Trong thế giới công nghệ hiện đại, mọi con chip nhỏ bé đều được tạo ra bởi hàng trăm bước chế tạo khác nhau diễn ra trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ đến mức gần như tuyệt đối. Người ta thường nhắc nhiều đến các hệ thống lithography trị giá hàng trăm triệu USD, các buồng phản ứng CVD/ALD tinh vi với khả năng điều khiển lớp màng ở cấp độ angstrom hay những máy khắc plasma thế hệ mới. Tuy nhiên, phía sau các công nghệ hào nhoáng ấy, tồn tại một “hạ tầng thầm lặng” gồm hàng nghìn thiết bị phụ trợ bảo đảm cho mọi quy trình diễn ra hoàn hảo: từ điều khiển khí, chất hóa học, chân không, môi trường sạch, lưu trữ wafer, cho tới hệ thống cảnh báo an toàn, chống rung, vận hành robot tự động, kiểm soát nhiễm bẩn hạt nano, ion kim loại hay độ ẩm cực thấp. Nếu không có hệ thống phụ trợ này, mọi thiết bị chính – dù đắt tiền và hiện đại đến đâu – đều không thể vận hành đúng cách.

Ngành bán dẫn đặc biệt ở chỗ mọi yếu tố hạ tầng, dù nhỏ nhất, đều có thể quyết định tỷ lệ yield. Một sai sót từ bộ điều khiển lưu lượng khí, một vài hạt bụi vượt chuẩn, một dao động rung không được triệt tiêu, hay một sai lệch vài phần triệu trong kiểm soát áp suất cũng có thể khiến cả lô wafer trị giá hàng trăm nghìn USD bị loại bỏ. Đó là lý do hệ thiết bị phụ trợ (semiconductor supporting equipment) được xem là xương sống của toàn bộ fab bán dẫn.

Trong bài viết dài này, chúng ta sẽ đi sâu vào bức tranh toàn diện của hệ thống thiết bị phụ trợ trong nhà máy sản xuất chip hiện đại — từ cleanroom, khí, hóa chất, chân không, điều khiển nhiệt, tự động hóa vật liệu cho đến phòng an toàn, giám sát môi trường nano-scale… để thấy được vì sao đây chính là phần chiếm >50% giá trị đầu tư của một fab nhưng lại ít khi được nhắc đến.

1. Cleanroom – Trái tim của toàn bộ nhà máy bán dẫn

Nếu lithography là “bộ não” của sản xuất bán dẫn, thì cleanroom (phòng sạch) chính là trái tim nuôi dưỡng và bảo vệ mọi quy trình. Không có môi trường sạch, thiết bị không thể hoạt động, wafer không thể xử lý, màng mỏng không thể đạt độ chính xác atom-level.

1.1. Cấp độ sạch và yêu cầu khắt khe

Trong sản xuất chip, phòng sạch được phân loại theo tiêu chuẩn ISO Class, trong đó:

• ISO Class 1: chỉ cho phép 10 hạt bụi ≥0,1 µm trên mỗi mét khối khí.
• ISO Class 3–5: dùng cho lithography, khắc plasma, lắng đọng màng tiên tiến.
• ISO Class 6–7: dùng cho các công đoạn phụ trợ hoặc đóng gói.

Một hạt bụi chỉ lớn khoảng 0,5 µm cũng đủ che kín vài chục transistor trong tiến trình 5 nm hoặc 3 nm, gây chập mạch hoặc chết die. Do đó, hệ thống phòng sạch là thiết bị nền tảng quan trọng nhất.

1.2. Thiết bị phụ trợ cho cleanroom

FFU (Fan Filter Unit)

FFU là module quạt – lọc HEPA/ULPA tạo luồng khí sạch tiếp tục từ trần xuống sàn. Các FFU được bố trí thành hàng nghìn điểm trong một fab để đảm bảo lưu lượng khí thay đổi 300–600 lần/giờ.

Air Shower & Material Airlock

Khu vực “khử bụi” cho kỹ thuật viên và vật liệu trước khi vào phòng sạch. Air shower thổi luồng khí tốc độ cao giúp giảm 95–99% bụi bám trên áo bảo hộ.

