Hóa học đằng sau những con chip: Cơ sở hạ tầng ẩn giấu của ngành bán dẫn

Đâu là thành phần ẩn giấu đằng sau mọi con chip tiên tiến? Đó không chỉ là silicon, máy móc hay các kỹ sư — mà chính là thế giới của các loại khí chuyên dụng giúp cho việc sản xuất chất bán dẫn hiện đại trở nên khả thi. Những hóa chất này được tinh chế đến mức độ phi thường, vận chuyển xuyên lục địa, và trong nhiều trường hợp, chúng còn là những chất độc hại và dễ cháy nổ.

Để hiểu về mảnh ghép nền tảng này trong hệ sinh thái bán dẫn, tôi đã mời đến đây Chris Miller, gương mặt quen thuộc của ChinaTalk và là tác giả cuốn "Chip War", cùng với nhà phân tích Aqib Zakaria của ChinaTalk, và Carl Jackson, đồng sáng lập kiêm giám đốc điều hành của SSoT Engineering và SSoT Gas. Carl đã dành hơn 25 năm làm việc tại trung tâm của ngành công nghiệp khí chuyên dụng, hoạt động khắp châu Á, Bắc Mỹ và châu Âu.

Chúng ta sẽ tìm hiểu những kiến thức cơ bản về các hóa chất đằng sau những con chip, xem cách Trung Quốc xây dựng một ngành công nghiệp khí bán dẫn đẳng cấp thế giới chỉ trong 15 năm, và thảo luận về những lỗ hổng trong chuỗi cung ứng hóa chất toàn cầu.

Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ bàn về lý do tại sao Đài Loan có thể là nơi tồi tệ nhất thế giới để đặt ngành công nghiệp bán dẫn cùng những rủi ro hiện hữu trong chuỗi cung ứng đi kèm, và sức hấp dẫn đáng ngạc nhiên của một sự nghiệp trong ngành khí công nghiệp.

Chris Miller: Carl, để bắt đầu, hãy cho chúng tôi biết về vai trò của heli trong quy trình sản xuất chip và tại sao việc đóng cửa eo biển Hormuz lại gây gián đoạn lớn cho ngành công nghiệp này đến vậy.

Carl Jackson: Về khía cạnh ứng dụng, heli được mọi nhà sản xuất bán dẫn sử dụng trong mọi nhà máy (fab) ở mọi nơi trên thế giới, và nó chủ yếu được dùng để làm mát. Rất nhiều quy trình sản xuất bán dẫn khá dữ dội và tỏa nhiệt mạnh, mặc dù nhìn từ bên ngoài thì có vẻ rất tĩnh lặng. Cần rất nhiều công đoạn làm mát để duy trì quy trình sản xuất ở nhiệt độ hợp lý và ổn định, đó chính là vai trò chính của heli trong các nhà máy này.

Về lý do tại sao vấn đề tại eo biển Hormuz lại quan trọng đến vậy — cơ sở sản xuất heli Ras Laffan ở Qatar hiện sản xuất khoảng 15% công suất của thế giới. Về cơ bản, việc đóng cửa đột ngột nguồn cung này tương đương với việc cắt đứt 15% công suất toàn cầu, vốn thường hoạt động ở trạng thái cân bằng giữa cung và cầu.

Đây không phải là loại phân tử có tình trạng dư thừa công suất lớn để dễ dàng bù đắp từ các nguồn thay thế và cung cấp cho nhà máy. Nó cũng là một loại phân tử rất khó vận chuyển. Bạn cần di chuyển nó trong chiếc bình giữ nhiệt đắt đỏ nhất thế giới ở nhiệt độ -269°C. Toàn bộ chuỗi cung ứng logistics đó cũng cực kỳ phức tạp. Chỉ riêng việc ngừng khả năng vận chuyển các tài sản đó, cộng với sản lượng từ cơ sở tại Qatar, đã là một sự gián đoạn khá lớn.

Chris Miller: Đó chỉ là một trong hàng chục loại khí được sử dụng trong quy trình sản xuất chip. Hãy giới thiệu sơ lược cho chúng tôi — những loại khí nào cần thiết để tạo ra một con chip?

