Why a fab costs a fortuneVì sao nhà máy chip đắt đỏ

A leading-edge chip factory costs twenty billion dollars or more, yet the building itself is one of the cheapest parts. Most of the money goes into what happens inside, where machines print metal lines only nanometres wide and build films one atomic layer at a time.

Một nhà máy sản xuất chip (wafer fab) tiên tiến nhất ngày nay tốn từ hai mươi tỷ đô la trở lên, nhưng bản thân tòa nhà lại là một trong những phần rẻ nhất. Phần lớn số tiền nằm ở những gì diễn ra bên trong, nơi máy móc in những đường kim loại chỉ rộng cỡ nanomet và dựng màng mỏng theo từng lớp nguyên tử một.

In this chapter

Trong chương này

• Where the $20 billion or more for a leading-edge fab goes, from clean rooms to vibration control
• Which machines print and carve a chip, and how precise they have to be
• How films are built one atomic layer at a time
• How the transistor went from flat to fins to stacked sheets, and what may come next
• Why 700 steps at 99% success each would leave almost no working chips

• Hơn hai mươi tỷ đô la xây một fab tiên tiến được chi vào đâu, từ phòng sạch đến hệ thống chống rung
• Những loại máy nào dùng để in và khắc chip, và chúng phải đạt độ chính xác đến đâu
• Màng mỏng được dựng theo từng lớp nguyên tử như thế nào
• Bóng bán dẫn (transistor) đã đi từ dạng phẳng sang dạng vây, rồi đến các tấm xếp chồng ra sao, và điều gì có thể đến tiếp theo
• Vì sao 700 bước, mỗi bước thành công 99%, sẽ gần như không để lại con chip nào dùng được

The building is one of the cheapest parts

Tòa nhà chỉ chiếm một phần nhỏ chi phí

A wafer fab, the factory where chips are made, is one of the largest investments a company can make. A leading-edge fab now costs $20 billion or more. TSMC, for example, plans to invest $165 billion in Arizona, for six fabs, two advanced packaging plants and a research centre.^7.1 Yet the walls and the roof take only a small share of it. The money goes into what is put inside, and into the conditions the building has to hold every hour of every day.

Xây một wafer fab là một trong những khoản đầu tư lớn nhất mà một doanh nghiệp có thể bỏ ra. Một fab tiên tiến ngày nay tốn từ 20 tỷ đô la trở lên; chẳng hạn, TSMC dự kiến đầu tư 165 tỷ đô la tại bang Arizona (Mỹ) cho sáu fab, hai nhà máy đóng gói tiên tiến và một trung tâm nghiên cứu.^7.1 Thế nhưng tường và mái chỉ chiếm một phần nhỏ. Tiền chủ yếu đổ vào những gì được đặt bên trong, cùng những điều kiện mà tòa nhà phải giữ ổn định suốt ngày đêm.

Start with the air. Temperature and humidity inside a fab are held almost perfectly steady. The production floor is a clean room, and the most demanding areas meet what the industry still calls class 10 or class 100: no more than 10 to 100 particles half a micrometre or larger in each cubic foot of air (about 28 litres).^7.2

Trước hết là không khí. Trong fab, nhiệt độ và độ ẩm gần như không bao giờ xê dịch. Khu vực sản xuất là phòng sạch. Những khu khắt khe nhất đạt mức mà trong ngành vẫn quen gọi là class 10 hay class 100: mỗi foot khối không khí (chừng 28 lít) chỉ chứa tối đa 10 đến 100 hạt bụi cỡ nửa micromet trở lên.^7.2

Then there is vibration. The tools in a fab place their work to within nanometres, so the building is designed to isolate them from shaking. It has to be: at these scales even a small vibration can blur what a tool prints and spoil the wafers passing through it.

Tiếp đến là rung chấn. Máy móc trong fab định vị từng chi tiết với sai số chỉ vài nanomet, nên người ta phải thiết kế tòa nhà sao cho chúng cách ly khỏi rung động. Không thể khác được: ở kích thước này, chỉ một rung chấn nhỏ cũng đủ làm nhòe những gì cỗ máy đang in và làm hỏng các tấm wafer đi qua nó.

The machines that print and carve must be precise to within nanometres

Những cỗ máy in và khắc phải chính xác đến từng nanomet

Chapter 6 followed a chip through the steps that build it, repeated layer after layer. This chapter looks at the machines behind those steps, because they, far more than the building, are the main cost of a fab.

Chương 6 đã theo chân con chip qua các bước tạo nên nó, lặp đi lặp lại hết lớp này đến lớp khác. Chương này nhìn vào những cỗ máy đứng sau các bước ấy, bởi chính chúng mới là khoản chi chủ yếu của một fab, lớn hơn tòa nhà rất nhiều.

The best known is the lithography tool, which prints the chip’s pattern with light. As transistors shrink, the lines it prints shrink with them. The most advanced machines use extreme ultraviolet (EUV) lithography, light with a wavelength of 13.5 nanometres. According to their maker, ASML, today’s EUV systems print features about 13 nanometres across, and the newest high-NA models, whose optics take in light at a wider angle so they can print finer detail, about 8.^7.3

Nổi tiếng nhất là máy quang khắc, thiết bị dùng ánh sáng để in hình mẫu của con chip lên wafer. Bóng bán dẫn (transistor) càng nhỏ thì những đường nét nó phải in càng mảnh. Các máy tiên tiến nhất dùng quang khắc EUV (Extreme Ultraviolet Lithography), với ánh sáng cực tím bước sóng 13,5 nanomet. Theo ASML, hãng chế tạo loại máy này, các hệ thống EUV hiện nay in được những chi tiết rộng khoảng 13 nanomet. Thế hệ high-NA (khẩu độ số cao) mới nhất có hệ quang học thu ánh sáng ở góc rộng hơn, nên in được chi tiết mảnh hơn nữa, xuống tới khoảng 8 nanomet.^7.3

Lithography is only one family of tools. Beside it stand the machines for the other steps chapter 6 described, etch, deposition and chemical mechanical planarization (CMP), each one highly specialised, and a fab needs many of each.

Máy quang khắc mới chỉ là một nhóm thiết bị. Bên cạnh nó là máy móc cho các bước khác mà chương 6 đã mô tả, gồm máy khắc, máy lắng đọng và máy làm phẳng hóa cơ (CMP), loại nào cũng chuyên dụng cao, và một fab cần rất nhiều máy mỗi loại.

To picture the scale, take a human hair, about a tenth of a millimetre thick. Split it into a hundred thousand strands and each one is about a nanometre wide. The metal lines that link a modern chip’s transistors are measured in nanometres, and each new layer has to line up with the one beneath it to within nanometres, across the whole wafer. If the alignment slips, wires that were meant to touch never meet.

Để hình dung được kích thước ấy, hãy lấy một sợi tóc, dày chừng một phần mười milimet. Chẻ nó thành một trăm nghìn sợi, mỗi sợi sẽ chỉ rộng khoảng một nanomet. Những đường kim loại nối các transistor trên một con chip hiện đại được đo bằng nanomet, và mỗi lớp mới phải khớp với lớp bên dưới với sai lệch chỉ vài nanomet, trên toàn bộ tấm wafer. Chỉ cần lệch một chút, những đường dây lẽ ra phải chạm nhau sẽ không bao giờ gặp nhau.

Every time the transistor shrinks, the lines and the tolerances shrink too, and the tools have to become more precise with them. That precision is a large part of what a fab pays for.

Mỗi lần transistor nhỏ đi, đường dây và dung sai cũng thu hẹp theo, buộc máy móc phải chính xác hơn. Một phần lớn số tiền mà fab bỏ ra là để trả cho độ chính xác ấy.

Some tools deposit and etch one atomic layer at a time

Có những cỗ máy lắng đọng và khắc theo từng lớp nguyên tử một

Some of the hardest work in a fab happens in films. A thin film is a layer of material laid over the wafer, and at the most advanced nodes some films are only a few atoms thick. Some tools now deposit material, or etch it away, one atomic layer at a time, working at the scale of the angstrom: a tenth of a nanometre, roughly the size of an atom.

Một trong những phần việc khó nhất của fab nằm ở các lớp màng. Màng mỏng là một lớp vật liệu phủ lên wafer, và ở những tiến trình bán dẫn (technology node) tiên tiến nhất, có lớp chỉ dày vài nguyên tử. Một số máy ngày nay lắng đọng vật liệu, hoặc khắc bỏ vật liệu, theo từng lớp nguyên tử một, ở cỡ angstrom: một phần mười nanomet, xấp xỉ kích thước một nguyên tử.

The best known of these methods is atomic layer deposition (ALD). Its trick is a reaction that stops by itself. A chemical is pulsed over the wafer and sticks only where the surface still has room; once every spot is taken, no more can attach. The chamber is flushed, a second chemical completes the reaction, and the cycle begins again. Each cycle adds a slice of film thinner than a single atomic layer, so the final thickness can be set almost atom by atom.^7.4

Phương pháp tiêu biểu nhất là lắng đọng nguyên tử (ALD). Bí quyết của nó là một phản ứng tự dừng lại. Người ta bơm một loại hóa chất lên wafer theo từng đợt ngắn, và hóa chất này chỉ bám vào những chỗ trên bề mặt còn trống; khi mọi chỗ đã kín, không phân tử nào bám thêm được nữa. Buồng máy sau đó được thổi sạch bằng khí trơ, một hóa chất thứ hai hoàn tất phản ứng, rồi chu trình lại bắt đầu. Mỗi chu trình chỉ thêm một lớp màng mỏng hơn cả một lớp nguyên tử, nhờ vậy độ dày cuối cùng có thể điều chỉnh gần như đến từng nguyên tử.^7.4

Picture it at a human scale. If an atom were the size of a ball and a chip’s surface were as large as the Moon, full of craters and hollows, ALD would coat that whole surface one thin layer at a time, never piling one ball on top of another and reaching into every crater as easily as across the flat plains. Coating the walls and floors of deep, narrow structures that evenly is exactly what today’s three-dimensional transistors need.

Hãy thử hình dung ở một kích thước quen thuộc hơn. Giả sử mỗi nguyên tử to bằng một quả bóng, còn bề mặt con chip rộng như bề mặt Mặt Trăng, lồi lõm đầy hố và hang. ALD sẽ phủ kín toàn bộ bề mặt ấy từng lớp mỏng một, không bao giờ để quả bóng này chồng lên quả bóng kia, và len xuống đáy từng hố dễ dàng như khi trải trên vùng đồng bằng. Khả năng phủ đều lên thành và đáy của những cấu trúc sâu và hẹp như thế chính là điều mà các transistor ba chiều ngày nay cần đến.

The transistor changes shape

Transistor thay đổi hình dạng

The tools also have to keep up with a transistor that keeps changing shape. For decades it was flat. In a planar transistor, current flows along the surface of the silicon and a gate on top switches it on and off. As it shrank, the gate lost its grip on the channel beneath it, and current leaked even when the switch was off. So the channel was stood on its edge. In a FinFET, which entered production in 2012 at Intel’s 22 nm generation, the gate wraps a thin fin of silicon on three sides.

Máy móc còn phải chạy theo một transistor liên tục đổi hình dạng. Suốt nhiều thập kỷ, transistor nằm phẳng. Trong planar transistor (transistor phẳng), dòng điện chạy dọc bề mặt silicon, còn cổng (gate) đặt phía trên có nhiệm vụ bật và tắt nó. Khi transistor nhỏ dần, cổng không còn kiểm soát nổi kênh dẫn bên dưới, nên dòng điện vẫn rò qua ngay cả khi công tắc đã tắt. Lời giải là dựng kênh dẫn đứng lên. Trong FinFET, cấu trúc đi vào sản xuất năm 2012 ở thế hệ 22 nm của Intel, cổng ôm lấy một chiếc vây silicon mảnh từ ba phía.

The next step was to wrap the channel completely. Gate-all-around (GAA) transistors stack several thin sheets of silicon, called nanosheets, and surround each one with the gate, the way a hand closes all the way round a pencil. Samsung began making them at its 3 nm generation in 2022,^7.5 and TSMC moved to them with its 2 nm process, in volume production since the end of 2025.^7.6 Names like 3 nm and 2 nm are generation labels, not measurements. The changes may not stop there, and the chart below shows what imec, the Belgian research centre, expects to follow.^7.7

Bước kế tiếp là bao kín hoàn toàn kênh dẫn. Transistor Gate-All-Around (GAA) xếp chồng nhiều tấm silicon mỏng, gọi là nanosheet, và cổng bao quanh từng tấm một, như bàn tay nắm trọn một cây bút chì. Samsung bắt đầu sản xuất loại transistor này ở thế hệ 3 nm từ năm 2022,^7.5 còn TSMC chuyển sang chúng với quy trình 2 nm, sản xuất hàng loạt từ cuối năm 2025.^7.6 Những cái tên như 3 nm hay 2 nm chỉ là nhãn của từng thế hệ, không phải số đo. Những thay đổi ấy có lẽ chưa dừng ở đây, và biểu đồ dưới đây cho thấy những gì imec, trung tâm nghiên cứu của Bỉ, dự kiến sẽ đến tiếp.^7.7

Each new shape asks something new of the fab. imec notes that these architectures reach up into the wiring just above the transistors, calling for new metals such as ruthenium and molybdenum and new ways of building those first layers.^7.8

Mỗi hình dạng mới lại đặt ra cho fab những đòi hỏi mới. imec lưu ý rằng các kiến trúc này ảnh hưởng lên cả những tầng dây nối nằm ngay trên transistor, đòi hỏi kim loại mới như ruteni (Ru), molypden (Mo) và những cách mới để dựng các tầng đầu tiên ấy.^7.8

Seven hundred steps leave almost no room for error

Bảy trăm bước quy trình gần như không chừa chỗ cho sai sót

Seven hundred steps make a simple point about yield, the share of chips that come out working. Suppose each step succeeded 99% of the time. That sounds excellent, but the odds multiply. A chip works only if it gets through every step, so its chance is 0.99 multiplied by itself 700 times: 0.99⁷⁰⁰ ≈ 0.00088. Fewer than one chip in a thousand would survive, about 9 in every 10,000, and the rest of the wafer would be scrap.

Bảy trăm bước đủ cho thấy một điều đơn giản về yield, tức tỷ lệ chip làm ra hoạt động được. Giả sử mỗi bước thành công 99%. Nghe thì rất tốt, nhưng xác suất nhân dồn qua từng bước. Một con chip chỉ dùng được khi vượt qua trọn cả 700 bước, nên cơ hội của nó bằng 0,99 nhân với chính nó 700 lần: 0,99⁷⁰⁰ ≈ 0,00088. Chưa đến một con chip trong một nghìn con còn dùng được, khoảng 9 trên 10.000, và phần còn lại của tấm wafer coi như bỏ đi.

The model is deliberately simple. It treats every step as independent and every slip as fatal, and it leaves out that real yield also falls as a chip gets larger, one reason for the chiplets of chapter 8. Its lesson is real all the same: a fab can make money only if every one of its steps is far better than 99%. That is why the process engineers of chapter 6 spend so much of their time as doctors for the wafer, tracing a defect back to the step that caused it, finding out why, and curing it before the next wafer goes through.

Mô hình này cố tình đơn giản hóa: nó coi các bước độc lập với nhau, coi mọi sai sót đều là chí mạng, và bỏ qua một điều là chip càng lớn thì yield thực tế càng giảm, một trong những lý do khiến chiplet ở chương 8 ra đời. Dù vậy, bài học của nó là có thật: fab chỉ có lãi khi tỷ lệ thành công của từng bước vượt xa 99%. Vì thế, các kỹ sư quy trình ở chương 6 dành rất nhiều thời gian đóng vai bác sĩ cho wafer. Họ lần theo một lỗi về đúng bước đã gây ra nó, tìm nguyên nhân, rồi chữa dứt điểm trước khi tấm wafer tiếp theo đi qua.