เวเฟอร์ซิลิคอนคืออะไร? มันใช้สำหรับอะไร?

มีแนวโน้มว่าผู้คนจำนวนมากได้สัมผัสหรือเคยใช้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนในชีวิตประจำวันของตน แม้ว่าอาจจะโดยไม่รู้ตัวก็ตาม สำหรับผู้ที่เคยใช้อุปกรณ์อย่างคอมพิวเตอร์และสมาร์ทโฟน ต่างก็มีปฏิสัมพันธ์กับเทคโนโลยีนี้อย่างแน่นอน ในฐานะซัพพลายเออร์ที่โดดเด่นของเวเฟอร์ซิลิคอน เรามักถูกถามคำถามเช่น "ซิลิคอนเวเฟอร์คืออะไรกันแน่" และ "มันมีประโยชน์อะไร" ในบทความนี้ เรามุ่งหวังที่จะให้ข้อมูลเบื้องต้นที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเวเฟอร์ซิลิคอน

สำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ MEMS และอื่นๆ เราที่ WaferPro นำเสนอผลิตภัณฑ์เวเฟอร์ซิลิคอนที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงเวเฟอร์ซิลิคอนเกรดไพรม์ การทดสอบ และรีเคลมในทิศทาง ความต้านทาน ความหนา และเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆ

เวเฟอร์ซิลิคอนคืออะไร?

เวเฟอร์ซิลิคอนเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งพบได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกประเภทที่ช่วยยกระดับชีวิตของผู้คน ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบที่มีมากเป็นอันดับสองในจักรวาล และส่วนใหญ่จะใช้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ในสาขาเทคโนโลยีและอิเล็กทรอนิกส์

หลายๆ คนคงเคยเจอเวเฟอร์ซิลิคอนของจริงในช่วงหนึ่งของชีวิต จานแบนพิเศษ-นี้ได้รับการขัดเงาอย่างระมัดระวังเพื่อให้มีพื้นผิวเหมือนกระจก- นอกจากนี้ ยังมีความผิดปกติของพื้นผิวเพียงเล็กน้อย ทำให้เป็นวัตถุที่แบนที่สุดในโลก นอกจากนี้ ยังสะอาดอย่างยิ่ง ปราศจากสิ่งเจือปนและอนุภาคขนาดเล็ก- ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่ทำให้เป็นวัสดุตั้งต้นในอุดมคติสำหรับเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่

มีหลายวิธีในการผลิตซิลิคอน รวมถึงวิธีบริดจ์แมนแนวนอน วิธีเยือกแข็งเกรเดียนต์แนวนอน วิธีเยือกแข็งเกรเดียนต์แนวตั้ง วิธีบริดจ์แมนแนวตั้ง และวิธีการดึง Czochralski

ตลอดกระบวนการเจริญเติบโต สามารถใช้สารเจือปนเพื่อเปลี่ยนความบริสุทธิ์ของเวเฟอร์ซิลิคอนตามวัตถุประสงค์การใช้งาน สิ่งเจือปนเหล่านี้สามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของซิลิคอน ซึ่งมีความสำคัญต่อวัตถุประสงค์ในการผลิตเฉพาะ

สารเจือปนทั่วไปที่เติมในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต ได้แก่ อะลูมิเนียม โบรอน ไนโตรเจน อินเดียม และแกลเลียม เซมิคอนดักเตอร์อาจถูกจำแนกประเภทว่าเสื่อมหรือจากภายนอกทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเวลาที่สารเจือปนถูกนำมาใช้

Silicon Wafer ใช้ทำอะไร?

1. เซมิคอนดักเตอร์

แม้ว่าตัวนำอื่นๆ จะถูกนำมาใช้ในการใช้งานเฉพาะทางมากขึ้น แต่ซิลิคอนยังคงเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด เนื่องจากมีความคล่องตัวเป็นพิเศษ ทั้งในอุณหภูมิสูงและที่อุณหภูมิห้อง

สิ่งที่ทำให้ซิลิคอนเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ก็คือความสามารถในการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าวัสดุอื่นๆ

2. เวเฟอร์ซิลิคอนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เซมิคอนดักเตอร์ เช่น เวเฟอร์ซิลิคอน มีความสำคัญในการผลิตทั้งชิปและไมโครชิปที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเวเฟอร์ซิลิคอน เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้จึงเป็นส่วนสำคัญในการสร้างไอซี (วงจรรวม) ไอซีทำหน้าที่เป็นหน่วยควบคุมสำหรับการทำงานต่างๆ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เวเฟอร์ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลักในวงจรรวม กล่าวง่ายๆ ก็คือ วงจรรวมคือการรวมกันของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ที่ประกอบขึ้นเพื่อทำงานเฉพาะด้าน

ซิลิคอนเป็นรากฐานสำหรับเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ เวเฟอร์โดยพื้นฐานแล้วคือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชิ้นบางๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่วางอยู่บนหรือภายในเวเฟอร์

แม้ว่าเวเฟอร์ซิลิคอนอาจดูเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับอุปกรณ์เทคโนโลยีขั้นสูงที่มีอยู่ในความฝันเท่านั้น แต่พวกมันอยู่ใกล้เรามากกว่าที่คนส่วนใหญ่จะรู้! เวเฟอร์ซิลิคอนพบได้ในคอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน อุปกรณ์เคลื่อนที่ และแม้แต่ในระบบเซ็นเซอร์แรงดันลมยาง

3. การใช้งานอื่น ๆ ของซิลิคอนเวเฟอร์

เวเฟอร์ซิลิคอนบริสุทธิ์พิเศษ-เป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสำหรับการสร้างวงจรรวมซึ่งจำเป็นต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด เวเฟอร์เหล่านี้นำไปใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย รวมไปถึง:

ไมโครโปรเซสเซอร์ – ชิปหลักที่ขับเคลื่อนคอมพิวเตอร์และสมาร์ทโฟน

DRAM และหน่วยความจำแฟลช – เซลล์หน่วยความจำที่ใช้ซิลิคอน-หลายพันล้านเซลล์ที่พบในชิป

เซ็นเซอร์ CMOS – เซ็นเซอร์ภาพที่จับแสงในกล้องสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์อื่นๆ

อุปกรณ์ไฟฟ้า – การออกแบบเฉพาะทางที่ควบคุมไฟฟ้าในระบบอิเล็กทรอนิกส์

MEMS – ระบบเครื่องกลและระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็กที่ทำจากซิลิคอน

วงจรออปติก - ท่อนำคลื่นและอุปกรณ์โฟโตนิกที่รวมออปติก

วิธีการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอน - ทีละขั้นตอน

เวเฟอร์ซิลิคอนผลิตขึ้นผ่านกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับขั้นตอนสำคัญหลายขั้นตอน เวเฟอร์ซิลิคอนมาตรฐานและแบบกำหนดเองส่วนใหญ่จาก WaferPro ผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการที่เข้มงวดเช่นเดียวกันนี้ภายใต้การควบคุมคุณภาพที่เข้มงวด

1. การปลูกแท่งโลหะ

โพลีซิลิคอนความบริสุทธิ์สูง-ถูกหลอมและตกผลึกเป็นแท่งผลึกเดี่ยวโดยใช้กระบวนการ Czochralski แท่งโลหะสามารถเติบโตได้ยาวกว่า 2 เมตรและหนักหลายร้อยกิโลกรัม แท่งโลหะจะต้องมีโครงสร้างผลึกบริสุทธิ์เป็นพิเศษเพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากสิ่งเจือปนใดๆ อาจทำให้การทำงานลดลงอย่างมาก

2. การเจียรแบบแบนหรือรอยบาก

เมื่อแท่งซิลิคอนเกือบจะไม่มีตำหนิ ขั้นตอนต่อไปคือการเจียรพื้นผิวเรียบหรือมีรอยบากตามขอบ ซึ่งจะช่วยจัดตำแหน่งแท่งโลหะให้ถูกต้องสำหรับกระบวนการที่ตามมา การวางแนวของคริสตัลซิลิคอนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตัดที่แม่นยำ

