なぜ半導体製造は難しく、製造する企業はごくわずかなのか？

半導体チップは、私たちが購入するほぼすべての電子機器に使用されていることをご存知でしょう。 それらは、コンピューター、スマートフォン、ガジェット、自動車、航空機、医療機器、軍事システムなどに使用されます。 現在、世界は世界的な半導体チップの不足に直面しており、なぜこれ以上多くの企業が半導体チップの生産に参入できないのかという疑問が生じています。 この記事を通して半導体業界に飛び込み、多くの企業が業界に参入することを可能にしない複雑さを理解しましょう。

なぜ半導体チップがニュースになっているのですか？

2021年には、世界的なチップ不足がニュースになり、Apple、Tesla、Tata Motors、SamsungElectronicsなどの企業は半導体チップに飢えなければなりませんでした。 合計169の産業が不足の影響を受け、自動車産業が最悪の打撃を受けました。

このような世界的な不足につながったいくつかの要因がありました。 それらのいくつかは次のとおりです。

• パンデミック時に自宅で仕事をするために必要な電子機器の需要の急増
• 封鎖制限による人手不足
• 台湾の干ばつ
• 米国と中国の間の貿易戦争。

半導体チップストレージは、チップの製造が東アジアのいくつかの国にのみ集中していることを各国に認識させています。 そのため、今年、世界中の国々が、これらの半導体チップの生産能力を構築して、自給自足になり、輸入依存を減らす計画を立てています。 インドは、半導体サプライチェーンエコシステムの開発に約300億ドルを費やす予定です。 米国はまた、チップ製造と半導体巨人への政府支援に520億ドルを提供するために、CHIPS forAmericaActの実施を検討しています。 この法律は、米国の半導体製造工場の建設、拡張、または近代化に資金援助を提供することを目的としています。

半導体チップ産業-歴史と現在

1958年、テキサスインスツルメンツの電子エンジニアであるジャックキルビーは、現代のマイクロチップの祖先である最初の集積回路を作成しました。 それは20世紀の偉大で革命的な発明でした。 半導体産業は1960年頃に始まり、1966年までに売上高は10億ドルを超えました。2022年には、世界の半導体チップ産業は約6000億ドルに達すると予想されています。 しかし、世界で半導体チップを製造できる企業はごくわずかであり、それで利益を上げることができる企業はさらに少なくなります。 半導体チップ業界とその製造プロセスを掘り下げて、なぜそうなるのかを理解しましょう。

モデルと半導体業界の主要プレーヤー

半導体産業は、台湾、米国、韓国、中国、日本、オランダの企業によって支配されており、半導体製造は政府の支援を受け、インフラストラクチャを開発し、規模の経済を実現しています。

この業界は、製造、設計、開発が世界中のさまざまな企業とその子会社に分散しているというモデルに基づいています。 TSMCやGlobalFoundriesなどのファウンドリ企業は製造にのみ関与しています。 AMD、Nvidiaなどのファブレス半導体企業は、製造をサードパーティの製造工場に外注し、デバイスの設計のみを行っています。 IntelやSamsungなどの統合型デバイスメーカー（IDM）は、集積回路製品を（社内で）製造、設計、販売しています。

業界の主要なプレーヤーは、TSMC（Foundry）、Samsung Electronics（IDM）、Intel（IDM）、およびQualcomm（Fabless）です。

上位8社の半導体企業とその種類および国を表す表。

台湾のTSMCだけでも、世界の半導体の50％以上を製造しています。 世界最大の鋳造所です。 チップの最大の消費者であり、ファブレス半導体の2大企業であるNvidiaとQualcommであるAppleは、TSMCのみのクライアントです。 TSMCのライバル企業であるSamsungは、TSMCに勝つために3nmチップを製造するために3550億ドルを投資すると発表しました。

半導体チップの製造プロセス

半導体チップは、半導体シリコンを使用して作られています。 半導体チップを製造するプロセスには、59種類以上の機器と、チップ内に層を作成するために繰り返す必要のあるさまざまなステップが含まれます。 チップは最大100層で構成できます。つまり、同じ数のステップを繰り返す必要があります。

砂から抽出されたシリコンのウェーハは、チップと呼ばれる回路のグループのベースを形成するトランジスタに変換されます。 次の手順は、半導体チップに層を作成するプロセスの概要を示しています。

• 最初のステップは、感光性化学物質と耐光性材料でウェーハをコーティングすることです。
• 次に、コーティングされたシリコンウェーハがリソグラフィマシン内でUV光にさらされる第2段階でリソグラフィが実行されます。 光は、チップの設計図を含むマスクを通過してウェーハ上に配置され、パターンが印刷されます。 このプロセスにより、1枚のシリコンウェーハ上に数百個のチップを構築することが可能になります。
• 次に、光にさらされた領域が硬化し、露出されていない柔らかい領域が高温ガスによってエッチングされます。
• 次のステップでは、イオンガスを使用して、不純物を追加することによって作成された層の導電特性を変更し、最後にトランジスタ間に金属リンクを配置して、1つの完全な層を作成します。

これらの手順をすべて繰り返して、後続のレイヤーを作成します。

急増する需要を満たすために、なぜもっと多くのチップを生産できないのでしょうか。

チップが不足しているのなら、なぜもっと多くの企業が半導体チップの生産に参入し、需要と供給の間のこのギャップを減らしてみませんか？ さて、この質問への答えを知るためには、最初にチップ製造と半導体産業の複雑さを理解する必要があります。

半導体チップの製造がこれほど複雑な理由は何ですか？

チップはサイズの点では小さなものですが、最も複雑で高価なプロセスを伴います。 これは、どの企業もこの業界に参入することを困難にする要因のリストです-

• これらのチップを製造する非常に高価な製造工場や工場を設立するには、土地、許可、自然インフラ、電気、複雑な機械、2年以上のリードタイムが必要です。 2021年、サムスンはテキサス州に170億ドルのチップ工場を2024年に開設する計画を発表しました。
• チップの製造も複雑な手順であり、かなりの時間がかかります。 生のシリコンをデバイスに入れる最終的なチップに変えるには、ほぼ3か月かかります。
• 製造プロセスは原子レベルであり、高価な工場設備が必要です。
• また、シリコンがチップ製造機に入れられる部屋は、完全にほこりがないことが要求されます。 ほこりの単一の斑点は、すべての努力と数百万ドルを浪費する可能性があります。
• 半導体チップの製造には、必要な技術、材料、機械を供給する企業とともに、それらを製造または設計する企業の複雑なネットワークが含まれます。

ロシア・ウクライナ戦争は業界にどのような影響を与えましたか？

チップを製造するためのリソグラフィーで使用されるレーザーにはネオンが必要です。 昨年、チップ製造のためのネオンの世界的な消費量は約540メートルトンでした。 ロシアとウクライナの戦争は、世界のネオンの半分以上が、操業を停止しなければならなかったイグナスとクラインの2つのウクライナ企業のみによって生産されているため、世界のチップ不足を悪化させています。 したがって、これは半導体業界に大きな影響を及ぼします。 さらに、ロシアのパラジウム供給も戦争によって影響を受ける可能性があります。 自動車の排気システムに適用される触媒コンバーターに不可欠なパラジウムの不足は、自動車メーカーによるチップの需要が減少することにより、半導体産業に間接的に影響を与える可能性があります。

結論

半導体ファウンドリは、数十億ドルの巨額の設備投資と、設立にかなりの期間を必要とします。 さらに、これらのファウンドリは、製造プロセスにも時間がかかり、高価な装置を必要とするため、非常に速いペースでチップを製造することはできません。 これらすべてが、どの企業も業界に参入することを困難にし、たとえどの企業が参入したとしても、彼らが大きな魚と競争して利益を上げることは困難になります。 そのため、半導体チップメーカーに関しては、業界で大きな市場シェアを獲得している名前はごくわずかです。

よくある質問

半導体チップは何でできていますか？

集積回路（IC）またはマイクロチップとも呼ばれる半導体は、純粋なシリコンから作られています。

半導体チップの最大のメーカーは誰ですか？

台湾のTSMCは、半導体チップの最大のメーカーです。

投資するのに最適な半導体企業5社は何ですか？

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