การผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์คือวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำไฟฟ้า (เช่น ทองแดง) และฉนวนไฟฟ้า (เช่น แก้ว) วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียม ค่าการนำไฟฟ้าสามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างเฉพาะเจาะจงด้วยการโดปสาร (การเติมอะตอมแปลกปลอม) และอิทธิพลภายนอก เช่น อุณหภูมิหรือแสง ด้วยเหตุนี้ เซมิคอนดักเตอร์จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด และวงจรรวม อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยมีแรงขับเคลื่อนจากดาต้าแวร์เฮาส์ ปัญญาประดิษฐ์ และการย่อส่วน แนวโน้มมุ่งไปสู่เซมิคอนดักเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงขึ้นเรื่อยๆ และมีขนาดเล็กลงในเวลาเดียวกัน ผู้เชี่ยวชาญเรียกการพัฒนานี้ว่า “การแข่งขันระดับนาโนเมตร” (Nanometer Race) เทคโนโลยีเลเซอร์และพลาสมาของ TRUMPF เป็นหัวใจสำคัญของกระบวนการต่างๆ เช่น ลิโทกราฟีแบบ EUV, การเคลือบ, การฉายแสง และการกัด หากไม่มีเทคโนโลยีนี้ การผลิตชิปรุ่นใหม่ล่าสุดจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้

ทรานซิสเตอร์คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือเครื่องขยายสัญญาณไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์เป็นหัวใจสำคัญของไมโครอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ รวมถึงเป็นพื้นฐานของโปรเซสเซอร์ ชิปหน่วยความจำ และอุปกรณ์ดิจิทัลแทบทั้งหมด จำนวนทรานซิสเตอร์ที่มากขึ้นในหนึ่งชิปหมายถึง สมรรถนะในการประมวลผลที่สูงขึ้น

โดยทั่วไป เซมิคอนดักเตอร์จะต้องผ่านขั้นตอนการผลิตหลายร้อยขั้นตอน และในบางกรณีอาจมากกว่าหนึ่งพันขั้นตอน การผลิตไมโครชิปหนึ่งตัวใช้เวลานานหลายเดือน หากอธิบายอย่างง่ายมาก กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สามารถสรุปได้เป็น 10 ขั้นตอนดังนี้

1. การผลิตเริ่มต้นจากเวเฟอร์ ซึ่งถูกดึงจากซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง แล้วตัดออกเป็นแผ่นบาง

2. เวเฟอร์จะถูกขัดเงา เพื่อให้ได้พื้นผิวที่เรียบสมบูรณ์สำหรับกระบวนการถัดไป

3. ในขั้นตอนลิโทกราฟี จะมีการเคลือบชั้นไวแสง (โฟโตเรซิสต์) ซึ่งทำหน้าที่กำหนดโครงสร้างของวงจรไฟฟ้าในภายหลัง

4. ใช้กระบวนการฉายแสงที่มีความแม่นยำสูงมาก เช่น ลิโทกราฟีแบบ EUV เพื่อฉายลวดลายขนาดเล็กมากลงบนเวเฟอร์

5. จากนั้น พื้นที่ที่ถูกฉายแสงจะถูกพัฒนาเชิงเคมี เพื่อให้โครงสร้างที่ต้องการปรากฏขึ้น

6. ด้วยกระบวนการกัด (เช่น การกัดด้วยพลาสมา) จะมีการกำจัดชั้นวัสดุออก เพื่อขึ้นรูปเส้นทางนำไฟฟ้าและทรานซิสเตอร์

7. ต่อมาจะเป็นกระบวนการโดปสาร โดยการเติมอะตอมแปลกปลอมเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของซิลิคอน

8. มีการเคลือบหลายชั้นของโลหะและฉนวน เพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนระหว่างทรานซิสเตอร์

9. หลังจากผ่านขั้นตอนลักษณะนี้หลายร้อยครั้ง เวเฟอร์จะถูกทดสอบและตัดแยกออกเป็นชิปแต่ละตัว (Dies) ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า Wafer Dicing

10. ในขั้นตอนสุดท้าย ชิปจะถูกบรรจุแพ็กเกจ (Packaging) ตรวจสอบ และอนุมัติให้นำไปใช้งานในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น สมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ หรือรถยนต์

1. เทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร
เซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการประมวลผลในคอมพิวเตอร์ เซิร์ฟเวอร์ และสมาร์ทโฟน เซมิคอนดักเตอร์เป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้สำหรับการสื่อสารดิจิทัล คลาวด์คอมพิวติ้ง และอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT)

2. ปัญญาประดิษฐ์และศูนย์ข้อมูล (Data Centers)
ชิปสมรรถนะสูงช่วยให้สามารถประมวลผลข้อมูลปริมาณมหาศาลสำหรับแอปพลิเคชัน AI และการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่

3. อุตสาหกรรมยานยนต์
เซมิคอนดักเตอร์ในยานพาหนะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบช่วยขับขี่ ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า อินโฟเทนเมนต์ และการขับขี่อัตโนมัติ

