chuyển đổi sang đĩa wafer rộng 300 milimet

mở đầu thế kỷ mới, ngành sản xuất bán dẫn tổng trị giá 200 tỷ đôla trên toàn cầu chung tay thực hiện một cuộc chuyển đổi lớn - có lẽ cũng là cuộc chuyển đổi cuối cùng
cuộc chuyển đổi sang làm tấm wafer rộng hơn
nghe đơn giản, nhưng cuộc chuyển đổi sang đĩa wafer rộng 300 milimet đã bắt đầu từ năm 1994 mất gần một thập kỷ và tiêu tốn ngành hàng tỷ đôla

Tăng trưởng
qua nửa cuối thế kỷ 20, ngành đã tìm cách tăng trưởng kích cỡ đĩa lên 50% mỗi thập kỷ mà không làm giảm công suất và giá thành
đầu thập niên 1960 ngành dùng tấm wafer có đường kính chỉ nửa inch [13 milimet]
thập niên 1970 ngành chuyển đổi sang đĩa wafer 3 đến 4 inch
thập niên 1980 tấm wafer 5 đến 6 inch
thập niên 1990 ngành chuyển sang hệ đo lường mét và đĩa wafer 200 milimet [8 inch]
thập niên 2000 theo đúng lộ trình tăng 50% thì tấm wafer sẽ tăng đường kính thành 300 milimet

Tại sao?
trong nhiều năm Intel đã dẫn đường và trả tiền cho những cuộc chuyển đổi của ngành lên đĩa wafer rộng hơn
lý do chính của công ty là giá thành
tấm wafer rộng hơn khiến sản xuất bán dẫn tiên tiến khả thi kinh tế hơn
để cho phép gấp đôi số bóng bán dẫn trên một mạch tích hợp mỗi hai năm thì cần số lớn gia tăng công việc và đầu tư
tăng kích cỡ đĩa wafer giúp nhẹ bớt phần chi phí ấy vì cho phép nhà sản xuất đặt thêm 'die' lên một tấm wafer duy nhất - lý thuyết là thế
luật Moore yêu cầu toàn ngành tăng công suất 25% hằng năm
ước tính những cuộc chuyển đối kích cỡ wafer đã đóng góp 4% trong con số 25 ấy
Intel muối một cuộc chuyển đổi kích cỡ wafer mới để cải thiện tình hình giá lại đang tồi tệ đi
nhưng lo ngại mới đã nổi lên buộc người ta dừng lại việc chuyển đổi kích cỡ wafer mới

Cuộc chuyển đổi cuối cùng
tiến trình lên đến 150 milimet đã tương đối mượt mà
nhưng thập niên 1990 ngành nhảy lên 200 milimet thì một số thứ vượt tầm kiểm soát
cuộc chuyển đổi hứa hẹn hơn 20% cắt giảm giá thành mỗi 'die' nhưng có vẻ kế hoạch thất bại
đầu tiên là mất rất lâu - lâu hơn bất cứ cuộc chuyển đổi nào trước ấy
công cụ tiến trình 200 milimet lần đầu ra mắt cuối thập niên 1980 nhưng mất 5 năm trước khi ngành sản xuất quy mô lớn tấm wafer 200 milimet trong khi chuyển đổi trước đó chỉ mất 3
thứ 2 là giá thành lên quá cao ăn gần hết mọi khoản dự phòng
cuộc chuyển đổi tốn toàn ngành ước tính 5 đến 10 tỷ đôla thời giá năm 1990 [tương đương 11 đến 22 tỷ đôla ngày nay] bao gồm chi phí công cụ mới, đầu tư nhà máy, hụt giảm công suất
ước tính 15 đến 50 tỷ đôla thời giá 2006 là tiêu tốn toàn ngành để chuyển đổi sang wafer đường kính 300 milimet - tương đương 20 đến 70 tỷ đôla năm 2022
cho nên mặc dù đĩa wafer đường kính 200 milimet chứa nhiều 'die' gấp 1.78 lần wafer 150 milimet thì các công ty cũng không cải thiện được gấp 1.78 lần số 'die' mỗi đôla bỏ ra
dù sao thì wafer 300 milimet cũng chứa được gấp 2.25 số 'die' so với wafer 200 milimet
Intel và những nhà sản xuất hàng đầu ngành như Hitachi, IBM, Motorola, Samsung... vẫn thấy chuyển đổi đáng tiền

