.
- Bề mặt đồng nhất: lớp oxit cổng, các bước ăn mòn phụ thuộc mặt tinh thể; một mặt duy nhất trên toàn tấm cho kết quả lặp lại.
Pin mặt trời cho thấy rõ cái giá của ranh giới hạt. Tấm đa tinh thể có vân lốm đốm xanh lam như vảy, mỗi mảng là một hạt; tấm đơn tinh thể màu đen đều, thường hình vuông vát góc vì cắt từ thỏi tròn. Pin đơn tinh thể cho hiệu suất cao hơn và hiện chiếm phần lớn thị trường.
Góc nhìn hôm nay: đá và chip chung một gốc
Ít người để ý rằng ngành bán dẫn vẫn cần thợ mỏ. Nồi nấu silicon phải làm từ thạch anh có độ tinh khiết cực cao, và theo nhiều tài liệu ngành, một phần lớn nguyên liệu này đến từ các mạch pegmatit granit ở vùng Spruce Pine, bang North Carolina, Mỹ. Từ một mạch đá có tourmaline và mica, qua nồi thạch anh, đến thỏi silicon: đó là một chuỗi địa chất – công nghệ liền mạch.
Người muốn quan sát tận mắt có thể tìm mua mảnh tấm silicon vụn hoặc tấm thử nghiệm bán làm mẫu học tập: mặt bóng như gương, mặt sau nhám. Bẻ một mảnh, mép vỡ thường thẳng theo các mặt tinh thể, khác hẳn vết vỡ vỏ sò của thuỷ tinh. Cẩn thận vì mép silicon sắc như dao cạo; nên đeo găng và kính. Khi mài cắt silicon hay thạch anh, bụi mịn có hại cho phổi, cần làm ướt và có hút bụi. Bảo tàng khoa học lớn ở nhiều nước có tủ trưng bày thỏi silicon cắt ngang, đáng ghé xem.
Câu hỏi thường gặp
Phương pháp Czochralski là gì?
Đó là cách nuôi đơn tinh thể bằng cách nhúng một mầm tinh thể vào khối vật liệu nóng chảy rồi vừa quay vừa kéo lên thật chậm. Vật liệu kết tinh bám theo mạng của mầm thành một thỏi đơn tinh thể. Jan Czochralski công bố phương pháp năm 1918; ngày nay nó dùng để kéo phần lớn silicon cho chip.
Silicon làm chip được lấy từ đâu?
Silicon được lấy từ thạch anh và silica, nung với cacbon để tách oxy thành silicon luyện kim. Sau đó silicon được tinh chế qua hợp chất chứa clo thành polysilicon siêu sạch, rồi kéo thành đơn tinh thể.
Vì sao chip phải làm trên silicon đơn tinh thể?
Ranh giới giữa các hạt tinh thể bẫy hạt mang điện và gây rò dòng, làm các transistor hoạt động không đều. Đơn tinh thể cho mạng nguyên tử liền mạch, pha tạp và bề mặt đồng nhất trên toàn tấm.
Wafer silicon dày bao nhiêu?
Tấm silicon đường kính 300 mm tiêu chuẩn dày khoảng 0,775 mm. Tấm nhỏ hơn thì mỏng hơn. Sau khi chế tạo xong mạch, mặt sau thường được mài mỏng thêm trước khi cắt thành từng con chip.
Silicon đơn tinh thể và đa tinh thể khác nhau thế nào?
Đơn tinh thể có toàn bộ nguyên tử xếp theo một mạng duy nhất; đa tinh thể gồm nhiều hạt nhỏ định hướng khác nhau. Trên pin mặt trời, tấm đa tinh thể có vân lốm đốm xanh, tấm đơn tinh thể đen đều và cho hiệu suất cao hơn.
