Đường kính của sợi tóc người là 70,000 nanomet và chu vi là 220,000 nanomet. Việc sản xuất chip bằng quy trình 5 nanomet giống như xây dựng 44,000 con đường dọc theo một sợi tóc.

Tác giả: Liu Zhirong Nguồn: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Ngày 15 tháng 5 năm 2020, Hoa Kỳ ban hành lệnh cấm nhập khẩu chip của Huawei. Kể từ đó, vấn đề chip đã thu hút sự chú ý rộng rãi của người dân Trung Quốc. Lệnh cấm có hiệu lực vào ngày 15 tháng 9. Các nhà sản xuất chip nổi tiếng thế giới như TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix và Micron không còn được phép cung cấp chip cho Huawei. Ngày 16 tháng 9, Ủy ban Kiểm tra Kỷ luật Trung ương đã đăng một bài viết trên trang web chính thức của mình, trong đó nêu rõ: "Việc cắt đứt nguồn cung chip cho Huawei có thể là khởi đầu cho thời kỳ hoàng kim của ngành công nghiệp chip Trung Quốc."

Chúng ta nói về khoai tây chiên mỗi ngày, nhưng bạn có biết khoai tây chiên thực chất là gì không?

1. Phát minh ra chip đã thay đổi cuộc sống con người như thế nào?

Vào ngày 23 tháng 12 năm 1947, ba nhà khoa học từ phòng thí nghiệm Bell Labs ở Hoa Kỳ, John Baden, William Shockley và Walter Bratton, đã phát minh ra bóng bán dẫn tinh thể germanium, mở ra kỷ nguyên bán dẫn cho thế giới điện tử. Ba nhà phát minh ra bóng bán dẫn đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1956.

Thập niên 1950 là thời kỳ hoàng kim của chất bán dẫn. Hầu hết các vật liệu bán dẫn và quy trình cơ bản đều được phát triển trong giai đoạn này.

Vào ngày 18 tháng 10 năm 1954, Texas Instruments đã phát minh ra radio bán dẫn. Chiếc radio này với bốn bóng bán dẫn nhỏ đến mức có thể bỏ vừa túi quần.

Vào ngày 12 tháng 9 năm 1958, kỹ sư điện tử Jack Kilby (1923-2005) của Texas Instruments đã phát minh ra mạch tích hợp và sản xuất thành công mạch tích hợp đầu tiên trên thế giới, một con chip, vào năm 1959. Mạch tích hợp này khắc các bóng bán dẫn PNP (transistor), điện trở và tụ điện trên một con chip germanium, và sử dụng dây dẫn bên ngoài để kết nối chúng tạo thành một mạch điện. Mạch tích hợp đơn giản này đã khởi đầu ngành công nghiệp chip, đưa khoa học và công nghệ nhân loại lên một tầm cao mới, và thay đổi hoàn toàn lối sống của con người.

Sự tiến bộ không ngừng của công nghệ sản xuất chip đã làm giảm đáng kể giá thành của một bóng bán dẫn. Năm 1959, trên một chip có 6 bóng bán dẫn, tương đương với 10 đô la mỗi bóng; năm 1971, trên một chip có 2,000 bóng bán dẫn, tương đương với 0.3 đô la mỗi bóng; năm 2004, trên một chip có hàng chục tỷ bóng bán dẫn, và giá của một bóng bán dẫn đã giảm xuống còn một phần tỷ đô la. Sự cải thiện về hiệu quả chi phí của chip đã giúp chip có thể đi vào nhà của người dân bình thường.

Có thể nói chip là phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20, và nhiều phát minh khác cũng dựa trên công nghệ chip. Ngày nay, chúng ta sống trong một thế giới bao quanh bởi chip, và sẽ rất khó để hoạt động nếu thiếu chip.

