เรื่องโดย ดร.นิธิ อัตถิ
อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor industry) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในโลก มีการพยากรณ์ว่าตลาดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกจะมีมูลค่าสูงถึง 70 ล้านล้านบาทในปี พ.ศ. 2575 ซึ่งขับเคลื่อนด้วยการเติบโตอย่างต่อเนื่องของตลาดปัญญาประดิษฐ์ (AI) และศูนย์ข้อมูล (data center), การสื่อสารแบบ 5G และ 6G, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคล เช่น สมาร์ตโฟน คอมพิวเตอร์ แท็บเล็ต และสมาร์ตวอตช์, รถยนต์ไฟฟ้า (EV car), ระบบดิจิทัลในโรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่ เป็นต้น แต่หลายคนอาจยังไม่รู้ว่าเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร มีความสำคัญอย่างไร บทความนี้จะพาไปรู้จักเซมิคอนดักเตอร์ ตั้งแต่จุดเริ่มต้นของการวิจัยและพัฒนา รวมถึงองค์ประกอบต่าง ๆ และคำศัพท์สำคัญในอุตสาหกรรมนี้
ยุคเริ่มต้นแห่งวิวัฒนาการของทรานซิสเตอร์และชิปชนิดต่าง ๆ
เซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) คือ สารกึ่งตัวนำหรือวัสดุที่มีคุณสมบัติกึ่งนำไฟฟ้า พูดง่าย ๆ คือ นำไฟฟ้าได้ไม่ดีเท่าโลหะ แต่ก็ดีกว่าพวกฉนวนอย่างยาง ไม้ พลาสติก สารหรือวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน (Si) เจอร์มาเนียม (Ge) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซิลิคอนคาร์ไบต์ (SiC) แกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP) อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) นิยมนำมาผลิตเป็นแผ่นเวเฟอร์ (wafer) ซึ่งเป็นแผ่นฐานวงกลมที่มีความบางคล้ายขนมเวเฟอร์ จากนั้นปลูกชั้นฟิล์มบางและสร้างลวดลายจุลภาคเพื่อสร้างวงจรไฟฟ้าขนาดจิ๋วลงบนผิวหน้าเวเฟอร์ กลายเป็นวงจรรวม (integrated circuit) หรือ“ชิป (chip)” ซึ่งภายในประกอบด้วยอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ที่เป็นส่วนประกอบสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้กัน
แผ่นเวเฟอร์ (wafer)การพัฒนาอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำนั้นเริ่มต้นในปี พ.ศ. 2417 ดร.แฟร์ดีนันท์ เบราน์ (Ferdinand Braun) จากมหาวิทยาลัยเวือทซ์บวร์ค (University of Würzburg) ประเทศเยอรมนี ได้ประดิษฐ์เร็กทิไฟเออร์ (rectifier) ซึ่งเป็นวงจรที่ใช้แปลงสัญญาณไฟฟ้าที่มีลักษณะเป็นกระแสไฟฟ้าสลับให้เป็นกระแสไฟฟ้าตรง (DC)
ปี พ.ศ. 2449 ดร.ลี เดอ ฟอเรสต์ (Lee De Forest) บิดาแห่งวิทยุ (Father of the Radio) จากบริษัท The United Wireless Telegraph Company สหรัฐอเมริกา ได้ประดิษฐ์ “Audion” อุปกรณ์ขยายสัญญาณทางไฟฟ้าชนิดแรกที่มีลักษณะเป็นหลอดสุญญากาศแบบไทรโอด (three-electrodes vacuum tube: triode) ซึ่งต่อมาเป็นองค์ประกอบหลักของซูเปอร์คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกของโลกที่ชื่อ อีนิแอก (Electronic Numerical Integrator and Computer: ENIAC)
