วิธีสร้าง Fab เซมิคอนดักเตอร์มูลค่า 20 พันล้านดอลลาร์

 (construction-physics.com)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2024-05-05 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • เซมิคอนดักเตอร์ทำให้ต้นทุนต่อทรานซิสเตอร์ลดลงอย่างสุดขีด แต่ ต้นทุนการก่อสร้าง Fab ที่ผลิตมันกลับพุ่งเป็น 10–20 พันล้านดอลลาร์หรือมากกว่า กลายเป็นคอขวดของซัพพลายเชน AI, มือถือ และคอมพิวติ้ง
  • การผลิตชิปทำโดยทำซ้ำกระบวนการ การสร้างชั้น, การทำแพตเทิร์น, การโดป, การอบความร้อน บนเวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อสร้างอุปกรณ์ FEOL และชั้นโลหะเชื่อมต่อ BEOL โดยกระบวนการล้ำสมัยอาจต้องใช้ mask มากกว่า 80 ชิ้นและขั้นตอนหลายพันขั้น
  • Fab สมัยใหม่เป็นระบบยักษ์ที่เชื่อมโยง cleanroom, sub Fab, interstitial space และสิ่งอำนวยความสะดวกสนับสนุนภายนอกเข้าด้วยกัน ต้องควบคุมอนุภาค การสั่นสะเทือน ไฟฟ้า ก๊าซ และน้ำบริสุทธิ์พิเศษพร้อมกัน
  • 70–80% ของต้นทุน Fab ใหม่คืออุปกรณ์กระบวนการผลิต โดยอุปกรณ์ lithography อย่าง ASML EUV มีราคาหลายร้อยล้านดอลลาร์ต่อเครื่อง และคาดว่า lithography เพียงอย่างเดียวคิดเป็นราว 20% ของต้นทุนทั้งหมด
  • ยิ่ง process node ก้าวหน้าขึ้น ราคาอุปกรณ์ จำนวน mask และความต้องการระบบอัตโนมัติก็เพิ่มขึ้นพร้อมกัน ภาระนี้ทำให้การผลิตล้ำสมัยกระจุกตัวอยู่กับบริษัทไม่กี่ราย เช่น TSMC, Samsung, Intel และอยู่ในโครงสร้างแบบ fabless-foundry

ทรานซิสเตอร์ถูกลง แต่ Fab แพงขึ้น

  • เซมิคอนดักเตอร์เป็นรากฐานของการพัฒนา PC, อินเทอร์เน็ต, โทรศัพท์มือถือ และ AI โดย GPU มีบทบาทสำคัญต่อความก้าวหน้าของเทคโนโลยี AI ด้วยการคำนวณเมทริกซ์ขนาดใหญ่
  • ตาม Moore’s Law ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงและราคาถูกลง
    • วิทยุทรานซิสเตอร์ TR-1 ในปี 1954 ใช้ทรานซิสเตอร์ 4 ตัว ราคาตัวละ 2.50 ดอลลาร์ หรือ 29.03 ดอลลาร์ในมูลค่าปี 2024
    • AMD Ryzen 9 7950X3D มีทรานซิสเตอร์ 9.9 พันล้านตัวและขายในราคา 650 ดอลลาร์ เท่ากับราว 0.000000066 ดอลลาร์ต่อทรานซิสเตอร์
    • ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 ต้นทุนทรานซิสเตอร์ลดลงเหลือประมาณ 1 ใน 300 ล้าน
  • ต้นทุนโรงงานผลิตกลับพุ่งขึ้นอย่างหนัก
    • Fab ช่วงปลายทศวรรษ 1960 ถึงต้นทศวรรษ 1970 มีมูลค่าราว 4 ล้านดอลลาร์ หรือประมาณ 31 ล้านดอลลาร์ในมูลค่าปี 2024
    • Fab สมัยใหม่อาจมีมูลค่า 10–20 พันล้านดอลลาร์หรือมากกว่า
    • Fab 2 แห่งของ Intel ใน Arizona คาดว่าแห่งละ 15 พันล้านดอลลาร์ ส่วน Fab ของ Samsung ที่ Taylor, Texas คาดว่า 25 พันล้านดอลลาร์
  • Moore’s Second Law หรือ Rock’s Law เป็นข้อสังเกตว่าต้นทุน Fab เซมิคอนดักเตอร์เพิ่มเป็นสองเท่าทุก 4 ปี
  • โครงสร้างชิปสมัยใหม่มีความกว้างราว 50nm หรือประมาณ 1/2000 ของความกว้างเส้นผมมนุษย์
    • วัสดุถูกจัดวางเป็นชั้นที่หนาเพียงไม่กี่อะตอม
    • ฝุ่นหนึ่งเม็ด ความผันผวนเล็กน้อยของแรงดันไฟฟ้า หรือการปนเปื้อนเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้การผลิตล้มเหลวได้
    • เงื่อนไขนี้ต้องถูกรักษาไว้ไม่ใช่ในห้องแล็บ แต่ในโรงงานที่ผลิตชิปหลายร้อยล้านชิ้นต่อปี

ชิปถูกสร้างด้วยการซ้อนชั้น FEOL และ BEOL

  • ชิปคอมพิวเตอร์เป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยหลายชั้น
  • บริเวณด้านล่างคือ FEOL(front end of line) มีอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนเป็นฐาน เช่น ทรานซิสเตอร์ คาปาซิเตอร์ ตัวต้านทาน และไดโอด
  • บริเวณด้านบนคือ BEOL(back end of line) มีชั้นโลหะเชื่อมต่อขนาดเล็กที่เชื่อมอุปกรณ์ต่าง ๆ เข้าด้วยกัน
    • กระบวนการปัจจุบันของ Intel ประกอบด้วยชั้นโลหะเชื่อมต่อ 15 ชั้น
    • ชั้นต่าง ๆ ถูกแยกออกจากกันด้วย dielectric ซึ่งเป็นฉนวน
    • การเชื่อมต่อระหว่างชั้นทำผ่านรูที่เรียกว่า via
  • ชิปถูกผลิตโดยการเพิ่มวัสดุบน เวเฟอร์ ซิลิคอนความบริสุทธิ์สูง เอาบางส่วนออก แล้วเพิ่มหรือปรับแก้วัสดุอีกครั้ง วนซ้ำไปเรื่อย ๆ
  • วิธีการผลิตนี้คือ planar process ที่ Jean Hoerni แห่ง Fairchild Semiconductor คิดค้นในปี 1959 ซึ่งทำให้วงจรรวมและเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์สมัยใหม่เกิดขึ้นได้

