Chip máy tính được sản xuất như thế nào

Bạn đã từng bao giờ biết các chip như bộ vi xử lý, bộ xử lý video, bộ nhớ, chipset,… được sản xuất như thế nào chưa? Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giới thiệu các thông tin cần thiết để bạn có thể nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình sản xuất chip như thế nào.

Quá trình chế tạo chất bán dẫn có thể được tóm tắt lại qua các bước như sau:

• Thiết kế chip: Đây là bước các kiến trúc sư thiết kế chip, nghĩa là cách nó sẽ làm việc như thế nào.
• Chế tạo đế chip (wafer): Đây là quá trình chính trong việc sản xuất chip và chúng ta sẽ xem xét đến nó trong hướng dẫn này.
• Chuẩn bị kiến khuôn rập: Bước này cơ bản gồm việc cắt các chip từ wafer
• Đóng gói: Trong bước này, các thiết bị đầu cuối và phần chính được bổ sung vào chip
• Kiểm thử: Chip được kiểm tra trước khi đem đi bán.

Mỗi bước trong các bước trên lại được chia nhỏ hơn.

Khi nói “sản xuất chip” thì thường là chúng ta nghĩ về bước chế tạo, đây là bước phức tạp nhất. Và đây cũng là bước mà chúng tôi sẽ giải thích đến trong hướng dẫn này.

Quá trình chế tạo Wafer (đế chip) thô

Wafer là một đế mà các chip sẽ được xây dựng trên đó. Các wafer thô được sản xuất bằng silicon, thành phần hợp chất của cát biển. Chúng được tạo thông qua quá trình có tên gọi là Czochralski, ở đây một mẩu tinh thể silicon có cấu trúc hình que sau đó được nhúng vào trong silicon nóng chảy. Cấu trúc hình que này sẽ được kéo và quay đồng thời, tạo nên một mẩu hình trụ lớn của tinh thế silicon, mẩu tinh thể cỡ lớn này vẫn được biết đến là thỏi.

Thỏi được tạo ra trong quá trình này có kích thước cỡ dài từ 1 đến 2m và có thể có đường kích lên đến 300mm (đây chính là nguồn gốc của thuật ngữ 300-mm wafer mà chúng ta vẫn hay sử dụng ngày nay).

Hình 1: Thỏi được cắt mỏng để tạo các wafer thô

Một câu hỏi thường hay có ở đây là tại sao wafer lại có hình tròn mà không phải hình vuông. Câu trả lời cho điều này thật đơn giản. Lý do là thông qua quá trình Czochralski, thỏi này được tạo ra bằng cách kéo và quay đồng thời silicon nóng chảy, chính vì vậy hình dạng tự nhiên của tinh thể silicon được tạo ra trong quá trình này sẽ có hình tròn mà không phải là vuông.

Kỹ thuật in

Các chip được trên wafer thông qua quá trình có tên gọi là kỹ thuật in. Dưới quá trình này, các chất hóa học bị ảnh hưởng mạnh bởi ánh sáng bức xạ đã được sử dụng. Khi được lộ sáng các tia bức xạ này, chúng có thể trở thành mềm hoặc cứng. Chính vì vậy về cơ bản quá trình này gồm công đoạn khóa tia bức xạ cho các chất hóa học đã được áp dụng cho wafer bằng cách sử dụng các khuôn nền (hay mặt nạ đã được tạo bởi các kỹ sư), gỡ bỏ các thành phần mềm và sau đó lặp lại quá trình này lần nữa bằng một mặt nạ khác, quá trình này được thực hiện lặp lại cho tới khi nào chip được thực hiện xong.

Hình 2: Kỹ thuật in được thực hiện như thế nào

Rõ ràng mỗi mặt nạ lại có các mẫu khác nhau và chúng chính là cách các transistor và dây dẫn bên trong chip được chế tạo. Số mặt nạ được sử dụng cũng thay đổi phụ thuộc vào mỗi dự án nhất định. Ví dụ, các bộ vi xử lý Pentium 4 sử dụng đến 26 mặt nạ.

Chúng ta hãy xem xét chính xác quá trình này được thực hiện như thế nào.

Thứ đầu tiên được thực hiện đối với wafer thô là cấy silicon dioxide (SiO2) trên nó, cách thực hiện này bằng việc lộ sáng wafer với nhiệt độ và gas cực nóng. Việc cấy này cũng tương tự như cách gỉ sắt bám trên bề mặt kim loại khi lộ sáng wafer, tuy nhiên nó sẽ xảy ra nhanh hơn.