Cuộc sống hàng ngày của con người không thể tách rời khỏi chip. Các thiết bị thông minh như điện thoại di động, máy tính và đồng hồ thông minh đều có chip. Thiết bị mạng như modem quang, bộ định tuyến, ổ USB flash, thẻ nhớ và ổ cứng di động cũng có chip. Chip có trong thiết bị mạng và thiết bị ngoại vi máy tính. Thẻ căn cước, hộ chiếu, thẻ ngân hàng, thẻ mua sắm, thẻ tiêu dùng và các loại thẻ nhận dạng cá nhân khác đều có chip. Tivi, loa, máy chiếu, bộ sạc, đèn LED, cân điện tử, máy điều hòa, tủ lạnh, lò vi sóng, bếp từ, bình nước nóng và các thiết bị gia dụng khác cũng có chip. Hệ thống kiểm soát ra vào, giám sát, pin mặt trời, v.v. cũng cần chip. Nếu ai đó phát minh ra một đoạn mã có thể vô hiệu hóa tất cả các chip trên thế giới, cuộc sống của con người sẽ bị đình trệ.

Jack Kilby đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 2000 nhờ phát minh ra con chip. Ông cũng là người phát minh ra máy tính cầm tay và máy in nhiệt. Khi được gọi là nhà khoa học, Kilby đã khiêm tốn nói: "Nhà khoa học là người giải thích mọi thứ và phải có những ý tưởng vĩ đại; còn tôi là người giải quyết vấn đề, một kỹ sư. Nhiệm vụ của tôi là phát minh ra các quy trình mới, sản xuất các sản phẩm mới và kiếm tiền từ các phát minh và sáng tạo."

2. Để hiểu về chip, trước tiên bạn phải hiểu về "mối nối PN".

Như đã thấy ở trên, các linh kiện điện tử như điốt, bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện được chế tạo trên vật liệu bán dẫn, sau đó được kết nối với nhau bằng dây dẫn. Đây là một mạch tích hợp, hay còn gọi là chip. Để hiểu về chip, trước tiên bạn phải hiểu về "mối nối PN", vốn là cốt lõi của công nghệ bán dẫn.

Khi một vật liệu bán dẫn được pha tạp với một nguyên tố hóa trị năm, nồng độ electron tăng lên, tạo thành chất bán dẫn loại N; khi một vật liệu bán dẫn được pha tạp với một nguyên tố hóa trị ba, nồng độ lỗ trống tăng lên, tạo thành chất bán dẫn loại P. "Lỗ trống" ở đây đề cập đến vị trí trống còn lại trên liên kết cộng hóa trị sau khi các electron trên liên kết cộng hóa trị thu được năng lượng và thoát khỏi sự ràng buộc của liên kết cộng hóa trị để trở thành các electron tự do.

Sau khi chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N tiếp xúc gần nhau, các electron mang điện tích âm và các lỗ trống mang điện tích dương khuếch tán về phía nhau; sự khuếch tán của electron và lỗ trống tạo ra một điện trường nội tại trên bề mặt tiếp xúc, và điện trường nội tại này ngăn cản sự khuếch tán, cho phép electron và lỗ trống trôi ngược trở lại. Khi tốc độ khuếch tán và tốc độ trôi của electron và lỗ trống đạt đến trạng thái cân bằng động, một "mối nối PN" được hình thành tại bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N.

Đặc tính chính của "mối nối PN" là "dẫn điện đơn". Nếu đầu bán dẫn loại P được sử dụng làm điện cực dương và đầu bán dẫn loại N được sử dụng làm điện cực âm, dòng điện có thể đi qua mối nối PN; nếu đầu bán dẫn loại N được sử dụng làm điện cực dương và đầu bán dẫn loại P được sử dụng làm điện cực âm, dòng điện không thể đi qua mối nối PN. Việc sử dụng bit nhị phân trong máy tính được xác định bởi đặc tính của "mối nối PN". Dòng điện đi qua "mối nối PN" biểu thị "1", và dòng điện không đi qua "mối nối PN" biểu thị "0".

"Mối nối PN" là một điốt. Nếu hai chất bán dẫn loại P kẹp giữa một chất bán dẫn loại N, sẽ tạo thành một triode, đó chính là triode loại PNP đã đề cập ở trên. Tất nhiên, nếu có một chất bán dẫn loại P kẹp giữa hai chất bán dẫn loại N, nó sẽ trở thành một transistor loại NPN.

Người bình thường không thể nhìn thấy "hình dạng thật" của con chip. Con chip nhỏ như một hạt gàu và lớn như một móng tay. Vì quá mỏng, nó phải được đóng gói trong một lớp vỏ kín trước khi có thể kết nối với mạch điện bên ngoài. Khi bạn mở máy tính, tivi hoặc các thiết bị điện khác, bạn có thể thấy một bảng mạch lớn. Trên bảng mạch có rất nhiều linh kiện điện tử. Những linh kiện điện tử có nhiều chân cắm đó chính là các con chip. Những chân cắm này được kết nối với các đầu vào và đầu ra của con chip. Một số nằm ở cả hai mặt của vỏ chip, một số nằm ở bốn mặt, và một số được sắp xếp theo ma trận ở phía dưới, được đóng gói dày đặc với hơn 1,000 chân cắm.

3. Làm khoai tây chiên có giống như việc khắc đất và xây dựng tất cả các con đường trên một hạt gạo không?

Có một khái niệm cần được đề cập ở đây, đó là "Định luật Moore". Năm 1965, Gordon Moore, đồng sáng lập của nhà sản xuất chip nổi tiếng thế giới Intel Corporation, đã đề xuất rằng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip sẽ tăng gấp đôi mỗi năm. Sau đó, ông đã sửa lại thành tăng gấp đôi mỗi hai năm. Nhận định này đã được chứng minh là về cơ bản là đúng trong thực tế. Năm 2011, có 2.27 tỷ bóng bán dẫn trên một con chip Intel Core i7. Hiện nay, số lượng bóng bán dẫn trên một số chip cao cấp đã vượt quá hàng chục tỷ. Vài năm trước, chip AI WSE do nhà sản xuất chất bán dẫn Cerebras Systems sản xuất bằng công nghệ xử lý 16nm của TSMC đã tích hợp 1.2 nghìn tỷ bóng bán dẫn!

"Kích thước lỗ chân lông" (process) ở đây đề cập đến chiều rộng của cổng transistor trên chip, mà chúng ta thường có thể hiểu là kích thước của transistor. Kích thước lỗ chân lông càng nhỏ, càng nhiều transistor có thể được tạo ra trên một chip, và mạch tích hợp càng lớn.

Tốc độ tính toán của chip tiếp tục tăng lên nhờ sự tích hợp ngày càng cao của các linh kiện điện tử. Mức độ tích hợp càng cao, các linh kiện điện tử trên chip càng nhỏ và dây dẫn giữa các linh kiện càng ngắn. Thời gian dòng điện chạy qua được rút ngắn, mức tiêu thụ năng lượng giảm và tốc độ xử lý được tăng tốc.

Có ba cách để làm cho một con chip chứa nhiều bóng bán dẫn hơn. Một là tăng diện tích chip, hai là giảm kích thước của các bóng bán dẫn, và ba là làm cho mạch tích hợp có cấu trúc ba chiều. Việc tăng diện tích chip thường không được xem xét vì nó sẽ làm tăng mức tiêu thụ năng lượng và giảm hiệu suất của chip. Hiện nay, người ta chủ yếu sử dụng hai phương pháp sau để tăng số lượng bóng bán dẫn trên một con chip.

Việc sản xuất chip thuộc về thế giới vi mô, và các linh kiện điện tử trên đó nhỏ chỉ bằng vài nguyên tử hoặc phân tử, và được đo bằng các đơn vị nhỏ hơn nữa, như nanomet và angstrom. Thang đo nhỏ nhất trên thước kẻ thông thường là milimét, 1 milimét bằng 1000 micromet, 1 micromet bằng 1000 nanomet, và 1 nanomet bằng 10 angstrom. Đường kính của sợi tóc người là 70,000 nanomet và chu vi là 220,000 nanomet. Việc sản xuất chip bằng quy trình 5 nanomet giống như xây dựng 44,000 con đường dọc theo một sợi tóc.

