GS.TS. Từ Trung Chấn
Viện Khoa học và Giáo dục Đông Nam Á
Tóm tắt:
Bài viết trình bày tổng quan hai phương pháp chính trong chế tạo chip bán dẫn: Top-down và Bottom-up. Trong khi phương pháp Top-down sử dụng nền Silicon và công nghệ quang khắc để tạo vi cấu trúc bằng cách loại bỏ vật liệu không cần thiết, phương pháp Bottom-up dựa trên việc xây dựng từng lớp vật liệu, thường áp dụng cho vật liệu bán dẫn hợp chất nhóm III-V. Bài viết đi sâu vào quy trình công nghệ từ tăng trưởng tinh thể, phân tích vật liệu, chế tạo chip, đóng gói đến thử nghiệm, nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện cho hoạt động đào tạo, nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn.
1. Giới thiệu
Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ số và trí tuệ nhân tạo, vi mạch bán dẫn (chip) đóng vai trò cốt lõi trong hầu hết các thiết bị điện tử. Quá trình chế tạo chip là một chuỗi các công đoạn chính xác ở cấp độ vi mô và nano, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học, vật liệu học và kỹ thuật vi điện tử. Hai phương pháp phổ biến nhất hiện nay trong chế tạo chip là tiếp cận từ trên xuống (Top-down) và từ dưới lên (Bottom-up), mỗi phương pháp có ưu thế riêng phù hợp với từng loại vật liệu và ứng dụng.
2. Phương pháp Top-down
Top-down là phương pháp truyền thống, bắt đầu với tấm nền Silicon tinh khiết được xử lý qua hàng trăm bước. Quy trình cơ bản như sau:
• Làm sạch tấm nền: Loại bỏ tạp chất, đảm bảo bề mặt tinh khiết.
• Quang khắc (Photolithography): Dùng tia UV để định hình cấu trúc mong muốn qua lớp cản quang (photoresist).
• Etching: Loại bỏ vật liệu không cần thiết bằng kỹ thuật ướt (wet etch) hoặc khô (dry etch).
• Phủ lớp điện môi (Dielectric Deposition): Ví dụ như SiO₂ hoặc Si₃N₄.
• Phủ kim loại (Metallization): Tạo điện cực bằng vật liệu dẫn điện (như Al, Cu).
Quá trình này lặp lại hàng chục đến hàng trăm lần, tùy theo độ phức tạp của chip, trước khi tấm wafer được mài mỏng, cắt nhỏ và chuyển sang giai đoạn đóng gói.
3. Phương pháp Bottom-up
Bottom-up là phương pháp hiện đại, thường áp dụng cho vật liệu bán dẫn hợp chất như GaAs, InP, GaSb (nhóm III-V trong bảng tuần hoàn). Thay vì loại bỏ vật liệu, phương pháp này xây dựng cấu trúc vi mô bằng cách phủ từng lớp vật liệu và thực hiện xử lý từng bước sau mỗi lớp:
• Phủ lớp nền tinh thể (Crystal Growth)
• Đánh giá chất lượng (Material Characterization)
• Tạo vi cấu trúc từng lớp (Etching, Lithography, Dielectric, Metalization)
• Lặp lại cho đến khi hoàn thiện thiết kế.
Phương pháp này phù hợp để chế tạo các dòng chip thế hệ mới như: chip kỹ thuật số hiệu suất cao, chip AI, cảm biến sinh học và chip viễn thông.
4. Các bước chính trong quy trình chế tạo chip
4.1. Tăng trưởng tinh thể (Crystal Growth)
Tạo vật liệu nền tinh khiết bằng phương pháp Czochralski hoặc MOCVD, đặc biệt quan trọng với vật liệu nhóm III-V.
4.2. Đặc trưng vật liệu (Material Characterization)
Sử dụng phổ hồng ngoại, phổ Raman, đo điện trở suất, phân tích cấu trúc tinh thể để đánh giá chất lượng vật liệu đầu vào.
4.3. Chế tạo chip (Fabrication)
• Photolithography: Định hình vi cấu trúc.
• Etching: Tạo rãnh, lỗ dẫn bằng ăn mòn ướt hoặc khô.
• Dielectric Deposition: Phủ lớp cách điện.
• Metalization: Phủ kim loại để tạo liên kết dẫn điện.
4.4. Đóng gói (Packaging)
• Lapping & Polishing: Mài và đánh bóng wafer.
• Die Cutting & Separation: Cắt chip rời trên băng keo xanh (blue tape).
• Die Attaching: Dán chip vào đế hoặc bộ tản nhiệt.
• Wire Bonding: Kết nối chip với chân tín hiệu.
• Sealing & Leak Testing: Hàn kín, kiểm tra độ rò khí.
4.5. Kiểm thử (Testing)
• Pulse Testing & Sorting: Phân loại theo hiệu suất.
• CW Testing: Đánh giá hiệu năng liên tục.
• Environmental Testing: Kiểm tra môi trường (nhiệt độ, độ ẩm…).
• Burn-in Test: Đánh giá độ bền và tuổi thọ.
5. Kết luận
Việc hiểu rõ hai phương pháp chế tạo chip là điều kiện tiên quyết để phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong ngành công nghiệp bán dẫn. Trong bối cảnh chuyển dịch chuỗi cung ứng toàn cầu và chiến lược phát triển công nghiệp bán dẫn của Việt Nam, việc ứng dụng linh hoạt cả hai phương pháp – Top-down với nền Silicon và Bottom-up với nền III-V – sẽ là chìa khóa nâng cao năng lực nghiên cứu và sản xuất trong nước.
Tài liệu tham khảo:
- Sze, S. M., & Ng, K. K. (2006). Physics of Semiconductor Devices. Wiley-Interscience.
- Campbell, S. A. (2008). The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication. Oxford University Press.
- Society of Semiconductor Industry (2023). Semiconductor Manufacturing Overview.
- IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing.
