Từ cát bụi trở thành chip bán dẫn
Ngày nay, chip silicon hiện diện ở khắp nơi. Chúng gia tăng sức mạnh của
mạng Internet, cho phép tạo nên cuộc cách mạng về điện toán di động, tự động hoá các nhà
máy, nâng cao năng lực của điện thoại và làm giàu lĩnh vực giải trí gia đình.
Từ cát bụi trở thành chip bán dẫn
Báo Thương Mại - 17/07/2009
CôngThương - Ngày nay, chip silicon hiện diện ở khắp nơi. Chúng gia tăng sức mạnh của
mạng Internet, cho phép tạo nên cuộc cách mạng về điện toán di động, tự động hoá các nhà
máy, nâng cao năng lực của điện thoại và làm giàu lĩnh vực giải trí gia đình.
Chip silicon ở khắp nơi.
Việc sản xuất những chip như thế là một kỳ công. Công nghệ chế tạo của Intel đã tạo ra những
mạch điện với kích thước chỉ bằng một phần nghìn sợi tóc trên miếng silicon. Loại chip phức tạp
nhất - bộ vi xử lý - có thể chứa hàng trăm triệu, thậm chí là hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor)
được kết nối với nhau bằng những dây dẫn mỏng chế tạo từ đồng. Mỗi transistor có vai trò như
một công tắc đóng/mở, điều khiển dòng điện chạy qua để gửi, nhận, và xử lý thông tin chỉ trong
vòng một phần của giây.
Thiết kế
Việc sản xuất chip silicon bắt đầu bằng một thiết kế, hay bản vẽ. Ở giai đoạn này, Intel xem xét
rất nhiều tham số như: Chọn kiểu chip nào và tại sao? Số lượng bóng bán dẫn có thể được tích
hợp trên chip đó? Kích cỡ tối ưu của chip là gì? Công nghệ nào sẽ được sử dụng để sản xuất
chip? Khi nào thì chip phải được đưa ra thị trường? Chip đó sẽ được sản xuất và kiểm tra tại
đâu?
Năm 1965, đưa ra dự báo
Gordon Moore
về tốc độ phát triển của công
nghệ bán dẫn. Định luật Moore
phát biểu rằng mật độ bóng bán
dẫn trên vi mạch tích hợp sẽ
Để trả lời những câu hỏi trên, Intel làm việc với các khách nhân đôi sau mỗi chu kỳ 2 năm.
hàng, công ty phần mềm cũng như nhân viên tiếp thị, chế Định luật Moore có độ chính xác
tạo và kiểm tra của Intel. Nhóm thiết kế lấy tham số đầu
vào và bắt đầu xác định các tính năng của chip và thiết
đáng ngạc nhiên sau nhiều thập
kế nó. kỷ. Vào năm 1971, chip 4004 của
Intel chứa 2.300 bóng bán dẫn.
Khi bản chỉ tiêu kỹ thuật của chip đã được xác lập, Intel Năm 2005, bộ vi xử lý Itanium có
tạo ra sơ đồ logic - cách biểu diễn bằng ký hiệu của hàng hơn một tỷ bóng bán dẫn. Intel
triệu bóng bán dẫn và các kết nối điều khiển dòng điện đi vẫn tiếp tục chứng minh tính
qua toàn bộ chip. Khi giai đoạn này kết thúc, nhà thiết kế
đúng đắn của định luật.
tạo các biểu diễn vật lý của mỗi lớp trong chip cùng các
bóng bán dẫn của nó. Các mẫu giống như khuôn tô này (còn gọi là Mặt nạ) được sử dụng để
che một số khu vực của chip khỏi tia cực tím trong quá trình sản xuất in quang khắc. Để hoàn
tất thiết kế, kiểm tra và mô phỏng, Intel sử dụng máy workstation chạy chương trình thiết kế
được máy tính hỗ trợ (CAD). Công đoạn này mất khoảng 2 năm với 200 người làm việc liên tục.
Chế tạo
Quá trình tạo chip bán dẫn được gọi là chế tạo và các nhà máy nơi chip được sản xuất gọi là
nhà máy chế tạo, hay gọi tắt là Fab. "Phụ gia" xây dựng chip thay đổi tuỳ thuộc mục đích sử
dụng dự kiến của nó. Intel sử dụng nhiều thành phần và thực hiện tới 300 bước, trong đó có hoá
chất, khí ga hoặc ánh sáng để hoàn tất quá trình chế tạo.