Pass Box / Pass Through Cabinet

Cho phép chuyển vật liệu, wafer box, linh kiện hoặc dụng cụ vào phòng sạch mà không làm xáo trộn áp suất hoặc mang theo bụi.

Hệ thống HVAC Cleanroom

Điều khiển:

• Nhiệt độ (±0.1 °C)
• Độ ẩm (±1% RH)
• Áp suất chênh lệch giữa các zone
• Tốc độ dòng khí laminar

Anti-vibration Floor (Sàn chống rung)

Rung động cỡ nano có thể phá hỏng pattern trong lithography hoặc gây méo mặt phẳng wafer khi CVD/ALD. Fab thường đặt trên hệ sàn chống rung nhiều lớp hoặc hệ giảm chấn chủ động.

Ionizer – Thiết bị khử tĩnh điện

Trong môi trường độ ẩm thấp, wafer dễ tích điện, gây hút bụi hoặc phóng tĩnh điện làm hỏng transistor.

Tất cả hệ thống này vận hành 24/7, chiếm 40–50% tổng mức tiêu thụ năng lượng của fab.

2. Hệ thống khí siêu tinh khiết (UPG – Ultra-Pure Gas) và thiết bị phụ trợ

Khí là một trong những “nguyên liệu sống” của sản xuất bán dẫn. Khí được sử dụng trong lắng đọng, khắc plasma, cấy ion, làm sạch buồng phản ứng, kiểm soát áp suất và nhiều công đoạn khác.

2.1. Các loại khí dùng trong chế tạo chip

• Khí quá tinh khiết (UHP): N₂, O₂, Ar, He, H₂ với độ tinh khiết 99.9999%
• Khí ăn mòn/khả phản ứng: Cl₂, HCl, HBr, NF₃
• Khí tiền chất (precursor): SiH₄, NH₃, WF₆, TEOS
• Khí cho plasma: CF₄, CHF₃, SF₆
• Khí dopant: B₂H₆, PH₃, AsH₃

2.2. Hệ thống thiết bị phụ trợ điều khiển khí

Gas Cabinet & Valve Manifold Box (VMB)

Gas cabinet là khoang chứa và điều khiển bình khí độc/toxic. VMB dùng để phân phối khí đến từng buồng xử lý.

Mass Flow Controller (MFC)

Thiết bị điều khiển lưu lượng khí với độ chính xác ±0.1% — một sai lệch nhỏ có thể làm lệch độ dày màng hoặc tốc độ khắc.

Purifier & Getter Filter

Loại bỏ tạp chất xuống cấp ppb hoặc ppt.

Leak Detector – Máy phát hiện rò khí

Rò rỉ khí độc có thể gây tai nạn nghiêm trọng, nên LD sử dụng mass spectrometer để phát hiện rò rỉ cực nhỏ.

Scrubber – Hệ thống xử lý khí thải

Chuyển hóa và làm sạch khí độc trước khi thải ra môi trường.

Gas Sensor & Toxic Gas Monitoring

Mạng lưới cảm biến CO, HF, HBr, PH₃… lắp khắp fab để cảnh báo sự cố.

Hệ thống này vận hành liên tục để cấp khí đúng lưu lượng, áp suất, độ tinh khiết và nhiệt độ cho các buồng CVD/ALD/RIE.

3. Hệ thống hóa chất siêu sạch và thiết bị xử lý

Công đoạn wet cleaning, wet etching, CMP hay photoresist đều sử dụng hóa chất tinh khiết cao (UPW và UP Chemical).

3.1. UPW – Nước siêu tinh khiết

UPW (Ultra-Pure Water) có độ tinh khiết cao đến mức:

• Không chứa ion (conductivity < 0.055 µS/cm)
• Không chứa hạt nano
• Không chứa vi sinh
• TOC thấp hơn 1–5 ppb

Thiết bị liên quan tới UPW

• UF (Ultrafiltration)
• RO–EDI hệ nhiều cấp
• UV TOC remover
• Degasifier
• Distribution loop chống nhiễm bẩn
• Polish filter 0.02 µm

Nước tinh khiết chiếm >50% tổng lượng tiêu thụ của một fab.