Carl Jackson: Vai trò của các loại khí trong sản xuất chip thường bị hiểu lầm. Mọi người không nhận ra rằng chất bán dẫn về cơ bản được tạo ra bằng cách sử dụng khí.

Bạn nhìn vào điện thoại của mình, nó được làm từ nhựa và kim loại. Mọi người không thấy các nguyên liệu đầu vào cần thiết để tạo ra nó trong các nhà máy này — tất cả đều là khí. Có lẽ có khoảng hơn 120 loại hóa chất khác nhau được đưa vào một nhà máy từ các nhà cung cấp khác nhau. Có khoảng 60 loại hóa chất đặc thù được sử dụng, và về cơ bản tất cả đều ở dạng khí.

Đây là một bộ công cụ hóa học khổng lồ đã được phát triển và là yêu cầu bắt buộc để xây dựng mọi con chip. Đây không chỉ là công nghệ tiên tiến trong tương lai. Đây là mọi con chip ở khắp mọi nơi đều cần đến bộ hóa chất này.

Jordan Schneider: Ông đã đề cập đến việc làm mát như một trong những ứng dụng. Các loại khí này còn làm được những gì khác?

Carl Jackson: Chúng được dùng để xây dựng. Mọi người đều đã thấy hình ảnh một tấm wafer silicon — loại silicon có độ tinh khiết cực cao, là cấu trúc hoàn hảo nhất thế giới. Nó được cung cấp như một khối xây dựng. Tôi luôn ví von điều này với một tòa nhà chọc trời để giúp mọi người hình dung. Khối xây dựng này đóng vai trò như nền móng bê tông. Sau đó, mỗi tầng, mỗi thang máy, mỗi đoạn dây điện để xây dựng 300 tầng tiếp theo của tòa nhà chọc trời đó — về cơ bản chính là hình dáng của một con chip — đều được xây dựng bằng cách sử dụng các loại khí.

Silicon được lắng đọng thông qua một loại khí gọi là silane. Các bước lắng đọng này diễn ra lặp đi lặp lại, tạo ra sự lặp lại trong cách bạn xây dựng các cấu trúc này. Sau đó, bạn cần loại bỏ một phần cấu trúc đó bằng cách sử dụng các loại khí gốc flo để khắc và loại bỏ các phần không cần thiết. Bạn cần các loại khí pha tạp (doping) để thay đổi tính chất điện của một số lớp. Bạn cần xây dựng các bóng bán dẫn trong đó, điều này đòi hỏi các loại khí và quy trình khác nhau.

Đó là một quy trình sản xuất cực kỳ phức tạp, gần như không thể tin được, tất cả đều trở nên khả thi nhờ việc sử dụng các loại khí. Lớp nền tảng này — chuỗi cung ứng và bộ hóa chất này — không được hiểu rõ lắm như một đầu vào cho ngành công nghiệp này.

Chris Miller: Ông có thể nói về các danh mục khí không? Theo tôi hiểu, một số loại khá phổ biến, được sản xuất với số lượng lớn, trong khi những loại khác lại rất chuyên biệt cho ngành chip. Hãy giới thiệu cho chúng tôi các danh mục chính mà chúng ta nên lưu tâm.

Carl Jackson: Tôi sẽ chia chúng thành hai loại. Bất kỳ nhà máy lớn nào cũng cần một lượng lớn cái mà chúng tôi gọi là khí khối (bulk gas). Đây là các loại khí trơ — những loại khí được sử dụng để tạo ra môi trường sạch cần thiết để sản xuất chip. Đó là nitơ, argon — những thứ không phản ứng hoặc về cơ bản không làm gì trong quy trình ngoài việc giữ cho mọi thứ sạch sẽ.

Sau đó, bạn có các loại khí chuyên dụng. Khí khối thường được cung cấp bởi các công ty khí đốt với hệ thống tách khí tại chỗ. Khối lượng yêu cầu là rất lớn, vì vậy chúng đòi hỏi bạn phải có một nhà máy được xây dựng ngay cạnh nhà máy sản xuất chip để cung cấp các loại khí này 24/7. Chúng ta đang nói về khoản đầu tư hàng chục triệu đô la từ công ty khí đốt.

