Puolijohdeteollisuus

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Piikiekkoja, joilla on mikropiirejä.

Puolijohdeteollisuus on teollisuuden ala, joka on käynnistynyt puolijohdekomponenttien, kuten transistorien teollisen valmistuksen alkaessa 1960-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.

Puolijohteiden valmistustekniikka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 kehitys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. Tätä pakkaustiheyden kehittymistä on aikoinaan ennustettu Mooren lailla.

Tekniikan siirtyessä 22 nanometristä 16 nanometriin tasotransistoreista siirryttiin FinFET-tekniikkaan.[2] Tämän korvaajaksi on esitetty GAAFET- ja MBCFET-tekniikoita.[2] GAAFET- ja MBCFET-rakenteita tulee käyttöön kahden ja kolmen nanometrin transistorien valmistuksessa.[3] Huolimatta GAAFET:in parannuksista FinFET säilyy joiden valmistajien suosiossa koska uskovat pystyvänsä puristamaan siitä enemmän irti.[4] IBM on valmistanut ensimmäisen kahden nanometrin valmistustekniikkaa käyttävän koepiirin.[5] Kolmiulotteisten rakenteiden myötä käytetyn prosessin tulkinta kertoo "vastaavan kaksiulotteisen piirin" koon ja transistoritiheys on usein tarkempi mittayksikkö.[5]

Vuonna 2004 löydetty grafeeni voi jatkossa mahdollistaa huomattavasti pienemmät mikropiirit.[6]

MOS-transistoreja on valmistettu viidessä vuosikymmenessä 13·1021 transitoria, joka on 99,9 prosenttia transistoreista.[7]

Mikropiirien massatuotanto[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[8] 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 tuotantovaikeudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 2021 raportoitiin globaaleista tuotantovaikeuksista, jonka johdosta muun muassa autovalmistajat ovat joutuneet rajoittamaan tuotantoaan ja joka vaikuttaa myös kuluttajaelektroniikan saatavuuteen.[9][10] Syiksi piirien pulalle on sanottu COVID-19 -pandemia ja Taiwanissa oleva kuivuus, mutta myös Kiinan ja Yhdysvaltain välillä olevaa kauppasotaa on esitetty syyksi.[9][10][11] Koronapandemian johdosta kuluttajaelektroniikan kysyntä on myös kasvanut huomattavasti kun etäopetus ja etätyö yleistyivät nopeasti.[11][9] Maaliskuussa 2021 Renesasin tuotantolaitoksella oli tulipalo, jonka arvioidaan vaikeuttavan autoteollisuuden piirien saatavuutta entisestään.[12] Pulan seurauksena yhdysvaltalaiset valmistajat ovat lähettäneet kirjeen Yhdysvaltain presidentille Joe Bidenille, joka on pyytänyt kongressilta 50 miljardin dollarin rahoitusta puolijohteiden valmistukseen ja tutkimukseen.[10] Taiwanilainen TSMC on kertonut investoivansa seuraavan kolmen vuoden aikana 100 miljardia dollaria vastauksena kasvaneeseen kysyntään.[13]

Puolijohdetuotteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Muistipiirit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Muistipiiri

Puolijohdeteollisuuden tuotteita ovat myös muistipiirit:

Suorittimet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Tehopuolijohteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Yritykset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suurimmat yritykset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suurimmat yritykset myynnin mukaan vuoden 2019 ensimmäisellä neljänneksellä:[14]

  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 yrityksiä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valmistuskapasiteetti maittain[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

IC Insightsin mukaan puolijohdeteollisuuden valmistuskapasiteetin jakaantuminen vuoden 2019 lopussa:[15]

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 %

Johtavat valmistajat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Edistyneimmissä prosesseissa TSMC hallitsee suurinta markkinaosuutta.[16] Eurooppalaiset valmistajat dominoivat autovalmistajien piireissä, mutta ovat pitkään keskittyneet enemmän suunnitteluun kuin valmistukseen.[16]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c What are Compound Semiconductors csa.catapult.org.uk. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi) 
  2. a b Where are my GAA-FETs? TSMC to Stay with FinFET for 3nm anandtech.com. 26.8.2020. Viitattu 26.3.2021. (englanniksi) 
  3. Piirien rakenne muuttuu 2 nanometrissä etn.fi. 28.9.2020. Viitattu 26.3.2021.
  4. Foundries look to GAAFET for new process nodes beyond 3 nm techspot.com. 26.1.2021. Viitattu 27.3.2021. (englanniksi)
  5. a b IBM Creates First 2nm Chip anandtech.com. 6.5.2021. Viitattu 7.5.2021. (englanniksi)
  6. 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)
  7. 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)
  8. Megafabs: Why they build them Virtual museum of semiconductors, timeline. 17.1.2008. The Chip history center. Viitattu 22.2.2020.
  9. 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) 
  10. 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) 
  11. a b TSMC:n hallituksen puheenjohtaja: Piiripulan syynä on kauppasota, ei valmistuskapasiteetti io-tech.fi. 31.3.2021. Viitattu 8.4.2021.
  12. Fire Destroys Part of Renesas Fab eetimes.com. 22.3.2021. Viitattu 8.4.2021. (englanniksi)
  13. TSMC cancels chip price cuts and promises $100bn investment surge asia.nikkei.com. 1.4.2021. Viitattu 7.4.2021. (englanniksi)
  14. "Intel Tops Q1 Chip Sales; Semiconductor Market to Decline 7.2% in 2019", IC insights, May 17, 2019. 
  15. Taiwan to stay ahead of China as top chip manufacturing titan theregister.com. 25.6.2020. Viitattu 25.6.2020. (englanniksi)
  16. a b TSMC: How a Taiwanese chipmaker became a linchpin of the global economy arstechnica.com. 24.3.2021. Viitattu 26.3.2021. (englanniksi)