Nhật Bản và hãng Tokyo Electron chế tạo thiết bị sản xuất bán dẫn

ASML là một trong những nhà cung cấp lớn của TSMC và là công ty duy nhất chế tạo được những cỗ máy quang khắc EUV. Tuy nhiên, còn rất nhiều công đoạn sản xuất nữa bên cạnh quang khắc. Bài này sẽ nói về Tokyo Electron Limited (TEL) công ty chế tạo thiết bị sản xuất bán dẫn lớn nhất Nhật Bản, giá trị vốn hóa 68 tỷ đôla.

Lịch sử
Viện nghiên cứu Tokyo Electron thành lập hơn 50 năm về trước là một công ty thương mại nhỏ hoạt động độc lập. Tháng 11 năm 1963 Tokuo Kubo và Toshio Okada lập công ty trách nhiệm hữu hạn với 6 nhân viên. Đài truyền hình Tokyo Broadcasting System TBS đầu tư 5 triệu yên Nhật, đến nay vẫn là cổ đông giữ 4% cổ phần công ty, tương ứng hơn 2 tỷ đôla Mỹ, mặc cho một số quỹ hedge của Mỹ và Anh từng thúc giục đài TBS xả cổ phiếu Tokyo Electron và những khoản đầu tư khác của họ để thổi giá cổ phiếu. US asset manager puts pressure on Japan’s TBS to offload assets | Financial Times (ft.com) Lúc đầu gần như cái gì công ty cũng bán, không hiếm thấy những công ty điện tử như vậy ở Nhật Bản thời đó. Một nửa doanh thu đến từ nhập khẩu bán lại radio xe hơi, máy tính bỏ túi, dàn âm thanh xe hơi. Đột phá năm 1965 nhờ công ty ký được hợp đồng với Fairchild công ty chế tạo bán dẫn của Mỹ, nhập khẩu thiết bị kiểm thử (tester) mạch tích hợp. Dựa vào kinh nghiệm làm ăn này, năm 1968 công ty tiếp tục ký được hợp đồng nhập khẩu một thiết bị sản xuất bán dẫn thiết yếu nữa là lò nung khuếch tán, từ công ty Thermco của Mỹ. Giống thị trường Trung Quốc hiện tại, các công ty Mỹ vào thập niên 1960 không thể dấn thân vào được thị trường Nhật Bản trừ khi hợp doanh với một công ty liên kết bản địa. Hai hợp đồng trên đã tạo tiền đề cho chuyển giao công nghệ sau này. Người Nhật đã dùng điều kiện thâm nhập thị trường nội để mặc cả được quyền tiếp cận công nghệ và xây dựng nên những tập đoàn khổng lồ của quốc gia. Dù sao thì, Tokyo Electron rõ ràng đã có lợi từ hợp doanh. Và nhờ đầu tư vào nghiên cứu phát triển, công ty đã có được sản phẩm riêng bán ra thị trường. Thập niên 1970 hàng loạt khủng hoảng kinh tế như cú sốc Nixon 1971 dẫn đến thỏa ước Plaza 1985, khủng hoảng dầu mỏ 1973

Giữa cuộc khủng hoảng 1973, Tokyo Electron quyết định bỏ mảng nhập khẩu hàng điện tử tiêu dùng. Họ muốn tập trung vào trở thành nhà chế tạo thiết bị sản xuất bán dẫn. Đây là một quyết định mạo hiểm vì mảng nhập khẩu hàng điện tử tiêu dùng chiếm 60% doanh thu công ty. Nhưng ban lãnh đạo vẫn tin rằng thiết bị sản xuất bán dẫn có nhiều giá trị gia tăng hơn. Hàng điện tử tiêu dùng có doanh thu cao, nhưng lãi thấp. Sẽ chẳng mấy chốc mà ngành kinh doanh này sẽ chết. Năm 1975 công ty hoàn thành việc chuyển đổi. Năm 1976 doanh thu tăng 13% còn lợi nhuận tăng 97%. Năm 1980 công ty lên sàn chứng khoán Tokyo. Ngành công nghiệp bán dẫn Nhật Bản ngạo nghễ suốt thập kỷ 1980. Công ty như NEC, Mitsubishi Electric, Hitachi và Toshiba tận dụng kỹ thuật sản xuất bán dẫn tiên tiến nhất để thống lĩnh thị trường. Tokyo Electron trở thành một trong những nhà cung cấp hàng đầu của những công ty trên. Thành công của khách hàng cũng là thành công của công ty (Tokyo Electron). Thập niên 1990, những công ty xuất khẩu DRAM giá rẻ Nhật Bản trở thành chủ đề chính trị. Những công ty Nhật trong ngành công nghiệp bán dẫn vẫn xây nhà máy công suất lớn, có chính sách kinh tế quốc gia ưu đãi, sản xuất số lượng lớn sản phẩm mang đổ ngập thị trường nước ngoài, đã châm ngòi tranh chấp thương mại. Ví dụ: giá DRAM 256k tháng 1 năm 1985, trước khi Nhật Bản thâm nhập thị trường Mỹ, là 17 usd. Sau khi Nhật vào, hạ giá còn 4 usd vào tháng 8 năm đó. Trong khi giá thành sản xuất ở Nhật Bản là 6.34 usd. Ngành bán dẫn Mỹ vận động hành lang thành công áp đặt hạn chế lên những đối thủ Nhật. Cùng với tăng giá đồng yên, Nhật thoái lui. Tokyo Electron gặp khó. Năm 1992, 80% doanh thu công ty bán cho khách Nhật. May mắn là dù công nghiệp bán dẫn thoái trào ở Nhật, lại trỗi dậy ở ngoài thế giới. Thập niên 1990 Tokyo Electron mở rộng hoạt động bán hàng ra Hoa Kỳ, châu Âu, Đài Loan và Hàn Quốc. Công ty cũng tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu phát triển tạo ra sản phẩm tiên tiến đầu bảng cho khách hàng mới như Intel, Samsung và TSMC. Năm tài chính 2020 doanh thu 9.9 tỷ usd của công ty chỉ còn 15% bán cho khách Nhật. Năm 2013 Applied Materials muốn mua lại công ty với giá 9 tỷ usd, nhưng các cơ quan thi hành luật cạnh tranh ở Mỹ, châu Âu và Hàn Quốc đều đã ngăn cản, do công ty sau sát nhập sẽ kiểm soát hơn 25% thị phần của ngành công nghiệp thiết bị sản xuất bán dẫn cực kỳ thiết yếu này. Cho nên năm 2015 vụ sát nhập cuối cùng đã thất bại, gây thất vọng ban quản lý cấp cao. Nhưng dù sao giá trị vốn hóa của công ty (Tokyo Electron) ngày nay cũng đạt 65 tỷ usd.

Sản phẩm
Tokyo Electron không như ASML chế tạo được cỗ máy bóng bẩy vượt trội là những máy đập quang khắc. Không có tin droplet hay laser Boxing with tin droplets to generate EUV light – Bits&Chips (bits-chips.nl) Công ty, thay vào đó, bán sản phẩm dùng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất bán dẫn, nhưng kỹ thuật không chỉ tạo ra chip vi xử lý mà còn sản xuất các tấm nền hiển thị phẳng cho màn hình. Cơ bản thì, bốn dây chuyền sản xuất bán dẫn thiết yếu mà Tokyo Electron chủ lực năm 2017 là: Lithography coating / developing Deposition Dry etch Cleaning Front end: wafer fabrication và wafer probing Back end: assembly và final test Tokyo Electron cũng bán máy đóng gói và thẩm tra cho công đoạn back end. Mục tiêu của front end là chạm khắc mạch tích hợp lên một tấm wafer silicon thuần khiết chưa in, cắt thành từng die riêng lẻ. Một tấm wafer khắc xong có thể có hàng trăm hay nghìn die. Một tấm wafer cũng có nhiều lớp. Trong xưởng đúc, wafer trải qua một gói các bước phát triển (quang khắc, rửa???) nhiều lần. Một bước lại bổ sung hoặc chỉnh sửa những lớp này đến khi thiết kế hoàn chỉnh như ý khách hàng. Quá trình sản xuất wafer? - solar.mhstar.vn Máy của Tokyo Electron sử dụng vào một số những bước đơn lẻ này. Những bước này không phải lúc nào cũng theo thứ tự mượt mà như ý, một số lặp lại nhiều lần trước khi chuyển sang bước kế, phụ thuộc thiết kế.

