ระบบอัตโนมัติช่วยให้ผู้ผลิตในสหรัฐฯ ปรับขนาดการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างไร

เซมิคอนดักเตอร์เป็นแกนหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ การจ่ายไฟฟ้า และการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน ผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มีตั้งแต่ส่วนประกอบแยกอย่างง่าย เช่น ทรานซิสเตอร์และไดโอด ไปจนถึงวงจรรวมที่ซับซ้อนหรือไอซี . อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มักเป็นแกนหลักของลอจิกเกตที่รวมกันเพื่อสร้างวงจรดิจิทัล นอกจากนี้ยังอยู่ในออสซิลเลเตอร์ เซ็นเซอร์ แอมพลิฟายเออร์แอนะล็อก เซลล์แสงอาทิตย์ ไฟ LED เลเซอร์ และตัวแปลงพลังงาน ประเภทผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ได้แก่ หน่วยความจำ ลอจิก ไอซีแอนะล็อก ไมโครโปรเซสเซอร์ อุปกรณ์ไฟฟ้าแยก และเซ็นเซอร์

รูปที่ 1: การผลิตวงจรรวมและผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ จำเป็นต้องมีอุปกรณ์พิเศษ (แหล่งที่มาของภาพ: Getty Images)

แม้จะมีลักษณะที่สำคัญของเซมิคอนดักเตอร์ แต่โลกส่วนใหญ่ยังต้องพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานทั่วโลกที่ไม่หลากหลายและเปราะบาง นี่เป็นเพราะการประหยัดจากขนาดที่สำคัญมากซึ่งทำให้การผลิตแบบรวมบัญชีสูงมีการแข่งขันทางเศรษฐกิจมากขึ้น สิ่งอำนวยความสะดวกในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีค่าใช้จ่ายหลายพันล้านในการสร้างและต้องการพนักงานที่มีทักษะสูง

รูปที่ 2: มอเตอร์เชิงเส้นตรง ตัวขับสายพาน และรางนำเชิงเส้นโปรไฟล์ขนาดเล็กเป็นเพียงส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำในเครื่องจักรเพื่อประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์ (แหล่งที่มาของภาพ: Getty Images)

โรงงานแฟบ (โรงหล่อ) ส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในไต้หวัน ญี่ปุ่น จีน สหรัฐอเมริกา และเยอรมนี และเปิดดำเนินการมาหลายทศวรรษแล้ว อย่างไรก็ตาม มากกว่าครึ่งหนึ่งของเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดและมากกว่า 90% ของเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงทั้งหมดผลิตในไต้หวัน โดยผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รายใหญ่ทุกรายใช้โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของไต้หวันเพียงแห่งเดียวสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์บางส่วนเป็นอย่างน้อย ความตึงเครียดทางภูมิรัฐศาสตร์เมื่อเร็วๆ นี้ ได้ดึงความสนใจไปที่อันตรายของการพึ่งพาดังกล่าว พ.ร.บ. การสร้างสิ่งจูงใจที่เป็นประโยชน์ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (ชิป) และวิทยาศาสตร์ พ.ศ. 2565 มีเป้าหมายเพื่อแก้ไขปัญหานี้โดยกระตุ้นให้ผู้ประกอบการและซัพพลายเออร์ระบบอัตโนมัติจัดตั้งและขยายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐฯ

สถานะของการผลิตสารกึ่งตัวนำ

วัสดุส่วนใหญ่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี เช่น โลหะ หรือฉนวน เช่น แก้ว สารกึ่งตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน การนำไฟฟ้านั้นถูกปรับโดยการนำสิ่งเจือปนภายในโครงสร้างผลึกผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการเติม การเจือด้วยองค์ประกอบที่ให้อิเล็กตรอนจะให้ประจุลบสำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด n ในทางกลับกัน การเติมด้วยตัวรับอิเล็กตรอนจะสร้างรูที่มีประจุบวกสำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด p บริเวณที่มีสารเจือปนอยู่ติดกันสองแห่งแต่ต่างกันภายในผลึกเดี่ยวก่อตัวเป็นชุมทาง pn ของสารกึ่งตัวนำ ทรานซิสเตอร์อาจถูกจัดเรียงด้วยจุดเชื่อมต่อ NPN หรือ PNP

ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุด สารเจือปนประเภท n ทั่วไปคือฟอสฟอรัสและสารหนู ในขณะที่สารเจือปนประเภท p ทั่วไปคือโบรอนและแกลเลียม

รูปที่ 3: หุ่นยนต์หกแกนในเครื่อง Jabil Precision Automation Solutions ดำเนินงานที่เกี่ยวข้องกับการเรียงลำดับเส้นเล็งอัตโนมัติโดยไม่กระทบต่อสภาพแวดล้อมของคลีนรูมที่มีอยู่ (ที่มาของภาพ:ออมรอน ออโตเมชั่น อเมริกา)

การประดิษฐ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงสุดทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติระดับนาโนระหว่าง 1 ถึง 100 นาโนเมตร เนื่องจากนาโนเมตรเป็นหนึ่งในพันล้านของเมตร และระยะห่างระหว่างอะตอมแต่ละตัวในของแข็งอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 0.4 นาโนเมตร โครงสร้างนาโนของเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่จึงเข้าใกล้ขีดจำกัดของโครงสร้างวัสดุขนาดเล็ก ความแม่นยำสูงสุดที่เกี่ยวข้องกับการผลิตผลิตภัณฑ์ดังกล่าวต้องการกระบวนการที่ดำเนินการในสภาพแวดล้อมแบบคลีนรูม รวมทั้งการป้องกันการสั่นสะเทือนจากกิจกรรมแผ่นดินไหว เครื่องบินท้องถิ่น รถไฟ การจราจร และเครื่องจักรใกล้เคียง

กระบวนการที่สำคัญที่สุดในการผลิตไอซีคือการผลิตแผ่นเวเฟอร์ การพิมพ์หิน และการเติมสารแบบเลือก ซึ่งส่วนใหญ่มักเกิดจากการฝังไอออน ช่างฝีมือหลายคนมีความเชี่ยวชาญในการผลิตเวเฟอร์หรือการผลิตชิปที่ตามมาซึ่งเกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพด้วยแสงและการเติม Taiwan Semiconductor (TSMC) ผลิตทั้งเวเฟอร์และชิป มันเป็นเพียงหนึ่งเดียวที่ผลิตชิปขั้นสูง 5 นาโนเมตรและ 3 นาโนเมตร ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์บางรายเช่น Intel และ Texas Instruments มีคุณสมบัติของตัวเองและพึ่งพา TSMC ในการจัดหาชิปที่ทันสมัยที่สุดเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ผู้ผลิต fabless หลายราย (รวมถึง Apple, ARM และ Nvidia) ต่างพึ่งพา TSMC ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของตนทั้งหมด

รูปที่ 4: GlobalFoundries เพิ่งเริ่มลงทุน 1 พันล้านดอลลาร์เพื่อให้โรงงานที่มีอยู่แล้วในรัฐนิวยอร์กผลิตเวเฟอร์เพิ่มอีก 150,000 ชิ้นต่อปี ความจุใหม่นี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อตอบสนองความต้องการชิปที่มีคุณสมบัติหลากหลายสำหรับยานยนต์ 5G และแอปพลิเคชัน IoT โรงงานแห่งนี้ยังรองรับข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของประเทศสำหรับห่วงโซ่อุปทานที่ปลอดภัยอีกด้วย (ที่มาของภาพ:GlobalFoundries )

แม้ว่าในทางเทคนิคแล้ว AMD จะไม่พึ่งพา TSMC และก่อนหน้านี้ก็ประดิษฐ์ชิปของตัวเอง AMD แยกธุรกิจการผลิตและตั้งชื่อว่า GlobalFoundries; หลังดำเนินการ fabs ในสหรัฐอเมริกา ยุโรป และสิงคโปร์ ในอดีตโรงงานยอดเยี่ยมแห่งนิวยอร์กผลิตชิปขนาด 14 นาโนเมตร; บนขอบฟ้าคือชิป 4 นาโนเมตรและชิป 3 นาโนเมตร

การพิจารณากระบวนการผลิตชิปเฉพาะ

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ใช้กระบวนการที่ให้ผลตอบแทนสูงที่ปรับขนาดได้ ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างคุณลักษณะต่างๆ นับล้าน (แม้แต่คุณลักษณะระดับนาโน) ในขั้นตอนเดียว พิจารณาเฉพาะบางอย่าง

