Chương 33: Thỏi Tinh Thể Đầu Tiên

Thuộc tiểu thuyết Toàn Cầu Công Nghệ: Thao Túng Kỷ Nguyên

Tác giả: · Thể loại: Đô Thị · Đăng ngày · 1837 từ · khoảng 9 phút đọc

7 giờ sáng ngày thứ 195, phòng nuôi cấy tinh thể của Viện AIMR chìm trong không gian vô trùng tĩnh lặng của cấp độ phòng sạch Class 100.

Không khí bên trong được lọc tuần hoàn liên tục qua màng lọc ULPA ba lớp, áp suất dương luôn duy trì cao hơn môi trường bên ngoài mười lăm pascal để ngăn chặn từng hạt bụi vô hình. Các kỹ sư và nghiên cứu viên đều mặc đồ bảo hộ phòng sạch màu xanh da trời trùm kín từ đầu đến chân, chỉ để lộ đôi mắt sau lớp kính bảo hộ trong suốt.

Ở trung tâm gian phòng, một khối thiết bị hình trụ bằng thép không gỉ hai lớp cao hơn ba mét đang đứng sừng sững. Đó là lò kéo đơn tinh thể Czochralski dung tích nhỏ, mã hiệu CZ-01 do chính xưởng cơ khí Nam Phát phối hợp cùng đội ngũ kỹ sư AIMR gia công và lắp ráp.

"Trục kéo chính đã được cân bằng động lần cuối." Chú Bảy gỡ kính lúp soi cơ khí ra khỏi mắt, chỉ tay vào cụm bệ đỡ chân không nằm ở đỉnh lò. "Bộ đệm từ tính chủ động thay thế hoàn toàn cho ổ bi cơ học. Bác với thằng Nam đã căn chỉnh khe hở từ thông bằng lá đệm đồng berylium không phẩy một milimét. Giờ trục quay tự do trong không gian lơ lửng, lấy đồng hồ so đo độ đảo thì kim đứng im phăng phắc, độ lệch tâm dưới một micrômet."

Nam đứng cạnh bảng điều khiển số, gật đầu tán thành:

"Độ đảo trục một micrômet là điều kiện tiên quyết, chú Bảy à. Khi silicon lỏng ở nhiệt độ một nghìn bốn trăm hai mươi độ C, lực căng bề mặt giữa mầm tinh thể và khối chất lỏng mỏng manh như sợi tơ nhện. Chỉ cần bệ quay nhích lệch một phần nghìn milimét, sóng dao động cơ học sẽ truyền thẳng xuống bề mặt phân pha lỏng - rắn, làm gãy cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện."

Lê Vân bước lại gần, hai tay bưng chiếc khay titan chứa mười kilôgam hạt Polysilicon chuẩn 7N tinh chế từ cát Cam Ranh mang về tuần trước. Từng hạt silicon xám bạc lấp lánh như những mảnh thiên thạch thu nhỏ.

Cô cẩn thận nạp từng vốc hạt vào chiếc nồi nấu bằng thạch anh siêu tinh khiết đường kính ba trăm milimét đặt lọt thỏm trong lòng ống gia nhiệt than chì:

"Hệ thống bơm chân không turbo phân tử đã kéo áp suất buồng lò xuống mười lũy thừa âm năm torr. Khí argon độ sạch sáu số chín đang được sục vào với lưu lượng năm mươi lít mỗi phút để duy trì áp suất làm việc hai mươi milibar."

"Bật nguồn phát cao tần RF!" Nam ra lệnh.

Một tiếng vo vo trầm đục của cuộn cảm ứng từ tần số một trăm kilôhéc vang lên. Dưới tác động của dòng điện cảm ứng xoáy, ống gia nhiệt than chì đỏ rực lên, bức xạ nhiệt lượng khủng khiếp vào lòng nồi thạch anh.

Nhiệt độ trên màn hình hiển thị cảm biến quang học nhảy số liên tục: tám trăm, một nghìn một trăm, một nghìn ba trăm năm mươi, và dừng lại chuẩn xác ở một nghìn bốn trăm hai mươi lăm độ C.

