Mỹ và Đài Loan (Trung Quốc) bắt tay sản xuất tấm wafer silic cacbua cho chip 6G

Vật liệu nền tảng cho thế hệ chip tiếp theo

Silic cacbua không phải cái tên xa lạ trong giới bán dẫn, nhưng vai trò của nó đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Vật liệu này có độ bền điện trường cao gấp khoảng 10 lần so với silic thông thường, dẫn nhiệt tốt hơn và chịu được nhiệt độ tiếp giáp vượt 200 độ C. Nhờ đó, các linh kiện làm từ silic cacbua chuyển mạch nhanh hơn, tiêu tán ít năng lượng hơn và cho phép thu nhỏ mô-đun nguồn xuống đáng kể so với giải pháp silic truyền thống ở cùng mức điện áp.

Nhu cầu toàn cầu với silic cacbua tăng mạnh trong vài năm gần đây, trong khi nguồn cung không theo kịp. Sản xuất wafer silic cacbua đòi hỏi vốn đầu tư lớn, tỷ lệ lỗi cao và phụ thuộc vào số lượng rất ít nhà cung cấp đạt chuẩn trên toàn thế giới. Đây chính là lý do hợp tác Purdue - GCCS ra đời.

Hình minh họa tấm bán dẫn. Ảnh: Wikimedia Commons

Ba điểm nghẽn cần phá vỡ

GCCS, công ty Đài Loan (Trung Quốc) chuyên về công nghệ nuôi tinh thể silic cacbua tiên tiến, xác định ba rào cản vật lý mà hợp tác này nhắm tới.

Thứ nhất là quản lý nhiệt. Silic cacbua đóng vai trò đế wafer vượt trội, cho phép giải nhiệt hiệu quả thông qua các kênh vi mô trong cấu trúc đóng gói chip tiên tiến như chip-on-wafer-on-substrate và chip-on-panel-on-substrate. Đây là yêu cầu sống còn khi mật độ tích hợp chip ngày càng tăng.

Thứ hai là phân phối điện năng. Silic cacbua hiện đại hóa quá trình chuyển đổi điện từ lưới đến máy chủ, với hiệu suất vượt trội nhờ ứng dụng truyền tải điện một chiều cao áp và máy biến áp trạng thái rắn.

Thứ ba là viễn thông 6G. Silic cacbua cung cấp hiệu quả vật liệu thiết yếu cho các thiết bị trong hạ tầng kết nối thế hệ tiếp theo.

Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy

Chủ tịch hội đồng quản trị GCCS, ông Kuan-Ming Hsiung, nhận định rằng hợp tác này kết hợp quy mô sản xuất của GCCS với năng lực học thuật hàng đầu của Mỹ, hướng tới mục tiêu xây dựng chuỗi cung ứng silic cacbua nội địa có khả năng phục hồi cao tại Mỹ, phục vụ an ninh công nghệ quốc gia.

Trọng tâm nghiên cứu chung là xác định và loại trừ các khiếm khuyết tinh thể, tối ưu hóa quy trình nuôi tinh thể silic cacbua để đẩy nhanh chuyển đổi sang nền tảng wafer 8 inch và 12 inch với tỷ lệ đạt chuẩn cao hơn.

Con đường từ phòng thí nghiệm tới dây chuyền sản xuất khối lượng lớn chứa nhiều thách thức kỹ thuật đặc thù. Quá trình nuôi lớp silic cacbua trên wafer yêu cầu nhiệt độ trên 1.500 độ C cùng hóa học tiền chất chính xác. Chỉ một sai lệch nhỏ trong quy trình có thể tạo ra lỗi vi ống khiến linh kiện không dùng được. Các bước quang khắc và cấy ion sau đó cũng phức tạp hơn silic thông thường, phần do độ cứng của silic cacbua gây khó khăn trong đánh bóng và kiểm soát độ đồng đều khi ăn mòn.

Chi phí vẫn là bài toán chưa có lời giải dứt khoát. Wafer silic cacbua hiện đắt hơn wafer silic cùng kích thước nhiều lần. Lợi thế hiệu suất thiết bị có thể bù đắp chi phí hệ thống, song điều đó phụ thuộc vào việc đạt được tỷ lệ đạt chuẩn cao trong sản xuất. Hợp tác giữa nhóm nghiên cứu đại học và doanh nghiệp thương mại từ trước đến nay là một trong những cơ chế hiệu quả để giảm rủi ro trong giai đoạn cải tiến quy trình đầu, trước khi đưa vào dây chuyền sản xuất chính thức.

Cuộc đua toàn cầu chưa phân thắng bại

Thị trường silic cacbua toàn cầu hiện do một số ít nhà sản xuất lớn chi phối, trong đó có Wolfspeed, Coherent và STMicroelectronics. Cả ba đều công bố kế hoạch mở rộng công suất trị giá hàng tỷ đô la trong những năm gần đây. Hướng đi của Purdue và GCCS khác biệt ở chỗ tập trung vào đổi mới quy trình thay vì chỉ chạy theo tăng công suất thô.

Với việc Mỹ xác định bán dẫn là ngành chiến lược quốc gia, hợp tác này phản ánh xu hướng rõ ràng: đưa chuỗi giá trị sản xuất chip tiên tiến về lãnh thổ Mỹ, từ khâu vật liệu nền tảng cho tới công đoạn gia công cuối. Silic cacbua, vốn ít được chú ý so với các loại chip tiêu dùng thông thường, đang dần trở thành mặt trận cạnh tranh mới trong cuộc chiến bán dẫn toàn cầu.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng