Trong bối cảnh công nghệ toàn cầu, Đài Loan được mệnh danh là “Đảo Silicon”, không chỉ nhờ năng lực sản xuất chip mạnh mẽ mà còn nhờ vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu. Nhưng bạn đã bao giờ nghĩ rằng những con chip cốt lõi cung cấp năng lượng cho các thiết bị công nghệ cao như điện thoại thông minh, máy chủ AI và xe tự lái đều bắt nguồn từ chính lớp cát dưới chân chúng ta chưa?
Mục lục
Silic đến từ đâu? Câu trả lời nằm trong cát dưới chân chúng ta
Silic, một vật liệu chủ chốt trong sản xuất chất bán dẫn, không tồn tại trực tiếp trong tự nhiên. Thay vào đó, nó được phân bố rộng rãi trong cát dưới dạng silic dioxit (SiO₂). Điều này mang lại ý nghĩa cụ thể cho câu nói đầy chất thơ “một hạt cát, một thế giới” trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Mặc dù cát thông thường cũng chứa silic, nhưng công nghệ hiện đại đòi hỏi độ tinh khiết vật liệu cực kỳ cao. Do đó, ngành công nghiệp bán dẫn thường sử dụng một loại nguyên liệu thô chuyên dụng gọi là “cát thạch anh” hoặc “cát silic”. Loại cát này, được chiết xuất từ đá granit và thạch anh phong hóa, có thể chứa tới 95% silic. Không chỉ chứa rất ít tạp chất, các đặc tính vật lý của nó còn giúp nó phù hợp hơn cho các quá trình tinh chế và nấu chảy tiếp theo.
Tinh chế tinh thể: cát thạch anh → silic cấp luyện kim → silic đa tinh thể
Để biến silicon dioxide trong cát thạch anh thành các tấm wafer silicon hữu dụng, cần ba quy trình chính xác. Đây là một “kỹ thuật tinh chế tinh thể” hiện đại đòi hỏi quá trình làm nguội cực độ.
- Khử ở nhiệt độ cao
Các nguyên tử silic và oxy trong silic dioxit liên kết chặt chẽ đến mức không thể sử dụng trực tiếp. Do đó, trong lò hồ quang điện ở nhiệt độ trên 1800°C, cát thạch anh phản ứng với cacbon (như than đá hoặc mùn cưa) để tạo ra silic cấp luyện kim (MG-Si). Phản ứng khử là: SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑, với độ tinh khiết 98–99%. Mặc dù giai đoạn này có thể được sử dụng trong các vật liệu xây dựng công nghiệp như hợp kim và vật liệu xây dựng, nhưng vẫn còn kém xa độ tinh khiết cao cần thiết cho chất bán dẫn. - Tinh chế hóa chất Siemens
Để đạt được độ tinh khiết hơn 99%, MG-Si cần được chuyển đổi thành trichlorosilane (SiHCl₃) thông qua quá trình clo hóa, sau đó sử dụng phương pháp Siemens (còn được gọi là lắng đọng hơi hóa học CVD) để nung trichlorosilane đến khoảng 1100°C trong lò phản ứng hình chuông kín để hóa hơi. Thông qua phản ứng khử trong môi trường nhiệt độ cao, nguyên tố silic được giải phóng khỏi khí và lắng đọng chậm trên thanh gia nhiệt hoặc bề mặt lò, dần dần hình thành polysilicon có độ tinh khiết cao với cấu trúc tinh thể ổn định và rất ít tạp chất). Quá trình này có thể đạt đến mức 11N (độ tinh khiết lên đến 99,999999999%). Công nghệ này được Siemens và Wacker phát triển vào những năm 1950 và hiện chiếm hơn 75% đến 90% thị phần polysilicon cấp điện tử toàn cầu, với độ tinh khiết lên đến 10N~11N (cấp điện tử 99,99999999999%), giống như tinh chế đường nâu thành đường trắng siêu sạch.
Bước tiếp theo là bước vào quy trình thứ ba – phương pháp Czochralski, biến silicon đa tinh thể thành các tấm silicon đơn tinh thể.
Phương pháp Czochralski: silic đa tinh thể → thanh silic đơn tinh thể
Polysilicon với độ tinh khiết cực cao chỉ là một điểm dừng chân. Mặc dù có độ tinh khiết cao, polysilicon có hình dạng không đều và cấu trúc bên trong không có trật tự. Để trở thành silicon đơn tinh thể có thể sử dụng làm vật liệu wafer, nó cần được xử lý lại. Quy trình then chốt này được gọi là phương pháp Czochralski .
Quy trình Czochralski(Czochralski Process), còn được gọi là “Quy trình Czochralski”, được nhà khoa học người Ba Lan Jan Czochralski phát minh vào năm 1916. Quy trình này được áp dụng vào sản xuất chất bán dẫn vào những năm 1950 và hiện vẫn là phương pháp phát triển silicon đơn tinh thể chính thống.
