Giải mã nhà máy chip 20 tỷ USD: Vì sao bán dẫn là ngành sản xuất đắt đỏ nhất hành tinh

Từ chiếc radio bán dẫn đầu tiên năm 1954 chỉ có 4 transistor với giá 2,50 USD mỗi chiếc, đến nay một vi xử lý AMD Ryzen chứa 9,9 tỷ transistor được bán với giá 650 USD, tức khoảng 0,000000066 USD mỗi transistor. Nghĩa là trong gần bảy thập kỷ, chi phí của một transistor đã giảm khoảng 300 triệu lần.

Nhưng nghịch lý nằm ở chỗ: trong khi linh kiện bán dẫn ngày càng rẻ và nhỏ, nhà máy sản xuất chúng (fab) lại ngày càng đắt đỏ. Vào cuối thập niên 1960, một fab chỉ tốn khoảng 4 triệu USD (tương đương 31 triệu USD theo giá năm 2024). Ngày nay, một fab hiện đại có thể ngốn 10-20 tỷ USD hoặc hơn. Intel đang xây hai nhà máy tại Arizona với chi phí dự kiến 15 tỷ USD mỗi cái, còn nhà máy của Samsung ở Taylor, Texas được ước tính lên tới 25 tỷ USD.

Nhà máy bán dẫn Intel đang thi công tại Ireland

Nguyên nhân sâu xa của mức chi phí khổng lồ này cũng chính là yếu tố đã liên tục kéo giá thành bán dẫn xuống: định luật Moore, với hệ quả là "Định luật Moore thứ hai" (hay định luật Rock) cho rằng chi phí của một fab tăng gấp đôi sau mỗi bốn năm. Linh kiện càng nhỏ thì điều kiện sản xuất càng khắt khe. Một vi mạch hiện đại có các chi tiết rộng chỉ khoảng 50 nanomet, tức bằng 1/2000 sợi tóc người, với các lớp vật liệu chỉ dày vài nguyên tử. Để chế tạo ở quy mô đó cần thiết bị siêu chính xác và môi trường có thể loại bỏ mọi nguồn nhiễu — từ một hạt bụi đến một dao động nhỏ trong điện áp. Và tất cả những điều kiện ấy không phải duy trì trong phòng thí nghiệm, mà ở một dây chuyền sản xuất hàng loạt, nơi mỗi năm xuất xưởng hàng trăm triệu con chip.

Bốn thao tác cơ bản tạo nên con chip

Nếu cắt đôi một con chip và quan sát thật kỹ, ta sẽ thấy nó gồm nhiều lớp xếp chồng. Phần dưới cùng, gọi là FEOL (front end of line), chứa chính các linh kiện bán dẫn: transistor, tụ điện, điện trở, diode. Phần trên, gọi là BEOL (back end of line), là hệ thống dây kim loại siêu nhỏ nối các linh kiện lại với nhau. Vì số lượng linh kiện quá lớn, dây dẫn phải được đi trên nhiều lớp riêng biệt, ngăn cách bởi các chất cách điện gọi là dielectric. Quy trình của Intel hiện tại chẳng hạn gồm tới 15 lớp dây kim loại, được nối với nhau và nối xuống linh kiện qua các lỗ gọi là "via".

Con chip được tạo ra bằng cách xây dựng từng lớp một, bắt đầu từ một tấm wafer silicon cực tinh khiết. Phương pháp này gọi là quy trình phẳng (planar process), được Jean Hoerni phát minh tại Fairchild Semiconductor năm 1959 — chính là nền tảng của mọi vi mạch và công nghệ máy tính hiện đại.

