Tấm wafer silicon là gì?

Tấm wafer silicon là những tấm wafer tròn siêu mỏng, siêu phẳng được làm từ silicon có độ tinh khiết cao thông qua quá trình cắt và đánh bóng và là vật liệu cơ bản để sản xuất mạch tích hợp (chip) trong các thiết bị điện tử hiện đại. Bằng cách xử lý các thành phần mạch tích hợp trên tấm wafer silicon, người ta có thể tạo ra bóng bán dẫn, chip và các thiết bị bán dẫn khác, được sử dụng rộng rãi trong máy tính, điện thoại thông minh và thiết bị truyền thông.

➢Xem thêm: Bảo vệ tĩnh điện

Silic (Si) là một nguyên tố phi kim loại màu xám, giòn, hóa trị bốn, chiếm 27,8% vỏ Trái Đất, chủ yếu tồn tại dưới dạng silic dioxit trong các khoáng chất như thạch anh và mã não. Tấm wafer silic là các tấm nền bán dẫn mỏng, dạng tấm được làm từ silic có độ tinh khiết cao (độ tinh khiết phải đạt 99,9999999%-99,999999999%). Quá trình này bao gồm tinh chế trong lò hồ quang điện, clo hóa bằng axit clohydric và tinh chế bằng phương pháp chưng cất để tạo ra silic đa tinh thể.

Silic đa tinh thể này sau đó được tạo ra bằng phương pháp Czochralski từ các thỏi silic đơn tinh thể, được cắt, nghiền và đánh bóng bằng phương pháp hóa học và cơ học để tạo thành các tấm wafer hoàn thiện như gương. Bề mặt của nó có thể được sử dụng để gia công các linh kiện mạch tích hợp, được sử dụng rộng rãi trong máy tính, thiết bị truyền thông và dụng cụ y tế.

Ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng hệ số dạng 12 inch. Năm 2024, lượng wafer silicon 12 inch xuất xưởng hàng tháng trên toàn cầu đạt 6,86 triệu chiếc và dự kiến sẽ tăng lên 8,48 triệu chiếc vào năm 2026. Lộ trình phát triển bao gồm More Moore (yêu cầu các khuyết tật vi mô bề mặt thấp và độ sạch cao trong wafer epitaxial) và More-than-Moore (tập trung vào việc giảm điện trở suất). Công ty TNHH Quốc Tế BiNa Việt Nam kinh doanh thương mại sản phẩm và hợp tác doanh nghiệp nước ngoài xây dựng một dây chuyền sản xuất toàn quy trình bao gồm từ 4 đến 12 inch. Quy trình thử nghiệm sử dụng hệ thống Onyx terahertz để thực hiện phép đo đặc tính điện không tiếp xúc, tuân thủ thông số kỹ thuật IEC TS 62607-6-10:2021.

Tấm wafer

Chỉnh sửa Silicon là một vật liệu bán dẫn, nhưng độ dẫn điện vốn có của nó không tốt lắm. Tuy nhiên, điện trở suất của nó có thể được kiểm soát chính xác bằng cách thêm các chất pha tạp thích hợp. Trước khi sản xuất chất bán dẫn, silicon phải được chuyển đổi thành wafer. Quá trình này bắt đầu bằng việc nuôi cấy các thỏi silicon. Silic đơn tinh thể là một chất rắn trong đó các nguyên tử được hình thành tuần hoàn theo mô hình không gian ba chiều, một mô hình chạy khắp vật liệu. Silic đa tinh thể được hình thành riêng lẻ từ nhiều tinh thể đơn nhỏ với các hướng tinh thể khác nhau và không thể được sử dụng để chế tạo mạch bán dẫn. Silic đa tinh thể phải được nấu chảy thành các tinh thể đơn trước khi có thể được chế tạo thành wafer được sử dụng trong các ứng dụng bán dẫn. Quá trình chế tạo wafer silicon để tạo ra một thỏi silicon mất từ một tuần đến một tháng, tùy thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước, chất lượng và yêu cầu của người dùng cuối. Hơn 75% wafer silicon đơn tinh thể được nuôi cấy bằng phương pháp Czochralski (CZ, còn được gọi là phương pháp Czochralski).

