Chip bán dẫn hiện diện ở gần như mọi thiết bị công nghệ quen thuộc, từ điện thoại, máy tính, ô tô đến robot hay các hệ thống trí tuệ nhân tạo. Kích thước có thể chỉ vài centimet, nhưng phía sau một con chip hoàn chỉnh lại là một trong những quy trình kỹ thuật phức tạp nhất của công nghiệp hiện đại.
Chip không đơn thuần là một khối silicon mà là cấu trúc được hình thành từ nhiều lớp vật liệu cực mỏng chồng lên nhau. Để tạo ra những cấu trúc này, wafer phải liên tục đi qua các công đoạn như làm sạch, lắng đọng, quang khắc, ăn mòn, cấy ion, xử lý nhiệt và làm phẳng; chu trình được lặp lại nhiều lần cho đến khi hình thành hệ thống linh kiện và đường kết nối theo thiết kế.
Vậy hành trình từ một ý tưởng thiết kế đến con chip nằm bên trong chiếc điện thoại diễn ra như thế nào?
Bước 1: Trước khi sản xuất, con chip phải được “vẽ” trên máy tính
Một con chip bắt đầu không phải từ nhà máy mà từ bản thiết kế.
Các kỹ sư trước tiên xác định chip cần thực hiện chức năng gì, chẳng hạn xử lý dữ liệu, lưu trữ thông tin, điều khiển thiết bị hay hỗ trợ một hệ thống cụ thể. Từ đó, kiến trúc, các khối chức năng và hệ thống mạch điện được thiết kế, mô phỏng và kiểm tra trước khi chuyển sang chế tạo.
Trong quá trình này, các công cụ tự động hóa thiết kế điện tử được sử dụng để xây dựng và kiểm chứng thiết kế trước khi những mẫu mạch cực nhỏ được chuyển thành dữ liệu phục vụ sản xuất.
Đây cũng là lý do khi nói đến ngành bán dẫn, không phải tất cả kỹ sư đều làm việc bên trong nhà máy. Một bộ phận lớn nhân lực tham gia ngay từ giai đoạn thiết kế chip.
Bước 2: Chuẩn bị “nền móng” của con chip – wafer silicon
Khi thiết kế đã sẵn sàng, quá trình chế tạo bắt đầu với wafer, có thể hiểu đơn giản là một đĩa bán dẫn rất mỏng, thường được làm từ silicon có độ tinh khiết rất cao.
Silicon được tạo thành khối tinh thể, sau đó cắt thành những tấm wafer và đánh bóng bề mặt tới độ phẳng rất cao trước khi bước vào quá trình chế tạo chip.
Đây mới chỉ là “tấm nền”. Trên bề mặt wafer, hàng loạt cấu trúc siêu nhỏ sẽ dần được tạo ra để hình thành các transistor và đường kết nối điện.
Và từ đây, phần phức tạp nhất bắt đầu.
Bước 3: Từng lớp cấu trúc được tạo ra trên wafer
Có thể hình dung quá trình chế tạo chip giống như xây một thành phố cực nhỏ theo từng lớp. Điểm khác biệt là nhiều chi tiết trong “thành phố” này được đo ở cấp độ nanomet.
Wafer trước tiên phải được làm sạch bởi các tạp chất cực nhỏ cũng có thể ảnh hưởng tới quá trình chế tạo. Sau đó, những lớp vật liệu dẫn điện, cách điện hoặc bán dẫn rất mỏng được phủ lên bề mặt thông qua công đoạn lắng đọng.
Tiếp theo là một trong những công đoạn quan trọng nhất: quang khắc.
Bề mặt wafer được phủ một lớp vật liệu nhạy sáng. Hệ thống quang khắc sử dụng ánh sáng để truyền những hình mẫu cực nhỏ lên lớp vật liệu này, qua đó xác định khu vực cần được xử lý ở các bước tiếp theo. Đây là quá trình giúp “in” những cấu trúc của mạch điện lên wafer.
Sau quang khắc là ăn mòn, trong đó phần vật liệu không cần thiết được loại bỏ để tạo ra các cấu trúc theo mẫu đã định. Quá trình có thể sử dụng hóa chất hoặc khí/plasma tùy phương pháp và yêu cầu kỹ thuật.
Bước 4: Điều khiển tính chất điện của silicon
Silicon nguyên bản chưa thể tự tạo nên một con chip hoạt động đúng như thiết kế. Một bước quan trọng khác là cấy ion.