Quy trình có thể chia thành bốn thao tác cơ bản, lặp đi lặp lại:

• Tạo lớp (layering): phủ lên wafer một lớp vật liệu cực mỏng, có thể chỉ một nanomet. Lớp này có thể là chất cách điện (như silicon dioxide), dẫn điện (như dây đồng) hoặc bán dẫn (như màng silicon epitaxial). Các phương pháp phổ biến gồm oxy hóa nhiệt, lắng đọng hơi hóa học (CVD) và phún xạ (sputtering). Công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) hiện đại có thể tạo ra từng lớp chỉ một nguyên tử.
• Tạo hình (patterning): dùng quang khắc (photolithography) để khắc hoa văn lên wafer. Wafer được phủ một lớp vật liệu nhạy sáng gọi là photoresist, rồi ánh sáng bước sóng xác định chiếu qua một tấm mặt nạ (mask) để tạo phản ứng hóa học. Sau đó wafer được rửa, để lại lớp photoresist đã cứng theo đúng hoa văn cần thiết. Tiếp theo là bước etching — dùng hóa chất ăn mòn (ướt hoặc khô bằng plasma) để khắc hoa văn xuống chính wafer.
• Pha tạp (doping): đưa một lượng cực nhỏ tạp chất vào vật liệu bán dẫn để thay đổi độ dẫn điện. Pha tạp silicon với nguyên tố nhóm V như photpho hay asen tạo ra bán dẫn loại n (n-type), còn với nguyên tố nhóm III như bo tạo ra bán dẫn loại p (p-type). Ngày nay phương pháp chính là cấy ion (ion implantation): bắn một chùm ion vào wafer để đưa nguyên tử xuống dưới bề mặt.
• Xử lý nhiệt (heating): wafer được nung nóng hoặc làm nguội ở nhiều công đoạn. Chẳng hạn, cấy ion làm hỏng cấu trúc tinh thể silicon, và người ta dùng phương pháp ủ nhiệt nhanh (rapid thermal annealing) để nung wafer lên hơn 1.000 độ C trong vài giây rồi làm nguội từ từ, sửa chữa lại cấu trúc.

Sơ đồ mặt cắt một vi mạch tích hợp với các lớp khác nhau

Ngoài bốn thao tác chính, còn nhiều quy trình hỗ trợ. Đánh bóng cơ hóa (CMP) giúp làm phẳng bề mặt wafer sau mỗi lớp, tránh sai số độ dày tích tụ gây lỗi. Làm sạch cũng cực kỳ quan trọng: trong một fab hiện đại, wafer có thể được làm sạch hơn 200 lần trong suốt quá trình sản xuất. Cuối cùng, các fab sử dụng rộng rãi đo lường (metrology) để kiểm tra wafer ở nhiều điểm, phát hiện lỗi sản xuất.

Các vi mạch đầu tiên chỉ cần 5-10 mặt nạ và vài chục bước xử lý. Một chip tiên tiến ngày nay có thể cần hơn 80 mặt nạ và hàng nghìn bước riêng biệt.

Vì sao sản xuất bán dẫn lại đắt đỏ và khó đến vậy?

Chỉ riêng số lượng bước xử lý lớn thì chưa đủ để biện minh cho một nhà máy 20 tỷ USD. Suy cho cùng, một chiếc đồng hồ đầu thế kỷ 20 cũng gồm 150 bộ phận cần hơn 3.700 thao tác để chế tạo. Nhưng khi kích thước linh kiện được đo bằng phần tỷ mét, độ phức tạp bị khuếch đại lên gấp bội.

Trong sản xuất thông thường, có một độ dung sai khá rộng rãi: một chi tiết dài hay ngắn hơn vài phần mười milimet vẫn lắp vừa, một chút tạp chất trong kim loại vẫn dùng được. Trong sản xuất bán dẫn, dung sai cho phép gần như bằng không. Một hạt bụi lạc vào cũng đủ làm chập mạch và phá hủy cả con chip. Vài nguyên tử sai vị trí có thể khiến một bước xử lý thất bại. Một lượng tạp chất nhỏ đến mức không cảm nhận được cũng có thể làm hỏng vật liệu không thể cứu vãn.

Lịch sử ngành bán dẫn là một cuộc chiến không ngừng nghỉ chống lại những ảnh hưởng tí hon nhưng có sức phá hoại khủng khiếp. Khi nghiên cứu bán dẫn tại Bell Labs thập niên 1940, các kỹ sư từng truy tìm nguyên nhân những lỗi bí ẩn và phát hiện ra thủ phạm là... tay nắm cửa bằng đồng: số nguyên tử đồng cực nhỏ dính từ tay người vào vật liệu đã đủ để phá hỏng công việc. Các nhà sản xuất bán dẫn thời kỳ đầu còn phát hiện quy trình của họ bị ảnh hưởng bởi những thứ như pha của mặt trăng, việc công nhân có vừa đi vệ sinh hay không, và cả chu kỳ kinh nguyệt của nữ công nhân.