4. เทคโนโลยีการแพทย์
เซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้เกิดการถ่ายภาพทางการแพทย์ที่แม่นยำ ระบบวินิจฉัยโรค และแม้กระทั่งอุปกรณ์ฝังในร่างกาย

5. อุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติ
เซมิคอนดักเตอร์เป็นแรงขับเคลื่อนให้กับเซ็นเซอร์ ระบบควบคุม และหุ่นยนต์ในการผลิตภาคอุตสาหกรรม

แอปพลิเคชันด้าน AI ต้องการพลังการประมวลผลมหาศาล ยิ่งชิปมีสมรรถนะสูงเท่าใด การฝึกและการนำโมเดล AI ไปใช้งานก็จะทำได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้น ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์จึงเป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญต่อการพัฒนา AI เทคโนโลยีของ TRUMPF เช่น EUV ถูกนำมาใช้ในการผลิตชิปที่มีสมรรถนะสูงที่สุด

ชิป AI คือโปรเซสเซอร์ที่ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะ เพื่อประมวลผลอัลกอริทึมที่ซับซ้อนของแมชชีนเลิร์นนิงและปัญญาประดิษฐ์โดยตรงบนชิป ชิปนี้แตกต่างจากโปรเซสเซอร์ทั่วไปด้วยความสามารถในการประมวลผลข้อมูลจำนวนมากแบบขนาน

ชิป AI ถูกผลิตด้วยกระบวนการที่ซับซ้อนสูง โดยผสานเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมเข้ากับกระบวนการแพ็กเกจจิ้งที่ล้ำสมัย ขั้นแรกจะผลิตแกนประมวลผล ซึ่งส่วนใหญ่อิงกับซิลิคอนในโครงสร้างระดับนาโนเมตร

ชิปต้องมีสมรรถนะสูงมากและใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อประมวลผลข้อมูลปริมาณมหาศาลแบบเรียลไทม์ ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตจึงหันมาใช้ Advanced Packaging มากขึ้น โดยมีการรวมชิปหลายตัวเข้าด้วยกันบนอินเตอร์โพเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นเชื่อมต่อ

แม้อินเตอร์โพเซอร์ซิลิคอนจะเป็นมาตรฐานมาอย่างยาวนาน แต่ก็เริ่มมีข้อจำกัดด้านขนาดและต้นทุน ทางออกคือ อินเตอร์โพเซอร์กระจก กระจกมีต้นทุนต่ำกว่า สามารถผลิตในรูปแบบพาเนลขนาดใหญ่ และเอื้อให้เกิดแพ็กเกจชิปที่ซับซ้อนสำหรับระบบ AI เพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ จึงจำเป็นต้องเจาะรูขนาดเล็กจำนวนนับล้านรู หรือที่เรียกว่า Through-Glass-Vias (TGV) ลงในกระจก ในขั้นตอนนี้ เทคโนโลยีเลเซอร์ของ TRUMPF ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน

กฎของมัวร์ระบุว่า จำนวนทรานซิสเตอร์บนไมโครชิปจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าประมาณทุกสองปี ในขณะที่ต้นทุนต่อการคำนวณหนึ่งครั้งลดลง ซึ่งส่งผลให้สมรรถนะของชิปเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยที่ขนาดของชิปไม่เพิ่มขึ้น เพื่อเดินหน้าการย่อส่วน เทคโนโลยีอย่างลิโทกราฟีแบบ EUV และสถาปัตยกรรมชิปแบบใหม่ (เช่น โครงสร้าง 3 มิติ) จึงถูกนำมาใช้ กฎนี้ถูกเสนอขึ้นในปี 1965 โดย Gordon Moore ผู้ร่วมก่อตั้งบริษัท Intel กฎของมัวร์ไม่ใช่กฎทางธรรมชาติ แต่เป็นการสังเกตที่สะท้อนถึงความเร็วของนวัตกรรมในอุตสาหกรรมนี้

1. การย่อส่วนและความแม่นยำ
อุตสาหกรรมอยู่ภายใต้แรงกดดันอย่างมหาศาลในการผลิตโครงสร้างที่เล็กลงเรื่อยๆ ในระดับนาโนเมตร ลิโทกราฟีแบบ EUV และเครื่องกำเนิดพลาสมาต้องทำงานด้วยความแม่นยำสูงมาก เพื่อสร้างโครงสร้างแบบ 3 มิติบนเวเฟอร์ซิลิคอน ความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดของเสียและต้นทุนที่สูงมาก การควบคุมคุณภาพ (เมโทรโลยี) มีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ในระดับนาโนเมตร

2. การใช้พลังงานและความยั่งยืน
ประสิทธิภาพด้านพลังงานเป็นปัจจัยสำคัญในการลดต้นทุนการดำเนินงานและบรรลุเป้าหมายด้านความยั่งยืน ด้วยเหตุนี้ เครื่องกำเนิดพลาสมาและระบบเลเซอร์จึงต้องทำงานอย่างมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงที่สุด

