Công nghệ vi điện tử – Từ phiến silicon đến chíp thành phẩm (Phần I)

Năm 2006, Intel quyết định đầu tư 1 tỷ đôla Mỹ vào Việt Nam để xây dựng nhà máy đóng gói và kiểm tra chất lượng chíp tại Khu Công nghệ cao Sài gòn (www.shtpvn.org) sau đó Công ty này đã quyết định nâng số vốn đầu tư lên 2 tỷ đô la Mỹ, và nhà máy của Intel đã chính thức được khởi công ngày 28/3/2007. Tập đoàn Hồng Hải (Hon Hai Precision Industry Co., Ltd.), tên thương mại là Foxconn rót số vốn lên đến 5 tỷ đô vào hai tỉnh Bắc Ninh và Bắc Giang về công nghệ vi điện tử thì sự quan tâm của xã hội Việt nam dành cho ngành công nghệ này cũng trở nên sôi động hơn bao giờ hết, điều này cũng cho thấy có sự dịch chuyển về thị trường lao động tại Việt Nam từ gia công, giản đơn đến lao động đòi hỏi chất xám và sự đầu tư bài bản. Loạt bài viết này sẽ dành để mô tả cho độc giả có cái nhìn rõ ràng hơn về ngành công nghệ này. Ở phần đầu tiên chúng tôi sẽ giới thiệu sơ lược về công nghệ vi điện tử được tiến hành trong phòng sạch (clean room).

Từ những cuối những năm 1960 các mạch điện tử được cải thiện một cách rõ rệt cả về hiệu năng, về chức năng và độ ổn định khi tích hợp các vi bóng bán dẫn trên một chíp. Điều này đảm bảo cho việc hạ giá thành sản phẩm, tăng công suất sản xuất. Và đó cũng chính là kết quả của cuộc cách mạng thông thông tin. Từ đó tới nay mật độ tổ hợp của bóng bán dẫn đã tăng lên nhanh chóng đặc biệt với sự hỗ trợ của của công nghệ chân không, cơ khí chính xác, quang học, ngành công nghệ vi điện tử vẫn là ngành công nghệ làm thay đổi thế giới. Tấm silicon - vật liệu ban đầu dùng trong ngành công nghệ vi điện tử là các phiến silicon (silicon wafer) có bề dày cỡ 400 micro-mét với đường kính khác nhau (tấm silicon có đường kính lớn nhất mà người ta có thể chế tạo là 12 inch, nghĩa là tương đương một chiếc piza lớn). Tấm silicon có đường kính càng lớn thì càng khó chế tạo, thiết bị dành cho công nghệ tấm lớn càng tốn kém nhưng số linh kiện thu được trên một tấm lại được nâng cao.

Phòng sạch - Mọi quá trình công nghệ chế tạo mạch tổ hợp được tiến hành trong phòng sạch. Đó là nơi con người cần phải xử lý các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và lưu thông khí sao cho số hạt bụi có trong một đơn vị thể tích là nhỏ hơn rất nhiều so với môi trường bình thường. Độ sạch của phòng sạch khi được chế tạo phải tuân thủ những tiêu chuẩn ISO khác nhau (từ ISO 1 đến ISO 9 trong đó ISO 1 có độ sạch cao nhất tương đương với 10 hạt bụi kích thước nhỏ hơn 0.1 micron trong một phút khối) độ sạch càng lớn thì chi phí vận hành càng tốn kém. Độc giả có thể tham khảo những phòng sạch loại này tại Intel Coporation hoặc AMD.

Xử lý bề mặt - đó là viiệc đầu tiên người làm công nghệ cần thực hiện trong phòng sạch. Công đoạn làm sạch bề mặt phiến (silicon) thường được thực hiện nhờ các axit mạnh, các chất có tính ôxi hoá như HNO3, H2SO4 H2O2 và HF. Việc xử lý bề mặt sẽ giúp chúng ta loại bỏ những tạp vô cơ, hữu cơ hoặc sai hỏng trên bề mặt tấm silicon trước khi chuyển nó vào những bước công nghệ tiếp theo.

