đĩa wafer bán dẫn silic

trong 70 năm qua, người ta tìm cách cắt silic, khắc, tán, rửa, tinh thể hoá và đánh bóng silic hơn phần lớn mọi vật liệu khác
Các kỹ sư đã làm những thứ hay ho để biến viên đá bóng bẩy ấy thành một mảng công nghệ ảnh hưởng lớn và ngành đĩa wafer đóng góp nhiều cho mối quan tâm ấy

Giới thiệu tấm đĩa bán dẫn wafer
Đĩa bán dẫn là viên gạch bản lề xây dựng bán dẫn, hệ vi cơ điện tử MEMS và tấm panel thu điện mặt trời.
Đĩa wafer phục vụ làm tấm nền cho các thiết bị vi điện tử nằm lên
Nhìn chung có 2 loại đĩa wafer: những tấm để sản xuất pin điện mặt trời và đĩa cho mạch tích hợp – loại thứ 2 cần độ tinh khiết cao hơn – tỷ lệ 11 con số 9 thay vì chỉ cần 6 con số 9 trong tỷ lệ phần trăm độ tinh khiết
Ngành sản xuất wafer theo 3 cỡ chung là 150, 200 và 300 milimet – đĩa càng lớn càng khó làm, nhưng nếu tỷ lệ đạt ổn thì sẽ tiết kiệm hơn.
Sản xuất wafer bắt đầu là tạo nên một tinh thể silic hoàn hảo duy nhất [nén] từ cát

Cát wafer và silic
Đĩa wafer ngày nay làm từ silic nguyên tố nhiều thứ nhì địa cầu, có màu xám xanh nước biển, dễ nghiền, thuộc chung nhóm nguyên tố với germanium và carbon trên bảng tuần hoàn hoá học
Cát chứa chủ yếu là silica, tiết kiệm nhất là tìm nguồn cát tự nhiên tinh khiết nhất có thể để người dùng đỡ tốn công làm sạch
Giống khoáng vật và cả con người, đá thạch anh bị ảnh hưởng bởi môi trường nó hình thành, bị vẩn đục khi những vệt nguyên tố hoặc khoáng vật thâm nhập vào khoáng vật khi nó tăng trưởng, ví dụ nước hoặc bong bóng khí
Nguồn thạch anh tinh khiến nhất là của tập đoàn Unimin của Mỹ, ngày nay công ty tên Covia, được khai thác ở Bắc Carolina gần thị trấn Spruce Pine và xử lý lấy cát cho đĩa wafer từ đá pecmatit
Có những công ty khác trong ngành, đối thủ lớn nhất là thạch anh chất lượng cao từ làng Drag ở Bắc Na-uy, khai thác bởi công ty Crystallites Na-uy

Cát thành silic đa tinh thể
Cát tinh khiết nhất thế giới hiện nay có độ tinh khiết 99.9992% chứa vệt nguyên tố như boron với lượng chỉ 40 mỗi 1 tỷ. Phần lớn cát cho đĩa wafer thì không như thế, và kể cả độ tinh khiết 39 thì vẫn quá bẩn không đủ yêu cầu bán dẫn
Cho nên việc thanh tẩy cần thiết, lấy cát wafer – thường tinh khiết chưa đến 99.9992% - đem trộn với nguồn carbon như than cốc, than đá hoặc gỗ mảnh, sau đó nung nóng trong một lò hồ quang điện chìm lên nhiệt độ 1500 đến 2000 độ C
Silica là silic đi-ôxit nên khi thêm carbon và năng lượng thì oxy rời bỏ silic và gắn vào carbon, thu được silic hạng tiêu chuẩn luyện kim MG-Si có độ tinh khiết 98-99% vẫn chưa đủ để silic hạng tiêu chuẩn bán dẫn
Để thanh tẩy, ta lấy silic hạng luyện kim giã thành bột, bổ sung axit clohydric và ném vào trong một lò phản ứng để nung lên 300 độ C phản ứng tạo thành một bộ các chất hoá học mới mà ta có thể xử lý thành silic đa tinh thể hạng bán dẫn
Những chất hoá học có thể đa dạng nhưng các kỹ thuật viên ưa thích dùng hợp chất trichlorosilane

