Vì sao lại cắt CPU hay cảm biến máy ảnh hình chữ nhật ra từ một tấm hình tròn?

Một công đoạn thật lãng phí nguyên vật liệu và tốn kém về mặt tài chính, nhưng lại không có bất cứ cách nào hiệu quả hơn!

CPU và cảm biến hình ảnh là 2 thành phần ‘đầu não’ của máy tính và máy ảnh. Với máy tính, đây là thành phần xử lý trung tâm, có khả năng tính toán cũng như điều khiển hoạt động của tất cả các thành phần khác.

Với máy ảnh thì đây là thành phần thu nhận ánh sáng và biến nó thành tín hiệu số để có thể lưu trữ thành hình ảnh, thiếu nó thì ta không có nền công nghiệp nhiếp ảnh số hiện nay và tất cả mọi người vẫn sẽ sử dụng film cho nhu cầu lưu giữ hình ảnh của mình.

Trong bài viết tìm hiểu về việc tại sao smartphone lại có số ‘chấm’ cao hơn cả máy ảnh chuyên nghiệp, ta biết được rằng cảm biến bán dẫn không được làm riêng lẻ, mà được làm số lượng lớn trên một tấm silicone hình tròn được gọi là ‘wafer’ sau đó cắt nhỏ ra. Quá trình này không hề hoàn hảo, vì ai cũng biết cắt những tấm hình chữ nhật ra từ một vật hình tròn lúc nào cũng xảy ra dư thừa về nguyên vật liệu.

Một tấm wafer có thể làm được từ 20 – 24 cảm biến máy ảnh dạng Full-frame, dư thừa tới 36% diện tích; 80 cảm biến APS-C (crop x1.5) với độ dư thừa 18% và 244 cảm biến 1 inch với diện tích dư thừa là 12.6%. Dù có cắt nhỏ tới mấy, thì lúc nào cũng có diện tích bỏ đi vì có xếp hàng tỷ đường thẳng cũng không tạo ra được đường cong!

Những tấm wafer này tất nhiên cũng không hề rẻ. Hiện không có con số chính xác về giá bán của chúng, nhưng theo ước tính thì 1 tấm silicone chất lượng cao đường kính 8 inch có thể bán với mức giá lên tới 5000 USD. Vậy câu hỏi đặt ra là: Tại sao những tấm wafer này lại không được làm hình chữ nhật hoặc hình vuông ngay từ đầu, để khi cắt ra CPU và cảm biến hình ảnh không bị lãng phí nguyên vật liệu và dẫn đến tốn tiền?

Câu trả lời nằm ở cách những tấm này được chế tạo. Hình dạng đầu tiên của wafer bán dẫn không phải là hình tròn, mà là một ‘cục’ rất lớn hình trụ được gọi là thỏi silicone. Thỏi này được chế tạo bằng quy trình Czochralski, được phát minh bởi một nhà khoa học người Ba Lan mang tên Jan Czochralski.

Theo đó, silicone nguyên chất sẽ được nung chảy thành chất lỏng với độ tinh khiết rất cao (tủ lệ 1/10.000.000 nguyên tử không nguyên chất). Sau đó một thanh tinh thể silicone được gọi là ‘nhân’ được nhúng vào chất lỏng này, vừa được xoay vừa kéo lên từ từ. Càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên silicone dần bám vào nhân, nhờ có lực li tâm nên phân bố đều thành một ‘thỏi’ như như hình ảnh ở trên.

Sau khi thỏi này được để nguội, chúng sẽ được cắt thành các miếng nhỏ bằng lưỡi cắt kim cương với độ chính xác cao. Các tấm này sau khi được rửa sạch, đánh bóng thì sẽ trở thành một tấm ‘wafer silicone’, sẵn sàng cho các công đoạn xử lý để trở thành CPU, cảm biến máy ánh hay các bảng mạch tích hợp khác nhau.

Cách duy nhất mà cách nhà khoa học có thể tiết kiệm được chi phí trong quá trình này đó là tăng dần đường kính của thỏi silicone, đồng nghĩa với tăng đường kính của tấm wafer. Với kích thước lớn, người ta có thể làm được nhiều sản phẩm hơn trong 1 ‘mẻ’, từ đó tăng hiệu suất làm việc và giảm số tiền phải bỏ ra.

Dù hiệu suất có tăng đến mấy, thì giá thành tạo ra các sản phẩm này vẫn rất cao vì quá trình chế tạo phức tạp và có nhiều tiêu chuẩn cần được đảm bảo. Đó là lý do tại sao chỉ có một lượng nhỏ các nhà sản xuất CPU và cảm biến máy ảnh chất lượng cao Thế giới, chứ không phải ai có silicone (được lấy từ cát – một thứ có ở khắp mọi nơi) đều có thể làm được chúng.