การผลิตเวเฟอร์ซิลิคอน: นักเก็ตซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ถูกหลอมในบรรยากาศอาร์กอนที่อพยพออกมาบางส่วน จากนั้นดึงโดยใช้คริสตัลเมล็ดเพื่อสร้างก้อนซิลิกอนผลึกเดี่ยว ซึ่งเป็นทรงกระบอกที่มีโคนหัวและหางที่ก่อตัวขึ้นเมื่อกระบวนการเริ่มและหยุด ในขั้นตอนนี้อาจมีการเติมยาสลบแบบสม่ำเสมอลงในซิลิโคน

รูปที่ 5: แสดงแท่งผลึกซิลิกอนหลายแท่งและดิสก์ที่สามารถแยกส่วนได้ กรวยยังคงมีอยู่บนก้อนโลหะหลังจากดึงและก่อนบด (แหล่งที่มาของภาพ: Getty Images)

จากนั้น ก้อนโลหะจะถูกบดเป็นบล็อกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่แม่นยำ และเพิ่มรอยบากเพื่อระบุการวางแนวของผลึก จากนั้นบล็อกจะถูกหั่นเป็นเวเฟอร์โดยใช้เลื่อยลวด เวเฟอร์ถูกยกนูนและขัดโดยใช้เครื่องมือเจียระไนเพชร จากนั้นจึงทำการขัดผิวสำเร็จด้วยการกัดด้วยสารเคมี การอบชุบด้วยความร้อน การขัดเงา และการทำความสะอาดด้วยน้ำบริสุทธิ์พิเศษและสารเคมี เวเฟอร์ได้รับการตรวจสอบความเรียบและความสะอาดปราศจากอนุภาคก่อนบรรจุ

รูปที่ 6: แม้แต่ผลิตภัณฑ์ทำความสะอาดที่ดูเหมือนคุ้นเคยก็มีรูปแบบใหม่เมื่อถูกกำหนดให้ใช้ในห้องคลีนรูม (ที่มาของภาพ:ACL Staticide Inc. )

การพิมพ์หิน: วงจรอิเล็กทรอนิกส์ผลิตขึ้นโดยการเคลือบฟิล์มบางๆ ของตัวนำโลหะลงบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ก่อน จากนั้นจึงใช้การพิมพ์หินเพื่อพิมพ์หน้ากากสำหรับรูปแบบของวงจร ก่อนที่จะกัดชั้นตัวนำไฟฟ้าที่เหลืออยู่ออกไป เดิมทีวิธีการเหล่านี้ได้รับการพัฒนาสำหรับวงจรพิมพ์ขนาดใหญ่ แต่ปัจจุบันใช้สำหรับการผลิตไอซีระดับนาโน ครีบโลหะพิมพ์ในรูปแบบตาราง ด้วยชิปประมวลผล 5 นาโนเมตรที่มีครีบเว้นระยะห่างประมาณ 20 นาโนเมตร ระบบอัตโนมัติสำหรับกระบวนการเฉพาะนี้มักจะใช้เทคโนโลยีขับเคลื่อนโดยตรง เช่นเดียวกับฐานการทรงตัวและซอฟต์แวร์ และแม้กระทั่งตลับลูกปืนลม

รูปที่ 7: สามารถตรวจสอบโครงสร้างระดับนาโนได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราด . อุปกรณ์ซ่อมแซม Photomask ดังที่แสดงไว้ที่นี่จะทำการตรวจจับข้อบกพร่องและตรวจสอบการซ่อมแซมโดยอัตโนมัติเพื่อเร่งความเร็วของปริมาณงาน กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมช่วยให้สามารถตรวจจับและซ่อมแซมข้อบกพร่องและอนุภาคแปลกปลอมได้ด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตรและความแม่นยำระดับอังสตรอม (ที่มาของภาพ:ระบบสวนสาธารณะ )

การสะสมวัสดุฟิล์มบาง: ในกระบวนการนี้ วัสดุโลหะจะถูกสะสมไว้บนเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้การระเหยด้วยสุญญากาศ การทับถมของสปัตเตอร์ หรือการสะสมไอสารเคมี

