Chất bán dẫn là gì? Hành trình từ Wafer đến Chip

Bobby Brown

Cập nhật 2023-11-23

Chất bán dẫn là gì? Hành trình từ Wafer đến Chip

Mục lục

1. Chất bán dẫn là gì?
2. IC (mạch tích hợp) là gì?
3. Wafer là gì? Sự khác biệt giữa Wafer và Chip?
4. Chuỗi cung ứng chất bán dẫn
5. Quá trình sản xuất wafer như thế nào?
Ứng dụng của Lưu lượng kế và Vòi phun trong Ngành Công nghiệp Bán dẫn

1. Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là những vật liệu có đặc tính điện tử đặc biệt, với độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất các thành phần như transistor và diode, rất quan trọng đối với thiết bị điện tử. Chất bán dẫn được ứng dụng cho các thiết bị đơn giản như pin mặt trời và đèn LED, nhưng phổ biến hơn là được chế tạo thành chip để cung cấp năng lượng cho IC, vi xử lý, chip nhớ, và các mô-đun liên lạc như Bluetooth, Wi-Fi, và thông tin di động. Chúng cũng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống như hệ thống phanh chống bó cứng (ABS).

[1]

2. IC (mạch tích hợp) là gì?

Mạch tích hợp (IC), còn gọi là vi mạch hay đơn giản là chip, là các linh kiện điện tử tích hợp hàng triệu transistor và các phần tử khác (như điện trở và tụ điện) trên một đế bán dẫn nhỏ, thường được làm từ silicon. Đế này được gọi là chip, vì vậy IC thường được gọi là chip. Các phần tử tích hợp này phối hợp để thực hiện các chức năng khác nhau, như xử lý dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, khuếch đại tín hiệu, hoặc hoạt động như một bộ dao động, bộ đếm, hay cổng logic.

[2][3]

3. Wafer là gì? Sự khác biệt giữa Wafer và Chip?

Trong điện tử, wafer là một lát mỏng, tròn của vật liệu bán dẫn, thường là silicon, dùng làm nền tảng để sản xuất vi mạch. Trong quá trình sản xuất, nhiều lớp vật liệu được lắng đọng lên wafer, và các mẫu phức tạp được khắc để tạo thành mạch tích hợp. Sau đó, wafer được cắt thành nhiều linh kiện riêng lẻ gọi là chip.

[4][5]

4. Chuỗi cung ứng chất bán dẫn

| Semiconductor Supply Chain

Chuỗi công nghiệp bán dẫn có thể được chia thành ba phân khúc: thiết kế IC, sản xuất IC, và đóng gói và kiểm tra IC.

Nhiều công ty thiết kế IC không có nhà máy (fabless), nghĩa là họ thiết kế và bán chip nhưng thuê ngoài các quy trình sản xuất và kiểm tra. Những công ty fabless nổi tiếng bao gồm Qualcomm, NVIDIA, Broadcom, và các công ty bán dẫn Đài Loan như MediaTek, Novatek, và Realtek.
Việc sản xuất IC được đảm nhận bởi các xưởng đúc như TSMC và UMC từ Đài Loan, và GlobalFoundries. Đóng gói và kiểm tra IC được thực hiện bởi các OSAT (Dịch vụ lắp ráp và kiểm tra bán dẫn thuê ngoài) như ASE và SPIL từ Đài Loan, cùng với Amkor và JCET.

Ngoài ra, còn có các Nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM) như Intel, Samsung Electronics, và Texas Instruments. Các công ty này thiết kế, sản xuất, đóng gói và kiểm tra chip của riêng họ, quản lý tất cả các phân khúc của chuỗi công nghiệp bán dẫn với khả năng sản xuất hoàn chỉnh.

1 ) Ngành công nghiệp bán dẫn thượng nguồn

Phân khúc thượng nguồn của ngành công nghiệp bán dẫn tập trung vào thiết kế IC, nơi các công ty tạo và xác minh chức năng chip, biến ý tưởng thành thiết kế chip.

IC bộ nhớ: Lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn chương trình; được tìm thấy trong PC, điện thoại thông minh, máy chơi game, và máy ảnh kỹ thuật số.
IC vi thành phần: Bao gồm CPU và GPU, xử lý dữ liệu và lệnh; được sử dụng trong điện thoại thông minh, điện tử ô tô, và thiết bị gia dụng.
IC logic: Thực hiện các hoạt động logic và điều khiển tín hiệu; được sử dụng trong thiết bị liên lạc, điện tử ô tô, và tự động hóa công nghiệp.
IC tương tự: Xử lý các tín hiệu liên tục như điện áp và dòng điện; được sử dụng trong thiết bị âm thanh, truyền thông không dây, quản lý năng lượng, và cảm biến.

2 ）Ngành công nghiệp bán dẫn trung nguồn

Khi thiết kế IC hoàn tất, nó bước vào giai đoạn sản xuất. Phân khúc trung nguồn của ngành công nghiệp bán dẫn—sản xuất IC—bao gồm sản xuất và xử lý wafer, nơi các mạch được thiết kế được chế tạo trên wafer để tạo thành chip (IC).

| Quy trình sản xuất wafer (Cuộn xuống Chương 4 để biết chi tiết)

3 ) Ngành công nghiệp bán dẫn hạ nguồn

Sau khi sản xuất, bước tiếp theo là kiểm tra chức năng của các wafer. Phân khúc hạ nguồn của ngành công nghiệp bán dẫn bao gồm đóng gói và kiểm tra IC. Trong quá trình đóng gói, wafer được tạo ra trong giai đoạn sản xuất được cắt thành từng mảnh IC riêng lẻ, sau đó được đặt vào các gói bảo vệ có cung cấp kết nối điện. Sau khi đóng gói, kiểm tra IC đảm bảo rằng các IC đã đóng gói hoạt động chính xác và đáp ứng các thông số kỹ thuật về hiệu suất. Chỉ sau các bước này, IC mới trở thành sản phẩm cuối cùng—chip sẵn sàng cho thị trường.

5. Quá trình sản xuất wafer như thế nào?

| Xử lý wafer

[6]

Sự khác biệt giữa wafer và chip là gì? Wafer là vật liệu ban đầu để sản xuất chip. Nó là một đế silicon mỏng, tròn, thường được làm từ silicon đơn tinh thể. Quá trình sản xuất wafer gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn đầu tiên bao gồm làm sạch wafer, phát triển tinh thể, kéo ingot, cắt wafer, và đánh bóng; và giai đoạn thứ hai, được gọi là chế tạo wafer, bao gồm các quy trình như lắng đọng hơi, phủ chất cản quang, chiếu sáng, phát triển, khắc, bóc lớp cản quang và làm sạch cuối cùng.

Làm sạch wafer
Bề mặt nguyên liệu wafer được làm sạch bằng cách nung chảy ở nhiệt độ cao và sử dụng các dung môi như axit hydrofluoric (HF) hoặc kali hydroxit (KOH) để loại bỏ chất gây ô nhiễm và cặn hữu cơ, đảm bảo chất lượng đế tuyệt vời.

Tăng trưởng tinh thể
Nguyên liệu silicon có độ tinh khiết cao, silicon dioxide, được đưa vào lò để tinh luyện, giảm xuống silicon cấp luyện kim. Sau khi được tinh chế bằng phương pháp chưng cất, nó trải qua quá trình phân hủy chậm để tạo ra "silicon đa tinh thể.

Kéo ingot
Silicon đa tinh thể được nung chảy cùng với axit boric và phốt pho trong chén thạch anh, sau đó, ở nhiệt độ cao, một thanh silicon đơn tinh thể (tinh thể mầm) được nhúng vào và kéo lên trong khi xoay. Silicon bám vào tinh thể mầm và đông đặc đều trên thanh, hình thành một ingot silicon đơn tinh thể dạng cột.

Cắt wafer
Cột tinh thể mới sản xuất có bề mặt không đều. Nó cần được xử lý bằng dụng cụ kim cương công nghiệp, loại bỏ các đầu nhọn, điều chỉnh đường kính, và cắt thành lát wafer bằng lưỡi cưa có độ cứng cao hoặc cưa dây.

Đánh bóng & Mài
Sau khi cắt wafer, bề mặt trở nên thô ráp và cần được đánh bóng và mài. Đánh bóng nhằm làm cho bề mặt tinh thể mịn và bóng hơn, trong khi mài làm tròn các cạnh của wafer thành đường cong mượt mà.

Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
CVD là quy trình trong đó các tiền chất ở thể khí được đưa vào buồng phản ứng. Khi các khí này tiếp xúc với bề mặt đế được làm nóng, chúng tạo ra vật liệu lắng đọng, hình thành một lớp màng mỏng trên bề mặt đế, được sử dụng để tạo các lớp cách điện hoặc dẫn điện.

|Lắng đọng hơi hóa học (CVD)

Phủ chất cản quang
Khi tiếp xúc với ánh sáng, chất cản quang trải qua sự thay đổi hóa học. Ban đầu, một lớp chất cản quang đồng đều được phủ lên bề mặt wafer, cho phép nó được loại bỏ hoặc giữ lại trong các bước chiếu sáng và phát triển tiếp theo, tạo ra mẫu mong muốn.

|Phủ chất cản quang

Chiếu sáng
Sử dụng các mẫu trên mặt nạ quang, chiếu ánh sáng cực tím lên lớp chất cản quang. Căn chỉnh mặt nạ quang với wafer đã phủ chất cản quang, gây ra phản ứng hóa học trong các vùng được chiếu sáng của lớp cản quang, bắt đầu một phản ứng quang hóa.

|Chiếu sáng

Quang khắc
Khi đưa wafer vào dung dịch hiện hình (có thể chứa kiềm như natri hydroxit, kali hydroxit và các chất phụ gia), dung dịch này sẽ loại bỏ có chọn lọc các vùng chưa được chiếu sáng của lớp chất cản quang, để lại một khuôn mẫu ở các vùng đã được chiếu sáng.

|Quang khắc

Khắc
Sử dụng dung dịch khắc có tính axit hoặc kiềm để loại bỏ các vật liệu bên dưới theo mẫu trên lớp chất cản quang, giữ nguyên các khu vực được bảo vệ trên bề mặt wafer (những vùng có chất cản quang được chiếu sáng), từ đó định hình các vi cấu trúc của chip.

Loại bỏ chất cản quang
Sau khi phát triển, lớp chất cản quang còn sót lại được loại bỏ bằng các phương pháp hóa học, nhiệt, hoặc cơ học, như sử dụng dung dịch tẩy, để tránh ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của thiết bị.

Làm sạch cuối cùng
Cuối cùng, các chip được làm sạch lần thứ hai, có thể sử dụng dung môi hữu cơ hoặc vô cơ, chất hoạt động bề mặt, hoặc các kỹ thuật làm sạch bằng siêu âm để loại bỏ hóa chất và hạt còn sót lại từ quá trình sản xuất, đảm bảo chip được làm sạch và đạt các tiêu chuẩn yêu cầu.

Ứng dụng của Lưu lượng kế và Vòi phun trong Ngành Công nghiệp Bán dẫn

Ứng dụng 1: Giám sát Dòng chảy Hóa chất

Trong sản xuất bán dẫn, việc kiểm soát chính xác dòng chảy của chất lỏng hóa học là rất quan trọng do các quy trình phức tạp và tinh vi liên quan. Mỗi bước trong quy trình sản xuất phụ thuộc vào việc cung cấp hóa chất và lưu lượng chính xác, ảnh hưởng đến chất lượng và độ ổn định của sản phẩm cuối cùng. Lưu lượng kế chất lỏng đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát và giám sát chính xác dòng chảy của chất lỏng trong đường ống, đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.

| Khi vận chuyển các hóa chất từ kho lưu trữ trung tâm đến các thiết bị khác nhau, việc sử dụng lưu lượng kế cho phép giám sát chính xác lượng chất lỏng.

Trường hợp: Nhà máy Bán dẫn Công nghệ Trung Quốc

Tình huống: Các nhà máy truyền thống không có hệ thống cung cấp hóa chất trung tâm thường vận chuyển các hóa chất riêng lẻ đến các khu vực và thiết bị khác nhau. Thực tế này có thể dẫn đến những nguy cơ an toàn tiềm ẩn và kém hiệu quả trong việc tối ưu hóa sử dụng hóa chất.

