THẾ GIỚI CỰC MỎNG CỦA “THIN FILMS”

Trần Trí Năng

(Đai Học Minnesota & Ecosolar International)

Một quốc gia muốn phát triển mạnh phải có một nền công nghệ tiên tiến. Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Anh, Pháp, Đức… và gần đây là Trung Quốc là những ví dụ điển h́nh. Với mong muốn giới thiệu, gợi mở những vấn đề kỹ thuật, công nghệ đang được ứng dụng rộng răi trong cuộc sống , chúng tôi xin gửi đến quí bạn đọc một loạt bài về công nghệ màng mỏng (thin film technologies). Đây là một công nghệ rất quan trọng, với vai tṛ là công nghệ nền cho công nghiệp linh kiện điện tử, quang học và gần đây là công nghệ nano. Nó chẳng những liên quan trực tiếp (hoặc gián tiếp) đến đời sống hàng ngày của chúng ta mà c̣n có vai tṛ quan trọng trong lĩnh vực y khoa, quốc pḥng, thám hiểm không gian và nhiều lĩnh vực khác nữa. Trong xu thế phát triển của tương lai, công nghệ cao này cũng sẽ đóng một vai tṛ quan trọng đối với sự phát triển của Việt Nam.

Buổi sáng thức dậy, sau khi làm vệ sinh cá nhân và dùng bữa sáng, việc kế tiếp của tôi là mở máy tính xách tay, kiểm tra e-mail và đọc vài tin tức chính trong ngày. Thay quần áo xong, tôi lái chiếc Hyundai Sonata đến trường. Trong lúc lái xe, tôi vặn máy lên nghe bài “Biển nhớ” của nhạc sĩ Trịnh Công Sơn, do Khánh Ly hát. Giọng hát thật nhẹ nhàng và truyền cảm làm tôi nhớ nhiều về thành phố cảng Quy Nhơn nơi mà TCS đă sáng tác bài nhạc này; đây cũng là thành phố tôi đă sống suốt bảy năm cuối của thời trung học. Rồi một cú điện thoại reo lên, cậu con trai út của tôi muốn hỏi chiều nay có đi tập thể dục không. Trả lời con vài câu ngắn gọn, tôi tiếp tục lái xe về hướng thành phố Minneapolis. Tôi đi qua những ṭa nhà cao tầng, những thành phố lân cận và những con đường cao tốc. Trời hôm nay đầu xuân thật đẹp, nắng nhẹ, không khí mát mẻ, dễ chịu. Giao thông thuận lợi nên chỉ 25 phút sau tôi đă đến văn pḥng làm việc. Dùng xong ly café, tôi lên lớp. Hôm nay lớp tôi phụ trách là “Analog and digital electronics”, dạy theo chương tŕnh truyền h́nh trực tiếp UNITE nên chẳng những sinh viên trên lớp mà sinh viên bên ngoài khuôn viên hay các bang khác vẫn có thể dự thính được. Lớp học v́ thế được trang bị nhiều CCD cameras, màn h́nh plasma, đèn chiếu và microphones. Tôi ra khỏi lớp vào lúc 11h.

Như vậy, chỉ trong buổi sáng, tôi đă dùng một số linh kiện điện tử: Máy tính xách tay với màn h́nh tinh thể lỏng, điện thoại cầm tay, đĩa CD, CCD cameras, và màn h́nh plasma. Dùng dần thành một thói quen nên không mấy khi để ư. Nhưng cứ tưởng tượng, nếu một ngày bị mất điện và những thiết bị này không dùng được, cả xă hội như bị đ́nh trệ, công việc giảng dạy sẽ giảm hiệu quả rất nhiều. Xă hội càng phát triển bao nhiêu, con người lại càng được “nuông chiều” bấy nhiêu. Những linh kiện điện tử này mặc dù khác nhau về h́nh thức, nhưng đều có một điểm chung: Tất cả đều tùy thuộc vào màng mỏng (thin film). Công nghệ màng mỏng này là “xương sống” của công nghệ vi mạch tích hợp - IC và không IC (non-IC). Nói một cách nôm na, nếu không có công nghệ màng mỏng này th́ công nghệ IC và những công nghệ liên quan không thể phát triển được như ngày nay. V́ vậy, trước khi tŕnh bày về công nghệ màng mỏng, chúng ta sẽ t́m hiểu về sự tiến bộ của IC.

Sự tiến bộ của công nghệ IC

Năm 1947, 3 nhà khoa học là GSTS John Bardeen, TS Walter Brattain và TS William Shockley1 của hăng Bell Laboratories - hiện tại là Lucent Technologies (Mỹ) đă phát minh ra “point-contact” transitors, thành quả sau nhiều năm nghiên cứu t́m cách thay thế đèn điện tử chân không (vacuum tubes). Tranzito (transistor) là một linh kiện bán dẫn có hai chức năng: khuếch đại (amplification) và dùng như khóa điện tử (electronic switch). Khác với sự cồng kềnh của đèn điện tử chân không, tranzito nhỏ hơn nhiều; và khác với đi-ốt, tranzito đóng và mở khóa rất nhanh (có thể một phần triệu hay phần tỷ của một giây). Đây là một trong những phát minh lớn nhất của thế kỷ hai mươi. Với những yêu cầu quân sự và dân sự sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, công nghệ liên quan đến tranzito phát triển rất nhanh vào đầu thập niên 50. Một trong những sản phẩm đầu tiên dùng tranzito là chiếc radio bỏ túi của SONY. Nhưng vấn đề là phải làm thế nào để kết nối linh kiện bán dẫn này với những linh kiện bán dẫn khác như bộ tụ điện (capacitor) và điện trở (resistor) . Thật bất tiện và khó thực hiện khi phải dùng nhiều linh kiện bán dẫn trong một sản phẩm để đạt được chức năng cao. Măi đến gần 10 năm sau, Kỹ sư Jack Kilby2 của hăng Texas Instruments và TS Robert Noyce của Fairchild Semiconductor mới phát minh riêng rẽ nhưng cùng một lúc hệ thống vi mạch kết hợp các linh kiện khác nhau trên cùng một con chip có diện tích nhỏ.

 

               

(a)                                                     (b)

H́nh 1: (a) Tranzito đầu tiên (Bell Labs 1948); (b) Mạch kết hợp IC đầu tiên trên thị trường (Motorola, 1966)

Năm 1968, ông Gordon Moore, cựu Tổng giám đốc và là một trong những sáng lập viên của hăng Intel đă tiên đoán về sự tiến bộ của công nghệ IC này bằng cách đưa ra một định luật, sau này được gọi là định luật Moore số một (Moore’s first law). Theo định luật này, mật độ tranzito tăng gấp đôi cứ mỗi 18 tháng. H́nh 2 biểu thị sự gia tăng của số lượng tranzito trong bộ nhớ DRAM’s và bộ vi xử lư (microprocessor) của hăng Intel từ 1970 đến 2000.

H́nh 2: Định luật Moore số một (Moore’s first law)

Intel sản xuất bộ vi xử lư đầu tiên 4004 năm 1971 có 4 bits và 2.300 tranzito. Năm 1972, Intel sản xuất bộ vi xử lư 8080, với 8 bits, 6.000 tranzito, rồi đến 80286, 16 bit với 134.000 tranzito. Intel tiếp tục phát triển mạnh với Pentium 32 bit, với 42 triệu tranzito vào năm 2004 và năm 2005 Pentum D, dùng công đoạn 90 nm, 64 bit với 230 triệu tranzito.

Trong khoảng 40 năm nay, công nghệ IC đă trải qua nhiều thời kỳ, từ vài linh kiện bán dẫn /chip đầu thập niên 60 lên đến 5 triệu linh kiện bán dẫn /chip vào khoảng 1995 (h́nh 3). Năm 2002, công nghệ sản xuất DRAMs đă đạt 1 tỷ memory cells trên một con chip. Gần đây có những phát triển khác như WSI khi tất cả các thành phần được chế tạo trên một tấm silic và SOC (tất cả các mạch điện, máy tính và bộ phận kiểm soát được thiết lập trên cùng một con chip). Trong tương lai, số tranzito có thể lên đến vài tỷ trên một con chip - giai đoạn này được biết đến với cái tên là GSI – gigascale integration .

 

Mức độ tích hợp

(Integration level)

Thời kỳ

Số linh kiện

trên con chip**

Vi mạch quy mô  cỡ nhỏ (Small scale integration SSI)

1960-1965

2 - 10

Vi mạch quy mô  cỡ trung (Medium scale integration MSI)

1965-1975

100 - 10.000

Vi mạch quy mô  cỡ lớn (Large scale integration LSI)

1975-1985

10.000 -500.000

Vi mạch quy mô  cỡ rất lớn (Very large scale  integration VLSI)

1985-1995

500.000 -  5.000.000

Vi mạch quy mô  cỡ cực lớn (Ultra large  scale integration ULSI)

1995 - Hiện tại

Trên 5 triệu

Vi mạch quy mô  cỡ giga (Gigascale integration, GSI*)

Tương lai

Trên 1 tỷ

Vi mạch tích hợp trên tấm wafer  (WSI)

Hiện tại

Các linh kiện bán dẫn trên wafer

System-on-chip (SoC hay SOC)

Hiện tại

Tất cả linh kiện bán dẫn, bộ kiểm soát trên cùng một tấm wafer

H́nh 3 : Các độ tích hợp khác nhau trong công nghệ IC

* GSI là giấc mơ của IC trong tương lai. Mỗi con chip có đến cả tỷ linh kiện bán dẫn.
** Con chip silicon phần lớn có diện tích nhỏ hơn 1 cm2 với chiều dày khoảng 0.5 mm.

 

Sự gia tăng nhanh chóng theo thời gian của mật độ linh kiện bán dẫn trên con chip cũng có nghĩa là kích cỡ (feature size) sẽ giảm với một tốc độ bằng tốc độ tăng trưởng mật độ chip. Linh kiện bán dẫn sẽ đi từ công nghệ micro sang đến công nghệ nano và độ mỏng của màng mỏng cũng thay đổi - trong chiều hướng này: Đi từ công nghệ micro đến công nghệ nano với kích cỡ nhỏ hơn 100 nm (h́nh 4).

H́nh 4: Giai đoạn chuyển từ công nghệ micro sang công nghệ nano
(from Jesus Finol of Freescale, a spin - off from Motorola)

Theo sự phát triển của nền công nghiệp IC, dựa trên định luật Moore, giá của mỗi tranzito giảm xuống cả tỷ lần và số lượng sản xuất mỗi năm cũng tăng lên cùng một mức độ (h́nh 5, 6). Sự phát triển này mang lại nhiều lợi ích cho người tiêu dùng. Vào khoảng đầu thập niên 90, một máy tính xách tay, với ít chức năng trị giá khoảng vài ngh́n USD, nhưng ngày nay, với số tiền đó, người ta có thể mua cả một workstation dùng để giải những phương tŕnh hoặc thiết kế những mô h́nh phức tạp.

H́nh 5: Giá của mỗi tranzito cũng giảm rất nhanh với thời gian (G. Moore, ISSCC 2004)

 

H́nh 6 : Số lượng tranzito sản xuất mỗi năm (G. Moore, ISSCC 2004)

Thế nào là màng mỏng?

Với sự liên hệ rất chặt chẽ giữa độ mỏng của màng mỏng và mật độ của các linh kiện bán dẫn, kích thước của màng mỏng cũng giảm một cách nhanh chóng, từ 5-10 microns (vài ngàn nm) xuống đến khoảng 5 nm. Nhiều trường hợp như bán dẫn laser, một lớp gồm vài chục màng mỏng có chiều dày 5 nm hay nhỏ hơn được chế tạo. Sự tiến bộ của màng mỏng cũng đưa đến sự tiến bộ trong những lĩnh vực khác, nơi mà công nghệ màng mỏng thông dụng như cao mật độ lưu trữ từ (magnetic recording), cao mật độ lưu trữ quang (optical recording) và những công nghệ điện tử trên bề mặt rộng (large area electronics) như màng mỏng pin mặt trời, hiển thị điện tử (flat panel displays) và những máy móc y khoa.