3.2. Hóa chất ăn mòn, tẩy rửa và dung môi

Ví dụ:

• HF (khắc SiO₂)
• H₂SO₄–H₂O₂ (SPM)
• SC1/SC2 (công thức chuẩn RCA)
• Acetone – IPA (làm sạch photoresist)

Thiết bị phụ trợ hóa chất

• Chemical Delivery System (CDS)
• Chemical Blend Unit – pha hóa chất tự động
• Chemical Recirculation – tuần hoàn duy trì độ tinh khiết
• Chemical Filter Unit – lọc 5–20 nm
• Fume Hood & Wet Bench – xử lý mẫu trong môi trường an toàn
• Chemical Drain & Neutralization – trung hòa acid/base trước khi thải

Tất cả đều phải tương thích vật liệu (PTFE, PFA, PVDF) để chịu được hóa chất mạnh.

4. Hệ thống chân không, bơm, van và thiết bị hỗ trợ buồng xử lý

Hầu hết các công đoạn như CVD, ALD, PVD, RIE, ion implant đều yêu cầu chân không.

4.1. Thiết bị phụ trợ cho hệ chân không

Dry Pump / Turbomolecular Pump

• Dry pump tạo chân không thô.
• Turbo pump đạt chân không 10⁻⁶ – 10⁻⁸ Torr.

Các fab sử dụng hàng nghìn đơn vị bơm.

Vacuum Valve, Gate Valve, Throttle Valve

Điều khiển chính xác áp suất trong buồng phản ứng.

Pressure Controller & Gauge

Cảm biến độ chính xác cao như Baratron (MKS).

Foreline Trap & Particle Filter

Ngăn hơi dầu hoặc hạt từ bơm đi vào buồng xử lý.

Vacuum Line Heating

Gia nhiệt đường ống để tránh ngưng tụ tiền chất.

Hệ thống này phải hoạt động ổn định 24/7 để thiết bị chính không bị downtime.

5. Hệ thống nhiệt – cooling – cryogenic và ổn định nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến tính đồng đều lớp màng và tốc độ phản ứng hóa học.

5.1. Thiết bị phụ trợ về nhiệt

Chiller Cooling System

Duy trì nhiệt độ nước làm mát cho thiết bị lithography, RIE, laser, nguồn RF.

Heat Exchanger

Trao đổi nhiệt giữa các loop nước/khí.

Thermal Control Unit (TCU)

Điều khiển nhiệt độ buồng xử lý với sai số ±0.01 °C.

Cryogenic System (LN₂ Supply)

Cung cấp nitơ lỏng để:

• Làm lạnh bẫy lạnh (cold trap)
• Giảm nhiễu trong hệ đo
• Ổn định nhiệt trong buồng
• Tạo môi trường khô tuyệt đối (dew point < –80 °C)

Hot Plate / Bake System

Dùng trong lithography để tiền xử lý và hậu xử lý photoresist.

6. Tự động hóa vật liệu (AMHS – Material Handling System)

Trong fab hiện đại, kỹ thuật viên gần như không chạm vào wafer. Việc vận chuyển giữa các thiết bị được tự động hóa hoàn toàn.

6.1. Thiết bị phụ trợ AMHS

FOUP & FOSB

Hộp chứa wafer 300 mm, chống nhiễm hạt, chống tĩnh điện, có mã RFID.

Load Port & EFEM Module

Giao diện giữa FOUP và thiết bị xử lý.

OHT (Overhead Hoist Transport)

Robot treo trên trần vận chuyển FOUP.

AGV/AMR Robot

Vận chuyển FOUP ở tầng dưới.

Stocker System

Kho chứa FOUP tự động.

Sorter & Aligner

• Sorter phân loại wafer.
• Aligner căn chỉnh notch wafer.

Hệ thống AMHS giúp tăng năng suất, giảm nhiễm bẩn và ngăn lỗi xử lý thủ công.

7. Hệ thống CMP phụ trợ

CMP (Chemical Mechanical Polishing) phụ thuộc nhiều vào thiết bị phụ trợ.

