왜 반도체 생산은 어렵고 소수의 회사에서만 생산합니까?

반도체 칩은 우리가 구매하는 거의 모든 전자 장치에 사용된다는 것을 모두 알고 있습니다. 그들은 컴퓨터, 스마트폰, 가제트, 자동차, 항공기, 의료 장비, 군사 시스템 등으로 이동합니다. 세계는 현재 글로벌 반도체 칩 부족에 직면해 있으며 더 많은 회사가 반도체 칩 생산에 뛰어들지 못하는 이유에 대한 의문을 제기했습니다. 많은 기업의 진입을 허용하지 않는 복잡성이 무엇인지 알기 위해이 기사를 통해 반도체 산업에 뛰어 들어 봅시다.

왜 반도체 칩이 뉴스에 나오는가?

2021년에는 글로벌 칩 부족이 뉴스에 많이 나왔고 Apple, Tesla, Tata Motors 및 Samsung Electronics와 같은 회사는 반도체 칩에 굶주려야 했습니다. 총 169개의 산업이 부족으로 영향을 받았으며 자동차 산업이 가장 큰 타격을 받았습니다.

이러한 글로벌 부족을 초래한 몇 가지 요인이 있었습니다. 그 중 일부는 다음과 같습니다.

• 전염병 동안 재택 근무에 필요한 전자 제품에 대한 수요 급증
• 봉쇄령으로 인한 노동력 부족
• 대만의 가뭄
• 미국과 중국의 무역 전쟁.

반도체 칩 저장은 칩 제조가 소수의 동아시아 국가에만 집중되어 있다는 것을 국가로 하여금 깨닫게 되었습니다. 그래서 올해 전 세계 국가들은 이러한 반도체 칩의 생산 능력을 구축하여 자급 자족하고 수입 의존도를 줄이는 계획을 세우고 있습니다. 인도는 반도체 공급망 생태계를 개발하기 위해 약 300억 달러를 지출할 예정이다. 미국은 또한 반도체 대기업에 칩 제조 및 정부 지원을 위해 520억 달러를 제공하기 위해 CHIPS for America 법을 시행하는 것을 고려하고 있습니다. 이 법은 미국에서 반도체 제조 공장의 건설, 확장 또는 현대화를 위한 재정 지원을 제공하는 것을 목표로 합니다.

반도체 칩 산업 - 역사와 현재

1958년 Texas Instruments의 전자 엔지니어 Jack Kilby는 현대 마이크로칩의 조상인 최초의 집적 회로를 만들었습니다. 그것은 20세기의 위대하고 혁명적인 발명품이었습니다. 반도체 산업은 1960년경에 시작되어 1966년에는 매출 10억 달러를 넘어섰습니다. 2022년에는 세계 반도체 칩 산업이 약 6000억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 그러나 세계에서 반도체 칩을 만들 수 있는 회사는 극소수에 불과하며, 이를 통해 수익성을 높일 수 있는 회사는 훨씬 더 적습니다. 반도체 칩 산업과 그 제조 과정을 살펴봄으로써 왜 그런지 알아봅시다.

반도체 산업의 모델과 주요 선수

반도체 산업은 대만, 미국, 한국, 중국, 일본 및 네덜란드의 기업이 지배하고 있으며, 반도체 제조는 정부의 지원, 인프라 및 규모의 경제를 가지고 있습니다.

이 산업은 제조, 설계 및 개발이 전 세계의 여러 회사와 자회사에 분산되어 있는 모델을 기반으로 합니다. TSMC 및 GlobalFoundries와 같은 파운드리 회사는 제조에만 관여합니다. AMD, Nvidia와 같은 팹리스 반도체 회사는 생산을 타사 제조 공장에 아웃소싱하고 장치만 설계합니다. Intel 및 Samsung과 같은 통합 장치 제조업체(IDM)는 집적 회로 제품을 제조(자체), 설계 및 판매합니다.

업계의 주요 업체는 TSMC(파운드리), 삼성전자(IDM), 인텔(IDM), 퀄컴(Fabless)입니다.

상위 8개 반도체 회사, 유형 및 국가를 나타내는 표입니다.

대만의 TSMC만 해도 전 세계 반도체의 50% 이상을 생산합니다. 세계 최대 파운드리입니다. 칩 최대 소비국인 애플과 팹리스 반도체 양대 기업인 엔비디아와 퀄컴이 TSMC의 유일한 고객이다. TSMC의 경쟁사인 삼성은 TSMC를 능가하기 위해 3nm 칩 제조에 3,550억 달러를 투자한다고 발표했습니다.

반도체 칩 제조 공정

반도체 칩은 반도체인 실리콘을 사용하여 만들어집니다. 반도체 칩을 만드는 공정에는 59가지 이상의 장비 유형과 칩에 층을 생성하기 위해 반복되어야 하는 다양한 단계가 포함됩니다. 칩은 최대 100개의 레이어로 구성될 수 있으므로 동일한 수의 단계를 반복해야 합니다.

모래에서 추출한 실리콘 웨이퍼는 칩이라고 하는 회로 그룹의 기반을 형성하는 트랜지스터로 변환됩니다. 다음 단계는 반도체 칩에 레이어를 만드는 과정을 간략하게 설명합니다.

