How are microchips made? - George Zaidan and Sajan Saini

Translator: Nhu Duong Reviewer: Trần Thái Hưng

This is a computer chip, magnified 500 times.

Đây là một con chip máy tính được phóng đại lên 500 lần.

What you’re looking at is the top of a computing city,

Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn thấy một thành phố từ trên cao,

with distinct neighborhoods for different functions.

với các khu riêng biệt cho các chức năng khác nhau.

They’re linked by up to 100 kilometers of ultra-thin copper lines,

Chúng được liên kết bởi các sợi dây đồng siêu mỏng dài đến 100 kilômét,

running across 10 or more stacked levels.

được xếp chồng lên nhau hơn 10 lớp.

At the very bottom, billions of electronic devices

Ở phía dưới đáy, hàng tỷ linh kiện điện tử

generate the digital traffic that pulses across the chip.

tác động lên các mạch để tạo xung cho con chip.

The most common of these devices is called a transistor;

Trong số các linh kiện này, linh kiện phổ biến nhất là bóng bán dẫn;

it’s a switch that allows current to flow if it receives a voltage.

nó là một công tắc cho phép dòng điện chạy qua nếu nhận được điện áp.

Transistors can be as small as 20 nanometers,

Các bóng bán dẫn có thể có kích thước nhỏ đến 20 nanômét,

and more than 50 billion of them can fit on a single chip.

và một con chip duy nhất có thể chứa hơn 50 tỷ bóng bán dẫn.

Globally, we produce more than a trillion computer chips every year.

Trên toàn cầu, ta sản xuất hơn một nghìn tỷ con chip máy tính mỗi năm.

That’s about 20 trillion transistors built every second,

Nghĩa là có khoảng 20 nghìn tỷ bóng bán dẫn được chế tạo mỗi giây,

and it’s done in fewer than 500 fabrication plants, known as fabs.

trong khi ta chỉ có ít hơn 500 nhà máy sản xuất chúng.

How do we build so many tiny, intricately-connected devices,

Làm thế nào để ta chế tạo được nhiều linh kiện siêu nhỏ, có kết nối phức tạp,

so incredibly fast?

với tốc độ nhanh đến như vậy?

The answer involves a technology called photolithography,

Câu trả lời nằm ở một công nghệ có tên là quang khắc,

which helps us build all the devices on a chip simultaneously.

một kỹ thuật giúp ta chế tạo tất cả linh kiện trên một con chip cùng một lúc.

It’s like constructing all the buildings in a city at the same time.

Nó giống với việc xây dựng tất cả toà nhà trong một thành phố cùng một lúc.

And with no tiny construction crews to help,

Dù không có đội ngũ chế tạo tí hon nào giúp đỡ,

we build using light as a measuring and sculpting tool.

ta vẫn có thể chế tạo chúng bằng cách dùng ánh sáng để đo lường và điêu khắc.

The process starts with a wafer of silicon,

Quá trình này bắt đầu với một tấm silicon mỏng,

which is doused in solvents and acids to strip it clean before entering a furnace.

được nhúng trong dung môi và axit để làm sạch trước khi cho vào lò.

Here, oxygen gas reacts with the wafer to form a layer of silicon dioxide.

Tại đây, khí oxy phản ứng với tấm silicon và tạo thành một lớp silica.

Then, a liquid called “photoresist” is spun on and baked to harden.

Sau đó, “chất cản quang” được phủ lên bề mặt và được làm nóng để cứng lại.

Next, ultraviolet light selectively illuminates the wafer,

Tiếp theo, tia cực tím sẽ chiếu sáng tấm silicon một cách có chọn lọc,

by passing through or reflecting off a specialized mask.

bằng cách chiếu qua hoặc phản xạ ngược lại từ một bức màn chuyên dụng.

In the lit areas, a reaction weakens the photoresist’s chemical bonds.

Phản ứng ở các khu được chiếu sáng làm yếu các liên kết hóa học của chất cản quang.

The wafer is doused in another chemical to wash away that weakened photoresist,

Tấm silicon được nhúng vào hóa chất khác để rửa trôi chất cản quang bị yếu đi này,

leaving an image of the mask.

rồi để lại hình thù của bức màn.

And an etching machine’s reactive gases remove the exposed oxide,

Và các khí phản ứng của máy khắc tiếp tục loại bỏ lớp oxit bên ngoài,

creating windows that drill the mask’s pattern down to the wafer surface.

sử dụng khuôn mẫu hình cửa sổ của bức màn để khắc xuống bề mặt của tấm silicon.

An implanter then accelerates boron or phosphorus ions

Sau đó, một máy cấy tăng nhanh lượng ion boron hoặc photpho

and slams them into the patterned openings.

và đẩy chúng vào các kẽ hở đã được khắc từ trước.

These atoms form electropositive or electronegative regions

Các nguyên tử này tạo thành các vùng điện dương hoặc điện âm

that change silicon’s conductivity,

làm thay đổi độ dẫn của silicon,

creating the foundation of the transistor switch.

tạo ra nền móng của công tắc bóng bán dẫn.

The etched oxide windows, however, create hill-and-valley features.

Tuy nhiên, các cửa sổ oxit đã được khắc lại khiến bề mặt này không mấy bằng phẳng.

Before the next level of copper lines are added,

Trước khi lớp dây đồng tiếp theo được thêm vào,

this one’s uneven lines must be polished flat,

các đường dây không đồng đều của lớp này cần được mài phẳng,

to near-atomic precision, using a sophisticated grinding process

với độ chính xác tuyệt đối bằng một quy trình mài tinh vi

called chemical mechanical polishing, or CMP.

được gọi là quy trình đánh bóng hóa cơ học, hoặc CMP.

CMP uses a controlled slurry of sub-micron ceramic particles

CMP sử dụng chất bùn của các hạt gốm siêu hiển vi

to gently scrape and flatten the bumpy features.

để nhẹ nhàng cạo và làm phẳng các chi tiết gồ ghề.

These fab tools, and many others, are used hundreds of times on a wafer,

Các công cụ này, và nhiều công cụ khác, được dùng hàng trăm lần trên tấm silicon,

to create and link transistors into computing logic gates,

để tạo và liên kết các bóng bán dẫn vào các cổng logic tính toán,

and to make connected neighborhoods for memory storage and computation.

và tạo ra các khu được kết nối với nhau để lưu trữ và tính toán bộ nhớ.

Fabs run around the clock,

Các nhà máy chạy suốt ngày đêm,

and it takes about three months to transform a single wafer from pure silicon

và phải mất khoảng ba tháng để biến đổi một tấm silicon từ silicon nguyên chất

into hundreds of chips.

thành hàng trăm con chip.

With this continuous operation,

Với hoạt động liên tục này,

fabs consume huge amounts of electricity, water, solvents, acids, bases,

các nhà máy tiêu thụ một lượng lớn điện, nước, dung môi, axit, bazơ,

process gases, and precious metals.

khí công nghệ và kim loại quý.

Wafers are processed in ultra-high purity tool chambers,

Các tấm silicon được xử lý trong các buồng công cụ có độ tinh khiết cực cao,

maintained by pumps running constantly,

được duy trì bởi các máy bơm chạy liên tục,

to sustain a vacuum that resembles deep space.

để duy trì khoảng chân không tương tự không gian sâu.

High-temperature furnaces never turn off.

Lò nhiệt độ cao không bao giờ tắt.

Fab air handlers constantly expel filtered air

Bộ xử lý không khí của nhà máy liên tục đẩy không khí đã lọc,

to corral dust and tiny particles away from wafers.

bụi bẩn và các vi hạt ra khỏi tấm silicon.

This takes a lot of electricity.

Quá trình này tiêu thụ rất nhiều điện.

The chemicals and purified water used in cleaning

Các hóa chất và nước tinh khiết được sử dụng để làm sạch

create nearly five gallons of waste per wafer run—

tạo ra gần năm gallon chất thải cho mỗi lần chế tạo tấm silicon—

which needs to be filtered and pH treated.

những chất cần được lọc và xử lý pH.

Meanwhile, CMP slurries are continually flushed with water

Trong khi đó, chất bùn từ CMP liên tục được xả sạch bằng nước

to keep their fine particles from forming chunks

để giữ cho các hạt mịn không tạo thành các khối

that would tear apart the fragile copper lines.

làm đứt gãy các đường dây đồng mỏng manh.

This adds five times more liquid waste.

Việc này làm tăng lượng chất thải lỏng gấp năm lần.

Fabs plow through vast amounts of nitrogen and helium gas to run their tools.

Các nhà máy dùng một lượng lớn khí nitơ và khí heli để vận hành các công cụ của họ.

And other gases used and generated in these tools are greenhouse contributors.

Và các khí khác được tạo ra từ đây là một phần của khí nhà kính.

To minimize their emission,

Để giảm thiểu khí thải,

machines called scrubbers decompose and dissolve some gaseous byproducts

họ có tháp rửa khí để phân hủy và làm tan rã một số phụ phẩm dạng khí

into treatable wastewater.

thành nước thải có thể xử lý.

That uses more electricity, and more water.

Việc đó lại sử dụng nhiều điện hơn, và nhiều nước hơn.

As computing complexity grows,

Khi máy tính càng phức tạp,

more copper and precious metals are needed to link up chips.

ta sẽ càng cần nhiều đồng và kim loại quý hơn để liên kết các chip.

And new problems arise:

Và ta phải đối mặt với vấn đề mới:

today, PFAS-based photoresists are essential to make ever-smaller features.

ngày nay, ta cần chất cản quang gốc PFAS để chế tạo các chi tiết nhỏ hơn nữa.

But PFAS waste in the environment is ending up in our bodies,

Nhưng chất thải PFAS trong môi trường lại đang dần đi vào cơ thể chúng ta,

and it may be harmful.

và nó có thể gây hại.

Computer chips are modern marvels that have transformed our world—

Chip máy tính là điều kỳ diệu tân tiến đã biến đổi thế giới của ta—

and the factories that build them are themselves engineering wonders.

và các nhà máy chế tạo chúng là những kỳ quan về kỹ thuật.

But as our demand for chips accelerates,

Nhưng khi nhu cầu cho chip tăng lên,

their fabrication is hitting hard sustainability limits.

quá trình chế tạo của họ lại đang thách thức giới hạn bền vững.

Already, some places are beginning to ration water to farmers,

Hiện tại, một số nơi đang bắt đầu phân phát nước cho nông dân,

in favor of running fabs.

để hỗ trợ việc điều hành nhà máy.

For the sake of the future of computing and our environment,

Vì lợi ích của máy tính và môi trường của ta trong tương lai

tomorrow’s leaner, cleaner, and greener fabs

nhà máy tinh gọn hơn, sạch hơn và xanh hơn của mai sau

will need to run even smarter than the very chips they build.

sẽ cần phải hoạt động thông minh hơn cả những con chip mà họ chế tạo.