Qua ô kính thạch anh lọc quang học màu hổ phách, khối hạt Polysilicon Cam Ranh sụp đổ xuống, tan chảy thành một vũng chất lỏng màu vàng cam lấp loáng như gương vàng ròng. Mặt thoáng silicon lỏng quay tròn êm ả dưới tác động của trường từ tính xoay chiều, không hề có một gợn sóng xao động.

"Nhiệt độ mặt thoáng đã ổn định ở mức dung sai không phẩy hai độ C." Vân báo cáo, ngón tay sẵn sàng trên cụm phím điều khiển hành trình trục kéo. "Mầm tinh thể định hướng mạng một-không-không (100) đã vào vị trí kẹp."

"Bắt đầu hạ mầm!" Nam dứt khoát.

Một thanh silicon mỏng dài bằng ngón tay, được cắt gọt tỉ mỉ theo hướng tinh thể học (100), từ từ hạ xuống từ đỉnh tháp kéo.

Đầu mầm tinh thể chạm khẽ vào tâm vũng silicon lỏng nóng chảy. Một vòng meniscus nhỏ li ti nâng lên theo sức căng bề mặt. Silicon lỏng ngay lập tức bám lấy mầm tinh thể, các nguyên tử silicon tự do trong khối chất lỏng nhanh chóng sắp xếp theo trật tự mạng tinh thể có sẵn của mầm mồi.

"Bắt đầu quy trình thắt cổ chai Dash!" Nam theo dõi sát màn hình phóng đại quang học mười lần.

Đây là thời khắc sinh tử của toàn bộ công nghệ bán dẫn. Khi mầm mồi vừa tiếp xúc với chất lỏng nóng bỏng, sốc nhiệt sẽ tạo ra hàng nghìn đường sai hỏng lệch mạng (dislocation). Nếu không loại bỏ các đường lệch mạng này, thỏi silicon sẽ trở thành phế phẩm đa tinh thể.

Dưới sự điều khiển của thuật toán Khởi Nguyên, motor servo kéo thanh mầm đi lên với vận tốc cao bốn milimét một phút, đồng thời bệ quay đáy lò quay ngược chiều với tốc độ mười hai vòng một phút. Đường kính phần silicon đông kết co thắt lại, chỉ còn vỏn vẹn ba milimét trên một đoạn dài năm mươi milimét.

Từng đường sai hỏng lệch mạng bị đẩy bật ra ngoài bề mặt tự do của sợi cổ chai tí hon. Khi soi kính hiển vi điện tử thấy sợi cổ chai đã sạch bóng khuyết tật, Nam mới phát lệnh:

"Hạ tốc độ kéo xuống một milimét một phút! Bắt đầu mở rộng vai tinh thể!"

Cổ chai lớn dần ra. Đường kính khối silicon đông kết nở rộng thành hình nón, từ ba milimét lên năm mươi, một trăm, và chạm mốc hai trăm milimét — tức tám inch chuẩn công nghiệp.

Từ lúc này, thỏi tinh thể bước vào giai đoạn kéo thân hình trụ đều đặn.

Bốn mươi tám tiếng đồng hồ tiếp theo là cuộc thử lửa về sức bền của cả con người lẫn máy móc. Trục kéo dịch chuyển từng phần trăm milimét mỗi giây. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn mang đi hàng triệu kilô-calo nhiệt lượng thừa.

Để đảm bảo không bị gián đoạn điện lưới dù chỉ một chu kỳ sóng năm mươi héc, khối pin lưu trữ BESS Amata được đấu nối trực tiếp vào mạch động lực của lò kéo, triệt tiêu mọi xung nhiễu của lưới điện công nghiệp Đồng Nai.

Các kỹ sư chia ca bốn tiếng trực một lần, mắt không rời biểu đồ trường nhiệt và camera hồng ngoại kiểm soát biên độ đường kính. Nam và Lê Vân gần như thức trắng suốt hai đêm, chỉ thay nhau chợp mắt nửa tiếng trên chiếc ghế bố kê tạm ngoài hành lang.

Đến rạng sáng ngày thứ ba, khi đồng hồ điểm sáu giờ đúng, thân thỏi tinh thể dài một mét hai mươi centimet đã hoàn tất.

Nam tiến hành công đoạn thu đuôi tinh thể hình chóp nón để giải tỏa ứng suất nhiệt dư thừa, trước khi nâng toàn bộ khối thỏi lên buồng làm nguội chân không.

