Sản xuất chất bán dẫn

Chất bán dẫn là một loại vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện (ví dụ như đồng) và chất cách điện (ví dụ như thủy tinh). Các vật liệu bán dẫn điển hình là silic hoặc germani. Độ dẫn điện có thể được điều chỉnh có chủ đích thông qua quá trình pha tạp (đưa các nguyên tử tạp chất vào) và các tác động bên ngoài như nhiệt độ hoặc ánh sáng. Nhờ đó, chất bán dẫn rất phù hợp để chế tạo các linh kiện điện tử như linh kiện bán dẫn, đi-ốt và mạch tích hợp. Ngành bán dẫn đang tăng trưởng mạnh mẽ, được thúc đẩy bởi các kho dữ liệu, trí tuệ nhân tạo và xu hướng thu nhỏ. Xu hướng hiện nay là các chất bán dẫn ngày càng mạnh hơn về hiệu năng, đồng thời có kích thước ngày càng nhỏ. Các chuyên gia gọi sự phát triển này là cuộc đua nanomet. Các công nghệ laser và plasma của TRUMPF là yếu tố thiết yếu cho các quy trình như công nghệ quang khắc siêu cực tím, phủ lớp, phơi sáng và khắc axit. Nếu không có những công nghệ này, việc sản xuất thế hệ chip mới nhất sẽ không thể thực hiện được.

Linh kiện bán dẫn là một linh kiện điện tử, dùng làm công tắc hoặc bộ khuếch đại cho các tín hiệu điện. Đây là trái tim của vi điện tử hiện đại và là nền tảng cho bộ xử lý, chip nhớ và gần như tất cả các thiết bị số. Nhiều linh kiện bán dẫn hơn trong một chip đồng nghĩa với hiệu năng xử lý cao hơn.

Một chất bán dẫn thường phải trải qua hàng trăm, thậm chí có khi hơn một nghìn bước trong quy trình sản xuất. Việc sản xuất kéo dài nhiều tháng. Nếu được đơn giản hóa mạnh mẽ, quy trình sản xuất bán dẫn có thể được mô tả qua mười bước:

1. Quá trình sản xuất bắt đầu với một wafer, được kéo từ silic có độ tinh khiết rất cao và được cắt thành các lát mỏng.

2. Wafer được đánh bóng để tạo ra một bề mặt hoàn toàn nhẵn mịn cho các quy trình tiếp theo.

3. Trong công đoạn quang khắc, một lớp vật liệu nhạy sáng (Lớp cản quang) được phủ lên, lớp này về sau sẽ định hình cấu trúc của các mạch điện.

4. Bằng các phương pháp phơi sáng cực kỳ chính xác như công nghệ quang khắc siêu cực tím, những họa tiết cực nhỏ được chiếu lên wafer.

5. Sau đó, các vùng đã được phơi sáng sẽ được xử lý bằng hóa chất, nhờ đó các cấu trúc mong muốn trở nên rõ ràng.

6. Qua quá trình khắc axit (ví dụ khắc plasma), các lớp vật liệu được loại bỏ để tạo hình các đường dẫn điện và linh kiện bán dẫn.

7. Tiếp theo là các quy trình pha tạp, trong đó các nguyên tử tạp chất được đưa vào nhằm thay đổi các đặc tính điện của silic.

8. Nhiều lớp kim loại và vật liệu cách điện được phủ lên nhằm tạo ra các kết nối phức tạp giữa các linh kiện bán dẫn.

9. Sau hàng trăm bước như vậy, wafer được kiểm tra và cắt tách thành các chip riêng lẻ (Dies) – quá trình này được gọi là cắt wafer.

10. Cuối cùng, các chip được đóng gói (packaging), kiểm tra và được phê duyệt để sử dụng trong các thiết bị như điện thoại thông minh, máy tính hoặc ô tô.

1. Công nghệ thông tin và truyền thông
Chất bán dẫn điều khiển các quá trình xử lý tính toán trong máy tính, máy chủ và điện thoại thông minh. Đó là yếu tố không thể thiếu đối với truyền thông số, điện toán đám mây và Internet vạn vật (IoT).

2. Trí tuệ nhân tạo và trung tâm dữ liệu
Các chip hiệu năng cao cho phép xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ phục vụ các ứng dụng trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu lớn.

