Ngành công nghiệp bán dẫn đang bước vào kỷ nguyên của các tiến trình dưới 5nm và thậm chí 2nm. Khi kích thước transistor ngày càng thu nhỏ, yêu cầu về độ sạch của môi trường sản xuất cũng trở nên khắt khe hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, không phải mọi nguồn nhiễm bẩn đều có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Một trong những vấn đề âm thầm nhưng có sức ảnh hưởng lớn chính là Outgassing. 
Hiện tượng này có thể làm suy giảm chất lượng màng mỏng, tăng tỷ lệ lỗi trên wafer và ảnh hưởng trực tiếp đến Yield của nhà máy. Vì vậy, việc hiểu rõ Outgassing đang trở thành yêu cầu quan trọng đối với các kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực bán dẫn.
Outgassing là gì?
Outgassing là hiện tượng các phân tử khí hoặc hơi bị giữ trong vật liệu thoát ra môi trường xung quanh khi vật liệu được đặt trong điều kiện chân không hoặc nhiệt độ cao.
Các loại khí thường được giải phóng: 
Trong môi trường thông thường, những khí này thường không gây ảnh hưởng đáng kể. Tuy nhiên, trong các hệ thống sản xuất bán dẫn yêu cầu chân không cao hoặc siêu cao, chúng có thể trở thành nguồn nhiễm bẩn nghiêm trọng.
Outgassing xảy ra như thế nào?
Trên thực tế, hầu hết vật liệu đều hấp phụ một lượng hơi nước và khí nhất định từ môi trường xung quanh.
Khi buồng xử lý được hút chân không, áp suất giảm nhanh. Kết quả là các phân tử khí bắt đầu tách khỏi bề mặt vật liệu và đi vào không gian bên trong buồng.
Đồng thời, khi nhiệt độ tăng lên trong quá trình xử lý wafer, tốc độ khuếch tán khí bên trong vật liệu cũng tăng theo. Điều này khiến lượng khí thoát ra ngày càng nhiều.
Outgassing thường diễn ra thông qua ba cơ chế chính:
1. Desorption (Giải hấp phụ)
Các phân tử khí bám trên bề mặt vật liệu bị tách ra và đi vào môi trường chân không.
2. Diffusion (Khuếch tán)
Khí bị giữ bên trong cấu trúc vật liệu di chuyển dần ra bề mặt trước khi thoát ra ngoài.
3. Permeation (Thẩm thấu)
Khí từ môi trường bên ngoài xuyên qua vật liệu và xâm nhập vào hệ thống chân không.
Mặc dù lượng khí phát sinh rất nhỏ, nhưng tác động của chúng lại không hề nhỏ. Trong sản xuất chip hiện đại, áp suất thường đạt mức 10⁻⁶ đến 10⁻⁹ Torr. Do đó, chỉ một lượng tạp chất cực nhỏ cũng có thể làm thay đổi kết quả của cả quy trình.
Những nguồn phát sinh Outgassing phổ biến
Gioăng và vật liệu polymer
Các loại O-ring, cao su kỹ thuật hoặc nhựa công nghiệp thường hấp thụ hơi nước từ môi trường. Sau khi hệ thống được hút chân không, lượng hơi này sẽ dần được giải phóng.
Dầu chân không
Các hệ thống sử dụng bơm dầu có thể tạo ra hiện tượng backstreaming. Khi đó, hơi dầu quay trở lại buồng xử lý và trở thành nguồn nhiễm bẩn tiềm ẩn.
Dây điện và vật liệu cách điện
Nhiều loại dây dẫn, lớp phủ bảo vệ hoặc keo dán chứa thành phần hữu cơ. Khi nhiệt độ tăng, các hợp chất này có thể phát sinh khí.
Kim loại và vật liệu graphite
Ngay cả thép không gỉ, nhôm hay graphite cũng có khả năng phát sinh khí nếu chưa được xử lý bề mặt đúng cách.
Con người
Dấu vân tay, dầu mỡ, bụi bẩn và độ ẩm từ người vận hành đều có thể trở thành nguồn Outgassing đáng kể.
Outgassing ảnh hưởng như thế nào đến sản xuất chip?
Gây nhiễm bẩn wafer
Các phân tử khí có thể bám lên bề mặt wafer. Từ đó, chúng làm thay đổi tính chất của lớp màng đang được hình thành.
Làm giảm chất lượng màng mỏng
Trong các quá trình PVD, CVD hoặc ALD, độ tinh khiết của môi trường xử lý đóng vai trò quyết định.
Nếu xuất hiện hơi nước hoặc oxy không mong muốn, chất lượng màng có thể bị ảnh hưởng. Cụ thể, hiện tượng này có thể dẫn đến:
- Giảm độ tinh khiết của màng
- Tăng điện trở suất
- Giảm độ bám dính
- Thay đổi thành phần hóa học
Tăng tỷ lệ lỗi sản xuất
Outgassing còn có thể gây ra nhiều dạng lỗi khác nhau.
Ví dụ:
- Particle contamination
- Defect trên wafer
- Pinhole trong màng mỏng
- Sai lệch thông số điện
Kết quả là Yield giảm và chi phí sản xuất tăng lên.