3. การหั่น

จากนั้น แท่งโลหะจะถูกหั่นเป็นแผ่น โดยทั่วไปจะมีความหนาตั้งแต่ 0.2 มม. ถึง 1.5 มม. โดยใช้เลื่อยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในหรือเลื่อยลวด จากแท่งเดียว สามารถหั่นเวเฟอร์ได้หลายร้อยชิ้น

4. การเจียรขอบ

ก่อนที่เวเฟอร์จะพร้อมสำหรับการผลิต ขอบจะถูกกราวด์เพื่อขจัดรอยแตกและรอยแยกขนาดจิ๋วที่เกิดขึ้นระหว่างการหั่น สิ่งนี้จะทำให้ขอบเรียบและเสริมความแข็งแกร่งให้กับขอบ

5. การขัด

เวเฟอร์จะถูกวางอยู่ระหว่างแผ่นหมุนสองแผ่นที่เคลือบด้วยอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและสารละลายเคมี เพื่อทำให้ทั้งสองด้านของเวเฟอร์เรียบ

6. การแกะสลัก

การแกะสลักจะขจัดกรวดและอนุภาคขนาดเล็กที่หลงเหลืออยู่ ทำให้พื้นผิวบริสุทธิ์ยิ่งขึ้นในระดับอะตอม

7. การขัดเงา

เวเฟอร์ได้รับการขัดเงาเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เรียบ-เหมือนกระจกและมีข้อบกพร่องน้อยที่สุด

8. การทำความสะอาด

สุดท้าย เวเฟอร์จะต้องผ่านอ่างทำความสะอาดด้วยสารเคมีแบบเปียกเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่หลงเหลืออยู่

สรุปโดยย่อของการผลิตซิลิคอนเวเฟอร์

ขั้นตอน	คำอธิบาย
1. ศรีซิลิคอนอินกอต	ปลูกแท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวโดยใช้กระบวนการ Czochralski
2. การเจียรแบบแบนหรือรอยบาก	บดแฟลตหรือรอยบากตามขอบแท่งโลหะเพื่อจัดแนวให้เหมาะสมสำหรับการหั่น
3. การหั่น	หั่นแท่งซิลิคอนเป็นแผ่นเพื่อผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนดิบ
4. การเจียรขอบ	บดขอบของเวเฟอร์ที่หั่นเป็นชิ้นเพื่อขจัดรอยแตกหรือรอยแยก
5. การขัด	ใช้แผ่นขัดและสารละลายเพื่อทำให้พื้นผิวเวเฟอร์เรียบและเรียบ
6. การแกะสลัก	ใช้อ่างเคมีเพื่อขจัดความไม่สม่ำเสมอและอนุภาคบนพื้นผิวที่เหลืออยู่
7. การขัดเงา	ใช้การขัดขั้นสุดท้ายเพื่อให้ได้พื้นผิวเวเฟอร์ที่เรียบและเรียบเป็นพิเศษ
8. การทำความสะอาด	ทำความสะอาดเวเฟอร์อย่างทั่วถึงเพื่อกำจัดสิ่งตกค้างที่เหลืออยู่

ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญของซิลิคอนเวเฟอร์

เส้นผ่านศูนย์กลาง - ตั้งแต่ 1 นิ้วไปจนถึงมากกว่า 12 นิ้ว ขนาดที่พบบ่อยที่สุดคือ 150 มม. 200 มม. และ 300 มม.