Khi transistor nhỏ dần, vấn đề càng khó hơn. Intel từng phát hiện rằng ngay cả một thay đổi thiết bị vô hại nhất — như dùng ống hay cáp dài hơn một chút — cũng có thể gây gián đoạn quy trình ở các fab mới và khiến năng suất giảm trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm. Để đối phó, Intel đưa ra quy trình mang tên Copy EXACTLY! — các fab mới phải giống hệt fab cũ đến từng chi tiết, kể cả màu sắc và thương hiệu sơn trên tường.

Bên trong một fab: bốn tầng của sự chính xác tuyệt đối

Để tạo ra môi trường sản xuất như vậy, một fab hiện đại thường gồm bốn tầng. Trái tim là tầng phòng sạch (cleanroom) — nơi diễn ra quá trình chế tạo thực tế. Bên dưới là sub-fab, một hoặc hai tầng chứa ống dẫn, đường điện và thiết bị hỗ trợ. Phía trên phòng sạch là tầng trung gian với quạt và bộ lọc để tuần hoàn không khí xuống dưới.

Phòng sạch chứa các thiết bị xử lý (process tool) — những cỗ máy thực hiện các thao tác nói trên, từ máy quang khắc EUV của ASML, máy lắng đọng hơi hóa học, máy cấy ion, đến các bể hóa chất để làm sạch và etching. Chúng được sản xuất bởi một nhóm nhỏ nhà cung cấp chuyên biệt như ASML, Lam Research, Applied Materials và Tokyo Electron, với giá cực đắt: máy chính có thể 5-10 triệu USD, một số lên tới hơn 100 triệu USD, còn máy quang khắc EUV đời mới nhất của ASML có giá gần 400 triệu USD mỗi chiếc.

Một fab sản xuất vi xử lý hoặc logic có thể xuất xưởng 40.000-50.000 wafer mỗi tháng, fab sản xuất bộ nhớ có thể lên tới 120.000 wafer, đòi hỏi số lượng thiết bị rất lớn — có khi hơn 1.000 chiếc.

Thiết bị xử lý trên sàn phòng sạch của một nhà máy Micron

Phòng sạch của các fab bán dẫn thường đạt tiêu chuẩn Class 10 hoặc Class 100, nghĩa là mỗi foot khối không khí chỉ cho phép tối đa 10 hoặc 100 hạt có kích thước từ 0,5 micron trở lên. Để so sánh, một ngôi nhà thông thường có khoảng 500.000 hạt mỗi foot khối, còn phòng mổ bệnh viện khoảng 100.000 hạt. Để đạt được điều này, các bộ xử lý không khí khổng lồ đẩy khí qua bộ lọc HEPA hoặc ULPA trên trần phòng sạch, hút xuống qua sàn vào sub-fab rồi tuần hoàn trở lại. Không khí được thay hàng trăm lần mỗi giờ, so với 5-10 lần ở một tòa nhà văn phòng thông thường.

Để ngăn hạt bụi từ bên ngoài xâm nhập, phòng sạch được giữ ở áp suất dương. Công nhân mặc bộ đồ bảo hộ kín toàn thân (bunny suit) sau khi qua khu vực mặc đồ và quy trình làm sạch đặc biệt. Wafer được vận chuyển giữa các thiết bị trong các hộp kín gọi là FOUP (front opening unified pod), và bản thân thiết bị cũng được bao kín. Nhờ chiến lược "môi trường thu nhỏ" này, các fab có thể loại bỏ tạp chất triệt để hơn mà không cần làm sạch hàng triệu foot khối không khí trong toàn phòng sạch.

FOUP được di chuyển bằng hệ thống vận chuyển tự động, thường là hệ ray gắn trên trần. Vì một wafer phải trải qua hàng nghìn bước và mất nhiều tháng mới hoàn thành, tại bất kỳ thời điểm nào cũng có hàng chục nghìn wafer đang di chuyển qua lại hoặc chờ xử lý, đi quãng đường cộng lại lên tới nhiều dặm.

