Trong bối cảnh thời đại số ngày nay, chip bán dẫn đóng một vai trò quan trọng, giúp các thiết bị điện tử quanh ta vận hành một cách trơn tru, từ điện thoại thông minh đến máy tính, xe điện, các thiết bị tự động hoá. Quá trình để sản xuất ra những viên chip nhỏ nhưng lại đầy tiềm năng này bao gồm một chuỗi các giai đoạn phức tạp. Trong blog này, cùng khám phá để có cái nhìn toàn diện về quy trình sản xuất chip bán dẫn, từ khâu sản xuất wafer, cho đến khâu đóng gói cuối cùng.
Sản xuất Wafer
Quy trình sản xuất chip bán dẫn bắt đầu với bước tạo ra wafer silicon (các tấm bán dẫn bằng silicon), được nóng chảy từ cát. Những tấm wafer này thường được coi là nền tảng cho bất kỳ chip bán dẫn nào. Việc sản xuất các tấm wafer silic từ những hạt cát nhỏ (Silic dioxit SO2) đòi hỏi một quy trình phức tạp:
- Đầu tiên, cát được đun nóng chảy từ nguyên liệu thô thành chất lỏng tinh luyện, nhằm loại bỏ tạp chất và sau đó đông lại bằng cách tinh lọc theo quy tắc tinh thể.
- Sau khi có được khối silicon với độ tinh khiết cao, những trụ ingot này sau đó được cắt thành những tấm wafer siêu mảnh, với kích thước chính xác sử dụng những chiếc lưỡi cưa kim cương tiên tiến. Cùng với sự phát triển của công nghệ, độ dày thông thường của wafer hiện nay dao động từ 675 đến 725 micromet.
- Sau khi cắt, bề mặt các lát cắt wafer vẫn chưa hoàn toàn bằng phẳng, vẫn còn những điểm “gồ ghề” sau khi cắt, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất IC điện tử, cả về mặt độ chính xác và chức năng. Do đó, các tấm wafer trải qua quá trình đánh bóng để đạt đến độ chính xác “hoàn hảo”, bề mặt mượt mà như gương.
Tại sao gọi chúng là “wafer”? Lý do khá đơn giản, bởi hình ảnh bề mặt tấm bán dẫn chia thành các ô bằng nhau, khiến ta liên tưởng đến những chiếc bánh wafer. Kích thước của wafer sẽ quyết định số lượng chip được sản xuất. Nói một cách khác, kích thước tấm wafer càng lớn đồng nghĩa với việc nó chứa được nhiều con chip bán dẫn hơn.
Quá trình Oxi hoá (Oxidation)
Các tấm wafer được sản xuất vẫn chưa mang tính bán dẫn, hay các yếu tố điện tích. Đây là lúc cần phải tạo ra một lớp mỏng silic dioxit (SiO2) trên bề mặt tấm wafer thông qua quá trình oxi hoá (Oxidation).
Các bước quá trình oxi hoá trong quy trình sản xuất chip bán dẫn:
- Xịt một lớp oxi hoặc hơi nước mỏng lên bề mặt các tấm wafer (còn được biết đến là quá trình oxi hoá khô và quá trình ôxi hoá ướt), để tiếp xúc với nhiệt độ cao, từ đó tạo nên một lớp màng silicon oxi (SiO2). Lớp màng này đóng vai như một lớp bảo vệ cho các tấm wafer.
- Độ dày lớp silicon oxit ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của chip nên cần được kiểm soát chặt chẽ. Độ dày lớp màng oxi hoá hiện nay “siêu mỏng”, có thể chạm mức vài nanomet.
- Lớp silicon dioxide khi hoàn thiện sẽ đóng vai trò như một chất cách điện, một lá chắn bảo vệ, ngăn chặn sự rò rỉ điện không mong muốn giữa các chip khác nhau trên tấm wafer.