กระบวนการหลักสี่อย่าง

  • การสร้างชั้น

    • การสร้างชั้น(layering) คือกระบวนการเพิ่มชั้นวัสดุที่บางมากบนผิวเวเฟอร์
    • ความหนาของชั้นอาจบางได้ถึงไม่เกิน 1nm หรือราว 1/100,000 ของความหนาเส้นผมมนุษย์
    • มีการใช้วัสดุฉนวน ตัวนำ และเซมิคอนดักเตอร์ตามแต่ละขั้นตอนของกระบวนการ
    • วิธีหลักได้แก่ thermal oxidation, chemical vapor deposition(CVD) และ sputtering
    • การสะสมชั้นระดับอะตอมสมัยใหม่ให้ความแม่นยำถึงขั้นสร้างได้ทีละชั้นอะตอม

  • การทำแพตเทิร์น

    • การทำแพตเทิร์น(patterning) คือกระบวนการสลักแพตเทิร์นเฉพาะบนเวเฟอร์และเลือกเอาวัสดุส่วนที่ต้องการออก
    • เซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ใช้ photolithography
    • ทา photoresist ซึ่งเป็นสารไวแสงลงบนเวเฟอร์ แล้วฉายแสงความยาวคลื่นเฉพาะผ่าน mask ที่มีแพตเทิร์นอยู่
    • stepper หรือ scanner จะเคลื่อน mask ไปบนเวเฟอร์เพื่อ expose พื้นที่ชิปหลายร้อยตำแหน่ง
    • หลัง exposure จะล้างแสดง photoresist แล้วใช้ wet etching หรือ dry etching เอาวัสดุที่ถูกเปิดออกออกไป
    • wet etching ใช้สารเคมีเหลว เช่น กรดไฮโดรฟลูออริก ส่วน dry etching ใช้ก๊าซ เช่น ฟลูออรีนที่ถูกทำให้เป็นพลาสมา

  • การโดป

    • การโดป(doping) คือกระบวนการใส่สิ่งเจือปนปริมาณน้อยมากลงในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อเปลี่ยนสภาพการนำไฟฟ้า
    • เมื่อใส่ธาตุกลุ่ม V เช่น ฟอสฟอรัสหรือสารหนูลงในซิลิคอน จะได้เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n ที่มีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก
    • เมื่อใส่ธาตุกลุ่ม III เช่น โบรอน จะได้เซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ที่มีโฮลจำนวนมาก
    • หากจัดวางซิลิคอนชนิด p และ n อย่างเหมาะสม จะสร้างอุปกรณ์อย่างทรานซิสเตอร์ได้
    • ช่วงแรกนิยมใช้วิธี diffusion แต่ปัจจุบันการโดปส่วนใหญ่ทำด้วย ion implantation

  • การอบความร้อน

    • การอบความร้อน คือกระบวนการให้ความร้อนหรือทำให้เวเฟอร์เย็นลงเพื่อให้ได้คุณสมบัติวัสดุตามต้องการ
    • ion implantation ทำให้โครงสร้างผลึกซิลิคอนเสียหาย และ rapid thermal annealing ใช้ฟื้นฟูความเสียหายนี้
    • โคมความร้อนทำให้เวเฟอร์ร้อนเกิน 1,000 องศาภายในไม่กี่วินาที จากนั้นค่อย ๆ ทำให้เย็นลงเพื่อฟื้นโครงสร้างผลึก
    • ใน lithography ก็ใช้ความร้อนในการอบและทำให้ photoresist เหลวแข็งตัว

กระบวนการเสริมเพิ่มความซับซ้อน

  • CMP(chemical mechanical polishing) ทำให้ผิวเวเฟอร์ราบเรียบเพื่อลดความต่างระดับของผิวที่สะสมขึ้นระหว่างการซ้อนหลายชั้น
    • ใช้เมื่อเติมวัสดุลงในรูที่สร้างด้วยการกัด แล้วขัดเอาวัสดุด้านบนออกด้วย
  • การล้างทำความสะอาด ทำซ้ำเพื่อป้องกันชิปเสียจากอนุภาคขนาดเล็ก
    • ใน Fab สมัยใหม่ เวเฟอร์อาจถูกล้างมากกว่า 200 ครั้งระหว่างการผลิต
    • ใช้ตัวทำละลายและน้ำบริสุทธิ์พิเศษ
  • metrology คือการวัดเวเฟอร์ในหลายจุดระหว่างกระบวนการเพื่อตรวจสอบข้อผิดพลาดหรือ defect ในการผลิต
  • วงจรรวมยุคแรกสามารถผลิตได้ด้วย mask 5–10 ชิ้นและขั้นตอนกระบวนการไม่กี่สิบขั้น แต่ชิปล้ำสมัยปัจจุบันอาจต้องใช้ mask มากกว่า 80 ชิ้นและขั้นตอนย่อยหลายพันขั้น
  • เวเฟอร์ที่จบกระบวนการแล้วจะเข้าสู่ขั้นตอน assembly และ packaging
    • ตัดเวเฟอร์เป็นชิปแต่ละตัว
    • เชื่อมชิปเข้ากับสายไฟหรือชิปอื่น
    • หุ้มด้วยสารเคลือบป้องกัน
    • packaging อาจทำภายใน Fab หรือในสถานที่แยกต่างหาก

การผลิตระดับนาโนเมตรต้องการการควบคุมสุดขีด

  • การผลิตทั่วไปมีค่าความคลาดเคลื่อนระดับหนึ่ง แต่ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ค่าความคลาดเคลื่อนแทบหายไป
  • การสร้างทรานซิสเตอร์ขนาดไม่กี่ nm ต้องการความแม่นยำสูงกว่าการผลิตแบบเดิมหลายแสนเท่า
  • อนุภาคเล็ก ๆ เพียงหนึ่งชิ้นอาจทำให้การเชื่อมต่อเกิด short และทำลายชิปทั้งตัวได้ และอะตอมเพียงไม่กี่ตัวที่อยู่ผิดตำแหน่งก็อาจทำให้ขั้นตอนกระบวนการล้มเหลว
  • ในงานวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ของ Bell Labs ช่วงทศวรรษ 1940 เคยพบกรณีที่นักวิจัยแตะลูกบิดประตูทองแดง แล้วอะตอมทองแดงปริมาณเล็กมากที่ติดมือไปทำให้วัสดุเสียหาย
  • Intel พบว่าแม้การเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์เล็กน้อยก็อาจทำให้ yield ของ Fab ใหม่ลดลงเป็นเวลาหลายเดือนหรือหลายปี
    • เพื่อป้องกันสิ่งนี้จึงนำกระบวนการ Copy EXACTLY! มาใช้
    • Fab ใหม่ถูกสร้างให้เหมือน Fab เดิมมากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ แม้กระทั่งสีและแบรนด์ของสีทาผนัง

โครงสร้างพื้นฐานของ Fab สมัยใหม่

  • Fab เซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่โดยทั่วไปประกอบด้วย 4 ระดับ
    • cleanroom ที่กระบวนการผลิตเกิดขึ้นจริง
    • sub Fab ใต้ cleanroom
    • interstitial space เหนือ cleanroom ที่มีพัดลมและไส้กรองสำหรับหมุนเวียนอากาศ
    • สิ่งอำนวยความสะดวกสนับสนุนภายนอก
  • ใน cleanroom มีการติดตั้งอุปกรณ์กระบวนการผลิต เช่น เครื่อง ASML EUV lithography, อุปกรณ์ chemical vapor deposition, ion implanter และ wet bench สำหรับล้างและกัด
  • ผู้ผลิตอุปกรณ์ประกอบด้วยบริษัทเฉพาะทางไม่กี่ราย เช่น ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron
  • อุปกรณ์กระบวนการหลักอาจมีราคา 5–10 ล้านดอลลาร์ และบางชนิดเกิน 100 ล้านดอลลาร์
  • เครื่อง photolithography ล้ำสมัยของ ASML มีราคาเกือบ 400 ล้านดอลลาร์
  • Fab logic สมัยใหม่สามารถผลิตเวเฟอร์ได้ 40,000–50,000 แผ่นต่อเดือน และ Fab memory อาจผลิตได้ถึง 120,000 แผ่นต่อเดือน
  • ปริมาณการผลิตแบบนี้อาจต้องใช้อุปกรณ์กระบวนการมากกว่า 1,000 เครื่อง

Cleanroom และโลจิสติกส์อัตโนมัติ

  • Fab เซมิคอนดักเตอร์มักสร้างเป็น Class 10 หรือ Class 100 cleanroom
    • อนุญาตให้มีอนุภาคขนาด 0.5 ไมครอนขึ้นไปได้สูงสุดเพียง 10 หรือ 100 อนุภาคต่ออากาศ 1ft³
    • บ้านทั่วไปมีอนุภาคราว 500,000 อนุภาคต่อ 1ft³
    • ห้องผ่าตัดมีราว 100,000 อนุภาค
  • ไส้กรอง HEPA หรือ ULPA บนเพดาน cleanroom จะดันอากาศลงด้านล่าง แล้วรวบรวมผ่านพื้นไปยัง sub Fab ก่อนหมุนเวียนกลับมาใหม่
  • cleanroom รักษาความดันบวกเมื่อเทียบกับภายนอกเพื่อป้องกันอนุภาคจากภายนอกไหลเข้า
  • การเปลี่ยนอากาศเกิดขึ้นหลายร้อยครั้งต่อชั่วโมง มากกว่าสำนักงานทั่วไปที่ 5–10 ครั้งต่อชั่วโมงมาก
  • cleanroom ของ Fab ขนาดใหญ่อาจมีพื้นที่ 500,000–1,000,000 ft² หรือมากกว่า ทำให้ระบบ HVAC มีขนาดมหึมาเช่นกัน
  • แทนที่จะทำให้ cleanroom ทั้งหมดสะอาดสุดขีด ผู้ผลิตจะแยกพื้นที่รอบเวเฟอร์ให้เข้มงวดยิ่งกว่า
    • เวเฟอร์ถูกขนย้ายในพ็อดปิดผนึกที่เรียกว่า FOUP(front opening unified pod)
    • อุปกรณ์กระบวนการเองก็สร้าง mini-environment แบบปิด
    • Fab แห่งหนึ่งของ TSMC จัดการเวเฟอร์ใน mini-environment ระดับ Class 0.1 ภายใน cleanroom ระดับ Class 100
  • FOUP เคลื่อนที่ระหว่างอุปกรณ์กระบวนการด้วยระบบโลจิสติกส์อัตโนมัติบนรางเพดาน
    • Fab รุ่นเก่าบางแห่งใช้รถนำทางอัตโนมัติบนพื้น
    • เวเฟอร์หนึ่งแผ่นอาจใช้เวลาหลายเดือนกว่าจะผ่านกระบวนการทั้งหมด
    • ในช่วงเวลาใดก็ตาม มีเวเฟอร์หลายหมื่นแผ่นอยู่ตามขั้นตอนต่าง ๆ ของกระบวนการผลิต
    • เวเฟอร์อาจเคลื่อนที่เป็นระยะทางหลายไมล์ระหว่างกระบวนการ
  • FOUP ที่อยู่ในที่เก็บอาจถูก purge ด้วยไนโตรเจนเพื่อป้องกันการปนเปื้อน

