Bỉ Ngạn Hoa
Moderator
Các vật liệu mới và hóa chất tiên tiến sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong ngành sản xuất chip khi các công ty như TSMC và Intel đang đẩy công nghệ sản xuất hiện tại đến giới hạn.
Chia sẻ với hãng tin Nikkei Asia, James O'Neill, giám đốc công nghệ của nhà sản xuất vật liệu chip Entegris của Mỹ, cho biết không phải máy móc sản xuất chip nữa mà các vật liệu tiên tiến và giải pháp làm sạch đang đóng vai trò trung tâm trong việc biến các quy trình sản xuất hiện đại thành hiện thực.
“Ba mươi năm trước, chỉ cần thiết bị in thạch bản là đủ để làm cho bóng bán dẫn trên chip nhỏ hơn và cải thiện hiệu suất của thiết bị”, O'Neill nói. Kỹ thuật in thạch bản là quy trình chính trong sản xuất chip, dùng để in các mạch tích hợp lên chip. Một chiếc máy có thể in các mạch tích hợp này tốt đến mức nào thường xác định mức độ tiên tiến của chip.
“Nhưng hiện nay, tôi chắc chắn rằng đổi mới vật liệu mới là động lực chính để cải thiện hiệu suất trong sản xuất chip bán dẫn”, giám đốc công nghệ này cho biết thêm.
Kai Beckmann, Giám đốc điều hành mảng kinh doanh điện tử của Merck, cũng đồng tình với quan điểm đó. Beckmann nói: “Trong hai thập kỷ qua, các công cụ chế tạo chip là quan trọng nhất với lĩnh vực sản xuất bán dẫn. Nhưng hiện nay, việc sản xuất chip đã chuyển sang kỷ nguyên mới, được gọi là thời đại vật liệu. Các công cụ vẫn quan trọng, nhưng giờ đây vật liệu mới tạo nên sự khác biệt."
Beckermann cho biết bây giờ là thời điểm quan trọng không chỉ đối với bộ xử lý mà còn đối với lĩnh vực chip bộ nhớ, bao gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) và bộ nhớ flash 3D NAND.
Đối với chip xử lý, cuộc đua sản xuất hàng loạt tiến trình 2 nanomet diễn ra vào năm 2025, với những gã khổng lồ như TSMC, Samsung và Intel dẫn đầu. Theo các lộ trình phát triển, thậm chí những con chip phức tạp hơn cũng có thể sẽ xuất hiện trong vài năm tới.
Trong khi đó, những gã khổng lồ về chip nhớ như Samsung, SK Hynix và Micron đang nâng tầm cao mới với bộ nhớ 3D NAND flash, nhằm mục đích cuối cùng là sản xuất chip có tới 500 lớp. Ba công ty hiện đang sản xuất chip với hơn 230 lớp và đang nỗ lực sản xuất chip nhớ NAND flash hơn 300 lớp trong một đến hai năm tới. Chip nhớ có nhiều lớp hơn được xem là cao cấp hơn vì chúng cung cấp dung lượng lưu trữ lớn hơn. Công nghệ 3D DRAM cũng đang phát triển.
Những tiến bộ hơn nữa trong cả hai lĩnh vực vi xử lý và chip nhớ sẽ không chỉ đòi hỏi những công cụ phức tạp mà còn đòi hỏi cả một kho vật liệu tiên tiến mới. Ví dụ, việc chuyển sang sản xuất chip 2 nm đòi hỏi một kiến trúc chip hoàn toàn mới. Trong kiến trúc chip này, các bóng bán dẫn được xếp chồng lên nhau, đa chiều và phức tạp hơn so với cấu hình phẳng trước đó.
O'Neill so sánh việc áp dụng hóa chất vào bóng bán dẫn 3D tương tự như việc "phun sơn thành phố New York từ trực thăng. Bạn cần có khả năng kiểm soát các đặc tính của vật liệu trên đỉnh tòa nhà, dọc theo hai bên tòa nhà và trên đường phố. Bạn cần đảm bảo tính đồng nhất cần thiết để có thể dọn dẹp đường phố sau khi hoàn thành."
O'Neill cho biết, việc phát triển vật liệu cho các loại bóng bán dẫn mới được sếp chồng đa chiều đòi hỏi các vật liệu cải tiến "sẽ bao phủ mặt trên, mặt dưới và các mặt một cách đồng đều. Theo O'Neill, ngành công nghiệp bán dẫn đang nghiên cứu các cách thức để hiện thực hóa điều này.