Khi nắp buồng làm mát mở ra dưới luồng khí nitơ tinh khiết thổi xối xả, một kiệt tác của ngành luyện kim vi mô hiện ra trước mắt mọi người.

Đó là một thỏi silicon đơn tinh thể hình trụ tròn đồng trục, dài một mét hai, đường kính hai trăm milimét, nặng hơn tám mươi lăm kilôgam. Toàn bộ bề mặt thỏi tinh thể nhẵn bóng, ánh lên màu đen xám kim loại thăm thẳm như mắt đại bàng. Bốn đường gờ tinh thể học thẳng tắp chạy dọc thân thỏi từ đỉnh xuống đáy chứng minh cấu trúc mạng nguyên tử định hướng (100) đã được bảo toàn trọn vẹn suốt hành trình kéo.

Chú Bảy tháo găng tay, rón rén đưa đầu ngón tay chạm nhẹ vào phần đế thỏi tinh thể đã nguội hẳn:

"Đẹp quá bay ơi... Mịn màng như ngọc thạch thế này thì tiện bạc tiện trục cơ khí ngày xưa làm sao sánh nổi!"

"Bác Bảy chuẩn bị máy cắt dây kim cương cho cháu." Nam cười rạng rỡ, quay sang phân xưởng gia công mài cắt wafer bên cạnh.

Thỏi silicon được đưa lên bàn gá của máy cưa dây kim cương siêu mảnh (Diamond Wire Saw). Một sợi dây thép chuyên dụng đường kính chỉ tám mươi micrômet, phủ kín bụi kim cương công nghiệp kích thước mười micrômet, chuyển động tịnh tiến qua lại với vận tốc bốn mươi mét mỗi giây dưới vòi phun dung dịch làm mát gốc nước.

Từng lát cắt ngọt lịm đi qua khối silicon cứng giòn. Sau mười lăm phút gia công, tấm wafer silicon đầu tiên rơi nhẹ nhàng vào khay đệm teflon.

Lê Vân dùng kẹp chân không gắp tấm wafer lên, đưa qua bể rửa siêu âm và lau khô bằng khí nitơ nóng.

Đó là một đĩa tròn đường kính hai trăm milimét, độ dày chỉ bảy trăm hai mươi lăm micrômet. Dưới ánh đèn huỳnh quang của phòng sạch, bề mặt tấm wafer phẳng lỳ như mặt nước hồ mùa thu, phản chiếu ánh sáng thành những dải cầu vồng quang phổ rực rỡ sắc màu.

"Độ nhám bề mặt sau cắt lát đo bằng máy đo biên dạng quang học đạt năm mươi nanomét." Lê Vân mừng rỡ khi nhìn vào màn hình trắc đạc. "Mạng tinh thể không có vết nứt tế vi. Đây là tấm wafer silicon tám inch đầu tiên do chính bàn tay người Việt Nam kéo và cắt lát!"

Nam đón lấy tấm wafer từ tay Vân. Miếng đĩa silicon mỏng manh nằm gọn trong lòng bàn tay anh, nhẹ bẫng nhưng mang sức nặng của cả một khát vọng công nghiệp tự chủ. Từ mỏ cát Cam Ranh đến tấm wafer này là một hành trình vượt qua hàng nghìn rào cản công nghệ mà các liên minh ngoại quốc từng tin rằng người Việt Nam không bao giờ vượt qua nổi.

Quả cầu hợp kim AI Khởi Nguyên trong túi áo Nam rung lên từng nhịp mạnh mẽ, tỏa ra luồng sóng ấm áp:

*Ghi nhận thành tựu kéo thỏi đơn tinh thể Czochralski 8 inch và cắt lát wafer silicon đầu tiên. Mạng tinh thể (100) đạt chuẩn vi điện tử. Điểm Ảnh Hưởng Kỷ Nguyên Bán Dẫn: +200 điểm. Tiến độ Cấp 2: 450/15.000 điểm.*

Nam giơ tấm wafer lên cao ngang tầm mắt. Ánh bình minh xuyên qua lớp kính phòng sạch rọi lên mặt đĩa silicon, ánh lên vầng hào quang rực rỡ tựa như một tấm gương phản chiếu bình minh của ngành công nghệ bán dẫn Việt Nam.