3. ห่วงโซ่อุปทานและการประกันคุณภาพ
ห่วงโซ่อุปทานทั้งหมดต้องรับประกันคุณภาพระดับ “ไร้ข้อผิดพลาด” จุดอ่อนของซัพพลายเออร์อาจทำให้การผลิตตกอยู่ในความเสี่ยง TRUMPF กำหนดมาตรฐานคุณภาพที่เข้มงวดสำหรับพันธมิตรและซัพพลายเออร์

4. ความพร้อมใช้งานของเครื่องจักรการผลิต
การผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีการกระจุกตัวอย่างมากในภูมิภาคเอเชีย ผู้จัดหาอุปกรณ์ต้องมอบบริการคุณภาพสูงสุดให้กับผู้ผลิตชิปทั่วโลก เพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักของการผลิต ด้วยเหตุนี้ TRUMPF จึงลงทุนในศูนย์บริการและศูนย์เทคโนโลยีระดับภูมิภาค เช่น ในไต้หวัน

ลิโทกราฟีเป็นกระบวนการหลักในงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้ถ่ายทอดโครงสร้างของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ลงบนเวเฟอร์ซิลิคอน อุปกรณ์เคลือบเฉพาะทางจะเคลือบชั้นไวแสง (โฟโตเรซิสต์) ลงบนเวเฟอร์ จากนั้น ระบบลิโทกราฟีจะฉายลวดลายที่ต้องการด้วยแสงและพัฒนาเชิงเคมี โครงสร้างนี้เป็นพื้นฐานของทรานซิสเตอร์และชิ้นส่วนอื่นๆ บนชิป เทคโนโลยีที่ก้าวหน้าที่สุดในด้านนี้คือ ลิโทกราฟีแบบ EUV ซึ่งใช้แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก เพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโนเมตร หากไม่มีลิโทกราฟีแบบ EUV จะไม่สามารถผลิตไมโครชิปที่ทรงพลังที่สุดได้ เทคโนโลยีนี้มีบทบาทสำคัญต่อการทำให้กฎของมัวร์เป็นจริง ซึ่งคาดการณ์ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ สองปี

เวเฟอร์คือฐานตั้งต้นสำหรับการผลิตไมโครชิป เวเฟอร์ทำจากซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งจะดึงให้เป็นผลึกเดี่ยวก่อน จากนั้นจึงตัดเป็นแผ่นบาง แผ่นเหล่านี้จะถูกขัดเงาเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เรียบสมบูรณ์ บนเวเฟอร์จะเกิดโครงสร้างของวงจรไฟฟ้าผ่านกระบวนการลิโทกราฟี การฉายแสง การกัด และการโดปสาร (Doping) หลังจากผ่านขั้นตอนการผลิตหลายร้อยขั้นตอน เวเฟอร์จะถูกทดสอบและตัดแยกออกเป็นชิปแต่ละตัว (“Dies”)

Wafer Dicing หมายถึงกระบวนการตัดแยกชิปเซมิคอนดักเตอร์ออกจากเวเฟอร์ ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในส่วนปลายน้ำ (Backend) ของกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การเลื่อยเชิงกล (Mechanical Saw), Stealth Dicing, Ablative Laser Dicing และ Plasma Dicing

Plasma Etching คือกระบวนการที่ใช้ก๊าซที่ถูกทำให้เป็นไอออไนซ์ (พลาสมา) ในการกำจัดหรือสร้างโครงสร้างบนพื้นผิวของเวเฟอร์ กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างโครงสร้างชิปที่มีความแม่นยำ

อุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าความถี่สูงเพื่อสร้างและควบคุมพลาสมาสำหรับการผลิตชิป

Through-Glass-Vias (TGV) คือช่องนำไฟฟ้าขนาดเล็กมากที่เจาะผ่านกระจก เพื่อเชื่อมต่อสัญญาณไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ ของแพ็กเกจชิป เทคโนโลยีนี้มีความสำคัญต่อแอปพลิเคชันสมรรถนะสูง เนื่องจากช่วยลดระยะทางของสัญญาณและลดการสูญเสียพลังงาน

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ใช้พลังงานจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม บริษัทเซมิคอนดักเตอร์สามารถลดรอยเท้าคาร์บอนได้อย่างมีนัยสำคัญ ด้วยการใช้เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและแนวคิดเศรษฐกิจหมุนเวียน โดยเทคโนโลยีของ TRUMPF มีบทบาทสำคัญในด้านนี้ ความยั่งยืนสำหรับ TRUMPF ในฐานะบริษัทครอบครัว คือส่วนหนึ่งของ DNA ขององค์กร ดังนั้น สำหรับเทคโนโลยีแห่งอนาคตอย่างลิโทกราฟีแบบ EUV เราจึงให้ความสำคัญสูงสุดกับการใช้พลังงานและวัสดุอย่างมีประสิทธิภาพและประหยัด