ปี พ.ศ. 2469 ดร.ยูลิอุส ลีลิเอินเฟลท์ (Julius Lilienfeld) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันจากมหาวิทยาลัยไลพ์ซิช (Leipzig University, เยอรมนี) ได้จดสิทธิบัตรเกี่ยวกับแนวคิดของทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าหรือเฟต (field-effect transistor: FET) แต่ไม่สามารถสร้างได้จริงเนื่องจากข้อจำกัดของความบริสุทธิ์ของวัสดุสารกึ่งตัวนำในเวลาดังกล่าว
ปี พ.ศ. 2490 ดร.วิลเลียม ชอกลีย์ (William Shockley) ดร.จอห์น บาร์ดีน (John Bardeen) และ ดร.วอลเทอร์ แบรตเทน (Walter Brattain) ทีมนักฟิสิกส์จาก Bell Laboratories, INC. (สหรัฐอเมริกา) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ จากการคิดค้นทรานซิสเตอร์จุดสัมผัสแบบไบโพลาร์ (bipolar point-contact transistor) บนแผ่นฐานเจอร์มาเนียมได้สำเร็จ และอีกหนึ่งปีต่อมา ในปี พ.ศ. 2491 ดร.ชอกลีย์ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ชนิดไบโพลาร์สองรอยต่อ (bipolar junction transistor: BJT) ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของโลก
ปี พ.ศ. 2501 ดร.แจ็ก คิลบี (Jack Kilby) จากบริษัท Texas Instruments (สหรัฐอเมริกา) ได้ประดิษฐ์วงจรรวม (integrated circuit: IC) หรือที่มักรู้จักกันในชื่อ ไมโครชิป (microchip) หรือชิป (chip) โดยใช้เทคโนโลยีฟิล์มบางที่มีความหนาของฟิล์มในช่วง 1 นาโนเมตร (nm) ถึง 100 ไมโครเมตร (µm) เพื่อผลิตและเชื่อมต่ออุปกรณ์สารกึ่งตัวนำและส่วนประกอบต่าง ๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด มาต่อรวมกันบนแผ่นเวเฟอร์ชนิดเจอร์มาเนียมแผ่นเดียวกันเพื่อทำให้วงจรหรือระบบสมบูรณ์มากขึ้น
ปี พ.ศ. 2502 ดร.แทว็อน คัง (Dawon Kahng) และ ดร.จอห์น อะทัลลา (John Atalla) นักฟิสิกส์จาก Bell Laboratories, INC. สหรัฐอเมริกา ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดมอสเฟต (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor: MOSFET) ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์พื้นฐานชนิดหนึ่งที่สำคัญที่สุด
ปี พ.ศ. 2504 ดร.รอเบิร์ต นอยซ์ (Robert Noyce) จากบริษัท Fairchild Semiconductor (สหรัฐอเมริกา) ประสบความสำเร็จในการพัฒนากระบวนการผลิตแบบพลานาร์ (planar technology) บนแผ่นซิลิคอนเวเฟอร์ โดยเฉพาะการเชื่อมต่อของลายโลหะในระนาบพื้นผิวเดียวกันบนแผ่นเวเฟอร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้ว ซึ่งกระบวนการดังกล่าวได้ต่อยอดกลายเป็นกระบวนการมาตรฐานในการผลิตชิปหลายล้านตัวบนแผ่นเวเฟอร์แผ่นเดียว และทำซ้ำพร้อมกันบนแผ่นเวเฟอร์หลายแผ่นได้ จึงผลิตชิปในปริมาณมากพร้อมกันได้ ผลงานของคิลบีกับนอยซ์ส่งผลให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2543
ปี พ.ศ. 2506 ดร.แฟรงก์ วานลาส (Frank Wanlass) และ ดร.จื้อถัง ซา (Chih-Tang Sah) จากบริษัท Fairchild Semiconductor สหรัฐอเมริกา ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ชนิดซีมอส (complementary metal-oxide-semiconductor: CMOS) ขึ้น ซึ่งทั้งทรานซิสเตอร์ชนิดมอสเฟตและซีมอสนั้นเป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับชิปหน่วยประมวลผลกลาง (central processing unit: CPU) และชิปหน่วยประมวลผลกราฟิก (graphics processing unit: GPU) และชิปหน่วยประมวลผลแบบเร่ง (accelerated processing unit: APU)
ปี พ.ศ. 2508 ดร.ฮาร์วีย์ นาทานสัน (Harvey Nathanson) จากบริษัท Westinghouse Electric Corporation สหรัฐอเมริกา ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ชนิดเรโซแนนซ์เกต (resonant gate transistor: RGT) ที่เป็นระบบเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาคหรือเมมส์เซนเซอร์ (micro-electromechanical systems: MEMS) ตัวแรกของโลก ซึ่งต่อยอดเป็นเซนเซอร์ชนิดต่าง ๆ ที่ใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่และอุปกรณ์สวมใส่อิเล็กทรอนิกส์
ปี พ.ศ. 2510 ดร.ไซมอน เซ (Simon Sze) และ ดร.แทว็อน คัง (Dawon Kahng) นักฟิสิกส์จาก Bell Laboratories, INC. สหรัฐอเมริกา ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์มอสเฟตชนิดประตูลอย (floating-gate MOSFET) ซึ่งเป็นโครงสร้างสำคัญของหน่วยความจําแบบไม่ลบเลือน (non-volatile memories: NVMs) ที่ยังเก็บข้อมูลได้แม้ไม่มีไฟฟ้าและไม่มีการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนในระหว่างการเขียน-อ่านข้อมูล ต่างจากฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ หน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนนี้พัฒนาต่อยอดมาเป็นหน่วยความจำแฟลช (flash memory) ในอุปกรณ์ที่เราคุ้นเคยกันดีอย่างยูเอสบีแฟลชไดรฟ์ (universal serial bus flash drive) และโซลิดสเตตไดรฟ์ (solid state drive: SSD) ที่มีความจุสูง เร็ว และทนทาน รวมถึงหน่วยความจำแบนด์วิดท์สูง (high-bandwidth memory: HBM) ในปัจจุบัน
ปี พ.ศ. 2518 ดร.สตีเฟน เทอร์รี (Stephen Terry) จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford university) ได้ประดิษฐ์ห้องปฏิบัติการบนชิป (lab-on-a-chip) ตัวแรกของโลก
ปี พ.ศ. 2523 ศาสตราจารย์บานต์วาล บาลิกา (Bantval Baliga) ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ชนิดไบโพลาร์สองรอยต่อแบบหุ้มฉนวนหรือทรานซิสเตอร์ชนิดไอจีบีที (insulated gate bipolar transistor: IGBT) ซึ่งถือเป็นรากฐานสำคัญสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง (power semiconductor) ใช้งานในมอเตอร์ไดรฟ์ อินเวอร์เตอร์ แหล่งจ่ายไฟ และสวิตซ์
ในปีเดียวกันนั้น ศาสตราจารย์จอห์น กูดอีนาฟ (John Goodenough) จากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด (University of Oxford) ได้ประดิษฐ์ลิเทียมไอออนแบตเตอรี่ (rechargeable lithium-ion battery) และในเวลาต่อมาได้พัฒนาเป็นแบตเตอรี่โซลิดสเตต (solid-state glass battery) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและรถยนต์ไฟฟ้า