Ôxi hoá - trong quá trình chế tạo mạch tích hợp người ta thường phải dùng lớp SiO2 trên bề mặt tinh thể Si.. Lớp SiO2 này có hệ số dãn nở nhiệt gần bằng hệ số giản nở nhiệt của Si, với hằng số điện môi ~ 4, có tác dụng bảo vệ bề mặt các linh kiện bán dẫn dưới tác dụng của môi trường bên ngoài, che chắn bề mặt Si trong quá trình khuếch tán định xứ các tạp chất như P và B. Ngoài ra lớp SiO2 còn được sử dụng làm cực (gate) cửa cho bóng bán dẫn (transistor). Có nhiều phương pháp tạo ra lớp SiO2 nhưng phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để nhận lớp SiO2 là phương pháp ôxy hoá ở nhiệt độ cao (khoảng 10000C -11000C).

Khuếch tán - là kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ bán dẫn để tạo các vùng chuyển tiếp của transitor. Có nhiều phương pháp để khuếch tán tạp tạo vùng chuyển tiếp P-N khác nhau như phương pháp khuếch tán ở nhiệt độ cao, phương pháp cấy ion... Tuỳ thuộc vào đế silicon và mục đích của việc pha tạp người làm công nghệ sẽ phải dùng hai loại tạp phổ biến nhất là Boron (B) hoặc phốtpho (P) cho quá trình này.

Quang khắc (photolithography) - là tập hợp các quá trình quang hoá nhằm tạo ra các chi tiết trên bề mặt phiến silicon có kích thước và hình dạng giống như thiết kế. Để làm được điều này cần phải có những bộ mặt nạ (mask), chất cảm quang (photoresist) nguồn sáng UV và dung dịch hiện hình (developer). Mặt nạ thường là một tấm thuỷ tinh hữu cơ được phủ một màng crôm trên đó khắc hoạ những chi tiết phù hợp với thiết kế của cảm biến hoặc mạch tích hợp (IC).

Người ta phủ lên trên bề mặt phiến silicon có tính chất nhậy sáng đặc biệt gọi là chất cản quang (photoresist) – thường được gọi là chất cảm quang. Chất cảm quang phải bảo đảm hai tính chất: - Nhậy quang; - Bền vững trong các dung môi axít hoặc kiềm. Chất cảm quang có nhiệm vụ là lớp bảo vệ có hình dạng cần thiết cho bề mặt khỏi bị tác dụng của các dung môi hoá học. Người ta phân loại cảm quang thành cảm quang dương và cảm quang âm dựa vào cơ chế phản ứng xẩy ra trong cảm quang khi bị chiếu sáng và sự thay đổi tính chất trong quá trình chiếu sáng. Cảm quang âm khi bị chiếu sáng trở nên không bị hoà tan trong các dung môi tương ứng. Còn các cảm quang dương thì ngược lại, khi bị chiếu sáng sẽ hoà tan trong các dung môi.

Dung dịch hiện Developer cho phép hiện hình những chi tiết tạo ra trên lớp cảm quang do tác dụng của nguồn UV. Quá trình này giống như quá trình rửa ảnh trong kỹ thuật nhiếp ảnh. Ở mặt nạ đầu tiên quá trình quang khắc được thực hiện khá đơn giản: đặt phiến silicon lên gá, thiết lập các điều kiện cần thiết như chân không, khí nén, chế độ tiếp xúc, công suất UV, thời gian chiếu sáng … và chiếu sáng. Tuy vậy để chế tạo một mạch tổ hợp người ta phải dùng tới nhiều bộ mặt nạ khác nhau. Để các chi tiết trên mặt nạ, trên phiến silicon của lần chế tạo trước đó (với một mặt khác trong cả bộ) trùng khít lên những chi tiết của mặt nạ hiện tại người ta phải dùng một kỹ thuật gọi là kỹ thuật đồng chỉnh (so mask hay mask aligner). Kỹ thuật này được thực hiện thông qua những dấu hiệu gọi là dấu so (mask marks) với sự trợ giúp quang học (kính hiển vi, CCD camêra…) và hệ vi chỉnh cơ khí theo các chiều X,Y và chỉnh méo. Thông qua những dấu so đặc biệt này người ta có thể chắc chắn được rằng mọi chi tiết trên phiến silicon nhận được từ các mặt nạ khác nhau là trùng khít lên nhau. Trong quá trình chế tạo photođiốt chúng ta sẽ sử dụng một bộ 03 mặt nạ.

