GUIDE: BẢN HƯỚNG DẪN CHI TIẾT VỀ KỸ THUẬT BÁN DẪN CHO NHỮNG NGƯỜI KHÔNG HỌC KỸ THUẬT

Những con chip đầu tiên được phát minh và sản xuất là những con chip logic, loại chip có chức năng chính là tính toán. Hoạt động của những con chip này dựa trên việc bật và tắt những bóng bán dẫn nằm trên nó, càng nhiều bóng bán dẫn thì sức mạnh tính toán càng lớn. Vì vậy, con đường phát triển của loại chip này từ khi được phát minh ra đến nay vẫn là cố gắng nhét thật nhiều bóng bán dẫn vào con chip càng tốt. Điều này đồng nghĩa với việc phải liên tục thu nhỏ những bóng bán dẫn nếu muốn giữ kích thước của những con chip không đổi (hoặc không to ra quá nhiều).

Hiện nay, công nghệ sản xuất chip vẫn liên tục thu nhỏ và tuân thủ chính xác định luật Moore, một quan sát của Gordon Moore, một trong những người có công rất lớn trong sự phát triển của ngành bán dẫn Mỹ và toàn cầu, rằng số bóng bán dẫn được chế tạo trên mỗi con chip sẽ gấp đôi sau khoảng hai năm. Hiện nay những bóng bán dẫn nhỏ nhất đang  được sản xuất hàng loạt có kích thước 3nm, còn công nghệ trưởng thành nhất hiện nay đang là những con chip có bóng bán dẫn kích thước 28nm, thứ được bắt đầu sản xuất vào năm 2011-12.

Nguyên tắc để sản xuất các bóng bán dẫn không có nhiều thay đổi so với hồi nó mới được phát minh. Người ta sẽ phủ một lớp vật liệu đặc biệt lên một phần tấm bán dẫn theo hình dạng được thiết kế trước. Phần không được phủ sau đó sẽ bị bào mòn hoặc phủ thêm một tấm vật liệu mới lên. Sau đó, lớp vật liệu đặc biệt đó sẽ được rửa trôi.

Vấn đề còn lại là khi thu nhỏ kích thước các bóng bán dẫn lại, việc có thể phủ một cách chính xác lớp vật liệu liệu đặc biệt này lên tấm bán dẫn sẽ trở nên rất khó khăn. Vì vậy mà Jay Lathrop đã phát minh ra quy trình quang khắc, mà ngày nay trở thành trung tâm của hoạt động sản xuất chip. Quy trình quang khắc hiện đại được mô tả như sau:

Tấm nền được phủ một lớp vật liệu cản quang, sau đó tia phóng xạ (ánh sáng) sẽ được chiếu qua tấm màng phủ có hình dạng cần khắc lên tấm nền. Ánh sáng sẽ đi qua một (loạt) các lăng kính để thu nhỏ hình ảnh xuống kích thước mong muốn.

Lớp cản quang phủ trên tấm nền sẽ bị biến đổi đặc tính khi tiếp xúc với phóng xạ. Sau đó, một dung dịch hóa chất đặc biệt sẽ được phun lên bề mặt tấm nền. Tuy vào thiết kế cụ thể, các kỹ sư sẽ dùng các loại chất cản quang khác nhau để khi hóa chất chuyên dụng được phun lên, nó sẽ rửa trôi phần chất cản quang không mong muốn.

Sau đó, cũng tùy vào thiết kế, tấm nền sẽ được khắc lõm xuống bằng hóa chất, hoặc được phủ thêm một lớp vật liệu mới lên trên. Chỉ có những phần không có chất cản quang, sẽ bị ảnh hưởng bởi quá trình khắc, hoặc phủ.

Bước cuối cùng là rửa trôi phần chất cản quang còn lại trên tấm nền.

Một số bạn có nhắc với mình về những rào cản kỹ thuật khi thu nhỏ các bóng bán dẫn đến một mức độ nhất định. Nói một cách ngắn gọn thì khi chúng ta thu nhỏ đến mức giới hạn, thì thế giới lượng tử của Ant-man sẽ bắt đầu ảnh hưởng tới hành vi của electron chạy qua bóng bán dẫn, khiến dòng diện bị rò rỉ qua các bóng bán dẫn kể cả khi nó được tắt.

Vì vậy, kể từ thế hệ chip 14 – 16nm trở đi, các hãng đã bắt đầu sử dụng cấu trúc finFET thay vì cấu trúc phẳng (planar) như trước. Gọi là finFET vì nó có những cái “vây” dựng lên trên bề mặt tấm bán dẫn. Cấu trúc này cho phép việc điều khiển dòng điện tốt hơn. Đôi khi người ta cũng gọi cấu trúc finFET là cấu trúc 3D finFET.

