Quy trình sản xuất chip bán dẫn là một chuỗi công đoạn phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và kỹ thuật chính xác. Từ việc chế tạo wafer silicon đến hoàn thiện các chip bán dẫn, mỗi bước đều cần phải đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn khắt khe. Bài viết này sẽ hé lộ chi tiết từng giai đoạn trong quy trình sản xuất, cùng với sự quan trọng của môi trường phòng sạch, để bạn hiểu rõ hơn về các yếu tố quyết định sự thành công của mỗi con chip bán dẫn.
1. Quy trình sản xuất chip bán dẫn
Chip bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, từ điện thoại thông minh, máy tính đến các hệ thống viễn thông và y tế. Vậy nên, mỗi giai đoạn trong quy trình sản xuất chip phải được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo chất lượng và hiệu suất tối ưu của sản phẩm cuối cùng. Dưới đây là 9 bước cơ bản trong quy trình sản xuất chip bán dẫn.
Tạo Wafer Silicon
Quy trình sản xuất chip bán dẫn bắt đầu với việc tạo ra wafer silicon, được chiết xuất từ cát, theo các bước sau:
- Cát được nung chảy để loại bỏ tạp chất, sau đó đông lại thành khối silicon tinh khiết.
- Những khối silicon (ingot) này được cắt thành các tấm wafer siêu mỏng với độ dày khoảng 675 đến 725 micromet bằng lưỡi cưa kim cương.
- Sau khi cắt, bề mặt wafer còn gồ ghề và cần được đánh bóng để đạt độ mịn hoàn hảo.
Kích thước của tấm wafer quyết định số lượng chip có thể sản xuất từ mỗi wafer.
Quá trình Oxi hoá (Oxidation)
Sau khi sản xuất, các tấm wafer chưa có tính chất bán dẫn. Để tạo lớp bảo vệ và tăng khả năng cách điện, chúng cần được phủ một lớp mỏng silic dioxit (SiO2) thông qua quá trình oxi hoá.
Trong quá trình này, tấm wafer được tiếp xúc với oxy hoặc hơi nước nóng, tạo thành lớp silicon dioxide (SiO2). Độ dày của lớp này rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của chip, vì vậy phải được kiểm soát chặt chẽ. Lớp oxit này có tác dụng bảo vệ, ngăn ngừa sự rò rỉ điện giữa các chip, giữ cho chúng hoạt động ổn định.
Quang khắc (Photolithography)
Quang khắc là một bước quan trọng trong việc tạo ra các mạch trên bề mặt wafer bán dẫn, thông qua quá trình chiếu tia tử ngoại lên lớp chất cản quang (photoresist) phủ trên wafer. Quá trình này giúp “in” thiết kế mạch lên bề mặt wafer, tương tự như việc tạo ảnh trên phim.
Hệ thống quang khắc sử dụng tia tử ngoại để tạo hình mạch trên wafer qua ba lớp:
- Lớp đầu tiên: Wafer được phủ chất cản quang (photoresist), nhạy với tia UV.
- Lớp thứ hai: Mặt nạ quang (photomask) chứa thiết kế mạch được đặt lên wafer để hấp thụ tia UV.
- Lớp trên cùng: Tia UV chiếu qua mặt nạ, chỉ các vùng không bị chặn sẽ tạo ra mạch trên wafer nhờ sự thay đổi của chất cản quang.
Bước quang khắc cần được kiểm tra kỹ để đảm bảo các mạch được tạo ra chính xác, là cơ sở cho các công đoạn tiếp theo như khắc và lắng đọng màng mỏng.
Khắc/ Ăn mòn (Etching)
Sau khi bản thiết kế chip được in lên wafer qua quá trình quang khắc, bước khắc (etching) sẽ loại bỏ các phần vật liệu thừa, hoàn thiện hình dáng của mạch trên chip.
Quá trình khắc có hai phương pháp chính:
- Khắc ướt (wet etching): Sử dụng hóa chất lỏng (thường là axit) để ăn mòn các phần vật liệu không mong muốn.
- Khắc khô (dry etching): Sử dụng plasma hoặc khí ion để loại bỏ có chọn lọc vật liệu thừa.
Bước khắc giúp hoàn thiện cấu trúc chip và là nền tảng cho việc thu nhỏ kích thước các IC điện tử.