Một khi chúng được xây dựng — và chúng được xây dựng ở bất cứ nơi nào có nhà máy chip — sẽ có một mối quan hệ với công ty khí đốt kéo dài từ 15 đến 20 năm vì không ai xây dựng một đơn vị tách khí cạnh tranh ngay cạnh nhà máy của bạn cả. Đó là một mối quan hệ được neo giữ xung quanh các loại khí khối.

Ngoài ra, bạn còn có 60 hoặc 70 loại khí quy trình khác nhau thường được vận chuyển trong nhiều loại thùng chứa khác nhau. Bạn đã thấy những thùng chứa lớn lăn bánh trên đường cao tốc, các bình trụ, và các gói nhỏ hơn bình trụ. Chúng cung cấp phần còn lại của các loại khí chuyên dụng này cho quá trình lắng đọng (đưa vật liệu mới lên wafer), cấy ion (thay đổi đặc tính điện), và khắc (tạo hình và giúp tạo ra các thiết bị bạn cần trên silicon).

Bộ công cụ này rất lớn. Một nhà máy điển hình sẽ lấy những vật liệu này từ khắp mọi nơi trên thế giới, có lẽ ngoại trừ Trung Quốc. Nếu bạn muốn lấy Đài Loan làm ví dụ, họ sẽ nhận khí khối từ nhà cung cấp tại chỗ, nhưng phần còn lại của các vật liệu cần thiết để vận hành nhà máy có lẽ sẽ đến từ ít nhất 4 hoặc 5 quốc gia khác. Đó là một chuỗi cung ứng và logistics cực kỳ phức tạp để có được sự cân bằng của 60 đến 70 vật liệu cần thiết khác.

Chris Miller: Về mức độ tinh khiết của các loại khí này — chúng ta biết rằng các tấm wafer silicon là silicon có độ tinh khiết cực cao. Chúng ta nên nghĩ về mức độ tinh khiết trong từng loại khí này như thế nào? Có sự khác biệt giữa khí khối và khí chuyên dụng không, hay cách nào để phân biệt mức độ yêu cầu?

Carl Jackson: Chà, một điểm chung là nó luôn tăng lên. Có một động lực từ phía khách hàng — TSMC, Samsung, hoặc GlobalFoundries, v.v. Những công ty này vận hành các hệ thống SPC và đảm bảo chất lượng rất tinh vi, nơi họ liên tục theo dõi mọi thứ đi vào nhà máy của mình.

Rõ ràng, khi kích thước nút (node) giảm xuống và độ phức tạp của các thiết bị này tăng lên, họ muốn đảm bảo rằng mọi đầu vào trong quy trình sản xuất đều có độ tinh khiết ngày càng cao. Ở mức cực đoan là tấm wafer silicon với độ tinh khiết 11 số 9 (11 nines), đây là thuật ngữ trong ngành để chỉ mức gần như không thể. Hiện tại chỉ có hai công ty trên thế giới có thể đạt được điều đó.

Các loại khí dao động từ mức phần triệu (ppm), vốn đã hoàn toàn là tiêu chuẩn. Độ tạp chất một phần triệu thực sự chỉ là yêu cầu cơ bản để trở thành nhà cung cấp bất kỳ vật liệu nào cho thị trường này. Một số loại khí hiện đang đạt đến mức phần tỷ (ppb), và một số thậm chí đạt đến mức phần nghìn tỷ (ppt).

Mức phần nghìn tỷ rất khó hình dung. Về cơ bản, nó giống như một nhịp tim trong 32.000 năm. Đối với toàn bộ bất cứ thứ gì được biết là đang sống trên hành tinh này, đó là một nhịp tim trong khoảng thời gian đó. Đó là mức độ tạp chất mà chúng ta đang nói đến. Đó là cách để hiểu mức độ khó khăn của việc này.

Chris Miller: Tôi đang nhẩm tính các con số không trong đầu, nhưng như vậy là tinh khiết hơn nhiều so với 11 số 9 của tấm wafer silicon phải không?