Chống rung, chống nhiễu: cuộc chiến ở mọi tầng lớp

Hạt bụi không phải là thứ duy nhất có thể phá hỏng quy trình. Mọi bộ phận của fab, từ phòng sạch xuống tận móng, đều phải được thiết kế để giảm thiểu can nhiễu từ bên ngoài. Các thiết bị xử lý cực kỳ nhạy cảm với rung động — ngay cả tiếng ồn lớn cũng có thể ảnh hưởng xấu. Vì vậy fab thường được xây xa sân bay, đường ray, đường cao tốc đông đúc và mọi nguồn rung đáng kể khác.

Sàn phòng sạch thường là một tấm bê tông dạng tổ ong dày 0,6-1,2 mét, đỡ bởi các cột đặt gần nhau để tăng độ cứng. Bên trên là sàn kim loại nâng lên, cho phép đi ống và cáp bên dưới, đồng thời đặt thiết bị trên các bệ đỡ riêng để bước chân công nhân không gây rung. Một số thiết bị cực nhạy như máy quang khắc còn cần bộ giảm chấn chủ động có khả năng cảm nhận và triệt tiêu rung động lạ. Trong một số trường hợp, người ta xây dựng điểm cách ly kết cấu để tách sàn phòng sạch khỏi phần còn lại của tòa nhà.

Một fab còn có thể được thiết kế để chống nhiễu điện từ, chống tĩnh điện, thậm chí chống nhiễu tần số vô tuyến (RF) vì mục đích an ninh. Nhiệt độ và độ ẩm trong phòng sạch phải được duy trì trong khoảng hẹp, và luôn có máy phát dự phòng cùng hệ thống lưu điện để phòng mất điện. Khu vực quang khắc thường dùng đèn vàng đặc biệt để không vô tình làm lộ photoresist.

Sub-fab: thế giới ngầm của hóa chất và hệ thống hỗ trợ

Bên dưới phòng sạch là sub-fab — một hoặc nhiều tầng chứa thiết bị hỗ trợ. Một máy quang khắc EUV là thiết bị cỡ chiếc xe tải, nhưng phần đặt trong phòng sạch chỉ là một phần nhỏ của hệ thống: bên dưới còn có laser CO2 khổng lồ và các bơm tạo chân không cho buồng xử lý. Một fab lớn có thể có hàng nghìn bơm chân không trong sub-fab.

Đây cũng là nơi lưu trữ và phân phối hóa chất. Một fab sử dụng rất nhiều loại khí và hóa chất: nitơ (làm sạch), oxy (cho lò oxy hóa), argon (cho phản ứng plasma), hydro (làm sạch máy EUV) và nhiều loại khác. Khối lượng sử dụng đòi hỏi hệ thống ống dẫn khổng lồ, có ống đường kính tới ba mét. Hóa chất phải cực kỳ tinh khiết, có loại đạt độ tinh khiết 99,9999999%.

Nhiều hóa chất dùng trong fab cực kỳ độc hại. Chẳng hạn phosphine và arsine dùng để pha tạp là chất độc cao; silane dùng trong một số quy trình CVD có khả năng tự cháy khi tiếp xúc không khí. Một hóa chất là clo trifluoride dùng để làm sạch buồng CVD độc và dễ tự bốc cháy đến mức có thể đốt cả cát ướt, khiến một số nhà hóa học từ chối làm việc với nó. Những hóa chất này cần hệ thống xử lý, phát hiện rò rỉ, điện dự phòng và hệ thống chữa cháy chuyên dụng.

Sub-fab cũng chứa hệ thống xả thải để xử lý các phụ phẩm sinh ra từ quy trình. Để tránh các phụ phẩm (đặc biệt là amoniac) phản ứng với nhau, phải dùng nhiều hệ thống xả riêng biệt. Nhiều quy trình cần thiết bị xử lý (đốt bỏ phụ phẩm độc hại) hoặc tháp rửa khí.

Để giảm rung và nhiễu, thiết bị trong sub-fab phải được chế tạo với dung sai nghiêm ngặt hơn nhiều so với sản xuất thông thường: ống, ống dẫn, bơm làm bằng thép không gỉ và phủ Teflon, mặt trong ống được đánh bóng điện hóa để không phát hạt và không tích tụ tạp chất, các mối nối dùng phương pháp hàn quỹ đạo đặc biệt. Nhiều thiết bị sub-fab thậm chí phải được sản xuất trong phòng sạch và vận chuyển đến công trường trong hai lớp túi nhựa để tránh nhiễm bẩn.

Ngoài sub-fab, còn vô số công trình phụ trợ: thang máy công nghiệp nâng được hàng chục nghìn pound, nhà máy tách khí tại chỗ để sản xuất nitơ, oxy, argon (một fab logic lớn có thể dùng 50.000 mét khối nitơ mỗi giờ), nhà máy sản xuất nước siêu tinh khiết phục vụ làm sạch và CMP. Một fab lớn có thể dùng hàng triệu gallon nước siêu tinh khiết mỗi ngày, tương đương lượng nước của một thị trấn 50.000 dân.

Tất cả hệ thống này tiêu thụ năng lượng khổng lồ. Một fab lớn có thể cần 100 megawatt, tức 10% công suất của một lò phản ứng hạt nhân lớn. Nhu cầu điện và nước lớn đến mức một số fab từng bị hủy hoặc phải chuyển địa điểm khi hạ tầng địa phương không đảm bảo cung cấp. Để giám sát mọi điều kiện trong fab, người ta dùng tới hàng chục nghìn cảm biến đo mức hạt, áp suất và độ tinh khiết.

Xây dựng một fab: khối lượng khổng lồ, độ chính xác tuyệt đối

Một fab lớn có thể có hàng trăm nghìn foot vuông phòng sạch, trải rộng trên hàng trăm mẫu đất. Xây dựng nó cần hàng chục nghìn tấn thép kết cấu và hàng trăm nghìn yard khối bê tông. Intel tự hào rằng các fab của mình dùng lượng bê tông gấp đôi tòa nhà Burj Khalifa và lượng kim loại gấp năm lần tháp Eiffel.

Để đưa khối vật liệu đó vào đúng vị trí với độ chính xác cần thiết, cần hàng nghìn công nhân xây dựng được đào tạo chuyên biệt. Fab mới của Intel tại Magdeburg dự kiến cần hơn 9.300 công nhân vào cao điểm, còn fab của TSMC tại Arizona đang dùng 12.000 người. Công nhân phải tuân theo quy trình "xây dựng sạch" (clean construction) để giữ vật liệu sạch và hạn chế hạt bụi xâm nhập — kể cả dùng thiết bị "ăn" khói hàn và sơn epoxy các mép cắt tại chỗ để tránh phát hạt.

Một điểm đáng chú ý: dù to lớn và phức tạp, các fab được xây dựng nhanh đáng ngạc nhiên, trung bình khoảng hai đến bốn năm, tương đương nhiều dự án thương mại lớn và nhanh hơn nhiều so với các cơ sở quy trình kiểm soát chặt chẽ khác như nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên, tại Mỹ, thời gian xây fab đã tăng từ hơn 650 ngày trung bình trong thập niên 1990 lên hơn 900 ngày trong thập niên 2010, so với khoảng 600-700 ngày ở các nước châu Á, một phần do quy trình đánh giá môi trường ngày càng nghiêm ngặt. Fab ở Mỹ cũng đắt hơn nơi khác, với ước tính từ 30% (theo Intel) đến gấp bốn lần (theo TSMC).

Bài toán chi phí: 70-80% là thiết bị

Không ngạc nhiên khi xây fab lại đắt: chúng lớn, phức tạp và có yêu cầu hiệu năng cực kỳ khắt khe. Nhưng fab tồn tại để cung cấp môi trường cho hàng nghìn thiết bị xử lý hoạt động, và chính các thiết bị này mới là phần đắt đỏ nhất. Khoảng 70-80% chi phí một fab mới là dành cho thiết bị. Một hệ quả là việc nâng cấp fab cũ lên node tiến trình tiên tiến hơn cũng tốn một phần đáng kể so với xây fab hoàn toàn mới.

Tỷ trọng thiết bị trong chi phí fab đã tăng dần theo thời gian. Các fab DRAM giữa thập niên 1980 có chi phí cơ sở hạ tầng và thiết bị chia đôi khá đều, nhưng đến cuối thập niên 1990, thiết bị đã chiếm phần lớn chi phí.