Quang khắc (Photolithography)
Quang khắc là bước quan trọng trong việc tạo hình các phần tử trên bề mặt tấm bán dẫn wafer, bằng cách sử dụng các phản ứng quang hóa (chiếu tia tử ngoại để tạo hình) trên bề mặt wafer nhằm thu được các hình dạng và kích thước xác định. Nói một cách đơn giản, nó giống như “in” thiết kế mạch lên wafer, sử dụng kỹ thuật tương tự như tạo ra một bức ảnh chụp bằng máy ảnh phim.
Một hệ quang khắc bao gồm chiếu nguồn tia tử ngoại xuống tấm wafer để tạo hình mạch chip, trong đó trước khi tia tử ngoại xuống đến bề mặt wafer phải đi qua một lớp mặt nạ quang trung gian để tạo hình. Hệ quang khắc bao gồm 3 tầng, tính từ dưới lên ta có:
- Tầng đầu tiên, tấm wafer đặt làm đế, phủ một lớp mỏng hợp chất hữu cơ lên bề mặt wafer, hợp chất này gọi là chất cản quang (photoresist) có tính nhạy quang, tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu tia tử ngoại.
- Tầng thứ hai, đặt một mặt nạ quang (photomask) bên trên tấm wafer để hứng tia tử ngoại. Mặt nạ quang là một tấm chắn sáng (chất nền thủy tinh) có thiết kế kiểu mạch muốn tạo.
- Tầng trên cùng là nguồn tia tử ngoại truyền qua photomask. Khi tia tử ngoại chiếu xuống sẽ bị các họa tiết trên mặt nạ quang chặn sáng, những vùng không có họa tiết sẽ bị lọt tia tử ngoại xuống wafer và tạo thành hình nhờ cản quang biến đổi. Đây chính là các mạch của con chip bán dẫn cần tạo.
Phải đảm bảo tiến hành kiểm tra bổ sung giai đoạn quang khắc để đảm bảo các mạch được tạo hình tốt và chuẩn xác. Bước này xác định vị trí cho các giai đoạn sau của quy trình sản xuất chất bán dẫn như Khắc và Kỹ thuật màng mỏng.
Khắc/ Ăn mòn (Etching)
Sau khi bản thiết kế chip đã được in dấu trên tấm wafer ở bước quang khắc (photolithography), tiếp theo trong quy trình sản xuất chip bán dẫn là giai đoạn khắc (etching) để “chau chuốt” lại hình bản thiết kế chip trên tấm bán dẫn, loại bỏ hết những phần không cần thiết.
Hai phương pháp khắc (etching) phổ biến là khắc khô (dry etching) và khắc ướt (wet etching)
| Khắc/ Ăn mòn ướt (wet etching) | Sử dụng hoá chất lỏng (thường là axit) để tạo ra các phản ứng hoá học, hoà tan, làm ăn mòn những phần vật liệu không mong muốn |
| Khắc/ Ăn mòn khô (dry etching) | Sử dụng plasma, khí ga chứa ion để loại bỏ có chọn lọc những phần vật liệu không mong muốn |
Có thể nói, bước này giúp góp phần trong quá trình tạo nên cấu trúc của con chip, bước đầu “tạo hình” theo bản thiết kế mong muốn, đồng thời đặt nền tảng cho việc thu nhỏ kích cỡ các IC điện tử.
Kỹ thuật màng mỏng (Deposition)
Tạo nên một con chip giống như việc xây dựng một toà nhà nhiều tầng, ta cần phải chồng từng lớp mỏng một trên tấm bán dẫn (wafer), trong khi lặp lại quy trình Quang khắc (photolithography) và Khắc (etching) nhiều lần. Để làm nên các thành phần của một IC, các lớp mỏng làm từ các vật liệu như kim loại và chất cách điện được tạo trên lớp vật liệu wafer.
Trong đó, phương pháp kỹ thuật màng mỏng hoá học (Chemical Vapor Deposition – CVD) và phương pháp kỹ thuật màng mỏng vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD) là những phương pháp phổ biến nhất.