Giải pháp: Lưu lượng kế Paddlewheel LORRIC FP-AS510
Để giải quyết thách thức này, chúng tôi đã đề xuất thiết lập một phòng lưu trữ hóa chất trung tâm trong nhà máy của công ty. Trong quá trình vận hành, hóa chất được cung cấp từ trung tâm đến từng máy, và lưu lượng kế paddlewheel FP-AS510 được sử dụng để tính toán chính xác lượng hóa chất cần thiết, giảm thiểu chi phí do thất thoát hóa chất trong quá trình. Lưu lượng kế paddlewheel FP-AS510, sở hữu nhiều bằng sáng chế và chứng nhận quốc tế, tích hợp công nghệ AxleSense độc quyền. Cấu trúc cánh quạt nước của thiết bị có thể phát hiện dòng chảy rất nhỏ khi chất lỏng đi qua, đạt được phép đo chính xác. FP-AS510 cũng cung cấp khả năng giám sát thời gian thực cho các tình trạng bất thường của cánh quạt, phát hiện các vấn đề dòng chảy bằng không do cánh quạt bị hỏng. Bằng cách lắp đặt FP-AS510, công ty có thể tính toán chính xác liều lượng hóa chất cho từng máy trong quá trình chuẩn bị, giúp tiết kiệm chi phí. Hơn nữa, do tính chất cô đặc và ăn mòn của các hóa chất, vốn có thể gây nguy hiểm trong quá trình lưu trữ và vận chuyển, việc sử dụng FP-AS510 giúp giải quyết vấn đề này. Sản phẩm được làm từ vật liệu PVDF, có khả năng chống chịu tuyệt vời với dung môi và ăn mòn axit-bazơ, loại bỏ lo ngại về ăn mòn hóa học và rò rỉ, nâng cao an toàn nơi làm việc.

Ứng dụng 2: Đo lường và Giám sát Nước Siêu Tinh Khiết

Trong sản xuất bán dẫn, một lượng lớn nước siêu tinh khiết được sử dụng để làm sạch wafer, rửa các linh kiện điện tử, khắc và nhiều ứng dụng khác. Trong quá trình xử lý nước siêu tinh khiết, việc đo lưu lượng chất lỏng chính xác là điều cần thiết. Chẳng hạn, trong quy trình thẩm thấu ngược (RO), việc đo lưu lượng nước cô đặc là rất quan trọng để kiểm soát tỷ lệ cô đặc và ngăn chặn sự đóng cặn màng. Giám sát liên tục lưu lượng nước cũng giúp đánh giá hiệu suất của thiết bị RO, phát hiện kịp thời các lỗi hoặc bất thường tiềm ẩn. Trong quy trình khử ion (DI), nhựa trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ ion khỏi nước, đòi hỏi phải giám sát lưu lượng qua nhựa và lưu lượng nước rửa ngược để đảm bảo loại bỏ ion hiệu quả. Ngoài ra, việc kiểm soát chính xác liều lượng hóa chất là cần thiết trong giai đoạn thêm hóa chất của quá trình xử lý nước siêu tinh khiết, chẳng hạn như đo liều lượng chất khử trùng (clo, clo dioxide, ozone) để loại bỏ vi sinh vật hoặc các chất điều chỉnh pH (axit sulfuric, natri hydroxit) để duy trì sự ổn định chất lượng nước. Do đó, các hoạt động xử lý nước siêu tinh khiết đòi hỏi đo lưu lượng chất lỏng cực kỳ chính xác và công cụ đo lường có khả năng chống hóa chất.

| Giám sát lưu lượng chất lỏng trong các quy trình khử ion (DI) và thẩm thấu ngược (RO) đảm bảo chất lượng nước và hiệu suất thiết bị.

Trường hợp: Xưởng Đúc Bán Dẫn Hàng Đầu Đài Loan

Tình huống: Công ty chuyên về hệ thống xử lý nước, bao gồm hệ thống nước siêu tinh khiết, tái chế nước thải, và các dự án xử lý nước thải. Trong giai đoạn xử lý nước siêu tinh khiết, các lưu lượng kế điện từ tiêu chuẩn không thể sử dụng được vì nước siêu tinh khiết không dẫn điện. Công ty đã tìm kiếm giải pháp lưu lượng kế siêu âm, nhưng các mẫu thông thường trên thị trường có quy trình lắp đặt và cài đặt phức tạp, rườm rà. Chúng cũng yêu cầu bổ sung thường xuyên gel siêu âm, dẫn đến trải nghiệm người dùng không tối ưu. Hơn nữa, công ty cần một giải pháp có thể đo chính xác các dòng chảy chất lỏng nhỏ và đảm bảo khả năng chống hóa chất tốt trong giai đoạn xử lý nước siêu tinh khiết.

Giải pháp: Lưu lượng kế siêu âm của LORRIC
Chúng tôi đã đề xuất lắp đặt lưu lượng kế siêu âm của LORRIC vào thiết bị xử lý nước siêu tinh khiết của công ty. Những thiết bị này có tính năng lắp đặt dễ dàng, đo lưu lượng hai chiều, loại bỏ mối lo về hướng dòng chảy, sử dụng đường dẫn đầu dò được cấp bằng sáng chế để đặt chính xác, và có khóa chặt để cố định an toàn. Điều này nâng cao độ chính xác của lưu lượng, đảm bảo sự ổn định và cho phép tháo gỡ, bảo trì không gây hư hại, đơn giản hóa quá trình lắp đặt. Lưu lượng kế siêu âm của LORRIC sử dụng hai cảm biến để đo tần số sóng siêu âm, tính toán tốc độ dòng chảy chính xác. Chúng rất lý tưởng cho các hệ thống RO, giám sát nước có nồng độ cao qua màng siêu lọc để đảm bảo sự ổn định, và các quy trình DI, tối ưu hóa việc loại bỏ ion qua nhựa trao đổi ion. Các thiết bị này có khả năng chống hóa chất tuyệt vời, đáp ứng các yêu cầu đặc thù.

Ứng dụng 3: Vòi phun xoắn ốc - Thành phần cốt lõi trong Xử lý Khí thải Bán dẫn

Trong sản xuất bán dẫn, các khí độc hại (amoniac, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, axit hydrofluoric, v.v.) được tạo ra dưới dạng khí thải. Do đó, vòi phun xoắn ốc được sử dụng trong các tháp xử lý khí thải để phun các chất rửa như dung dịch kiềm (natri hydroxit) nhằm trung hòa khí axit (amoniac) hoặc dung dịch axit (axit hydrofluoric) để trung hòa khí kiềm (natri hydroxit, amoni hydroxit). Quá trình này chuyển đổi các chất độc hại thành các hợp chất ổn định và có thể quản lý, làm sạch khí thải được phát ra từ nhà máy, đảm bảo tuân thủ các quy định xử lý khí thải và thúc đẩy các mục tiêu phát triển bền vững.

| Tháp xử lý chất thải sử dụng vòi phun để phun hóa chất, chuyển đổi các chất độc hại sinh ra trong quá trình sản xuất bán dẫn thành các hợp chất ổn định và dễ xử lý.

Trường hợp: Xưởng Đúc Wafer Hàng Đầu Đài Loan

Tình huống: Các vòi phun từ các thương hiệu phổ biến chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp ép phun nhựa, tạo ra các mẫu vòi phun trực tiếp từ khuôn. Phương pháp sản xuất này hạn chế khả năng tạo ra bề mặt xoắn ốc và kênh hình nón có độ chính xác cao của vòi phun xoắn, dẫn đến diện tích phun nhỏ hơn và hiệu suất kém hơn. Hơn nữa, các vòi phun thông thường thường sử dụng PP (polypropylene), vốn thiếu độ bền và độ cứng, dễ gãy, và có khả năng chịu hóa chất ở nhiệt độ cao hạn chế. Những vòi phun này không chỉ không đạt được độ phủ phun tối ưu mà còn thiếu khả năng chống ăn mòn cần thiết cho xử lý chất thải trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Giải pháp: Vòi Phun Xoắn LORRIC
Vòi phun xoắn của LORRIC được sản xuất thông qua gia công chính xác, khắc các vật liệu thành vòi phun hình xoắn ốc hình nón đặc. Đường dẫn lớn hơn giúp ngăn chặn hiệu quả tắc nghẽn do tạp chất, và độ phủ phun của chúng lớn hơn so với các thương hiệu khác trên thị trường, với góc phun lên tới 170 độ. Ngoài ra, vòi phun xoắn của LORRIC được làm từ các vật liệu chống ăn mòn hàng đầu - UPVC (polyvinyl chloride) và PEEK (polyether ether ketone), kéo dài tuổi thọ của vòi phun trong các môi trường hóa học có tính phản ứng cao. Đây là lựa chọn tốt nhất cho việc xử lý khí thải trong ngành sản xuất bán dẫn.