WAFER – TẤM GƯƠNG PHẢN CHIẾU CẢ THẾ GIỚI CHIP

Hùng Vũ

Sat, 23 Aug 2025

Khi nhắc đến vi xử lý, bạn có thể tưởng tượng đến một con chip nhỏ xíu nằm gọn trong lòng bàn tay. Nhưng ít ai biết rằng, hành trình của con chip ấy lại bắt đầu từ một tấm wafer hình tròn, mỏng như tờ giấy, trông như một tấm gương silicon.

Wafer là nơi chứa đựng toàn bộ sự sống của con chip – nơi hàng tỷ transistor được sinh ra cùng lúc, với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử.

1.   Wafer là gì?

Wafer là một tấm đĩa silicon tinh khiết có hình tròn, đường kính tiêu chuẩn trong ngành là 200 mm (8 inch) hoặc 300 mm (12 inch). Độ dày wafer thường dưới 1 mm – mỏng đến mức có thể bị uốn cong nhẹ.

Trên mỗi wafer, có thể chế tạo hàng trăm đến hàng ngàn vi mạch (die) cùng lúc bằng những quy trình chính xác và tự động hoá cực cao. Tưởng tượng wafer giống như một "cánh đồng silicon", nơi các "hạt giống thiết kế" được gieo trồng và phát triển thành thế hệ chip tiếp theo.

2.   Wafer được tạo ra như thế nào?

Quy trình sản xuất wafer bắt đầu từ silicon tinh khiết cấp điện tử (electronic-grade silicon) – đạt độ tinh khiết lên đến 99.9999999% (9N). Sau đó:

1. Tạo tinh thể silicon đơn (Single-Crystal Silicon)
   Bằng phương pháp Czochralski (CZ), một hạt mồi nhỏ được đưa vào chảy trong nồi silicon nóng chảy và được kéo lên chậm rãi, tạo thành một Ingot – thanh silicon đơn tinh thể, dài khoảng 1–2 mét.
2. Cắt lát (Slicing)
   Ingot được cắt ra thành từng lát cực mỏng (~775 μm) bằng dao cưa kim cương hoặc cưa dây (wire saw). Các lát này chính là wafer thô (raw wafer).
3. Mài phẳng & đánh bóng (Lapping & Polishing)
   Wafer được xử lý để đạt độ phẳng cực cao, độ nhám bề mặt chỉ còn vài nanomet – cần thiết để in mạch bằng ánh sáng với độ chính xác quang học.
4. Tẩy rửa & kiểm tra chất lượng
   Cuối cùng, wafer được làm sạch, khử ion, kiểm tra độ bền, độ phẳng, cấu trúc tinh thể, trước khi đưa vào các nhà máy chế tạo chip (fabs).

3.   Wafer trong nhà máy chế tạo chip

Sau khi hoàn thiện phần nền, mỗi wafer sẽ được đưa vào các dây chuyền chế tạo chip – nơi nó trải qua hơn 1000 bước xử lý trong nhiều tháng. Các bước này bao gồm:

• Oxidation – tạo lớp oxide mỏng cách điện trên bề mặt silicon
• Photolithography – dùng ánh sáng chiếu qua mask để in mẫu mạch
• Etching – khắc bỏ các vùng không mong muốn
• Ion Implantation – bắn ion để thay đổi tính chất điện của silicon
• Deposition – phủ các lớp kim loại, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn
• Chemical Mechanical Planarization (CMP) – đánh bóng lại bề mặt giữa các bước

Những bước này được lặp đi lặp lại hàng chục lần – vì con chip hiện đại có thể có 30–50 lớp mạch xếp chồng.

Mỗi lớp trên wafer là một phần nhỏ trong cấu trúc khổng lồ: transistor, dây nối, tụ điện, cổng logic, bộ nhớ...

