เจาะลึกการผลิต x การลงทุน
ไม่ว่าจะเป็นสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ เครื่องซักผ้า หูฟัง แอร์ รถไฟ หรือ แม้แต่กระทั่งรถยนต์ในปัจจุบัน ทุกอย่างนั้นล้วนประกอบไปด้วยชิป และสิ่งสำคัญที่สุดที่เป็นพื้นฐานของการสร้างชิป นั่นก็คือ Silicon wafer
Silicon Wafer
ในอุตสาหกรรม semiconductor คงไม่มีใครไม่รู้จักแผ่น Silicon wafer ที่ชิปทุกชิปต้องใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างขึ้นมา วันนี้ทางผู้เขียนจดหมายจะมาเล่าให้ฟังว่า Silicon wafer นั้นถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร
Silicon wafer หรือแผ่นซิลิคอน มีลักษณะเป็นทรงกลมที่ถูกตัดมาจากแท่ง Silicon Ingot ที่ลักษณะเป็นทรงกระบอก โดยส่วนใหญ่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่แตกต่างกันไป แต่ในปัจจุบันขนาดที่ถูกใช้มากที่สุดนั้นคือ 6 นิ้ว หรือ 8 นิ้ว และมีความหนาโดยส่วนใหญ่น้อยกว่า 1 มิลลิเมตร ซึ่งหลังจากการนำไปผลิตชิปนั้นจะต้องมีขบวนการที่ทำให้ Silicon wafer นั้นบางลงไปถึง 100 ไมครอน
รูปร่างหน้าตา ของ Silicon Ingot และ Silicon wafer ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่แตกต่างกัน
Czhochralski process (CZ crystal growth)
กระบวนการสร้าง Single Crystal Ingot หรือ แท่ง Silicon Ingot เพื่อที่จะนำมาตัด Silicon wafer นั้น ใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า Czochralski process (CZ process) ตามผู้คิดค้น Jan Czochralski ชาวโปแลนด์ ในปี 1916 โดยความตั้งใจของเขาในตอนแรกคือการสร้าง Single Cyrstal ของโลหะตะกั่ว
แต่หลังจากนั้นกว่า 40 ปี ในปีทศวรรษที่ 1950 เทคโนโลยีของเขานั้นกลับกลายเป็นขุมสมบัติในการสร้าง Silicon ที่มีคุณภาพสูง และเป็นรากฐานของการสร้าง Silicon wafer ในปัจจุบัน
หากเข้าใจง่ายๆเลย สิ่งที่นำมาหลอมละลายก่อนที่หล่อไปเป็นแท่งซิลิคอนนั่นก็คือ polycrystalline silicon (11N-grade) ซึ่งจะมีลักษณะเป็นก้อน หรืออาจะมาในรูปแบบทรงกระบอกแล้วแต่ขบวนการผลิต โดยการนำไปหลอมละลายโดยใช้เตาที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าและควบคุมขบวนการเติบโตของ single crystal ที่อุณหภูมิ และความดันที่พอเหมาะนั้นเกิดขึ้นในอุปกรณ์ที่เรียกว่า crystal puller หรือ แปลเป็นไทย ได้ง่ายว่า ตัวดึงคริสตัลนั่นเอง
Polycrystalline Silicon ที่มีสิ่งเจือปนน้อยมาก ที่จะนำมาเป็นสารตั้งต้นในการหลอม Silicon
หากเราเจาะลึกไปมากกว่านั้นอีก การสร้าง Silicon Wafer นั้นก็อาจจะมีการใส่ธาตุเติมแต่ง เพื่อให้กลายเป็น p-type หรือ n-type ขึ้นอยู่กับว่าชิปที่เราจะผลิตนั้นต้องการ wafer แบบไหน ตัวอย่างเช่นการเพิ่ม Phosphorus หรือ Boron อีกทั้งตัวเตานี้จะต้องมีการทำให้มีความดันต่ำเพื่อที่จะให้ไม่มีก๊าซ Oxidation เกิดขึ้นระหว่าง Silicon และ Oxygen ในอากาศ
โดยเตานี้จะมีอุณหภูมิสูงมากกว่า 1421 องศาเซลเซียส เปรียบเทียบได้กับ 1/4 เท่าของความร้อนของพื้นผิวดวงอาทิตย์เลยทีเดียว
