Những năm gần đây, ngành bán dẫn đã trở thành trụ cột của nền kinh tế toàn cầu, thúc đẩy chuyển đổi số trong nhiều lĩnh vực. Dự báo năm 2025, doanh số bán dẫn toàn cầu đạt khoảng 700 tỷ đô la Mỹ và có thể vượt 1 nghìn tỷ đô la Mỹ vào năm 2030, đưa bán dẫn trở thành mặt hàng có giá trị giao dịch lớn thứ tư sau dầu thô, dầu tinh chế và ô tô. Bán dẫn đồng thời được xem là công nghệ chiến lược, gắn với cạnh tranh kinh tế và an ninh quốc gia của nhiều nước lớn trên thế giới.

Nhu cầu sản xuất

Trong sản xuất bán dẫn, nước siêu sạch (ultrapure water, UPW) đóng vai trò thiết yếu nhưng vẫn chưa được đầu tư phát triển đúng mức. Mỗi tấm wafer 200 mm có thể tiêu thụ hàng nghìn lít UPW cho các công đoạn rửa, làm sạch và quang khắc. Dự báo mức tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) của UPW trên toàn cầu đạt 9,2% từ nay đến 2030, đưa thị trường lên hơn 16 tỷ đô la Mỹ. Tại Việt Nam, nhu cầu UPW cũng tăng trưởng mạnh với CAGR 10,7%, đạt hơn 1 tỷ đô la Mỹ vào năm 2032. Đặc biệt trong khoảng 10 năm trở lại đây của các nghiên cứu liên quan đến sử dụng và sản xuất UPW, số lượng công bố tăng hơn 10 lần sau 15 năm từ 2010 đến 2025. Trong đó, số lượng nghiên cứu về UPW luôn chiếm hơn 50% tổng số công bố, cho thấy tầm quan trọng của UPW trong công nghiệp bán dẫn. 

UPW yêu cầu đạt độ tinh khiết cực cao với điện trở suất 18,3 MΩ·cm, TOC < 1–5 ppb, nồng độ ion kim loại < 0,1 ppb. Chỉ một lượng nhỏ tạp chất cũng có thể gây lỗi nghiêm trọng. Các quy trình xử lý truyền thống như trao đổi ion, than hoạt tính dạng hạt (granular activated carbon, GAC), màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis, RO) và trao đổi ion (ion exchange, IX) đã được áp dụng, nhưng vẫn gặp thách thức trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ có phân tử nhỏ, cũng như trong chi phí năng lượng và hóa chất. Do đó, các công nghệ mới nổi như màng RO cải tiến, màng khử ion điện dung (membrane capacitive deionization, MCDI) và chưng cất màng (membrane distillation, MD) đang thu hút sự quan tâm lớn.

Thâm hụt nước trầm trọng

Lượng nước tiêu thụ cho các nhà máy sản xuất chip và trung tâm dữ liệu sẽ tăng lên khi nhu cầu về chip tăng lên. Những loại chip càng tiên tiến thì càng cần nhiều bước xử lý. Giờ đây, khi khí hậu dần khô hơn và các quy định về tài nguyên nước ngày càng thắt chặt, buộc các nhà máy phải nỗ lực giảm lượng nước thải.

Việc sản xuất chip tiêu tốn một lượng nước lớn vì đòi hỏi nguồn nước siêu tinh khiết, không chứa các chất gây ô nhiễm, vi khuẩn và ion. Nguyên nhân là do tấm bán dẫn rất nhạy cảm với các hạt nhỏ, có thể làm gián đoạn quá trình sản xuất và khiến các công ty thiệt hại hàng tỷ USD.

Intel đã công bố kế hoạch phát thải bằng 0 vào năm 2030, nghĩa là họ sẽ khôi phục và trả lại nhiều nước hơn mức tiêu thụ thông qua việc giảm mức sử dụng và tài trợ cho các dự án khôi phục lưu vực sông. Vào năm 2023, công ty cho biết đã bảo tồn và phục hồi 13 tỷ gallon nước. Ngoài Intel, người phát ngôn của TSMC cũng cho rằng các nhà máy sản xuất chip của công ty ở Đài Loan đạt tỷ lệ tái chế nước gần 90% và các nhà máy ở Mỹ của họ cũng sẽ sớm đạt được tỷ lệ này.

TSMC, công ty sản xuất chip theo hợp đồng hàng đầu thế giới, cho biết sẽ tăng gấp ba khoản đầu tư vào Arizona lên 40 tỷ USD, dự kiến biến bang này thành nơi sản xuất chip hàng đầu nước Mỹ. 

Tuy nhiên, lựa chọn Arizona của TSMC được đánh giá là sẽ gặp nhiều khó khăn, khi đây là một trong những khu vực "đại hạn hán". Các hồ chứa nước lớn nhất ở đây thường xuyên rơi vào tình trạng xuống thấp kỷ lục. Người dân nơi này cũng phản đối, bởi vì sự có mặt của công ty Đài Loan khiến nguồn nước tưới tiêu của họ càng bị giảm.

Tại Đài Loan, tình trạng thiếu nước cũng khắc nghiệt do trải qua hạn hán nghiêm trọng vào đầu năm nay. Hồ chứa Tsengwen lớn nhất Đài Loan chỉ được lấp đầy 11% công suất hiệu dụng, còn hồ chứa Nanhua, nơi cung cấp nước cho các trung tâm sản xuất ở Đài Nam và Cao Hùng, chỉ ở mức 41%.

Các công ty sản xuất chip ít đề cập đến mối đe dọa khan hiếm nước mà họ đang phải đối mặt. Trong báo cáo thường niên, TSMC yêu cầu các nhà cung cấp đánh giá rủi ro hạn hán và thực hiện các biện pháp ứng phó. Nvidia gần đây cảnh báo rằng các hoạt động sản xuất có thể bị tổn hại nếu xảy ra thảm họa thiên nhiên, trong đó có tình trạng thiếu nước. Micron, một trong những công ty thống trị thị trường chip nhớ DRAM, cho biết đã phát hành trái phiếu trị giá một tỷ USD để chi trả các khoản đầu tư về quản lý nước và sáng kiến môi trường.

Các nhà máy sản xuất chip (fab) hiện cần nguồn nước khổng lồ cho hoạt động, chủ yếu để làm sạch tấm wafer trong các giai đoạn của quá trình sản xuất. Chẳng hạn, một nhà máy Intel ở Chandler thuộc bang Arizona dùng hơn 40 triệu lít nước mỗi ngày. Với việc mở rộng nhà máy trong tương lai, con số này sẽ tăng lên đáng kể.

Tái chế nước và xử lý nước thải 

Trong gần một thập kỷ qua, lượng rác thải từ ngành bán dẫn đã tăng vọt gần gấp đôi. Đáng ngại hơn, danh mục rác thải này cực kỳ phức tạp: từ hóa chất độc hại (như PFAS), bùn thải CMP đến các loại nước thải và bao bì công nghiệp. Nếu không được xử lý đúng cách, chúng sẽ là "quả bom nổ chậm" đối với sức khỏe và môi trường.

Về vấn đề nguồn nước, câu chuyện quản lý đang có sự phân hóa rõ rệt theo địa lý. Ở những nơi khan hiếm nước như Đài Loan, các nhà máy buộc phải đẩy tỷ lệ tái chế lên tới 80%. Ngược lại, con số này tại châu Âu hiện chỉ dao động khoảng 10-14%. Tuy nhiên, trước áp lực của biến đổi khí hậu, việc tăng cường tái sử dụng nước không còn là lựa chọn mà đã trở thành yêu cầu bắt buộc trên toàn cầu. Một thách thức lớn là trong khi các ngành công nghiệp khác có thể dễ dàng tái sử dụng đến 70% lượng nước, thì tiêu chuẩn khắt khe của sản xuất bán dẫn khiến tỷ lệ này thấp hơn nhiều.

Do đặc thù nước thải bán dẫn chứa nhiều axit mạnh và tạp chất khó phân hủy, các phương pháp sinh học hoặc hóa học truyền thống (như keo tụ, oxy hóa) thường không thể xử lý triệt để. Chúng ta không thể áp dụng toàn bộ quy trình xử lý nước thải đô thị vào đây. Thay vào đó, cần bổ sung các bước tiền xử lý chuyên biệt để giảm độc tính trước khi đưa vào hệ thống vi sinh. Nếu thiếu đi những công nghệ "may đo" riêng này, các chất độc bền vững sẽ thoát ra ngoài, đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái sông ngòi và con người.

Kết luận

Ngành công nghiệp bán dẫn đang tăng trưởng nhanh chóng và được dự báo sẽ trở thành một trong những lĩnh vực có giá trị giao dịch lớn nhất toàn cầu trong vài thập kỷ tới. Nhu cầu về nước siêu tinh khiết trong sản xuất bán dẫn cũng theo đó tăng mạnh, trong khi các tiêu chuẩn chất lượng ngày càng khắt khe và tình trạng khan hiếm nước trở nên nghiêm trọng hơn. Hệ thống xử lý UPW truyền thống, bao gồm GAC, trao đổi ion và RO, đã được ứng dụng rộng rãi, song vẫn tồn tại những hạn chế trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ phân tử nhỏ, chi phí năng lượng cao và nguy cơ ô nhiễm thứ cấp. 

Sự xuất hiện của các công nghệ mới nổi như MCDI và MD mở ra triển vọng đáng kể nhờ khả năng vận hành ở điều kiện năng lượng thấp, hiệu quả loại bỏ cao và tiềm năng kết hợp với nguồn năng lượng tái tạo. Tuy vậy, những công nghệ này cũng cần vượt qua các thách thức về độ bền vật liệu, chi phí chế tạo và khả năng thương mại hóa. Trong khi đó, các giải pháp tích hợp như AOPs, vi tảo - năng lượng mặt trời, hay ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) đang dần khẳng định vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí và hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.