Ở công đoạn này, các ion được đưa vào những vùng được lựa chọn trên wafer nhằm thay đổi tính chất dẫn điện của silicon. Việc kiểm soát chính xác những vùng này giúp tạo nên các cấu trúc transistor – những “công tắc” siêu nhỏ đóng vai trò nền tảng của mạch tích hợp.
Sau đó còn có những quá trình xử lý nhiệt, tạo lớp vật liệu mới, làm phẳng bề mặt và hình thành các đường kim loại để kết nối các linh kiện.
Điểm đáng chú ý là chuỗi công đoạn này không chỉ diễn ra một lần.
Một con chip hiện đại được tạo nên từ rất nhiều lớp khác nhau, nên các bước làm sạch, lắng đọng, quang khắc, ăn mòn hay cấy ion có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần.
Bước 5: Từ một tấm wafer thành hàng loạt con chip riêng biệt
Sau hàng loạt vòng xử lý, wafer lúc này chứa nhiều bản sao của con chip được bố trí trên cùng một bề mặt.
Nhưng chưa thể lấy cả tấm wafer đưa vào máy tính.
Các chip trên wafer trước tiên phải được kiểm tra. Sau đó wafer được cắt thành những phần riêng biệt gọi là die. Tùy kích thước thiết kế, một wafer có thể chứa từ vài chục đến hàng nghìn die.
Những die đạt yêu cầu tiếp tục bước sang công đoạn đóng gói.
Đóng gói không đơn giản là “bọc” con chip bên ngoài. Die cần được gắn lên một đế kết nối để có thể trao đổi tín hiệu với bo mạch và các thành phần khác của thiết bị. Các giải pháp bảo vệ và tản nhiệt cũng được bổ sung để chip hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế.
Bước 6: Kiểm thử trước khi con chip bước vào thiết bị
Trước khi xuất xưởng, chip tiếp tục trải qua nhiều phép kiểm tra.
Trong giai đoạn lắp ráp và kiểm thử, chip có thể được thử nghiệm dưới điện áp và nhiệt độ cao, sau đó kiểm tra chức năng điện cũng như khả năng hoạt động trong những điều kiện mô phỏng gần với môi trường sử dụng thực tế. Những bước này giúp phát hiện lỗi và xác nhận sản phẩm đáp ứng các thông số thiết kế.
Sau khi vượt qua các vòng kiểm tra, chip mới sẵn sàng được đưa vào điện thoại, máy tính, ô tô, thiết bị công nghiệp hay vô số sản phẩm điện tử khác.
Nhìn từ bên ngoài, đó có thể chỉ là một linh kiện rất nhỏ. Nhưng phía sau nó là sự phối hợp của thiết kế vi mạch, vật liệu, vật lý, hóa học, quang học, thiết bị chính xác, công nghệ chế tạo, đóng gói và kiểm thử.
Hiểu cách một con chip ra đời để hiểu vì sao học bán dẫn cần thực hành
Chính độ phức tạp của quá trình trên khiến đào tạo bán dẫn khó chỉ dừng ở kiến thức trên giảng đường. Người học cần từng bước hiểu được mối liên hệ giữa thiết kế, vật liệu, linh kiện, quy trình và thiết bị; đồng thời có môi trường để quan sát, mô phỏng và thực hành những công đoạn chuyên môn.
Đây cũng là một trong những định hướng của Gachon University Program, chương trình đào tạo ngành Công nghệ bán dẫn hợp tác giữa Trường Đại học FPT và Đại học Gachon, Hàn Quốc theo lộ trình 2+2. Sinh viên học hai năm đầu tại Việt Nam trước khi chuyển tiếp sang Đại học Gachon trong hai năm cuối để học chuyên sâu theo các hướng Thiết kế hệ thống bán dẫn và Kỹ thuật bán dẫn.
Tại Hàn Quốc, Đại học Gachon phát triển College of Semiconductors với định hướng kết hợp lý thuyết, ứng dụng và đào tạo thực hành. Gachon Nanofab Center hiện có phòng sạch khoảng 360 m², nơi trang bị hệ thống phục vụ các công đoạn như tạo màng mỏng, quang khắc, ăn mòn và làm phẳng, giúp người học tiếp cận trực tiếp hơn với quy trình chế tạo bán dẫn.
Từ một bản thiết kế trên máy tính đến một con chip có thể hoạt động là hành trình của hàng loạt công nghệ và chuyên môn khác nhau. Hiểu được hành trình đó cũng giúp học sinh đang quan tâm đến bán dẫn hình dung rõ hơn: ngành này không chỉ có “thiết kế chip” hay “làm trong nhà máy”, mà mở ra nhiều hướng học tập và nghề nghiệp xuyên suốt toàn bộ quá trình tạo nên một con chip.