Carl Jackson: Đúng vậy, và đó là quỹ đạo phát triển. Nó sẽ dừng lại ở đâu, tôi không biết. Rõ ràng là nó đã chững lại. Đã có một sự thúc đẩy lớn trong những ngày đầu của ngành bán dẫn, nơi những tiến bộ lớn được thực hiện trong cách vật liệu được tinh chế, đóng gói, vận chuyển và sử dụng. Nó đã giảm bớt một chút, nhưng họ vẫn tiếp tục cố gắng cải thiện độ tinh khiết của tất cả các vật liệu này đến những mức không tưởng — những mức mà thực sự, khó khăn nằm ở việc đo lường tạp chất, chứ không phải ở việc tạo ra sản phẩm.

Jordan Schneider: Làm thế nào để ông đo lường mức phần nghìn tỷ?

Carl Jackson: Với các thiết bị phân tích cực kỳ đắt tiền mà hầu như không ai biết cách sử dụng đúng cách. Nó đòi hỏi các thiết bị siêu chuyên dụng và cực kỳ đắt đỏ, nhạy đến mức khiến toàn bộ công việc trở nên rất khó khăn. Cuối cùng, đó sẽ là giới hạn. Có một tác động về chi phí khi tăng độ tinh khiết của các sản phẩm này, nhưng cuối cùng chính công nghệ đo lường xung quanh nó mới là thứ gây tốn kém.

Jordan Schneider: Có vẻ như khi ông đi sâu đến mức đó, có một nguyên lý Schrödinger nào đó đang diễn ra, nơi lỗi thuộc về công cụ đo lường nhiều hơn là do nhà tinh chế khí của ông làm chưa tốt.

Chris Miller: Làm thế nào để ông có được những loại khí này? Mỗi loại khí có cách khác nhau, nhưng nếu ông muốn một loại khí được tinh chế đến mức 1 phần nghìn tỷ, điều đó diễn ra như thế nào?

Carl Jackson: Chà, đó là mức cực đoan rồi, Chris. Nhưng hãy để tôi đưa ra một ví dụ. Một điều nữa cần nói là khá nhiều bộ hóa chất này cũng được sử dụng trong hóa học công nghiệp.

Một ví dụ là HF, hay axit hydrofluoric, được sản xuất với số lượng hàng trăm nghìn tấn. Vật liệu đó bắt đầu cuộc đời trong một mỏ — nó bắt đầu dưới lòng đất dưới dạng một vật liệu gọi là fluorspar. Nó được đào lên từ lòng đất với nồng độ mà bạn sẽ không bao giờ nhận ra là phù hợp cho một nhà máy bán dẫn.

Sau đó, nó được chế tạo thành HF cấp công nghiệp. Tại thời điểm đó, nó không dành cho nhà máy bán dẫn. Như tôi đã nói, nó được sử dụng ở quy mô hàng trăm nghìn tấn trong công nghiệp.

Sau đó, những người làm bán dẫn mới tham gia vào. Họ sẽ lấy một phần nhỏ trong khối lượng đó và bắt đầu xử lý nó bằng các loại hệ thống tinh chế rất khác nhau đã được phát triển xung quanh các yêu cầu của chất bán dẫn. Bạn bắt đầu với HF cấp công nghiệp thông thường với độ tinh khiết 3 số 9, và điều đó là đủ tốt cho hầu hết mọi thứ cần thiết trên Trái đất sử dụng HF — cho dược phẩm, cho tất cả các ứng dụng công nghiệp khác nhau, nhưng không phải cho chất bán dẫn.

Vật liệu đó sau đó cần phải tăng từ 3 số 9 lên 6, 7 hoặc 8 số 9, tùy thuộc vào quy trình. Đó là nơi chuỗi cung ứng bán dẫn, những người tham gia vào việc này, thực sự thêm vào phép thuật của họ. Đó là cách bạn có được, duy trì, sau đó vận chuyển và cung cấp sản phẩm có độ tinh khiết cao đó đến tận tấm wafer thông qua chuỗi cung ứng này. Tại thời điểm đó, nó trở nên rất chuyên biệt, và bạn cần dựa vào một số lượng rất nhỏ những người trên thế giới có thể làm được điều đó.

Chris Miller: Nếu ông có một bình HF ở mức 3 số 9 và muốn nó đạt mức 6 số 9, ông sẽ làm gì về mặt vật lý với cái bình đó để đạt được mức độ đó?