20 milyar dolara yarı iletken fab nasıl kurulur
Yarı iletken üretim sürecinin zorlukları ve maliyeti
- Yarı iletken üretimi, karmaşık süreçleri ve çok sıkı tolerans limitleri nedeniyle genel üretime göre çok daha zordur.
- Modern yarı iletken transistör boyutları nanometre seviyesindedir; bu da genel üretime göre yüz binlerce kat daha yüksek bir hassasiyet gerektirir.
- Tek bir toz zerresi ya da birkaç atomun konumunda meydana gelen küçük bir fark bile tüm bir çipi bozabilir.
- Safsızlık yoğunluğu ya da süreç hızındaki mikroskobik farklar da tolere edilemez.
- Yarı iletken üretiminin tarihsel gelişimi, bu tür mikroskobik etkilerle ve bunların ölümcül etkileriyle mücadele etme çabasıdır.
- Yarı iletken aygıtlar küçüldükçe sorunlar daha da zorlaşır.
- Modern yarı iletken fabrika, olağanüstü bir hassasiyet ve öngörülebilirlik düzeyi üretmelidir.
- Süreci bozabilecek her etkiyi engelleyip, mikroskobik sapmaları tespit ederek ortadan kaldırmalıdır.
- Bu hedef, her yıl yüz binlerce wafer ve yüz milyonlarca çipin (her biri milyarlarca transistör) üretildiği bir yüksek hacimli üretim ortamında korunmalıdır.
Yarı iletken fabrikanın (Fab) yapısı
- Modern yarı iletken fabrika genelde 4 katmandan oluşur.
- Çekirdek, imalatın yapıldığı temiz oda katmanıdır.
- Temiz oda altında, temiz oda operasyonlarını destekleyen ekipman, boru hattı ve kablolamanın bulunduğu genelde 2 katlı alt-fab katmanı vardır.
- Temiz oda üstünde, havayı filtreleyip dolaştıran fanların ve filtrelerin bulunduğu bir alan vardır.
- Temiz oda içine litografi, CVD, iyon implantörleri gibi bireysel proses araçları (proses araçları) yerleştirilir.
- Modern mantık yarı iletken fabrikaları, aylık 40.000-50.000 adet üretim için 1000'in üzerinde proses aracı gerektirir.
- 300mm wafer’a geçişle birlikte AMHS (otomatik taşıma sistemleri) kullanımı zorunlu hale gelir.
- Temiz oda, kirliliği en aza indirmek için tasarlanır. Yarı iletken fabrikaları Class 10/100 temizlik seviyesini korur.
- HEPA/ULPA filtreleri sayesinde hava zeminden aşağı iner ve dolaşır.
- Dış ortam hava girişini engellemek için temiz oda pozitif basınca ayarlanır.
- En yeni fabrikalar wafer’ları FOUP içinde kapalı şekilde taşır; proses ekipmanını da kapatan mini-çevre stratejisini benimser.
- Titreşim, ışık, statik elektrik, elektromanyetik dalga gibi tüm müdahale kaynaklarını engelleyecek şekilde tasarlanır.
- Alt-fabda, proses ekipmanını destekleyen lazer, vakum pompası vb. yer alır.
- Zehirli kimyasallarla çalışma, atık bertarafı gibi işlemler için özel tesis ve boru hatları gerekir.
- Fabrika dışında, oksijen/azot ayırma tesisleri, ultra saf su üretim tesisleri gibi destekleyici tesisler gereklidir.
- Büyük bir yarı iletken fabrika, bir nükleer enerji santrali birimi düzeyinde enerji tüketir (100 MW).
Yarı iletken fab inşaatı
- Yüz binlerce fit karelik temiz oda ve yüzlerce dönümlük arazi gerekir.
- On binlerce ton çelik konstrüksiyon ve yüz binlerce kübik yarda beton gerekir.
- Intel yeni bir fabrikada Burj Khalifa'nın 2 katı kadar beton, Eiffel Kulesi'nin 5 katı kadar çelik kullanıyor.
- Hassasiyeti sağlamak için binlerce uzman çalışan gerekir. Intel’in yeni fabrikası için en fazla 9300 kişi, TSMC ise 12.000 kişi kullanılıyor.
- Blow down sonrası 6 ay~1 yıl arası ekipman kurulum süresi gerekir.
- Fabrika inşaatı genelde 2~4 yıl sürer. ABD'de Asya'dan daha uzun sürer ve maliyeti de %30~400 daha yüksek olur.
Yarı iletken fab inşaat maliyeti
- İnşaat maliyetinin %70~80’i proses ekipmanı satın almaya gider.
- İnşaat maliyetinin makine/elektrik ekipmanı kısmının oranı 2/3’ten fazladır. Konut inşaatında ise bu oran %20’den düşüktür.
- Ekipman maliyetleri içinde en büyük pay litografi ekipmanındadır. Toplam inşaat maliyetinin %20’si kadar olup fab binasıyla aynı maliyettedir.
- Yeni bir proses düğümüne geçişte fab inşaat maliyeti %30 artar.
- Transistör küçülmesine bağlı olarak ekipman fiyatlarının yükselmesi ve maske/süreç sayısının artması başlıca nedenlerdir.
- 300mm wafer boyutuna geçişin gerektirdiği otomasyon ekipmanı ihtiyacı da bu nedenlerden biridir.
- İnşaat maliyetlerindeki artış, doğrudan fab sahibi IDM sayısının düşmesi ve tasarım ile üretimin ayrıldığı foundry modelinin yaygınlaşmasına yol açtı.
GN⁺ Görüşü
- Yarı iletken üretimi atom seviyesindeki hassasiyet gerektiren uç bir mühendisliktir. Modern uygarlığı ayakta tutan yarı iletkenlerin karmaşıklığını ve hassasiyetini hissettiren bir içerik.
- Yarı iletken endüstrisinin trendlerini okumak için fikir alınabilecek bir çok bilgi var. IDM’den foundry’e geçiş, 450mm wafer’e geçişin rafa kaldırılması gibi.
- İnşaat maliyetinin neden bu kadar yüksek olduğu, hangi kalemin ne kadar tuttuğu gibi detayları somut biçimde iyi bir şekilde açıklar.
- Süreç karmaşıklığını düşünürsek 2~4 yıllık inşaat süresinin aslında göreli olarak hızlı olması ilginç. Fakat ABD’de Kore veya Tayvan’a göre çok daha uzun sürmesinin dikkat çekici bir fark yaratması.
- Çok pahalı proses ekipmanlarının temel tedarikçileri ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron gibi sınırlı şirketlerle sınırlı olduğundan yarı iletken ekipman endüstrisindeki oligopol yapısını da görebiliyoruz.
- Yarı iletken gibi hassas bir proses endüstrisi otomasyona ve insansız çalışmaya geçtiğinde ne olacağı merak uyandırıyor. İşçilik maliyetinin payı düşük olduğu için otomasyonun cazibesi az gibi görünüyor.
1 yorum
Hacker News yorumları