Nikon: Giờ là lúc đòi lại vị thế trong ngành bán dẫn, thứ người Nhật đã mất 2 thập kỷ trước

Năm 2001, Nikon từng là "Lãnh chúa" đúng nghĩa của ngành sản xuất chip bán dẫn, khi họ thống trị khoảng 40% thị trường quang khắc toàn cầu. Cùng với Canon, các công ty Nhật Bản từng kiểm soát khoảng 70% thị trường quang khắc vào năm 1989. Các máy gia công bán dẫn dạng stepper của Nikon được coi là tiên tiến nhất, tận dụng di sản quang học chính xác từ ngành kinh doanh máy ảnh của công ty.

Tuy nhiên, vị thế thống trị này đã gần như tan biến, và thị phần của Nikon hiện tại chỉ còn khoảng 7%. Công ty Hà Lan, ASML, hiện kiểm soát hơn 60% thị trường quan trọng này, và độc chiếm 100% thị trường công cụ quang khắc cực tím tiên tiến nhất hiện tại (EUV).

Vị thế của Nikon, hay việc họ rơi khỏi ngôi vương trong ngành gia công bán dẫn diễn ra chủ yếu trong vòng hai thập kỷ. Bước ngoặt lớn xảy ra vào đầu những năm 2000. Mặc dù ASML ban đầu là một công ty đi sau, xuất phát điểm là một liên doanh hợp tác giữa Philips với chính phủ Hà Lan, nhưng vào năm 2002, doanh số của ASML đã tăng vọt và thị phần của họ vượt qua 50%, lần đầu tiên vượt mặt Nikon.

Nội dung bài này mình tổng hợp từ một clip hôm bữa xem được, và muốn chia sẻ tới anh em.

Đang từ ông vua, trở thành kẻ bị quên lãng

Chỉ trong một năm, doanh thu từ quang khắc của Nikon đã giảm một nửa, từ 1.49 tỷ USD vào năm 2001 xuống còn 773 triệu USD vào năm 2002. Nikon mất đi các khách hàng chủ chốt như Intel, IBM, Texas Insstrument, và TSMC vào tay ASML, công ty cung cấp các công cụ tiên tiến và lộ trình phát triển thiết bị liều lĩnh hơn.

Một phần nguyên nhân sâu xa của sự sụp đổ là việc Nikon đã chậm chân trong việc nắm bắt một đổi mới công nghệ quan trọng: Quang khắc nhúng (immersion lithography). Khi các máy quét nhúng khối lượng lớn đầu tiên ra đời khoảng năm 2005 đến 2006, sử dụng nước để cải thiện độ phân giải cho các node 65 nm và 45 nm, ASML đã vượt lên dẫn trước.



Năm 2006, ASML đã chiếm khoảng 72% thị trường quang khắc nhúng, trong khi Nikon chỉ có 28%. Phản ứng của Nikon chậm chạp, và công ty này không bao giờ bắt kịp về hiệu suất. Đến năm 2011, ASML nắm giữ 82% thị trường so với 18% của Nikon. Việc để thua trong một thế hệ công nghệ quan trọng như vậy khiến Nikon khó lòng lấy lại vị thế.

Đến năm 2017, hoạt động kinh doanh quang khắc cao cấp của Nikon đã thu hẹp đáng kể, ASML nắm giữ hơn 90% thị trường quang khắc nhúng. Nikon đã bị gạt ra khỏi cuộc đua công nghệ tiên tiến. Doanh thu thiết bị chính xác của Nikon (bao gồm cả quang khắc FPD và bán dẫn) vào năm 2022 chỉ khoảng 2.5 tỷ USD, một phần nhỏ so với doanh thu 21 tỷ euro của ASML.

Vì sao Nikon không tập trung công nghệ EUV?

Quang khắc cực tím (EUV) sử dụng ánh sáng bước sóng 13.5 nm, và đã trở thành tiêu chuẩn vàng cho các chip logic tiên tiến nhất, đặc biệt là ở các kích thước bóng bán dẫn từ 7 nanomet trở xuống. ASML là công ty duy nhất sản xuất máy EUV ở quy mô lớn, với chi phí mỗi máy từ 150 triệu USD đến hơn 350 triệu USD.

Lý do Nikon không tập trung vào EUV bắt nguồn từ một chiến lược bảo thủ và đánh giá sai lầm về con đường công nghệ. Mặc dù Nikon và Canon đều biết về EUV từ giữa những năm 1990, nhưng họ coi công nghệ này là quá rủi ro và còn xa vời.

Thay vào đó, Nikon đã chọn cách tăng cường hoàn thiện công nghệ quang khắc tử ngoại sâu (DUV) hiện có, chuyển từ quang khắc khô sang quang khắc nhúng sử dụng ánh sáng 193 nanomet. Đây là một cách tiếp cận thận trọng và hợp lý vào thời điểm đó, nhưng cuối cùng lại là một "đánh giá sai lầm mang tính định mệnh" về lộ trình công nghệ.

Mặc dù Nikon đã thực sự xuất xưởng một công cụ EUV thử nghiệm vào năm 2008, thậm chí vượt qua cả ASML đạt được cột mốc này, nhưng ngay sau đó, Nikon đã dừng việc phát triển máy quang khắc EUV. Họ viện dẫn những thách thức kỹ thuật và lạc quan thông báo rằng máy quét EUV sẵn sàng sản xuất sẽ chỉ có mặt vào năm 2014 - 2015.



