Puolijohdeteollisuus

Puolijohdeteollisuus on teollisuuden ala, joka on käynnistynyt puolijohdekomponenttien, kuten transistorien teollisen valmistuksen alkaessa 1950-luvulla Yhdysvalloissa. Alan pioneeriyrityksiä ovat Shockley Semiconductor, Fairchild Semiconductor ja IBM. Pelkästä transistorien valmistuksesta ala on laajentunut mikropiireihin, jonka sovelluskohteita ovat muistit (muistipiirit), suorittimet (mikroprosessorit) ja litteät näyttölaitteet. Yhdistävänä tekijänä alan yrityksillä on nykyään samankaltainen valmistusteknologia ja asiakkaat eli elektroniikkateollisuus.

Piikiekkoja, joilla on mikropiirejä.

Puolijohteiden valmistustekniikkaMuokkaa

Puolijohdeteollisuuden tuotteita valmistetaan useimmiten piikiekoille, mutta myös lasille ja erilaisille keraameille sekä muoveille siirtämällä niiden pinnalle kaasufaasissa metalleja ja metallioksideja ohuiksi, jopa muutaman atomin paksuisiksi kalvoiksi. Tätä tekniikkaa kutsutaan ohutkalvon kasvatukseksi. Ohutkalvorakenteet voivat olla hyvin monimutkaisia. Tyypillinen pinnoitusmenetelmä on CVD (Chemical Vapor Deposition) ja sen erilaiset muunnelmat. Suomessa teolliseksi prosessiksi kehitetty ALD (Atomic Layer Deposition) on eräs muunnelma kaasufaasipinnoituksesta, jossa kalvoja pystytään rakentamaan atomikerroksittain. Kalvoja voidaan myös poistaa, kun halutaan muodostaa erilaisia johdekuviointeja ja silloin menetelmänä on syövytys, jota sanotaan myös etsaukseksi.

Piin lisäksi käytetään yhdistelmiä, jotka yhdistävät on kahta tai useampaa alkuainetta kuten pii (Si) ja hiili (C) muodostavat piikarbidia (SiC).[1] Muita materiaaleja käytetään muun muassa sähköautojen virran hallintaan, 5G-verkoissa ja tutkissa sekä valokuitulinkeissä.[1] Yleisiä yhdistelmiä ovat galliumarsenidi (GaAs), galliumnitridi (GaN), piikarbidi (SiC), indiumfosfidi (InP) ja alumiini-gallium-indium-fosfidi (AlGaInP).[1]

Mikropiiritekniikan kehitysMuokkaa

Mikropiirit valmistetaan yhä 1970-luvulla kehitetyn MOS-tekniikan (esimerkiksi CMOS ja MOSFET) muunnoksilla. Optisen litografian tekniikoilla, joilla valokuvausta muistuttavilla menetelmillä tuotetaan mikropiirin johdinkuviot, on pystytty muutaman vuoden välein pienentämään niin sanottua viivan leveyttä eli pienintä johtimen paksuutta ja saavutettu suurempi pakkaustiheys transistoreille. 1990-luvun lopulla alumiinijohtimista siirryttiin kupariin, jotta mikroprosessoreiden lämpeneminen pienenisi. Uusimpanamilloin? 45 nm piirien MOS-rakenteeseen on tulossamilloin? high-k-eristekalvo.

Transistorien pakkaustiheyden kehittymistä kustannuksien pysyessä vakiona on ennustettu Mooren lailla, Dennard-skaalaus lisäsi havainnon virran ja jännitteen pienentymisestä transistorin pienentymisen mukaan.[2] Lisäksi pienempi transistori vaihtaa tilaa nopeammin jolloin suorituskyky on parempi.[2]

Tekniikan siirtyessä 22 nanometristä 16 nanometriin tasotransistoreista siirryttiin FinFET-tekniikkaan.[3] Tämän korvaajaksi on esitetty GAAFET- ja MBCFET-tekniikoita.[3] GAAFET- ja MBCFET-rakenteita tulee käyttöön kahden ja kolmen nanometrin transistorien valmistuksessa.[4] Huolimatta GAAFET:in parannuksista FinFET säilyy joiden valmistajien suosiossa koska uskovat pystyvänsä puristamaan siitä enemmän irti.[5] IBM on valmistanut ensimmäisen kahden nanometrin valmistustekniikkaa käyttävän koepiirin.[6] Kolmiulotteisten rakenteiden myötä käytetyn prosessin tulkinta kertoo "vastaavan kaksiulotteisen piirin" koon ja transistoritiheys on usein tarkempi mittayksikkö.[6]