โรงงานที่ควบคุมทั้งการสั่นสะเทือน แม่เหล็กไฟฟ้า และไฟฟ้า

  • อุปกรณ์กระบวนการไวต่อการสั่นสะเทือนมาก และเสียงดังมากก็อาจส่งผลลบต่อกระบวนการผลิตได้
  • โดยทั่วไป Fab จะสร้างในพื้นที่ห่างจากแหล่งสั่นสะเทือนภายนอก เช่น สนามบิน รถไฟ และทางหลวงที่หนาแน่น
  • ในกรณีหนึ่ง ช่องระบายอากาศที่อยู่ห่างจากอาคาร Fab 400ft เป็นสาเหตุของการสั่นสะเทือนบนพื้น cleanroom ในระดับที่ยอมรับไม่ได้
  • Fab ต้องดูดซับพลังงานกลมากกว่าอาคารทั่วไป 100 เท่าและการไหลของอากาศมากกว่า 50 เท่า ขณะเดียวกันต้องรักษาการสั่นสะเทือนให้ต่ำกว่าระดับที่มนุษย์รับรู้ได้หลายลำดับขั้น
  • พื้น cleanroom มักสร้างเป็น waffle slab คอนกรีตลึกหนา 2–4ft
    • รองรับด้วยเสาที่ถี่เพื่อเพิ่มความแข็งแรง
    • ด้านบนติดตั้งพื้นยกโลหะสำหรับท่อและสายเคเบิล
    • อุปกรณ์กระบวนการอาจตั้งบนฐานแยกต่างหากเพื่อหลีกเลี่ยงแรงสั่นจากการเดินของพนักงาน
  • อุปกรณ์ที่ไวต่อการรบกวน เช่น เครื่อง lithography อาจต้องใช้อุปกรณ์ลดการสั่นสะเทือนแบบ active
  • ในพื้นที่ที่มีแผ่นดินไหว อาจใช้ seismic damper หรือฐานรากพิเศษเพื่อแยกอาคารออกจากดินโดยรอบ
  • แหล่งรบกวนอื่น ๆ ก็ต้องควบคุมด้วย
    • พื้นที่ lithography ใช้แสงสีเหลืองพิเศษเพื่อป้องกันการ expose ของ photoresist
    • ใช้วัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิตเพื่อป้องกันการสะสมประจุ
    • ต้องมีการ shielding อุปกรณ์และลดแหล่งกำเนิด EMF เพื่อลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า
    • ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองและระบบไฟฟ้าสำรองแบบไม่สะดุดสำหรับกรณีไฟดับ
    • อุณหภูมิและความชื้นต้องคงอยู่ในช่วงแคบ
    • อาจออกแบบ RF shielding เพื่อวัตถุประสงค์ด้านความปลอดภัย

Sub Fab และระบบสาธารณูปโภค

  • sub Fab คือชั้นสิ่งอำนวยความสะดวกใต้ cleanroom ที่สนับสนุนอุปกรณ์กระบวนการ
  • เครื่อง EUV lithography ต้องมีทั้งตัวเครื่องใน cleanroom และเลเซอร์ CO₂ กับปั๊มสุญญากาศในชั้นล่าง
  • ion implanter และอุปกรณ์ sputtering ก็ต้องใช้สุญญากาศ และ Fab ขนาดใหญ่อาจมีปั๊มสุญญากาศหลายพันตัว
  • Fab ใช้สารเคมีและก๊าซความบริสุทธิ์สูงหลากหลายชนิด
    • ไนโตรเจนใช้ purge และล้าง FOUP กับอุปกรณ์กระบวนการ
    • ออกซิเจนใช้ในเตา oxidation และอุปกรณ์ลดมลพิษ
    • อาร์กอนใช้ในปฏิกิริยาพลาสมา
    • ไฮโดรเจนใช้ทำความสะอาดอุปกรณ์ EUV
  • สารเคมีบางชนิดต้องมีความบริสุทธิ์ 99.9999999%
  • ระบบท่อมีขนาดใหญ่และซับซ้อนมาก โดยบางท่ออาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 10ft
  • สารพิษและวัสดุอันตรายต้องจัดการเป็นพิเศษ
    • ฟอสฟีนและอาร์ซีนเป็นสารพิษรุนแรงที่ใช้ในการโดป
    • ไซเลนใช้ในกระบวนการ CVD บางอย่าง และอาจติดไฟเองเมื่อสัมผัสอากาศ
    • คลอรีนไตรฟลูออไรด์ที่ใช้ทำความสะอาด chamber ของ CVD มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงถึงขั้นเผาทรายเปียกได้
  • ต้องมีระบบไอเสียแยกหลายระบบเพื่อบำบัดก๊าซเสีย
    • แยกผลพลอยได้ โดยเฉพาะแอมโมเนีย ไม่ให้ทำปฏิกิริยากัน
    • อุปกรณ์ลดมลพิษและ scrubber กำจัดสารอันตราย
  • ใน sub Fab ยังมีตู้ไฟฟ้า หม้อแปลง พัดลม เครื่องปรับอากาศ chiller เครื่องกำเนิด RF และ heat exchanger
  • ท่อและอุปกรณ์ก็ต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่เข้มงวดกว่าการผลิตทั่วไปมาก
    • ใช้สเตนเลสและการเคลือบเทฟลอน
    • ภายในท่อถูก electropolish เพื่อลดการปล่อยอนุภาคและการสะสมของสิ่งปนเปื้อน
    • ใช้ orbital welding เพื่อลดการรั่วและการปนเปื้อน
    • อุปกรณ์และวัสดุอาจถูกผลิตใน cleanroom และบรรจุถุงพลาสติกสองชั้นก่อนขนส่งมายังไซต์งาน

น้ำ ก๊าซ ไฟฟ้า และขนาดการก่อสร้าง

  • การขนย้ายอุปกรณ์กระบวนการขนาดใหญ่เข้าสู่ cleanroom ต้องใช้อุตสาหกรรมลิฟต์ที่ยกของได้หลายหมื่นปอนด์
  • Fab logic ขนาดใหญ่อาจใช้ไนโตรเจน 50,000 m³ ต่อชั่วโมง จึงอาจมีโรงแยกอากาศในไซต์เพื่อผลิตไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน
  • การล้างเวเฟอร์และ CMP ต้องใช้น้ำ บริสุทธิ์พิเศษ ปริมาณมาก
    • Fab ขนาดใหญ่อาจใช้น้ำบริสุทธิ์พิเศษหลายล้านแกลลอนต่อวัน
    • ใกล้เคียงกับปริมาณน้ำที่เมืองขนาด 50,000 คนใช้
    • การผลิตน้ำบริสุทธิ์พิเศษต้องใช้สิ่งอำนวยความสะดวกเฉพาะทางแยกต่างหาก
  • Fab ขนาดใหญ่อาจต้องใช้ไฟฟ้าประมาณ 100MW หรือราว 10% ของกำลังผลิตเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่
  • เคยมีกรณี Fab ถูกยกเลิกหรือย้าย เพราะสาธารณูปโภคท้องถิ่นรับประกันไฟฟ้าและน้ำไม่ได้
  • ใช้เซ็นเซอร์หลายหมื่นตัวเพื่อตรวจสอบระดับอนุภาค ความดัน ระดับสิ่งเจือปน ฯลฯ เพื่อรักษาเงื่อนไขกระบวนการ
  • Fab ขนาดใหญ่อาจมี cleanroom หลายแสน ft² และพื้นที่ไซต์หลายร้อยเอเคอร์
  • การก่อสร้างต้องใช้เหล็กโครงสร้างหลายหมื่นตันและคอนกรีตหลายแสน yd³
    • Intel ระบุว่า Fab ของตนใช้คอนกรีตเป็นสองเท่าของ Burj Khalifa และใช้โลหะเป็นห้าเท่าของ Eiffel Tower
  • การก่อสร้างต้องใช้แรงงานที่ผ่านการฝึกอบรมเฉพาะทางหลายพันคน
    • Fab ของ Intel ที่ Magdeburg คาดว่าจะต้องใช้แรงงานมากกว่า 9,300 คนในช่วงพีค
    • Fab ของ TSMC ที่ Arizona ใช้แรงงาน 12,000 คน
  • คนงานต้องปฏิบัติตามโปรโตคอล clean construction
    • ใช้อุปกรณ์กำจัดควันเชื่อม
    • เคยมีกรณีใช้การทาสี epoxy paint ที่ขอบชิ้นส่วนที่ตัดหน้างานเพื่อป้องกันการปล่อยอนุภาค
    • ท่อและอุปกรณ์เครื่องจักรอาจถูก prefabricate นอกไซต์ก่อนนำมาติดตั้ง

การติดตั้งอุปกรณ์และการ ramp up yield

  • เมื่อถึงขั้น blow down ซึ่งเป็นช่วงที่สามารถรักษาความดันบวกใน cleanroom ได้ การติดตั้งอุปกรณ์กระบวนการจะเริ่มขึ้น
  • อุปกรณ์อาจมาถึงเป็นหลายชิ้นส่วนและต้องประกอบอย่างระมัดระวังเป็นเวลานาน
  • อุปกรณ์ EUV ขั้นสูงของ ASML ถูกขนส่งด้วยตู้คอนเทนเนอร์สินค้า 40 ตู้ รถบรรทุก 20 คัน และเครื่องบินขนส่งสินค้า 3 ลำ
  • อุปกรณ์กระบวนการไวต่อความเสียหายมาก หากตกหรือกระแทกอาจทำให้เกิดความล่าช้าและค่าซ่อมหลายล้านดอลลาร์
  • หลังติดตั้งอุปกรณ์แล้ว อาจต้องใช้เวลา ramp up 6 เดือนถึง 1 ปี กว่า Fab จะได้ yield ของกระบวนการในระดับที่ยอมรับได้
  • แม้ Fab จะมีขนาดและความซับซ้อนสูง แต่โดยเฉลี่ยสร้างเสร็จในราว 2–4 ปี
  • ในสหรัฐฯ การก่อสร้าง Fab มักช้าและแพงกว่าภูมิภาคอื่น
    • ระยะเวลาก่อสร้าง Fab ในสหรัฐฯ เพิ่มจากเฉลี่ยมากกว่า 650 วันเล็กน้อยในทศวรรษ 1990 เป็นมากกว่า 900 วันโดยเฉลี่ยในทศวรรษ 2010
    • ประเทศในเอเชียอยู่ที่ประมาณ 600–700 วัน
    • ขั้นตอนการทบทวนด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้นถูกมองว่าเป็นสาเหตุส่วนหนึ่ง
    • Fab ในสหรัฐฯ แพงกว่า 30% ตามข้อมูล Intel และอาจแพงกว่าถึง 4 เท่าตามข้อมูล TSMC
    • ต้นทุน 4 เท่าอาจหมายถึงเฉพาะตัว facility ซึ่งในกรณีนี้ต้นทุน Fab รวมจะสูงขึ้นราว 60–90%