Tiếp theo wafer được tạo một loại vật chất có tên gọi là photoresist, đây là loại vật chất có thể bị hòa tan khi lộ sáng tia bức xạ. Mặt nạ đầu tiên được áp dụng và wafer được lộ sáng tia bức xạ. Phần mềm của photoresist được tách bằng một dung dịch và sau đó các thành phần của lớp silicon dioxide đã bị lộ sẽ được tách trong quá trình tách axit. Phần thừa của photoresist được tách bỏ, chính vì vậy lúc này chúng ta có wafer với lớp silicon dioxide có hình thù như mặt nạ đầu tiên.

Một lớp silicon dioxide khác tiếp tục được thực hiện trên wafer, lớn polysilicon được áp trên mặt trên của nó và sau đó một lớp photoresist khác được thực hiện tiếp trên chúng. Mặt nạ thứ hai được thực hiện và wafer được lộ sáng tia bức xạ lần thứ hai. Phần photoresist mềm được tách bỏ bằng dung dịch và sau đó các phần của polysilicon và lớp silicon dioxide đã được lộ sáng bị tách bới axit. Phần dư thừa của photoresist được tách bỏ và lúc này chúng ta có wafer với lớp silicon dioxide có khuôn hình như mặt nạ đầu tiên và phần trên của nó là một polysilicon và các lớp silicon dioxide có khuôn hình của mặt nạ thứ hai.

Sau hai bước này, một quá trình có tên gọi doping (hay còn gọi là sự ion hóa) sẽ diễn ra. Ở đây các vùng đã được lộ sáng của wafer được in đậm bằng các biểu tượng khác nhau, mục đích để thay đổi đường các vùng lộ sáng dẫn điện. Các vùng lộ sáng sẽ được biến đổi thành chất bán dẫn loại P (cực dương) hoặc bán dẫn kiểu N (cực âm), phụ thuộc vào các chất hóa học đã được sử dụng: Phốt pho, Atimom và thạch tín là các chất điển hình vẫn được sử dụng để tạo lớp bán dẫn N, còn Bo, Indi và Gali được sử dụng để tạo các lớp bán dẫn P. Việc sắp xếp các lớp bán dẫn này sẽ tạo nên các transistor PNP hoặc NPN.

Việc tạo lớp và dùng mặt nạ được lặp lại nhiều lần sau layout của mặt nạ kế tiếp. Một kim loại sau đó sẽ được ép vào wafer, lấp đầy các lỗ đã được hình thành để tạo kết nối giữa các lớp với nhau. Các quá trình sử dụng mặt nạ và tách axit sẽ được thực hiện để bổ sung thêm các kết nối điện.

Quá trình này được lặp lại nhiều lần cho tới khi chip được thực hiện xong, nghĩa là các mặt nạ đã được sử dụng hết. Quá trình sản xuất và số các lớp phụ thuộc vào thành phần được sản xuất. Ví dụ với bộ vi xử lý Pentium 4 thì chúng đã sử dụng 26 mặt nạ và 7 lớp kim loại.

Hình 3: Các transistor được xây dựng bên trong chip và kết nối kim loại giữa chúng.

Hình 4: Wafer trong bộ vi xử lý Pentium 4 sau khi được sản xuất

Các chip trên wafer sau khi được kiểm thử và wafer được gửi đến bước tiếp theo trong quá trình sản xuất, trong bước này các chip sẽ được cắt wafer, có các thành phần đầu cuối của chúng gắn kèm và được đóng gói. Sau đó chúng sẽ được mang ra test thử, đóng nhãn hiệu và bán.

Tất cả quá trình mô tả ở trên xảy ra bên trong một phòng có tên gọi là “clean room”. Bạn có thể đã từng nhìn thấy một số bức tranh của những người đang làm việc trong phòng này với những bộ quần áo đặc biệt có tên gọi là “bộ đồ con thỏ”.

Hình 5: Bộ đồ con thỏ trong clean room

Do chúng ta đang sản xuất các transistor siêu nhỏ chính vì vậy chỉ cần một hành động làm bẩn nhỏ cũng có thể gây hư hỏng chip, bạn có thể xem các ví dụ trong hình 6.

Hình 6: Một chút vệ sinh bẩn cũng có thể làm hỏng chip