Yarı İletken Üretimi Neden Zordur ve Sadece Birkaç Şirket Üretir?

Hepimizin bildiği gibi, satın aldığımız hemen hemen her elektronik cihazda yarı iletken çipler kullanılıyor. Bilgisayarlara, akıllı telefonlara, araçlara, arabalara, uçaklara, tıbbi ekipmanlara, askeri sistemlere ve diğer her şeye giriyorlar. Dünya şu anda küresel bir yarı iletken yonga kıtlığı ile karşı karşıya ve bu da neden daha fazla şirketin yarı iletken yonga üretimine giremediği sorusunu gündeme getirdi. Pek çok şirketin sektöre girmesine izin vermeyen karmaşıklıkların neler olduğunu öğrenmek için bu makale aracılığıyla yarı iletken endüstrisine dalalım.

Haberlerde neden yarı iletken çipler var?

2021'de küresel çip sıkıntısı haberlerde çokça yer aldı ve Apple, Tesla, Tata Motors ve Samsung Electronics gibi şirketler yarı iletken çiplere açlıktan ölmek zorunda kaldı. Toplam 169 sektör kıtlıktan etkilendi ve en kötü etkilenen otomobil endüstrisi oldu.

Böyle bir küresel kıtlığa yol açan birkaç faktör vardı. Onlardan bazıları:

• Pandemi sırasında evden çalışmak için gereken elektronik ürünlere olan talepteki artış
• Kilitleme kısıtlamaları nedeniyle işgücü sıkıntısı
• Tayvan'da kuraklık
• ABD ve Çin arasındaki ticaret savaşı.

Yarı iletken talaş depolama, ülkelerin cips üretiminin yalnızca birkaç Doğu Asya ülkesinde yoğunlaştığını anlamasını sağladı. Bu nedenle, bu yıl dünyanın dört bir yanındaki ülkeler, kendi kendine yeterli hale gelmek ve ithalata bağımlılığı azaltmak için bu yarı iletken yongalar için üretim kapasitesi oluşturma planları yapıyor. Hindistan, yarı iletken tedarik zinciri ekosistemini geliştirmek için yaklaşık 30 milyar dolar harcayacak. ABD ayrıca, çip üretimi için 52 milyar dolar ve yarı iletken devlerine devlet desteği sağlamak için CHIPS for America Yasasını uygulamayı düşünüyor. Yasa, Amerika Birleşik Devletleri'nde bir yarı iletken üretim tesisinin inşası, genişletilmesi veya modernizasyonu için mali yardım sağlamayı amaçlamaktadır.

Yarı İletken Yonga Endüstrisi - Tarihçesi ve Bugünü

1958'de Texas Instruments'ta elektronik mühendisi olan Jack Kilby, günümüz mikroçiplerinin atası olan ilk entegre devreyi yarattı. 20. yüzyılın büyük ve devrimci bir buluşuydu. Yarı iletken endüstrisi 1960 civarında başladı ve satış geliri 1966 yılına kadar 1 Milyar Doları aştı. 2022'de küresel yarı iletken yonga endüstrisinin yaklaşık 600 milyar ABD Dolarına ulaşması bekleniyor. Ancak dünyadaki çok az şirket yarı iletken çipler yapabilir ve daha da azı onları bu konuda karlı hale getirebilir. Yarı iletken yonga endüstrisini ve üretim sürecini inceleyerek neden böyle olduğunu anlayalım.

Yarı İletken Endüstrisinin Modeli ve Başlıca Oyuncuları

Yarı iletken endüstrisi, yarı iletken üretiminin devlet desteğine, gelişmiş altyapıya ve ölçek ekonomilerine sahip olduğu Tayvan, ABD, Güney Kore, Çin, Japonya ve Hollanda'dan şirketler tarafından yönetilmektedir.

Endüstri, üretim, tasarım ve geliştirmenin farklı şirketler ve dünya çapındaki yan kuruluşları arasında dağıtıldığı bir modele dayanmaktadır. TSMC ve GlobalFoundries gibi dökümhane şirketleri sadece imalatla ilgilenmektedir. AMD, Nvidia gibi muhteşem yarı iletken şirketler, üretimi üçüncü taraf bir üretim tesisine yaptırıyor ve yalnızca cihazı tasarlıyor. Intel ve Samsung gibi Entegre Cihaz Üreticileri (IDM'ler), entegre devre ürünleri üretir (kurum içi), tasarlar ve satar.

Sektördeki başlıca oyuncular TSMC (Dökümhane), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) ve Qualcomm'dur (Fabless).

En iyi 8 yarı iletken şirketini, türlerini ve ülkelerini gösteren tablo.

Tayvan'ın TSMC'si tek başına, dünyadaki yarı iletkenlerin büyük bir yüzdesini, yani %50'den fazlasını üretmektedir. Dünyanın en büyük dökümhanesidir. En büyük çip tüketicisi ve iki büyük efsanevi yarı iletken şirketi Nvidia ve Qualcomm olan Apple, yalnızca TSMC'nin müşterisidir. TSMC'nin rakip şirketi Samsung, TSMC'yi yenmek için 3nm çipler üretmek için 355 milyar dolar yatırım yapacağını duyurdu.

Yarı İletken Yongalarının üretim süreci

Yarı iletken yongalar, yarı iletken silikon kullanılarak yapılır. Yarı iletken yongaları yapma süreci, bir yongada katmanlar oluşturmak için tekrarlanması gereken 59'dan fazla ekipman türünü ve farklı adımları içerir. Bir çip 100'e kadar katmandan oluşabilir, bu da adımların aynı sayıda tekrarlanması gerektiği anlamına gelir.

