Vì sao đại đa số các mạch tích hợp được chế tạo bằng vật liệu silic?

Ngày nay, trong các máy tính điện tử, trong các loại thiết bị điện tử, hầu hết dùng các mạch tích hợp, được chế tạo bằng các đơn tinh thể silic. Vật liệu silic trong công nghiệp vi điện tử (đặc biệt trong các mạch tích hợp siêu lớn) rất được coi trọng và ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Vì sao vậy?

Silic là một trong những nguyên tố có hàm lượng cao nhất trong vỏ Trái Đất sau oxy, là nguyên tố chủ yếu hình thành nên các khoáng vật trong vỏ Trái Đất. Vì vậy vật liệu đơn tinh thể silic có giá thành thấp so với nhiều vật liệu bán dẫn khác (như gali asenua, inđi photphua và gecmani) có ý nghĩa lớn trong việc giảm giá thành sản phẩm. Nhưng trong tự nhiên silic thường tồn tại ở dạng hợp chất vì vậy thường phải qua quá trình khử mới chế tạo được silic tinh khiết. Do kỹ thuật chế tạo silic tinh khiết và việc kéo đơn tinh thể ngày càng được thành thạo, nên việc sử dụng lượng lớn silic là hoàn toàn có thể.

Silic có tính bền nhiệt và bền hoá học tốt. Trong quá trình chế tạo các mạch tích hợp cần phải qua quá trình xử lý nhiệt, nhiệt độ xử lý có thể lên đến 900°C. Chất bán dẫn là hợp chất gali asenua dễ bị thay đổi, phân huỷ qua quá trình xử lý. Các đơn tinh thể silic có thể chịu được nhiệt độ 1200°C mà vẫn giữ được tính năng ổn định. Vật liệu silic lại có tính chất dễ bị nhiễm tạp. Trong quá trình sử dụng vật liệu bán dẫn để chế tạo các mạch tích hợp cũng như các linh kiện điện tử khác cần phải đưa các tạp chất vào để điều khiển tính năng điện của vật liệu. Việc cho nhiễm tạp vào vật liệu silic được thực hiện khá dễ dàng. Qua quá trình cho silic thâm nhập một lượng nhất định photpho hay bo có thể điều khiển các tính năng về điện của vật liệu theo yêu cầu của việc chế tạo mạch tích hợp.

Một điểm quan trọng nữa để vật liệu silic được sử dụng trên quy mô lớn trong việc chế tạo các mạch tích hợp là người ta dễ dàng tạo ra một lớp silic đioxit có tính chất cách điện cao trên bề mặt, làm thành lớp ngăn cách bằng silic đioxit. Chỉ cần cho một phiến silic vào oxy hoặc hơi nước rồi gia nhiệt người ta có thể tạo được trên bề mặt của tấm silic một lớp silic đioxit dày cỡ micromet đến mấy phần nghìn của micromet. Nhờ biện pháp này có thể tạo được lớp silic đioxit hết sức đặc khít có những tính năng điện hết sức ưu việt tương xứng tuyệt hảo với đơn tinh thể silic ở dưới, về cơ bản không tạo ra ở mặt ngăn cách các hoạt tính về điện nào đó. Lớp silic đioxit có tác dụng quan trọng trong công nghiệp sản xuất mạch tích hợp. Với các chất bán dẫn loại khác, người ta còn chưa tìm được lớp cách điện ưu việt như silic đioxit*, đạt đến tính ưu việt của hệ silic đioxit / silic. Cho dù vật liệu gali asenua có tính năng tốt trong lĩnh vực cao tần so với silic, nhưng trong việc sản xuất mạch tích hợp ở quy mô lớn thì vật liệu silic vẫn ở hàng đầu.

Từ khoá: Vật liệu silic; Mạch tích hợp.