Công nghệ điện tử

Chia sẻ: Vo Hiep Si | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

267
lượt xem 72
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời. Những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ bé nhỏ nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ điện tử

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời. Những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ bé nhỏ nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào. IC_Chip_Design Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ chính là các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này. Bài viết dưới đây sẽ cho chúng ta được biết thêm về lịch sử hình thành và phát triển của những con Chip đầu tiên của nhân loại. Năm 1947, J. Bardeen & W. Brattain (AT&T Bell Lab., USA) phát minh ra "Point Contact Transistor" - đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay cho ống chân không. Dòng điện vào (bên trái hình tam giác) được truyền qua lớp dẫn điện trên bề mặt bản Germanium và được khuyếch đại thành dòng ra (bên phải hình tam giác). Sở dĩ thiết bị khuyếch đại dòng điện này có tên là TRANSISTOR vì nó là một loại điện trở (Resistor) hay bán dẫn có khả năng truyền điện (TRANSfer).
transistor Năm 1950, W. Shockley (AT&T Bell Lab, USA) phát minh ra transistor kiểu tiếp hợp. Đây là mô hình đầu tiên của loại bipolar transitor sau này.
transistor Năm 1958, J. Kilby (Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC đầu tiên, mở đầu cho thời kỳ hoàng kim của vi điện tử. Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, condenser) lên trên bề mặt tấm silicon. Năm 1959, J. Hoerni và R. Noyce (Fairchild, Mỹ) thành công trong việc chế tạo ra transistor trên một mặt phẳng silicon. Hình dưới là transistor với cả 3 cực (base, emitter, colector) cùng nằm trên một mặt phẳng. transistor với cả 3 cực (base, emitter, colector) Năm 1961, cũng chính J. Hoerni và R. Noyce đã tạo ra mạch flip-flop (với 4 transistor và 5 điện trở) trên mặt silicon. Năm 1970, G.-E. Smith và W.-S. Boyle (AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8-bit.
CCD 8-bit Năm 2004, công ty Intel (Mỹ) chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu con transistor. Pentium 4 Năm 2005, ê kíp liên kết giữa IBM, Sony, Sony Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu chip CELL đa lõi (multi-core), hoạt động ở tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 Gflop. Chưa đầy 50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay. Lịch sử vi mạch 20/06/2007
Trong lĩnh vực công nghệ thế kỷ 20, có thể nói Điện tử là ngành có ảnh hưởng lớn nhất đối với đời sống của con người. Điện tử là tivi, là tủ lạnh, là ô tô, là máy tính, là điện thoại di động, là tất cả những gì liên quan mật thiết tới cuộc sống hiện đại. Sự ra đời của bóng bán dẫn (transistor) đánh dấu cho một kỷ nguyên công nghệ rực rỡ bậc nhất trong lịch sử loài người. Những tiến bộ vượt bậc về kỹ thuật thiết kế và sản xuất transistor đã tạo ra cuộc cách mạng trong việc tạo ra các sản phẩm điện tử nhỏ gọn hơn, mạnh mẽ hơn. Tiếc thay, kỹ thuật sản xuất transistor đã và đang vượt xa tầm với của ngành Điện tử nước nhà. Phải làm gì để theo kịp công nghệ điện tử của các nước Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan,...? Đó là một câu hỏi lớn cần được chính phủ giải đáp. Trong khi chờ đợi câu trả lời ở tầm vĩ mô, tác giả mong muốn góp chút gì đó để giới thiệu, mở đường cho những người quan tâm và yêu thích ngành công nghệ quan trọng bậc nhất này. Năm 1947, J. Bardeen & W. Brattain (AT&T Bell Lab., USA) phát minh ra "Point Contact Transistor." đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay cho ống chân không. Dòng điện vào (bên trái hình tam giác) được truyền qua lớp dẫn điện (conversion layer) trên bề mặt bản Germanium và được khuyếch đại thành dòng ra (bên phải hình tam giác.) Sở dĩ thiết bị khuyếch đại dòng điện này có tên là TRANSISTOR vì nó là một loại điện trở (resistor) hay bán dẫn (semiconductor) có khả năng truyền điện (Ttransfer). Năm 1950, W.Shockley (AT&T Bell Lab., USA) phát minh ra transistor kiểu tiếp hợp. Đây là mô hình đầu tiên của loại bipolar transitor sau này.
Năm 1958, J.Kilby (công ty Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC (Integrated Circuit) đầu tiên, mở đầu cho thời kỳ hoàng kim của vi điện tử. Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, condenser) lên trên bề mặt tấm silicon. Năm 1959, J.Hoerni và R.Noyce (công ty Fairchild, Mỹ) thành công trong việc chế tạo ra transistor trên một mặt phẳng silicon. Hình dưới là transistor với cả 3 cực (base, emitter, colector) cùng nằm trên một mặt phẳng.
Năm 1961, cũng chính J.Hoerni và R.Noyce đã tạo ra mạch flipflop (với 4 transistor và 5 điện trở) trên mặt silicon. Năm 1970, G.E.Smith va W.S.Boyle (AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8bit. ̀ Cuối năm 1970, J.Karp và B.Regitz (công ty Intel, Mỹ) tạo ra mạch DRAM 1103 với trên 1000 memory cells.
Năm 1971, M.E.Hoff, S.Mazer, N ă, F.Faggin (công ty Intel, Mỹ) tạo ra bộ vi xử lý 4004 với trên 2,200 con transistor. Năm 2004, công ty Intel (Mỹ) chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu con transistor. Cùng năm 2004, Intel tung ra chip Itanium 2 (9MB cache) phục vụ máy chủ, với số transistor lên tới 592 triệu con. Năm 2005, ê kíp liên kết giữa IBM, SONY, SONY Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu chip CELL đa lõi (multicore), hoạt động ở tốc độ 4GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 GFLOPS. Chưa đầy 50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay. 50 năm mạch tích hợp: nhanh, nhỏ, rẻ hơn Notebook, điện thoại thông minh, đầu đĩa Blu-ray - những sản phẩm được nhiều người mong muốn sở hữu hiện nay - có thể sẽ không tồn tại nếu mạch điện tử IC (integrated circuit) không xuất hiện.
IC không chỉ mở ra ngành điện tử tiêu dùng hiện đại mà còn thúc đẩy lĩnh vực này phát triển với hàng loạt chip hiệu suất cao, nhỏ và giá rẻ được sản xuất mỗi năm.
Vi mạch, thiết bị được tìm thấy ở hầu hết các thiết bị điện tử từ dụng cụ nấu nướng cho đến máy tính, thẻ tín dụng, đèn tín hiệu giao thông, xe hơi, ĐTDĐ kỷ niệm tuổi 50. Vi mạch đầu tiên, hay còn được gọi là mạch tích hợp, lần đầu được chế tạo tại công ty Texas Instruments (Mỹ) bởi một nhân viên mới của công ty này là Jack Kilby, vào ngày 12 tháng 9 năm 1958. Nó bao gồm một mảnh germani với bóng bán dẫn tranzito và các thiết bị được gắn vào một bản thủy tinh. Câu chuyện bắt đầu từ tháng 7 năm đó, khi Kilby vì là thành viên mới được tuyển dụng của công ty nên không được phép đi nghỉ như các thành viên khác. Kilby đã sử dụng thời gian nhàn rỗi đó để suy nghĩ cách giải quyết vấn đề làm thế nào để kết nối số lượng lớn các thiết bị điện tử với nhau trong các mạch phức tạp theo cách vừa đạt được hiệu suất cao, lại không tốn nhiều chi phí. Anh ta đã nhận ra rằng, tất cả các phần có thể được làm từ cùng một loại vật liệu bán dẫn (trước kia là germani, ngày nay là silicon) và có thể chế tạo ở một vị trí nhất định để mang lại kết quả là một bản mạch hoàn chỉnh. Bạn có biết? - Nếu một căn nhà được thu nhỏ lại bằng kích thước của một bóng bán dẫn tranzito, bạn sẽ không thể nhìn thấy nó nếu không có sự hỗ trợ của kính hiển vi. - Mạch tích hợp được lần đầu sử dụng với mục đích thương mại trong những chiếc máy tính của Không quân Hoa kỳ vào năm 1961.