โครงสร้างต้นทุนเปลี่ยนไปเน้นอุปกรณ์

  • 70–80% ของต้นทุน Fab ใหม่คืออุปกรณ์กระบวนการผลิต
  • ต้นทุนการอัปเกรด Fab เดิมไปยัง process node ที่ก้าวหน้ากว่าก็อาจเป็นส่วนสำคัญของต้นทุนการสร้าง Fab ใหม่ทั้งแห่ง
  • ช่วงกลางทศวรรษ 1980 Fab DRAM มีต้นทุน facility และต้นทุนอุปกรณ์ใกล้เคียงกัน แต่ปลายทศวรรษ 1990 อุปกรณ์กลายเป็นต้นทุนส่วนใหญ่
  • ต้นทุนการก่อสร้าง facility แบ่งเป็นรายการต่าง ๆ เช่น โครงสร้าง งานตกแต่ง งานพื้นที่ไซต์ และระบบบริการ/เครื่องกล
  • Fab ต่างจากบ้านเดี่ยวตรงที่สัดส่วนงานเครื่องกล ไฟฟ้า และบริการสูงมาก
    • เพราะระบบน้ำบริสุทธิ์พิเศษ ระบบไอเสียหลายชุด และ HVAC ขนาดใหญ่ รายการบริการจึงคิดเป็นประมาณ 2/3 ของต้นทุน facility ของ Fab ใหม่
    • ในบ้านเดี่ยว สัดส่วนนี้ต่ำกว่า 20%
  • รายการที่ใหญ่ที่สุดในต้นทุนอุปกรณ์มักเป็นอุปกรณ์ lithography
    • รองลงมาคืออุปกรณ์ deposition และอุปกรณ์ล้าง/กัด
    • คาดว่าอุปกรณ์ lithography คิดเป็นราว 20% ของต้นทุน Fab ใหม่
    • นั่นหมายความว่าต้นทุนอุปกรณ์ lithography อาจเทียบเท่าต้นทุน facility ทั้งหมดของ Fab

ทุกครั้งที่ process node เปลี่ยน ต้นทุนจะเพิ่มขึ้น

  • Fab เซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่มีต้นทุน Fab เพิ่มขึ้นราว 30% สำหรับ process node ใหม่แต่ละรุ่น
  • ตัวขับเคลื่อนต้นทุนแรกคืออุปกรณ์ที่แพงขึ้น
    • เครื่อง ASML EUV lithography แพงกว่าเครื่อง DUV ที่เข้ามาแทนมาก
  • ตัวขับเคลื่อนต้นทุนที่สองคือจำนวน mask และขั้นตอนกระบวนการที่มากขึ้น
    • ยิ่งทรานซิสเตอร์เล็กลง จำนวนชั้นโลหะเชื่อมต่อก็เพิ่มขึ้น
    • FinFET ต้องการขั้นตอนสร้างชั้นมากกว่าทรานซิสเตอร์แบบเดิมที่เรียบง่ายกว่า
  • EUV เคยทำให้แนวโน้มนี้ย้อนกลับในบางช่วง
    • โดยทำให้งานที่เคยต้องใช้ mask สองชิ้นขึ้นไปทำได้ด้วย mask เพียงชิ้นเดียว ลดจำนวนขั้นตอนกระบวนการ
  • หากจะผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีขั้นตอนการผลิตมากขึ้นสองเท่าด้วยปริมาณเท่าเดิม ก็ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเป็นสองเท่า
  • การเพิ่มขนาดเวเฟอร์ก็ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น
    • ในทศวรรษ 1970 ใช้เวเฟอร์ 50mm
    • Fab ล้ำสมัยปัจจุบันใช้เวเฟอร์ 300mm
    • เคยมีแผนเปลี่ยนไปใช้ 450mm แต่ไม่ได้ดำเนินการจริง
  • การเปลี่ยนมาใช้เวเฟอร์ 300mm ทำให้การใช้อุปกรณ์โลจิสติกส์อัตโนมัติเพิ่มขึ้นมาก
    • เพราะเวเฟอร์ใน FOUP หนักเกินกว่าที่คนจะยกขนเองได้ยาก
    • โลจิสติกส์อัตโนมัติต้องการโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นและเพดาน cleanroom ที่สูงขึ้น

อุตสาหกรรมถูกจัดระเบียบใหม่เป็นโครงสร้าง Fabless-foundry

  • ในยุคที่ Fab ยังถูก ผู้ผลิตชิปสามารถมี Fab ของตัวเองได้
  • เมื่อต้นทุน Fab สูงขึ้น ภาระการดำเนินงาน facility การผลิตล้ำสมัยก็มากขึ้น และผู้ผลิตที่มีปริมาณการผลิตมากพอจะกระจายต้นทุนได้มีจำนวนน้อยลง
  • ขนาดที่มีประสิทธิภาพของ Fab เวเฟอร์ 150mm อยู่ที่ราว 10,000 แผ่นต่อเดือน แต่ Fab เวเฟอร์ logic 300mm เพิ่มเป็น 40,000 แผ่นต่อเดือน
  • Fab เวเฟอร์ memory มีขนาดใหญ่กว่า อยู่ที่ 120,000 แผ่นต่อเดือน
  • ปัจจุบันบริษัทที่พยายามดำเนิน node ล้ำสมัยมีเพียงไม่กี่ราย เช่น TSMC, Samsung, Intel
  • โมเดล fabless แพร่หลายขึ้น โดยบริษัทอย่าง Apple และ Nvidia ออกแบบชิป แล้ว foundry อย่าง TSMC เป็นผู้ผลิต
  • Foundry รวมคำสั่งซื้อจากบริษัทชิปหลายแห่ง เพื่อให้มีขนาดใหญ่พอรองรับ Fab ล้ำสมัย

Fab คือ facility การผลิตจำนวนมากระดับอะตอม

  • gigafab สมัยใหม่ผลิตชิปหลายร้อยล้านชิ้นต่อปี และชิปแต่ละตัวมีทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัว
  • การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องจัดการสสารปริมาณมหาศาลในระดับอะตอมอย่างซ้ำ ๆ และเชื่อถือได้ตลอด 24 ชั่วโมง 365 วัน
  • ต้นทุน Fab เกิดขึ้น ณ จุดที่ขนาดของโรงงานผลิตจำนวนมากมาบรรจบกับความแม่นยำที่แทบจินตนาการไม่ได้

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-05-05
ความคิดเห็นจาก Hacker News