ปี พ.ศ. 2530 ศาสตราจารย์ริชาร์ด โซเรฟ (Richard Soref) จาก The University of Massachusetts at Boston สหรัฐอเมริกา ประดิษฐ์ท่อนำคลื่นชนิดซิลิคอน (silicon waveguide) ซึ่งถือเป็นอุปกรณ์ซิลิคอนโฟโตนิกส์ (silicon photonic) ที่ต่อยอดมาเป็นระบบการสื่อสารความเร็วสูงชนิด 5G และ 6G ในปัจจุบัน
ในปี พ.ศ. 2536 ศาสตราจารย์เอริก ฟอสซัม (Eric Fossum) จากห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนด้วยไอพ่น (Jet Propulsion Laboratory: JPL) ของ NASA คิดค้นและประดิษฐ์เซนเซอร์รับภาพซีมอส (CMOS image sensor) ที่เรียกกันว่าเป็นกล้องถ่ายรูปบนชิป (camera-on-a-chip) ใช้งานในกล้องถ่ายรูปดิจิทัล รวมทั้งกล้องถ่ายรูปในสมาร์ตโฟน แท็ปเล็ต โน้ตบุ๊ก กล้องวงจรปิด เป็นต้น
ปี พ.ศ. 2542 ศาสตราจารย์เฉินหมิง หู (Chenming Hu) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (University of California, Berkeley, สหรัฐอเมริกา) ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบฟินเฟต (FinFET) ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ที่มีหลายเกต (multi-gate FETs devices) ใช้สำหรับการผลิตชิปที่เทคโนโลยีโหนดที่ 22 nm ถึง 10 nm
ปี พ.ศ. 2567 บริษัท International Business Machines, IBM (สหรัฐอเมริกา) ผลิตทรานซิสเตอร์ชนิดเกตล้อมรอบ (gate-all-around field-effect transistor: GAA-FET) ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งต่อยอดมาจากแนวคิดของ GAA-FET ที่ประดิษฐ์โดย ดร.ฟูจิโอะ มาสึโอกะ (Fujio Masuoka), ดร.ฮิโรชิ ทาคาโตะ (Hiroshi Takato) และ ดร.คาซูมาสะ ซึโนอุชิ (Kazumasa Sunouchi) จากโตชิบา คอร์ปอเรชั่น (ญี่ปุ่น) ในปี พ.ศ. 2541 ซึ่งใช้สำหรับการผลิตชิปที่เทคโนโลยีโหนดที่ 7 nm ถึง 2 nm ในปัจจุบัน
ปี พ.ศ. 2566-2568 ทีมวิจัยจาก Interuniversity Microelectronics Center, IMEC (เบลเยียม) ประสบความสำเร็จในการพัฒนาทรานซิสเตอร์ชนิดคอมพลีเมนทารีเฟต (complementary field-effect transistor: CFET) หรือซีเฟต ซึ่งเป็นโครงสร้างที่วาง nFET หนึ่งตัวไว้บนลายโลหะของ pFET หนึ่งตัว โครงสร้างนี้เป็นหัวใจสำหรับการผลิตชิปที่เทคโนโลยีโหนดต่ำกว่า 2 nm ต่อไปในอนาคต
การค้นพบแนวคิด ทฤษฎี และกระบวนการผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่สำคัญต่าง ๆ ทำให้เกิดบริษัทเทคโนโลยีด้านสารสนเทศ ซอฟต์แวร์ อิเล็กทรอนิกส์ และผู้ผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นจำนวนมากในเขตอุตสาหกรรมแถบหุบเขาแซนตาแคลรา รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ดอน โฮเฟลอร์ (Don Hoefler) นักข่าวชาวอเมริกันได้เรียกพื้นที่นี้ว่า ซิลิคอนวัลเลย์ (Silicon Valley) ในบทความที่เขาตีพิมพ์วันที่ 11 มกราคม พ.ศ. 2514 และเรียกกันมาจนทุกวันนี้ ซิลิคอนวัลเลย์กลายเป็นรากฐานสำคัญของการพัฒนาชิปและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ อีกทั้งยังก่อให้เกิดการขยายตัวของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ไปทั่วโลกในเวลาต่อมา