Việc thu nhỏ kích thước các linh kiện điện tử có giới hạn, vì vậy người ta xem xét việc xây dựng các mạch tích hợp đa lớp trên một con chip để tăng số lượng bóng bán dẫn. Điều này giống như việc xây dựng các tòa nhà dân cư. Một ngôi nhà một tầng chỉ có thể chứa một số ít cư dân, trong khi một tòa nhà có hàng chục tầng có thể chứa một số lượng lớn cư dân. Việc xếp chồng các mạch tích hợp phức tạp hơn nhiều so với việc xây dựng một tòa nhà. Bố cục của mỗi tầng trong tòa nhà là giống nhau, nhưng mạch điện của mỗi lớp trên chip lại khác nhau, và các kết nối giữa các lớp cực kỳ phức tạp.

Hãy mở rộng phép ẩn dụ này thêm một bước nữa: việc sản xuất chip giống như việc khắc cả một trái đất lên một hạt gạo, và tất cả đường sá và nhà cửa trên trái đất đó đều phải được khắc ra. Đường sá là những sợi dây dẫn trên chip, và nhà cửa là các linh kiện điện tử trên chip. Thông qua phép ẩn dụ này, người đọc có thể hình dung được việc sản xuất chip phức tạp và khó khăn đến mức nào.

4. Việc tinh chế silicon là nền tảng của ngành công nghiệp chip.

Có rất nhiều vật liệu bán dẫn, nhưng trong các ứng dụng thực tế, hơn 90% trong số đó sử dụng silicon vì điểm nóng chảy của silicon là 1415 độ C, cho phép thực hiện các quy trình ở nhiệt độ cao trong sản xuất chip.

Silicon được nấu chảy từ cát, nhưng để nấu chảy cát thành silicon có thể dùng để sản xuất chip thì cần độ tinh khiết cực cao. Chúng ta gọi vàng có độ tinh khiết 99.99% là vàng nguyên chất (4 số 9), nhưng độ tinh khiết của silicon dùng để sản xuất chip phải đạt ít nhất 11 số 9, tức là không được có quá 1 nguyên tử tạp chất trên 1 tỷ nguyên tử silicon. Silicon với độ tinh khiết này đã được phòng thí nghiệm Bell Labs ở Hoa Kỳ tinh chế vào năm 1955. Hiện nay có hàng trăm tỷ linh kiện điện tử trên một con chip, và yêu cầu về độ tinh khiết của silicon còn cao hơn, ít nhất là 13 số 9. Đây là nền tảng của việc sản xuất chip. Nếu không nắm vững công nghệ tinh chế silicon, việc tạo ra chip là điều không thể!

Độc giả có thể thắc mắc, tại sao silicon cần thiết để chế tạo chip lại tinh khiết đến vậy? Các linh kiện điện tử trên chip rất nhỏ. Nếu chip được sản xuất bằng quy trình 5 nanomet, tạp chất 1 nanomet cũng sẽ phá hủy toàn bộ chip. Hãy lấy một ví dụ tương tự. Nếu một con đường rộng 40 mét và có một tảng đá lớn 1 mét ở giữa đường, ô tô có thể tránh được tảng đá mà không gây tắc nghẽn giao thông. Tuy nhiên, nếu một con đường chỉ rộng 5 mét và có một tảng đá lớn 1 mét ở giữa đường, ô tô sẽ không thể tránh được tảng đá và đường sẽ bị tắc.

Do đó, việc sản xuất chip không chỉ đòi hỏi silicon có độ tinh khiết cao mà còn yêu cầu tất cả các khía cạnh của quy trình sản xuất phải không có bụi. Độ tinh khiết của silicon cao gấp 100,000 lần so với phòng mổ bệnh viện, và một nửa quy trình thậm chí được thực hiện trong môi trường chân không. Vì lý do này, các nhà máy sản xuất chip không cần phải đóng cửa trong thời gian dịch COVID-19 để chống dịch, bởi vì công nhân được bảo vệ từ đầu đến chân, và một số bộ đồ bảo hộ thậm chí còn được trang bị hệ thống hô hấp riêng để ngăn ngừa chip bị nhiễm bẩn bởi các chất thải chuyển hóa và khí thở của con người.