ASML toi markkinoille EUV-litografialla (extreme ultraviolet) valmistamiseen käytettävät laitteet vuonna 2017.[7] EUV-litografia käyttää 13,5 nanometrin aallonpituutta kun aiempi syvä ultravioletti (deep ultraviolet) käytti 193 nanometrin aallonpituutta.[7][8] Puolijohdeteollisuuden "valimot" (engl. foundry) käyttävät tusinasta kahteenkymmeneen valmistuslaitteita ja tarvitsevat suuria tuotantovolyymeja, jolloin tuottosuhdetta voi kehittää ja kustannukset voi kattaa.[9][10] Mikropiirien valmistuksessa on noin 1 500 vaihetta, joissa on jokaisessa 100–500 muuttujaa.[10] Jos jokaisen vaiheen onnistumissuhde on 99,9% niin alle neljännes lopullisesta tuotteesta on käyttökelpoista.[10]

Vuonna 2004 löydetty grafeeni voi jatkossa mahdollistaa huomattavasti pienemmät mikropiirit.[11]

MOS-transistoreja on valmistettu viidessä vuosikymmenessä 13·1021 transitoria, joka on 99,9 prosenttia transistoreista.[12]

Mikropiirien massatuotantoMuokkaa

Mikropiirien kaikkien, jopa noin sadan pinnoitusvaiheen tekeminen, voi tuottaa tulokseksi niinkin pitkän läpimenoajan kuin 3 kuukautta. Useimmiten koko tuotanto tehdään puhdastiloissa. Kun kaikki pinnoitusvaiheet piikiekolle on tehty, kiekko paloitellaan prosessoreiden kokoisiin paloihin, jotka sitten paketoidaan siten, että ne ovat asennettavissa piirikorteille. Koska pinnoitus kaikkine vaiheineen kestää kauan eikä aika ole riippuvainen pinnoitusalan koosta, myös litteät näytöt tehdään neliömetrin tai suuremmillekin laseille, jotka myös pinnoituksen jälkeen paloitellaan. Mitä suurempi alusta sitä parempi tuottavuus. IC-piirien ja muistisirujen massatuotantoteollisuus alkoi siirtymään 2000-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä halkaisijaltaan 200 mm (8") kiekoista 300 mm (12") kiekkoihin ja täysautomaattisiin "mega"-tehtaisiin aluksi paljolti sellaisten valtioiden tuella, jotka halusivat kasvattaa puolijohdeteollisuuttaan.[13] Ennen 200 mm kiekkoja, tuotanto oli tehty 150 mm kiekoille. Alkuun oli 70-luvulla lähdetty 1 tuuman kiekoilla, sitten tuli 2 ja 3 tuumaa ja 100 mm. Standardointi on valmiina 450 mm kiekkoihin, mutta teknisenä ongelmana 2010-luvulla ollut EUV (Extreme Ultra Violet) litografian käytettävyys tuolle kiekkokoolle. On myös esitetty kannattavuuslaskelmia, jotka eivät tue siirtymistä suurempaan kokoon nykyisillä tehdasinvestointien kustannuksilla.

Vuoden 2021 tuotantovaikeudetMuokkaa

Vuonna 2021 raportoitiin globaaleista tuotantovaikeuksista, jonka johdosta muun muassa autovalmistajat ovat joutuneet rajoittamaan tuotantoaan ja joka vaikuttaa myös kuluttajaelektroniikan saatavuuteen.[14][15] Syiksi piirien pulalle on sanottu COVID-19 -pandemia ja Taiwanissa oleva kuivuus, mutta myös Kiinan ja Yhdysvaltain välillä olevaa kauppasotaa on esitetty syyksi.[14][15][16] Koronapandemian johdosta kuluttajaelektroniikan kysyntä on myös kasvanut huomattavasti kun etäopetus ja etätyö yleistyivät nopeasti.[16][14] Maaliskuussa 2021 Renesasin tuotantolaitoksella oli tulipalo, jonka arvioidaan vaikeuttavan autoteollisuuden piirien saatavuutta entisestään.[17] Pulan seurauksena yhdysvaltalaiset valmistajat ovat lähettäneet kirjeen Yhdysvaltain presidentille Joe Bidenille, joka on pyytänyt kongressilta 50 miljardin dollarin rahoitusta puolijohteiden valmistukseen ja tutkimukseen.[15] Taiwanilainen TSMC on kertonut investoivansa seuraavan kolmen vuoden aikana 100 miljardia dollaria vastauksena kasvaneeseen kysyntään.[18] TSMC:llä on joidenkin arvioiden mukaan 90% markkinaosuus kehittyneimpien prosessorien valmistuksesta.[10] Autovalmistajat ovat syyttäneet TSMC:tä tuotantovaikeuksistaan, mutta nämä ovat TSMC:n mukaan "asiakkaan asiakkaan asiakkaita" eikä TSMC pysty priorisoimaan näitä.[10]

Sähköautoista tunnettu Tesla on kertonut komponenttipulan johdosta vaihtaneensa vaihtoehtoisiin piireihin ja kirjoittaneensa firmwaren uudestaan "viikoissa".[19]

PuolijohdetuotteetMuokkaa

Puolijohdetuotteet voidaan jakaa muisti-, logiikka-, suoritin- ja tehopuolijohteisiin.

MuistipiiritMuokkaa

Pääartikkeli: Muistipiiri

Puolijohdeteollisuuden tuotteita ovat myös muistipiirit:

SuorittimetMuokkaa

Suorittimet (mikroprosessorit, mikrokontrollerit, järjestelmäpiirit) ovat yksi merkittävä kohde puolijohteille.

TehopuolijohteetMuokkaa

Tehopuolijohteita ovat muun muassa kytkin- ja tasasuuntaajalaitteissa käytetyt kuten hakkuriteholähteissä.

YrityksetMuokkaa

Vuonna 2021 Intel ilmoitti ryhtyvänsä valimoksi ja tarjoavansa valmistusta muiden piireille, jota se on aiemmin välttänyt.[9] Intel on omien vaikeuksiensa johdosta myös suunnitellut ulkoistavansa kehittyneimpien piiriensä valmistuksen TSMC:lle.[9] Suuret yritykset kuten Amazon ja Google ovat siirtymässä pois Intelin piireistä itsesuunnittelemiinsa piireihin.[9]

Aiemmin suuri valmistaja IBM myi valmistuksensa GlobalFoundriesille vuonna 2014.[9] IBM ei ollut panostanut valmistukseen riittävästi tehdäkseen siitä kannattavaa ja myi sen.[9]

Vuonna 1987 perustettu TSMC kilpaili 2010-luvulla Samsungin kanssa kehittyneimmässä teknologiassa ja sai merkittäviä voittoja vähävirtaisessa teknologiassa, jota se oli kehittänyt satojen eri asiakkaiden tarpeisiin.[9] TSMC:llä oli usein uusi asiakas halukkaana maksamaan uudesta teknologiasta.[9] Useat asiakkaat mahdollistivat nopean kehityksen ja yritys pystyi ottamaan useita pienempiä askeleita: suuremmissa harppauksissa on myös suuremmat riskit Chenming Hun mukaan.[9] Useat yritykset ovat valmistaneet itsesuunniteltuja piirejä TSMC:llä ja sillä on vuonna 2021 arviolta 90% osuus kehittyneimmissä piireissä (5–10 nanometrin tekniikoilla) loppujen ollessa Samsungilla.[9][20] Suurimmat voitot piireissä on niiden suunnittelussa ja myynnissä eikä niiden valmistuksessa: vastoin monien odotuksia TSMC on kuitenkin osoittanut olevansa kannattava.[9]

Eurooppalaiset valmistajat dominoivat autovalmistajien piireissä, mutta ovat pitkään keskittyneet enemmän suunnitteluun kuin valmistukseen.[20] Maailman mikropiirimarkkinoista autovalmistajat ovat pieniä tekijöitä, jotka käyttävät pääasiassa 28–65 nanometrin tekniikoilla tehtyjä piirejä.[20]

Suurimmat yrityksetMuokkaa

Suurimmat yritykset myynnin mukaan vuoden 2019 ensimmäisellä neljänneksellä:[21]