Lắng đọng màng mỏng (Deposition)
Quy trình sản xuất chip bán dẫn giống như xây dựng một tòa nhà nhiều tầng, với các lớp mỏng được lắng đọng lên bề mặt bán dẫn (wafer) thông qua các quy trình Quang khắc (photolithography) và Khắc (etching). Các lớp này, bao gồm kim loại và chất cách điện.
Hai phương pháp chính trong kỹ thuật màng mỏng là CVD (Lắng đọng hóa học) và PVD (Lắng đọng vật lý).
Cấy Ion (Ion Implantation)
Silicon, nguyên liệu chính trong sản xuất chất bán dẫn, không có khả năng dẫn điện. Để khắc phục, quá trình cấy ion đưa vào các tạp chất ion hóa (mang điện tích dương) nhằm cải thiện tính dẫn điện và hình thành các mạch tích hợp. Quá trình này giúp con chip hoạt động hiệu quả trên tấm wafer.
Đi dây kim loại kết nối điện giữa các thành phần của chip. Các vật liệu kim loại như nhôm, titan và tungsten được sử dụng để làm các đường dẫn tín hiệu, đảm bảo mạch điện hoạt động chính xác. Trong đó, nhôm thường được ưu tiên nhờ khả năng bám chặt vào lớp oxit và tính dẫn điện vượt trội.
Phân loại (Sorting)
Sau khi sản xuất, wafer trải qua quá trình EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) để kiểm tra các đặc tính điện và loại bỏ chip lỗi. Các thiết bị tự động xác định chức năng của từng chip, chỉ các IC đạt chuẩn mới được đóng gói và ra thị trường, đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản phẩm.
Đóng gói (Packaging)
Sau khi hoàn tất, wafer silicon được cắt thành các chip bán dẫn riêng biệt. Mỗi chip sau đó được cẩn thận đóng gói vào các vỏ bảo vệ, kết nối với chân IC để tương tác với các mạch điện khác. Quá trình đóng gói không chỉ bảo vệ chip mà còn đảm bảo hiệu suất làm việc ổn định và tuổi thọ lâu dài. Cuối cùng, chip được kiểm tra kỹ lưỡng, dán nhãn và sẵn sàng vận chuyển đến tay người tiêu dùng.
2. Công nghệ sản xuất chip bán dẫn
Trong những năm gần đây, nhiều công nghệ sản xuất chip bán dẫn tiên tiến đã được ra đời, mang lại cải tiến vượt bậc về hiệu suất, kích thước và khả năng của các chip bán dẫn. Dưới đây là 5 công nghệ nổi bật đang định hình tương lai của ngành.
Dây chuyền sản xuất 3D (3D ICs)
Sản xuất chip 3D là một trong những tiến bộ đáng chú ý trong ngành bán dẫn. Thay vì sản xuất các chip phẳng như truyền thống, công nghệ 3D cho phép các lớp vi mạch được chồng lên nhau, tạo ra các thiết kế phức tạp hơn mà không làm tăng diện tích. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất chip, đồng thời tiết kiệm không gian.
Tiến bộ trong công nghệ EUV (Extreme Ultraviolet Lithography)
EUV là công nghệ quang học tiên tiến giúp chế tạo các vi mạch có độ phân giải cực kỳ nhỏ, cho phép sản xuất các chip với các bóng bán dẫn nhỏ hơn. EUV sử dụng ánh sáng có bước sóng cực ngắn (13,5 nm) để in các mạch điện rất nhỏ lên wafer silicon. Công nghệ này đang trở thành tiêu chuẩn trong việc sản xuất các chip 5nm và nhỏ hơn, với các công ty như TSMC và Samsung đang đầu tư mạnh vào EUV.
Công nghệ FinFET và GAAFET
FinFET (Fin Field-Effect Transistor) là một dạng transistor tiên tiến giúp tạo ra các vi mạch nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. GAAFET (Gate-All-Around FET) là một công nghệ transistor mới được nghiên cứu để thay thế FinFET, với khả năng làm giảm sự rò rỉ điện và cải thiện hiệu suất ở các kích thước siêu nhỏ (dưới 3nm). GAAFET hứa hẹn sẽ là giải pháp cho các thế hệ chip siêu nhỏ trong tương lai.
Chế tạo chip sử dụng vật liệu mới – Graphene và Carbon Nanotubes
Graphene và carbon nanotubes (CNTs) là các vật liệu đang được nghiên cứu để thay thế silicon trong sản xuất chip bán dẫn. Những vật liệu này có tính dẫn điện cao và có thể giúp tạo ra các transistor nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm sử dụng graphene và CNTs để phát triển chip bán dẫn thế hệ mới, dự báo sẽ làm thay đổi cuộc chơi trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Chế tạo chip bằng công nghệ Nano (Nanotechnology)
Nanotechnology (công nghệ nano) đang được ứng dụng để tạo ra các chip với kích thước cực nhỏ. Công nghệ này cho phép kiểm soát các thành phần của chip ở cấp độ nguyên tử, giúp tạo ra các vi mạch nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Nó cũng hứa hẹn cải thiện hiệu suất của các chip bán dẫn trong các ứng dụng như AI và điện toán đám mây.
Xem thêm: Tổng quan về ngành bán dẫn tại thị trường Việt Nam
3. Môi trường sản xuất chip bán dẫn
Sản xuất chip bán dẫn yêu cầu một môi trường kiểm soát chặt chẽ về độ sạch, nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố khác để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Phòng sạch là nơi tối ưu để thực hiện quy trình này, vì môi trường này giúp ngăn ngừa những tác nhân gây hại đến chất lượng chip, như bụi bẩn, tĩnh điện và thay đổi nhiệt độ.
Tại sao sản xuất chip cần môi trường phòng sạch?
- Kích thước siêu nhỏ: Các linh kiện trên chip chỉ có kích thước nanomet, vì vậy một hạt bụi nhỏ cũng có thể gây lỗi nghiêm trọng, làm hỏng toàn bộ chip.
- Tính nhạy cảm: Vật liệu sản xuất chip rất dễ bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm và hóa chất.
- Yêu cầu tinh khiết: Để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy, các vật liệu và quá trình sản xuất phải đạt độ tinh khiết tối đa.
Yếu tố quan trọng trong phòng sạch sản xuất chip
- Độ sạch: Phòng sạch được phân loại theo lượng bụi cho phép, thường đạt tiêu chuẩn ISO 3 hoặc ISO 4, đảm bảo không gian sản xuất cực kỳ sạch.
- Nhiệt độ và độ ẩm: Cả hai yếu tố này đều được kiểm soát để duy trì sự ổn định trong các phản ứng hóa học và bảo vệ vật liệu.
- Áp suất: Phòng sạch thường có áp suất hơi âm, ngăn không khí ô nhiễm từ bên ngoài xâm nhập.
- Độ rung: Để đảm bảo các công đoạn như quang khắc diễn ra chính xác, độ rung cũng phải được kiểm soát chặt chẽ.
Xem thêm: Các cấp độ sạch phù hợp trong ngành sản xuất chip bán dẫn
KYODO – Cung cấp giải pháp phòng sạch sản xuất điện tử
Với kinh nghiệm lâu năm và chuyên môn sâu trong ngành, KYODO tự hào là đối tác tin cậy trong việc cung cấp các giải pháp phòng sạch cho ngành sản xuất chip bán dẫn. Chúng tôi hiểu rõ những yêu cầu khắt khe về chất lượng, độ chính xác trong quá trình sản xuất và cam kết mang đến môi trường làm việc tối ưu để giúp doanh nghiệp đạt được hiệu quả cao nhất.
Dịch vụ của KYODO:
- Thiết kế và thi công: Đảm bảo phòng sạch đạt tiêu chuẩn ISO 3, ISO 4 và các yêu cầu nghiêm ngặt khác, phục vụ cho quá trình sản xuất và lắp ráp chip bán dẫn, vi mạch và các linh kiện điện tử siêu nhỏ.
- Hệ thống HVAC (Thông gió, điều hòa không khí)
- Cung cấp thiết bị phòng sạch chuyên dụng (Sàn vinyl chống tĩnh điện, Sàn ESD)
- Dịch vụ bảo trì phòng sạch
- Tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật
Hãy để KYODO đồng hành cùng bạn trong việc xây dựng môi trường sản xuất chuẩn mực.
Liên hệ:
- Hotline: 0777.386.683
- Mail: sales@pskyodo.com