โครงสร้างและหลักการทำงานของ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดมอสเฟต
ยุคแห่งการลดขนาดและเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์บนชิป
ตลอดระยะเวลา 78 ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์หรือชิป โดยเฉพาะทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดมอสเฟตที่มีโครงสร้างแบบผิวเรียบได้รับการย่อส่วนให้มีขนาดเล็กลงอย่างต่อเนื่องจากระดับไมโครเมตรจนเหลือเพียงระดับนาโนเมตรตามกฎของมัวร์ (Moore’s Law) ที่ว่า “ปริมาณของทรานซิสเตอร์บนวงจรรวมจะเพิ่มเป็นเท่าตัวประมาณทุก ๆ สองปี (The number of transistors in an integrated circuit doubles about every two years)” เพื่อให้ทรานซิสเตอร์ทำงานเร็วที่สุดและมีเวลาเปิด-ปิดที่สั้นที่สุด และเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งจะทำให้ชิปมีประสิทธิภาพสูงขึ้น บางลง น้ำหนักเบา ประหยัดพลังงาน และลดต้นทุนการผลิตต่อชิป ซึ่งขนาดวิกฤต (ขนาดที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้) ขององค์ประกอบต่าง ๆ บนชิป จะเป็นตัวกำหนด “เทคโนโลยีโหนด” (process technology node) ของกระบวนการผลิต ยิ่งมีขนาดเล็กเท่าไร ก็ยิ่งทำให้ชิปมีประสิทธิภาพสูงขึ้น เช่น เทคโนโลยีโหนด 22 nm หมายความว่า ขนาดของส่วนประกอบเล็กที่สุดในชิปที่ผลิตในเทคโนโลยีนี้มีขนาดประมาณ 22 นาโนเมตร
การลดขนาดของชิปตามกฎของมัวร์ ทำให้ชิป More Moore (MM) ที่ใช้ในหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) และหน่วยความจำแบนด์วิดท์สูง (HBM) ซึ่งเปรียบเสมือนสมองของมนุษย์ มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ด้วยเหตุนี้จึงต้องเปลี่ยนโครงสร้างทรานซิสเตอร์จากแบบเรียบเป็นแบบสามมิติเพื่อให้ทำงานได้ดีขึ้นในขนาดที่เล็กลงมาก ๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ฟินเฟตที่มีหลายเกต (FinFET) ใช้ในเทคโนโลยีโหนด 22 nm ถึง 10 nm ทรานซิสเตอร์ชนิดเกตล้อมรอบ (GAA-FET) ใช้ในเทคโนโลยีโหนด 2 nm กระบวนการผลิตระดับนาโนเมตรในปัจจุบันต้องใช้เครื่องจักรสำหรับกระบวนการลิโทกราฟีชนิดอียูวี (extreme ultraviolet lithography: EUVL) จากบริษัท ASML (เนเธอร์แลนด์) ที่มีราคาสูงถึงเครื่องละ 13,000 ล้านบาท มาสร้างลวดลายจิ๋วระดับ 1-2 นาโนเมตร ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ได้ถึง 50,000 ล้านตัว บนพื้นที่ชิป 250 ตารางมิลลิเมตร ปัจจุบันมีเพียง 4 บริษัทยักษ์ใหญ่ที่ผลิตชิปด้วยเทคโนโลยีโหนด 1-2 nm ในปริมาณมากได้ คือ TSMC (ไต้หวัน), Intel (สหรัฐอเมริกา), Samsung (เกาหลีใต้) และ Rapidus (ญี่ปุ่น)
กราฟแสดงว่าจำนวนทรานซิสเตอร์ในไมโครชิปเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าทุก ๆ สองปี ซึ่งเป็นไปตามกฎของมัวร์
ดัดแปลงจาก : https ://commons.wikimedia.org/wiki/File :Moore%27s_Law_Transistor_Count_1970 – 2020.png
นอกจากนี้ยังมีชิปในกลุ่ม More than Moore (MtM) ที่เปรียบเสมือนระบบเส้นประสาทและอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกายมนุษย์ ประกอบด้วยอุปกรณ์ เช่น เซนเซอร์ (sensors) เมมส์ (MEMS) อุปกรณ์ด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ (optoelectronics & photonics devices) ฯลฯ ที่มีขนาดของลวดลายจุลภาคใหญ่กว่า 90 นาโนเมตร กลุ่มนี้จะมุ่งเน้นการพัฒนาฟังก์ชันมากกว่าลดขนาดของชิป
ทั้งนี้การลดขนาดและการเพิ่มความสามารถของชิปทั้งในกลุ่ม MM และ MtM เป็นไปตามแผนงานด้านอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และระบบอิเล็กทรอนิกส์ (IRDS) หรือชื่อเดิมคือ ITRS แต่ด้วยข้อจำกัดทางฟิสิกส์รวมถึงข้อจำกัดด้านเทคนิคและราคาของเครื่อง EUVL จึงไม่สามารถลดขนาดทรานซิสเตอร์ให้เล็กกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมของซิลิคอนคือ 0.543 นาโนเมตรได้ ก็เลยมีการพัฒนาเทคโนโลยีชิปเล็ต (chiplet technology) และเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ชิปขั้นสูงแบบ 3 มิติ (3D advanced packaging) เพื่อประกอบชิป MM และ MtM ที่มีฟังก์ชันต่าง ๆ หลาย ๆ ตัวเข้าด้วยกัน เหมือนต่อตัวต่อในพื้นที่ที่จำกัดได้ในแนวตั้ง ซึ่งทำให้ได้วงจรรวมที่มีโครงสร้าง 3 มิติ บนแผ่นฐานเดียวกัน (heterogeneous integrated circuit: HIC) พูดง่าย ๆ คือ ได้ระบบที่ซับซ้อนและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ระบบนิเวศเชิงอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของประเทศไทย
ปัจจุบันร้อยละ 95 ของการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกใช้แผ่นซิลิคอนเวเฟอร์ (Si wafer) ที่มีขนาดแตกต่างกันตามประเภทของชิป เช่น เวเฟอร์ชนิด Si, InP, และ LiNbO3 ขนาด 4 นิ้วสำหรับชิปโฟโตนิกส์, ขนาด 6-8 นิ้วสำหรับเมมส์, เซนเซอร์ และชิปกำลัง, ขนาด 12 นิ้วใช้กับชิปประมวลผล เช่น CPU, GPU และ HBM การเพิ่มขนาดเวเฟอร์ช่วยให้ผลิตชิปได้มากขึ้นในเวลาเท่าเดิม ลดต้นทุนต่อชิปลง โดยกระบวนการผลิตหลักของชิป (wafer fabrication) มี 6 ขั้นตอนสำคัญ ตั้งแต่การล้างทำความสะอาด (cleaning), การปลูกฟิล์มบาง (thin film deposition), การสร้างลวดลายด้วยแสงด้วยกระบวนการลิโทกราฟี (lithography), การกัดด้วยพลาสมา (plasma etching), การฝังสารเจือและกระบวนการยิงฝังประจุ (diffusion & ion implantation) และกระบวนการทางความร้อน (thermal process) โดยทั้งหมดต้องทำในโรงงานผลิตชิป (wafer fab) หรือที่เรียกว่า เวเฟอร์แฟบ ที่มีห้องสะอาด (cleanroom) ที่ควบคุมฝุ่นและสภาพแวดล้อมอย่างเข้มงวด และใช้น้ำ สารเคมี และแก๊สที่มีความบริสุทธิ์พิเศษ
