15 人の業界専門家が容赦ない半導体問題とその修正について語る

リサ・エイテル著 | 2023 年 3 月 16 日

半導体製品は、世界中で感じられている新型コロナウイルスによるサプライチェーンの問題により、他の製品よりも大きな影響を受けました。国際的な政治的緊張は問題を長期化し、悪化させるだけだ。

リサ・エイテル著 | 編集長

現代のあらゆるガジェット、車両、スマートデバイス、家電製品には豊富な半導体が散りばめられており、今日最も価値のある先進的な電子製品の特徴である処理能力という特異な機能を提供しています。新型コロナウイルスによって明らかになった問題は、半導体業界が国際的でありながら多様化していない性質によって、現在、世界中のさまざまな問題に対してどのように脆弱になっているかということです。

ABB Robotics は Easy Field Corporation (EFC) と協力して、ステーションと IRB 4600 を接続して生産能力を高めるクリーンルーム IRB 1200 ロボットを採用した半導体開梱装置を設計しました。バーコードスキャナーでラベル情報を確認します。次に、IRB 4600 ロボットが 1 つのフロントオープニング輸送ボックス (FOSB) を窒素充填ステーションに移送します。

多くの場合、ヨーロッパでは少数の企業がチップ処理を行っています。カリフォルニアと日本でチップ処理機械を製造。東南アジアでのチップテスト。中国で最終製品への組み立て（該当する場合）が行われます。現在、懸念が高まっているのは、全半導体の半分以上、先端半導体の90％以上が台湾という小さな島国でどのように製造されているかということだ。台湾積体電路製造 (TSM) を含む台湾の製造工場 (ファブまたはファウンドリ) は、世界の全半導体の半分以上と、ほぼすべての先進的な半導体チップ (極度に小型化された機能を特徴とする) を供給しています。しかし、中国が台湾を省として主張する可能性が差し迫っており、この業界が脅かされる可能性がある。

ABB IRB 1200 は、超音波カッター (粉塵が発生しない) を使用して、FOSB が入っているアルミニウム袋をスライスします。次に、クリーンルームロボットが処理中のボックスを別の IRB 1200 ステーションに渡します。ロボットアームが半導体製造廃棄物を集中ステーションに渡すため、積み込みと積み下ろしがより迅速に行われます。画像: ABB

緊張の高まりには、中国の通信・電子機器大手ファーウェイに対する米国のソフトウェアや技術の採用を制限するトランプ政権時代の制裁やバイデン政権時代の制裁、2022年の半導体生産に役立つインセンティブの創設（CHIPS）や科学法などが含まれる。後者は、半導体の研究開発と商業化（2000億ドル）を含む、米国に対する今後10年間の協調支出として2800億ドルを指定している。製造および労働力開発（527億ドル）。そしてチップ生産税額控除（240億ドル）。この法律は、2022 年 12 月に欧州連合の欧州理事会によって正式に採択された CHIPS 法に似ています。これらの取り組みに関する Design World のパネリストの意見を読んでください。

ジャスティン・ラッキー | プロダクトマネージャー — システム • Bosch RexrothKelly Walden | 製造担当副社長 • Bishop-Wisecarver Corp.Jonathan Schroeder | エグゼクティブ VP • PBC LinearPamela Kan | 社長兼オーナー • Bishop-Wisecarver Corp.Richard Johannes | エンジニアリングおよびイノベーション担当ディレクター • LEMO USASteven Lassen | 製品およびアプリケーションマネージャー • LEMO USATom Schroeder | エグゼクティブバイスプレジデント • PBC LinearAndy Zaske | 販売およびマーケティング担当副社長 • TolomaticBoaz アイデルバーグ | CTO • SAAR Inc.Nathan Andaya| ディレクター — Techline 戦略ビジネスユニット • LINAK USCamilo Orjuela | 業界セグメントマネージャー – 半導体および太陽光発電 • Bosch Rexroth Corp.Chris Gumas | マーケティング担当ディレクター • Ruland ManufacturingMike Beasley | 米国の半導体生産 • maxonAndrew Jung | エンジニアリングディレクター • Bishop-WisecarverChris Gottlieb | ディレクター — ドライブとコントロール • Kollmorgen