Đầu tiên, silicon đa tinh thể có độ tinh khiết cao được nung nóng cho đến khi tan chảy hoàn toàn và đổ vào một nồi nung thạch anh chịu nhiệt độ cao. Tiếp theo, một “thanh hạt giống” làm bằng silicon đơn tinh thể được nhúng thẳng đứng vào chất lỏng silicon nóng chảy, trong khi tốc độ kéo và quay được kiểm soát chính xác.
Trong quá trình này, các nguyên tử silicon trong khối nóng chảy sẽ kết tinh từng lớp theo sự sắp xếp của các tinh thể mầm, sau đó phát triển thành một cấu trúc hoàn chỉnh không có ranh giới hạt thanh silicon đơn tinh thể. Thanh silicon này có thể có đường kính lên tới 30 cm và thậm chí dài hơn 1 mét. Nó trông giống như một “viên kẹo kéo” làm từ silicon. Thanh silicon đơn tinh thể hoàn chỉnh sẽ được cắt thành các tấm wafer silicon mỏng như giấy. Mỗi tấm wafer là điểm khởi đầu cho việc sản xuất chip và cũng là vật liệu cơ bản cho các thiết bị thông minh và máy tính cao cấp.
Đằng sau tấm wafer: Hỗ trợ toàn bộ AI và thế giới số
Bắt đầu từ những hạt cát tưởng chừng như nhỏ bé, quy trình này trải qua nhiều giai đoạn, bao gồm khử hóa học, tinh chế khí và kết tinh ở nhiệt độ cao, cuối cùng tạo ra các tấm wafer silicon chứa hàng tỷ bóng bán dẫn. Những tấm wafer này là lõi của phần cứng quan trọng trong các thiết bị thông minh, máy chủ và xe tự hành, đồng thời là nền tảng cho sức cạnh tranh công nghệ của Đài Loan.
Mỗi quy trình sản xuất không chỉ thể hiện độ chính xác khoa học mà còn đại diện cho trình độ tích hợp chuỗi công nghiệp của một quốc gia. Đài Loan là một trong số ít quốc gia có vị thế mạnh mẽ trong lĩnh vực thiết kế, sản xuất, đóng gói và tích hợp ứng dụng, mang lại danh tiếng cho “Đảo Silicon”.
Những thách thức bền vững và chuyển đổi trong tương lai
Với mục tiêu giảm phát thải ròng bằng 0 toàn cầu, mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải cao của phương pháp Siemens truyền thống đang bị đặt dấu hỏi. Các công nghệ mới nổi như Điện phân muối nóng chảy（Molten Salt Electrolysis）có thể vượt qua nút thắt kỹ thuật và tăng độ tinh khiết của silic tinh thể lên 4-5N, nhưng mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm 90%, và sản phẩm phụ là oxy, trở thành một giải pháp thay thế xanh.
Ngoài ra, FBR, tinh chế theo vùng, nấu chảy liên tục và các phương pháp khác hiện đang được thử nghiệm và dự kiến sẽ mang lại hiệu quả năng lượng và lợi ích môi trường cao hơn cho lĩnh vực vật liệu bán dẫn và năng lượng mặt trời trong tương lai.
Con đường Silicon cũng là con đường Đài Loan
Giữa sự phát triển mạnh mẽ của AI, 5G và điện toán hiệu năng cao, nhu cầu toàn cầu về wafer silicon chất lượng cao tiếp tục tăng trưởng, và Đài Loan từ lâu đã là trung tâm của chuỗi cung ứng. Hành trình từ cát đến wafer silicon vừa là sự tiến hóa của vật liệu, vừa là biểu tượng cho sức mạnh công nghệ của Đài Loan.
Như câu nói “một hạt cát, một thế giới”. Mỗi hạt cát đều ẩn chứa những khả năng vô hạn, và mỗi tấm wafer đại diện cho một câu chuyện làm thay đổi thế giới. Trong cuộc phiêu lưu công nghệ xây dựng những điều vĩ đại từ những điều nhỏ bé, Đài Loan chính là hòn đảo silicon đang nở rộ.
(Nguồn: Getty Images/iStockphoto)
Về mài mòn: Chúng tôi cung cấp các điều chỉnh tùy chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ theo nhu cầu gia công, nhằm đạt hiệu quả tối đa.
Hãy liên hệ với chúng tôi, sẽ có chuyên gia hỗ trợ giải đáp cho bạn.
Nếu cần báo giá tùy chỉnh, hãy liên hệ với chúng tôi.
Thời gian hỗ trợ khách hàng: Thứ Hai đến Thứ Sáu, từ 09:00 đến 18:00.
phone：07 223 1058
Nếu có chủ đề muốn tìm hiểu hoặc không thể nói rõ qua điện thoại, hãy nhắn tin trực tiếp qua Facebook nhé~~
honway fb：https://www.facebook.com/honwaygroup
Các bài viết mà bạn có thể quan tâm…
[wpb-random-posts]