3. Ngành công nghiệp ô tô
Trong các xe, chất bán dẫn là yếu tố thiết yếu cho các hệ thống hỗ trợ lái xe, xe điện, hệ thống thông tin giải trí và lái xe tự động

4. Kỹ thuật y tế
Chúng cho phép tạo hình ảnh chính xác, các hệ thống chẩn đoán và thậm chí cả các thiết bị có thể cấy ghép.

5. Công nghiệp và tự động hóa
Chất bán dẫn là động lực vận hành các hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển và rô bốt trong sản xuất công nghiệp.

Các ứng dụng trí tuệ nhân tạo đòi hỏi công suất tính toán khổng lồ. Chip càng mạnh thì các mô hình AI càng có thể được đào tạo và triển khai nhanh chóng và hiệu quả hơn. Do đó, những tiến bộ trong công nghệ chất bán dẫn đang thúc đẩy đáng kể sự phát triển của trí tuệ nhân tạo. TRUMPF sử dụng các công nghệ như bức xạ siêu cực tím để sản xuất những chip mạnh mẽ nhất.

Chip AI là những bộ xử lý được thiết kế đặc biệt, thực hiện các thuật toán phức tạp cho học máy và trí tuệ nhân tạo trực tiếp trên chip. Chúng khác với các bộ xử lý cổ điển ở khả năng xử lý lượng lớn dữ liệu song song.

Các chip AI được tạo ra thông qua một quy trình sản xuất vô cùng phức tạp, kết hợp các công nghệ chất bán dẫn truyền thống với các phương pháp đóng gói tiên tiến. Trước hết, các lõi xử lý thực tế – thường dựa trên nền silic – được chế tạo với các cấu trúc ở cấp độ nanomet.

Các chip phải có hiệu năng cực cao và tiết kiệm năng lượng vượt trội để có thể xử lý những khối lượng dữ liệu khổng lồ theo thời gian thực. Do đó, các nhà sản xuất ngày càng chuyển sang áp dụng công nghệ đóng gói tiên tiến. Khi đó, nhiều chip được kết hợp trên các tấm gọi là lớp trung gian, đóng vai trò như một lớp kết nối.

Trong khi các lớp trung gian bằng silic đã từng là tiêu chuẩn trong thời gian dài, thì nay đã chạm tới giới hạn về kích thước và chi phí. Giải pháp: Lớp trung gian bằng kính. Kính có chi phí thấp hơn, có thể được gia công trên các tấm kích thước lớn và cho phép tạo ra các gói chip phức tạp dành cho các hệ thống AI. Để tạo ra các kết nối điện giữa các lớp, cần phải khoan hàng triệu lỗ cực nhỏ – gọi là lỗ xuyên kính (TGV) – vào trong kính. Ngay tại đây, công nghệ laser của TRUMPF cũng được ứng dụng.

Định luật Moore cho rằng số lượng linh kiện bán dẫn trên một vi mạch sẽ tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần, trong khi chi phí cho mỗi phép tính sẽ giảm. Nhờ đó, hiệu năng của cchip tăng lên một cách liên tục mà không cần tăng kích thước. Để tiếp tục quá trình thu nhỏ, các công nghệ như công nghệ quang khắc siêu cực tím và các kiến trúc chip mới (ví dụ như cấu trúc 3D) được đưa vào sử dụng. Định luật này được Gordon Moore, đồng sáng lập Intel, đưa ra vào năm 1965. Đây không phải là một quy luật tự nhiên, mà là một quan sát phản ánh tốc độ đổi mới của ngành.

1. Sự thu nhỏ và độ chính xác
Ngành công nghiệp này đang chịu áp lực rất lớn phải sản xuất các cấu trúc ngày càng nhỏ hơn ở cấp độ nanomet. Công nghệ quang khắc siêu cực tím và các bộ tạo plasma phải hoạt động với độ chính xác cực cao để tạo ra các cấu trúc 3D trên các wafer silic. Chỉ cần những sai lệch nhỏ nhất cũng có thể dẫn đến phế phẩm và chi phí rất cao. Công tác kiểm soát chất lượng (Đo lường) ngày càng trở nên phức tạp, do các dung sai chỉ nằm ở cấp độ nanomet.

2. Mức tiêu thụ năng lượng và tính bền vững
Hiệu quả năng lượng là yếu tố quyết định để giảm chi phí vận hành và đạt được các mục tiêu phát triển bền vững. Vì vậy, các bộ tạo plasma và hệ thống laser phải hoạt động với hiệu quả năng lượng cao nhất có thể.

3. Chuỗi cung cấp và đảm bảo chất lượng
Toàn bộ chuỗi cung ứng phải đảm bảo chất lượng không lỗi. Những điểm yếu ở nhà cung cấp có thể gây nguy hiểm cho việc sản xuất. TRUMPF yêu cầu các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt từ các đối tác và nhà cung cấp của mình.

4. Khả năng cung cấp các cơ sở sản xuất
Ngành sản xuất chất bán dẫn tập trung chủ yếu ở châu Á. Các nhà cung cấp thiết bị phải cung cấp cho các nhà sản xuất chip trên toàn thế giới chất lượng dịch vụ cao nhất để tránh thời gian ngừng hoạt động. Do đó, TRUMPF đầu tư vào các trung tâm dịch vụ khu vực và các trung tâm công nghệ, ví dụ như tại Đài Loan.

Quang khắc là một quy trình quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn, trong đó các cấu trúc của mạch điện tử được chuyển lên các tấm wafer silic. Trong quá trình này, một thiết bị phủ chuyên dụng sẽ phủ lên wafer một lớp vật liệu nhạy sáng (Photoresist). Sau đó, hệ thống quang khắc sử dụng ánh sáng để chiếu sáng các mẫu mong muốn và tiến hành xử lý bằng hóa chất. Những cấu trúc này tạo thành nền tảng cho linh kiện bán dẫn và các linh kiện khác trên chip. Công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực này là công nghệ quang khắc siêu cực tím. Công nghệ này sử dụng ánh sáng có bước sóng cực ngắn để tạo ra các cấu trúc có kích thước nanomet. Nếu không có công nghệ quang khắc siêu cực tím, thì không thể sản xuất được các vi mạch có hiệu năng cao nhất. Công nghệ này đóng vai trò quyết định để thực hiện định luật Moore, dự đoán số lượng linh kiện bán dẫn sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm.

Wafer là nền tảng ban đầu cho việc sản xuất các vi mạch. Wafer được làm từ silic có độ tinh khiết rất cao; ban đầu silic được kéo thành một tinh thể đơn, sau đó được cắt thành các lát mỏng. Các lát mỏng này được đánh bóng để tạo ra một bề mặt hoàn toàn nhẵn mịn. Trên wafer, các cấu trúc của mạch điện được hình thành thông qua các công đoạn như quang khắc, phơi sáng, khắc axit và pha tạp. Sau hàng trăm bước xử lý, wafer được kiểm tra và được cắt tách thành các chip riêng lẻ ("Dies").

Cắt Wafer là quá trình tách các chip bán dẫn riêng lẻ từ một wafer. Đây là một bước quan trọng trong giai đoạn hậu kỳ của chuỗi quy trình sản xuất chất bán dẫn.

Cưa cơ học, cắt ẩn bằng laser, cắt bằng laser bóc vật liệu và cắt bằng plasma.

Khắc plasma là một quy trình trong đó vật liệu trên bề mặt wafer được loại bỏ hoặc tạo cấu trúc bằng cách sử dụng khí bị ion hóa (plasma). Quy trình này là cần thiết để tạo ra cấu trúc chip chính xác.

Một thiết bị cung cấp năng lượng điện cao tần để tạo ra và điều khiển plasma phục vụ cho quá trình chế tạo chip.

Lỗ xuyên qua kính (TGV) là các lỗ xuyên qua kính có tính dẫn điện rất nhỏ, cho phép tạo các kết nối điện giữa các lớp khác nhau của một gói chip. Lỗ này đóng vai trò quan trọng đối với các ứng dụng hiệu năng cao, vì giúp rút ngắn đường truyền tín hiệu và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Sản xuất chất bán dẫn đòi hỏi rất nhiều năng lượng. Các công ty sản xuất chất bán dẫn có thể giảm đáng kể lượng khí thải các-bon bằng cách tập trung vào các công nghệ tiết kiệm năng lượng và nền kinh tế tuần hoàn; công nghệ của TRUMPF đóng vai trò quan trọng trong việc này. Sự bền vững là một phần cốt lõi trong văn hóa của TRUMPF, một công ty thuộc sở hữu gia đình. Do đó, trong các công nghệ mang tính định hướng tương lai như công nghệ quang khắc siêu cực tím, chúng tôi đặc biệt chú trọng đến việc sử dụng năng lượng và vật liệu một cách hiệu quả và tiết kiệm.