Liệu cuộc sống của chúng ta có thể kéo dài một ngày nếu không có chất bán dẫn? Nhiều khía cạnh trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, bao gồm điện thoại thông minh, máy tính xách tay, ô tô, tivi và thẻ tín dụng, không thể tách rời khỏi chất bán dẫn. Những chất bán dẫn này có tác động sâu sắc đến cuộc sống của chúng ta. Vậy chúng được tạo ra như thế nào?

Nếu bạn có một số kiến ​​thức cơ bản về chất bán dẫn, bạn có thể đã nghe nói về tám quy trình bán dẫn cơ bản. Nhiều nhiệm vụ cần thiết cho sản xuất chất bán dẫn được chia thành tám quy trình cơ bản, như được biểu thị bằng tiêu đề trong hình ảnh đầu tiên trong bài viết của chúng tôi: "Tám quy trình bán dẫn cơ bản".

Hôm nay, chúng ta sẽ xem bước đầu tiên, "Sản xuất tấm wafer". Chúng ta sẽ thảo luận về tấm wafer, vật liệu cốt lõi của mạch tích hợp, được làm từ gì và chúng được sản xuất như thế nào.

Vật liệu cần thiết để sản xuất wafer

Trước khi bắt đầu, chúng ta hãy hỏi một câu hỏi ngắn gọn! Mối quan hệ giữa mạch tích hợp bán dẫn và tấm bán dẫn là gì? Mạch tích hợp là một loại chip bán dẫn chứa nhiều thành phần điện cho các chức năng khác nhau. Mạch tích hợp được sản xuất bằng cách tạo ra nhiều mạch giống hệt nhau trên một chất nền gọi là wafer. Vì vậy, tấm bán dẫn là nền tảng của chất bán dẫn. Điều này tương tự như làm bánh pizza - chúng ta chuẩn bị bột trước để có thể thêm lớp phủ sau.

Tấm wafer là những đĩa tròn được cắt từ tấm silicon hoặc các nguyên tố khác như gali arsenide. Hầu hết các tấm wafer được làm từ silicon chiết xuất từ ​​cát.

Thung lũng Silicon ở Mỹ khởi đầu với ngành công nghiệp bán dẫn, cuối cùng trở thành trung tâm của ngành phần mềm toàn cầu. Được biết, tên của nó là sự kết hợp giữa nguyên liệu thô bán dẫn "silicon" và "thung lũng" Santa Clara. Cái tên "Thung lũng Silicon" có thể giúp bạn nhớ rằng silicon là nguyên liệu thô thiết yếu cho các tấm bán dẫn. Silicon có nguồn cung dồi dào, là nguyên tố có nhiều nhất trong tự nhiên, không độc hại và thân thiện với môi trường. Chúng ta hãy cùng nhau xem quá trình sản xuất wafer nhé!

Bước 1: Sản xuất phôi silicon

Silicon chiết xuất từ ​​cát cần phải trải qua quá trình tinh chế trước khi có thể sử dụng để sản xuất chất bán dẫn. Nó được đun nóng cho đến khi tan chảy thành chất lỏng có độ tinh khiết cao và sau đó đông đặc lại thông qua quá trình kết tinh. Thanh silicon thu được được gọi là thỏi silicon. Chỉ những thỏi có độ tinh khiết cực cao mới có thể được sử dụng trong các quy trình bán dẫn đòi hỏi độ chính xác cực cao đến vài nanomet.

Bước 2: Cắt thỏi để tạo ra tấm mỏng

Hình dạng của thỏi silicon giống như một con quay và nó được cắt thành các đĩa tròn có độ dày đồng đều, được gọi là tấm wafer, sử dụng lưỡi cưa kim cương sắc bén. Đường kính của phôi xác định kích thước của tấm bán dẫn, chẳng hạn như tấm bán dẫn 150mm (6 inch), 200mm (8 inch) và 300mm (12 inch). Tấm wafer mỏng hơn dẫn đến chi phí sản xuất thấp hơn và đường kính lớn hơn cho phép sản xuất số lượng chip bán dẫn lớn hơn trên mỗi tấm wafer. Vì vậy, các tấm wafer ngày càng trở nên mỏng hơn và lớn hơn.

Bước 3: Mài và đánh bóng bề mặt wafer

Các tấm wafer mới cắt cần được xử lý để đạt được độ mịn như gương. Bề mặt của tấm wafer mới cắt thô ráp và có các khuyết tật, có thể tác động tiêu cực đến độ chính xác của mạch. Chất lỏng đánh bóng và máy đánh bóng được sử dụng để đánh bóng bề mặt wafer.

Trước khi xử lý tiếp, tấm wafer được đánh bóng được gọi là tấm wafer trần, cho thấy rằng chưa có con chip nào được sản xuất trên đó. Sau khi chế tạo các mạch tích hợp trên các tấm bán dẫn trần bằng nhiều quá trình vật lý và hóa học khác nhau, tấm bán dẫn cuối cùng trông giống như hình ảnh bên dưới. Chúng ta hãy cùng nhau xem tên của các bộ phận khác nhau của một tấm wafer nhé!

1. Bánh quế: Một tấm (đĩa) hình tròn đóng vai trò là vật liệu cốt lõi của IC bán dẫn.

2. các: Trên tấm wafer có nhiều ô vuông nhỏ, mỗi ô vuông nhỏ được gọi là khuôn, là chip IC của mạch điện tử tích hợp.

3. Dòng ghi chép: Các khuôn trông có vẻ dính chặt với nhau nhưng thực ra có những khoảng trống giữa chúng. Những khoảng trống này được gọi là dòng scribe. Mục đích của dây chuyền ghi chép là cắt từng con chip ra khỏi wafer sau khi xử lý và lắp ráp chúng thành chip. Khoảng cách của các đường mũi nhọn cho phép cưa kim cương cắt tấm bán dẫn một cách an toàn.

4. Vùng phẳng: Khu vực này được giới thiệu để giúp xác định cấu trúc tấm bán dẫn và đóng vai trò là đường tham chiếu trong quá trình xử lý tấm bán dẫn. Do cấu trúc tinh thể của wafer rất mịn và không thể đánh giá được bằng mắt thường nên vùng phẳng này được sử dụng làm tham chiếu để xác định hướng dọc và ngang của wafer.

5. Rãnh: Gần đây, các tấm wafer có rãnh khía đã xuất hiện, thay thế cho các vùng phẳng trước đây. Tấm wafer có rãnh khía hiệu quả hơn tấm có vùng phẳng vì chúng có thể tạo ra nhiều chip hơn.

Ngành công nghiệp bán dẫn chủ yếu được chia thành ngành sản xuất tấm bán dẫn, sản xuất tấm bán dẫn và ngành sản xuất (FAB), thiết kế và sản xuất mạch điện trên tấm bán dẫn. Ngoài ra còn có ngành công nghiệp đóng gói, nơi các tấm wafer đã qua xử lý được cắt thành từng mảnh và đóng gói để tránh ẩm và hư hỏng vật lý.

Hôm nay, chúng tôi đã giới thiệu wafer là gì, tên từng bộ phận của wafer và cách sản xuất wafer. Chúng tôi hy vọng bạn thấy loạt tám quy trình bán dẫn cơ bản này thú vị và hữu ích.