Hiện nay, các hãng sản xuất chip cũng đã xác nhận rằng rất khó để có thể tiếp tục thu nhỏ bóng bán dẫn thêm nữa, nhưng họ đã có những phương án kỹ thuật mới để tăng cường khả năng tính toán, hay duy trì sự tồn tại của định luật Moore. Kể cả như thế thì việc chế tạo chính xác với những ánh sáng bước sóng ngắn vẫn là cần thiết khi những cấu trúc mới sẽ phức tạp hơn những cấu trúc cũ, đồng nghĩa với việc làm chủ công nghệ EUV vẫn là cần thiết.

Nhóm chip thứ hai đóng vai trò quan trọng trong công nghệ điện điện tử, là chip nhớ. Như tên gọi của nó, loại chip này được sử dụng để ghi nhớ dữ liệu. Cấu trúc cơ bản của chip nhớ được tạo thành từ các cặp bóng bán dẫn – tụ điện. Khi tụ điện được tích điện, nó đồng nghĩa với số 1, khi không tích điện, nó đồng nghĩa với số 0. Mỗi cặp bóng bán dẫn – tụ điện như vậy sẽ tạo thành 1 bit. Và vì dữ liệu điện tử được tạo thành bởi chuỗi những số 0 và 1, nên chip càng nhiều cặp bóng bán dẫn – tụ điện thì càng ghi nhớ được nhiều.

Nhóm chip này lại được chia làm hai nhóm nhỏ hơn, là DRAM, là những bộ nhớ chỉ có thể lưu trữ dữ liệu tạm thời, khi nguồn điện bị ngắn thì dữ liệu cũng bị mất.Nhóm thứ hai là NAND, những bộ nhớ có khả năng lưu trữ lâu dài. Tuy nhiên, cả hai nhóm này đều gặp phải những rào cản kỹ thuật khi cố gắng gia tăng khả năng lưu trữ. Về cơ bản, các tụ điện phải to ở một mức nhất định thì mới có thể lưu trữ điện tích, nếu thu nhỏ quá mức, tụ điện sẽ không còn hoạt động hiệu quả. Vì vậy, trong khi các chip logic đã đạt đến tiến trình 3nm thì những con chip nhớ hiện đại nhất vẫn mắc kẹt tại các tiến trình lớn hơn 10nm.

Vậy nên các kỹ sư bán dẫn đã học từ những nhà phát triển bất động sản. Khi mà diện tích đất không còn đủ để chứa thêm người, bất động sản ngừng phát triển theo chiều ngang mà sẽ phát triển theo chiều dọc. Tức những tòa chung cư cao tầng sẽ thay thế cho những căn nhà mặt đất. Quá trình phát triển tương tự cũng diễn ra với các chip nhớ. Tức thay vì dàn rộng các cặp bóng bán dẫn – tụ điện theo chiều ngang, các kỹ sư sẽ xếp chồng chúng lên thành nhiều tầng (layers)

Chip nhớ hiện đại nhất hiện nay đang có 232 layer do Micron của Mỹ sản xuất. Theo một số thông tin, YMTC của Trung Quốc cũng đã sản xuất được chip nhớ 3D NAND 232 layer với mật độ bộ nhớ lớn hơn so với chip của Micron (15.2 Gb/mm² so với 14.6)

Cần phải nhớ rằng, công nghệ hiện đại nhất chưa phải là công nghệ trưởng thành nhất. Công nghệ trưởng thành là khi các hãng sản xuất tối ưu hóa được quy trình, quy mô cũng như hiệu quả của hoạt động sản xuất. Khi mỗi công nghệ mới được đi vào sản xuất hàng loạt, các hãng sẽ liên tục cải tiến dựa trên điều kiện thực tế để đưa công nghệ trưởng thành.

Loại chip thứ 3, không chịu nhiều áp lực từ việc thu nhỏ, đó là các chip analog. Những chip nào bao gồm những loại cảm biến, có nhiệm vụ chuyển các thông tin cảm quan như hình ảnh, âm thanh thành thành các dữ liệu số. Loại chip thứ hai trong nhóm này là chip nguồn, chịu trách nhiệm điều tiết dòng điện chạy vào mạch bán dẫn.

Hồi cuối năm ngoái, FPT thông báo đã thành công trong việc sản xuất chip bán dẫn. Ban đầu thì anh Đỗ Cao Bảo nói chung chung là một con chip IoT dành cho Y tế.

Nhưng sau đó trang fan page của FPT Semiconductor có đăng bài xác nhận đây là chip nguồn, tức thuộc nhóm chip thứ ba.

Về cơ bản thì chip nguồn có thể sử dụng trong các thiết bị IoT, vì thiết bị điện điện tử nào cũng cần quản lý nguồn điện cả, nên anh Bảo nói cũng không sai :)). Phải nói rõ rằng, dù công nghệ sản xuất chip nguồn không phức tạp như những loại chip khác, nhưng đó cũng là bước tiến đáng hoan nghênh của một tập đoàn chuyên gia công phần mềm và lắp đặt thiết bị như FPT.

Trong phần tiếp theo, mình sẽ viết về mô hình hoạt động của ngành bán dẫn và sẽ nói lý do vì sao chắc chắn đến 99.99% là FPT không trực tiếp sản xuất con chip đó.