Ba tháng, 700 bước và hành trình để tạo ra chip vi mạch

Bài báo thú vị vì có những bức ảnh thời sự chụp trong nhà máy bán dẫn GlobalFoundries và đề cập tới những chi tiết thời sự. Rất khó đoán định ý tứ đằng sau bài báo muốn đề cập tới là gì, có thể là có nhất thiết Mỹ phải dành lại vị thế cường quốc về sản xuất vi mạch, hay Mỹ cũng đang khó khăn vì nguồn nhân lực làm việc trong các nhà máy sản xuất vi mạch. Chúng ta hãy cùng điểm qua các ý chính bài báo đề cập.

Những chi tiết thú vị về sản xuất chip vi mạch

Mở đầu bài báo là một chi tiết thú vị về sự việc cách đây 10 năm, một anh chàng tốt nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa vào làm cho công ty sản xuất vi mạch bán dẫn. Điểm thú vị là từ chi tiết này dẫn dắt tới quá trình tự động hóa ngày càng cao trong các nhà máy sản xuất chip bán dẫn. Mỗi con robot thường mang trong mình 25 tấm wafer. Bạn nào làm việc với wafer fab sẽ quen thuộc với khái niệm wafer lot, mỗi wafer lot sẽ là 25 tấm. Đây là đơn vị số lượng wafer nhỏ nhất khi đặt hàng sản xuất hàng loạt.

Sau đó bài báo viện dẫn một vài số liệu báo cáo cho thấy doanh số chip toàn cầu tăng trưởng nóng (20%) ngay trong đại dịch và dự đoán tiếp tục tăng trưởng tiệm cận mức 9% trong năm tiếp theo, và hiện nay các nhà máy sản xuất vi mạch khắp nơi đều tăng mức độ hoạt động lên rất cao so với thông thường. Trong khi xây dựng nhà máy mới sẽ tốn kém, và quá trình tạo ra một con chip lại mất khá nhiều thời gian. Do đó các nhà máy phải đặt ưu tiên sản xuất chip nào trước, chip nào sau. Và tất nhiên nhà máy sẽ ưu tiên sản xuất chip nào có lợi nhuận cao nhất.

Đó là nguyên nhân tại sao chip cho lĩnh vực ô tô bị chậm trễ (24 - 52 tuần so với bình thường khoảng 4 - 8 tuần), ảnh hưởng lớn tới các nhà sản xuất ô tô của Mỹ thời gian qua. Ở Mỹ, lĩnh vực sản xuất ô tô là lĩnh vực truyền thống và quan trọng, do đó, việc này thực sự là vấn đề lớn. Bài báo cũng đề cập tới việc hiện tại có nhiều công ty thiết kế chip nhưng sản xuất chip chỉ khoảng 20 công ty. Và hầu hết (3/4) là được sản xuất tại Châu Á, Mỹ chỉ chiếm khoảng 13%. Và Đài Loan, một hòn đảo nhỏ bé ở Châu Á đang sản xuất hơn 20% chip toàn thế giới và 90% các chip sử dụng tiến trình tiên tiến nhất thế giới là sản xuất ở Đài Loan.

Đến nhà máy GlobalFoundries

Phần tiếp theo bài báo dẫn dắt độc giả đi tham quan GlobalFoundries (thuộc chủ sở hữu của thái tử Abu Dhabi - chủ quỹ đầu tư Mubadala), hãng sản xuất chip lớn thứ 4 trên thế giới chiếm khoảng 7% thị trường sản xuất chip toàn cầu và là nhà máy sản xuất chip chính ở Mỹ. Nhà máy tại Malta, New York hoạt động liên tục 24h/ngày và có thể sản xuất ra 500.000 tấm wafer mỗi năm. Việc nhà máy hoạt động liên tục 24h/ngày là điều dễ hiểu với người trong ngành vì một khi bắt đầu quá trình chế tạo chip là liên tục gần như không thể dừng, do đó nhà máy chip sợ nhất là bị mất điện.

Mở đầu chuyến tham quan là cảnh hàng trăm nhân viên mặc đồ bảo hộ màu trắng trùm kín hết người do yêu cầu nghiêm ngặt của phòng sạch (clean room). Phòng sạch dẫn tới chi tiết thú vị giải thích tại sao lý thuyết về transistor trường ra đời trước bipolar nhưng bipolar lại xuất hiện trước mosfet. Lý do là khi lý thuyết transistor trường ra đời thì công nghệ thời điểm đó không tạo ra được không gian đủ sạch (kiểm soát tỷ lệ nhất định về số lượng hạt bụi có kích thước 0,5um hoặc 0,1um trên một mét khối không khí) để chế tạo CMOS. Vì quá trình chế tạo mosfet rất nhạy cảm với tạp chất nếu có hạt bụi bay vào thì có thể làm hỏng toàn bộ quá trình chế tạo.

Có lẽ các nhân viên trong nhà máy sản xuất chip đã quá quen với bộ đồ này và việc đeo khẩu trang chống COVID-19 không thể nào làm khó được họ. Nhưng thú vị nhất là làm sao nhận biết được nhau khi ai cũng phải đeo hai đôi ủng, hai găng tay, mũ trùm đầu, kính, mặt nạ và bộ áo quần bảo hộ. Một trong cách để nhận ra nhau là qua sải chân họ bước đi. 

Ánh sáng trong nhà máy cũng là ánh sáng màu vàng đề giảm sự ảnh hưởng tới các tấm wafer vốn rất nhạy cảm với ánh sáng. Ai học vật lý đều sẽ hiểu ánh sáng mang năng lượng kích thích tới các electron, khi mà chế tạo chip thường xuyên làm việc với kích thước cỡ vài trăm nanomet thì bất cứ sự tự kích electron không mong muốn nào cũng có thể là vấn đề nghiêm trọng.

Ba tháng, 700 bước và hành trình để tạo ra chip vi mạch

Phần thú vị nhất của bài báo có lẽ là giải thích một cách rất súc tích tại sao chế tạo chip lại mất thời gian đến thế. Mất 3 tháng để các máy móc thiết bị vô cùng đắt tiền ước tính 10 tỷ USD xử lý xong khoảng 700 bước chế tạo phức tạp tạo nên hàng nghìn/chục nghìn con chip mà mỗi con chip có hàng tỷ linh kiện hoạt động như hàng tỷ các công tắc bật tắt theo một cách nào đỏ để thực hiện một chức năng nhất định trên các đĩa wafer sáng loáng như chiếc gương có đường kính 12 inch (khoảng 300mm) 700 bước xử lý này để hình thành lên 60 - 70 lớp khác nhau giống như quá trình tạo ra một chiếc bánh có nhiều lớp vậy.

Tuy nhiên, quá trình tạo ra từng lớp bánh đó là quá trình khá phức tạp, trước tiên tấm wafer được phủ lên một hóa chất nhạy sáng, sau đó một máy in công nghệ cao còn được gọi là máy quang khắc (lithography machine) sẽ chiếu tia sáng lặp đi lặp lại trong khu vực cực nhỏ trên tấm wafer và nó lặp lại tương tự như thế trên các ô vuông hình bàn cờ trên wafer. Và mỗi ô vuông đó là một con chip (die) sau này. 

Máy khắc sẽ khắc theo những mẫu như bản thiết kế gửi đến trước đó lên trên tấm wafer. Nhiều hóa chất được dùng và được phủ lên bề mặt. Quá trình này lặp đi lặp lại cho các mẫu khác nhau được đặt chồng lên nhau để tạo ra hàng chục lớp hình thành nên linh kiện mosfet. Sau đó, các lớp được kết nối với nhau thông qua dây đồng để cho phép tín hiệu truyền qua lại và cung cấp nguồn điện cho toàn bộ con chip.

Điều quan trọng là các máy móc được sử dụng trong nhà máy cần có sự ổn định liên tục trong thời gian 3 tháng đó. Một lực lượng đáng kể các kỹ sư túc trực để đảm bảo các máy móc đó không bị hư hỏng. Điều này lại càng quan trọng khi nhu cầu sản xuất chip tăng cao. Thời gian hoạt động của các máy móc đắt tiền này càng lâu thì nhà máy càng có lợi. Theo tính toán các máy móc này chạy 90% thời gian, 10% thời gian còn lại là ngừng để bảo dưỡng theo định kỳ hay yêu cầu khẩn cấp và khi máy bị hỏng thì điều cần thiết nhất là phải sửa nó nhanh nhất có thể.

Nhà máy ở Malta của GlobalFoundries có 20 máy quang khắc và giá trị mỗi máy khoảng 100 triệu USD. Mùa hè năm ngoái khi lượng đặt hàng chip tăng cao, một trong những máy quang khắc bị trục trặc. Thông thường, nhà sản xuất thiết bị của ASML ở Hà Lan sẽ cử một kỹ sư đến sửa chữa trực tiếp. Nhưng trong giai đoạn dịch bệnh, việc đi lại rất phức tạp nên việc khắc phục sự cố chuyển sang hình thức hỗ trợ từ xa các kỹ thuật viên của GlobalFoundries tự sửa với sự hướng dẫn trực tiếp qua cầu truyền hình của kỹ sư ASML ở Hà Lan. 