ความหนา - ปกติ 0.2-1.5 มม

ความเรียบ - ความอดทนต่ำกว่า 1 μm

พื้นผิวสำเร็จ - ภายใต้การเปลี่ยนแปลง 1 นาโนเมตร

การวางแนวของคริสตัล - อะตอมเรียงกันเพื่อแสดงระนาบพื้นผิวที่ต้องการ

การเติมสารโด๊ป - จากภายในหรือเติมโบรอน/ฟอสฟอรัสในปริมาณเล็กน้อย

ความหนาแน่นของข้อบกพร่อง - ลดลงด้วยกระบวนการที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด

ประวัติโดยย่อของซิลิคอนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การพัฒนาทรานซิสเตอร์ในปี 1947 ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศขนาดใหญ่ ซิลิคอนกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์และมีคุณสมบัติที่เหนือกว่า

ปี	เหตุการณ์สำคัญ
1958	วงจรรวมซิลิคอนตัวแรกที่มีทรานซิสเตอร์สี่ตัว
1968	ชิปหน่วยความจำ DRAM ซิลิคอนตัวแรก
1971	ไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกที่มีทรานซิสเตอร์ 2300 ตัว
1981	IBM เปิดตัวคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเครื่องแรกที่มี CPU ทรานซิสเตอร์ 29000
2012	โปรเซสเซอร์ Intel Ivy Bridge พร้อมทรานซิสเตอร์ 1.4 พันล้านตัว

เศรษฐศาสตร์ของเวเฟอร์ซิลิคอน

ตลาดทั่วโลกสำหรับเวเฟอร์ซิลิคอนคาดว่าจะสูงถึง 17 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2570 ความต้องการอุปกรณ์ที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพมากขึ้นยังคงผลักดันการเติบโตของการผลิตเวเฟอร์

 

 

ด้วยความต้องการชิปซิลิคอนที่เพิ่มขึ้นอย่างแข็งแกร่งซึ่งขับเคลื่อนการใช้งานใหม่...

ตลาดทั่วโลกสำหรับเวเฟอร์ซิลิคอนคาดว่าจะมีมูลค่าถึง 17 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2570 โดยขนาดเวเฟอร์จะเปลี่ยนจากขนาด 200 มม. แบบดั้งเดิมไปเป็นขนาด 300 มม. ที่ใหญ่กว่า ซึ่งผลักดันให้เกิดการลงทุนครั้งใหญ่ในเวเฟอร์และโรงงานผลิตขนาดใหญ่ขึ้น

ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับจอแสดงผลขั้นสูงและเทคโนโลยีการสื่อสารยังช่วยกระตุ้นการเติบโตของตลาดเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบผสมที่แปลกใหม่ รวมถึงวัสดุเช่น GaAs และ InP ซึ่งปัจจุบันมียอดขายต่อปีทะลุ 5 พันล้านดอลลาร์ แม้จะมีความก้าวหน้าทั้งหมด แต่ซิลิคอนเวเฟอร์ที่เรียบง่ายแต่ทรงพลังยังคงเป็นแกนหลักของซิลิคอนไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งผสานเข้ากับชีวิตสมัยใหม่อย่างลึกซึ้ง

เวเฟอร์ซิลิคอนเป็นรากฐานที่สำคัญสำหรับการผลิตวงจรรวมและไมโครชิปที่ใช้ขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอุตสาหกรรมต่างๆ เนื่องจากความต้องการอุปกรณ์ที่เร็วขึ้น ราคาไม่แพง และมีประสิทธิภาพมากขึ้นเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณทุกปี การผลิตซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญเหล่านี้ก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน

ในปี 2019 มีการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนมากกว่า 12 ล้านชิ้นทุกเดือน นั่นหมายความว่ามีการผลิตมากกว่า 150 ล้านหน่วยต่อปีในระดับโลก เพียงห้าปีก่อนหน้านั้น ในปี 2014 การผลิตต่อปีมีจำนวนเกือบ 100 ล้านชิ้น ภายในปี 2568 การคาดการณ์คาดการณ์ว่าจะมีการผลิตเวเฟอร์มากกว่า 300 ล้านชิ้นในแต่ละปี โดยมีการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ปัจจัยขับเคลื่อนหลักของการเติบโตนี้คือการแสวงหาชิปที่มีขนาดเล็กลงและเร็วขึ้นอย่างไม่หยุดยั้ง ชิปรุ่นใหม่แต่ละตัวจะใส่พลังการประมวลผลมากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าสามารถผลิตชิปได้มากขึ้นจากแต่ละเวเฟอร์ ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วนี้ ซึ่งมักเรียกกันว่ากฎของมัวร์ ได้นำไปสู่การจัดหาเวเฟอร์ที่เพิ่มขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการเนื่องจากต้นทุนของทรานซิสเตอร์ลดลง