Phương pháp phát hiện

Chỉnh sửa pha tạp sự phát triển thỏi silicon đòi hỏi các khối silicon đa tinh thể nguyên chất lớn. Các khối này, cùng với một lượng nhỏ các nguyên tố nhóm III và V cụ thể, được đặt trong một nồi nấu thạch anh; quá trình này được gọi là pha tạp. Các chất pha tạp được thêm vào mang lại cho các thỏi silicon đã hình thành các tính chất điện mong muốn. Các chất pha tạp phổ biến nhất là bo, phốt pho, asen và antimon. Tùy thuộc vào chất pha tạp được sử dụng, thỏi silicon sẽ trở thành loại P hoặc loại N (loại P/bo, loại N/phốt pho, antimon, asen).

1.Nung chảy: Sau đó, các vật liệu này được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của silicon—1420 độ C. Sau khi hỗn hợp silicon đa tinh thể và chất pha tạp đã nóng chảy, một hạt silicon đơn tinh thể được đặt lên trên khối silicon nóng chảy, chỉ tiếp xúc với bề mặt. Hạt có cùng hướng tinh thể với thỏi silicon thành phẩm mong muốn. Để đảm bảo pha tạp đồng đều, tinh thể hạt và nồi nấu dùng để nấu chảy silicon được quay ngược chiều nhau. Khi các điều kiện để tinh thể phát triển được đáp ứng, tinh thể hạt sẽ từ từ được nhấc ra khỏi khối silicon nóng chảy. Quá trình tăng trưởng bắt đầu bằng việc kéo nhanh tinh thể mầm để giảm thiểu các khuyết tật tinh thể bên trong tinh thể mầm trong giai đoạn đầu phát triển. Tốc độ kéo sau đó được giảm xuống để tăng đường kính tinh thể. Khi đạt được đường kính mong muốn, các điều kiện tăng trưởng được ổn định để duy trì đường kính đó. Do tinh thể mầm từ từ nổi lên từ trạng thái nóng chảy, sức căng bề mặt giữa mầm và trạng thái nóng chảy tạo thành một lớp màng silicon mỏng trên bề mặt tinh thể mầm, sau đó được làm nguội. Trong quá trình làm nguội, các nguyên tử trong silicon nóng chảy tự định hướng theo cấu trúc tinh thể của tinh thể mầm. Khi thỏi silicon phát triển hoàn chỉnh, đường kính ban đầu của nó lớn hơn một chút so với đường kính wafer cuối cùng cần thiết.
2.Cắt: Tiếp theo, một khía hoặc mặt nhỏ được khắc vào thỏi silicon để lộ ra hướng tinh thể. Sau khi kiểm tra, thỏi silicon được cắt thành các wafer. Do độ cứng của silicon, lưỡi cưa kim cương được sử dụng để cắt wafer chính xác, tạo ra các wafer dày hơn một chút so với kích thước yêu cầu. Lưỡi cưa kim cương cũng giúp giảm hư hỏng, độ dày không đồng đều, uốn cong và cong vênh trên wafer.
3.Mài: Sau khi cắt wafer, quá trình mài bắt đầu. Các wafer được mài để giảm vết cưa và hư hỏng bề mặt ở cả mặt trước và mặt sau. Quá trình này cũng làm mỏng wafer và giúp giải phóng ứng suất tích tụ trong quá trình cắt.
4.Khắc và Làm sạch: Sau khi mài, wafer trải qua quá trình khắc và làm sạch, sử dụng hỗn hợp natri hydroxit, axit axetic và axit nitric để giảm thiểu hư hỏng và nứt vỡ trong quá trình mài. Một quy trình vát mép quan trọng được thực hiện để bo tròn các cạnh wafer, loại bỏ hoàn toàn khả năng vỡ trong quá trình chế tạo mạch điện sau này. Sau khi vát mép, các cạnh thường được đánh bóng theo yêu cầu của người dùng cuối để cải thiện độ sạch tổng thể và giảm thiểu hơn nữa tình trạng vỡ.
5.Đánh bóng (Đánh bóng cơ học hóa học): Quá trình quan trọng nhất trong sản xuất là đánh bóng wafer, diễn ra trong phòng sạch. Phòng sạch được phân loại từ một đến mười nghìn, tương ứng với số lượng hạt trên một mét khối không gian. Những hạt này vô hình với mắt thường trong điều kiện khí quyển không được kiểm soát. Ví dụ, số lượng hạt trong phòng khách hoặc văn phòng là khoảng năm triệu hạt trên một mét khối. Để duy trì mức độ sạch sẽ, công nhân sản xuất phải mặc bộ đồ phòng sạch toàn thân không bám dính hoặc mang theo các hạt. Trước khi vào phòng sạch, công nhân phải vào buồng chân không để thổi bay các hạt có thể tích tụ. Hầu hết các tấm wafer silicon trải qua hai hoặc ba quy trình đánh bóng bằng bùn mịn hoặc hợp chất đánh bóng. Trong hầu hết các trường hợp, chỉ có mặt trước của wafer được đánh bóng, trong khi wafer 300mm cần đánh bóng hai mặt. Bên cạnh việc đánh bóng hai mặt, việc đánh bóng còn làm cho một mặt của wafer trông giống như gương. Bề mặt được đánh bóng này được sử dụng để sản xuất mạch và phải không có bất kỳ chỗ lồi lõm, vết nứt nhỏ, vết xước và hư hỏng còn sót lại nào.
6.Quy trình đánh bóng bao gồm hai bước: cắt và đánh bóng hoàn thiện. Cả hai bước đều sử dụng miếng đánh bóng và bùn đánh bóng. Quy trình cắt loại bỏ một lớp silicon mỏng để tạo ra một tấm wafer có bề mặt hoàn hảo. Đánh bóng hoàn thiện không loại bỏ bất kỳ vật liệu nào; nó chỉ loại bỏ các lỗ siêu nhỏ được tạo ra trong quá trình cắt trên bề mặt đã đánh bóng. Sau khi đánh bóng, các tấm wafer đi qua một loạt các bể làm sạch để loại bỏ các hạt bề mặt, vết xước kim loại và cặn bẩn. Sau đó, mặt sau được vệ sinh thường xuyên để loại bỏ ngay cả những hạt nhỏ nhất. Sau khi vệ sinh, các tấm wafer này được phân loại theo yêu cầu của người dùng cuối và được kiểm tra dưới ánh sáng cường độ cao hoặc hệ thống quét laser để xác định các hạt không mong muốn hoặc các khuyết tật khác. Sau khi vượt qua một loạt các bài kiểm tra nghiêm ngặt, các tấm wafer cuối cùng được đóng gói trong các hộp wafer và được dán kín bằng băng keo. Sau đó, chúng được đặt trong các hộp nhựa hút chân không, và cuối cùng được niêm phong kín trong các hộp bảo vệ chặt chẽ để đảm bảo không có hạt hoặc hơi ẩm nào xâm nhập vào các hộp wafer khi chúng rời khỏi phòng sạch.