Về chi phí xây dựng, cơ cấu có phần giống nhà ở: có mục cho kết cấu, hoàn thiện kiến trúc, san lấp cảnh quan, và hệ thống kỹ thuật. Điểm khác biệt là fab có tỷ trọng hệ thống cơ điện cao hơn nhiều. Các hạng mục như nhà máy nước siêu tinh khiết, nhiều hệ thống xả thải và nhu cầu HVAC khổng lồ khiến phần dịch vụ kỹ thuật chiếm gần 2/3 chi phí của một fab mới, so với chưa đến 20% ở một ngôi nhà riêng.

Về chi phí thiết bị, khoản lớn nhất thường là máy quang khắc, tiếp đó là thiết bị lắng đọng, làm sạch và etching. Chi phí máy quang khắc thường được ước tính bằng 20% tổng chi phí fab mới, nghĩa là riêng thiết bị quang khắc có thể tốn ngang toàn bộ phần cơ sở hạ tầng.

Sơ đồ dòng quy trình của một nhà máy bán dẫn

Theo thời gian, mỗi node tiến trình mới lại làm chi phí fab tăng khoảng 30%. Có hai nguyên nhân chính. Thứ nhất, node tiên tiến hơn đòi hỏi thiết bị đắt hơn — máy quang khắc EUV của ASML đắt hơn nhiều so với máy quang khắc cực tím sâu (DUV) mà chúng thay thế. Thứ hai, khi transistor nhỏ dần, cần thêm nhiều mặt nạ và bước xử lý. Việc nối các transistor cần thêm lớp dây kim loại, và transistor FinFET (tạo từ các "vây" nhô lên khỏi bề mặt wafer) cần nhiều bước tạo lớp hơn so với transistor đơn giản trước đây. EUV từng tạm thời đảo ngược xu hướng này vì nó cho phép làm trong một mặt nạ những gì trước đó cần hai mặt nạ trở lên, nhờ đó giảm số bước xử lý.

Bên cạnh đó còn các yếu tố chi phí khác. Khi chi tiết bán dẫn nhỏ hơn, wafer silicon dùng để sản xuất lại lớn hơn: từ wafer 50 mm thập niên 1970 lên wafer 300 mm hiện nay (kế hoạch chuyển sang 450 mm từng được đề ra nhưng chưa bao giờ thực hiện). Wafer lớn hơn đòi hỏi thiết bị đắt hơn. Việc chuyển sang wafer 300 mm chẳng hạn buộc phải dùng nhiều thiết bị vận chuyển tự động hơn, vì FOUP chứa wafer nặng đến mức không thể mang bằng tay, kéo theo yêu cầu về kết cấu lớn hơn với trần phòng sạch cao hơn.

Hệ quả: ngành bán dẫn chuyển sang mô hình fabless

Chi phí fab leo thang đã làm thay đổi cấu trúc toàn ngành. Khi fab còn rẻ, bất kỳ nhà sản xuất chip nào cũng có thể tự xây nhà máy. Nhưng khi chi phí tăng, việc vận hành cơ sở sản xuất tiên tiến ngày càng nặng nề, và ngày càng ít nhà sản xuất có đủ sản lượng để chia đều chi phí. Quy mô hiệu quả của một fab wafer 150 mm là khoảng 10.000 wafer mỗi tháng, nhưng với fab logic wafer 300 mm, con số này nhảy lên 40.000 wafer (và fab bộ nhớ còn lớn hơn, 120.000 wafer mỗi tháng).

Chính vì vậy chỉ một số rất ít công ty — hiện nay là TSMC, Samsung và Intel — dám theo đuổi các node tiên tiến, và ngành đã chuyển sang mô hình fabless, trong đó những công ty như Apple và Nvidia chỉ thiết kế chip rồi thuê các foundry như TSMC sản xuất. Bằng cách gom đơn hàng của nhiều công ty chip khác nhau, các foundry đạt được quy mô cần thiết để gánh nổi chi phí fab tiên tiến.

Kết luận

Chi phí khổng lồ của một fab bán dẫn hiện đại là kết quả của sự giao thoa giữa hai yếu tố. Thứ nhất, fab là nhà máy sản xuất