ラッキー: 半導体市場は2023年に向けて横ばいでスタートしますが、特に政府の奨励金が米国の需要予測を押し上げているため、今後数か月で2024年に向けて大幅な増加が見込まれています。とはいえ、当社は依然として半導体ツール製品の世界的なサプライヤーとして、アジア太平洋地域での存在感を維持しています。

ウォールデン: 私は製造業への投資を奨励しながら、世界経済において米国に戦略的および防衛的優位性を与えるという政府によるほとんどの取り組みを支持します。

オルジュエラ氏: 半導体設計の複雑化に加え、あらゆる市場セグメントからの半導体需要の急速な増加により、ファブオペレーターやツールビルダーは、コストを抑えながらより高度な生産を行うことが大きな課題となっています。コストが高騰する中、半導体製造施設の建設だけでも 150 億ドルから 200 億ドルの費用がかかると推定されているため、チップメーカーはジレンマに直面しています。より多くのツールを購入して工場を拡張するべきでしょうか、それとも、より適応性が高く効率的な自動化テクノロジを使用してスループットを向上させる方法を見つけるべきでしょうか?

アイデルベルク: ほとんどの工場は台湾、日本、中国、米国、ドイツで操業しており、何十年も事業を続けています。課題は、製造センターの建設と運営に数十億ドルの費用がかかり、運営には高度なスキルを持った従業員が必要であることです。さらに、主要な半導体製造プロセス (リソグラフィーを含む) では、地震活動、空港の騒音、通過する列車、高速道路の交通、および現地の処理装置による外乱から保護する必要がある非常に精密な機械が使用されています。

既存の海外製造施設と競争するには、AI/ML 技術を使用した革新的な製品開発に力を入れている大学や半導体装置メーカーを米国の資金が支援すべきだと私は考えています。最終的には、不確実な製造環境に応じて、製造プロセスが自律的にリアルタイムの意思決定を行えるようになります。 IoT、5G、クラウド、そしておそらく暗号通貨システムは、市場投入までの時間、信頼性、品質、生産性、コストを向上させるために、このような自律運用を補完する可能性があります。

アプライドマテリアルズの新しい Centura Sculpta パターニングテクノロジを使用すると、チップメーカーは高性能トランジスタを作成し、単一の操作可能な極端紫外リソグラフィ (EUV) パターンで配線を相互接続できます。つまり、この技術は、ダブルパターニングによる微細な結果を、より低コストで、より複雑で、環境への影響を抑えながら実現することを目指しています。これは、半導体製造における最近の発展の一例にすぎません。画像: アプライドマテリアルズ

Gumas: Ruland 製品は、世界最大の半導体装置メーカーのほとんどで使用されています。米国および欧州企業の新しい機器の設計は主にこれらの市場で行われ、最終生産は通常中国で行われます。製造業の一部が米国に移転しても、当社にとって直接的なメリットはありません。まもなく米国で製造される可能性のある装置には、すでに Ruland などのメーカーのハイエンドコンポーネントが使用されています。

とはいえ、国内製造業者として、米国が製造部門のどの部分にも投資することを嬉しく思います。過去30年間、産業界と政府の両方が資金不足であった業界を支援するために必要なさまざまな業界の成長を刺激する可能性が高い。

T. シュローダー: 政府は国内の半導体製造と開発への投資に積極的な一歩を踏み出しました。これらの工場の建設と設備のために、数十億ドルが米国市場に流入することになる。注意すべき点は、これらの工場が大量に生産できるようになるまでに何年もかかるということです。さらに、バイデン政権が同時に中国への半導体輸出制限を課したことにより、米国の半導体市場には代替する需要のない供給が残されている。

カン：この展開は嬉しいのですが、少し近視眼的な感じもします。 CHIPSおよび科学法は良い第一歩だが、政府は新型コロナウイルスの経験から、サプライチェーンの多くの重要な分野が米国ではもはや実行不可能であることを学ぶべきだった成長とイノベーションを促進するには、より包括的なアプローチを採用する必要がある米国の産業市場の。

アンダヤ氏: 半導体製造を米国に委託すれば、中国に製造パートナーを持つことに伴うリスクが軽減されます。最大の注意点は、価格に関する影響です。

Gottlieb: Kollmorgen は半導体を使用しており、半導体サーボモーションコントロール市場に販売しています。この市場では、品質、プログラミングの容易さ、最適化された電力とモーション出力がすべて重要です。半導体製造の物理的な場所の多様化は、モーションコントロール業界全体にとって有益であり、当社製品に使用される産業用半導体の供給の安定性を向上させるのに役立ちます。

2022 年第 3 四半期に法律に署名された CHIPS は、すでに半導体の研究と製造の取り組みを促進しています。すべてが順調に行けば、アリゾナ州の2つのTSM工場が来年4nmチップの生産を開始し（Apple向けを含む）、2年後には先進的な3nmチップの生産が続く予定である。前述したように、プロセスは非常に複雑です。多くの場合、独自のソフトウェアで設計されたチップの設計図は、人工ガスを使用して特殊なシリコンウェーハ上で実行されるために、地球の裏側からやって来る可能性があります。

菅：チップ製造工程では、製品を高温領域に運ぶために当社の特殊なリニアベアリングが使用されています。

T. Schroeder: 当社は、シリコンウェーハ製造装置の直線運動用に精密研磨されたブライトバーとサポートレールを提供しています。

ザスケ氏：私たちは半導体製造のオンショアリングを全面的にサポートしています。 Tolomatic 製品は、信頼性、安定性、精度が歩留まりと品質に大きな違いをもたらすウェーハ成長プロセスで使用されます。当社のミネソタ州の製造拠点は、リードタイムの短縮、特定用途向けの製品変更、および北米の設計エンジニアへの迅速なアクセスを可能にします。

ラッキー: より大きなシステムやサブアセンブリに組み込まれるコンポーネントの製造は、半導体ツール製造における当社のフットプリントの拡大に役立ちました。現在、さまざまな半導体製造プロセスにリニアボールレールシステムやボールねじ駆動システムを供給しています。これらには、ウェーハ製造およびリフトシステム、ウェーハツール搬送システム、ウェットベンチ、材料蒸着装置、エッチングおよび化学プロセス機械が含まれます。当社のリニアガイドおよび駆動技術は、標準カタログ製品およびリニアモジュールにも組み込まれています。

当社が半導体ツール向けに供給しているリニアモジュールの種類は、統合リニアガイダンスを備えた PSK 精密モジュールやデュアルボールレールガイダンスを備えたコンパクトモジュール (CKK) などのボールねじ駆動モジュールがほとんどです。一部の少量プロジェクトでは、デュアルレールガイダンスを備えた CKR コンパクトベルトドライブモジュールが採用されています。これらの設計では、コンパクトさと精度はアプリケーションにとってそれほど重要ではありません。

当社の標準カタログ製品以外にも、設計エンジニアと提携して、仕様に合わせて設計されたカスタムサブアセンブリを提供します。これらには、当社の標準ボールレールシステム、ボールねじドライブ、および (新しいツール設計では) ロータリーモーターとリニアモーターが統合されています。

画像: Dreamstime • Kittipong Jirasukhanont

ウォールデン: Bishop-Wisecarver の製品は、そのスムーズな動作と高品質な製品のおかげで、幅広いウェーハ製造装置や半導体製造装置で使用されています。

Jung: 当社のコンポーネントは、クリーンな環境が必要とされる半導体業界の需要の増大に対処するのに非常に適しています。ウェーハ製造などの装置の継続的な稼働は非常に重要です。半導体製造プロセス中の故障は高額な損失につながる可能性があるためです。