ลวดลาย: นี่คือกระบวนการพิมพ์หินจริงในระหว่างที่ใช้หน้ากากเพื่อป้องกันไม่ให้ชั้นโลหะหลุดออกจากพื้นที่ที่เลือกในขั้นตอนการแกะสลักที่ตามมา กระบวนการสร้างลวดลายทั่วไป ได้แก่ โฟโตลิโทกราฟี การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน และการพิมพ์หินนาโนอิมพรินต์ โลหะระหว่างช่องว่างในหน้ากากจะถูกทำให้กลายเป็นไอด้วยเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอน

การแกะสลัก: การกำจัดชั้นของวัสดุด้วยสารเคมี การกัดด้วยเคมีแบบเปียกจะใช้ของเหลวที่ทำปฏิกิริยา เช่น กรด เบส และตัวทำละลาย ในขณะที่การกัดแบบแห้งจะใช้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยา การกัดแบบแห้งรวมถึงการกัดด้วยปฏิกิริยาไอออนและการกัดด้วยพลาสมาแบบนำไฟฟ้า ที่นี่ อุปกรณ์อัตโนมัติจะควบคุมระยะเวลาและอัตราของกระบวนการ — กุญแจสำคัญในการรักษาคุณสมบัติของชิปให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้

การฝังไอออน: เมื่อสร้างตารางการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแล้ว จะต้องสร้างทรานซิสเตอร์แต่ละตัวที่จุดเชื่อมต่อโดยการเติมซิลิโคนเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ NPN หรือ PNP สิ่งนี้ทำได้โดยการบังคับลำแสงไอออนที่ประกอบด้วยองค์ประกอบการเติมที่จุดเชื่อมต่อ ความเร็วที่สูงมากของลำแสงไอออนที่ถูกเร่งทำให้พวกมันทะลุผ่านวัสดุและฝังตัวอยู่ในตาข่ายคริสตัลของเวเฟอร์ซิลิคอน รูปแบบที่สร้างขึ้นระหว่างกระบวนการพิมพ์หินใช้เพื่อเป็นแนวทางในกระบวนการฝังไอออนอย่างแม่นยำ

ใช้ระบบอัตโนมัติเพื่อส่งมอบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณภาพ

ปัจจุบันอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐส่วนใหญ่ผลิตอุปกรณ์การผลิตมากกว่าที่จะผลิตเซมิคอนดักเตอร์เอง อุปกรณ์นี้ใช้เครื่องกลและอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไประบบอัตโนมัติในการผลิต เทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น:

• อุปกรณ์การพิมพ์หินผลิตโดย Applied Materials และ ASML
• อุปกรณ์การตกตะกอนด้วยไอสารเคมีผลิตโดย Lam Research and Applied Materials
• อุปกรณ์การกัดด้วยพลาสมาผลิตโดย Lam Research, Applied Materials และ Plasma-Therm
• อุปกรณ์ฝังไอออนผลิตโดย Axcelis Technologies และ Varian Semiconductor Equipment Associates

แม้ว่าในปัจจุบัน สหรัฐฯ จะนำเข้าเซมิคอนดักเตอร์เป็นส่วนใหญ่ แต่ขั้นตอนการผลิตทั้งหมดจะดำเนินการในระดับหนึ่งภายในสหรัฐฯ ซึ่งรวมถึงการผลิตแผ่นเวเฟอร์และชิปโดย Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments และอื่นๆ

กระบวนการสำหรับการทับถมวัสดุฟิล์มบาง การสร้างลวดลายบนภาพพิมพ์ การกัดด้วยสารเคมี และการฝังไอออนสำหรับการผลิตชิปนั้นสามารถปรับขนาดได้อย่างแท้จริง พวกเขาอนุญาตให้สร้างทางแยกหลายล้านแห่งพร้อมกัน ดังนั้น ผู้ผลิตจึงเพิ่มระดับของระบบอัตโนมัติในส่วนหนึ่งเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน แต่ในปัจจุบันมักจะเพิ่มเพื่อปรับปรุงคุณภาพ