7.1. Slurry Delivery System

Cung cấp slurry (SiO₂, CeO₂, Al₂O₃) với nồng độ và tốc độ dòng ổn định.

7.2. Pad Conditioning Unit

Duy trì bề mặt pad đồng nhất, tăng đồng đều đánh bóng.

7.3. Rinse & Dry Station

Rửa wafer bằng UPW để loại bỏ slurry còn sót.

7.4. Waste Management

Thu gom và xử lý slurry đã qua sử dụng.

8. Hệ thống kiểm soát nhiễm bẩn – Particle, AMC, Ion, Vi sinh

Nhiễm bẩn là kẻ thù lớn nhất của sản xuất chip.

8.1. Particle Monitoring

Dùng cảm biến laser để đếm số hạt trong khí, trên wafer, trong buồng xử lý.

8.2. AMC Monitoring (Airborne Molecular Contamination)

Kiểm tra hơi hóa chất cực thấp (ppt), ví dụ:

• Ammonia
• Sulfur
• VOC
• Acid/alkaline vapors

AMC có thể ăn mòn thấu kính lithography hoặc ảnh hưởng photoresist.

8.3. Ion Contamination Monitoring

Đo ion kim loại (Na⁺, K⁺, Ca²⁺…) trong UPW hoặc trên bề mặt wafer.

8.4. Bio-control – kiểm soát vi sinh

Trong hệ thống UPW phải loại bỏ toàn bộ vi khuẩn vì chúng sinh ra hạt nano khi chết và phân rã.

9. Thiết bị phân tích – đo lường phụ trợ

Ngoài các thiết bị chính như SEM, AFM hay ellipsometer, fab còn có hệ thống đo phụ trợ.

Surface Particle Scanner

Film Thickness Monitor

Sheet Resistance Tester

Wet Chemical Analyzer

Critical Dimension SEM (CD-SEM) phụ trợ

Environmental Monitoring Station

Helium Leak Detector

Chúng không trực tiếp tạo ra chip nhưng đảm bảo chip đạt yêu cầu thiết kế.

10. Hệ thống an toàn – EHS liên quan thiết bị phụ trợ

Ngành bán dẫn sử dụng nhiều khí độc, hóa chất mạnh, điện áp cao và laser công suất lớn.

Thiết bị phụ trợ EHS gồm:

• Toxic Gas Monitoring System
• Emergency Ventilation
• Fire Suppression System
• FM-200 hoặc Novec 1230 cho phòng chứa thiết bị
• Exhaust Ducting chống ăn mòn
• Spill Containment (bẫy rò hóa chất)
• PPE Smart-locker
• Camera giám sát nhiệt

An toàn không phải lựa chọn mà là bắt buộc trong mọi fab.

11. Hệ thống điện – năng lượng – UPS cho thiết bị

Fab tiêu thụ điện tương đương một thành phố nhỏ.

Thiết bị phụ trợ nguồn điện

UPS & Flywheel

Giúp thiết bị không tắt đột ngột khi mất điện.

Sub-Fab Power Distribution

Phân chia nguồn tới từng buồng xử lý.

Hệ thống tiếp địa chống nhiễu

Với lithography và đo lường, nhiễu điện rất dễ gây sai lệch.

12. Tại sao thiết bị phụ trợ lại quan trọng đến vậy?

Fab 3 nm hoạt động trong điều kiện gần như phi thực:

• Không khí sạch hơn phòng mổ khoảng 1.000 lần
• Độ ẩm, nhiệt độ, áp suất ổn định hơn phòng nghiên cứu
• Khí tinh khiết ở mức ppt
• Nước tinh khiết hơn cả nước dùng trong y sinh học
• Rung động nhỏ hơn dao động nguyên tử

Ngay cả một sai lệch nhỏ cũng phá hỏng cả dây chuyền.

Hệ thống thiết bị phụ trợ chính là lực lượng duy trì sự ổn định này — không phô trương, nhưng liên tục hoạt động phía sau. Không có chúng, công nghệ lithography EUV trị giá 200 triệu USD cũng chỉ là một khối sắt vô dụng.

