Các nhà cung cấp vật liệu Nhật Bản mở rộng để đáp ứng nhu cầu chip 2 nm

Cuộc đua mới ở tiến trình 2 nm và tầm quan trọng của vật liệu

Các nhà phát triển vật liệu bán dẫn Nhật Bản đang mở rộng hoạt động khi các nhà sản xuất chip toàn cầu hướng tới sản xuất hàng loạt chip logic 2 nm. Cuộc đua thu nhỏ kích thước tính năng được thúc đẩy bởi nhu cầu từ trí tuệ nhân tạo, điện toán hiệu năng cao và các hệ thống ô tô tiên tiến. Vật liệu là nền tảng thầm lặng của quá trình chuyển đổi này. Mọi tấm wafer, chất cản quang, dung môi, khí, keo dán và nhựa đều phải đáp ứng dung sai chặt hơn, tiêu chuẩn độ tinh khiết cao hơn và độ đồng nhất nghiêm ngặt hơn so với các thế hệ trước. Đây là cơ hội tăng trưởng mà các nhà cung cấp Nhật Bản, vốn từ lâu được tin cậy về chất lượng và độ chính xác, đang nhìn thấy.

Ở tiến trình 2 nm, các nhà sản xuất chip hàng đầu đang áp dụng transistor cổng bao quanh (GAA) và kiến trúc chip phức tạp hơn. GAA cải thiện khả năng kiểm soát dòng điện bên trong transistor, giúp giảm dòng rò và mức tiêu thụ điện ở quy mô rất nhỏ. Các thiết kế này đòi hỏi hóa chất chất cản quang cho quang khắc cực tím bước sóng siêu ngắn (EUV), axit và dung môi độ tinh khiết cao, wafer silicon siêu phẳng cùng vật liệu đóng gói chuyên dụng. Mỗi công đoạn đều có cửa sổ quy trình hẹp, khiến hiệu suất vật liệu ổn định trở thành yếu tố then chốt quyết định tỷ lệ thành phẩm.

Các nhà cung cấp Nhật Bản đang đầu tư để đón bước ngoặt này. Tokyo Ohka Kogyo dự kiến xây dựng tổ hợp mới gồm nhà máy chất cản quang và hóa chất độ tinh khiết cao gần Seoul, nhằm phục vụ các xưởng đúc hàng đầu ở châu Á. Adeka đang nâng cấp thiết bị sản xuất hóa chất bán dẫn tiên tiến. Các nhà sản xuất wafer hàng đầu Shin-Etsu Chemical và SUMCO, vốn cùng cung ứng phần lớn wafer silicon 300 mm, đang điều chỉnh đế wafer để đạt độ phẳng cao hơn và mật độ khuyết tật thấp hơn theo yêu cầu của quá trình tạo mẫu 2 nm. Trong khi đó, nhu cầu vật liệu đóng gói tăng lên khi các nhà sản xuất chip kết nối bộ xử lý với bộ nhớ băng thông cao theo cấu hình mật độ cao cho các hệ thống AI. Những động thái này phù hợp với lộ trình của ngành, trong đó TSMC, Samsung và Intel thúc đẩy các thế hệ công nghệ mới, còn Rapidus của Nhật Bản đặt mục tiêu đưa hoạt động sản xuất 2 nm về trong nước trong thập kỷ này.

Ai đang đầu tư và năng lực sản xuất tăng ở đâu

Chi tiêu vốn của các công ty vật liệu Nhật Bản đang mở rộng trên cả công đoạn đầu và công đoạn sau trong sản xuất chip. Mục tiêu trước mắt là phục vụ đợt sản xuất 2 nm đầu tiên tại các xưởng đúc ở nước ngoài, đồng thời chuẩn bị cho nhu cầu mới trong nước từ Rapidus và các dự án khác tại Nhật Bản. Các khoản đầu tư phản ánh sự chuyển hướng rộng hơn của đất nước nhằm giành lại vai trò trung tâm trong lĩnh vực bán dẫn tiên tiến bằng cách tập trung vào những thế mạnh, đặc biệt là vật liệu và thiết bị.

Chất cản quang và hóa chất độ tinh khiết cao

Tokyo Ohka Kogyo, doanh nghiệp hàng đầu toàn cầu về chất cản quang, dự kiến xây dựng cơ sở mới gần Seoul, gồm nhà máy chất cản quang EUV và nhà máy hóa chất độ tinh khiết cao. Công nghệ phơi sáng EUV sử dụng bước sóng ánh sáng rất ngắn, vì vậy chất cản quang phải có độ nhạy cao, độ nhám cạnh đường thấp và mức nhiễm bẩn tối thiểu. Việc kiểm soát quy trình ở tiến trình 2 nm đòi hỏi độ chính xác khắt khe, nâng tiêu chuẩn đối với công thức chất cản quang và các bước xử lý sau phủ. Các công ty cũng đang tăng năng lực sản xuất hóa chất hiện hình, tẩy rửa và làm sạch, bởi mỗi lần tráng bổ sung hay một lượng kim loại vết đều có thể ảnh hưởng đến hiệu năng thiết bị.

Wafer, hồ đánh bóng và khí chuyên dụng

Shin-Etsu Chemical và SUMCO cung ứng phần lớn wafer 300 mm trên thế giới, và sản phẩm của họ là nền tảng bảo đảm độ chính xác quang khắc ở các thế hệ công nghệ tiên tiến. Ở tiến trình 2 nm, độ phẳng wafer, khả năng kiểm soát hạt bụi và độ hoàn hảo của tinh thể đều phải tiếp tục được cải thiện, cho cả quá trình tạo mẫu ở công đoạn đầu lẫn các quy trình mặt sau đang được nghiên cứu. Các vật tư tiêu hao như hồ đánh bóng cơ học hóa học cũng đang được cải tiến song song để đạt tốc độ loại bỏ đồng đều trên các mẫu có mật độ cao hơn. Khí chuyên dụng dùng cho lắng đọng và ăn mòn cũng cần độ tinh khiết cao hơn để tránh các tương tác làm ảnh hưởng đến cấu trúc GAA.

Vật liệu đóng gói trở thành trọng tâm

Khi công suất chip và băng thông bộ nhớ tăng, đóng gói tiên tiến trở thành đòn bẩy nâng cao hiệu năng. Các công ty Nhật Bản như Ajinomoto Fine-Techno (nổi tiếng với màng ABF dùng để xây dựng lớp mạch), Resonac, Nissan Chemical, Sumitomo Bakelite và Namics đang mở rộng hoạt động trong các lĩnh vực vật liệu lấp đầy khe hở, vật liệu đóng gói, keo dán liên kết tạm thời và nhựa kiểm soát hiện tượng cong vênh. Hợp tác JOINT2, quy tụ các chuyên gia vật liệu cùng Rapidus và Trung tâm Công nghệ Bán dẫn Tiên tiến của Nhật Bản, đang phát triển quy trình đóng gói 3D giúp chip giữ đúng vị trí và ổn định nhiệt. Các công cụ chính xác của các nhà sản xuất thiết bị Nhật Bản hỗ trợ quá trình chuyển dịch này, đưa đóng gói trở thành cả một thách thức về vật liệu lẫn lĩnh vực kỹ thuật.

Bên trong thách thức 2 nm

Bước nhảy từ các thế hệ công nghệ hàng đầu hiện nay lên 2 nm không chỉ đơn giản là thu nhỏ lưới mạch. GAA thay đổi hình học transistor bằng cách bao quanh các tấm nano hoặc dây nano bằng cổng. Thiết kế này cải thiện khả năng kiểm soát của cổng, giúp duy trì hiệu năng ở kích thước rất nhỏ. Đồng thời, nó đòi hỏi lựa chọn cẩn trọng các điện môi hằng số điện môi cao, cổng kim loại và kim loại điều chỉnh công thoát, cùng môi trường phòng sạch được kiểm soát nghiêm ngặt. Chỉ một lượng nhiễm bẩn rất nhỏ cũng có thể làm thay đổi điện áp ngưỡng hoặc tạo ra đường rò.