Chế tạo silic hạng chất lượng bán dẫn
Trong công đoạn tạo nên trichlorosilane thì axit sẽ gột đi những vết sắt và nhôm, được trichlorosilane tinh khiết để hoá hơi và ngưng đọng lại với hydro tinh khiết vào một lò phản ứng lắng đọng hơi hoá học – tại đó khí sẽ phân huỷ, lắng đọng silic lên những que mỏng silic gọi là các “slim rod” – sau 200 đến 300 giờ tăng trưởng chậm ở nhiệt độ 1100 độ C được một que lớn hơn silic đa tinh thể hạng bán dẫn
Phương pháp dùng CVD để lắng đọng silic lên những que kim loại mỏng, được gọi là phương pháp Siemens theo tên công ty Siemens lần đầu đăng ký bản quyền phương pháp từ thập niên 1950
Có một phương pháp khác sử dụng những lò phản ứng nền chất lưu [như giường nước], gần đây đang nổi lên vì tiết kiệm hơn

Silic đa tinh thể năng lượng mặt trời
Phương pháp Siemens cho độ tinh khiết mong muốn nhưng cũng chỉ thu lại được 30% số silic đặt vào và cũng tốn nhiều điện – không phải vấn đề với ngành bán dẫn – nhưng gây khó cho ngành năng lượng mặt trời, một phần vì silic đa tinh thể hạng điện mặt trời không cần tinh khiết ngang hạng với silic đa tinh thể hạng bán dẫn, phần nữa vì ngành pin mặt trời có nhiều công ty cạnh tranh nhau hơn và hạ giá thành xuống thấp hơn là ngành bán dẫn.
Điện mặt trời phải cạnh tranh giá rẻ với cả nhiên liệu hoá thạch và điện gió nữa, khiến các tấm panel chỉ được phép sản xuất giá rẻ. Động cơ tài chính như thế nên sản xuất silic đa tinh thể hạng điện mặt trời phải sử dụng các công đoạn ngặt nghèo về độ tinh khiết, cho nên một số công ty đã tiên phong những phương thức xử lý silic hạng luyện kim, chỉ đạt 98-99% độ tinh khiết, thành chất lượng đủ tiêu chuẩn cho pin mặt trời
Một cách làm là rửa axit lên silic [hạng luyện kim] ấy, gột đi một số nhiễm bẩn, nhưng không đủ sức gột hết. Khoa học cần tìm thêm cách.

Làm tinh thể
Bước tiếp theo để làm đĩa bán dẫn là tạo những cục tinh thể, tinh khiết và không bị lỗi hay lỗ hổng lệch - 95% tinh thể của ngành được tăng trưởng sử dụng công đoạn gọi tên là phương pháp Czochralski
Năm 1916 Jan Czochralski một thợ luyện kim Ba Lan làm việc ở Berlin công bố một cách làm ra những tinh thể kim loại đơn nhất. Czochralski khám phá một cách tình cờ, nhờ nhìn vào bút của mình.
Thời ấy, người ta vẫn dùng bút để viết, chấm bút vào lọ mực để nhúng ngòi bút vào mực rồi sau đó viết lên giấy
Jan cần bôi thêm mực vào ngòi bút để viết tiếp, nên ông nhúng bút vào lọ mực và tai nạn xảy ra khi ông nhúng bút nhầm vào một nồi nấu thiếc hoá lỏng. Jan rút bút lên khỏi nồi và nhận thấy một sợi mỏng thiếc cô đặc lại quấn quanh ngòi bút và ngay sau đó Jan đã xác nhận được rằng sợi thiếc ấy là một tinh thể rắn đơn nhất – liên tục và không đứt gãy từ cạnh này sang cạnh còn lại
Bóng bán dẫn đầu tiên được làm từ germanium. Nhà khoa học Gordon Kidd Teal và JB Little đã chỉnh sửa phương pháp Czochralski thuở đầu để làm ra tinh thể germanium [hay gọi tên là phương pháp Teal và Little nhỉ?]
Ngành sau đó chuyển sang silic và phương pháp Czochralski chuyển theo, năm 1951 Teal và Buehler bắt đầu công đoạn Czochralski tăng trưởng các tinh thể silic

Phương pháp Czochralski
Chỉ là một tinh thể nhưng được nuôi tăng trưởng qua các giai đoạn, mỗi giai đoạn cần những điều kiện khác biệt
Bắt đầu là một bể silic đa tinh thể nóng chảy trong một nồi nấu thạch anh, hoá lỏng những miếng rắn ở 1420 độ C nhiệt độ cao giữ cho nóng chảy không bị hình thành bong bóng khí
Sau đó, lấy một mẩu tinh thể hạt giống nhúng xuống bể trong nồi nấu, mẩu thường chỉ cần cỡ vài milimet và có hình thù giống với sản phẩm tinh thể mong muốn
Đợi đến khi một phần nhỏ của hạt giống bắt đầu hoá lỏng thì kéo hạt giống ra khỏi bể, vừa kéo vừa xoắn, sao cho silic lỏng sẽ tinh thể hoá vào đáy hạt giống phía dưới điểm tiếp cận giữa hạt giống và silic lỏng
Kiểm soát tốc độ kéo và nhiệt độ để tăng trưởng phần còn lại của tinh thể, cả phần hình nón và phần hình trụ
Khi gần kết thúc phần cuối của tinh thể, ta lại tạo được một hình nón lật ngửa thu nhỏ dần, để ngăn tinh thể bị phát triển nên những phần không hoàn hảo do nhiệt độ thay đổi và những bất ổn không thể tránh khỏi trong kỹ thuật kéo
Có nhiều quyền sách viết về công việc này, trên đây chỉ là sơ lược dễ hình dung.
Những tinh thể silic đầu tiên ra đời chỉ nhỏ và nhẹ cầm tay được – dài hơn 20 cm với đường kính hơn 19 milimet – sau này mới lớn dần, đến mức cần thiết bị đặc biệt để nhấc lên
những máy Czochralski thập niên 1970 cao hơn 4.2 met và nặng 30-40 kg, dần dà đã cao lên gấp đôi và nặng hơn 400 kg, được tranh bị thêm khiên chống nhiệt, máy quay phim và từ trường để theo dõi và duy trì kiểm soát chất lượng – hàng thập kỷ nghiên cứu và mài dũa phương pháp để có được những tinh thể hoàn toàn tinh khiết khỏi nhiễm bẩn và lỗ lệch