13. Xu hướng phát triển thiết bị phụ trợ trong tương lai

13.1 Tự động hóa và robot hóa toàn phần (Full Automation & Full Robotics)

Trong các nhà máy sản xuất chip hiện đại, xu hướng lớn nhất là tiến tới tự động hóa hoàn toàn, tức mọi hoạt động liên quan đến vận chuyển wafer, quản lý FOUP, kết nối thiết bị và điều phối quy trình đều do robot và hệ thống điều khiển thông minh đảm nhận. Con người hạn chế tối đa tiếp xúc trực tiếp với wafer để tránh nhiễm bẩn hạt, ion kim loại, điện tích và sai sót vận hành.

Tự động hóa toàn phần bao gồm:

• Robot nội bộ thiết bị (EFEM robot, pick-and-place robot)
• Robot vận chuyển FOUP (OHT, AGV, AMR)
• Tự động hóa thao tác bằng AI (phân bổ FOUP, tối ưu luồng wafer)
• Hệ thống dự đoán lỗi, tối ưu năng suất tự động

Mục tiêu là nâng yield, giảm lỗi người dùng, giảm thời gian chuyển đổi lô wafer, tăng tốc độ sản xuất.

13.2 OHT và AMHS thông minh hơn, kết hợp AI điều phối FOUP

OHT (Overhead Hoist Transport)

OHT là hệ thống robot chạy trên trần nhà fab, có nhiệm vụ vận chuyển FOUP (hộp chứa wafer) giữa các thiết bị. OHT giúp di chuyển wafer nhanh, sạch và không gây rung.

AMHS (Automated Material Handling System)

AMHS là hệ thống tự động hóa toàn bộ việc lưu trữ – phân phối – theo dõi FOUP, bao gồm:

• OHT
• AGV/AMR
• Stocker (kho FOUP tự động)
• Sorter & Aligner

AI điều phối FOUP

Những fab thế hệ mới ứng dụng AI để:

• Tối ưu đường đi của OHT (giảm tắc nghẽn đường vận chuyển)
• Giảm thời gian chờ của thiết bị (idle time)
• Dự đoán nhu cầu FOUP tại từng máy
• Tự động “học” cách phân bổ FOUP để giảm thời gian chu kỳ (cycle time)

Nhờ AI, AMHS có thể vận hành giống một “mạng giao thông thông minh” trong fab.

13.3 Giảm AMC xuống cấp ppq (parts per quadrillion)

AMC (Airborne Molecular Contamination)

AMC là nhiễm bẩn phân tử trong không khí, gồm:

• Axit (HCl, HF)
• Base (NH₃)
• VOC (dung môi hữu cơ bay hơi)
• Hợp chất sulfur
• Metal-organic vapor

AMC có thể:

• Làm hỏng photoresist
• Gây ăn mòn thấu kính lithography
• Ảnh hưởng độ tinh khiết màng mỏng
• Làm tăng defect率

Đơn vị ppq (parts per quadrillion)

• 1 ppq = 10⁻¹⁵
• Tức là 1 phân tử tạp chất trên 1.000.000.000.000.000 phân tử khí.
  Đây là mức độ sạch gần như tuyệt đối.

Trong tiến trình 2 nm hoặc 1.4 nm tương lai, các hãng bắt đầu hướng tới kiểm soát AMC ở quy mô ppq để tránh nhiễu hóa học nano-scale.

13.4 Các vật liệu cho cleanroom được tối ưu để tự không phát thải (Low Outgassing Materials)

Trong phòng sạch, bản thân các vật liệu xây dựng, sàn, tường, đường ống, khung kim loại, lớp phủ, thiết bị… cũng có thể tự phát thải AMC hoặc hạt ở mức cực nhỏ – hiện tượng gọi là outgassing.

Để giảm outgassing:

• Dùng polymer cải tiến (PFA, PTFE cao cấp, FEP, PVDF)
• Dùng thép không gỉ xử lý đặc biệt
• Dùng lớp phủ oxide/hybrid tính ổn định cao
• Giảm sử dụng keo kết dính truyền thống

Vật liệu “tự không phát thải” giúp không khí trong phòng sạch ổn định hơn, ít AMC hơn và giảm nguy cơ nhiễm bẩn wafer.