ระบบอัตโนมัติยังเกี่ยวข้องกับการจัดการสารเคมี ชิป และเวเฟอร์ เช่นเดียวกับการใช้หุ่นยนต์คลีนรูมที่ผลิตโดยผู้ผลิต เช่น KUKA Robotics ส่วนหลังมีบทบาทสำคัญในการลดความสูญเสียที่เกิดจากความผิดพลาดของมนุษย์

รูปที่ 8: หุ่นยนต์เพื่อการทำงานร่วมกันขี่บนระบบแกนที่ 7 เพื่อจัดการแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน (หนา 40 µm และเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 300 มม.) ขณะที่พวกมันเคลื่อนผ่านขั้นตอนมากถึง 1,200 ขั้นเพื่อเปลี่ยนเป็นชิป (ที่มาของภาพ:วิทยาการหุ่นยนต์ของ KUKA )

แต่ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ระบบอัตโนมัติมักจะเกี่ยวกับการประมวลผลข้อมูลและการตัดสินใจที่เป็นผลลัพธ์โดยอัตโนมัติ Fabs ใช้อัลกอริทึมอัตโนมัติสำหรับการควบคุมกระบวนการขั้นสูงหรือเอพีซี ตลอดจนการควบคุมกระบวนการทางสถิติหรือสปท . ติดตามความผันแปรของกระบวนการและผลจากข้อบกพร่องในการผลิตเหล่านี้ให้ลดลงด้วยการควบคุมกระบวนการผลิตแบบเรียลไทม์ ระบบดังกล่าวอาจใช้ปัญญาประดิษฐ์และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อระบุรูปแบบภายในชุดข้อมูลขนาดใหญ่มากที่ติดตามพารามิเตอร์กระบวนการและเมตริกคุณภาพจำนวนมาก

ความเป็นผู้นำทางความคิดที่ซีเมนส์ กำหนด APC ว่าครอบคลุมวิธีการต่างๆ เพื่อลดความผันแปรในตัวแปรควบคุม — รวมถึงการควบคุมแบบคลุมเครือ การควบคุมเชิงจำลองแบบจำลอง การควบคุมตามแบบจำลอง แบบจำลองทางสถิติ และโครงข่ายประสาทเทียม เทคโนโลยี Industry 4.0 ดังกล่าวมักจะถูกนำมาใช้ผ่านระบบนิเวศแบบบูรณาการ เช่น ที่นำเสนอโดย Siemens หรือชไนเดอร์ อิเล็คทริค EcoStruxure (เพื่อยกตัวอย่างสองตัวอย่าง) สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ตัวแปรกระบวนการสามารถใช้ร่วมกับการตรวจสอบสภาพเครื่องจักรสำหรับการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ ซึ่งช่วยลดการบำรุงรักษาเครื่องจักรการผลิตตามปกติในขณะที่หลีกเลี่ยงการหยุดทำงาน

สรุป

ขณะที่สหรัฐฯ เคลื่อนไหวเพื่อให้มั่นใจถึงความสามารถในการแข่งขันของการผลิตในประเทศสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความสำคัญเชิงกลยุทธ์ ระบบอัตโนมัติที่ล้ำสมัยจะมีความจำเป็น หุ่นยนต์คลีนรูมที่ดำเนินการจัดการวัสดุเป็นการใช้งานระบบอัตโนมัติที่ชัดเจนและมองเห็นได้มากที่สุด แต่เป็นการควบคุมกระบวนการอัตโนมัติของกระบวนการผลิตจริงซึ่งได้รับข้อได้เปรียบในการแข่งขันอย่างแท้จริง ตั้งแต่การควบคุมสภาพแวดล้อมสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนไปจนถึงการเติมสารกระตุ้นอย่างแม่นยำที่จุดเชื่อมต่อระหว่างการฝังไอออน การผลิตไอซีระดับนาโนที่มีประสิทธิภาพและปราศจากข้อบกพร่องขึ้นอยู่กับการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการนับพันแบบเรียลไทม์

ท้ายที่สุดแล้ว จะเป็นการควบคุมกระบวนการขั้นสูงที่เกี่ยวข้องกับการรวมเซ็นเซอร์ IIoT, อัลกอริทึม AI และวิธีการควบคุมตามโมเดลขั้นสูงอื่นๆ ที่จะทำให้มั่นใจถึงความสามารถในการแข่งขันของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐฯ