Chương 40: Mặt Gương Bán Dẫn

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

Tác giả: · Thể loại: Đô Thị · Đăng ngày · 1789 từ · khoảng 9 phút đọc

Chín giờ sáng ngày thứ hai trăm mười ba, phân khu gia công tại xưởng Biên Hòa ngập tràn mùi dầu cắt gọt.

Ở trung tâm gian xưởng, cỗ máy mài phẳng hóa cơ học CMP-01 đặt trên bệ đá hoa cương nặng bốn tấn. Đây là thiết bị mài hóa cơ do nhóm kỹ sư của Nam và tổ thợ của chú Bảy chế tạo ròng rã suốt một tháng qua. Bệ máy bằng đá granit đen nguyên khối giúp triệt tiêu rung động cơ học tốt hơn gang đúc thông thường. Bốn chân đế của bệ máy gắn đệm cao su giảm chấn khí nén cách ly hoàn toàn với nền xưởng.

Chú Bảy quệt mồ hôi trên trán. Ông đưa tay vỗ nhẹ vào thân máy:

"Cụm trục quay đệm khí nén Air Bearing đã cân bằng động xong. Khi bàn mài quay ở tốc độ một trăm hai mươi vòng một phút, độ đảo trục chỉ là không phẩy không ba micrômet. Trục quay rất êm. Không hề có gợn rung."

Nam cúi người kiểm tra cụm đầu kẹp wafer ở phía trên:

"Độ đảo trục dưới không phẩy một micrômet là đạt yêu cầu. Yếu tố quyết định tiếp theo là áp lực ép xuống mặt đĩa. Chúng ta phải khống chế áp lực ở mức hai mươi kilopascal, tương đương ba psi. Nếu lực ép phân bố lệch giữa tâm và mép đĩa, tấm wafer sẽ bị mài lõm."

Kỹ sư Hoàng Tuấn nhanh nhẹn mở nắp cụm đầu kẹp, chỉ vào màng đệm khí nén đa vùng:

"Đầu kẹp được chia làm năm vùng áp suất độc lập. Mỗi vùng có van điều áp vi mô điều khiển bằng máy tính. Khi đĩa mài quay, cảm biến dòng xoáy Eddy Current sẽ đo độ dày lớp màng theo thời gian thực và tự động bù áp lực lên từng vùng riêng biệt."

Lê Vân bước vào gian máy. Cô bưng một can nhựa PTFE dung tích mười lít chứa chất lỏng màu trắng đục như nước vo gạo. Nụ cười tươi tắn nở trên môi cô:

"Em mang vữa mài hóa học Slurry đến rồi đây anh Nam."

Nam đón lấy can nhựa, mở nắp kiểm tra:

"Mẻ huyền phù silica điều chế từ tro trấu An Giang đạt chỉ số ra sao em?"

Vân giở tập báo cáo kiểm nghiệm hóa lý:

"Tro trấu đốt yếm khí ở sáu trăm độ C cho hàm lượng silica vô định hình đạt chín mươi tư phần trăm. Nhóm hóa của AIMR đã hòa tan tro trấu trong dung dịch kali hydroxit, kết tủa sol-gel có kiểm soát và loại bỏ tạp chất kim loại. Kết quả thu được các hạt nano-silica hình cầu phân tán tốt, đường kính trung bình ba mươi lăm nanomét. Độ sạch đạt cấp năm số chín, nồng độ ion natri và sắt dưới không phẩy một phần tỷ."

Nam gật đầu:

"Kích thước ba mươi lăm nanomét rất phù hợp. Chúng sẽ đóng vai trò như hàng triệu viên bi lăn vi mô gọt giũa bề mặt mà không cào xước mạng tinh thể."

Hai người cùng kiểm tra bề mặt đĩa mài xốp polyurethane gắn trên bàn quay. Tấm đệm mài có độ cứng sáu mươi Shore D, bề mặt dập nổi các rãnh đồng tâm sâu một milimét để phân phối vữa mài đều đặn. Kích thước lỗ xốp tế vi chừng năm mươi micrômet giúp giữ các hạt nano-silica tiếp xúc liên tục với bề mặt đĩa bán dẫn.

Quy trình mài phẳng hóa cơ học CMP kết hợp hai cơ chế: hóa học và cơ học.

Dung dịch kiềm nhẹ KOH với độ pH mười phẩy năm trong vữa mài phản ứng với bề mặt silicon dioxide của tấm wafer, tạo thành lớp gel silicat mềm dày vài nanomét. Ngay sau đó, các hạt nano-silica chuyển động dưới lực ép của đĩa mài bọt polyurethane sẽ bóc tách lớp gel nhô cao này đi. Quá trình bóc màng hóa học và gọt cơ học diễn ra đồng thời, san bằng mọi đỉnh gồ ghề trên bề mặt đĩa bán dẫn.

"Lắp đặt tấm wafer số mười tám và bắt đầu chu trình mài thử nghiệm!" Nam ra lệnh.

Tuấn dùng kẹp chân không đặt tấm wafer silicon tám inch đã phủ oxit vào đầu kẹp. Mặt có màng oxit hướng xuống dưới, tiếp xúc với bề mặt đĩa mài xốp dẻo màu nâu nhạt.

Đầu bơm nhu động nhỏ giọt vữa mài trắng đục với lưu lượng một trăm năm mươi mililít mỗi phút vào tâm đĩa mài. Cùng lúc đó, đĩa kim cương mài phục hồi bên cạnh quay chậm rãi để làm sạch bề mặt đệm mài, duy trì độ xốp của các lỗ khí vi mô giữ vữa.

Bàn mài granite bắt đầu chuyển động xoay tròn.

Tốc độ đạt một trăm vòng một phút. Đầu kẹp wafer quay ngược chiều ở tốc độ chín mươi lăm vòng một phút, đồng thời tịnh tiến qua lại theo bán kính đĩa mài. Tiếng máy chạy êm dịu khi vữa mài luân chuyển dưới áp lực đệm khí.

Trên màn hình giám sát, cảm biến dòng xoáy hiển thị đường cong tốc độ bóc mòn vật liệu:

*Tốc độ mài bóc lớp oxit: 180 nanomét mỗi phút.* *Nhiệt độ mặt tiếp xúc mài: 32 độ C.* *Hệ số ma sát động: 0.28.*

Hai phút ba mươi giây trôi qua nhanh chóng.

Đầu kẹp wafer nâng lên khỏi bàn mài. Cần phun nước siêu sạch DI xối mạnh cuốn trôi toàn bộ vữa mài bám trên bề mặt tấm silicon. Tấm wafer được chuyển sang buồng rửa sóng siêu âm Megasonic tần số một megahertz để tẩy sạch các hạt nano-silica còn sót lại trong các kẽ vi mô, rồi sấy khô bằng khí nitơ quay ly tâm.

Nam dùng kẹp gắp tấm wafer ra, đặt lên giá chống tĩnh điện.

Dưới ánh đèn huỳnh quang của phòng đo, bề mặt tấm wafer biến đổi rõ rệt. Sắc tím ánh lam của lớp màng oxit phản chiếu ánh sáng sắc nét. Hình ảnh trần nhà, từng bóng đèn, thậm chí từng sợi tóc của những người đứng quanh đều in bóng rõ mồn một trên mặt đĩa silicon, không hề có một vệt mờ hay gợn sóng nào.

"Giống như một mặt gương bằng thủy tinh đen." Chú Bảy trầm trồ, cúi sát mắt ngắm nghía chiếc đĩa tròn.

"Bề mặt sáng bóng mắt thường nhìn thấy vẫn chưa đủ." Nam nói với toàn đội. "Chúng ta đưa mẫu vào kính hiển vi lực nguyên tử AFM để đo độ nhám cấp độ nanomét."

Kính hiển vi lực nguyên tử AFM là thiết bị đo bề mặt nhạy bén tại Viện AIMR. Một đầu dò bằng silicon với bán kính chóp chỉ hai nanomét được gắn trên thanh công-xôn vi cơ học. Khi đầu dò quét ngang qua bề mặt mẫu vật, lực tương tác Van der Waals giữa các nguyên tử sẽ làm uốn cong thanh công-xôn, và chùm tia laser phản xạ sẽ ghi lại chuyển động này với độ phân giải dưới một phần mười angstrom.