ตัว Single crystal ที่ถูกดึงขึ้นมานั้นจะถูกนำด้วย Silicon seed ในตอนแรกเพื่อให้ Silicon wafer ที่ออกมามีความเป็น Single crystal อย่างที่เราต้องการ โดยการดึงขึ้นมาอย่างช้าๆ แค่เพียง ไม่กี่เซนติมิเตอร์ต่อหนึ่งชั่วโมงนั้น ทำให้ Silicon wafer ที่ได้มามีความเป็นเนื้อเดียวกันที่สูง และยังสามารถนำไปผลิตชิปที่มีคุณภาพสูงต่อไปได้
ภาพด้านบนคือการดึง Silicon Ingot ออกจากตัวเตา
ซึ่งในปัจจุบัน มีอยู่ไม่กี่บริษัทบนโลกใบนี้ที่มีความสามารถในการผลิต Silicon wafer ที่มีคุณภาพสูง หรือมีสิ่งเจือปนน้อยมาก ถึงขั้นที่จะนำไปผลิตชิป AI หรือ ชิปที่ใช้ในสมาร์ทโฟนรุ่นล่าสุด
หากเราพูดถึงบริษัทขนาดใหญ่ที่มีเทคโนโลยีทางด้านนี้อย่างก้าวล้ำก็คงเอ่ยชื่อได้เพียงไม่กี่บริษัท เช่น Shin-Etsu (Japan), Sumco (Japan), SK Siltron (South Korea), Siltronic (Germany), GlobalWafer (Taiwan), และบริษัทเล็กๆในจีน
โดยแค่ Shin-etsu และ Sumco สองบริษัทนั้นก็ครองตลาดทั่วโลกไปมากกว่า 50% แล้วเลยทีเดียว ซึ่งกว่าจะมาถึงจุดนี้นั้น ก็ไม่ได้ง่ายเนื่องจากว่า ในอดีตก็มีหลายบริษัทที่มีการผลิต Silicon Wafer แต่เมื่อเจอภาวะเศรษฐกิจโลกที่ถดถอย ก็มีการปิดตัว หรือมีการซื้อกิจการ ทำให้อุตสาหกรรม Silicon Wafer นั้นมีการกระชับตัวมากขึ้น คือมีผู้เล่นที่น้อยลง และมีเทคโนโลยี ที่เข้าถึงได้ยากขึ้น และยากที่จะเข้ามาเป็นคู่แข่ง เพราะว่าไม่มีเงินทุนในการพัฒนาเพื่อแข่งขันได้
หากไม่พูดถึงความก้าวล้ำทางเทคโนโลยี Silicon Wafer นั้นมีการผลิตเป็นจำนวนมากต่อเดือน ตัวอย่างเช่น
บริษัท Shin-etsu ผลิต 2.5 ล้านแผ่นซิลิตอนต่อเดือน
บริษัท Sumco 1.7 ล้านแผ่นซิลิคอนต่อเดือน
นั้นหมายความว่าโรงงานผลิตนั้นจะต้องมีกำลังการผลิต และเครื่องจักรที่มีมูลค่ามหาศาล พร้อมกับเอ็นจิเนียร์ที่มีความรู้ที่จะสร้างแผ่นซิลิคอนนี้ขึ้นมาได้ ค่าเสื่อมของเครื่องจักร และเงินลงทุนมหาศาลที่ต้องการนั้นทำให้คู่แข่งนั้นมีจำนวนน้อยมาก
ซึ่งก็อาจจะกล่าวได้เลยว่า ธุรกิจนี้นั้น กว่าครึ่งโลกของชิปที่ผลิตนั้น มีต้นกำเนิดมาจากประเทศญี่ปุ่น ที่เป็นผู้ผลิตสิ่งทีสำคัญที่สุดในการผลิตชิปนั่นก็คือ Silicon Wafer
ตลาดญี่ปุ่นถูกและน่าสนใจ
ถึงแม้หลายคนอาจจะมองว่า บริษัทอย่างเช่น Intel AMD Micron ในอเมริกา อาจจะเป็นผู้นำในด้านการผลิตและออกแบบชิปรุ่นใหม่ๆ แต่หากรู้หรือไม่ว่า เทคโนโลยีแก่นแท้ และรากลึกของ Semiconductor นั้นล้วนมีซ่อนและกระจายอยู่ในประเทศญี่ปุ่น
หากผู้รับจดหมายได้อ่านแล้ว คงคิดว่าประเทศญี่ปุ่นก็คงเป็นประเทศนึงที่น่าสนใจและเหมาะกับการลงทุน แต่แค่เพียงว่า กระแสความตื่นเต้น และสิ่งที่น่าเร้าใจนั้นถูกกลบไปหมดด้วยข่าวทางฝั่งด้านตะวันตก และบริษัทใหญ่ๆย่อมมีการทำการโฆษณาที่มากกว่า แต่หารู้ไม่ว่าแก่นแท้ของเทคโนโลยีนั้นอยู่ในประเทศญี่ปุ่นนี้เอง
ผู้เขียนหวังว่าเราจะได้เดินทางไปด้วยกัน และรู้จักการลงทุนในประเทศญี่ปุ่นไปพร้อมๆกันกับ จดหมายการลงทุน ในทุกๆฉบับ
ปรพล ตันติธารทอง
ภาพจาก :
https://www.tokuyama.co.jp/eng/products/electronic_materials/polysilicon.html
MKS Instruments
Tokyo Electron
Shin-Etsu