Cắt và cưa
Có được tinh thể, cần cắt chúng thành các đĩa [wafer] nghe giống cắt xúc xích
Đầu tiên cắt bỏ phần hình nón trên đỉnh và dưới đáy của tinh thể
Phần thân được cưa thành những mảng khác nhau và mài thành thỏi, vì tinh thể phần lớn được tăng trưởng lớn hơn kích cỡ quy định cho nên phần thừa cần mài bỏ [trước khi cưa ra đĩa]
Có 2 cách cưa thỏi, đầu tiên là cưa đường kính bên trong bằng lưỡi cưa kim cương – dao cưa thông thường được gắn ở trung tâm và có phần lưỡi cắt hướng ra đường kính ngoài – cưa đường kính hướng vào bên trong thì ngược lại, cắt từng đĩa [wafer] một và mỗi lần cắt mất vài phút
Khi cắt, lưỡi dao có thể bị cong hoặc bị thiếu hoàn hảo riêng, gây lỗi đĩa wafer cần được sửa sau đó
Cách khác là dùng dây. Cưa dây, mới đầu, dây không thực sự làm việc cắt mà làm việc vận chuyển một hỗn hợp sền sệt mạt silic carbide và dầu đến thỏi, hỗn hợp sệt ấy làm việc cắt
Gần đây, ngành bắt đầu sử dụng dây cưa nhám kim cương, là dây sắt bọc ngoài bằng kim cương, cắt nhanh hơn và gây ít tổn hại hơn cho kết cấu nguyên vẹn tổng thể của đĩa [wafer]
Cưa dây cắt một thỏi lâu hơn, nhưng không cần lần lượt như cưa đường kính trong, cưa dây có thể cắt ra nhiều đĩa cùng một lúc, do đó được ưa chuộng hơn cho đĩa [wafer] trên 150 milimet, cải thiện tỷ lệ đạt
Tất cả tập trung vào tỷ lệ đạt, tốc độ và chất lượng sản phẩm, vì sản xuất bán dẫn là ngành kinh doanh tư bản, nhiều phương pháp khả dụng về mặt kỹ thuật nhưng phải chứng minh được cải thiện tài chính hơn thực tiễn đang áp dụng thì mới có thể triển khai thay đổi
Khi đĩa [wafer] được cắt khỏi các thỏi, thực tiễn sẽ xuất hiện những khuyết điểm, đĩa [wafer] có thể bị bẻ cong. Các cạnh có hình chữ nhật, dễ bị gãy, và bề mặt bị nhiễm bẩn bởi hoá chất cho nên cần làm thêm công đoạn để có được đĩa [wafer] lý tưởng với chi phí thấp nhất
Kế tiếp là giai đoạn phủ lên và khắc mòn – loại bỏ mọi phần silic bề mặt bị vỡ hoặc bị chấn thương bởi dây cắt – mà vẫn cần duy trì độ phẳng cần thiết
Sau đó, đánh bóng bề mặt đĩa [wafer] sẵn sàng cho quang khắc – phương pháp được gọi tên là đánh bóng cơ học hoá học, sử dụng hỗn hợp sệt silica và một số axit để tạo nên một bề mặt mịn mượt.
Sau cùng, đĩa [wafer] được rửa sạch bằng axit thêm và được kiểm tra xem vấn đề gì không
Qua được vòng kiểm tra, đĩa sẽ được chuyển đến TSMC, Intel hoặc Samsung để fab [hình thành mạch tích hợp trên bề mặt]

Đánh giá ngành đĩa [wafer]
những nhà cung cấp wafer silic hàng đầu đều là người Nhật: công ty hoá chất Shin-Etsu và công ty SUMCO cùng chiếm 60% thị trường với Shin-Etsu dẫn đầu thị phần
phần lớn việc làm đĩa [wafer] làm ở Nhật Bản chủ yếu vì lý do chính trị, nhưng cũng phản ánh di sản của ngành bán dẫn từng làm mưa làm gió của đất nước mặt trời mọc
thập niên 1980 nhiều công ty hoá chất phổ thông như Shin-Etsu đã đầu tư nghiên cứu phát triển những vật liệu bán dẫn tốt nhất cho các công ty bán dẫn nội địa
nhiều công ty này đã biến mất sau khi bong bóng bất động sản vỡ, chỉ còn Shin-Etsu và SUMCO sống sót nhờ tập trung vào những sản phẩm kỹ thuật khó và khai thác thị trường xuất khẩu
Tokyo Electron là công ty với câu chuyện kinh doanh tương tự
Đã có những lo ngại rằng sản xuất đĩa [wafer] silic chỉ tập trung ở Nhật Bản, thỉnh thoảng những nhà máy này chịu hoả hoạn hoặc động đất, lần nào thảm hoạ lớn là chuỗi cung lại bị cắt nửa và gây xôn xao dư luận báo chí, diễn đàn...