- Jack Kilby, người phát minh ra mạch tích hợp, sau đó cũng là người chế tạo ra chiếc máy tính điện tử cầm tay đầu tiên. Ông vinh dự nhận giải thưởng Nô-ben Vật lý năm 2000. - Intel có 15 nhà máy sản xuất silicon lỏng trên toàn thế giới. Để xây dựng mỗi nhà máy phải tốn 3 tỷ USD và các nhà máy này được cho là những nơi sạch nhất trên trái đất. Thiết bị đầu tiên mà Kilby chế tạo có kích thước dài 7/16 inch (11,5 mm) và rộng 1/16 inch (1,5 mm), đã thực sự tạo ra một cuộc cách mạng cho ngành điện tử, và cho cả thế giới. Có thể nói rằng, việc ra đời của vi mạch chính là nhân tố chủ đạo trong việc tạo ra ngành công nghiệp máy tính đương đại, kể cả Internet, sẽ chẳng ai dám tưởng tượng đến nếu không có sự ra đời của vi mạch. Các ngành viễn thông, giao thông, y tế, chế tạo và thương mại hiện đại, tất cả đều dựa trên sức mạnh xử lí đáng nể của vi mạch. Jim Tully, Giám đốc trung tâm nghiên cứu phân tích công nghệ Gartner cho rằng: “Mạch tích hợp đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với đời sống của mỗi chúng ta, đến nỗi chẳng ai dám tưởng tượng ra một thế giới mà không có chúng. Có thể nói vi mạch giống như “chiếc máy hơi nước” của thời đại thông tin vậy”. Năm nay, theo dự đoán của Gartner thì ngành công nghiệp bán dẫn thế giới sẽ sản xuất ra hơn 267 tỷ mạch tích hợp, con số này cũng theo Gartner sẽ tăng lên 330 tỷ vào năm 2012. Theo năm tháng, vi mạch ngày càng được chế tạo với kích thước nhỏ hơn, nhưng cuộc cách mạng thực sự diễn ra đối với con số bóng bán dẫn tranzito đặt trong một vi mạch. Tranzito là chiếc công tắc vô cùng bé biểu thị các tín hiệu 1 và 0 là cơ sở của các phép xử lí điện toán. Vào cuối những năm 1960, mỗi mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm tranzito. Nhưng đến cuối những năm 1980, số lượng tranzito đã lên tới hàng trăm nghìn đối với mỗi vi mạch. Còn ngày nay thì sao? Intel, nhà chế tạo vi mạch hàng đầu thế giới, mới đây đã cho ra mắt một bộ vi xử lí có ký hiệu Tukwila với hơn 2 tỷ tranzito siêu nhỏ. Bí quyết cho sự thành công của ngành công nghiệp sản xuất mạch tích hợp chính là giá thành sản xuất của nó vẫn ở mức thấp, bởi vì bản mạch và các thành phần của nó được in như một thực thể hoàn chỉnh. Cùng với đó là hiệu suất của chúng luôn ở mức cao vì các thành phần chuyển đổi tính hiệu cho nhau ở một tốc độ cực nhanh, mà lại tiêu thụ năng lượng ở mức cực thấp. Sự phức tạp của vi mạch vẫn đều đặn tăng lên theo thời gian theo một công thức được công bố vào năm 1965 bởi Gordo Moore, người lúc đó là chủ tịch của Intel với câu nói nổi tiếng rằng độ phức tạp của vi mạch sẽ gấp đôi trong vòng mỗi 2 năm. Trong khi nhiều người đã dự đoán rằng “Định luật Moore” sẽ sai sau một thời gian. Nhưng đến nay vẫn chưa có dấu hiệu nào thể hiện dự đoán đó cả. Trung tâm vi mạch khả trình đầu tiên tại VN sắp ra mắt
Ngày 4/6, tập đoàn Altera (Mỹ) tuyên bố sẽ thành lập một trung tâm công nghệ tại TP HCM để hỗ trợ mạng lưới phát triển vi mạch trên toàn cầu. Đây cũng là một phần chiến lược của hãng này nhằm tìm kiếm và phát triển đội ngũ kỹ sư quốc tế. Udi Landen, Phó chủ tịch Altera phụ trách phần mềm và lập trình mạng (IP engineering), cho biết: "Trong việc thành lập cơ sở này, ngoài việc tuyển dụng gấp kỹ sư phục vụ việc sáng tạo, thẩm định sản phẩm, chúng tôi sẽ hợp tác chặt chẽ với các trường đại học tại địa phương để tiến hành đào tạo sinh viên chuyên ngành những công nghệ mới nhất về vi mạch khả trình (programmble chip)". Các tổ chức nghiên cứu trên địa bàn TP HCM cũng đánh giá cao việc ra đời của trung tâm công nghệ mới này. Theo Phó giáo sư - tiến sĩ Vũ Đình Thành, Trưởng khoa Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa TP HCM, điều đó sẽ là một bước phát triển mới cho thị trường công nghệ ở địa phương. Phó giáo sư - tiến sĩ Nguyễn Thanh Nam, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch, Đại học Quốc gia TP HCM, phát biểu: “Altera là tập đoàn tiên phong trong lĩnh vực vi mạch khả trình. Sự hợp tác giữa họ và trung tâm nghiên cứu của trường chúng tôi sẽ đem lại những lợi ích lớn cho cả hai và ngành công nghệ Việt Nam”. Hi vọng người đọc có được một ý niệm chung nào đó về ngành thiết kế về chế tạo vi mạch một ngành chưa hề tồn tại ở nước ta.Giả định chúng ta muốn thiết kế một hệ thống SoC (System on Chip). Hệ thống này bao gồm 1 CPU 32 bit, một system bus 32 bit, một loạt các thiết bị ngoại vi khác như: điều khiển memory, điều khiển xuất nhập, điều khiển USB..., tất cả các module trên được gắn với system bus. Nhìn chung qui trình thiết hệ sẽ được diễn ra như dưới đây. 1. System design Phần thiết kế này đặc biệt quan trọng, người thiết kế thường là trưởng dự án. Người thiết kế phải lý giải 100% hệ thống sắp thiết kế. Người thiết kế cần phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống, các đặc điểm về công nghệ, tốc độ xử lý, mức tiêu thụ năng lượng, cách bố trí các pins, các lược đồ khối, các điều kiện vật lý như kích thước, nhiệt độ, điện áp... Tất cả các bước thiết kế trong system design đều được diễn ra mà không có sự hỗ trợ đặc biệt nào từ các công cụ chuyên dụng. Sau khi có bản thiết kế (yêu cầu) hệ thống, trưởng dự án sẽ chia nhỏ công việc ra cho từng đội thiết kế. Mỗi đội sẽ đảm nhận một bộ phận nào đó trong hệ thống, ví dụ đội CPU, đội bus, đội peripheral, đội phần mềm, đội test... 2. Function design Phần này là bước kế tiếp của system design, ví dụ cho đội CPU. Team leader sẽ là người quyết định spec. chi tiết của CPU dựa trên yêu cầu hệ thống từ trưởng dự án. Các cuộc design review sẽ diễn ra hàng tuần giữa các team leaders và trưởng dự án. Sau nhiều review, thảo luận như vậy, một bản spec. khá chi tiết cho CPU sẽ được hoàn thiện dưới dạng document (word, pdf) với hàng trăm lược đồ khối (block diagram), biểu đồ thời gian (timing chart), các loại bảng biểu.
Team leader chịu trách nhiệm chia nhỏ công việc cho từng thành viên trong đội. Ví dụ một người đảm nhận phần ALU, một người đảm nhận phần Decoder,... Tới lượt mình, từng thành viên sẽ sử dụng các công cụ chuyên dụng để thiết kế bộ phận (module) mình đảm nhận. Trào lưu hiện nay là dùng ngôn ngữ thiết kế phần cứng (VerilogHDL, VHDL, SystemC...) để hiện thực hóa các chức năng logic. Người ta gọi mức thiết kế này là thiết kế mức RTL (Register Transfer Level). Thiết kế mức RTL nghĩa là không cần quan tâm đến cấu tạo chi tiết của mạch điện mà chỉ chú trọng vào chức năng của mạch dựa trên kết quả tính toán cũng như sự luân chuyển dữ liệu giữa các register (flipflop). Ví dụ một đoạn code Verilog miêu tả một bộ lựa chọn 2 bit: /* 2-1 SELECTOR */ module SEL ( A, B, SEL, OUT ); input A, B, SEL; output OUT; assign OUT = SEL2_1_FUNC ( A, B, SEL ); function SEL2_1_FUNC; input A, B, SEL; if ( SEL == 0 ) SEL2_1_FUNC = A; else SEL2_1_FUNC = B; endfunction endmodule Thông thường các file text như trên được gọi là các file RTL (trường hợp viết bằng ngôn ngữ Verilog hoặc VHDL). Để kiểm tra chính đúng đắn của mạch điện, người ta dùng một công cụ mô phỏng ví dụ như NCVerilog (Native Code Verilog) hay NCVHDL của hãng Cadence, ModelSim của hãng Mentor Graphics. Quá trình debug sẽ được lặp đi lặp lại trên máy tính cho tới khi thiết kế thoả mãn yêu cầu từ team leader. Thành quả của thành viên là các file RTL. Team leader sẽ tổng hợp các file RTL từ thành viên, ghép các module với nhau thành một module lớn, đó chính là RTL cho cả CPU. Tới lượt mình team leader sẽ dùng simulator để mô phỏng và kiểm tra tính đúng đắn của CPU, nếu có vấn đề thì sẽ feedback lại cho thành viên yêu cầu họ sửa. Sau khi đã được test cẩn thận, toàn bộ cấu trúc RTL trên sẽ được nộp cho trưởng dự án. Tương tự đối với các module khác: bus, peripherals,... Các module trên lại được tiếp tục ghép với nhau để cấu thành nên một SoC hoàn chỉnh, bao gồm: CPU, system bus, peripherals... SoC này là thành quả của phần Function design. 3. Synthesis Place Route Đây là bước chuyển những RTLs đã thiết kế ở phần 2 xuống mức thiết kế thấp hơn. Các chức năng mức trừu tượng cao (RTL) sẽ được hoán (synthesize) đổi thành các quan hệ logic (NOT, NAND, NOR, MUX,...). Các tool chuyên dụng sẽ
thực hiện nhiệm vụ này, ví dụ như Design Compiler của hãng Synopsys, Synplify của hãng Synplicity, XST của hãng Xilinx.... Kết quả hoán đổi sẽ khác nhau tùy theo synthesis tool và thư viện. Thư viện ở đây là bộ các "linh kiện" và "macro" được cung cấp bởi các nhà sản xuất bán dẫn. Ví dụ hãng NEC có một thư viện riêng, hãng SONY có một thư viện riêng, hãng Xilinx cũng có thư viện của riêng mình. Việc chọn thư viện nào phụ thuộc vào việc hãng nào sẽ sản xuất chip sau này. Ví dụ SoC lần này sẽ mang đi nhờ TSMC của Đài Loan sản xuất, vậy sẽ chọn thư viện của TSMC. Kết quả của bước Synthesis này là các "netlist" cấu trúc theo một tiêu chuẩn nào đó, thường là EDIF (Electronic Design Interchange Format). Netlist đánh dấu sự hoàn thành thiết kế SoC ở mức độ "thượng lưu". 