Kéo dài thời gian Pump Down
Lượng khí liên tục phát sinh khiến hệ thống mất nhiều thời gian hơn để đạt áp suất yêu cầu. Vì vậy, năng suất vận hành của thiết bị cũng bị ảnh hưởng.
Vì sao Outgassing ngày càng trở thành vấn đề nghiêm trọng?
Trong các tiến trình công nghệ trước đây, một lượng tạp chất rất nhỏ có thể chưa tạo ra ảnh hưởng rõ rệt.
Tuy nhiên, điều đó không còn đúng với các node tiên tiến như 7nm, 5nm, 3nm hay 2nm.
Khi kích thước transistor chỉ còn vài chục nguyên tử, mức độ sai lệch cho phép cũng giảm đáng kể. Do đó, ngay cả một lượng hơi nước hoặc hydrocarbon rất nhỏ cũng có thể dẫn đến:
- Rò rỉ dòng điện
- Sai lệch điện áp ngưỡng
- Giảm độ ổn định của transistor
- Suy giảm hiệu suất thiết bị
Chính vì vậy, các nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới đang đầu tư mạnh vào công nghệ chân không và kiểm soát nhiễm bẩn.
Làm thế nào để đo lường Outgassing?
Residual Gas Analyzer (RGA)
RGA là thiết bị được sử dụng phổ biến nhất để phân tích thành phần khí còn lại trong hệ thống chân không.
Thiết bị này có thể phát hiện các khí bị giải phóng.
Nhờ đó, kỹ sư có thể xác định chính xác nguồn gây nhiễm bẩn.
Rate-of-Rise Test
Phương pháp này đánh giá tốc độ tăng áp suất của hệ thống sau khi được cô lập khỏi bơm chân không.
Outgassing Rate Measurement
Đây là phương pháp được sử dụng để đánh giá khả năng phát sinh khí của từng loại vật liệu trước khi đưa vào môi trường chân không.
Các giải pháp kiểm soát Outgassing hiệu quả
Thực hiện Vacuum Bake-Out
Gia nhiệt hệ thống trước khi vận hành giúp loại bỏ hơi nước và khí hấp phụ trên bề mặt vật liệu.
Lựa chọn vật liệu phù hợp
Các vật liệu có tốc độ Outgassing thấp thường được ưu tiên, chẳng hạn như:
- Stainless Steel 304L
- Stainless Steel 316L
- Ceramic
- Aluminum Vacuum Grade
- Metal Seal
Làm sạch bề mặt kỹ lưỡng
Ngoài việc vệ sinh thông thường, nhiều nhà máy còn áp dụng:
- Electropolishing
- Ultrasonic Cleaning
- Plasma Cleaning
Sử dụng hệ thống chân không sạch
Các dòng bơm chân không khô giúp hạn chế nguy cơ nhiễm bẩn từ dầu. Đồng thời, chúng cũng góp phần nâng cao độ ổn định của quá trình sản xuất.
ULVAC Vietnam cung cấp các dòng bơm chân không chuyên dụng cho bán dẫn.
Công nghệ chân không và vai trò trong việc kiểm soát Outgassing
Trong ngành bán dẫn, việc kiểm soát Outgassing không chỉ phụ thuộc vào vật liệu mà còn liên quan chặt chẽ đến thiết kế của toàn bộ hệ thống chân không.
Từ bơm chân không, cryopump, buồng xử lý cho đến hệ thống lắng đọng màng mỏng, mọi thành phần đều cần được tối ưu nhằm hạn chế phát sinh khí và giảm nguy cơ nhiễm bẩn.
Đây cũng là lý do các nhà sản xuất bán dẫn thường ưu tiên những giải pháp được phát triển chuyên biệt cho môi trường chân không sạch.
Với nhiều thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực công nghệ chân không, ULVAC đã phát triển hệ sinh thái thiết bị phục vụ cho các công đoạn quan trọng của ngành bán dẫn. Danh mục này bao gồm bơm chân không khô, cryopump, hệ thống PVD, CVD và các thiết bị xử lý nhiệt chân không.
Đặc biệt, các giải pháp này được thiết kế để hỗ trợ kiểm soát tạp chất trong buồng xử lý. Nhờ đó, doanh nghiệp có thể duy trì môi trường sản xuất ổn định hơn và đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của công nghệ bán dẫn hiện đại.
Kết luận
Outgassing là một hiện tượng tự nhiên nhưng lại có thể gây ra những tác động đáng kể trong môi trường sản xuất bán dẫn.
Mặc dù khó quan sát bằng mắt thường, hiện tượng này có khả năng làm giảm chất lượng màng mỏng, tăng tỷ lệ lỗi trên wafer và kéo dài thời gian vận hành hệ thống chân không.
Vì vậy, việc kiểm soát Outgassing cần được xem là một phần quan trọng trong chiến lược kiểm soát nhiễm bẩn của nhà máy. Bên cạnh việc lựa chọn vật liệu phù hợp, doanh nghiệp cũng cần đầu tư vào các giải pháp chân không tiên tiến để duy trì độ sạch và tối ưu hiệu suất sản xuất trong dài hạn.