Một cách khác mà hóa chất đang trở nên quan trọng hơn là đảm bảo chất lượng ổn định. Theo O'Neill, năng suất sản xuất - tỷ lệ phần trăm chip hoạt động được sản xuất trong một lô nhất định - đã trở nên cực kỳ quan trọng trong việc xác định đối thủ nào có khả năng cạnh tranh thương mại. Hóa chất có độ tinh khiết cao là điều cần thiết để đảm bảo sản xuất hoàn hảo và giảm thiểu sai sót.
Beckermann của Merck đưa ra một ví dụ khác về sự phát triển vật liệu của ngành: Đồng được sử dụng rộng rãi làm lớp dẫn điện trong các quy trình sản xuất chip hiện tại, nhưng để tạo ra những con chip nhỏ hơn và tiên tiến hơn bao giờ hết, ngành này đang khám phá các vật liệu mới như molypden. Ông nói: “Bạn cần một bộ vật liệu hoàn toàn mới để có thể tạo ra các tiến trình chip tiên tiến nhỏ hơn bao giờ hết”.
Sự đổi mới liên tục không hề rẻ. Theo ước tính của công ty tư vấn ngành công nghiệp chip International Business Strategies, một tấm wafer 2 nm có giá lên tới 30.000 USD, cao hơn 50% so với thế hệ trước, cụ thể là bộ vi xử lý tiên tiến 3 nm được sử dụng trong iPhone 15 Pro.
Chi phí khổng lồ là một lý do khiến các nhà sản xuất vật liệu chip dự đoán rằng các công ty bán dẫn lớn sẽ tiếp tục lớn mạnh hơn khi các chính phủ ở Mỹ, Trung Quốc, Châu Âu, Nhật Bản và Ấn Độ đẩy mạnh sản xuất chất bán dẫn trên đất liền. Không dễ để những người mới hoặc những người đến sau tham gia vào cuộc đua chip, và không ai trong số những người dẫn đầu ngày nay được cho là sẽ bỏ cuộc.
“Đó là một ngành sử dụng rất nhiều vốn,” Giám đốc điều hành Entegris Bertrand Loy nói với Nikkei Asia. "Tôi kỳ vọng những lực lượng tương tự sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai. Các công ty lớn hơn sẽ trở nên mạnh mẽ hơn và họ sẽ sẵn sàng tiếp tục đầu tư vì đó sẽ là nguồn lợi thế cạnh tranh của họ."
>> Cuộc chiến chip 2nm giữa ba ông lớn TSMC, Samsung và Intel
Chia sẻ với hãng tin Nikkei Asia, James O'Neill, giám đốc công nghệ của nhà sản xuất vật liệu chip Entegris của Mỹ, cho biết không phải máy móc sản xuất chip nữa mà các vật liệu tiên tiến và giải pháp làm sạch đang đóng vai trò trung tâm trong việc biến các quy trình sản xuất hiện đại thành hiện thực.
“Nhưng hiện nay, tôi chắc chắn rằng đổi mới vật liệu mới là động lực chính để cải thiện hiệu suất trong sản xuất chip bán dẫn”, giám đốc công nghệ này cho biết thêm.
Kai Beckmann, Giám đốc điều hành mảng kinh doanh điện tử của Merck, cũng đồng tình với quan điểm đó. Beckmann nói: “Trong hai thập kỷ qua, các công cụ chế tạo chip là quan trọng nhất với lĩnh vực sản xuất bán dẫn. Nhưng hiện nay, việc sản xuất chip đã chuyển sang kỷ nguyên mới, được gọi là thời đại vật liệu. Các công cụ vẫn quan trọng, nhưng giờ đây vật liệu mới tạo nên sự khác biệt."
Beckermann cho biết bây giờ là thời điểm quan trọng không chỉ đối với bộ xử lý mà còn đối với lĩnh vực chip bộ nhớ, bao gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) và bộ nhớ flash 3D NAND.
Đối với chip xử lý, cuộc đua sản xuất hàng loạt tiến trình 2 nanomet diễn ra vào năm 2025, với những gã khổng lồ như TSMC, Samsung và Intel dẫn đầu. Theo các lộ trình phát triển, thậm chí những con chip phức tạp hơn cũng có thể sẽ xuất hiện trong vài năm tới.