Kế hoạch trở lại vị thế siêu cường vi mạch bán dẫn

Phần cuối của bài báo đề cập tới kế hoạch lấy lại vị thế cường quốc vi mạch bán dẫn của Mỹ, điều này thoạt nghe khá hài hước vì Mỹ lâu nay được coi là cái nôi của công nghệ thế giới, cụ thể là vi mạch bán dẫn. thế mà nay lại phải chật vật giành lại vị trí siêu cường. Chúng ta cùng tìm hiểu điều gì đã xảy ra.

Nhớ lại hồi đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước, khi Mỹ vẫn chiếm 1/3 sản lượng chip trên toàn thế giới nhưng điều này đã nhanh chóng thay đổi khi các nhà đầu tư Mỹ gây áp lực buộc công ty ở Mỹ chỉ tập trung cho khâu thiết kế còn khâu sản xuất thì chuyển sang các nước Châu Á để giảm gánh nặng chi phí duy trì nhà máy bằng việc tận dụng lợi thế nhân công giá rẻ và hưởng các ưu đãi hấp dẫn từ các chính phủ Đài Loan, Hàn Quốc và Trung Quốc.

Thời điểm hiện tại, khi các nhà lập pháp Mỹ nhận ra việc phụ thuộc sản xuất chip có thể là ảnh hưởng an ninh quốc gia giống như những gì đang xảy ra đối với lĩnh vực ô tô khi xảy ra sự đứt gãy nguồn cung chip toàn cầu. Trong sự lo sợ vuột mất công nghệ sản xuất chip, Thượng viện Mỹ đã phê chuẩn gói hỗ trợ liên bang lên tới 52 tỷ USD nhằm thúc đẩy sản xuất chip ở Mỹ. Và gói hỗ trợ 52 tỷ USD của chính quyền Joe Biden đang đợi Hạ Viện thông qua.

Trong nỗ lực kéo các nhà máy sản xuất chip về Mỹ, theo SEMI - Hiệp hội công nghiệp bán dẫn, có 6 trong tổng số 29 nhà máy sản xuất chip mới được khởi công xây dựng trong năm tới là ở Mỹ. Số nhà máy còn lại được phân bố như sau: Trung Quốc và Đài Loan - mỗi nơi 8 nhà máy, 3 nhà máy ở Châu Âu và Trung Đông, còn Nhật Bản và Hàn Quốc mỗi nước một nhà máy.

Giám đốc điều hành của GlobalFoundries cho biết công ty cũng có kế hoạch mở rộng nhà máy ở Malta nếu nhận được khoản hỗ trợ từ liên bang. Intel cũng cam kết chi 20 tỷ USD để xây dựng hai nhà máy tại Arizona. Và giám đốc điều hành của Intel còn đề nghị Mỹ nên đặt mục tiêu chiếm lại 30% thị phần sản xuất chip trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, việc này là không đơn giản vì theo các chuyên gia các nhà sản xuất Mỹ sẽ gặp khó khăn trong việc giải bài toán chi phí thấp và sự am hiểu sâu sắc của các đối thủ châu Á. Làm thế nào để Mỹ có thể xây dựng lại ngành sản xuất bán dẫn của mình nhưng cũng phải mang lại những lợi ích và hiệu quả to lớn đối với chuỗi cung ứng toàn cầu khi mà Đài Loan và Hàn Quốc hiện đang là những nơi tốt nhất thế giới về giá cả và chất lượng. Trong một diễn biến đáng chú ý khác, cả hai nhà máy sản xuất chip đang giữ công nghệ tiên tiến nhất là TSMC và Samsung đều đã công bố kế hoạch xây dựng các nhà máy mới ở Mỹ và đủ điều kiện để nhận các khoản hỗ trợ từ liên bang nếu luật về nó được ban hành.

Và cuối cùng là vấn đề làm sao để các nhà máy sản xuất ở Mỹ thu hút được những kỹ sư tài năng tham gia khi mà hiện tại không có một trường nào có chương trình giảng dạy về sản xuất bán dẫn trong nhà máy. Bằng chứng là những người làm trong nhà máy bán dẫn hiện nay được đào tạo từ nhiều lĩnh vực rất khác nhau như tự động hóa, cơ khí, khoa học vật liệu, hóa học… Điều này dẫn tới nhu cầu cần có sự "bắt tay" giữa các nhà máy sản xuất bán dẫn với các trường đại học, cao đẳng cộng đồng để xây dựng các chương trình giảng dạy liên quan tới sản xuất chip. Và phương pháp giáo dục STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) hứa hẹn có thể giải quyết được vấn đề chuẩn bị lực lượng lao động trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn.

Bài  gốc: https://www.washingtonpost.com/technology/2021/07/07/making-semiconductors-is-hard/.

Nguyễn Thanh Yên