Trong bước "oxy hóa", một lớp oxit (SiO2) được hình thành trên bề mặt wafer. wafer là vật liệu quan trọng nhất trong quá trình chế tạo chất bán dẫn. Lớp oxit bảo vệ bề mặt wafer khỏi tạp chất, và bước tiếp theo là thiết kế mạch bán dẫn.

Mạch điện trong chip bán dẫn trông như thế nào? Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu!

Chip bán dẫn vi mô chứa hàng nghìn đến hàng triệu linh kiện điện tử (điốt, bóng bán dẫn, tụ điện, điện trở) bên trong chúng. Những mạch tích hợp bán dẫn này được tạo ra như thế nào? Đầu tiên chúng ta hãy tìm hiểu một chút về lịch sử phát triển của chất bán dẫn.

Bóng bán dẫn: Nơi cuộc cách mạng điện tử bắt đầu

Năm 1947, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell, cơ sở nghiên cứu trung tâm của công ty viễn thông lớn nhất Hoa Kỳ, Điện thoại và Điện báo Hoa Kỳ (AT&T), đã phát minh ra bóng bán dẫn. Phát minh này ban đầu được gọi là "bộ khuếch đại" và sau đó được đổi tên thành bóng bán dẫn.

Transitor nhanh chóng trở thành thành phần cốt lõi của các sản phẩm điện tử. Tuy nhiên, với những tiến bộ công nghệ, các sản phẩm điện tử ngày càng có nhiều chức năng hơn. Điều này dẫn đến sự tăng trưởng theo cấp số nhân về số lượng các thành phần cần được kết nối với nhau, từ bóng bán dẫn và điện trở đến điốt và tụ điện. Những điểm tiếp xúc này cũng trở thành nguyên nhân gây ra hầu hết các lỗi sản phẩm.

Năm 1958, kỹ sư Jack Kilby của Texas Instruments (TI) đã phát triển một giải pháp. Các linh kiện điện tử phức tạp sẽ được thu nhỏ và sau đó được in dưới dạng mạch điện trên một bề mặt nhỏ. Các mạch này sẽ được xếp chồng lên nhau, tạo ra các mạch tích hợp (IC).

Mạch tích hợp (IC): Cuộc cách mạng trong điện tử

Các bóng bán dẫn, điện trở, điốt và tụ điện tạo nên mạch tích hợp bán dẫn (IC), được kết nối với nhau để tính toán và lưu trữ tín hiệu điện.

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn chức năng của từng lớp thành phần. Các bóng bán dẫn đóng vai trò là công tắc để đóng và mở nguồn điện, trong khi các tụ điện tích tụ và lưu trữ điện tích. Điện trở điều chỉnh dòng điện và điốt duy trì tính đồng nhất của tín hiệu.

Mạch tích hợp bán dẫn được sản xuất bằng cách tích hợp tất cả các thành phần mạch thành các mẫu đa lớp phức tạp và phức tạp. Những mạch điện phức tạp này không thể vẽ thủ công được nên người ta sử dụng một phương pháp tương tự như phát triển hình ảnh chụp ảnh.

Sự phát triển của mạch tích hợp đã kích thích sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn. Việc chuyển từ kết nối thủ công các thành phần riêng lẻ sang mạch tích hợp có nghĩa là kiểu dáng sản phẩm nhỏ hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, đồng thời đạt được khả năng xử lý dữ liệu nhanh hơn. Việc sử dụng công nghệ quang khắc có nghĩa là IC bán dẫn đáng tin cậy và có lợi cho sản xuất quy mô lớn.

Vào những năm 1960, kỹ sư người Mỹ gốc Hàn quá cố tại Bell Labs, Tiến sĩ Dawon Kahng và Martin Atalla đã phát triển "MOS-FET" (Transistor hiệu ứng trường bán dẫn kim loại-oxit-bán dẫn). Mạch tích hợp thực sự bắt đầu tỏa sáng từ đây.

MOS-FET đã giải quyết được những hạn chế của bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực truyền thống, khó chế tạo và tiêu thụ nhiều điện năng.

Trong 60 năm, chất bán dẫn đã phát triển từ bóng bán dẫn đến mạch tích hợp và MOS-FET. Sự đổi mới hơn nữa trong tương lai là điều thú vị và được chờ đợi. 

Trong bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu cách vẽ các mạch được thiết kế phức tạp này lên các tấm bán dẫn bằng quy trình khắc.