Trong khi đó, những gã khổng lồ về chip nhớ như Samsung, SK Hynix và Micron đang nâng tầm cao mới với bộ nhớ 3D NAND flash, nhằm mục đích cuối cùng là sản xuất chip có tới 500 lớp. Ba công ty hiện đang sản xuất chip với hơn 230 lớp và đang nỗ lực sản xuất chip nhớ NAND flash hơn 300 lớp trong một đến hai năm tới. Chip nhớ có nhiều lớp hơn được xem là cao cấp hơn vì chúng cung cấp dung lượng lưu trữ lớn hơn. Công nghệ 3D DRAM cũng đang phát triển.
Những tiến bộ hơn nữa trong cả hai lĩnh vực vi xử lý và chip nhớ sẽ không chỉ đòi hỏi những công cụ phức tạp mà còn đòi hỏi cả một kho vật liệu tiên tiến mới. Ví dụ, việc chuyển sang sản xuất chip 2 nm đòi hỏi một kiến trúc chip hoàn toàn mới. Trong kiến trúc chip này, các bóng bán dẫn được xếp chồng lên nhau, đa chiều và phức tạp hơn so với cấu hình phẳng trước đó.
O'Neill so sánh việc áp dụng hóa chất vào bóng bán dẫn 3D tương tự như việc "phun sơn thành phố New York từ trực thăng. Bạn cần có khả năng kiểm soát các đặc tính của vật liệu trên đỉnh tòa nhà, dọc theo hai bên tòa nhà và trên đường phố. Bạn cần đảm bảo tính đồng nhất cần thiết để có thể dọn dẹp đường phố sau khi hoàn thành."
O'Neill cho biết, việc phát triển vật liệu cho các loại bóng bán dẫn mới được sếp chồng đa chiều đòi hỏi các vật liệu cải tiến "sẽ bao phủ mặt trên, mặt dưới và các mặt một cách đồng đều. Theo O'Neill, ngành công nghiệp bán dẫn đang nghiên cứu các cách thức để hiện thực hóa điều này.
Một cách khác mà hóa chất đang trở nên quan trọng hơn là đảm bảo chất lượng ổn định. Theo O'Neill, năng suất sản xuất - tỷ lệ phần trăm chip hoạt động được sản xuất trong một lô nhất định - đã trở nên cực kỳ quan trọng trong việc xác định đối thủ nào có khả năng cạnh tranh thương mại. Hóa chất có độ tinh khiết cao là điều cần thiết để đảm bảo sản xuất hoàn hảo và giảm thiểu sai sót.
Beckermann của Merck đưa ra một ví dụ khác về sự phát triển vật liệu của ngành: Đồng được sử dụng rộng rãi làm lớp dẫn điện trong các quy trình sản xuất chip hiện tại, nhưng để tạo ra những con chip nhỏ hơn và tiên tiến hơn bao giờ hết, ngành này đang khám phá các vật liệu mới như molypden. Ông nói: “Bạn cần một bộ vật liệu hoàn toàn mới để có thể tạo ra các tiến trình chip tiên tiến nhỏ hơn bao giờ hết”.
Sự đổi mới liên tục không hề rẻ. Theo ước tính của công ty tư vấn ngành công nghiệp chip International Business Strategies, một tấm wafer 2 nm có giá lên tới 30.000 USD, cao hơn 50% so với thế hệ trước, cụ thể là bộ vi xử lý tiên tiến 3 nm được sử dụng trong iPhone 15 Pro.
Chi phí khổng lồ là một lý do khiến các nhà sản xuất vật liệu chip dự đoán rằng các công ty bán dẫn lớn sẽ tiếp tục lớn mạnh hơn khi các chính phủ ở Mỹ, Trung Quốc, Châu Âu, Nhật Bản và Ấn Độ đẩy mạnh sản xuất chất bán dẫn trên đất liền. Không dễ để những người mới hoặc những người đến sau tham gia vào cuộc đua chip, và không ai trong số những người dẫn đầu ngày nay được cho là sẽ bỏ cuộc.
“Đó là một ngành sử dụng rất nhiều vốn,” Giám đốc điều hành Entegris Bertrand Loy nói với Nikkei Asia. "Tôi kỳ vọng những lực lượng tương tự sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai. Các công ty lớn hơn sẽ trở nên mạnh mẽ hơn và họ sẽ sẵn sàng tiếp tục đầu tư vì đó sẽ là nguồn lợi thế cạnh tranh của họ."
>> Cuộc chiến chip 2nm giữa ba ông lớn TSMC, Samsung và Intel
