Tình hình mới về 'Xưởng cực tiểu'

Tờ EETimes Japan, ngày 14/5/2019 đã đăng tải bài viết đáng quan tâm. Theo đó, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã hợp tác với Viện Quốc Gia Khoa Học Công Nghệ Công Nghiệp Tiên Tiến Nhật Bản (AIST) trong một nghiên cứu chung, qua đó, hai bên đã sử dụng một dây chuyền Xưởng Cực Tiểu - Minimal Fab chế tạo ra những con chíp dùng trong không gian vũ trụ.

Xưởng Cực Tiểu là công nghệ mới do nhóm nghiên cứu của Viện AIST dưới sự dẫn dắt của Tiến Sĩ Hara Shiro phát triển ra trong một quá trình nghiên cứu đã kéo dài hàng chục năm nay và hiện nay đang trên đường hoàn thành. Công nghệ này chủ yếu dùng những lát nguyên liệu silicon ³  đường kính là 0,5 inch (12,5 mm), với phương pháp “làm sạch cục bộ (local cleaning)” chứ không dùng “phòng sạch” như công nghệ xưởng chế tạo bán dẫn thông thường (cũng gọi là xưởng megafab).

Với phương pháp làm sạch cục bộ này, kinh phí vận hành “phòng sạch”, thông thường chiếm phần lớn kinh phí chế tạo bán dẫn vi mạch, được giảm thiểu cùng cực thậm chí đến zê-rô, đồng thời, sự phiền toái nhiêu khê phải dùng đến trang phục phòng sạch giống như trang phục vũ trụ cũng không cần thiết nữa. Người tác nghiệp quy trình chế tạo linh kiện bán dẫn vi mạch sẽ chỉ ăn bận giống như người làm văn phòng trong quá trình điều khiển vận hành các thiết bị của dây chuyền Xưởng Cực Tiểu.

Do đó, công tác chế tạo linh kiện bán dẫn vi mạch cũng trở thành đơn giản, dễ dàng, chứ không cần phải tạo ra hẳn một không gian riêng biệt, tức là “phòng sạch” như công nghệ chế biến thông thường nữa.

Để so sánh hai phương pháp, phương pháp Xưởng Cực Tiểu (Minimal Fab) và phương pháp thông thường (Megafab), người ta thường dùng hình dưới đây để làm nổi bật đặc trưng của hai phương pháp này. Nửa trên của hình mô ta một Megafab dùng lát silicon cỡ 300 mm (12 inches) với nhà xưởng dài rộng 200 mét và mỗi thiết bị đều lớn hơn người ta gấp bội. Trong khi đó, thì một Xưởng Cực Tiểu dùng lát nguyên liệu 12,5 mm chỉ có kích thước vuông vức mỗi chiều 10 mét, đồng thời những thiết bị chế tạo cũng nhỏ bé hơn một người thường rất nhiều.

Để thực hiện công trình nghiên cứu chung lần này giữa cơ quan JAXA và Viện AIST, người ta đã áp dụng một công nghệ mới. Nghĩa là, thay vì áp dụng công nghệ năm 2013 dùng đế silicon-n với giếng-p (p-well) làm vật liệu khởi đầu, thì người ta đã dùng công nghệ mới phát triển năm 2018 dùng đế silicon trên nền cách-điện (silicon on insulator, viết tắt là SOI).

Với đế SOI này, linh kiện hoàn thành sẽ có dòng điện rò rỉ vô cùng nhỏ, đồng thời nó cũng có thể chống lại được sự phá hoại của những tia vũ trụ. Với đế thuần silicon thì khi những tia vũ trụ này đâm xuyên thủng đế silicon, chúng sẽ tạo ra vô vàn cặp điện tử - lỗ trống (electron-hole pair) khiến cho dòng điện rò rỉ tăng vọt lên làm hư linh kiện bán dẫn. Nhưng với đế SOI thì mặc dầu có thêm những cặp điện tử - lỗ trống, dòng rò rỉ vẫn ở mức nhỏ không đáng kể vì đế là chất cách điện.

Mấy hình còn lại là hình chíp mới chế tạo ra bằng dây chuyền Xưởng Cực Tiểu và hình tín hiệu vào, ra cùng với tần số xung nhịp.

Chíp có quy mô khoảng 1000 transistor, làm thành một register 4-bit cùng với những mạch vào ra (IO).

Nói chung, với những chíp quy mô nhỏ, nhất là những chíp dùng cho những hệ IoT, những chíp chuyên dụng chỉ cần một số lượng khiêm tốn nhưng đa dạng, những chíp cần được bảo mật nghiêm khắc..., nay đã có thể chế tạo ra được bằng dây chuyền Xưởng Cực Tiểu này.

Việt Nam ta hiện đã có ký kết bản ghi nhớ về chuyển giao công nghệ Xưởng Cực Tiểu này với phía Nhật Bản. Bộ phận đảm đương dự án Xưởng Cực Tiểu này có thể nhân dịp này tìm hiểu sự thật liên quan đến sự việc kể trên, và xúc tiến du nhập dây chuyền Xưởng Cực Tiểu căn cứ vào bản ghi nhớ đã ký kết với phía Nhật Bản năm 2015.

GS TS Đặng Lương Mô, Chủ tịch Danh dự HSIA, tác giả bài viết.

Bản tin Hội Công nghệ Vi mạch Bán dẫn TP.HCM