非常に精密な動作装置が、半導体の詳細を切断、エッチングし、シリコンウェーハに堆積させてから、完成したチップを搬送します。

Orjuela: 今日のチッププロセスは複雑であるため、ウェーハの搬送は可能な限り安定して振動のないように厳密に制御する必要があります。そうしないと、振動によって粒子が発生し、ウェーハを汚染したり、ウェーハの形状に微細な傷が発生する危険性があります。同時に、ウェーハの搬送が遅すぎると、生産性が低下し、コストが上昇します。当社は、多くのフロントエンドウェーハハンドリングアプリケーションのモーションコントロールの課題を解決するための深い専門知識を開発してきました。当社のクロステクノロジーポートフォリオは、オープンアプリベースのコントローラー、半導体ツールアプリケーション用に特別に開発されたコンパクトなサーボドライブ、振動のない正確な動作を提供するように設計されたリニアテクノロジーシステムを組み合わせています。

このポートフォリオを使用して、要求の厳しい半導体製造のモーション制御、効率、スループット要件に対応するテクノロジーを組み込んだカスタムメカトロニクスアセンブリを作成します。これらの事前に設計およびテストされたアセンブリは、ツールビルダーがシステムを完成させ、より迅速にチップメーカーに提供するのに役立ちます。また、ファブオペレーターがプロセスを合理化し、スムーズで正確な動きとナノスケールの位置決めを達成するのに役立ちます。

ボッシュレックスロスは、多くのフロントエンドウェーハハンドリングアプリケーションのモーション制御の課題に対処します。

ヨハネス氏: LEMO には、半導体製造装置に必要なネットワーク、制御、ビデオシステムで使用される相互接続製品がいくつかあります。これらの製品は、必須の環境隔離を維持しながら、機器のさまざまなセグメントをブリッジするための密閉接続を提供します。接続アプリケーションには、蒸着、イオン注入、エッチング、化学機械研磨 (CMP) が含まれます。

LEMO のハイブリッド構成は、シングルモードファイバー、高電圧、および低電圧の要素を同じ頑丈なハウジング内に統合します。

ラッセン氏: 半導体製造装置の多くのセンサーやコネクタはクリーンルーム環境で動作します。場合によっては、これらのコンポーネントのコネクタをクリーンルーム内でケーブルに組み立てる必要があるため、はんだ付けが困難になります。この問題を回避するには、圧着端子を使用することで空気汚染によるはんだ煙を排除します。

半導体アプリケーションでは、頑丈でコンパクトなコネクタを介してヒーターの電力と温度の測定値を送信することもできます。コネクタは簡単に素早く接続および取り外しができます。さらに、同じコンパクトで頑丈なコネクタハウジング内に、タイプ K または J の熱電対コンタクトを、信号や電源、さらには光ファイバーとともに収容することができます。

残念ながら、半導体製造の一部の高真空環境では、冷間圧接と呼ばれる状態が発生する可能性があります。これは、同じ金属材料で作られたコネクタセットの嵌合部分が真空にさらされ、(時間の経過とともに) 2 つの部分が内部コンポーネントが接触する部分で溶接される場合です。冷間圧接では、分離が困難または不可能になる可能性があります。この問題を解決するために、LEMO は異なる金属の半分を使用したコネクタを提供しています。

Beasley: 当社は、半導体市場で最も要求の厳しいモーション制御アプリケーション向けに、コスト効率の高いソリューションを提供しています。マクソンは業界リーダーと協力し、モーションとアプリケーションの知識を活用して、コンパクトな回転およびリニアブラシレスDCサーボドライブと制御装置を採用した正確なシステムを提供しています。半導体製造の中心となるのは、高価で繊細なウェーハそのものです。ウェーハは、原料から回路チップの最終製品までの持ち上げ、位置決め、保持、エッチング、研磨、検査などの複数の自動プロセスを経て迅速に移動され、厳しいサイズ制約内で最大のスループットと精度を実現します。

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