Phạm Trường HàBạn đã biết gì về nơi sản xuất ra những con chip làm thay đổi cuộc sống con người. Hãy cùng mình khám phá 7 sự thật về nhà máy sản xuất bán dẫn nhé!
1. Nhà máy sản xuất bán dẫn gọi là fab
Nhà máy sản xuất bán dẫn hay semiconductor fabrication plant thường được gọi tắt là fab. Đây là nơi mà các vi mạch điện tử được hình thành trên bề mặt của tấm bán dẫn wafer. Mình không tìm được thông tin về fab đầu tiên được xây dựng. Fab sớm nhất mà mình tìm được là fab của Ei Nis, một công ty điện tử của Serbia, được vận hành từ năm 1962 đến 2000.
2. Fab là một thế giới đặc biệt
Bất ngờ thì vui thật. Nhưng mà bất ngờ trong sản xuất bán dẫn thì không vui tí nào.
Một rung động bất ngờ, tuy nhỏ, từ thế giới bên ngoài sẽ ảnh hưởng đến các hoạt động đòi hỏi tính chính xác cao, và có thể đi tong mấy tấm wafer. Thế nên, fab sẽ được xây dựng tách biệt với bên ngoài, triệt tiêu mọi rung động có thể làm ảnh hưởng quá trình chế tác chip. Dưới đây là bảng quy chuẩn về rung động.
Để giảm ảnh hưởng của các rung động từ thế giới bên ngoài, cấu trúc fab thường có 2 phần: phần vỏ và phần chính. Giữa 2 phần này sẽ có các thiết bị nhằm triệt tiêu rung động. Ngoài ra, vị trí địa lí cũng rất quan trọng bởi cấu trúc nền đất và rung động từ trong lòng đất cũng ảnh hưởng đến fab.
Phần chính, hay còn gọi là fab floor, thường có 2 phần là sub-fab và clean room. Sub-fab có thể hiểu là tầng hầm, nơi chứa các máy móc phụ trợ cho quá trình sản xuất chính, như máy tạo laser cho hệ thống EUV chính ở clean room. Clean room là nơi diễn ra các hoạt động sản xuất bán dẫn chính. Không khí trong clean room được lọc qua các tấm lọc gắn trên trần và thoát ra ở chân tường hoặc sàn nhà [1].
3. Nơi có không khí cực sạch
Clean room hay còn gọi là phòng sạch. Tuy gọi là phòng nhưng clean room thường rất rộng, tuỳ vào quy mô của fab mà phòng sạch có thể rộng như một sân bóng đá ngoài trời. Phòng sạch thì chắc chắn là phải sạch, vì các vi hạt siêu nhỏ có thể bám vào các vi mạch điện tử, các con chip và làm hỏng chúng. Nhưng sạch như thế nào thì được gọi là phòng sạch?
Hiện nay có rất nhiều tiêu chuẩn quốc tế để phân loại phòng sạch. Chúng dựa trên số lượng và kích thước của các vi hạt có trong không khí. Trong sản xuất bán dẫn, các công ty thường dùng chuẩn của Mỹ, FED-STD-209E, với class càng nhỏ thì càng sạch. Fab sản xuất chip điện tử trên tấm bán dẫn (wafer fabrication) cần phòng rất sạch, thường là mức sub-class 1 đến class 10 [2]. Quá trình đóng gói đế chip (chip packaging) có thể diễn ra trong phòng sạch vừa phải như mức class 10000. Ngoài ra, chúng ta còn có chuẩn ISO-14644-1 của tổ chức tiêu chuẩn thế giới với ISO càng nhỏ càng sạch; chuẩn EU GMP của Liên minh Châu Âu với grade A là sạch nhất; hay chuẩn BS 5295 của Anh với class 1 là sạch nhất. Dưới đây là bảng quy chuẩn của Mỹ, FED-STD-209E.
Clean room thường sử dụng tấm lọc HEPA (highly efficient particulate air) hoặc ULPA (ultra-low penetration air) để lọc các vi hạt, các vi sinh vật, và giúp cho môi trường phòng sạch thật sạch [3]. Đọc đến đây mà bạn thấy quen quen thì đúng rồi đấy, tấm lọc HEPA được dùng trong phòng cách ly áp lực âm trong điều trị bệnh nhân COVID-19. Nhưng thay vì lọc vi hạt, vi sinh vật từ ngoài vào như clean room, phòng cách ly áp lực âm sẽ không cho vi rút SARS-CoV-2 thoát ra ngoài [4].
Tấm HEPA có khả năng lọc 99.97% vi hạt có kích thước 0.3 micromet [3,6], tức nhỏ hơn 50 lần đường kính tóc con người (17~180 micromet) và lớn gấp 3 lần đường kính vi rút SARS-CoV-2 (0.1 micromet) [5]. Ơ thế 0.03% virus vẫn lọt qua tấm lọc HEPA à?
Thật ra tấm lọc HEPA không hoạt động theo kiểu giăng lưới bắt cá lớn, lọt cá bé đâu. Tấm lọc HEPA hoạt động dựa trên 3 cơ chế chính khác nhau tuỳ theo kích thước vi hạt. Đối với các hạt có đường kính khoảng 0.2 ~ 0.3 micromet, hiệu quả của tấm lọc nói chung thường kém nhất. Và đối với HEPA, con số 99.97% chính là khả năng lọc ở khoảng kích thước này. Nói cách khác, đối với các vi hạt, vi sinh vật có kích thước lớn hơn 0.3 micromet, hay nhỏ hơn 0.2 micromet, tấm lọc HEPA chặn được gần như 100% [6]. Thế nên, vi rút SARS-CoV-2 không thể lọt qua tấm HEPA đâu nhé.
4. Nhiệt độ và độ ẩm luôn cố định
5. Hệ thống giao thông tự động với “xe tự hành”
Để hiểu được hệ thống giao thông trong clean room, chúng ta, trước hết, cần tìm hiểu một vài thuật ngữ. Bay là một đơn vị sản xuất (production unit). Hệ thống giao thông trong clean room chia làm 2 loại là intra-bay và inter-bay. Intra-bay hay bên trong đơn vị giống như đi lại trong một toà nhà. Inter-bay hay giữa các đơn vị cũng giống như đi lại giữa các toà nhà. Và Overhead Hoist Transport (OHT) là hệ thống giao thông đường sắt gắn trên trần nhà của clean room, giúp vận chuyển các tấm bán dẫn đi khắp nơi trong clean room.
Ở thập niên 80, hệ thống OHT được gọi là Overhead Shuttle (OHS), chủ yếu giúp tự động vận chuyển inter-bay. Còn con người phụ trách trong intra-bay. Đến thập niên 90, OHT đã có thể tự động vận chuyển cả intra-bay và inter-bay, giúp tự động hoá hoàn toàn cả dây chuyền, từ đó tăng hiệu suất [7]. OHT gợi cho chúng ta ý tưởng về những chiếc xe tự hành trong tương lai. Khi đó, con người chỉ việc lên xe và nói địa điểm, chiếc xe sẽ tự lái và giúp chúng ta có nhiều thời gian để giải trí hay làm việc hơn.
6. Tốn hàng chục tỉ đô la để xây dựng thế giới fab
15 đến 20 tỉ đô la Mỹ là số tiền mà bạn cần để xây một fab mới. Chi phí ấy tương đương 1/2 GDP của Tp. Hồ Chí Minh năm 2017 hay 10 tuyến đường sắt đô thị ở Hà Nội mà thôi (theo số liệu năm 2017).
Mới gần đây, TSMC lên kế hoạch xây dựng 1 fab 5nm ở bang Arizona, Mỹ với kinh phí ước tính là 12 tỉ đô. Ngoài chi phí xây dựng, các fab còn tiếp tục mua sắm trang thiết bị mới nhằm nâng cấp dây chuyền sản xuất.
7. Con người là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm
Khi đứng yên, con người tạo ra khoảng 100.000 vi hạt có kích thước khoảng 0.3 micromet. Khi đi bộ, con số ấy tăng lên từ 5 triệu đến 7.5 triệu vi hạt [7]. Có thể thấy, hoạt động con người trong sản xuất bán dẫn là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm phòng sạch.
Trước khi nhân viên bước vào clean room, họ sẽ phải mặc bộ đồ chuyên dụng kín mít từ đầu đến chân, gọi là smock. Smock làm từ vải polyeste chuyên dụng, giúp hạn chế bụi bẩn từ người mặc ra môi trường clean room. Nhân viên clean room cũng không được phép trang điểm hay dùng nước hoa, vì đây là những thứ dễ gây ô nhiễm phòng sạch. Đồng thời, họ còn phải mang giày chuyên dụng, giúp truyền tĩnh điện xuống đất (static dissipative shoe). Ngay trước khi bước vào môi trường clean room, nhân viên sẽ giẫm lên tấm thảm đặc biệt, gọi là tacky mat, để dính hết các hạt bụi dính dưới đế giày, đồng thời bước qua phòng trung gian, nơi họ được xịt luồng khí mạnh để loại hết bụi trên quần áo.
Đấy là 7 sự thật về fab, nơi tạo ra những con chip thay đổi thể giới con người. Cảm ơn mọi người đã đọc, và nhớ là hãy theo dõi Semiconductorian để biết thêm những thông tin thú vị về sản xuất bán dẫn.
If the auto industry advanced as rapidly as the semiconductor industry, a Rolls Royce would get a half a million miles per gallon, and it would be cheaper to throw it away than to park it.
Gordon Moore, nhà sáng lập tập đoàn Intel và cũng là tác giả của định luật Moore
Tham khảo:
- A. Bayat, E. Pai, “Advanced Technology Facilities — Semiconductor Fabrication Facilities,” Structures Congress 2006, May 18, 2006. doi: 10.1061/40889(201)163.
- “Cleanrooms,” EESemi. Available: EESemi.
- A. Bhatia, “HVAC Design for Cleanroom Facilities,” CED Engineering. Available: CED Engineering
- N. Q. Nguyen, “Phòng cách ly áp lực âm trong bệnh viện là gì?,” Vinmec, July 8, 2020. Available: Vinmec.
- Y. M. Bar-On, A. Flamholz, R. Phillips, R. Milo, “SARS-CoV-2 (COVID-19) by the numbers”. Elife, April 2, 2020. doi: 10.7554/eLife.57309.
- P. C. Raynor, T. M. Peters, “Controlling Nanoparticle Exposures” in Assessing Nanoparticle Risks to Human Health (2nd Edition). William Andrew Publisher, 2016, ch.7 , pp. 153-177. doi: 10.1016/B978-0-323-35323-6.00007-4
- Dong II Kim, “The evolution of automated material handling systems (AMHS) in semiconductor fabrication facilities,” 2008 6th IEEE International Conference on Industrial Informatics, Daejeon, 2008, pp. 14-14, doi: 10.1109/INDIN.2008.4618055.
- A. Ramage, “The weakest link in the cleanroom environment? Humans,” Cherwell Laboratories. Available: Cherwell Laboratories