  • ช่วงเดินทางไปกลับผมได้ฟัง Marketplace ของ NPR/KQED ที่ดำเนินรายการโดย Kai Ryssdal อยู่หลายวัน ซึ่งช่วงนี้พูดถึง CHIPS and Science Act และโรงงานเซมิคอนดักเตอร์แห่งใหม่ที่ TSMC กับ Intel กำลังก่อสร้างใน Phoenix, Arizona
    โรงงานที่กำลังก่อสร้างอยู่ตอนนี้คงต้องใช้เวลาอีกหลายปีกว่าจะเริ่มผลิตได้ แต่ตั้งแต่ไซต์ก่อสร้างในปัจจุบันไปจนถึงการฝึกอบรมแรงงานในอนาคต และธุรกิจรอบข้างที่จะมาสนับสนุนโรงงานขนาดมหึมาเหล่านี้ กำลังเกิดเป็นระบบนิเวศขึ้นมา
    เงินจาก CHIPS Act สำคัญไม่ใช่แค่เพราะช่วยดึงโรงงานผลิตเข้ามา แต่ยังเป็นกุญแจในการทำให้สหรัฐฯ ได้ขีดความสามารถที่สูญเสียไปกลับคืนมาในขนาดที่จำเป็น ทั้งในมุมเศรษฐกิจและความมั่นคงของชาติ
    ถ้าสนใจก็ฟังรายการนี้แบบพอดแคสต์ได้: https://www.npr.org/podcasts/381444600/marketplace

    • TSMC ย้ายวิศวกรจำนวนมากจาก Taiwan ไป Phoenix และมีการสร้างชุมชนขึ้นใหม่ตั้งแต่ต้น พร้อมที่พัก โรงเรียน และร้านขายของชำชาติพันธุ์
      น่าสนใจว่ากระแสนี้จะส่งผลทางวัฒนธรรมและเศรษฐกิจต่อ Phoenix อย่างไรในอีกหลายปีข้างหน้า
    • นี่เรียกว่า ผลกระทบภายนอกเชิงบวก
      เพราะแบบนี้เอง การเอางานออกไปจ้างข้างนอกจึงสร้างความเสียหายได้มากกว่าที่เคยสัญญาไว้มาก และการย้ายฐานการผลิตกลับมาก็อาจสร้างงานได้มากกว่าที่คาดไว้มากเช่นกัน
      เพียงแต่เหมือนนักการเมืองทุกครั้ง คือทำสิ่งที่ถูกต้องแต่จัดการด้วยวิธีที่ผิด ดังนั้นตอนนี้จึงดูมีโอกาสสูงที่ผลลัพธ์สุดท้ายจะออกมาใกล้เคียงภาวะ stagflation
    • สงสัยว่า Intel ซื้อ เครื่อง ASML EUV สำหรับการขยายใน Arizona หรือเปล่า
      เหมือน Intel จะข้าม ASML EUV ไปเลย ซึ่งถ้าเป็นแบบนั้นก็ไม่เข้าใจว่าจะได้ yield ที่ดีในระดับ 7nm~5nm ได้อย่างไร
      ก็ดูไม่เหมือนว่าจะได้จาก High-NA และมันดูเป็นการเบี่ยงความสนใจระยะสั้นมากกว่า
    • ถ้าพูดถึง “ธุรกิจสนับสนุน” หมายถึงอะไรบ้าง? อย่างเช่น โรงเรียน สำหรับครอบครัวของคนงานหรือเปล่า

  • เพื่อเทียบกัน World Trade Center มีค่าก่อสร้าง 2 พันล้านดอลลาร์
    ผมทำงานในวงการเซมิคอนดักเตอร์มา 35 ปี และบทความนี้คือบทความสำหรับคนทั่วไปที่อธิบายว่าการผลิตชิปต้องใช้อะไรบ้างได้ดีที่สุดเท่าที่เคยเห็น
    มันสร้างสมดุลระหว่างคำอธิบายกับภาพประกอบได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ทำให้เรื่องนี้ง่ายเกินไป

    • ผมก็คิดเหมือนกัน
      ตอนเรียนปริญญาเอกผมอยู่ในสายที่ใกล้เคียงกับ SiC และถ้าตอนนั้นมีคำอธิบายเบื้องต้นแบบนี้ ก็น่าจะตามเรื่องทันได้เร็วกว่านี้มาก

  • บทความน่าสนใจมาก
    มันทำให้ทึ่งอีกครั้งว่ามนุษย์พัฒนามาได้ไกลแค่ไหน และเวลาเล่น Angry Birds บน iPhone เราก็มักลืมไปง่าย ๆ ว่าโลกเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่เป็นไปได้นั้นต้องอาศัยงานวิจัย ทรัพยากร และองค์ความรู้เฉพาะทางจำนวนมหาศาล
    ถ้าอยากอ่านประวัติของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และภาวะกลืนไม่เข้าคายไม่ออกในปัจจุบันให้ลึกขึ้น แนะนำ Chip War ของ Chris Miller อย่างมาก

  • เกี่ยวข้องอยู่บ้าง มีวิดีโอของนักเรียนมัธยมคนหนึ่งที่สร้าง โรงงานเซมิคอนดักเตอร์ ของตัวเองแบบ “งบประหยัด” ในโรงรถของพ่อแม่
    https://youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
    เป็นวิดีโอที่น่าสนใจมาก แต่ก็น่าเสียดายเล็กน้อยที่เขาไม่ได้ต่อยอดแนวคิดนั้นอีก
    ผมอยากเห็นการสร้างอะไรอย่าง 6502 ที่บ้านจริง ๆ

  • ส่วนนี้สะดุดตาเป็นพิเศษ: มีบริษัทเพียงไม่กี่รายอย่าง TSMC, Samsung, Intel ที่พยายามเดินเครื่องโหนดล้ำสมัยที่สุด และอุตสาหกรรมได้ขยับไปสู่ โมเดล fabless ที่ Apple หรือ Nvidia ออกแบบชิป แล้วให้ foundry อย่าง TSMC เป็นผู้ผลิต
    เมื่อรวมคำสั่งซื้อจากหลายบริษัทชิปเข้าด้วยกัน foundry ก็จะมีขนาดใหญ่พอจะแบกรับโรงงานล้ำสมัยได้
    ระยะยาวแล้วก็สงสัยว่า การฝึก AI จะกลายเป็นแบบเดียวกันไหม และผมคิดว่าทุกวันนี้ก็บางส่วนเป็นแบบนั้นแล้ว