4.   Wafer chứa bao nhiêu die?

Số lượng die (vi mạch riêng lẻ) trên một wafer phụ thuộc vào các yếu tố:

• Kích thước wafer (vd: 300 mm)
• Kích thước die (vd: 10 mm², 50 mm²)
• Tỷ lệ viền không sử dụng (edge loss) do hình tròn
• Khoảng cách kỹ thuật giữa các die
• Tỷ lệ hư hỏng (yield) do lỗi sản xuất

Ví dụ:
Với wafer 300 mm và die 50 mm², có thể sản xuất được khoảng 600 die.
Nếu yield là 80%, thì chỉ có khoảng 480 die đạt chuẩn – tức là hơn 100 die bị loại bỏ vì lỗi.
Mỗi die lỗi có thể gây mất mát hàng chục đến hàng trăm USD, đặc biệt với các chip cao cấp như CPU, GPU, SoC di động...

5.   Tại sao wafer càng lớn càng tốt?

Một nguyên tắc kinh tế cơ bản: wafer càng to → càng nhiều die → càng rẻ chi phí sản xuất trên mỗi die.

Lợi ích của wafer lớn:

• Giảm chi phí sản xuất mỗi die
• Tăng hiệu suất chế tạo
• Ít thao tác xử lý hơn để tạo ra cùng số lượng chip

Chính vì vậy, ngành công nghiệp đã dần chuyển từ 150 mm → 200 mm → 300 mm, và đã từng đặt nhiều kỳ vọng vào 450 mm wafer. Tuy nhiên, wafer 450 mm hiện vẫn chưa phổ biến vì chi phí đầu tư thiết bị mới quá cao và phức tạp kỹ thuật vượt trội.

6.   Một vài điều thú vị về Wafer

• Có những wafer chỉ dùng để test quy trình (test wafer) – không chứa die, chỉ kiểm tra lớp phủ, khắc, implant...
• Một wafer hoàn thiện có thể trị giá hơn 10,000 USD – thậm chí cao hơn với wafer EUV.
• Chiều cao tổng các lớp mạch trên wafer chỉ khoảng 5–10 micromet – mỏng hơn sợi tóc người.
• Wafer rất mỏng và dễ vỡ – nhiều nhà máy phải dùng robot vận chuyển trong phòng sạch cấp ISO 1.

7.   Wafer đi về đâu sau khi chế tạo?

Sau khi hoàn tất toàn bộ các bước chế tạo:

1. Dicing – wafer được cắt thành từng die riêng biệt bằng dao laser hoặc cưa kim cương
2. Testing – mỗi die được kiểm tra bằng thiết bị probe station để xác định có hoạt động tốt không
3. Packaging – các die đạt yêu cầu sẽ được đóng gói thành chip: Flip Chip, BGA, QFN, WLCSP…
4. Assembly – chip được gắn lên bảng mạch (PCB), tích hợp vào các sản phẩm điện tử cuối cùng như điện thoại, máy tính, xe điện...

8.   Mọi con chip đều bắt đầu từ một tấm gương silicon

Hành trình từ Wafer → Die → Flip Chip → Package → PCB → Thiết bị điện tử là hành trình hàng tỷ con transistor hợp tác trong không gian vài cm².

Mỗi lần bạn bật điện thoại, chơi game, xử lý ảnh hay gọi video, hãy nhớ rằng: mọi thứ bắt đầu từ một tấm wafer tròn xoe và lặng lẽ trong phòng sạch.

9.   Muốn hiểu sâu hơn?

Bạn từng thắc mắc vì sao mask có thể in hình lên wafer chính xác đến nanomet?
Hay muốn biết làm sao để một con chip được "thu hoạch" hiệu quả từ wafer mà không hỏng hóc?

Hãy đón đọc những bài viết tiếp theo trong chuỗi truyền thông kỹ thuật của IC Academy – nơi kiến thức vi mạch trở nên gần gũi và hấp dẫn hơn bao giờ hết.