Bắt đầu từ cát
Tất cả được bắt đầu với silic. Intel chế tạo chip theo từng mẻ trên các tấm wafer được làm từ
silic tinh khiết - thành phần chính trong cát ở bờ biển. Hãng này dùng silic bởi vì nó là chất bán
dẫn tự nhiên dễ bị oxy hoá. Không giống chất cách điện như thuỷ tinh (luôn ngăn dòng điện đi
qua) hay chất dẫn điện như đồng (luôn cho phép dòng điện đi qua), bạn có thể biến silic thành
chất dẫn điện hoặc cách điện.
Silic, nguyên tố hoá học phổ biến thứ hai trên trái đất sau oxy, được
sử dụng vì nó là chất bán dẫn tự nhiên.
Để sản xuất tấm wafer, silic được xử lý hoá học nhằm đạt được độ tinh khiết đến 99,9999%.
Silic đã tinh lọc được nung chảy và trở thành thỏi hình trụ. Những thỏi silic đó được cắt lát mỏng
thành những tấm wafer và được đánh bóng cho đến khi chúng có bề mặt hoàn hảo, nhẵn bóng
như gương. Khi mới bắt đầu sản xuất chip, Intel dùng các tấm wafer 2 inch còn hiện nay họ sử
dụng wafer 300 mm (12 inch) và 200 mm (8 inch) để đạt sản lượng cao hơn và giảm được chi
phí.
Cấu trúc nhiều lớp
Intel dùng quy trình "in" quang khắc để hình thành nhiều lớp bóng bán dẫn và dẫn điện trên tấm
wafer của chip.
Phân loại các tấm wafer
Bước cuối cùng trong quy trình chế tạo là phân loại wafer - một phép kiểm tra về điện để phát
hiện và loại bỏ các chip không hoạt động. Hệ thống máy tính hoàn tất một loạt các phép đo
kiểm để đảm bảo rằng các mạch điện của chip đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và hoạt động theo
thiết kế.
Các nhà máy sản xuất chip (Fab)
Trong các cơ sở sản xuất tinh vi này, Intel chế tạo chip trong những khu vực đặc biệt được gọi là
Phòng sạch. Do các phần tử không nhìn thấy hoặc bụi bẩn có thể phá hỏng mạch điện phức
tạp trên chip, không khí trong phòng sạch cũng phải "siêu" sạch (gấp hàng nghìn lần độ sạch
của phòng mổ trong bệnh viện). Nhân viên kỹ thuật mặc những bộ quần áo đặc biệt, thường
được gọi là "trang phục của thỏ" trước khi vào phòng sạch. Trang phục đó ngăn chất bẩn như
xơ vải hoặc tóc rơi vào tấm wafer.
Tự động hoá cũng đóng vai trò quan trọng trong một nhà máy sản xuất. Các mẻ wafer được giữ
sạch cũng như được xử lý nhanh và hiệu quả khi chúng đi qua các bình đựng có cửa mở về phía
trước (FOUP). Mỗi FOUP được gắn nhãn có mã vạch xác định các thành phần được sử dụng
để sản xuất chip. Nhãn này đảm bảo việc xử lý chính xác ở mỗi bước trong quy trình sản xuất.
Tại nhà máy 300 mm, một FOUP chứa tới 25 tấm wafer và nặng hơn 11 kg (25 pound). Tự động
hoá cho phép đạt đến trọng lượng này vì nó quá nặng để có thể mang vác hiệu quả bằng nhân
công.
Quy trình sản xuất
Tạo ra bóng bán dẫn trên các chip máy tính là một quy trình rất chính xác và phức tạp. Dưới đây
là tổng hợp về các bước chính trong quy trình:
Cách điện và bọc: Một lớp cách điện được "cấy" trên bề mặt của tấm wafer đã được đánh bóng
trong lò ở nhiệt độ cao với sự hiện diện của ôxy. Tấm wafer sau đó được phủ chất liệu nhạy
sáng gọi là quang trở và cũng giống như các tấm phim chụp ảnh, nó thay đổi về mặt hoá học khi
bị phơi sáng dưới tia tử ngoại.
