Phòng thí nghiệm siêu sạch 5 triệu USD nghiên cứu công nghệ chiến lược
Khoa học
(Dân trí) - Trong quá trình chế tạo linh kiện bán dẫn, một hạt bụi siêu nhỏ cũng có thể gây khuyết tật trên sản phẩm. Vì vậy, mọi yếu tố đảm bảo độ sạch trong không gian này đều được kiểm soát nghiêm ngặt.
Phòng sạch thuộc Trung tâm Nano và Năng lượng, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội được đầu tư tổng kinh phí khoảng 5 triệu USD với mục tiêu phục vụ nghiên cứu, đào tạo nguồn nhân lực và từng bước làm chủ các công nghệ liên quan đến bán dẫn, vi mạch.
Tên gọi “phòng sạch” xuất phát từ yêu cầu kiểm soát gần như tuyệt đối các hạt bụi trong không khí. Với các cấu trúc bán dẫn có kích thước siêu nhỏ, chỉ một hạt bụi cũng có thể gây khuyết tật, ảnh hưởng đến cả quá trình chế tạo linh kiện.
TS. Đặng Văn Sơn, Trung tâm Nano và Năng lượng, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN) cho biết: “Lượng bụi trong phòng sạch được kiểm soát chặt chẽ bởi hệ thống máy móc và cảm biến, được kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ”.
Để duy trì độ sạch, không khí trong phòng được tổ chức theo luồng một chiều, đi từ trần xuống sàn hoặc theo một hướng cố định nhằm cuốn các hạt bụi ra khỏi khu vực làm việc.
Không khí trước khi đưa vào phòng phải đi qua hệ thống lọc HEPA hoặc ULPA. Trong đó, bộ lọc HEPA có khả năng loại bỏ ít nhất 99,97% hạt bụi kích thước từ 0,3 micromet, còn ULPA có thể lọc ít nhất 99,999% các hạt từ 0,12 micromet; đồng thời các yếu tố như áp suất, vật liệu tường, sàn, trần cũng được thiết kế để hạn chế bụi xâm nhập vào và dễ vệ sinh.
Trước khi bước vào khu vực chính, người làm việc còn phải đi qua phòng đệm, thay trang phục bảo hộ chuyên dụng và thực hiện các bước làm sạch theo quy định.
Sau khi mặc quần áo chuyên dụng, đeo khẩu trang, găng tay, giày bảo hộ đúng cách, người làm việc phải đi qua khoang thổi lọc bụi trước khi vào không gian chính.
Không gian chính được chia thành các khu vực có chức năng khác nhau, nổi bật là phòng trắng và vàng.
Phòng trắng là nơi bố trí nhiều thiết bị phục vụ chế tạo màng mỏng vật liệu, xử lý hóa chất, đo đạc và đánh giá đặc trưng của vật liệu, linh kiện như hệ thống buồng phún xạ đa súng (Sputtering system), thiết bị bốc bay chân không (Thermal Evaporation), thiết bị tạo màng mỏng bằng hơi hóa học và ăn mòn sâu đa buồng có hỗ trợ plasma (PECVD), hệ lò ôxi hóa và khuếch tán,…
Tại Trung tâm Nano và Năng lượng, phòng trắng đạt tiêu chuẩn ISO Class 4, tức cho phép dưới 10.000 hạt bụi kích thước 0,1 micromet trong một mét khối không khí.
Từ những lớp vật liệu được hình thành tại đây, mẫu sẽ tiếp tục trải qua nhiều công đoạn trước khi trở thành một vi linh kiện hoàn chỉnh.
Bên trong phòng sạch còn một không gian có màu sắc khác biệt hoàn toàn - gọi là "phòng vàng". Toàn bộ căn phòng được bao phủ bởi ánh sáng vàng, các nguồn sáng từ bên ngoài cũng phải được lọc lựa chỉ giữ lại dải bước sóng trong vùng ánh sáng vàng - đây là yêu cầu kỹ thuật xuất phát từ quy trình chế tạo linh kiện bán dẫn.
Tại Trung tâm Nano và Năng lượng, phòng vàng đạt tiêu chuẩn ISO Class 3, tức cho phép dưới 1.000 hạt bụi kích thước 0,1 micromet trong một mét khối không khí.
Hệ thống máy quang khắc được xem là thiết bị trung tâm trong toàn bộ hệ thống, có nhiệm vụ tạo hình các cấu trúc siêu nhỏ trên bề mặt vật liệu để hình thành linh kiện bán dẫn.
Một trong những sản phẩm nổi bật nhất mà Trung tâm từng nghiên cứu thành công là chip ảnh nhiệt với kích thước nhỏ nhất đạt 2 micromet, tương đương 2.000 nanomet và kích thước điểm ảnh 25x25 micromet, có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kiểm soát dịch tễ, điều khiển thông minh…, đặc biệt hữu dụng trong các ứng dụng an ninh, quốc phòng, phát hiện chuyển động của các vật thể có nhiệt độ cao hơn môi trường.
Phòng vàng đồng thời là một trong những khu vực đòi hỏi quy định an toàn nghiêm ngặt nhất tại phòng sạch.
Nhiều hóa chất phục vụ các công đoạn quang khắc, làm sạch và xử lý bề mặt có tính ăn mòn hoặc độc hại như Piranha (hỗn hợp của H2O2 với H2SO4 đậm đặc theo tỉ lệ 1:3), H2SO4 đặc, HCl… Chính vì thế khi thao tác phải thực hiện bên trong tủ chuyên dụng có ống hút khí độc bên trên và bể xả hoá chất bên dưới.
Người thao tác cũng phải đặc biệt cẩn thận, tuân thủ chặt chẽ quy định về sử dụng, bảo quản hóa chất và xử lý sự cố.
Không giống những dây chuyền công nghiệp được tự động hóa ở mức cao, nhiều công đoạn tại phòng sạch của Trung tâm được thực hiện thủ công. Theo GS.TS Nguyễn Hoàng Nam, Phó Trưởng khoa Vật lý, Giám đốc Trung tâm Nano và Năng lượng, đây lại chính là một lợi thế trong đào tạo.
Khi trực tiếp thực hiện từng bước từ tạo vật liệu, quang khắc đến xử lý hóa chất, người học có thể hiểu rõ quá trình làm ra linh kiện, kỹ năng vận hành thiết bị, phát hiện bất thường và xử lý những vấn đề phát sinh trong quá trình chế tạo.
“Sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh có thể tham gia trực tiếp vào các đề tài của giảng viên sau khi hoàn thành những yêu cầu về đào tạo và kiểm soát an toàn. Đã từng có thời điểm tổng số nghiên cứu viên, nghiên cứu sinh, học viên và sinh viên tham gia các hoạt động tại phòng sạch lên tới 60-70 người”, GS Nam cho biết.
Ngoài chip ảnh nhiệt, các hướng nghiên cứu đang được triển khai tại phòng sạch còn gồm chip cảm biến vi lưu sinh học, chip trở nhớ mô phỏng hoạt động của não và vật liệu mới cho transistor màng mỏng… Một số sản phẩm đã đạt độ hoàn thiện cao và đang từng bước tiến tới thương mại hoá.