    • มันเป็นแบบนั้นไปแล้ว
      ค่าใช้จ่ายในการฝึก GPT เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณในแต่ละโมเดล และอยู่ในระดับหลายล้านดอลลาร์
      มีเหตุผลชัดเจนที่คู่แข่งของ GPT-4 รุ่นล่าสุดคือ Meta หรือ Google

  • บทความน่าสนใจ
    “กฎข้อที่สองของ Moore” หรือ กฎของ Rock มองว่าต้นทุนโรงงานเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มเป็นสองเท่าทุก 4 ปี และถ้ายังเป็นแบบนี้ต่อไป ภายใน 30 ปี ต้นทุนของโรงงานเดียวจะเกิน 3 ล้านล้านดอลลาร์
    สุดท้ายแล้วแปลว่าการพัฒนาโหนดย่อมมีเพดานแข็งจากเหตุผลทางเศรษฐกิจเพียงอย่างเดียว

    • ไม่นานมานี้ Sam Altman พยายามระดมเงิน 7 ล้านล้านดอลลาร์ เพื่อชิป บางทีเขาอาจกำลังพยายามวิ่งนำหน้าเส้นโค้งนั้นก็ได้
    • สิ่งที่น่าสนใจคือการคำนวณนี้ค่อนข้างแม่น
      เมื่อ 30 ปีก่อน มูลค่าตลาดของ Microsoft อยู่ราว 2 หมื่นล้านดอลลาร์ และตอนนี้อยู่ที่ 3 ล้านล้านดอลลาร์
      ถ้าเรื่องเดียวกันเกิดขึ้นอีกก็ไม่ได้แปลกอะไรเลย

  • ผมเคยไปไซต์ก่อสร้างขนาดใหญ่หลายแห่งเพราะงาน
    เวลาได้ยินว่า “นี่คือโครงการมูลค่า 40 ล้านดอลลาร์” แล้วเห็นคนงาน เครื่องจักร และวัสดุจำนวนมากเคลื่อนไหวอยู่ ก็จะนึกขึ้นได้ว่านี่แหละ หน้าตาของเงิน 40 ล้านดอลลาร์ที่กำลังขยับตัว

    • เงินจำนวนไม่น้อยหมดไปกับใบอนุญาต งานธุรการ และประกัน
      สิ่งที่มองเห็นจริง ๆ อาจเป็นแค่ 10 ถึง 20 ล้านดอลลาร์ ที่ยังไม่ถูกดูดหายไปกับระบบราชการได้สำเร็จ

  • Computer History Museum ได้ทำบทสัมภาษณ์ประวัติชีวิตแบบปากเปล่ากับ Morris Chang ผู้ก่อตั้ง TSMC ในปี 2007
    Chang เล่าประวัติส่วนตัวตั้งแต่จีนแผ่นดินใหญ่ไป Taiwan แล้วต่อไปยังการเรียนและทำงานในสหรัฐฯ เขาเคยถูกปฏิเสธจากการสมัครปริญญาเอกที่ MIT แต่โชคดีที่ได้เข้าสู่เส้นทางอุตสาหกรรมที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว
    หลังจากสะสมทั้งความมั่งคั่ง มุมมองเชิงอุตสาหกรรม และเครือข่ายผู้คนได้มากพอ เขาก็กลับไป Taiwan และก่อตั้ง TSMC จากนั้นก็เป็นประวัติศาสตร์ที่รู้กันดี
    เขายังเปรียบเทียบสไตล์วิศวกรรมในเอเชียกับสหรัฐฯ โดยมองว่าวิศวกรเอเชียมีความเป็นระบบ ขยันเรียน และมีระเบียบมากกว่า ขณะที่วิศวกรอเมริกันมีความสร้างสรรค์มากกว่า แต่เป็นระบบน้อยกว่าและมีระเบียบน้อยกว่า
    ในขณะเดียวกัน เขาก็บอกว่ากลุ่มที่มีนวัตกรรมกับกลุ่มที่เป็นระบบสามารถเสริมกันและกันได้
    https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2013/05/102658129-05-01-acc.pdf

  • มีคำถามที่เกี่ยวข้องอยู่บ้าง คือสงสัยว่า Intel ซื้อ เครื่อง EUV จาก ASML หรือไม่
    หมายถึงเครื่อง EUV ทั่วไป ไม่ใช่เครื่อง High-NA
    หาคำตอบออนไลน์ไม่เจอ แต่โรงงานใหม่ใน Ireland ดูเหมือนจะอยู่ในขอบเขตของ EUV ปกติ

    • ทุกคนจำเป็นต้องซื้อจาก ASML และถึงอยากซื้อก็ยังต้องต่อคิว
      ด้วยความซับซ้อนและต้นทุนที่มหาศาล จึงแทบเป็นไปไม่ได้ที่จะมีคู่แข่งที่ใช้งานได้จริง
      โรงงานมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ก็คงไม่อยากเอาอุปกรณ์ของบริษัทหน้าใหม่มาทดลองอยู่แล้ว
    • ไม่มีที่อื่นให้ซื้อเครื่อง EUV ได้
      ASML เป็นผู้จัดหารายเดียวของโลก
      Fab 34 ใน Ireland ได้รับเครื่อง ASML EUV เครื่องแรกเมื่อ 2 ปีก่อน
      ดูเหมือนว่าเครื่อง High-NA EUV จะยังไม่เข้าไปอยู่ในโรงงานรุ่นนี้ และเครื่องแรกเพิ่งถูกส่งไปยังโรงงานพัฒนาของ Intel เมื่อไม่กี่เดือนก่อน

  • ขั้นตอนที่ 1: หาเงิน 2 หมื่นล้านดอลลาร์
    ขั้นตอนที่ 2: สร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์มูลค่า 2 หมื่นล้านดอลลาร์
    https://knowyourmeme.com/memes/how-to-draw-an-owl