Che mặt nạ: Mặt nạ (tạo trong giai đoạn thiết kế) quy định hình dạng của mạch điện trên mỗi
lớp của chip. Một chiếc máy tinh vi có tên máy xếp bậc sẽ cân chỉnh mặt nạ vào tấm wafer. Nó
chiếu tia tử ngoại thông qua những chỗ bị phơi sáng trên mặt nạ. Quang trở ở phần bị chiếu
sáng trở thành một lớp trong và dính.
Khắc axit: Những phần bị phơi sáng của quang trở bị loại bỏ làm lộ các phần của lớp oxy silic
phía dưới. Phần hở của oxy silic bị loại bỏ bằng quá trình được gọi là khắc axit. Sau đó, phần
quang trở còn lại cũng bị loại, để lại mẫu của oxy silic trên tấm wafer.
Ghép thêm các lớp: Những vật liệu khác như là Silic đa tinh thể (polysilicon), có tính dẫn điện
được phủ lên tấm wafer thông qua các bước che mặt nạ và khắc mở rộng. Mỗi lớp của vật liệu
mang một mẫu mạch điện duy nhất. Nhiều lớp được trải trên tấm wafer và sau đó được loại bỏ
theo từng chỗ nhỏ để tạo thành bóng bán dẫn và kết nối. Chúng sẽ trở thành mạch điện bán
dẫn của chip theo một cấu trúc trong không gian 3 chiều.
Hoá khắc (Doping): Những khu vực hở của wafer bị bắn phá bởi ion của các hợp chất hoá học
khác nhau, làm thay đổi cách thức dẫn điện của silic trong những khu vực này. Hoá khắc là quá
trình chuyển silic thành những bóng bán dẫn silicon, giúp bóng bán dẫn thực hiện việc bật và tắt
- hai trạng thái được dùng để biểu diễn các số nhị phân 1 và 0. Các biểu diễn nhị phân này sau
đó được dịch thành các ký tự, con số, màu sắc và hình ảnh đồng thời tạo ra nền tảng để lưu trữ
dữ liệu trong máy tính.
Tạo công tắc: Để tạo kết nối với các lớp khác trên tấm wafer, các công tắc điện tử được tạo
thành qua nhiều bước che mặt nạ và khắc lặp đi lặp lại.
Thêm kim loại: Nhiều lớp kim loại được sử dụng để hình thành kết nối điện giữa các lớp trong
chip. Intel sử dụng nguyên liệu đồng trong khâu này.
Hoàn thiện tấm wafer: Một tấm wafer hoàn thiện chứa hàng triệu bóng bán dẫn. Mỗi bóng bán
dẫn đóng vai trò như một công tắc đóng hoặc mở cho dòng điện đi qua. Một điện áp dương đặt
trên cực cổng của bóng bán dẫn sẽ hút điện tử (cổng này tạo ra một kênh giữa cực nguồn và
cực máng của bóng bán dẫn để điện tử có thể đi qua). Trong khi đó, một điện áp âm trên cực
cổng sẽ chặn dòng điện không cho đi qua bóng bán dẫn.
Đóng gói
Sau khi được phân loại, wafer được đưa đến nhà máy lắp ráp của Intel, nơi một cái cưa chính
xác phân tách mỗi tấm wafer thành từng chip riêng lẻ gọi là khuôn (die). Mỗi chip được lắp ráp
vào một đế (ngoài chức năng bảo vệ chip, chiếc đế đó còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn và các
kết nối điện với bo mạch chủ trên máy tính). Đây chính là những IC thành phẩm mà người ta sẽ
gắn trên bo mạch chủ của máy tính hoặc điện thoại di động, PDA...
Những núm nhỏ trên đế cung cấp kết nối điện tử giữa chip
và bo mạch chủ.
Tái kiểm tra
Intel thực hiện các phép kiểm tra về điện và độ tin cậy đối với từng thành phẩm. Họ thẩm định
việc sản phẩm phải hoạt động ở tốc độ thiết kế trên toàn dải nhiệt độ. Bởi vì các chip có thể
được sử dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau, từ động cơ ô tô cho đến máy bay và laptop nên
chúng phải có khả năng chống chịu những tác động của nhiều điều kiện môi trường. Sau khi
được kiểm duyệt, các chip được đánh mã, kiểm tra bằng mắt, đóng gói và được chuyển giao cho
khách hàng của Intel.
Chia sẻ:
•
•