Trong khi đó, ASML lại lựa chọn "canh bạc" mang tên EUV, và theo đuổi nó một cách quyết liệt, tích hợp các nguồn lực công nghệ toàn cầu. Quan trọng hơn, ASML tiếp tục đầu tư hàng tỷ USD với sự giúp đỡ từ các đối tác chủ chốt như Intel, Samsung và TSMC, những công ty đã mua cổ phần trong ASML để tài trợ cho hoạt động Nghiên cứu và Phát triển EUV. Do chi phí leo thang, Nikon đã "thực sự rút lui" khỏi cuộc đua EUV trong những năm 2010. Kết quả là, ASML đã đạt được sự độc quyền 100% trong lĩnh vực EUV.

Nikon đang trở lại như thế nào

Năm 2025, Nikon đang lặng lẽ lên kế hoạch trở lại. Chiến lược hiện tại của họ không phải là tấn công trực tiếp vào EUV của ASML. Nikon đặt cược vào hai lĩnh vực bị bỏ qua trong sản xuất chip: Đóng gói chip tiên tiến (advanced chiplet packaging) và quang khắc nanoimprint (NIL - Nanoimprint Lithography). Đây là những lĩnh vực mà ASML chưa có vị thế vững chắc, và nơi chuyên môn kỹ thuật quang học chính xác của Nikon có thể tỏa sáng trở lại.



Nikon đã nhận ra rằng, ngành công nghiệp bán dẫn đang ở vị trí mang tính bước ngoặt. Chi phí và độ phức tạp của việc đẩy mạnh EUV đang tăng vọt. Đồng thời, các công ty đang tìm kiếm các phương pháp tiếp cận mới, như sử dụng chiplet và đóng gói tiên tiến, để cải thiện hiệu suất bằng cách kết hợp nhiều chip trong một gói. Điều này khiến đóng gói tiên tiến trở nên quan trọng ngang ngửa với quang khắc cho các hệ thống tiên tiến.

Quang khắc cho đóng gói chiplet tiên tiến

Đóng gói tiên tiến đòi hỏi các lớp kết nối mật độ cao với các tính năng tinh vi, đôi khi chỉ còn vài micromet hoặc thậm chí dưới cả đơn vị micromet, trên các tấm nền kích thước lớn hơn nhiều so với wafer 300 mm truyền thống.



"Vũ khí" mới được công bố của Nikon cho lĩnh vực này là hệ thống quang khắc kỹ thuật số DSP 100. Nikon bắt đầu nhận đơn đặt hàng cho cỗ máy này vào tháng 7/2025, được thiết kế đặc biệt cho các quy trình đóng gói bán dẫn back-end.

• Kích thước lớn: DSP 100 hỗ trợ các chất nền lớn tới 600 mm x 600 mm, gấp chín lần diện tích wafer 300 mm. Điều này giúp tăng đáng kể thông lượng cho các tấm chiplet lớn.
• Độ chính xác cao: Nó cung cấp độ phân giải cao 1,0 micromet đường và khoảng cách, với độ chính xác căn chỉnh đặc biệt cao (sai số chồng lớp dưới cộng hoặc trừ 0.3 micromet).
• Nikon đạt được điều này bằng cách kết hợp bí quyết quang khắc bán dẫn với công nghệ màn hình phẳng (FPD) của mình, sử dụng các mô-đun chiếu đa ống kính được sắp xếp trên một trường rộng.

Quang khắc Nanoimprint (NIL)

Chiến lược thứ hai là Quang khắc Nanoimprint (NIL), mặc dù Canon đã có vị thế dẫn đầu rõ ràng ở mặt trận này, biến Canon thành một "đồng minh" trong sứ mệnh chung của Nhật Bản nhằm thách thức sự thống trị của EUV và cả người Hà Lan nữa. NIL hoạt động giống như một bộ khuôn, nén một mẫu có các họa tiết mạch ở cấp độ nano trực tiếp lên wafer được phủ chất cản quang.

• Chi phí và Năng lượng thấp: NIL hứa hẹn một cách tiếp cận hoàn toàn khác. Nó không cần tia laser đắt tiền, thấu kính khổng lồ hay nguồn sáng chân không EUV, điều này có thể giúp giảm đáng kể chi phí và mức sử dụng năng lượng.
• Tiềm năng chi phí: Canon tuyên bố giá của một công cụ NIL có thể thấp hơn một bậc so với máy quét EUV. Dữ liệu từ các thử nghiệm cho thấy thiết bị NIL có thể chỉ tốn khoảng 40% chi phí của một hệ thống EUV và chỉ tiêu thụ khoảng 10% năng lượng. Ví dụ, nếu một công cụ EUV giá khoảng 150 triệu USD và tiêu thụ 1 megawatt, máy nanoimprint có thể có giá khoảng 60 triệu USD và tiêu thụ 100 kW.
• Ưu điểm kỹ thuật: NIL không bị giới hạn bởi giới hạn nhiễu xạ quang học như quang khắc dựa trên ánh sáng. Về lý thuyết, nó có thể đạt được độ phân giải sub 10 nanomet. Canon đã công bố hệ thống NIL của mình có thể tạo mẫu xuống đến 14 nanomet (tương đương node 5 nanomet). NIL rất phù hợp để tạo các thiết bị bộ nhớ tiên tiến (NAND flash, DRAM).

Chiến lược tấn công sườn của Nikon rất kịp thời vì nó phù hợp với hướng đi của ngành công nghiệp chip: tích hợp không đồng nhất (heterogeneous integration) và sản xuất tiết kiệm chi phí.