Quang khắc EUV là một trụ cột khác. Các mẫu ở tiến trình 2 nm đòi hỏi những bước tạo mẫu đa lần phức tạp hơn, còn các thiết bị EUV khẩu độ số cao thế hệ tới sẽ tiếp tục nâng độ phân giải. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với hóa chất chất cản quang, công thức nung sau phơi sáng và công đoạn kiểm tra khuyết tật. Chất cản quang phải cân bằng độ nhạy, độ phân giải và độ nhám, đồng thời giảm thiểu khuyết tật ngẫu nhiên. Dung môi và hóa chất tráng rửa dùng cùng các chất cản quang đó không được ăn mòn hoặc làm trương nở các cấu trúc mỏng manh.

Đóng gói hiện đã trở thành quyết định thiết kế ưu tiên hàng đầu. Các bộ tăng tốc AI ghép khuôn chip tính toán với các chồng bộ nhớ băng thông cao bằng kỹ thuật 2.5D và 3D. Bộ trung gian, vi lồi, trụ đồng và via xuyên silicon đặt ra yêu cầu mới đối với keo dán, màng gắn khuôn và vật liệu giao diện nhiệt. Các hợp chất này kiểm soát ứng suất, giảm cong vênh và dẫn nhiệt ra khỏi các cụm linh kiện mật độ cao. Không thể đạt mục tiêu hiệu năng ở tiến trình 2 nm nếu thiếu vật liệu đóng gói đáng tin cậy, có thể chịu được các chu kỳ nhiệt và duy trì ổn định trong thời gian dài.

Rapidus, sự hậu thuẫn của chính phủ và hệ sinh thái trong nước

Rapidus giữ vị trí trung tâm trong kế hoạch sản xuất chip 2 nm tại Nhật Bản. Công ty bắt đầu sản xuất thử nghiệm tại Chitose, Hokkaido vào tháng 4 năm 2025 và đã cùng các đối tác trình diễn những thành phần cốt lõi của thiết bị GAA 2 nm. Công ty đặt mục tiêu cung cấp mẫu cho khách hàng sau các đợt chạy thử nguyên mẫu và hướng tới sản xuất hàng loạt vào năm 2027. Chính phủ đã cam kết hỗ trợ hơn 1,7 nghìn tỷ yen, đồng thời thiết lập các cơ chế mới về đầu tư và bảo lãnh khoản vay. Các nhà hoạch định chính sách cũng tìm cách đưa ra biện pháp bảo vệ, trong đó có những điều kiện gắn với tài trợ công nhằm bảo vệ công nghệ trọng yếu và hoạt động quản trị doanh nghiệp.

Chủ tịch Rapidus, Atsuyoshi Koike, đã mô tả quy mô nhiệm vụ bằng những lời lẽ thẳng thắn. Ông nhấn mạnh việc học hỏi để nâng tỷ lệ thành phẩm và bảo đảm độ tin cậy là những rào cản mang tính quyết định trên con đường đạt sản lượng lớn ổn định.

Phát triển công nghệ sản xuất hàng loạt là nhiệm vụ cực kỳ khó khăn; xác nhận tỷ lệ thành phẩm và bảo đảm độ tin cậy là những trở ngại lớn.

Ý nghĩa của nỗ lực này vượt xa phạm vi một công ty. Nếu Nhật Bản không thể tạo chỗ đứng vững chắc cho hoạt động sản xuất chip logic tiên tiến, nguy cơ các nhà cung cấp thiết bị và vật liệu chuyển năng lực sản xuất ra nước ngoài để theo chân khách hàng sẽ tăng lên. Vì vậy, nỗ lực của Rapidus được thiết kế như một nền tảng cho toàn hệ sinh thái, với hoạt động phát triển chung trên các lĩnh vực vật liệu, đo lường, quang khắc và đóng gói. Công ty đang thử nghiệm quy trình xử lý từng wafer riêng lẻ hoặc theo mẻ nhằm đẩy nhanh phản hồi và rút ngắn chu kỳ học hỏi; đồng thời theo đuổi phương thức tích hợp công đoạn đầu và công đoạn sau để rút ngắn thời gian đáp ứng khách hàng tại các thị trường ngách.

Nhân lực vẫn là một hạn chế. Rapidus đã cử kỹ sư đến các phòng thí nghiệm đối tác để học quy trình tiên tiến, đồng thời tuyển dụng trong nước và ở nước ngoài. Các công ty vật liệu cũng làm tương tự, xây dựng đội ngũ gần các nhà máy của khách hàng tại Nhật Bản và Hàn Quốc để hỗ trợ thử nghiệm nhanh và điều chỉnh quy trình tại chỗ.

Các tập đoàn toàn cầu tại Nhật Bản và sức hút đối với nhà cung cấp trong nước

Làn sóng đầu tư vật liệu của Nhật Bản gắn liền với các cơ sở sản xuất mới trong nước. Công ty con của TSMC tại Kumamoto đang mở rộng với nhà máy thứ hai, làm tăng nhu cầu về wafer, hóa chất và chất cản quang trong khu vực. Mua hàng tại địa phương giúp rút ngắn thời gian giao hàng và cải thiện kiểm soát chất lượng, qua đó hỗ trợ quá trình tăng sản lượng ở các thế hệ công nghệ mới.

Samsung cũng đang tăng cường hiện diện. Công ty dự kiến mở trung tâm nghiên cứu đóng gói tiên tiến tại Yokohama, nhằm cải thiện khả năng kết nối giữa bộ xử lý và bộ nhớ cho các tác vụ AI. Phòng nghiên cứu sẽ phối hợp với các nhà cung cấp vật liệu, thiết bị và các trường đại học Nhật Bản, củng cố mối liên kết giữa nghiên cứu, dây chuyền thử nghiệm và quy trình thương mại. Đối với các doanh nghiệp hàng đầu về đóng gói như Namics và Resonac, việc ở gần chương trình R&D của một khách hàng lớn tạo ra con đường trực tiếp để cùng phát triển vật liệu lấp đầy khe hở thế hệ mới, màng gắn khuôn và nhựa ít cong vênh.

Những khoản đầu tư này giúp Nhật Bản trở thành trung tâm mạnh hơn về vật liệu tiên tiến, ngay cả khi hoạt động sản xuất wafer 2 nm cốt lõi vẫn tiếp diễn ở nhiều khu vực. Các xưởng đúc toàn cầu sẽ tiếp tục dựa vào wafer, chất cản quang và vật tư tiêu hao của Nhật Bản. Sự kết hợp giữa nhu cầu nước ngoài và các cơ sở sản xuất mới trong nước tạo ra tệp khách hàng sâu rộng hơn cho các nhà cung cấp địa phương.

2 nm có ý nghĩa gì với AI, ô tô và mức tiêu thụ năng lượng

Các tác vụ huấn luyện và suy luận AI đang đẩy các trung tâm dữ liệu tới giới hạn về công suất và làm mát. Chip 2 nm kết hợp với công nghệ đóng gói tiên tiến và bộ nhớ băng thông cao hướng tới khả năng thực hiện nhiều phép tính hơn trên mỗi watt. Điều đó có thể giúp các nhà vận hành dịch vụ đám mây giảm hóa đơn năng lượng và lượng khí thải carbon, đồng thời hỗ trợ các mô hình lớn hơn và suy luận nhanh hơn cho người dùng. Trong các thiết bị biên, hiệu quả cao hơn giúp tăng cường khả năng xử lý thông minh ngay trên thiết bị cho robot, hệ thống công nghiệp, thiết bị đeo và đồ điện tử gia dụng.

Các công ty ô tô cần năng lực tính toán đáng tin cậy cho hệ thống hỗ trợ lái xe và các tính năng tự hành trong tương lai. Họ cũng cần chip có thể chịu được biến động nhiệt độ và vòng đời sử dụng dài. Vật liệu dùng trong đóng gói và kết nối đóng vai trò trung tâm đối với độ tin cậy đó. Ngành công nghiệp rộng lớn hơn của Nhật Bản, trong đó có các nhà sản xuất ô tô và công ty điện tử, đang theo sát tiến triển của 2 nm, bởi khả năng tiếp cận công nghệ logic tiên tiến trong nước có thể đẩy nhanh thiết kế đồng thời và rút ngắn chuỗi cung ứng.

Đối với các ưu tiên quốc gia trải rộng từ viễn thông, y tế đến quốc phòng, năng lực sản xuất 2 nm giúp tăng khả năng chống chịu. Nếu năng lực tính toán thiết yếu có thể được cung ứng từ nhiều khu vực, các nhà sản xuất hệ thống có thể đa dạng hóa nguồn cung. Chuyên môn về vật liệu của Nhật Bản tạo đòn bẩy cho nước này trong mô hình đa khu vực đó.

Rủi ro, hạn chế và cách các nhà cung cấp ứng phó

Mở rộng quy mô lên 2 nm đi kèm những rủi ro đã biết. Các thế hệ công nghệ mới thường gặp biến động về tỷ lệ thành phẩm, hạn chế nguồn cung thiết bị trọng yếu và áp lực chi phí. Các thiết bị EUV khẩu độ số cao cùng những lớp vật liệu chất cản quang đi kèm cần đạt được công thức sản xuất ổn định. Thiếu đủ kỹ sư lành nghề là thách thức trên toàn ngành, còn cạnh tranh nhân tài rất gay gắt. Nguồn vốn cũng là một yếu tố. Xây dựng đầy đủ dây chuyền sản xuất 2 nm đòi hỏi hàng nghìn tỷ yen vốn, do đó cần kết hợp hỗ trợ công và đầu tư tư nhân trong nhiều năm.

Các công ty vật liệu đang thích ứng bằng một số động thái rõ ràng. Họ bố trí năng lực sản xuất gần các nhà máy của khách hàng tại châu Á và Nhật Bản để hỗ trợ thử nghiệm nhanh và giao hàng đúng thời điểm. Họ đầu tư vào hóa chất xanh hơn, hệ thống thu hồi và xử lý nước để đáp ứng tiêu chuẩn môi trường. Nhiều công ty tăng cường hợp tác nghiên cứu với các trường đại học và trung tâm R&D nhằm đẩy nhanh điều chỉnh công thức cho chất cản quang EUV, màng có hằng số điện môi thấp và hợp chất đóng gói dẫn nhiệt. Một số nhà cung cấp đang cân nhắc liên doanh để chia sẻ rủi ro đối với các nhà máy tốn kém.

Cạnh tranh vẫn mang tính toàn cầu. Các xưởng đúc Trung Quốc đang mở rộng ở những thế hệ công nghệ trưởng thành và có thể tác động đến giá vật liệu cũng như mô hình cung ứng. Ở các thế hệ công nghệ tiên tiến, TSMC, Samsung và Intel sẽ thiết lập chuẩn quy trình mà các nhà cung cấp vật liệu phải đáp ứng. Những công ty có thể chứng minh chất lượng ổn định ở quy mô lớn, đồng thời giúp khách hàng giảm khuyết tật và biến động, sẽ giành thêm thị phần.

Triển vọng vị thế dẫn đầu của Nhật Bản về vật liệu

Nhật Bản đặt mục tiêu khôi phục vị thế trong ngành bán dẫn bằng cách nắm giữ những mắt xích then chốt mà nước này có thế mạnh. Vật liệu nằm ở trung tâm chiến lược đó. Với việc Tokyo Ohka Kogyo, Adeka, Shin-Etsu, SUMCO, Ajinomoto Fine-Techno, Resonac, Namics và các doanh nghiệp khác mở rộng hoạt động, Nhật Bản có vị thế hỗ trợ những nhà máy 2 nm đầu tiên ở nước ngoài và năng lực sản xuất mới trong nước. Các mục tiêu của chính phủ về doanh số bán dẫn trong nước vào năm 2030 dựa trên tiến triển ở cả hai mặt, với các liên minh nghiên cứu và trợ cấp giúp thu hẹp khoảng cách.

Những cột mốc cần theo dõi gồm mức độ hoàn thiện nguyên mẫu và các trao đổi ban đầu với khách hàng của Rapidus; các lô hàng mới chất cản quang EUV và hóa chất độ tinh khiết cao dành cho thiết bị khẩu độ số cao; những đột phá về nhựa và keo dán đóng gói 3D trong khuôn khổ JOINT2; cùng tiến độ xây dựng nhà máy mở rộng của TSMC tại Kumamoto và cơ sở đóng gói của Samsung ở Yokohama. Mỗi diễn biến này đều cho thấy nhu cầu đối với vật liệu Nhật Bản đang tăng lên.

Vai trò của Nhật Bản trong lĩnh vực 2 nm sẽ không phụ thuộc vào một nhà máy duy nhất. Vai trò đó phụ thuộc vào độ tin cậy của hệ sinh thái vật liệu trên các lĩnh vực wafer, hóa chất và đóng gói. Nếu các nhà cung cấp duy trì chất lượng và đổi mới cùng khách hàng, họ có thể trở thành mắt xích không thể thiếu trong giai đoạn sản xuất chip tiếp theo.

Điểm chính

• Các nhà cung cấp vật liệu Nhật Bản đang tăng chi tiêu vốn để hỗ trợ sản xuất chip 2 nm, hướng tới cả các xưởng đúc ở nước ngoài lẫn những dự án mới tại Nhật Bản.
• Tokyo Ohka Kogyo dự kiến xây dựng tổ hợp mới về chất cản quang EUV và hóa chất độ tinh khiết cao gần Seoul, trong khi Adeka nâng cấp thiết bị sản xuất hóa chất bán dẫn tiên tiến.
• Shin-Etsu Chemical và SUMCO, hai công ty cùng nắm giữ phần lớn thị trường wafer 300 mm toàn cầu, đang điều chỉnh đế wafer để đáp ứng dung sai chặt hơn của tiến trình 2 nm.
• Vật liệu đóng gói là trọng tâm tăng trưởng, khi Ajinomoto Fine-Techno, Resonac, Sumitomo Bakelite, Namics và các công ty khác đầu tư vào vật liệu lấp đầy khe hở, keo dán và nhựa ít cong vênh.
• Hợp tác JOINT2 kết nối các doanh nghiệp vật liệu với Rapidus và Trung tâm Công nghệ Bán dẫn Tiên tiến để thúc đẩy công nghệ đóng gói 3D cho chip thời đại AI.
• Rapidus bắt đầu sản xuất thử nghiệm vào năm 2025 và đặt mục tiêu sản xuất hàng loạt vào năm 2027, với hơn 1,7 nghìn tỷ yen tài trợ công, cùng các biện pháp bảo vệ công nghệ trọng yếu.
• TSMC đang mở rộng tại Kumamoto và Samsung dự kiến xây dựng trung tâm R&D về đóng gói ở Yokohama, những động thái làm tăng nhu cầu tại địa phương đối với vật liệu và thiết bị Nhật Bản.
• Tiến trình 2 nm đòi hỏi transistor GAA, chất cản quang EUV tiên tiến và độ tinh khiết cực cao ở mọi công đoạn, nâng tiêu chuẩn về tính đồng nhất của vật liệu và kiểm soát khuyết tật.
• Các rủi ro gồm quá trình cải thiện tỷ lệ thành phẩm, khả năng tiếp cận thiết bị, thiếu hụt nhân lực và nhu cầu vốn; các nhà cung cấp đang ứng phó bằng năng lực sản xuất tại địa phương, quy trình xanh hơn và quan hệ R&D sâu rộng hơn.