• 첫 번째 단계는 감광성 화학 물질과 내광성 재료로 웨이퍼를 코팅하는 것입니다.
• 그런 다음 코팅된 실리콘 웨이퍼가 리소그래피 기계 내부에서 UV 광에 노출되는 두 번째 단계에서 리소그래피가 수행됩니다. 빛은 패턴을 인쇄하기 위해 웨이퍼에 칩의 청사진을 포함하는 마스크를 통과합니다. 이 프로세스를 통해 단일 실리콘 웨이퍼에 수백 개의 칩을 구축할 수 있습니다.
• 빛에 노출된 영역은 경화되고 노출되지 않은 부드러운 영역은 뜨거운 가스에 의해 에칭됩니다.
• 다음 단계는 이온 가스를 사용하여 일부 불순물을 추가하여 생성된 레이어의 전도성 특성을 수정한 다음 마지막으로 트랜지스터 사이에 금속 링크를 배치하여 하나의 완전한 레이어를 만드는 것입니다.

이 모든 단계를 반복하여 후속 레이어를 생성해야 합니다.

급증하는 수요를 충족시키기 위해 더 많은 칩을 생산할 수 없는 이유는 무엇입니까?

칩이 부족하다면 더 많은 회사가 반도체 칩 생산에 뛰어들어 이러한 수요와 공급의 격차를 줄이지 않는 이유는 무엇입니까? 이 질문에 대한 답을 알기 위해서는 먼저 칩 제조와 반도체 산업의 복잡성을 이해해야 합니다.

반도체 칩 제조를 그렇게 복잡하게 만드는 이유는 무엇입니까?

칩의 크기는 작지만 가장 복잡하고 비용이 많이 드는 공정이 필요합니다. 모든 회사가 이 산업에 진입하기 어렵게 만드는 요인의 목록은 다음과 같습니다.

• 토지, 허가, 자연 기반 시설, 전기, 복잡한 기계 및 이러한 칩을 구축하는 엄청나게 비싼 제조 공장과 공장을 세우는 데 2년 이상의 리드 타임이 필요합니다. 2021년 삼성은 텍사스에 170억 달러 규모의 칩 공장을 2024년에 열 계획이라고 발표했습니다.
• 칩을 제조하는 것도 상당한 시간이 소요되는 복잡한 절차입니다. 원시 실리콘을 장치에 들어가는 최종 칩으로 바꾸는 데 거의 3개월이 걸립니다.
• 제조 공정은 원자 수준이며 고가의 공장 장비가 필요합니다.
• 또한, 칩 제조 기계에 실리콘을 넣는 공간은 절대적으로 먼지가 없어야 합니다. 먼지 한 점은 모든 노력과 수백만 달러를 낭비할 수 있습니다.
• 반도체 칩 생산에는 필요한 기술, 재료 및 기계를 공급하는 회사와 함께 이를 생산하거나 설계하는 회사의 복잡한 네트워크가 포함됩니다.

러시아-우크라이나 전쟁이 어떻게 산업에 더 큰 영향을 미쳤습니까?

칩 생산을 위한 리소그래피에 사용되는 레이저에는 네온이 필요합니다. 작년에 칩 제조를 위한 전 세계 네온 소비량은 약 540미터톤이었습니다. 러시아-우크라이나 전쟁은 세계 네온의 절반 이상이 운영을 중단해야 했던 Ignas와 Cryin이라는 두 우크라이나 회사에서만 생산하기 때문에 글로벌 칩 부족을 악화시켰습니다. 따라서 반도체 산업에 큰 영향을 미칠 것입니다. 게다가 러시아의 팔라듐 공급도 전쟁으로 인해 영향을 받을 수 있습니다. 자동차 배기 시스템에 적용되는 촉매 변환 장치에 필수적인 팔라듐 부족은 자동차 제조업체의 칩 수요 감소를 통해 간접적으로 반도체 산업에 잠재적인 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

반도체 파운드리는 수십억 달러의 막대한 자본 투자와 설치에 상당한 시간이 필요합니다. 더욱이 이러한 파운드리는 제조 공정에도 시간이 걸리고 고가의 장비가 필요하기 때문에 빠른 속도로 칩을 생산할 수 없습니다. 이 모든 것이 어느 기업이든 업계에 진출하기 어렵게 만들고, 아무리 진출하더라도 큰 물고기와 경쟁하여 수익을 내기가 어려워집니다. 그렇기 때문에 반도체 칩 제조업체에 관해서는 시간이 지남에 따라 업계에서 엄청난 시장 점유율을 획득한 소수의 이름만 듣게 됩니다.

자주 묻는 질문

반도체 칩은 무엇으로 만들어지나요?

집적 회로(IC) 또는 마이크로칩이라고도 하는 반도체는 순수한 실리콘으로 만들어집니다.

반도체 칩의 최대 제조업체는 누구입니까?

대만의 TSMC는 반도체 칩의 최대 제조업체입니다.

투자하기 좋은 반도체 기업 베스트 5는?

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