ห่วงโซ่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แบ่งเป็น 3 ส่วน ได้แก่ ส่วนต้นน้ำ คือ บริษัทที่ออกแบบชิปเท่านั้น หรือเรียกว่า แฟบเลส (fabless) ไม่มีโรงงาน เช่น NVIDIA, แบบมีโรงงานผลิตชิปต้นแบบ หรือที่เรียกว่า แฟบไลต์ (fab lite) เช่น Apple และแบบมีโรงงานผลิตชิป หรือที่เรียกว่า แฟบ (fab) เช่น Intel, ส่วนกลางน้ำ คือ ผู้ผลิตอุปกรณ์รวม (integrated device manufacturer) หรือที่เรียกว่า ไอดีเอ็ม ซึ่งเป็นโรงงานผลิตชิปที่รับจ้างผลิตให้บริษัทอื่น เช่น TSMC ของไต้หวันซึ่งเป็นผู้ผลิตชิปรายใหญ่ที่สุดในโลก และส่วนปลายน้ำ คือ บริษัทประเภท outsourced semiconductor assembly and test (OSAT) หรือที่เรียกว่า โอแสต ที่รับประกอบ บรรจุ และทดสอบชิป (assembly, testing, and packaging) หรือที่เรียกว่า เอทีพี ( ATP) เช่น ASE, UTAC รวมถึง Hana Microelectronics ซึ่งเป็นบริษัทไทย นอกจากนี้ยังมีบริษัทสนับสนุนอื่น ๆ เช่น ผู้ผลิตเครื่องจักร, ซอฟต์แวร์ออกแบบ, วัสดุห้องสะอาด, สารเคมี, ระบบสูญญากาศ และบริษัทที่ออกแบบโรงงานผลิตชิปด้วย
ประเทศไทยเป็นผู้นำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่วนปลายน้ำของโลก โดยรับแผ่นเวเฟอร์จากต่างประเทศมาทำกระบวนการบรรจุภัณฑ์ ประกอบแผงวงจร และทดสอบชิป รวมถึงผลิตแผ่นวงจรพิมพ์และประกอบเป็นผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ อีกทั้งยังเป็นฐานการผลิตฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์รายใหญ่ของโลกจากบริษัท Western Digital และ Seagate มูลค่าการส่งออกผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะของไทยจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่วนปลายน้ำในปี พ.ศ. 2565 สูงถึง 1.3 ล้านล้านบาท
ห้องคลีนรูม class 100 สำหรับ small-volume production line บนเวเฟอร์ 6 นิ้ว ของทีเมค
การดำเนินงานในส่วนต้นน้ำในประเทศไทยนั้น มีศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (TMEC หรือ ทีเมค) ภายใต้ สวทช. ซึ่งมีโรงงานผลิตชิปขนาด 6 นิ้ว เป็นแห่งแรกและแห่งเดียวของประเทศ ดำเนินงานตั้งแต่การออกแบบ วิจัยพัฒนา ไปจนถึงการผลิตชิป CMOS และอุปกรณ์ MtM โดยเฉพาะเมมส์และเซนเซอร์ ในระดับการผลิตปริมาณน้อย (small-volume production) มายาวนานกว่า 20 ปีแล้ว
ด้วยศักยภาพและความพร้อมที่มีอยู่ โอกาสที่ประเทศไทยจะสร้างระบบนิเวศอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ตั้งแต่ต้นน้ำถึงปลายน้ำได้อย่างยั่งยืนนั้นไม่ใช่แค่ความฝัน หากภาครัฐและเอกชนร่วมมือกันวางแผนและลงทุนอย่างจริงจังทั้งในระยะสั้นและยาว โดยเริ่มเดินหน้าตั้งแต่วันนี้เพื่อลดระยะเวลาและเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันเฉพาะทาง ประเทศไทยก็มีโอกาสที่จะมีโรงงานผลิตชิปต้นน้ำ ทั้งแบบร่วมทุนระหว่างภาครัฐกับเอกชน หรือแบบกิจการร่วมค้า สำหรับชิป MtM ในระยะสั้น และชิป MM ในระยะยาว ซึ่งจะเป็นจิกซอว์สำคัญที่ทำให้ประเทศไทยเป็นฐานการผลิตชิปแบบครบวงจรที่มีบทบาทในตลาดโลกได้อย่างไม่ตกขบวน และมีห่วงโซ่อุปทานที่สมบูรณ์ เหมือนกับความสำเร็จของอุตสาหกรรมฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ปลายน้ำ และอุตสาหกรรมยานยนต์ ซึ่งจะสร้างบุคลากร งาน และรายได้ให้แก่ประเทศในระยะยาว
>> ดาวน์โหลดไฟล์บทความฉบับเต็ม (PDF)
About Author