Kumdan çıkarılan silikon gofretler, çip adı verilen bir grup devrenin tabanını oluşturan transistörlere dönüştürülür. Aşağıdaki adımlar, bir yarı iletken çipte bir katman oluşturma sürecini özetlemektedir.

• İlk adım, gofretleri ışığa duyarlı kimyasallar ve ışığa dayanıklı malzemelerle kaplamaktır.
• Daha sonra, ikinci aşamada, kaplanmış silikon gofretlerin bir litografi makinesi içinde UV ışığına maruz bırakıldığı litografi yapılır. Işık, deseni yazdırmak için çipin planını içeren bir maskeden gofret üzerine geçirilir. Bu işlem, tek bir silikon gofret üzerinde yüzlerce yonga oluşturmayı mümkün kılar.
• Işığa maruz kalan alan daha sonra sertleşir ve maruz kalmayan yumuşak alanlar sıcak gazlarla aşındırılır.
• Bir sonraki adım, bazı safsızlıklar eklenerek oluşturulan katmanın iletken özelliklerini değiştirmek için iyonik gazların kullanımını içerir ve daha sonra son olarak metal bağlantılar transistörler arasına yerleştirilir, böylece tam bir katman oluşturulur.

Sonraki katmanları oluşturmak için bu adımların tümü tekrarlanmalıdır.

Neden artan talebi karşılamak için daha fazla çip üretemiyoruz?

Eğer bir çip kıtlığı varsa, o zaman neden daha fazla şirket yarı iletken çip üretimine girmiyor ve talep ile arz arasındaki bu boşluğu azaltmıyor? Pekala, bu sorunun cevabını bilmek için önce çip yapmanın ve yarı iletken endüstrisinin karmaşıklıklarını anlamamız gerekiyor.

Yarı iletken yongaların üretimini bu kadar karmaşık yapan nedir?

Çip, boyut açısından küçük bir şey olsa da, en karmaşık ve pahalı süreçleri içerir. İşte herhangi bir şirketin bu sektöre girmesini zorlaştıran faktörlerin listesi-

• Bu yongaları üreten mega pahalı imalat fabrikalarını ve fabrikaları kurmak için arazi, izinler, doğal altyapı, elektrik, karmaşık makineler ve 2 yıldan fazla bir teslim süresi gerekiyor. 2021'de Samsung, Teksas'ta 2024'te açılacak 17 milyar dolarlık bir çip fabrikası planlarını duyurdu.
• Çip üretimi de oldukça uzun zaman alan karmaşık bir işlemdir. Ham silikonu, cihazlara yerleştirilen o son çipe dönüştürmek neredeyse 3 ay sürüyor.
• Üretim süreci atomik düzeydedir ve pahalı fabrika ekipmanı gerektirir.
• Ayrıca chip yapma makinelerinde silikonun yerleştirildiği odaların kesinlikle tozsuz olması gerekmektedir. Tek bir toz zerresi, tüm çabaları ve milyonlarca doları boşa harcayabilir.
• Yarı iletken çip üretimi, gerekli teknoloji, malzeme ve makineleri tedarik edenlerle birlikte bunları üreten veya tasarlayan karmaşık bir şirketler ağını içerir.

Rusya-Ukrayna savaşı Sanayiyi nasıl daha fazla etkiledi?

Litografide çip üretmek için kullanılan lazerler için neon gereklidir. Geçen yıl, çip üretimi için küresel neon tüketimi 540 metrik ton civarındaydı. Rusya-Ukrayna savaşı küresel çip kıtlığını daha da kötüleştirdi çünkü dünyadaki neonların yarısından fazlası sadece iki Ukraynalı şirket tarafından üretiliyor - operasyonlarını kapatmak zorunda kalan Ignas ve Cryin. Dolayısıyla, bunun yarı iletken endüstrisi üzerinde yoğun bir etkisi olacaktır. Ayrıca Rusya'nın paladyum arzı da savaş nedeniyle etkilenebilir. Otomobillerin egzoz sistemlerinde kullanılan katalitik konvertörler için gerekli olan paladyum kıtlığı, otomobil üreticilerinin daha az çip talebi ile yarı iletken endüstrisi üzerinde dolaylı olarak potansiyel bir etkiye sahip olabilir.

Çözüm

Yarı iletken dökümhaneleri, milyarlarca dolarlık büyük bir sermaye yatırımına ve kurulum için hatırı sayılır bir süreye ihtiyaç duyar. Ayrıca bu dökümhaneler çok hızlı talaş üretemezler çünkü üretim süreci de zaman alır ve pahalı ekipman gerektirir. Bütün bunlar, herhangi bir şirketin sektöre girmesini zorlaştırıyor ve herhangi bir şirket bunu yapsa bile, büyük balıklarla rekabet etmesi ve kar etmesi zorlaşıyor. Bu nedenle konu yarı iletken çip üreticilerine geldiğinde, zaman içinde sektörde büyük bir pazar payı elde etmiş sadece birkaç isim duyuyoruz.

SSS

Yarı iletken yongalar nelerden yapılmıştır?

Entegre devreler (IC'ler) veya mikroçipler olarak da adlandırılan yarı iletkenler, saf silikondan yapılır.

En büyük yarı iletken çip üreticisi kimdir?

Tayvanlı TSMC, yarı iletken çiplerin en büyük üreticisidir.

Yatırım yapılacak en iyi 5 yarı iletken şirket hangileridir?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU).