7 Sự Thật Về Nhà Máy Sản Xuất Chất Bán Dẫn

Bán dẫn là một sản phẩm không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Và bạn đã biết gì về nơi sản xuất những con chip làm thay đổi xã hội loài người này. Cùng tìm hiểu với chúng tôi 7 sự thật về phòng sạch sản xuất chất bán dẫn này nhé.

1. Phòng sạch 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.

2. FAB là một thế giới tĩnh lặng

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 làm hỏng các 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 sản xuất chip. Dưới đây là bảng quy chuẩn về rung động.

Sản xuất bán dẫn thường yêu cầu mức VC-D hoặc VC-E. Để đạt độ chính xác ở mức VC-E hay 0.1 micrometer, mức rung động phải dưới 42 dB. Để dễ hình dung, văn phòng công sở bình thường có mức dB ở khoảng 60 đến 66.

Để giảm ảnh hưởng của các rung động từ thế giới bên ngoài, cấu trúc nhà máy bán dẫn 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.

Cấu trúc 2 lớp của FAB, gồm phần vỏ và phần chính, FAB floor.

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

Phòng sạch bán dẫn 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, các vi hạt siêu nhỏ có thể bám vào các vi mạch điện tử, các con chip và làm hỏng chúng.

Trong sản xuất bán dẫn, các công ty thường dùng chuẩn của Mỹ, FED-STD-209E. FAB sản xuất chip điện tử trên tấm bán dẫn (wafer fabrication) cần phòng rất sạch, thường là mức Class 1 (ISO 3) đến Class 10 (ISO 4). Quá trình đóng gói đế chip (chip packaging) có thể diễn ra trong phòng sạch vừa phải như mức class 10.000. Phòng sạch sản xuất chip điện tử thường yêu cầu class 1. Để dễ hình dung, phòng sạch class 1 sạch gấp 1 triệu lần văn phòng công sở thông thường, hay có số vi hạt kích 0.5 micromet ít hơn 1 triệu lần.

Xem thêm: Các tiêu chuẩn phòng sạch phải biết

Không gian bên trong phòng sạch bán dẫn

Phòng sạch bán dẫn sẽ 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.

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 virus SARS-CoV-2 (0.1 micromet). Câu hỏi đặt ra là liệu virus SARS-CoV-2 có lọt qua được Hepa Filter hay không?

Lọc HEPA hoạt động dựa trên 3 cơ chế chính khác nhau tùy 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 ít hiệu quả 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%. Do đó có thể thấy, vi rút SARS-CoV-2 không thể lọt qua tấm HEPA.

Biểu đồ mô tả hiệu suất lọc theo đường kính hạt. Ba cơ chế chính để tấm lọc giữ lại các vi hạt (cơ chế lọc) là impaction, interception và diffusion.

4. Nhiệt độ và độ ẩm theo tiêu chuẩn phòng sạch

Ngoài mức độ sạch, nhiệt độ và độ ẩm của Phòng sạch bán dẫn cũng được giữ ở mức cố định. Nhiệt độ khuyến cáo là 20 độ C và độ ẩm là 45 ~ 50%. Độ ẩm cao quá có thể gây ra sự ăn mòn kim loại cũng như ảnh hưởng đến các vật liệu có tính hút ẩm (hygroscopic). Nhưng nếu độ ẩm thấp quá sẽ làm khô da, các tế bào da dễ bị bong tróc và làm “bẩn” phòng sạch, cũng như dễ tạo ra hiện tượng tĩnh điện.

Xem thêm: Tiêu chuẩn nhiệt độ và độ ẩm trong phòng sạch

5. Sử dụng “Xe tự hành”

Để hiểu được hệ thống di chuyển trong phòng sạch chúng ta, trước hết, cần tìm hiểu một vài thuật ngữ. Bay là một đơn vị sản xuất (production unit). Hệ thống lối di chuyển trong phòng sạch chia làm 2 loại là intra-bay và inter-bay. Intra-bay hay bên trong đơn vị giống như đi lại trong một tòa 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 đường sắt gắn trên trần nhà của phòng sạch, giúp vận chuyển các tấm bán dẫn đi khắp nơi trong phòng sạch.

Hệ thống đường sắt trên trần nhà - Hệ thống OHT

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. 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. Phòng sạch bán dẫn yêu cầu đầu tư cao

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.

Biểu đồ ghi nhận chi phí xây dựng và mua sắm của FAB. Năm 2018, 54 tỉ đô là số tiền được dùng để mua sắm trang thiết bị trong FAB.

Nguồn: Semiconductor Engineering

7. Con người là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm

Các vi sinh vật có trong phòng sạch chủ yếu đến từ yếu tố con người. Một nghiên cứu chỉ ra 59% vi sinh vật (micrococci và staphylococci) tìm thấy trong phòng sạch EU GMP grade A (sạch nhất) là đến từ con người.

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. Có thể thấy, hoạt động con người trong sản xuất bán dẫn là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm phòng sạch.

Xem thêm: Cách giữ phòng sạch luôn sạch

Trước khi nhân viên bước vào phòng sạch, họ sẽ phải mặc bộ đồ chuyên dụng kín mít từ đầu đến chân, gọi là smock. Smock làm từ vải polyester chuyên dụng, giúp hạn chế bụi bẩn từ người mặc ra môi trường phòng sạch. 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 phòng sạch, 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.

Tham khảo từ: https://semiconductorian.wordpress.com/