Chip bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong mọi thiết bị công nghệ hiện đại, từ điện thoại, máy tính đến các hệ thống ô tô thông minh và trí tuệ nhân tạo. Tuy nhiên, ít ai biết rằng để tạo ra một con chip nhỏ bé nhưng mạnh mẽ, quy trình sản xuất phải trải qua hàng trăm công đoạn với độ chính xác cực cao. Vậy chip bán dẫn được sản xuất như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
Tinh chế silicon – bước đầu tiên từ cát đến wafer
Nguyên liệu chính để sản xuất chip bán dẫn là silicon, được chiết xuất từ cát thạch anh chứa hàm lượng silicon dioxide (SiO₂) cao. Tuy nhiên, silicon sử dụng trong công nghiệp bán dẫn phải đạt độ tinh khiết gần như tuyệt đối, lên đến 99,9999%.
Các bước tinh chế silicon:
- Khử oxy: Cát thạch anh được nung chảy cùng than trong lò hồ quang điện để tách silicon khỏi oxy, tạo thành silicon thô.
- Tinh luyện silicon: Silicon thô tiếp tục được tinh chế bằng phương pháp Siemens để đạt độ tinh khiết cao hơn.
- Kết tinh đơn tinh thể: Silicon tinh khiết được nấu chảy ở 1.425°C, sau đó dùng phương pháp Czochralski để tạo thành khối đơn tinh thể silicon hình trụ (ingot silicon).
Cắt và xử lý bề mặt wafer
Sau khi có được ingot silicon, bước tiếp theo là cắt và xử lý wafer – nền tảng để tạo ra vi mạch bán dẫn.
- Cắt wafer: Ingot silicon được cắt thành các tấm wafer mỏng chỉ vài trăm micromet bằng công nghệ cưa dây kim cương để đảm bảo độ chính xác cao.
- Đánh bóng bề mặt: Wafer được đánh bóng bằng hóa chất và cơ học để đạt độ phẳng tuyệt đối.
- Làm sạch wafer: Quy trình làm sạch bằng hóa chất giúp loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn, đảm bảo wafer sẵn sàng cho quá trình quang khắc.
Quang khắc (Photolithography) – tạo bản thiết kế vi mạch
Quang khắc là bước quan trọng giúp in mạch điện lên bề mặt wafer. Công nghệ này sử dụng ánh sáng cực tím (UV) và mặt nạ quang học để tạo nên các transistor siêu nhỏ.
Quy trình quang khắc bao gồm:
- Phủ lớp cản quang (photoresist): Một lớp nhạy sáng được phủ lên wafer.
- Chiếu tia UV: Ánh sáng đi qua mặt nạ (photomask), truyền hình ảnh thiết kế vi mạch lên wafer.
- Rửa và hiện ảnh: Các vùng tiếp xúc với tia UV bị loại bỏ, để lộ bề mặt silicon cần khắc.
Độ chính xác của bước này quyết định mức độ tinh vi của chip, với tiến trình sản xuất hiện đại đạt tới 3nm.
Khắc mạch và cấy ion – tạo cấu trúc bán dẫn
Sau khi hình ảnh mạch điện được in lên wafer, các công đoạn tiếp theo giúp tạo nên transistor và các thành phần điện tử khác.
- Khắc hóa học (Etching): Sử dụng hóa chất hoặc plasma để loại bỏ silicon tại các vị trí không được bảo vệ.
- Cấy ion (Doping): Các nguyên tử tạp chất như Boron hoặc Phosphorus được bắn vào wafer để thay đổi tính chất dẫn điện, tạo vùng P và N trong transistor.
Lắng đọng vật liệu và tạo kết nối
Sau khi hoàn thành cấu trúc bán dẫn, các lớp vật liệu khác nhau được lắng đọng để bảo vệ và kết nối các linh kiện.
- Lắng đọng lớp cách điện: Một lớp Silicon Dioxide (SiO₂) được phủ lên để cách điện giữa các tầng mạch.
- Tạo lớp dẫn điện: Các lớp kim loại (thường là đồng hoặc nhôm) được khắc để tạo đường dẫn nối giữa các transistor.
- Xếp chồng nhiều lớp: Các chip hiện đại có thể có hàng chục lớp mạch để tăng hiệu suất và tiết kiệm không gian.
Kiểm tra chất lượng wafer
Sau khi hoàn tất các công đoạn sản xuất, wafer được kiểm tra để đảm bảo chip hoạt động đúng tiêu chuẩn.
- Kiểm tra quang học: Sử dụng kính hiển vi điện tử để phát hiện lỗi trên bề mặt wafer.
- Kiểm tra điện tử: Các dòng điện nhỏ được đưa vào chip để kiểm tra xem có hoạt động đúng không.
- Loại bỏ chip lỗi: Những chip bị lỗi sẽ bị loại bỏ, chỉ giữ lại các chip đạt tiêu chuẩn.
Cắt và đóng gói chip
Sau khi kiểm tra chất lượng, wafer được cắt thành từng con chip riêng lẻ và đóng gói để bảo vệ chúng khỏi tác động bên ngoài.
- Cắt wafer: Sử dụng dao cắt chính xác để tách chip.
- Gắn vào đế (die attach): Chip được gắn vào một đế kết nối (substrate) để liên kết với chân cắm.
- Đóng gói bảo vệ: Chip được bọc trong lớp vỏ nhựa hoặc gốm, sau đó kiểm tra lần cuối trước khi xuất xưởng.
Từ một hạt cát tưởng chừng bình thường, trải qua hàng trăm bước tinh vi, một con chip bán dẫn ra đời và trở thành bộ não của các thiết bị công nghệ. Quá trình sản xuất chip đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực khoa học, từ vật lý, hóa học đến công nghệ nano.
Hiện nay, ngành công nghiệp bán dẫn đang phát triển mạnh mẽ, mở ra nhiều cơ hội việc làm hấp dẫn. Nếu bạn quan tâm đến lĩnh vực này, hãy tham gia ngay các khóa học về thiết kế bán dẫn tại FPT Jetking để trang bị kiến thức chuyên sâu và bắt kịp xu hướng công nghệ mới nhất!