13.5 Hệ thống tái chế UPW – Chemical – Heat Recovery

UPW Recycling

Nước siêu tinh khiết được tái sử dụng bằng cách:

• Thu hồi từ wet bench, CMP hoặc lithography
• Lọc – khử ion – tiệt trùng – đánh bóng lại
• Tái đưa vào hệ thống loop

Điều này giảm tiêu thụ nước – vốn là chi phí khổng lồ trong fab.

Chemical Recycling

Một số hóa chất như IPA, SPM, SC1/SC2 hoặc dung môi rửa có thể được tái chế bằng:

• Chưng cất phân đoạn
• Bộ lọc nano 5–20 nm
• Hệ thống hấp phụ nhiều tầng
• Phân hủy/khử ion tạp chất

Heat Recovery (thu hồi nhiệt)

Fab sinh ra rất nhiều nhiệt từ chiller, bơm, quạt, laser, RF.
Hệ thống thu hồi nhiệt:

• Tận dụng nhiệt nóng để làm ấm nước cấp
• Hỗ trợ HVAC
• Giảm phí năng lượng
• Tăng hiệu suất điều hòa

Tổ hợp “UPW – Chemical – Heat Recovery” giúp giảm chi phí vận hành (OPEX) hàng chục triệu USD mỗi năm.

13.6 Vật liệu chống ăn mòn cấp độ mới (PFA, modified PTFE)

PFA (Perfluoroalkoxy Alkane)

• Polymer fluor hóa hoàn toàn
• Khả năng chịu HF, HCl, NH₃, Cl₂, dung môi mạnh
• Không bị nứt, giòn ở nhiệt độ thấp
• Ra hạt cực ít (low-particle emission)

PFA được dùng trong:

• Bộ chứa hóa chất
• Ống dẫn
• Van, fitting
• Liner của wet bench

Modified PTFE (PTFE cải tiến)

PTFE (Teflon) truyền thống đã rất bền hóa học, nhưng phiên bản cải tiến có:

• Độ xốp thấp hơn → ít bẫy tạp chất
• Không phát thải AMC
• Bề mặt mịn hơn → không gây nhiễm hạt
• Chịu nhiệt tốt hơn

Các vật liệu này quan trọng vì hóa chất trong tiến trình 3 nm – 2 nm có tính phản ứng mạnh hơn, cần vật liệu “không tham gia phản ứng” và không phân hủy.

13.7 Power efficiency – Hiệu suất năng lượng của thiết bị phụ trợ

Một fab 2 nm tiêu thụ điện tương đương 50.000–100.000 hộ gia đình.
Để giảm chi phí và giảm nóng cục bộ, thiết bị phụ trợ buộc phải tăng hiệu suất năng lượng.

Power efficiency bao gồm:

• Chiller tiết kiệm năng lượng
• FFU/HEPA dùng động cơ EC (electronically commutated)
• Bơm chân không hiệu suất cao, ít nhiệt
• AMHS dùng động cơ siêu tiết kiệm
• HVAC tối ưu bằng AI
• Tạo nhiệt phân tán hợp lý để tránh tập trung vào một khu vực

Trong tiến trình tiên tiến, chỉ cần tăng vài °C trong khu vực sub-fab cũng có thể gây mất ổn định thiết bị chính. Vì vậy power efficiency không chỉ để tiết kiệm điện mà còn để bảo vệ yield.

14. Thiết bị phụ trợ – Hệ thống vận hành quan trọng của ngành bán dẫn

Khi nhìn vào một fab hiện đại, người ta thường ấn tượng với máy EUV khổng lồ hay hệ thống lắng đọng màng mỏng tinh vi. Nhưng sự thật là những thiết bị phụ trợ mới chiếm phần lớn không gian, chi phí và độ phức tạp.

• Chúng kiểm soát môi trường.
• Chúng bảo vệ wafer.
• Chúng cung cấp khí, hóa chất, chân không.
• Chúng vận hành tự động hóa lưu thông vật liệu.
• Chúng đảm bảo an toàn và tính liên tục.

Không có hệ thiết bị phụ trợ, mọi công nghệ tiên tiến nhất đều là vô nghĩa.