Trong bối cảnh tái cấu trúc chuỗi cung ứng toàn cầu và sự trỗi dậy của các ngành công nghiệp công nghệ cao như bán dẫn, năng lượng tái tạo và quốc phòng, đất hiếm (rare earth elements – REEs) đã nổi lên như một loại tài nguyên chiến lược có giá trị đặc biệt. Với tính chất vật liệu độc đáo và không thể thay thế trong nhiều ứng dụng điện tử – từ linh kiện vi mạch, cảm biến, laser công suất cao, đến nam châm vĩnh cửu cho thiết bị truyền động chính xác – đất hiếm là thành phần cốt lõi trong chuỗi giá trị sản xuất bán dẫn thế hệ mới.
Việt Nam hiện là một trong sáu quốc gia sở hữu trữ lượng đất hiếm lớn nhất thế giới, đồng thời đang trở thành điểm đến hấp dẫn của các tập đoàn bán dẫn toàn cầu trong chiến lược "friend-shoring" và "China+1". Tuy nhiên, khoảng cách giữa tiềm năng tài nguyên và khả năng chế biến – tinh luyện – tích hợp công nghệ vẫn còn lớn, do thiếu công nghệ lõi, cơ sở hạ tầng chuyên sâu, nguồn nhân lực chất lượng cao và cơ chế chính sách phù hợp.
Bài báo này tập trung tổng hợp quy trình công nghệ xử lý đất hiếm từ khai thác đến sản phẩm cuối, làm rõ vai trò và ứng dụng của REEs trong công nghiệp bán dẫn, cập nhật hiện trạng địa chất – công nghệ – nhân lực của Việt Nam, đồng thời phân tích các thách thức cốt lõi và đề xuất chiến lược phát triển toàn diện. Trọng tâm là xây dựng chuỗi giá trị khép kín từ khai khoáng đến sản phẩm công nghiệp cao cấp, tích hợp giữa tài nguyên, công nghệ, nhân lực và hợp tác quốc tế. Qua đó, bài báo góp phần định hướng chính sách quốc gia về phát triển công nghiệp công nghệ cao có giá trị gia tăng cao, từng bước nâng cao vị thế của Việt Nam trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu.
1. Giới thiệu
Đất hiếm (Rare Earth Elements – REEs) là một nhóm gồm 17 nguyên tố hóa học bao gồm 15 nguyên tố thuộc dãy lanthan (từ La đến Lu), cùng với scandium (Sc) và yttrium (Y). Mặc dù được gọi là “hiếm”, nhưng nhiều nguyên tố trong nhóm này có mặt với hàm lượng tương đối cao trong vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, chúng hiếm khi tập trung thành mỏ đủ giàu để khai thác kinh tế, và quy trình tinh luyện đòi hỏi kỹ thuật cao, phức tạp, và thân thiện môi trường.
REEs là vật liệu chiến lược, không thể thay thế trong nhiều công nghệ hiện đại. Chúng hiện diện trong mọi khía cạnh của đời sống công nghệ: từ pin lithium và motor điện trong xe điện (EV), các turbine điện gió, điện thoại thông minh, tivi, màn hình LED, pin mặt trời, đến các hệ thống dẫn đường, radar và cảm biến trong thiết bị quốc phòng. Đặc biệt, trong ngành công nghiệp bán dẫn, REEs đóng vai trò ở gần như mọi khâu của chuỗi giá trị:
· Cerium (Ce) và lanthanum (La) được dùng trong chế tạo chất đánh bóng wafer bán dẫn.
· Europium (Eu) và yttrium (Y) được sử dụng trong các màn hình phát quang và cảm biến MEMS.
· Neodymium (Nd) và dysprosium (Dy) được dùng trong chế tạo nam châm vĩnh cửu công suất cao – bộ phận không thể thiếu trong các motor truyền động của robot chính xác, hệ thống ghi-đọc ổ cứng và thiết bị EUV lithography.
· Các hợp kim REE còn là chất xúc tác trong sản xuất hóa chất bán dẫn đặc biệt.
Trong bối cảnh thế giới đang đối mặt với cuộc chuyển đổi kép: chuyển đổi số và chuyển đổi năng lượng, vai trò của đất hiếm càng trở nên trọng yếu, là nguyên liệu không thể thiếu cho hầu hết các công nghệ cốt lõi của CMCN 4.0: AI, IoT, điện toán lượng tử, viễn thông 5G/6G, và năng lượng tái tạo.
Việt Nam hiện được xếp thứ 6 thế giới về trữ lượng đất hiếm, với khoảng 3,5 triệu tấn oxit đất hiếm (REO) theo số liệu cập nhật của USGS năm 2025. Mặc dù trữ lượng này đã được điều chỉnh giảm đáng kể so với các ước tính trước đó (từng ước đạt 22 triệu tấn), nhưng thực tế cho thấy chất lượng quặng REE của Việt Nam, đặc biệt là tại mỏ Đông Pao (Lai Châu), có hàm lượng cao và đi kèm hệ khoáng sản phụ giá trị. Cùng với vị trí địa lý thuận lợi nằm giữa chuỗi cung ứng Đông Á, Việt Nam được đánh giá có tiềm năng chiến lược trong việc tái định hình chuỗi cung ứng đất hiếm toàn cầu, đặc biệt khi các nước như Hoa Kỳ, Nhật Bản và Liên minh châu Âu đang khẩn trương tìm kiếm nguồn cung đất hiếm bên ngoài Trung Quốc để đảm bảo an ninh công nghệ.
Với xu thế phi tập trung hóa chuỗi cung ứng, Việt Nam có cơ hội trở thành trung tâm chế biến và cung ứng đất hiếm, nếu biết tận dụng thời điểm “vàng” này để đẩy mạnh đầu tư, xây dựng hạ tầng khai thác – chế biến REEs, và phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao phục vụ công nghiệp bán dẫn và công nghệ cao. Đồng thời, cần đặc biệt lưu ý đến các vấn đề môi trường, công nghệ tinh luyện xanh và chính sách thu hút đầu tư có chọn lọc để đảm bảo phát triển bền vững và chủ động trong chuỗi giá trị toàn cầu
2. Quy trình xử lý đất hiếm từ khai thác đến hợp kim
Đất hiếm (REE - Rare Earth Elements) không tồn tại ở dạng nguyên chất trong tự nhiên mà phân tán trong các khoáng vật khác nhau, đi kèm với nhiều tạp chất. Quy trình xử lý đất hiếm từ khai thác đến tạo hợp kim trải qua chuỗi công đoạn phức tạp, bao gồm ba giai đoạn chính: (1) khai thác – tuyển khoáng, (2) thủy luyện – tinh chế, và (3) chế tạo hợp kim – xử lý sản phẩm phụ.
2.1. Giai đoạn khai thác – tuyển khoáng
a) Thăm dò địa chất – địa hóa – luyện kim sơ bộ
· Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như khảo sát địa vật lý (magnetics, radiometrics, gravimetry), địa hóa (phân tích nguyên tố vết) và địa chất chi tiết để xác định vị trí, hình thái, độ sâu và tiềm năng trữ lượng của mỏ đất hiếm.
· Đồng thời, tiến hành các thử nghiệm luyện kim sơ bộ để xác định phương pháp thu hồi tối ưu đối với từng loại khoáng vật đất hiếm (bastnaesite, monazite, xenotime, v.v.).
b) Khai thác và tuyển quặng
· Tùy thuộc vào điều kiện địa chất, khai thác có thể theo phương pháp lộ thiên hoặc hầm lò.
· Quặng khai thác được đưa vào hệ thống tuyển khoáng, sử dụng các phương pháp vật lý như:
o Tuyển trọng lực (gravity separation)
o Tuyển từ (magnetic separation)
o Tuyển nổi (froth flotation)
→ Kết quả là thu được quặng tinh đất hiếm (concentrate) với hàm lượng REE cao hơn.
2.2. Giai đoạn thủy luyện – tinh chế
a) Hòa tách (cracking/leaching)
· Quặng tinh được xử lý bằng dung dịch axit mạnh (HCl, H₂SO₄) hoặc kiềm mạnh (NaOH) ở nhiệt độ và áp suất cao để hòa tan các hợp chất đất hiếm.
· Kết quả thu được là dung dịch muối đất hiếm (REE chlorides, sulfates hoặc nitrates) chứa hỗn hợp các nguyên tố REE.
b) Tách và tinh chế (separation chemistry)
· Đây là khâu trọng yếu nhất, đòi hỏi kỹ thuật cao, do các nguyên tố đất hiếm có tính chất hóa học gần giống nhau.
· Sử dụng các phương pháp:
o Chiết dung môi (solvent extraction): Dùng hệ dung môi hữu cơ để chọn lọc tách từng REE.
o Trao đổi ion (ion exchange): Phân tách bằng nhựa trao đổi ion chuyên biệt. → Mỗi nguyên tố được phân lập riêng biệt với độ tinh khiết cao (≥99,9%), tạo thành oxit đất hiếm (REOs).
c) Hoàn nguyên kim loại
· Các oxit đất hiếm sau đó được hoàn nguyên (reduction) bằng các tác nhân như canxi, lithi hoặc điện phân nóng chảy để thu được kim loại đất hiếm tinh khiết.
d) Tạo hợp kim REE
· Kim loại REE được hợp kim hóa với các kim loại như:
o Sắt (Fe) → tạo nam châm vĩnh cửu NdFeB, SmCo
o Cobalt (Co), Nickel (Ni) → hợp kim siêu dẫn, hợp kim cho pin, hợp kim đặc biệt trong hàng không, điện tử...
· Sản phẩm cuối có thể là nam châm, vật liệu điện tử, xúc tác, hợp kim chức năng hoặc nguyên liệu chế tạo chip bán dẫn.
2.3. Xử lý sản phẩm phụ
Quá trình chế biến đất hiếm đồng thời tạo ra một số sản phẩm phụ có giá trị kinh tế hoặc ảnh hưởng môi trường, bao gồm:
| Sắt (Fe) | Nguyên liệu thép, hợp kim | Có thể thu hồi trong giai đoạn tuyển khoáng |
| Phốt phát (PO₄³⁻) | Phân bón, hóa chất | Từ monazite chứa phosphate |
| Niobi (Nb), Tantal (Ta) | Hợp kim siêu bền, điện tử | Có thể thu được từ quặng phụ |
| Thiếc (Sn) | Luyện kim, điện tử | |
| Thorium (Th), Uranium (U) | Nguyên tố phóng xạ | Cần kiểm soát an toàn phóng xạ, có thể sử dụng trong lò phản ứng thế hệ mới |
Kết luận:
Quy trình xử lý đất hiếm từ khai thác đến hợp kim là một chuỗi công nghệ liên hoàn, tích hợp giữa các ngành địa chất – tuyển khoáng – hóa học – luyện kim – vật liệu. Tối ưu hóa từng công đoạn không chỉ nâng cao hiệu quả thu hồi REE mà còn giảm thiểu tác động môi trường và tăng giá trị kinh tế từ sản phẩm phụ. Trong bối cảnh Việt Nam sở hữu trữ lượng đất hiếm đáng kể, việc phát triển công nghệ chế biến sâu là điều kiện tiên quyết để tham gia chuỗi cung ứng toàn cầu trong các ngành công nghệ cao như bán dẫn, năng lượng tái tạo và quốc phòng.
3. Ứng dụng đất hiếm trong ngành bán dẫn
Đất hiếm (Rare Earth Elements - REEs) đóng vai trò thiết yếu trong toàn bộ chuỗi giá trị sản xuất bán dẫn – từ nguyên liệu đầu vào, công cụ chế tạo wafer, thiết bị khắc quang học, cho đến linh kiện điện tử đầu ra như LED, cảm biến và bộ nhớ. Nhờ các đặc tính từ tính, điện tử, quang học và nhiệt học độc đáo, đất hiếm không thể thay thế trong nhiều công đoạn chế tạo chip hiện đại.
3.1. Nguyên tố chức năng trong ngành bán dẫn
| Nd (Neodymium), Pr (Praseodymium) | Sản xuất nam châm vĩnh cửu NdFeB | Được sử dụng trong motor siêu nhỏ của thiết bị vận chuyển wafer, cánh tay robot trong clean room, và hệ thống truyền động chính xác cao trong thiết bị photolithography. Nam châm NdFeB có lực từ mạnh và kích thước nhỏ, giúp giảm tiêu thụ điện năng và tăng hiệu suất chuyển động. |
| Dy (Dysprosium), Tb (Terbium) | Tăng khả năng chịu nhiệt cho nam châm | Duy trì từ tính ổn định trong môi trường nhiệt độ cao của các nhà máy chế tạo chip (fab), đặc biệt là trong các motor vận hành liên tục ở nhiệt độ >100°C. |
| Ce (Cerium), La (Lanthanum) | Chất đánh bóng hóa học–cơ học (CMP slurry) | Được sử dụng trong quy trình CMP (Chemical Mechanical Planarization) để đánh bóng bề mặt wafer silicon, giúp đảm bảo độ phẳng siêu cao (tới cấp độ nanomet), điều kiện cần thiết cho các lớp mạch tích hợp. |
| Y (Yttrium), Eu (Europium), Gd (Gadolinium) | Laser, LED – OLED, cảm biến MEMS | Y và Gd được dùng trong gốm điện tử và màng mỏng chịu nhiệt cho các cảm biến MEMS. Eu là chất phát quang đỏ trong LED – OLED, tăng độ chính xác trong các thiết bị đo lường và màn hình hiển thị có độ phân giải cao. |
3.2. Vai trò của đất hiếm trong thiết bị sản xuất chip
Các thiết bị dùng để sản xuất chip bán dẫn – từ buồng chân không đến máy quang khắc và xử lý plasma – đều sử dụng các vật liệu đặc biệt chứa nguyên tố đất hiếm nhằm đạt độ chính xác, độ bền nhiệt và độ sạch yêu cầu.
· Máy quang khắc EUV (Extreme Ultraviolet Lithography): Đây là thiết bị cốt lõi trong chế tạo chip dưới 5nm. EUV sử dụng gương phản xạ phủ đa lớp vật liệu đất hiếm (ví dụ: Mo/Si xen kẽ Y hoặc La) để điều khiển tia EUV (bước sóng ~13.5 nm) với độ phản xạ tối ưu. Việc phủ gương bằng REEs giúp giảm tổn thất năng lượng và kéo dài tuổi thọ linh kiện.
· Buồng plasma PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition): Các điện cực hoặc thành buồng làm bằng gốm chứa đất hiếm (Y₂O₃, La₂O₃, CeO₂) giúp chống ăn mòn, chịu nhiệt cao, đồng thời ổn định plasma trong môi trường áp suất thấp. Những vật liệu này có điện trở thấp và độ bền cao, giúp kiểm soát tốt hơn mật độ plasma và tránh nhiễm bẩn màng mỏng bán dẫn.
· Thiết bị khắc plasma (Etching tools): Các buồng khắc plasma hiện đại dùng vật liệu gốm chứa Yttri (Y₂O₃) để giảm tương tác giữa plasma và thành buồng, từ đó giảm tạp chất trong quy trình tạo hình cấu trúc vi mạch.
· Thiết bị đo lường & cảm biến: Cảm biến MEMS trong các hệ thống kiểm soát quy trình fab hiện nay sử dụng màng mỏng có pha đất hiếm để nâng cao độ nhạy và ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ, độ ẩm, rung động).