Sự liên hệ giữa các đơn vị dùng trong công nghệ màng mỏng

Màng mỏng có chiều dày rất nhỏ, chỉ trong khoảng từ 0,002 đến 1 micron (trong khi đường kính của sợi tóc con người khoảng 50-100 micron). Trong lĩnh vực này, chúng ta không thể dùng những đơn vị quen thuộc như mét (m), centi-mét (cm), milli-mét (mm) , mà phải dùng những đơn vị nhỏ hơn hàng triệu lần (micrometer) hay nhỏ hơn một tỉ lần (nanometer) của một mét. Ba đơn vị thường dùng trong công nghệ này là micrometer (µm), nanometer (nm) và Angstrom (A) .

H́nh 9: Sự liên hệ giữa nm, A và µm,
ba thông số thường dùng nhất trong công nghệ màng mỏng.

Màng mỏng được dùng trong linh kiện bán dẫn như thế nào?

H́nh 10 cho thấy một số ứng dụng của màng mỏng trong việc chế tạo các linh kiện bán dẫn. Màng mỏng chẳng những dùng trong công nghệ vi mạch kết hợp IC như bộ nhớ DRAMs, SRAMs, bộ vi xử lư, CCD’s mà c̣n trong các công nghệ ngoài IC như quang học điện tử (optoelectronics), từ (magnetics) và công nghệ nano (nanotechnology). Màng mỏng đóng vai tṛ rất quan trọng trong công nghệ vi mạch tích hợp IC, nhất là gần đây số lượng tranzito gia tăng nhanh chóng đến con số cả tỷ, nên kích thước tối thiểu của màng mỏng ngày một thu hẹp. Về công nghệ lĩnh vực non-IC, chúng ta cũng có thể t́m thấy ứng dụng của màng mỏng khắp nơi chẳng hạn như trong lĩnh vực pin mặt trời. Tháng 3.2011, hăng First Solar của Mỹ đă làm lễ khởi công xây nhà máy một tỷ USD sản xuất màng mỏng cadmi tellurua (CdTe) pin mặt trời; tháng.5.2011, hăng Công nghiệp năng lượng Đông Dương (IC Energy, do các doanh nhân Việt Nam đầu tư) sẽ làm lễ khởi công nhà máy sản xuất màng mỏng pin mặt trời dựa trên chất vô định h́nh silic (amorphous silicon). Tia la-de (laser) cũng là một phát minh lớn khác của thế kỷ hai mươi. Với phát minh này, y khoa điện tử, lưu trữ quang học với mật độ cực cao đă trở thành hiện thực. Một ví dụ gần đây là đĩa Blu-ray và HD-DVD, với gadget mới này, chúng ta có thể xem phim với chất lượng rất cao với h́nh ảnh y như thật. Thế giới khoa học và kỹ thuật phát triển rất nhanh, một phần lớn nhờ những thành quả của công nghệ màng mỏng. Làm thế nào để chế tạo màng mỏng dùng trong các linh kiện bán dẫn? Đây là đề tài chúng tôi sẽ thảo luận trong những bài viết tới.

H́nh 10: Màng mỏng được sử dụng trong nhiều ứng dụng.

 

Tài liệu tham khảo

1. Ba nhà khoa học được nhận Giải Nobel về Vật lư năm 1956 với phát minh tranzito: TS William Shockley (PhD, MIT); TS Walter Brattain (PhD, Univ of Minnesota); GSTS John Bardeen (PhD, Princetion , prof at U. Minnesota/ U. Illinois).

2. Jack Kilby (U. Illinois/U. Wisonsin) được nhận Giải Nobel về Vật lư năm 2000. Lúc đó TS Noyce (PhD, MIT) đă qua đời nên không nhận được giải này.

3. G .Moore (PhD, Caltec): “Cramming more components onto integrated circuits”, Electronics, April 19, 1965.