Ứng dụng sản phẩm tấm wafer silicon

Chất bán dẫn, hay chip bán dẫn, được làm từ silicon. Hàng triệu bóng bán dẫn, nhỏ hơn sợi tóc người hàng trăm lần, được khắc lên một tấm wafer. Chất bán dẫn quản lý dữ liệu bằng cách điều khiển dòng điện, tạo ra nhiều dạng văn bản, số, âm thanh, hình ảnh và màu sắc khác nhau. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp và được sử dụng gián tiếp bởi tất cả mọi người trên Trái Đất. Một số ứng dụng này là những ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như máy tính, viễn thông và truyền hình, trong khi những ứng dụng khác được sử dụng trong truyền dẫn vi sóng tiên tiến, hệ thống chuyển đổi laser, thiết bị chẩn đoán và điều trị y tế, hệ thống quốc phòng và tàu con thoi của NASA.

Sử dụng các phương pháp cơ học và hóa học. Sau khi kiểm tra, các wafer được cắt nhỏ, và hàng trăm hoặc hàng nghìn thiết bị có thể được sản xuất từ một wafer duy nhất. Các thiết bị hoàn thiện sau đó được đóng gói và lắp đặt vào các mô-đun hoặc sản phẩm cuối khác nhau.

Nhờ các ứng dụng của wafer silicon mà nhiều thứ hàng ngày đã trở nên đơn giản hơn rất nhiều máy đo gia tốc trong điện thoại thông minh giúp hình ảnh xoay theo màn hình điện thoại, và con quay hồi chuyển trong ô tô giúp điều hướng ánh sáng chính xác. Các wafer silicon cũng là chất nền cho các ứng dụng như bộ lọc âm thanh, cho phép mạng không dây nhanh hơn và truyền dữ liệu cần thiết cho 5G.