5. Máy in thạch bản có thực sự là một máy chiếu mạch tích hợp không??

Tên gọi "máy in thạch bản" được dịch không chính xác và rất dễ gây hiểu nhầm. Nhiều người lầm tưởng rằng máy in thạch bản "khắc" các mạch tích hợp trên bề mặt silicon tinh thể thông qua tiếp xúc vật lý, giống như khắc bằng máy tính. Trên thực tế, chip không được "khắc" mà là "chụp ảnh". Do đó, gọi máy in thạch bản là "máy chiếu mạch tích hợp" sẽ chính xác hơn.

Khi tấm bán dẫn dùng để sản xuất chip bước vào giai đoạn xử lý quang khắc, máy quang khắc sẽ chiếu mẫu mạch tích hợp lên lớp chất cản quang trên bề mặt tấm bán dẫn thông qua mặt nạ. Sau khi lớp chất cản quang được chiếu sáng, vùng được chiếu sáng sẽ được khắc bằng dung dịch hóa chất và sau đó được làm sạch. Bằng cách này, mẫu mạch tích hợp sẽ được tạo ra. Quá trình quang khắc tương tự như quá trình chụp ảnh truyền thống. Ánh sáng đi qua phim âm bản để làm nhạy giấy ảnh, sau đó giấy ảnh đã được làm nhạy sẽ được tráng phim và cố định trong dung dịch hóa chất.

Một con chip cần trải qua hàng chục, thậm chí hàng trăm công đoạn quang khắc, và một số quy trình sau quang khắc sẽ mất vài tuần trước khi nó có thể bước vào giai đoạn đóng gói.

Công nghệ sản xuất chip đang thay đổi từng ngày, nhưng hầu hết các công nghệ cốt lõi cho việc sản xuất chip đều xuất phát từ Bell Labs. Đóng góp của Bell Labs vào cuộc cách mạng công nghệ thông tin sẽ mãi được ghi vào lịch sử.

7. Tôi có thể tự sản xuất chip nếu có máy quang khắc không?

Nhiều độc giả rất quan tâm đến máy quang khắc và cho rằng có thể sản xuất chip bằng máy quang khắc. Trên thực tế, điều này không đúng. Mặc dù máy quang khắc đóng vai trò quan trọng trong sản xuất chip, nhưng nó chỉ là một trong hơn 1,000 quy trình trong sản xuất chip. Chỉ với máy quang khắc, nếu không nắm vững các quy trình khác, bạn vẫn không thể tạo ra được chip.

Năm 1961, công ty GCA của Mỹ đã sản xuất máy quang khắc đầu tiên trên thế giới. Hiện nay, có 7 công ty ở 4 quốc gia trên thế giới có khả năng sản xuất máy quang khắc, đó là Asmaier ở Hà Lan, Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf ở Hoa Kỳ, Nikon và Canon ở Nhật Bản, và SusiMicro ở Đức.

Như đã đề cập ở trên, nền tảng của ngành công nghiệp chip là vật liệu, tức là việc tinh chế silicon. Nếu không nắm vững công nghệ tinh chế silicon, không thể sản xuất silicon tinh thể với độ tinh khiết cấp chip, và do đó không thể chế tạo chip.

Hơn nữa, trên chip có hàng trăm tỷ linh kiện điện tử. Một mạch điện khổng lồ như vậy không thể vẽ thủ công. Phải sử dụng phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử (EDA). EDA là một ứng dụng tổng hợp của nhiều ngành khoa học tự nhiên và bị độc quyền bởi ba công ty Mỹ: Kadant, Synopsys và Mentor Graphics.

EDA đóng vai trò quyết định trong quy trình sản xuất chip. Chức năng và khả năng tích hợp của chip hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng thiết kế của EDA. Ngay cả khi có silicon tinh khiết cao và máy quang khắc hiện đại, nhưng không có EDA hoặc không biết cách sử dụng EDA, bạn vẫn không thể tạo ra được chip.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "IoT IQ". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả và không đại diện cho quan điểm của Sacco Micro hay ngành công nghiệp. Bài viết chỉ được phép in lại và chia sẻ nhằm hỗ trợ bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại. Nếu phát hiện vi phạm bản quyền, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến