Từ cát bụi trở thành chip bán dẫn
Chỉ bằng đầu ngón tay nhưng chính những chip bán dẫn nhỏ bé này, như bộ vi xử lý Intel Core 2 Duo, đã thay đổi cách thức con người sống, làm việc và giải trí.
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 hóa 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, Gordon Moore đưa ra dự báo 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 nhân đôi sau mỗi chu kỳ 2 năm. Định luật Moore có độ chính xác đáng ngạc nhiên sau nhiều thập kỷ. Vào năm 1971, chip 4004 của Intel chứa 2.300 bóng bán dẫn. Năm 2005, bộ vi xử lý Itanium có hơn một tỷ bóng bán dẫn. Intel vẫn tiếp tục chứng minh tính đúng đắn của định luật. Để trả lời những câu hỏi trên, Intel làm việc với các khách hàng, công ty phần mềm cũng như nhân viên tiếp thị, chế 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 kế nó.
Khi bản chỉ tiêu kỹ thuật của chip đã được xác lập, Intel tạo ra
sơ đồ logic - cách biểu diễn bằng ký hiệu của hàng triệu bóng bán dẫn và các kết nối điều khiển dòng điện đi qua toàn bộ chip. Khi giai đoạn này kết thúc, nhà thiết kế 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 tùy thuộc mục đích sử dụng dự kiến của nó. Intel sử dụng nhiều thành phần và thực hiện tới 300 bước, trong đó có hóa 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 hóa. Không giống chất cách điện như thủy 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 hóa 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 hóa 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.
Trong phòng sạch, không khí sạch luân chuyển qua trần và nền nhà. Tự động hóa 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 hóa 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 hóa 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.
Hóa khắc (Doping): Những khu vực hở của wafer bị bắn phá bởi ion của các hợp chất hóa học khác nhau, làm thay đổi cách thức dẫn điện của silic trong những khu vực này. Hóa 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.
Một số thuật ngữ trong sản xuất chip
Theo VnExpress