Khuếch tán và lắng đọng (deposition)
Nghĩa là phủ xuống một lớp kim loại lên một tấm nền hay một bề mặt wafer. Ví dụ phủ một lớp đồng lên để tạo kết nối giữa các thiết bị trong một mạch tích hợp. Tokyo Electron bán thiết bị làm deposit cho nhiều nguyên tố với nhiều kiểu phủ. Ví dụ hệ thống NT333 thực hiện một kỹ thuật gọi tên là deposit lớp nguyên tử, đổ chung nhiều tiền chất hóa học hay hợp chất phản ứng vào để phủ lên một màng các chất hóa học lên tấm wafer, bằng cách tiếp xúc chất hóa học này với chất kia theo thứ tự khác nhau, kết quả được một lớp đồng đều đơn nhất. Tokyo Electron Limited (TEL) Introduces the NT333™ 300mm ALD SiO2 System | Notification | Tokyo Electron Ltd. Máy NT333 lợi thế hơn các đối thủ nhờ khả năng TEL gọi là semi-batch, làm một lúc nhiều tấm wafer. Làm theo batch ít kiểm soát từng tấm đơn lẻ, nhưng nhanh. NT333 tối ưu hóa quy trình này. Những kỹ thuật phủ kim loại deposit nữa mà máy của TEL làm được, ví dụ, hệ thống Telindy Plus dùng lò nung để khuếch tán một khí tiền chất hóa học để phủ một lớp mỏng đồng đều chất hóa học lên những mẻ (batch) wafer TELINDY PLUS™,TELINDY PLUS™ IRad™,TELFORMULA™,TELINDY™,ALPHA(α)-303i,ALPHA-8SE™,ALPHA-8S | Products and Service | Tokyo Electron Ltd. | Deposition TELINDY™ Series Đây là mảng kinh doanh lâu đời nhất của TEL, có từ hợp đồng ký với Thermco năm 1968 Hai bước trên chỉ là những công đoạn nhỏ của một bước gọi tên là photo-masking (phủ mặt nạ quang)

Bọc và khắc
Ở bước phủ mặt nạ quang, ta bọc wafer bằng một nhựa resin nhạy cảm với tia cực tím gọi tên là chất cảm quang (đeo mặt nạ). Bước gọi là “bọc” coating Sau đó phơi wafer dưới ánh sáng siêu cực tím chiếu từ những máy đạp quang khắc EUV trị giá 150 triệu usd mua của ASML, phản chiếu ảnh khuôn mẫu chip lên wafer. Kết quả có được là một phần chất cảm quang bị phơi sáng và một phần chất cảm quang được bảo vệ (giống bôi kem chống nắng). Sau đó một dung môi được dùng để rửa trôi những thành phần dị vật bị khắc ra của chất cảm quang (giống bụi, mùn cưa…), có thể là phần bị phơi hay phần đã được bảo vệ, tùy vào loại chất cảm quang là gì. Bước gột rửa này gọi tên là “developing” phát triển. Máy bọc coating và phát triển developing của TEL dán nhãn là Clean track và Lithius pro Z Tokyo Electron Introduces CLEAN TRACKTM LITHIUS Pro™ AP, High Reliability and Productivity Coater Developer for Advanced Packaging and Other Applications | Business Wire

Dry etch – khắc axit khô
Có hai cách etch ướt (dùng chất lỏng) và khô (dùng khí oxi hoặc clo). Hệ thống etch khô của TEL gọi tên là Tactras đang dẫn đầu trong ngành công nghiệp. Tactras™ Vigus™,Certas LEAGA™,Tactras™ Vesta™,Tactras™ RLSA™,Tactras™ DRM,Tactras™ SCCM™ | Products and Service | Tokyo Electron Ltd. | Etch system Tactras™ Series (tel.com) Máy bắn một luồng khí plasma có thể thực hiện etch theo phương cách đồng đều và chính xác. Tactras ra mắt năm 2006 nhưng mãi năm 2010 mới bán ra thị trường, khi ấy máy có giá bán từ 4 đến 9 triệu usd. Có thể truy cập link dưới để đặt mua máy cũ đã qua sử dụng GLOBALFOUNDRIES USED EQUIPMENT (globalfoundriesusedequipment.com)

Rửa
30-40% các bước đúc wafer hiện nay xoay quanh rửa sạch wafer. Lý do vì sau những bước miêu tả ở trên, chất hóa học và dị vật sót lại cần được gột sạch, nếu không muốn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả của wafer. Bước rửa cũng không được gây xước, và có nhiều kiểu và hình thức rửa. Ví dụ bước rửa chất cảm quang, phải bóc lớp cảm quang ra sau khi xong bước etch. Hay bước rửa dị vật nhiễm bẩn, loại bỏ hạt dị vật bằng axit siêu mạnh… Hệ thống rửa TEL bán ra tên là Cellesta TEL Announces the Launch of CELLESTA™ SCD, a Single Wafer Cleaning System | Notification | Tokyo Electron Ltd. Máy xử lý được 1000 tấm wafer mỗi giờ