Hydro trong sản xuất bán dẫn: Vai trò không thể thay thế từ công nghệ chip đến chuyển dịch năng lượng xanh

Hydro trong sản xuất bán dẫn: Vai trò không thể thay thế từ công nghệ chip đến chuyển dịch năng lượng xanh

Ngày 23/7/2026, VAHC R&D Team

Trong kỷ nguyên AI và điện toán hiệu năng cao, ngành công nghiệp bán dẫn đang đứng trước áp lực kép: vừa phải sản xuất những con chip ngày càng tinh vi, vừa phải giảm thiểu dấu chân carbon. Giữa bối cảnh đó, hydro nổi lên như một nhân tố không thể thay thế – vừa là “chất xúc tác” không thể thiếu trong quy trình chế tạo vi mạch, vừa là chìa khóa cho quá trình khử carbon của toàn ngành.

1. Vai trò cốt lõi của hydro trong quy trình sản xuất chip

Hydro siêu tinh khiết (Ultra-High-Purity Hydrogen, thường đạt độ tinh khiết 99,999% – 5N hoặc cao hơn) là một loại khí công nghiệp thiết yếu trong sản xuất chất bán dẫn. Mức độ tinh khiết này là điều kiện bắt buộc để tránh đưa tạp chất vào quy trình, vốn có thể làm tổn hại đến hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị bán dẫn.

Hydro tham gia vào hầu hết các công đoạn quan trọng của quy trình sản xuất chip, bao gồm:

Ứng dụng	Vai trò cụ thể
Ủ (Annealing) & Thụ động hóa (Passivation)	Loại bỏ khuyết tật và tạp chất trên bề mặt wafer bán dẫn; khử các lớp oxit và chất gây ô nhiễm, cải thiện đặc tính điện của chất bán dẫn.
Lắng đọng hơi hóa học (CVD) & Tăng trưởng Epitaxial	Đóng vai trò là khí mang (carrier gas) và chất khử (reducing agent) trong quá trình lắng đọng màng mỏng và phát triển lớp tinh thể trên bề mặt wafer.
Khắc (Etching) & Làm sạch bằng plasma (Plasma Cleaning)	Sử dụng plasma hydro để khắc bề mặt vật liệu bán dẫn và loại bỏ các chất cặn hữu cơ cũng như tạp chất khỏi bề mặt wafer.
Khử oxit kim loại	Khử các oxit kim loại trong quy trình chế tạo, đặc biệt là cho các vật liệu như đồng và vonfram được sử dụng phổ biến trong các kết nối bán dẫn.
Khí mang (Carrier Gas)	Duy trì một môi trường được kiểm soát, không có chất gây ô nhiễm, cần thiết cho độ chính xác và chất lượng của các thiết bị bán dẫn tiên tiến.

Ngoài các ứng dụng truyền thống, công nghệ quang khắc cực tím (EUV) đang làm gia tăng đáng kể nhu cầu hydro. Trong quy trình EUV, hydro được sử dụng để duy trì độ sạch và ổn định của nguồn sáng, với mỗi máy EUV tiêu thụ hơn 400 lít hydro mỗi phút. Điều này khiến các nhà máy sản xuất chip tiên tiến trở thành những “người tiêu dùng hydro” khổng lồ.

2. Chuyển dịch năng lượng xanh: Từ khí nhập khẩu đến sản xuất tại chỗ

Ngành công nghiệp bán dẫn đang tích cực chuyển đổi từ hydro xám (được sản xuất từ khí tự nhiên, phát thải CO₂ cao) sang hydro xanh (được sản xuất từ điện tái tạo). Động thái này vừa đáp ứng các mục tiêu phát triển bền vững, vừa đảm bảo an ninh nguồn cung trong bối cảnh địa chính trị bất ổn.

Infineon Technologies đã đi tiên phong khi hợp tác với Linde để vận hành nhà máy điện phân PEM (màng trao đổi proton) ngay tại khu sản xuất ở Villach, Áo. Nhà máy này sản xuất khoảng 290 tấn hydro siêu tinh khiết (độ tinh khiết 99,999999%) mỗi năm, cung cấp 100% nhu cầu hydro của nhà máy, thay thế hoàn toàn nguồn cung từ khí tự nhiên trước đây. Cách tiếp cận “tại chỗ” này giúp loại bỏ chi phí và khí thải từ vận chuyển đường dài – một bước tiến quan trọng trong việc khử carbon hóa chuỗi cung ứng.

Một xu hướng tương tự cũng đang diễn ra tại Mỹ, nơi Air Liquide đầu tư hơn 160 triệu USD để xây dựng cơ sở sản xuất hydro carbon thấp (kết hợp thu giữ carbon) tại Arizona, dự kiến vận hành từ năm 2028. Cơ sở này sẽ cung cấp hydro trực tiếp cho nhà máy sản xuất chip của một khách hàng toàn cầu, một lần nữa khẳng định xu hướng tích hợp sản xuất hydro ngay tại “cổng nhà máy”.

Thậm chí, công nghệ đang tiến xa hơn với các mô hình sản xuất hydro theo yêu cầu (on-demand) và phi tập trung. HYDGEN, một công ty công nghệ điện phân, đang hợp tác với Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore) để phát triển hệ thống điện phân AEM (Anion Exchange Membrane) tạo ra hydro độ tinh khiết 99,999% ngay tại chỗ, loại bỏ nhu cầu vận chuyển và lưu trữ quy mô lớn.

3. Sáng kiến đột phá từ TSMC: Biến phụ phẩm hydro thành năng lượng

Ngoài việc thay thế nguồn cung, ngành bán dẫn còn đang sáng tạo trong việc tận dụng hydro dư thừa từ chính quy trình sản xuất. TSMC, nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới, đã hợp tác với Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp (ITRI) Đài Loan để phát triển hệ thống pin nhiên liệu hỗn hợp hydro lai, biến khí thải từ quy trình EUV thành điện năng.

Hệ thống thí điểm 30 kW đã đạt được hiệu suất phát điện 52,3% và nhận được chứng nhận SEMI-S2 đầu tiên trên thế giới về an toàn thiết bị sản xuất bán dẫn. TSMC đặt mục tiêu đến năm 2025 sẽ phát triển hệ thống 150 kW, hướng tới tái chế 100% lượng hydro dư thừa từ quy trình EUV thành điện năng.

Sáng kiến này không chỉ giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra một mô hình kinh tế tuần hoàn mới ngay trong lòng nhà máy sản xuất chip.

4. Nhu cầu thị trường và thách thức

Thị trường hydro siêu tinh khiết cho ngành bán dẫn đang tăng trưởng mạnh mẽ, phản ánh xu hướng phát triển của toàn ngành. Quy mô thị trường toàn cầu được ước tính đạt 150 triệu USD vào năm 2024 và dự kiến đạt 266-292 triệu USD vào năm 2031-2032, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) khoảng 8,5-8,7%. Khu vực châu Á - Thái Bình Dương chiếm thị phần lớn nhất (~78%), với các nhà cung cấp chính như Air Products, Air Liquide và Linde Gas thống trị thị trường.

Tuy nhiên, chi phí vẫn là rào cản lớn nhất. Một nghiên cứu trên tạp chí Smart Energy chỉ ra rằng việc chuyển đổi hoàn toàn sang hydro xanh tại một nhà máy sản xuất wafer silicon có thể làm tăng chi phí hydro bình quân (LCOH) từ 4 €/kg (hydro xám) lên 10,51 €/kg trong kịch bản khử carbon hoàn toàn. Chi phí này đòi hỏi các nhà máy phải đầu tư lớn vào thiết bị lưu trữ hydro áp suất cao và tối ưu hóa thiết kế hệ thống Power-to-Hydrogen (P-t-H).

Tuy vậy, với giá hydro xám dự kiến tăng trên 6 €/kg, hydro xanh sản xuất tại chỗ sẽ trở nên cạnh tranh hơn. Cùng với đó, các chính sách hỗ trợ và sự phát triển của công nghệ điện phân (PEM, AEM) đang từng bước thu hẹp khoảng cách chi phí.

5. Tương lai: Hydro trở thành “vật liệu chiến lược” của ngành bán dẫn

Khi các nút công nghệ tiến tới dưới 5nm và các kỹ thuật mới như ALD (Atomic Layer Deposition) ngày càng phổ biến, yêu cầu về độ tinh khiết của hydro sẽ còn khắt khe hơn. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ tinh chế mới và các biện pháp kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt hơn.

Hydro không còn đơn thuần là một loại khí nguyên liệu; nó đang trở thành một “vật liệu chiến lược” quyết định năng lực sản xuất chip tiên tiến. Các xu hướng chính sẽ tiếp tục định hình tương lai của hydro trong ngành bán dẫn:

• Sản xuất hydro xanh tại chỗ trở thành tiêu chuẩn mới cho các nhà máy sản xuất chip, thay thế hoàn toàn hydro từ nhiên liệu hóa thạch.

• Tích hợp với năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ để tối ưu hóa chi phí và đảm bảo nguồn cung ổn định.

• Tái chế và tận dụng hydro dư thừa trong quy trình sản xuất, hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn không phát thải.

• Phát triển chuỗi cung ứng nội địa để giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, đảm bảo an ninh nguồn cung cho ngành công nghiệp bán dẫn chiến lược.

Ngành công nghiệp bán dẫn – vốn từ lâu được xem là một trong những ngành sản xuất phức tạp và tiêu thụ nhiều năng lượng nhất – đang chứng minh rằng có thể vừa sản xuất những con chip tinh vi nhất, vừa thực hiện cam kết phát triển bền vững. Và hydro đứng ở trung tâm của cuộc chuyển dịch kép đó.

I. Chiến lược phát triển bán dẫn Việt Nam: Các mục tiêu định lượng

Chiến lược phát triển ngành công nghiệp bán dẫn Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn 2050 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt với các mục tiêu cụ thể:

Hạng mục	Mục tiêu đến 2030	Mục tiêu đến 2040-2050
Doanh thu ngành bán dẫn	> 25 tỷ USD	> 100 tỷ USD
Tỷ lệ giá trị gia tăng nội địa	10-15%	20-25%
Doanh thu ngành điện tử	> 225 tỷ USD	> 1.045 tỷ USD
Doanh nghiệp thiết kế chip	100 công ty	300 công ty
Nhà máy sản xuất chip (wafer fab)	1 nhà máy quy mô nhỏ	2-3 nhà máy
Nhà máy đóng gói & kiểm thử	10 nhà máy	15 nhà máy
Kỹ sư bán dẫn	50.000 người	> 100.000 người

II. Nhu cầu hydro tinh khiết (99,999%+) cho ngành bán dẫn Việt Nam

1. Cơ sở tính toán

Hydro siêu tinh khiết (độ tinh khiết 99,999% - 5N trở lên) là khí công nghiệp thiết yếu trong sản xuất chip. Các nhà máy sản xuất chip tiên tiến (wafer fab) tiêu thụ lượng hydro rất lớn:

• Nhà máy sản xuất wafer silicon điển hình có nhu cầu hydro khoảng 110 tấn/năm.

• Nhà máy sản xuất chip 300mm (12-inch) tại Trung Quốc có mức tiêu thụ khoảng 190,69 vạn Nm³/năm (tương đương khoảng 171 tấn/năm).

• Trước khi áp dụng công nghệ EUV, các quy trình logic tiên tiến đã tiêu thụ vài Nm³ hydro cho mỗi tấm wafer.

Các nhà máy đóng gói và kiểm thử (OSAT) tiêu thụ ít hydro hơn đáng kể so với wafer fab, nhưng vẫn cần hydro cho các công đoạn làm sạch và xử lý bề mặt.

2. Dự báo nhu cầu hydro tinh khiết cho ngành bán dẫn Việt Nam đến 2030

Kịch bản cơ sở (1 wafer fab + 10 OSAT):

Hạng mục	Số lượng	Nhu cầu hydro/năm	Tổng nhu cầu
Nhà máy sản xuất chip (wafer fab)	1 nhà máy	~170 tấn/năm	170 tấn/năm
Nhà máy đóng gói & kiểm thử (OSAT)	10 nhà máy	~15-20 tấn/năm/cơ sở	150-200 tấn/năm
Tổng nhu cầu hydro tinh khiết			~320-370 tấn/năm

Kịch bản mở rộng (2030-2040 với 2 wafer fab + 15 OSAT):

Hạng mục	Số lượng	Nhu cầu hydro/năm	Tổng nhu cầu
Nhà máy sản xuất chip	2 nhà máy	~170 tấn/năm	340 tấn/năm
Nhà máy đóng gói & kiểm thử	15 nhà máy	~15-20 tấn/năm/cơ sở	225-300 tấn/năm
Tổng nhu cầu hydro tinh khiết			~565-640 tấn/năm

Kịch bản đầy đủ (2050 với 3 wafer fab + 20 OSAT):

Hạng mục	Số lượng	Nhu cầu hydro/năm	Tổng nhu cầu
Nhà máy sản xuất chip	3 nhà máy	~170 tấn/năm	510 tấn/năm
Nhà máy đóng gói & kiểm thử	20 nhà máy	~15-20 tấn/năm/cơ sở	300-400 tấn/năm
Tổng nhu cầu hydro tinh khiết			~810-910 tấn/năm

III. Tác động kinh tế: Tiết kiệm nhập khẩu khi tự chủ sản xuất hydro tinh khiết

1. Giá hydro tinh khiết nhập khẩu

Hydro siêu tinh khiết (99,999%+) hiện được cung cấp bởi các tập đoàn khí công nghiệp toàn cầu như Air Products, Air Liquide, Linde. Giá tham khảo:

• Hydro tinh khiết nhập khẩu (5N): khoảng 8-12 USD/kg (tùy theo hợp đồng, khối lượng và chi phí vận chuyển/lưu trữ).

• Giá có thể cao hơn đáng kể đối với các lô hàng nhỏ hoặc vận chuyển đường dài.

2. Chi phí sản xuất hydro tại chỗ (tự chủ)

Nếu Việt Nam tự sản xuất hydro tinh khiết bằng điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo:

• Chi phí sản xuất hydro xanh tại chỗ: ước tính 3-5 USD/kg (tùy thuộc vào giá điện tái tạo và quy mô sản xuất).

• Mức tiết kiệm ròng: khoảng 5-8 USD/kg.

3. Tính toán tiết kiệm nhập khẩu

Kịch bản	Nhu cầu hydro/năm	Chi phí nhập khẩu (giá 10 USD/kg)	Chi phí tự sản xuất (giá 4 USD/kg)	Tiết kiệm/năm
2030 (1 fab + 10 OSAT)	~350 tấn	3,5 triệu USD	1,4 triệu USD	~2,1 triệu USD
2040 (2 fab + 15 OSAT)	~600 tấn	6,0 triệu USD	2,4 triệu USD	~3,6 triệu USD
2050 (3 fab + 20 OSAT)	~860 tấn	8,6 triệu USD	3,4 triệu USD	~5,2 triệu USD

4. Lưu ý bổ sung

• Tiết kiệm dài hạn có thể lớn hơn đáng kể do giá hydro nhập khẩu có xu hướng tăng (dự báo hydro xám có thể vượt 6-7 USD/kg), trong khi giá sản xuất trong nước từ tái tạo có xu hướng giảm.

• Hiệu ứng lan tỏa: Tự chủ sản xuất hydro không chỉ tiết kiệm ngoại tệ mà còn tạo ra việc làm, phát triển công nghệ và giảm phụ thuộc vào chuỗi cung ứng nhập khẩu.

• Cơ sở hạ tầng: Để tự sản xuất hydro tinh khiết, Việt Nam cần đầu tư vào hệ thống điện phân (PEM hoặc AEM) tại các khu công nghiệp bán dẫn, ước tính chi phí đầu tư ban đầu khoảng 2-5 triệu USD cho hệ thống 100-200 tấn/năm.

• Lưu ý quan trọng: Nhà máy sản xuất chip đầu tiên của Việt Nam do Viettel khởi công tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc (Hà Nội), với công suất thiết kế 3.000-4.000 wafer/tháng, tương đương khoảng 100 triệu chip/năm. Giai đoạn chạy thử dự kiến vào cuối năm 2027. Đây là cơ sở nền tảng để tính toán nhu cầu hydro tinh khiết cho ngành bán dẫn trong nước.

IV. Kết luận

Nếu Việt Nam tự chủ sản xuất hydro tinh khiết (99,999%+) cho ngành bán dẫn:

1. Nhu cầu đến 2030: khoảng 320-370 tấn hydro tinh khiết/năm.

2. Tiết kiệm nhập khẩu đến 2030: khoảng 2,1 triệu USD/năm.

3. Đến 2050, khi có 3 nhà máy sản xuất chip và 20 nhà máy đóng gói/kiểm thử, nhu cầu có thể lên tới 810-910 tấn/năm, tiết kiệm nhập khẩu lên tới 5,2 triệu USD/năm.

Đây là các ước tính dựa trên số liệu tham khảo từ các nhà máy sản xuất chip tương tự và chiến lược phát triển bán dẫn của Việt Nam. Con số thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào công nghệ sản xuất, quy mô nhà máy và tiến độ triển khai chiến lược.