– Pierwotnie miałem napisać, a nawet już pisałem o czymś innym, ale gorąca dyskusja na LinkedIn dotycząca sformułowania “fabryka półprzewodników” skłoniła mnie do zmiany tematu – oznajmił Grzegorz Kamiński. Zapraszamy do przeczytania poniższego artykułu:

W wielu publikacjach pojawia się sformułowanie “fabryka półprzewodników” w odniesieniu do fabryki przyrządów półprzewodnikowych, takich jak podzespoły dyskretne (diody, tranzystory) czy układy scalone (analogowe, cyfrowe, pamięci itd.). Mam tu na myśli fabrykę front-end. Bierze się to z tego, że w tekstach angielskojęzycznych taką fabrykę określa się jako “semiconductor fab” . Słowo „fab” nie jest od polskiego słowa fabryka, bo pełna nazwa brzmiałaby „semiconductor fabrication plant”. W dosłownym tłumaczeniu jest to zakład/fabryka produkcji półprzewodników. A przecież istotą niewłaściwości tego określenia jest fakt, że taka fabryka nie produkuje półprzewodników. Co ciekawe, dawniej w języku polskim też tak to tłumaczono. W czasach PRL fabryka, w której pracowałem nazywała się Fabryka Półprzewodników TEWA. Natomiast cały kompleks, razem z instytutem naukowym, zwał się Naukowo-Produkcyjne Centrum Półprzewodników CEMI. Istotą jest to, by czytelnik wiedział że “fabryka półprzewodników”  w rzeczywistości produkuje diody, tranzystory czy układy scalone, gdzie bazowym materiałem jest półprzewodnik. Półprzewodniki zaś to substancje, najczęściej krystaliczne, stosowane jako podstawowy materiał do wytwarzania wspomnianych powyżej przyrządów półprzewodnikowych.

Nie jest moim celem wyjaśnianie szczególnych właściwości półprzewodników. To można znaleźć w szeregu publikacji i podręczników, a podstawowe informacje są także tutaj : https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor . Do półprzewodników stosowanych w produkcji przyrządów półprzewodnikowych należy zaliczyć takie pierwiastki jak krzem Si, german Ge oraz szereg złożonych z dwóch lub większej liczby pierwiastków półprzewodników np. arsenek galu GaAs, arsenek indu i galu InGaAs. Ostatnio, ze względu na rozwój elektromobilności czy ogólnie energoelektroniki, bardzo szybko wdrażane do masowej produkcji są takie materiały jak węglik krzemu SiC czy azotek galu GaN. Ten drugi materiał jest używany także dla przyrządów niskonapięciowych w układach RF. Innym materiałem dla przyrządów pracujących w wysokich częstotliwościach jest SiGe (krzemogerman – nie wiem niestety, jaka jest poprawna polska nazwa tego materiału).

I tutaj chcę wrócić do fabryki przyrządów półprzewodnikowych, bo bardzo często, także ze względu na automatyzm tłumaczenia, określa się że fabryki te produkują tyle a tyle płytek półprzewodnikowych np. płytek krzemowych. To błąd. Fabryki te nie produkują płytek np. krzemowych, a tylko je przetwarzają, by z nich powstały wspomniane wyżej przyrządy półprzewodnikowe dyskretne lub układy scalone. Ten błąd bierze się z faktu, że wydajność takich fabryk określa się przez liczbę płytek, najczęściej krzemowych, jakie jest w stanie przetworzyć fabryka w określonym czasie, np. 100 000 płytek miesięcznie. Często, co ja określam słowem “przetworzyć” jest zastępowane słowami “produkować” lub “wyprodukować”.  Oczywiście do tej wydajności trzeba by jeszcze dodać średnicę tych płytek. W przypadku płytek krzemowych są to najczęściej średnice 6, 8 lub 12 cali. W przypadku SiC są to płytki 4 i 6-cio calowe, a nowe fabryki są gotowe zacząć produkcję na płytkach SiC 8 cali. Oznacza to, że TSMC, Samsung czy Infineon nie produkują płytek półprzwodnikowych. Czasami tak się zdarza, że producent podzespołów półprzewodnikowych produkuje także płytki. Często ta produkcja utrzymywana jest z przyczyn historycznych, np. u mojego ostatniego pracodawcy – firmy onsemi, gdzie płytki krzemowe Si były i dalej są produkowane w Rożnowie w Czechach. Produkcja ta zaspokaja bardzo małe ilości (<15%) wewnętrznych potrzeb onsemi.  Tak się w tym przypadku zdarzyło, że doświadczenia z produkcji płytek krzemowych zostały wykorzystane w produkcji płytek z węglika krzemu SiC. Taka sytuacja nie jest jednak typowa.

Kto zatem produkuje płytki półprzewodnikowe krzemowe?

Największym producentem płytek krzemowych jest japońska firma Shin-Etsu Chemicals, która wytwarza płytki od 1953 roku. Drugi producent jest także z Japonii – to istniejąca od 1999 roku firma Sumco. Kolejny jest z Tajwanu, powstał w 2011 roku i nazywa się GlobalWafers. To obecnie największy na świecie producent płytek 12 cali/300 mm. Numer cztery to niemiecka firma Siltronik AG, powstała w 1953 roku. Na piątym miejscu jest SK Siltron powstały w Korei Pd w 1983 roku. Wymienione firmy mają aż 92% udziału w rynku, z tego dwie japońskie ponad połowę.

Najwięksi producenci płytek półprzewodnikowych krzemowych i ich udział w rynku w roku 2018 ( zródło: SemiOrg)

Nazwy tych firm wielu czytelnikom nic nie mówią. To zupełnie inne firmy niż powszechnie znani producenci przyrządów półprzewodnikowych na bazie krzemu.

Całkowicie inna sytuacja powstała w przypadku drugiego materiału półprzewodnikowego, jakim jest węglik krzemu SiC, bardzo szybko znajdujący zastosowanie w energoelektronice (elektromobilność, magazyny energii, odnawialne źrodła energii itp.). Na poniższym wykresie widoczny jest udział w rynku podzespołów półprzewodnikowych na bazie węglika krzemu w roku 2023. Mamy tu podobną sytuację, ponieważ 5 największych firm ma ok. 92% rynku. Co ciekawe bardzo podobnie wygląda udział w rynku dostawców płytek z węglika krzemu SiC.

Najwięksi producenci przyrządów półprzewodnikowych z węglika krzemu SiC i ich udział w rynku w roku 2023 (źródło : TrendForce)

Własną produkcję płytek ma Wolfspeed, onsemi (po przejęciu firmy GTAT), ST (właściciel Norstel AB ) i Rohm (właściciel SiCrystal). Inni znaczący dostawcy płytek z węglika krzemu SiC to Cohernet Inc. (USA), Xiamen Powerway Advanced Material Co.(China).

Inne segmenty rynku płytek półprzewodnikowych są zbyt zróżnicowane (GaN czy materiały dla szeroko rozumianej fotoniki/optoelektroniki), by o nich pisać w tak krótkim tekście.

Mam nadzieję że teraz jest bardziej jasne, co produkują takie firmy jak TSMC, Infineon, TI, ST, onsemi i wiele innych, a kto produkuje płytki półprzewodnikowe, czyli ma fabrykę półprzewodników, jak w tytule. Jednak tu pojawia kolejny semantyczny problem. Wyżej wspomniane firmy produkują przecież płytki półprzewodnikowe, a nie półprzewodniki czyli materiał taki np. jak krzem Si. Dla firm produkujących diody, tranzystory czy układy scalone, materiałem “startowym”, od którego zaczyna się cały proces wytwórczy, są płytki półprzewodnikowe np. płytki krzemowe. Dla producentów płytek krzemowych jest to półprzewodnik, taki jak krzem Si. No i w tym miejscu powinienem odpowiedzieć na pytanie z tytułu tego artykułu. Muszę jednak napisać że nie wiem, kto produkuje półprzewodniki rozumiane dosłownie czyli np. krzem Si. Znalazłem tylko to https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_silicon_production, a ta informacja bazuje na informacjach służby geologicznej USA.

Najwięksi producenci krzemu i ich udział w rynku w roku 2023 (źródło : Statista i Wikipedia)

Chiny produkują aż 6000 tysięcy ton, co stanowi ponad 70% całej światowej produkcji. Na 15 miejscu jest Polska, która produkuje 42 tysiące ton. Dalej tego tematu nie będę rozwijał, bo za bardzo odejdziemy od zasadniczego tematu tego portalu, czyli elektroniki.

Na koniec taka językowa dygresja. Po polsku mówimy krzem i silikon, gdzie ten drugi to syntetyczny polymer wykorzystywany między innymi w budownictwie. Po angielsku mamy odpowiednio “silicon” i “silicone” co czasami prowadzi do nieporozumień.  Ach ten język!