Kế hoạch
một trong những lý do tại sao wafer 200 milimet không đạt kỳ vọng là thiếu đồng thuận - ngành đã không thống nhất về độ dày của tấm wafer
cho nên trong một thời gian, các công ty làm wafer đã phải sản xuất đĩa wafer có 2 độ dày khác nhau là 725 và 735 micromet
lần này [chuyển đổi 300 milimet] ngành quyết sớm
đầu năm 1994, với kỳ vọng năm 2001 sẽ hoàn thiện chuyển đổi, ngành lập ra 2 hiệp hội [liên doanh] quốc tế: I300I đại diện các nhà sản xuất thiết bị Mỹ, châu Âu và Đài Loan và SELETE cho các nhà sản xuất Nhật Bản
tháng 7 năm 1994 hai hiệp hội gặp nhau trong hội nghị wafer lớn ở San Francisco để quyết định nhanh kích cỡ và độ dày tấm wafer
sau đó họ chuyển sang những thử thách kỹ thuật khác - khó hơn
chuyển dịch toàn ngành hàng tỷ đôla từ 200 milimet sang 300 milimet nghĩa là thay đổi và làm lại công cụ cho mọi bộ phận của tiến trình sản xuất bán dẫn

Tạo hình một đĩa wafer 300 milimet
tìm cách tạo hình, cắt, đánh bóng và hoàn thiện một tinh thể wafer silic thuần khiết lớn hơn nhiều thế hệ tinh thể cũ là một trong những thử thách lớn nhất của chuyển đổi ngành

Phương pháp Czochralski

một tấm wafer đường kính 300 milimet - như Texas - lớn hơn. Tinh thể wafer đường kính 200 milimet nặng 90 cân
tinh thể wafer đường kính 300 milimet nặng 300 cân
tinh thể được tạo hình với 2 cổ hẹp 2 đầu chỉ rộng vài milimet để giảm tỷ lệ lỗi
nhưng tinh thể thế hệ mới, khi các kỹ sư cố gắng tạo hình những vật phẩm thuần khiết này bằng phương pháp cũ, tinh thể liên tục gẫy cổ
thể tích lớn cũng ảnh hưởng đến phân phối nhiệt qua tinh thế
nếu một phần của tinh thế bị quá nóng trong khi một phần khác bị quá lạnh thì gây co dãn nhiệt và có thể nứt
cho nên để an toàn thì chỉ kéo tinh thể ra khỏi bể chất lỏng tốc độ chỉ nhanh bằng nửa tinh thể 200 milimet
"tốc độ kéo" thấp này đã giới hạn thông lượng của nhà sản xuất wafer
may mắn là tốc độ kéo chậm chỉ còn nửa, chưa đủ loại bỏ hết lợi ích gấp 2.25 lần của tinh thể tăng đường kính

Kỹ thuật tránh khiếm khuyết cho tinh thể
cuộc chuyển đổi wafer 300 milimet diễn ra cùng lúc với ngành bán dẫn bắt đầu đẩy lên node tiến trình 180 và 130 nanomet
nghĩa là những quy định thiết kế và yêu cầu lỗi mới
đặc biệt ở thế hệ node này, micromet đầu tiên của silic trên bề mặt wafer phải hoàn toàn không có khuyết điểm wafer nào
cho nên ngành wafer gặp thử thách làm ra tinh thể vừa lớn hơn vừa thuần khiết hơn trong khi một đĩa wafer lớn hơn thì đương nhiên dễ bị khuyết điểm hơn
nhìn chung có 2 loại khuyển điểm silic
đầu tiên là khiếm khuyết khoảng trống: một lỗ trống gọi là một 'void' hay một 'vacancy' trong cấu trúc tinh thể silic
thứ 2 là khi những nguyên tử silic phụ trôi kẹt vào nhau, làm hỏng cấu trúc tinh thể và gây khuyết tật
những sai khớp này thường lớn hơn và khó xử lý hơn, thậm chí có thể lan khắp bề rộng của tinh thể
những sai hỏng này xảy ra vì điểu kiện xung quanh lúc chất lỏng silic tụ lên tinh thể
duy trì kiểm soát những điều kiện ấy - quan trọng nhất là khí ôxi - là rất khó và khiến ngành đang cân nhắc cái gọi là những wafer mọc ghép [epitaxy]
Epitaxy là một công đoạn xử lý khá kỳ thú: sử dụng lắng đọng hơi hoá học hoặc lắng động hơi vật lý để sản xuất một lớp silic tinh thể thuần khiết lên trên tấm wafer
cho nên ta không phải lo lắng nhiều về độ tinh khiết tạo hình wafer hay việc cắt có thể gây khuyết tật sai khớp
đánh đổi là lâu hơn và chi phí cao hơn
bên cạnh thử thách kỹ thuật, nhà sản xuất cũng cần đạt quy mô và giá thành ngang bằng hoặc cải thiện so với hiện trạng

Thiết bị
các công ty bán thiết bị bán dẫn đã đối mặt nhiều kỳ vọng khi bước vào cuộc chuyển đổi này
đầu tiên và quan trọng nhất là thiết bị phải xử lý nhiều đĩa wafer hơn mà không tăng tương ứng kích cỡ của công cụ
để làm được thế, nhiều công ty bắt đầu tái thiết kế sản phẩm để đặt những vật phẩm không quan trọng xuống dưới sàn phòng sạch
các công ty làm công cụ cũng căn chỉnh sản phẩm của mình và thực tiễn sử dụng với tiêu chuẩn ngành và quy định chính phủ chung
các công ty làm máy quang khắc - trên hết - phải làm việc ấy trong khi sản xuất những hệ thống mới phức tạp hơn cho những node tiến trình 180 và 130 nanomet
sau khi tiêu chuẩn ngành được đặt năm 1995, các công ty bán công cụ bắt đầu phát triển năm 1996 mục tiêu ra mắt năm 1998
mới đầu, những công ty bán công cụ lớn của ngành ước tính sẽ cộng thêm 40 đến 70% giá thành hơn hệ thống 200 milimet
thực tế năm 2006 khảo sát cho thấy ngành thiết bị công cụ đã chi 11.6 tỷ đôla cho chuyển đổi, cao gấp 9 lần cuộc chuyển đổi trước

Tái thiết kế nhà máy
một xưởng fab 300 milimet sẽ lớn hơn
kiến trúc sư cần thiết kế sàn và tải trọng trần nhà cao hơn
nối đường ống tiện ích phải đi dây lại để cho công nhân dễ tiếp cận được các vật phẩm hơn
các công cụ phải di chuyển một số chi tiết xuống dưới sàn nhà
thay đổi lớn nhất có lẽ là tự động hoá xử lý tấm wafer
đĩa wafer chưa bao giờ cứ thế mang đi mà được đựng trong những thứ gọi tên là FOUP front opening unified pod - hộp đồng nhất cửa trước - để bảo quản trong một môi trường sạch sẽ
FOUP 300 milimet tiêu chuẩn ngành mang theo 25 tấm wafer
chứa đầy, FOUP nặng 9 cân
các công ty bắt đầu nhận thấy gia tăng phàn nàn lương và khiếu nại bất bình từ công nhân về những hộp FOUP đựng đĩa wafer 200 milimet
cho nên phiên bản 300 milimet nặng hơn nhiều sẽ cần tự động hoá vận chuyển cơ bản của tất cả tấm wafer bên trong xưởng fab

