Quy trình sản xuất chất bán dẫn phức tạp (và tốn kém)

Bradley Ramsey | Trà Mi

Đồ dùng bị điện tử hiện đại, từ điện thoại thông minh trong túi của bạn đọc, đến các tính năng tự động của xe điện, tất cả đều có thể thực hiện được nhờ chất bán dẫn nằm ở trung tâm của tất cả các dụng cụ điện tử hiện đại, mạch tích hợp và đồ phụ tùng chuyên môn.

Với một số chip nhất định có tới hàng tỷ thiết bị bán dẫn trải dài trên tấm wafer silicon, người ta nghĩ rằng những vật liệu phổ biến này luôn sẵn có vì nhu cầu liên tục của chúng.

Điều mà nhiều người không nhận ra, đó là việc sản xuất chất bán dẫn rất tốn kém, phức tạp và phải đi theo những mốc cố định trong tiến trình sản xuất dài không thể dễ dàng khai triển, hoặc ít nhất, không thể khai triển nhanh được. Với tình trạng thiếu hụt số cung vào năm 2021 kéo dài đến nửa cuối năm, hãy xem xét thế giới sản xuất chất bán dẫn, hiếm khi được thảo luận, và vai trò của nó trong việc lèo lái tình trạng thiếu hụt hiện tại và tương lai.

Thiếu chất bán dẫn: Tại sao chúng ta không thể ‘chế tạo nhiều hơn’

Tình trạng thiếu hụt gần đây nhất bắt đầu vào quý thứ 4 năm 2020 và kéo dài sang năm 2021 là kết quả của sự chuyển dịch nhu cầu trong các ngành kỹ nghệ ô tô và điện tử tiêu dùng, cả hai đều phụ thuộc vào chất bán dẫn để sản xuất sản phẩm của họ.

Trong ô tô, thực tế này đến từ sự gia tăng điện khí hóa trên xe. Không chỉ xe điện đang gia tăng trong việc sản xuất mà kỹ thuật cũng đang thịnh hành trong các mẫu xe hơi hiện đại. Từ thông tin giải trí, đến các tính năng an toàn hỗ trợ người lái, đến cửa sổ và ghế chỉnh điện, xe ô tô gần gũi với máy tính hơn bao giờ hết.

Tất nhiên, điều này tạo ra nhu cầu lớn hơn về nhiều loại chất bán dẫn khác nhau. Trước nhu cầu đang tăng vọt, giải pháp đơn giản nhất là “chế tạo nhiều hơn’, nhưng đối với chất bán dẫn, việc đó không đơn giản như vậy.

Gần đây, chúng tôi đã nói chuyện với Mike Hogan, Phó Chủ tịch kiêm Tổng Giám đốc Bộ phận Kinh doanh Chiến lược Ô tô, kỹ nghệ & Đa thị trường tại GlobalFoundries. Khi được hỏi về các vấn đề về công suất và quy mô sản xuât, ngay lập tức ông đề cập đến chi phí lớn phải trả trước và độ phức tạp của việc mở rộng khả năng một tiến trình phức tạp như sản xuất chất bán dẫn.

Cụ thể, máy móc dùng để chế tạo tấm silicon rất rất đắt tiền và chỉ được chế tạo theo đơn đặt hàng. Ô tô cũng đưa ra một vấn đề đặc thù là công suất bổ túc đồi phải có trên một loạt các nút kỹ thuật. Hogan ví tình trạng đó như phải chọn một trong một loạt các hương vị. “Nếu mọi người đang mua vani, bạn có thể chỉ cần đầu tư vào vani.”

Vấn đề nảy sinh khi bạn có những người mua hơn 30 hương vị khác nhau và tất cả chúng đều đòi phải đầu tư hơn 10 triệu đồng để tăng công suất lên được một khoảng chênh lệch nhỏ.

Về nguồn vốn, Mike Hogan đề nghị chia sẻ chi phí trả trước hoặc thay đổi giá ở phía bên kia của phương trình. Mặc dù vậy, công suất sẽ không tự tăng lên. Các tấm chip có thể tăng công suất của chúng theo từng đợt, nhưng không phải hàng năm. Quan hệ đối tác với khách hàng hoặc chính phủ có thể tạo ra một con đường để đảm bảo khả năng sản xuât thêm, nhưng Mike Hogan cho thấy chuỗi cung ứng ô tô đã không để ý đến vấn đề này trong hơn 40 năm sản xuất, vì vậy chúng ta cần thời gian và nhu cầu ổn định để cân bằng mọi thứ.

Trong trường hợp này, sự phức tạp của chuỗi cung ứng ô tô toàn cầu dẫn đến nhiều quan điểm về cách tiến lnhìn về tương lai. Theo quan điểm của Mike Hogan và GlobalFoundries, ngành kỹ nghệ ô tô sẽ hướng tới một mối quan hệ khác với các xưởng đúc hợp tác với họ, một mối quan hệ chưa từng có, nhưng khá phổ biến trong lĩnh vực điện tử.

GlobalFoundries, công ty sản xuất chất bán dẫn duy nhất có bề dày sản xuất toàn cầu, đang tập trung vào việc tăng cường các nút hiện tại trên diện lớn, thay vì theo đuổi các mẫu 3, 5 hoặc 7 nanomet. Cuối cùng, mục tiêu của họ là tạo ra các giải pháp kỹ thuật tập trung hơn vào các ứng dụng ô tô như một con đường tương lai.

Bất chấp tất cả những điều này, thực tế vẫn là có thể mất tới 26 tuần kể từ khi bắt đầu sản xuất, đến khi những con chip đóng gói sẵn sàng xuất xưởng. Hơn nữa, chỉ có một số hữu hạn những nhà máy chế tạo, hay còn gọi fabs trên khắp thế giới có thể sản xuất chất bán dẫn. Tìm hiểu sâu hơn về cách tạo ra những con chip đáng được cả thế giới thèm muốn này sẽ cung cấp thêm thông tin chi tiết về những thách thức liên quan đến nhu cầu gia tăng và các mùa thiếu hụt.

Từ Silicon đến Bán dẫn: Tổng quan về Sản xuất Phụ tùng Điện tử

Trong khi hầu hết mọi người đã nghe nói về chất bán dẫn, rất ít người hiểu được tiến trình sản xuất chúng như thế nào. Là một vật thể nằm ở đâu đó giữa chất dẫn điện và chất cách điện, chất bán dẫn dùng và điều khiển dòng điện trong điện tử. Chúng thường được tạo ra bằng những nguyên liệu như silicon và germanium, cùng với các nguyên tố tinh khiết khác.

Tiến trình sản xuất liên quan đến việc thêm các tạp chất vào nguyên tố căn bản trong một tiến trình được gọi là “pha tạp” (doping), điều chỉnh độ dẫn hoặc độ tự cảm của sản phẩm cuối cùng dựa trên loại và cường độ của các tạp chất được thêm vào. Bộ nhớ máy tính, mạch tích hợp, diode và bóng bán dẫn đều được chế tạo bằng chất bán dẫn.

Trong tiến trình sản xuất, ngoại trừ Gallium Nitride, tất cả các chất bán dẫn đều được chế tạo trên vật liệu đơn tinh thể theo phương pháp tương tự như phương pháp Czochralski, được phát minh vào năm 1915. Trong tiến trình này, vật liệu bán dẫn đa tinh thể nóng chảy được kết hợp với tạp chất, và sau đó tinh thể hạt được đưa vào, kết quả là các nguyên tử riêng lẻ tự sắp xếp để thẳng hàng với chính tinh thể hạt.

Sau đó, tinh thể được kéo, đánh bóng và cắt hạt lựu thành các tấm mỏng được đánh bóng đến mức gần như hoàn toàn phẳng ở lớp nguyên tử.

Tiếp theo là một tiến trình gọi là Photolithography, dùng ánh sáng để chuyển các mẫu hình học từ bình quang sang chất quang điện hóa học cảm quang trên chất nền. Trên thực tế, tiến trình này phủ lên bề mặt tấm wafer một lớp mặt nạ ngăn chặn mọi thứ không tiếp xúc với tia UV. Sau khi hoàn thành, phần tiếp xúc sẽ bị giải thể, để lại một phần bề mặt được bảo vệ và các phần khác lộ ra để khắc, dấu vết hình dạng của hệ thống dây điện và các thành phần khác.

Toàn bộ tiến trình này thiết lập một lớp duy nhất của mạch và mô tả này chỉ là sự mô tả ở mức rất phiến diện của tiến trình phức tạp hơn nhiều. Tùy thuộc vào mức độ phức tạp của tiến trình sản xuất, có thể có tới 1.400 bước trong tiến trình sản xuất tổng thể chỉ riêng tấm bán dẫn. Các bóng bán dẫn được hình thành ở lớp thấp nhất, nhưng tiến trình này được lặp lại khi nhiều lớp mạch được hình thành để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

Khi tiến trình chế tạo hoàn tất, các chất bán dẫn trên tấm wafer silicon phải đi qua những giai đoạn sản xuất lắp ráp, văn bản và đóng gói (ATP), có thể mất thêm sáu tuần để hoàn thành sau 14-20 tuần để sản xuất wafer ở địa điểm đầu tiên.

Tất cả những ccong việc này cũng xảy ra trong các cơ sở cực thật tiên tiến gọi là phòng sạch, chỉ có ở khu vực trung tâm của một xưởng sản xuất. Sản xuất thường diễn ra trong môi trường nitrogen kín, dùng máy móc tự động để vận chuyển wafer từ máy này sang máy khác.

*Bảng 1. Tiêu chuẩn Phòng Sạch: Sự tương đương giữa ISO 14644-1 và FED-STD-209 E*. Nguồn: www.venair.com

Để duy trì những môi trường thu nhỏ này có thể bảo đảm được năng suất tối ưu trong thành phẩm, fabs cần có một dung tích lớn nitrogen lỏng cũng như để duy trì bầu không khí bên trong cơ sở và trong các hộp kín chuyên dụng được gọi là vỏ hợp nhất mở phía trước, hoặc FOUP (front opening unified pods), dùng dụng để vận chuyển tấm wafer.

Vẽ lộ trình cho tương lai

Với sự phức tạp của tiến trình sản xuất chất bán dẫn và các cơ sở vật chất tiên tiến cần thiết để sản xuất chúng, thật dễ hiểu tại sao tình trạng thiếu hụt không đơn giản là chỉ cần tăng công suất. Mặc dù vậy, về lâu về dài, tổng công suất nhà máy toàn cầu sẽ cần phải tăng đối với nhu cầu không thể đáp ứng bằng việc tăng cường sử dụng các nhà máy hiện có.

Sự kết hợp của mức đầu tư kỷ lục và R & D, kết hợp với quan hệ đối tác thông minh hơn và các phương pháp tiếp cận mới để mua sắm cuối cùng sẽ mở ra con đường phía trước vượt ra khỏi tình trạng thiếu hụt chất bán dẫn hiện nay.