4. Layout design Phần này là khởi đầu cho thiết kế mức "hạ lưu", thường được đảm nhiệm bởi chuyên gia trong các hãng sản xuất bán dẫn. Họ sử dụng các công cụ CAD để chuyển netlist sang kiểu data cho layout. Netlist sẽ trở thành bản vẽ cách bố trí các transistor, capacitor, resistor,... Ở đây phải tuân thủ nghiêm ngặt một thứ gọi là Design Rule. Ví dụ chip dùng công nghệ 65nm thì phải dùng các kích thước là bội số của 65nm... Keyword: DRC (design rule check), LVS (layout versus schematic), layout design 5. Mask pattern design Bước kế tiếp của layout design là mask pattern. Phần này thực ra giống hệt với artwork trong thiết kế bản in. Các bộ mask (cho các bước sản xuất khác nhau) sẽ được tạo ra dưới dạng data đặc biệt. Mask data sẽ được gửi tới các nhà sản xuất mask để nhận về một bộ mask kim loại phục vụ cho công việc sản xuất tiếp theo. 6. Sản xuất mask Có thể xem mask là cái khuôn để đúc vi mạch lên tấm silicon. Công nghệ sản xuất mask hiện đại chủ yếu dùng tia điện tử (EB Electron Beam). Các điện tử với năng lượng lớn (vài chục keV) sẽ được vuốt thành chùm và được chiếu vào lớp film Crom đổ trên bề mặt tấm thủy tinh. Phần Cr không bị che bởi mask (artwork) sẽ bị phá hủy, kết quả là phần Cr không bị chùm electron chiếu vào sẽ trở thành mask thực sự. Một chip cần khoảng 20 tới 30 masks. Giá thành các tấm mask này cực đắt, cỡ vài triệu USD. 7. Chuẩn bị wafer Đây là bước tinh chế cát (SiO2) thành Silic nguyên chất (99.999999999%). Silic nguyên chất sẽ được pha thêm tạp chất là các nguyên tố nhóm 3 hoặc nhóm 5. Ví dụ pha B sẽ được wafer loại p, pha P sẽ ra wafer loại n. Silicon sẽ được cắt thành các tấm tròn đường kính 200mm hoặc 300mm với bề dày cỡ 750um. Có các công ty chuyên sản xuất silicon wafer. Chẳng hạn Shin'Etsu là công ty cung cấp khoảng 40% silicon wafer cho thị trường bán dẫn Nhật Bản. Giá một tấm wafer 200mm khoảng 20 USD.
Từ khóa: CZ (Czchralski) method, SOI (Silicon On Insulator), SOS (Sillicon On Sapphire), SIMOX (Separation by IMplanted OXygen), elevennine, epitaxial wafer 8. Các quá trình xử lý wafer Tất cả được thực hiện trong môi trường siêu sạch (ultra clean room). Sau đây là một số processes trong clean room: * Rửa (wet process): đây là bước làm sạch wafer bằng các dung dịch hóa học. Ví dụ APM (hỗn hợp NH4OH/H2O2/H2O) dùng để làm sạch các particle như bụi trong không khí, bụi từ người bay ra; HPM (hỗn hợp HCl/H2O2/H2O) dùng làm sạch các tạp chất và kim loại hiếm (Cu, Au, Pt...); HPM (hỗn hợp H2SO4/H2O2) làm sạch các tạp chất hữu cơ (resist) và kim loại (Ze, Fe...); DHF (axit HF loãng) dùng để loại bỏ các phần SiO2 không cần thiết. Từ khóa: RCA, LAL800, ultra clean technology * Ôxi hóa (Oxidation): tạo SiO2 trên bề mặt wafer trong đó lớp SiO2 mỏng cỡ 1 tới 2 nanomet sẽ trở thành gate của transistor. Từ khóa: cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET, ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor), LOCOS (local oxidation of silicon), STI (Swallow Trench Isolation) * CVD (Chemical Vapor Deposition): tạo các lớp film mỏng trên bề mặt wafer bằng phương pháp hóa học (SiO2, Si3N4. PolySi, WSi2). Ví dụ có thể dùng CVD ở áp suất thấp trong môi trường SiH4 và H2 để tạo ra lớp polySi (Si đa tinh thể) để làm điện cực cho transistor. Từ khóa: CVD, LPCVD, polySilicon, batch process * Cấy Ion (Ion implantation): Sử dụng các nguồn ion năng lượng cao (vài chục tới vài trăm keV, nồng độ cỡ 2E15 cm3) bắn trực tiếp lên bề mặt Si nhằm thay đổi nồng độ tạp chất trong Si. Ví dụ bắn các ion As để tạo ra vùng n+ để làm source và drain cho MOSFET. Từ khóa: ion implantation, source, drain, dose * Cắt (etching): loại bỏ các phần SiO2 không cần thiết. Có hai loại: wetetching dùng axit HF loãng để hòa tan SiO2; dryetching dùng plasma để cắt SiO2 khỏi bề mặt Si. Từ khóa: highdensity plasma etching, RIE (Reactive Ion Etching), HF, etching * Photolithography: phương pháp xử lý quang học để transfer mask pattern lên bề mặt wafer. Wafer sẽ được phết một lớp dung dịch gọi là resist, độ dày của lớp này khoảng 0.5um. Ánh sáng sẽ được chiếu lên mask, phần ánh sáng đi qua sẽ làm mềm resist. Sau khi rửa bằng dung dịch đặc biệt (giống tráng ảnh), phần resist không bị ánh sáng chiếu vào sẽ tồn tại trên wafer như là mask. (trong trường hợp này resist là loại positive). Từ khóa: photolithography, EB, photo mask, KrF, ArF, F2, reticle, EUV, stepper, scanner, OPC (optical proximity correction), PSM (phase shift mask), excimer laser * Sputtering: Là phương pháp phủ các nguyên tử kim loại (Al, Cu) lên bề mặt wafer. Ion Ar+ với năng lượng khoảng 1 keV trong môi trường plasma sẽ bắn phá các target kim loại (Al, W, Cu), các nguyên tử kim loại sẽ bật ra bám lên bề mặt wafer. Phần bị phủ sẽ trở thành dây dẫn nối các transistor với nhau. Từ khóa: Multilevel interconnect, via, contact, lowk, electro migration * Annealing: Xử lý nhiệt giúp cho các liên kết chưa hoàn chỉnh của Si (bị damaged bởi ion implantation etc.) sẽ tạo liên kết với H+. Việc này có tác dụng làm giảm các trap năng lượng tại bề mặt Si và SiO2.
* CMP (Chemical Mechanical Polishing): Làm phẳng bề mặt bằng phương pháp cơhóa. Đây là kỹ thuật mới được áp dụng vào semiconductor process. Có tác dụng hỗ trợ thêm cho các xử lý như photolithography, etching etc. 9. Kiểm tra Đóng gói Xuất xưởng Các xử lý ở phần 3 sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào mức độ phức tạp của chip. Cuối cùng chip sẽ được cắt rời (một tấm wafer 300mm có thể tạo được khoảng 90 con chip Pentium IV). Một loạt các xử lý khác như back grinding (mài mỏng phần mặt dưới của chip), bonding (nối ra các pins, dùng chì mạ vàng hoặc đồng), mold (phủ lớp cách điện), marking (ghi tên hãng sản xuất etc.) Từ khóa: packaging, dicing, back grinding, bonding, marking, PGA (pin grid array), BGA (Ball Grid Array), QFP (Quad Flat Package) Sau đây là một số hình ảnh trong phòng thí nghiệm sản xuất vi mạch Quang cảnh phòng sạch 1
Quang cảnh phòng sạch 2 Wet process 1
Wet process 2 Máy Oxidation
Máy cấy ion Máy VCD
Mắt etching bằng plasma Photolithography 1