Tự động hoá
trong các xưởng fab 200 milimiet, Intel vận chuyển các hộp FOUP sử dụng đường ray - phương tiện có thể hoặc là tự hành hoặc được đẩy thủ công đến sân thiết bị
chuyển đổi sang 300 milimet, hệ thống vận chuyển cần trục nhấc bổng lên [cáp treo] viết tắt là OHT mới
thay thế đường ray bằng cáp treo, cho phép Intel thu hẹp khoảng cách giữa các sân thiết bị từ 9.5 foot xuống còn 6 foot và giải phóng 3.5% khoảng không gian trong phòng sạch
đánh đổi là những cáp treo cần phần mềm và thuật toán dẫn đường mới, cụ thể cho phòng sạch
nghiên cứu cho thấy nhiều nhà sản xuất đã vật lộn với những yêu cầu phần mềm lớn liên quan, gây ra một số hành vi "sai lạc"
bằng cách đặt ra tiêu chuẩn ngành lên mọi thứ từ cấu trúc fab cho đến hậu cần cho đến tích hợp phần mềm, ngành có thể loại bỏ công việc trùng lặp - người Nhật Bản đã xoay xở cắt bỏ 11 phiên bản FOUP khác nhau để chỉ còn 1 và tăng tốc khởi nghiệp [giảm thời gian lắp đặt và bắt đầu vận hành] xưởng fab wafer
các xưởng fab đĩa wafer đường kình 200 milimet bấy giờ từng mất 20 tháng để sản xuất lô wafer đầu tiên
sau khi chuyển đổi, con số giảm còn 18 tháng

Hoàn thiện và tương lai
việc lên kế hoạch và phối hợp mang lại kết quả
bắt đầu từ năm 1994 ngành phần lớn đã hoàn thiện chuyển đổi vào năm 2001
đã 20 năm trôi qua và ngành vẫn sử dụng tấm wafer đường kính 300 milimet
đối thoại cho 450 milimet định kế hoạch làm thế hệ tiếp theo, chưa ngã ngũ
ngành dường như không có năng lượng [hay động lực] để đẩy tới thế hệ kế
chỉ chi phí phát triển thiết bị đã ước tính 25 tỷ đôla và lợi ích kinh tế chưa rõ
ngành cũng đã đổi khác
lúc mới bắt đầu cuộc chuyển đổi, những công ty chủ yếu là ở Mỹ, châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan
đến nay Trung Quốc, Singapore, Thái Lan và Malaysia đã gia nhập cuộc chơi
Intel đã mất vị thế là động lực của toàn ngành
ngày nay, có nhiều công ty khác có tiếng nói lớn và động lực riêng
hợp tác giữa các công ty sẽ khó hơn

Kết
ý tưởng về nỗ lực quốc tế kéo dài cả thập kỷ giữa các công ty trị giá cả tỷ đôla, những công ty vẫn là đối thủ cạnh tranh nhau
gần đây mới có thiếu hụt tấm wafer đường kính 200 milimet
web Fabricated Knowledge đã trích dẫn lời ban quản trị công ty SUMCO - một trong những nhà sản xuất wafer lớn - đưa ra trong hội nghị kết quả tài chính mới đây của công ty, rằng:
"Không có cách nào để tăng sản lượng 200 milimet. Thiết bị không còn sẵn bán và những cơ sở cũ vẫn bỏ không đã bị lạc hậu. Cho nên tăng sản lượng là không thể."
kỳ lạ không? Thị trường sẵn lòng trả tiền. Tại sao gạt bỏ?
bài viết này đã phản ánh hoàn cảnh đáng cảm thông hơn của các công ty sản xuất wafer
cuộc chuyển đổi sang wafer 300 milimet là một nỗ lực vô tiền khoáng hậu và những công ty đã phải chật vật để làm được
yêu cầu họ [công ty sản xuất wafer] đảo ngược về thời 20 năm trước là khó tưởng tượng được