Trong đó,
- Phương pháp hoá học bao gồm: lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), lắng đọng hoá học pha hơi áp suất thấp (LPCVD), và Sol-gel
- Phương pháp vật lý bao gồm: phún xạ (sputtering), bốc bay hơi nhiệt (evaporation), phương pháp phun tĩnh điện…
Những lớp màng mỏng này góp phần trong quá trình tạo nên cấu trúc của con chip, với các lớp được thiết kế cẩn thận, đạt đến độ chính xác, đặt chồng lên nhau để đảm bảo con chip có thể hoạt động như mong muốn.
Cấy Ion (Ion Implantation)
Chất bán dẫn được làm từ silicon không có dẫn điện. Do đó, đây là lúc đưa vào các tạp chất đã được ion hoá (loại bỏ một hay nhiều electron khiến ion tạp chất mang điện tích dương), để thêm khả năng dẫn điện, hình thành nên các mạch tích hợp.
Quá trình cấy ion này đóng vai trò quan trọng để tạo ra khả năng dẫn điện cần thiết, để làm cho tấm wafer chưa hàng loạt các con chip có khả năng hoạt động
Đi dây kim loại (Metal Wiring)
Việc thêm dây kim loại rất quan trọng để thiết lập các đường dẫn để điện có thể đi giữa các thành phần khác nhau của chip. Những lớp kim loại này, thường được làm từ vật liệu như nhôm (aluminum), titan (titanium) hoặc tungsten, đóng vai trò như các đường dẫn dẫn cho tín hiệu điện trong mạch, đảm bảo các phần chức năng giao tiếp hiệu quả và hoạt động trơn tru bên trong thiết bị bán dẫn.
Lưu ý: Trong số những vật liệu trên, nhôm là lựa chọn phổ biến nhất vì có khả năng bám chặt vào lớp oxit (silic dioxit) và dẫn điện tốt nhất.
Phân loại (Sorting)
Sau khi các bước sản xuất được hoàn tất, wafer trải qua quá trình kiểm tra nghiêm ngặt để xác định và loại bỏ chip lỗi. Bước này cũng được gọi là EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), kiểm tra các đặc tính về điện của con chip.
Trang thiết bị chuyên môn được sử dụng để kiểm tra tự động, đánh giá chức năng của từng chip, đảm bảo chỉ có các IC hoạt động tốt được mang đi đóng gói và tiêu thụ. Giai đoạn phân loại đóng vai trò duy trì hiệu suất và đảm bảo chất lượng cao trong sản xuất chip bán dẫn.
Đóng gói (Packaging)
Đến giai đoạn cuối cùng trong quy trình sản xuất chip bán dẫn, wafer được cắt thành các chip riêng lẻ. Những con chip bán dẫn sau đó được đóng gói trong các ốp bảo vệ, kết nối với chân IC hoặc dây dẫn bên ngoài, cho phép trao đổi điện với bên ngoài và đảm bảo tản nhiệt hiệu quả. Quá trình đóng gói không chỉ bảo vệ chip khỏi các yếu tố môi trường khác nhau mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy tổng thể.
Sau khi kiểm tra lại lần cuối cùng, đóng gói và gắn nhãn tên sản phẩm, tên nhà sản xuất, viên chip bán dẫn mà chúng ta thường thấy đã hoàn thành, sẵn sàng được vẫn chuyển đi tiêu thụ.
Kết luận
Quy trình sản xuất chip bán dẫn là một ‘bản giao hưởng’, là sự phối hợp nhịp nhàng của công nghệ tiên tiến, kỹ thuật chính xác và sáng tạo khoa học. Từ việc tạo ra những tấm bán dẫn wafer silicon đến những bước phức tạp như oxy hóa, quang khắc, ăn mòn, kỹ thuật màng mỏng, cấy ion, đi dây kim loại, phân loại và đóng gói, mỗi giai đoạn đều đóng góp vào việc sản xuất các chip hiệu suất cao, góp phần vận hành cuộc sống của chúng ta. Với sự tiến bộ không ngừng nghỉ của công nghệ, ngành công nghiệp chip bán dẫn tiếp tục phát triển mạnh mẽ, thúc đẩy sự đổi mới và hình thành tương lai của các thiết bị điện tử, liên kết đa chiều.