  1. Intel
  2. Samsung
  3. TSMC
  4. SK Hynix
  5. Micron Technology
  6. Broadcom
  7. Qualcomm
  8. Texas Instruments
  9. Toshiba
  10. Infineon

Suomalaisia puolijohdeteollisuuden yrityksiäMuokkaa

Valmistuskapasiteetti maittainMuokkaa

IC Insightsin mukaan puolijohdeteollisuuden valmistuskapasiteetin jakaantuminen vuoden 2019 lopussa:[22]

Alue Valmistuskapasiteetin osuus maailmanlaajuisesta
Taiwan 21,6 %
Etelä-Korea 20,9 %
Japani 16,0 %
Kiina 13,9 %
Pohjois-Amerikka 12,8 %
Eurooppa 5,8 %
Muu maailma 9,0 %

Katso myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  1. a b c What are Compound Semiconductors csa.catapult.org.uk. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi) 
  2. a b William Gropp: Lecture 15: Moore’s Law and Dennard Scaling (PDF) wgropp.cs.illinois.edu. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  3. a b Where are my GAA-FETs? TSMC to Stay with FinFET for 3nm anandtech.com. 26.8.2020. Viitattu 26.3.2021. (englanniksi) 
  4. Piirien rakenne muuttuu 2 nanometrissä etn.fi. 28.9.2020. Viitattu 26.3.2021.
  5. Foundries look to GAAFET for new process nodes beyond 3 nm techspot.com. 26.1.2021. Viitattu 27.3.2021. (englanniksi)
  6. a b IBM Creates First 2nm Chip anandtech.com. 6.5.2021. Viitattu 7.5.2021. (englanniksi)
  7. a b Will Knight: The $150 Million Machine Keeping Moore’s Law Alive wired.com. 30.8.2021. Viitattu 21.10.2021. (englanniksi)
  8. First commercial EUV-enabled chips about to hit the market innovationorigins.com. 16.9.2018. Viitattu 21.10.2021. (englanniksi)
  9. a b c d e f g h i j k Tim De Chant: Intel slipped—and its future now depends on making everyone else’s chips arstechnica.com. 20.10.2021. Viitattu 21.10.2021. (englanniksi)
  10. a b c d e Charlie Campbell: Inside the Taiwan Firm That Makes the World’s Tech Run time.com. 1.10.2021. Viitattu 21.10.2021. (englanniksi)
  11. Tiny graphene microchips could make your phones and laptops thousands of times faster, say scientists zdnet.com. 15.2.2021. Viitattu 26.3.2021. (englanniksi)
  12. 13 Sextillion & Counting: The Long & Winding Road to the Most Frequently Manufactured Human Artifact in History 2.4.2018. Computer History Museum. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi)
  13. Megafabs: Why they build them Virtual museum of semiconductors, timeline. 17.1.2008. The Chip history center. Viitattu 22.2.2020.
  14. a b c A global chip shortage is wreaking havoc on everything from cars to game consoles. Here are the industries most affected by the ongoing scarcity. businessinsider.com. 15.2.2021. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi) 
  15. a b c Absolutely fab: As TSMC invests $100bn to address chip shortage, where does that leave the rest of the industry? theregister.com. 2.4.2021. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi) 
  16. a b TSMC:n hallituksen puheenjohtaja: Piiripulan syynä on kauppasota, ei valmistuskapasiteetti io-tech.fi. 31.3.2021. Viitattu 8.4.2021.
  17. Fire Destroys Part of Renesas Fab eetimes.com. 22.3.2021. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi)
  18. TSMC cancels chip price cuts and promises $100bn investment surge asia.nikkei.com. 1.4.2021. Viitattu 7.4.2021. (englanniksi)
  19. Andrew J. Hawkins: Tesla rewrote its own software to survive the chip shortage theverge.com. 26.7.2021. Viitattu 28.10.2021. (englanniksi)
  20. a b c TSMC: How a Taiwanese chipmaker became a linchpin of the global economy arstechnica.com. 24.3.2021. Viitattu 26.3.2021. (englanniksi) 
  21. "Intel Tops Q1 Chip Sales; Semiconductor Market to Decline 7.2% in 2019", IC insights, May 17, 2019. 
  22. Taiwan to stay ahead of China as top chip manufacturing titan theregister.com. 25.6.2020. Viitattu 25.6.2020. (englanniksi)