Bên trong một vi mạch có những gì?

Bạn sẽ học được gì

• Gọi tên nền bán dẫn, transistor và vi mạch bên trong chip.
• Kể lại bốn bước tạo mạch trên wafer và việc mỗi bước làm.
• Phân biệt wafer với chip đã đóng gói.

Cần biết trước

Bài này nên đọc sau bài “Vi mạch là gì?”, nhưng các thuật ngữ vẫn được giải thích ngay khi xuất hiện.

Chip được dựng trên nền nào?

Mạch của chip nằm trên wafer, một tấm bán dẫn mỏng dùng làm nền để chế tạo nhiều vi mạch cùng lúc. Silicon là vật liệu phổ biến nhất của wafer. Wafer cũng có thể làm từ gallium arsenide, silicon carbide hay germanium.

Quy trình bắt đầu bằng việc cắt vật liệu bán dẫn thành một lát mỏng. Sau đó lát này được mài và đánh bóng qua nhiều loại máy chuyên dụng. Sau các công đoạn này, nền sẵn sàng để tạo mạch lên.

Một wafer nhiều mạch khác với một chip. Trong ví dụ của NIST, bề mặt một wafer silicon chứa hàng nghìn vi mạch. Wafer là nền chung, còn mỗi vi mạch chỉ là một phần nhỏ trên đó.

Mạch được tạo trên nền như thế nào?

Vi mạch kết hợp nhiều transistor thành một mạch nhỏ trên chip. Mỗi transistor là một công tắc bán dẫn, bật hoặc tắt theo điện áp. Để có đủ transistor ở đúng chỗ, mạch được tạo trên bề mặt wafer qua bốn bước.

1. Oxy hóa. Wafer được làm sạch trước. Với wafer silicon, bước này còn có thể gồm việc nung và cho tiếp xúc với oxy tinh khiết.
2. Tạo họa tiết. Mặt nạ quang khắc, những khuôn rất chính xác, tạo họa tiết lên wafer. Mỗi mặt nạ góp phần xác định mạch.
3. Khắc. Phần vật liệu thừa được lấy khỏi wafer để lại hình dạng đã định.
4. Pha tạp. Tạp chất được đưa vào cấu trúc tinh thể để thay đổi tính chất điện.

Quang khắc là tên chung của việc khắc vào hoặc dựng lên bề mặt wafer để tạo họa tiết vi mạch. Mỗi bước trả lời một câu hỏi khác nhau. Họa tiết nằm ở đâu, giữ lại phần nào, và tính chất điện của từng vùng ra sao.

Chip hoàn chỉnh gồm những gì?

Chip là một khối độc lập gồm bề mặt bán dẫn và vi mạch, được đóng gói để dùng trong điện tử. Từ ngoài nhìn vào, ta chỉ thấy lớp đóng gói. Mạch và nền bán dẫn nằm bên trong, nên hình cắt lớp trong bài mở phần đó ra để giải thích.

Toàn bộ chuỗi từ wafer trần đến chip hoạt động được diễn ra trong fab, cơ sở công nghiệp chuyên làm việc này.

Ví dụ trong đời sống

Giả sử bạn thuyết minh một mô hình chip trước lớp. Chỉ vào tấm lớn và gọi đó là wafer, vì nó là nền cho nhiều vi mạch. Chỉ vào một vùng mạch nhỏ trên đó và nói rằng các transistor được ghép ở đây. Chỉ vào linh kiện đã đóng gói và gọi đó là chip.

Sau đó kể lại hành trình của tấm nền. Nó được cắt mỏng, mài và đánh bóng. Mặt nạ tạo họa tiết, khắc bỏ phần thừa, pha tạp để chỉnh tính chất điện. Cuối cùng mạch được đóng gói.

Nếu mô hình đảo vị trí các nhãn mà lời kể không đổi, bạn đang bỏ qua mối quan hệ giữa nền, mạch và linh kiện. Một lời giải thích đúng cho biết phần nào là nền, phần nào là mạch và phần nào là linh kiện sẵn dùng.

Hiểu lầm thường gặp

Wafer chưa phải chip. Wafer là nền chứa nhiều vi mạch, còn chip là linh kiện đã được đóng gói độc lập.

Hình phóng lớn cho thấy mối quan hệ giữa các phần. Kích thước thật của từng transistor không thể đọc từ hình.

Bốn bước trên là cách nguồn mô tả quy trình tạo vi mạch. Chúng chưa phải hướng dẫn tự làm chip.

Câu hỏi thường gặp

Wafer làm bằng gì?

Wafer là tấm vật liệu bán dẫn mỏng. Silicon phổ biến nhất, ngoài ra có gallium arsenide, silicon carbide và germanium.

Quang khắc có vai trò gì?

Quang khắc tạo họa tiết vi mạch trên bề mặt wafer, nhờ mặt nạ và việc khắc phần vật liệu thừa.

Pha tạp xảy ra ở bước nào?

Ở bước cuối trong bốn bước nguồn mô tả. Tạp chất được thêm vào cấu trúc tinh thể để thay đổi tính chất điện.

Tóm tắt

• Wafer cung cấp nền cho nhiều vi mạch.
• Mạch được tạo qua oxy hóa, tạo họa tiết, khắc và pha tạp.
• Chip là phần mạch cùng nền bán dẫn đã được đóng gói độc lập.