Tại sao CPU hay cảm biến máy ảnh hình chữ nhật được tạo ra từ một tấm hình tròn?

Đối với máy tính và máy ảnh, CPU và cảm biến hình ảnh là 2 thành phần cực kỳ quan trọng được ví như “bộ não” của thiết bị. Với máy tính, CPU là đóng vai trò làm trung tâm xử lý, có khả năng tính toán cũng như điều khiển hoạt động của tất cả các thành phần khác.

Với máy ảnh, cảm biến hình ảnh là thành phần đóng vai trò quyết định đến sự tồn tại của nền công nghiệp nhiếp ảnh số hiện. Cảm biến hình ảnh có nhiệm vụ thu nhận ánh sáng, biến nó thành tín hiệu số để có thể lưu trữ thành hình ảnh.

Một tấm wafer được dùng để chế tạo CPU máy tính.

Cảm biến bán dẫn được làm với số lượng lớn trên một tấm silicone hình tròn được gọi là 'wafer' chứ không được làm riêng lẻ. Từ một tấm wafer người ta mới cắt nhỏ ra thành những cảm biến và việc cắt những tấm hình chữ nhật ra từ một vật hình tròn sẽ dẫn đến vấn đề thừa nguyên liệu.

Trên thực tế, một tấm wafer có thể làm được 244 cảm biến 1 inch với diện tích dư thừa là 12.6%; 80 cảm biến APS-C (crop x1.5) với độ dư thừa 18%; 20 - 24 cảm biến máy ảnh dạng Full-frame và có độ dư thừa là 36% diện tích. Dù người ta có cố gắng cắt nhỏ như thế nào thì vẫn có diện tích bỏ đi.

Cảm biến hình ảnh được cắt từ một tấm wafer.

Những tấm wafer này có giá khá đắt đỏ. Theo ước tính, 1 tấm silicone chất lượng cao đường kính 8 inch có thể có giá lên tới 5000 USD. Vậy tại sao ngay từ đầu người ta không tạo ra những tấm wafer hình chữ nhật hay hình vuông để khi cắt ra CPU và cảm biến hình ảnh không bị lãng phí?

Một thỏi silicone lớn.

Lý do những tấm wafer được tạo ra có hình tròn là do cách người ta tạo ra nó. Hình dạng đầu tiên của wafer bán dẫn là một 'cục' rất lớn hình trụ được gọi là thỏi silicone, được chế tạo bằng quy trình Czochralski. Quy trình này được phát minh bởi Jan Czochralski, một nhà khoa học người Ba Lan.

Theo đó, silicone nguyên chất sẽ được nung chảy thành chất lỏng với tỉ lệ 1/10.000.000 nguyên tử không nguyên chất, có độ tinh khiết rất cao. Một thanh tinh thể silicone được nhúng vào chất lỏng này, sau đó nó vừa được xoay vừa được kéo lên từ từ. Càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên silicone dần bám vào nhân, và phân bố đều thành một thỏi nhờ lực li tâm.

Quy trình Czochralski.

Video giải thích về quá trình Czochralski.

Khi thỏi này đã nguội, người ta sẽ dùng lưỡi cắt kim cương cắt chúng thành những miếng nhỏ với độ chính xác cao. Các tấm này sẽ được rửa sạch và đánh bóng để tạo thành tấm 'wafer silicone'.

Để tiết kiệm chi phí trong quá trinh này, các nhà khoa học chỉ có phương pháp duy nhất là tăng dần đường kính của thỏi silicone. Điều này có nghĩa là đường kính của tấm wafer cũng tăng lên, từ đó có thể làm được nhiều sản phẩm hơn trong 1 lượt để tăng hiệu suất làm việc.

Kích thước của wafer tăng dần qua từng thời kỳ.

Tuy nhiên, do quá trình chế tạo phức tạp và có nhiều tiêu chuẩn cần được đảm bảo nên giá thành tạo ra sản phẩm này vẫn rất cao dù hiệu suất có tăng. Đó là nguyên nhân chỉ có rất ít các nhà sản xuất CPU và cảm biến máy ảnh chất lượng cao trên thế giới.