Silic quan trọng đến thế sao?
Đĩa [wafer] bán dẫn đầu tiên làm từ germanium nhưng các nhà công nghiệp đã nhận thấy nguyên tố germanium không được thực tiễn lắm vì:
1 đĩa [wafer] germanium có vấn đề không chịu được nhiệt, ngừng hoạt động ở 90 độ C tương đương 194 độ F vì lý do ngành vẫn gọi tên là germanium có “khe vùng năng lượng hẹp” trong khi khe vùng của silic rộng hơn nhiều
2 khi nung nóng trong môi trường giàu ôxy thì silic phản ứng tạo nên một lớp silica làm lớp cách ly ổn định hoá học, không tan trong nước và giúp bảo vệ những điện tử nằm dưới, và cũng dễ bị khắc mòn đi nếu cần và cho nên rất thích hợp cho bước quang khắc và fab hoá học ướt
Điểm cộng nữa là silic hoàn toàn lành tính và rẻ hơn 10 lần germanium

Tương lai
Hiện nay, tiêu chuẩn công nghiệp cho đĩa [wafer] là 300 milimet nhờ 10 năm hợp tác công nghiệp vô tiền khoáng hậu, không kém công phu so với cuộc chuyển đổi lên EUV
Bước kế tiếp sẽ là tiến lên đĩa [wafer] 450 milimet – ý tưởng đã đăng lên một thời gian nhưng ngành đang tranh cãi
Intel, TSMC và Samsung muốn chuyển sang bước tiến bộ mới này, nhưng thiết bị và những công ty bán đĩa [wafer] là Shin-Etsu, Lam Research và Applied Materials thì không – dễ hiểu tại sao
TSMC đã có những cân nhắc cho quang khắc và rửa sạch cho đĩa 450 milimet, diện tích bề mặt gấp đôi đĩa 300 milimet, mà thiết bị xử lý sẽ chỉ tốn thêm 30% cho nên sẽ giảm chi phí
Những công ty bán đĩa [wafer] thì bước chuyển sẽ làm chậm xuất lượng, phải chi nhiều hơn cho silic, hạ tỷ lệ đạt và phải mua mới thiết bị [công cụ] mới – những công việc phải thực tiễn - không có rào cản kỹ thuật nào, nhưng rào cản kinh tế và thiết kế [kỹ sư máy] thì khá đáng kể
Năm 1995 những tinh thể 400 milimet đầu tiên đã được tăng trưởng, và kế hoạch ban đầu cho đĩa [wafer] 450 milimet đã trình ra năm 2014 nhưng kế hoạch cứ bị lùi dần sau ấy

Tương lai xa
Nghiên cứu sinh cũng đã nói về bỏ rơi silic để áp dụng thế hệ bán dẫn mới, những bài viết đăng tải về graphen
Nhưng silic đã trở thành nhóm ngành trị giá hơn 10 tỷ đôla Mỹ và là nền móng [nghĩa đen] cho toàn bộ lĩnh vực bán dẫn 400 tỷ đôla – chưa kể ngành cạnh tranh khốc liệt, tìm ra những cách mới để tăng trưởng, cắt , cưa và đánh bóng, xử lý
Nhưng silic cũng không phải câu trả lời tối thượng trong tương lai xa, ngành đã tiến bộ trong tìm được hiệu năng tốt hơn cho người dùng nhờ sử dụng những phương pháp khác – nổi tiếng nhất là SoC hệ thống trên chip, đặt những cấu kiện khác nhau được tối ưu cho mục đích sử dụng nhất định
Phiên bản của SoC cho silic là: những phần của chip có thể được thay thế hoặc trộn lẫn với những vật liệu mới thích hợp hơn cho những chức năng nhất định, ví dụ những thiết bị điện năng cao, điện áp cao cần khe vùng [năng lượng] rộng hơn cả silic thì có thể fab với gallium nitride
Phần gallium nitride có thể lẫn vào silic để cải thiện hiệu năng người dùng mà không cần thu nhỏ bóng bán dẫn thêm
Công nghệ đĩa [wafer] hẳn sẽ phải thích ứng để vận hành phát triển mới này, bổ sung thiết kế phức tạp cho một bề mặt bánh pizza nhìn qua có vẻ đơn giản