Cả nhóm hồi hộp dõi theo từng bước quét của chùm tia laser.

Màn hình hiển thị hình ảnh ba chiều của bề mặt tấm wafer trên diện tích quét mười micrômet vuông.

Mặt phẳng hiện lên phẳng lặng tựa như mặt hồ không gợn sóng vào ngày lặng gió. Các đỉnh nhấp nhô nguyên tử phân bố đều đặn trong dải kích thước cực nhỏ.

Hệ thống tính toán đưa ra kết quả đo lường định lượng:

*Độ nhám trung bình bề mặt Ra: 0.16 nanomét.* *Độ nhám bình phương trung bình Rq: 0.21 nanomét.* *Độ chênh lệch đỉnh - đáy tối đa Rmax: 1.2 nanomét.* *Độ phẳng tổng thể toàn tấm TTV: dưới 0.3 micrômet.*

"Không phẩy mười sáu nanomét!" Tuấn reo lên, hai nắm tay siết chặt vì phấn khích: "Độ nhám bề mặt nhỏ hơn cả kích thước của một nguyên tử silicon đơn lẻ! Chúng ta đã đạt chuẩn mài phẳng gương của công nghệ bán dẫn!"

Lê Vân nắm chặt tay Nam, đôi mắt ngời sáng niềm xúc động:

"Độ gợn bề mặt chỉ một nanomét trên tấm wafer đường kính hai trăm milimét! Tỷ lệ phẳng này tương đương với một sân bóng đá mà độ nhấp nhô không vượt quá chiều dày của một sợi tóc! Máy quang khắc có thể lấy nét trọn vẹn bề mặt mà không lo hiện tượng quang sai lệch tiêu cự nữa rồi!"

Chú Bảy và các anh em thợ máy vỗ tay vang dội. Những người thợ cơ khí lành nghề của đất Biên Hòa hôm nay đã cùng các kỹ sư trẻ tạo nên một cỗ máy có độ chính xác chạm tới cấp độ nguyên tử.

Từ nguồn cát thạch anh Cam Ranh luyện thành silicon thô, qua tinh chế trichlorosilane đạt chuẩn bảy số chín, kéo thỏi đơn tinh thể Czochralski, cưa lát wafer dây kim cương, oxy hóa nhiệt tạo màng cách điện, tổng hợp màng cản quang từ phụ phẩm xơ dừa, và giờ đây là cỗ máy mài phẳng hóa cơ học CMP...

Mọi mắt xích cơ bản nhất của chuỗi chế tạo tấm nền bán dẫn đã được đội ngũ Khởi Nguyên kết nối hoàn chỉnh ngay trên mảnh đất Đồng Nai.

Dưới lồng ngực Nam, quả cầu AI Khởi Nguyên (Origin Core) rung lên từng nhịp mạnh mẽ, tỏa ra luồng năng lượng ấm áp:

*Chế tạo thành công máy mài phẳng hóa cơ học CMP-01 sử dụng vữa mài nano-silica từ tro trấu. Đạt độ nhám bề mặt wafer Ra 0.16 nanomét, hoàn thiện chuỗi sản xuất tấm wafer bán dẫn 8 inch.* *Thu nhận 200 Điểm Ảnh Hưởng Cấp 2. Tiến độ Cấp 2: 1.550/15.000 điểm.*

Nam quay sang nhìn toàn thể anh em kỹ sư và công nhân, ánh mắt tràn đầy sự tin tưởng và quyết tâm:

"Cảm ơn mọi người. Nền móng vật liệu và bề mặt wafer đã sẵn sàng. Tuần tới, chúng ta sẽ bước vào thử thách lớn nhất của ngành vi điện tử: căn chỉnh máy quang khắc tia cực tím để khắc những đường mạch đầu tiên."

Chú Bảy gật đầu chắc nịch:

"Phần bệ đá granit đệm khí cho cụm thấu kính máy quang khắc tôi và anh em thợ đã lên khung xong. Cứ giao cho xưởng Biên Hòa, bảo đảm chuẩn xác từng đường ren."

Lê Vân mỉm cười gật đầu, cẩn thận đặt tấm wafer mặt gương vào hộp bảo quản kín khí:

"Chúng em đã sẵn sàng."