Hiện nay mật độ bóng bán dẫn trên một chíp ngày một tăng nên ngoài kỹ thuật quang khắc còn nhiều kỹ thuật khác cho phép khắc lên trên lớp cảm quang những chi tiết với độ phân giải và mức độ tinh vi tốt hơn rất nhiều như kỹ thuật e-beam lithography (kỹ thuật khắc dùng chùm điện tử), hoặc tia X.

Ăn mòn - trong cộng nghệ vi điện tử trên cơ sở silicon là một kỹ thuật rất hay được sử dụng. Có hai phương pháp ăn mòn chính là : ăn mòn ướt và ăn mòn khô.

Ăn mòn ướt - Đây là kỹ thuật thông dụng nhất trong công nghệ bán dẫn. Ngay từ công đoạn phiến vừa mới được cưa ra khỏi thỏi silion từ nhà máy sản xuất phiến, các hóa chất đã được sử dụng để mài nghiền và đánh bóng cuối cùng chúng ta thu được một tấm silicon phẳng và nhẵn. Đối với những thiết bị đơn lẻ hoặc mạch tích hợp có kích thước đủ lớn (> 3 µm), hoá chất ăn mòn được sử dụng để khắc những hoạ tiết và mở cửa sổ trên lớp vật liệu điện môi.

Ăn mòn khô - trong kỹ thuật ăn mòn khô, tấm silicon được đưa vào trong buồng chân không, sau đó hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn được đưa vào trong buồng phản ứng. Ở chân không thích hợp, dưới tác dụng của nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion hoá và chúng ta thu được hỗn hợp plasma của khí nói trên bao gồm các ion F+ do đó SiO2 hoặc Si … bị ăn mòn và tạo ra các sản phẩm phản ứng tương ứng.

Nhờ kỹ thuật này mà chúng ta có thể mang lại kỹ thuật ăn mòn vật liệu với hệ số tỷ lệ d/w (sâu/cao) rất lớn. Tuỳ theo độ dầy và vật liệu mà người ta chọn các chế độ ăn mòn khác nhau. Với kỹ thuật này các hãng sản xuất lớn có thể phân đoạn thiết bị dành riêng cho quá trình ăn mòn “nông” với một vài micromet chiều sâu cho tới thiết bị có thể ăn mòn qua tấm silicon (cỡ 400 micrô-mét) chỉ trong hai giờ. Thông tin thêm về lý thuyết hoặc kỹ thuật ăn mòn khô có thể tìm thấy tạiwww.stsystems.com và www.adixen.com là hai nhà sản xuất thiết bị ăn mòn khô nổi tiếng nhất hiện nay.

Kỹ thuật màng mỏng – chủ yếu để tạo những lớp vật liệu có bề dày như mong muốn lên trên một lớp vật liệu khác. Đây là quá trình đòi hỏi khá nhiều kiến thức bổ xung như kỹ thuật chân không, cấu trúc vật liệu…Các kỹ thuật cơ bản để tạo màng mỏng ở đây gồm hai phương pháp – vật lý và hoá học. Phương pháp vật lý bao gồm: phún xạ (sputtering), bốc bay nhiệt (evaporation), phương pháp phun tĩnh điện…. Trong khi đó phương pháp hoá học có: lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), lắng đọng hoá học pha hơi áp suất thấp (LPCVD), và Sol-gel.

Đo đạc và khảo sát thông số công nghệ - đây là giai đoạn sau khi phiến silicon đã đi qua các bước công nghệ trong phòng sạch. Ở khâu này người kỹ sư cần xác định các đặc tuyến I-V, C-V hoặc điện trở (R), dòng dò, chế độ làm việc.…của linh kiện. Lúc này, các chíp vẫn nằm trên phiến. Để có thể tiến hành các bước tiếp sau, người kỹ sư phải cắt rời các chíp trên tấm silicon, và ở giai đoạn này chíp còn được gọi là “die”. Như vậy, chúng ta đã đi qua một số bước cơ bản nhất của quá trình chế tạo chíp trong phòng sạch. Ở phần sau chúng tôi sẽ trình bày khâu đóng vỏ, một trong những công đoạn quan trọng trong cả quy trình chế tạo chíp bán dẫn.

Mai Tùy Phong