การเปิดตัวผลิตภัณฑ์ใหม่ เช่น iPhone หรือคอนโซลเกม ทำให้เกิดความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน ซึ่งได้รับการตอบสนองด้วยการลงทุนอย่างต่อเนื่องในโรงงานคลีนรูมแห่งใหม่ แม้ว่าเวเฟอร์ในยุคแรกจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 นิ้ว แต่แผ่นซิลิคอนสมัยใหม่ขนาด 300 มม. ช่วยให้ประหยัดจากขนาดได้มหาศาล บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำกำลังทดลองใช้ต้นแบบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 450 มม.

พื้นที่การผลิตที่ใช้ในการผลิตแผ่นเวเฟอร์โดยเฉพาะได้ขยายออกไปเป็นพื้นที่หลายล้านตารางฟุต โดยมีอุปกรณ์ราคาสูงถึง 100 ล้านเหรียญสหรัฐต่ออุปกรณ์ ในทศวรรษที่ผ่านมา บริษัทยักษ์ใหญ่ด้านเทคโนโลยีอย่าง TSMC และ Samsung ได้ลงทุนมากกว่าครึ่งล้านล้านดอลลาร์ในโรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ เพื่อแข่งขันกันเพื่อบรรลุความก้าวหน้าครั้งต่อไปในการย่อขนาด

ปัจจุบัน TSMC ซึ่งเป็นโรงหล่อเพียว-เพลย์ชั้นนำของโลกผลิตเวเฟอร์มากกว่า 100 ล้านชิ้นต่อปี Samsung ซึ่งมีแผนกภายในเป็นผู้เล่นหลักที่ผลิตชิปหลากหลายประเภท ตั้งแต่หน่วยความจำไปจนถึงโปรเซสเซอร์มือถือ นอกจากนี้ บริษัทต่างๆ เช่น SUMCO, GlobalFoundries และผู้ผลิตในจีน เช่น SMIC ยังมีส่วนร่วมในการผลิตเวเฟอร์เพิ่มเติมมากกว่า 50 ล้านชิ้นทั่วโลก

ตลาดสำหรับการขายเวเฟอร์ซิลิคอนมาตรฐานยังคงเป็นอุตสาหกรรมที่มีมูลค่าถึง 1 หมื่นล้านดอลลาร์ที่เจริญรุ่งเรือง โดยจัดหาการออกแบบเฉพาะสำหรับโรงงานผลิตต่างๆ GlobalWafers ซึ่งเป็นผู้เล่นชั้นนำได้จัดส่งเวเฟอร์มากกว่า 2 ล้านชิ้นต่อเดือนเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มสูงขึ้นนี้

การผลิตที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วนี้ช่วยให้บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งผลิตวงจรรวมบนพื้นผิวซิลิคอนและซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ไร้ตำหนิเหล่านี้ สามารถรักษารายได้มหาศาลต่อปีที่มากกว่า 500 พันล้านดอลลาร์ตลอดห่วงโซ่อุปทานทั่วโลก

ดังนั้น ครั้งต่อไปที่คุณเพลิดเพลินไปกับพลังของสมาร์ทโฟนของคุณ ใช้เวลาสักครู่เพื่อชื่นชมกำลังการผลิตอันมหาศาลและเงินทุนที่ใช้ในการทำให้เป็นไปได้ อนาคตดิจิทัลของเราขึ้นอยู่กับเวเฟอร์ซิลิคอนหลายพันล้านชิ้นที่ประมวลผลทุกปีผ่านทางไปป์ไลน์การผลิตทั่วโลก