מפעל ייצור מוליכים למחצה

מפעל ייצור מוליכים למחצה (באנגלית: Semiconductor fabrication plant), מוכר בשם FAB או פאב (קיצור של fabrication plant) או מפעל שבבים, הוא מפעל בתעשיית המיקרואלקטרוניקה שבו מיוצרים מעגלים משולבים (ICs). החדר הנקי (cleanroom) הוא המקום שבו מתבצעת כל הפעילות הייצורית, והוא מכיל מכונות לייצור מעגלים משולבים, כגון צעדנים (steppers) או סורקים (scanners) לפוטוליטוגרפיה, חריצה, ניקוי והטבעה. כל המכשירים הללו מדויקים ביותר ולכן יקרים ביותר. מחירי ציוד לעיבוד פרוסות בקוטר 300 מ"מ מתחילים ב-4 מיליון דולר ליחידה, כאשר חלק מהמכשירים מגיעים עד 340 מיליון דולר (למשל, סורקי EUV). מפעל טיפוסי מכיל מאות פריטי ציוד. חברת TSMC השקיעה 9.3 מיליארד דולר במפעל Fab15 שלה בטאיוואן. הערכות החברה מצביעות על כך שמפעל עתידי עשוי לעלות 20 מיליארד דולר.

בשנות ה-90 של המאה ה-20 התפתח דגם ה-foundry: חברות שמחזיקות במפעלים לייצור העיצובים שלהן נקראו יצרני מכשירים משולבים (Integrated Device Manufacturers - IDM). חברות שלא ייצרו את העיצובים שלהן נקראו חברות מוליכים למחצה ללא מפעל (fabless semiconductor companies). מפעלי foundry שלא פיתחו עיצובים משלהם נקראו מפעלי foundry טהורים (pure-play semiconductor foundries).

בחדר הנקי הסביבה נשלטת כדי למנוע כל אבק, שכן אפילו גרגר אבק אחד עלול להרוס מיקרו-מעגל, שבעל תכונות בקנה מידה ננו גדולות בהרבה מגודלו. החדר הנקי חייב להיות מבודד מפני רעידות כדי לאפשר יישור בקנה מידה ננו של מכונות הפוטוליטוגרפיה, ויש לשמור עליו בטווחים צרים של טמפרטורה ולחות. שליטה ברעידות עשויה להיות מושגת באמצעות עמודי תמך עמוקים ביסודות חדר הנקי שמעגנים אותו לסלע הבסיס, בחירת אתר בנייה זהיר, או שימוש במגנים מפני רעידות. שליטה בטמפרטורה ולחות חיונית להפחתת חשמל סטטי. ניתן להשתמש גם במקורות פריקה קורונלית (אנ') להפחתת חשמל סטטי.

לרוב, מפעל בנוי במבנה הבא (מלמעלה למטה): הגג, שעשוי להכיל ציוד לטיפול באוויר ששואב, מטהר ומקרר אוויר חיצוני; מרחב אוויר (air plenum) להפצת האוויר ליחידות מאוורר-מסנן מותקנות ברצפה, שהן חלק מתקרת החדר הנקי; החדר הנקי עצמו, שעשוי להיות בעל יותר מקומה אחת; מרחב אוויר חוזר (return air plenum); תת-מפעל נקי (clean subfab) שעשוי להכיל ציוד תמיכה למכונות בחדר הנקי, כגון מערכות אספקת כימיקלים, טיהור, מיחזור והשמדה; וקומת הקרקע, שעשויה להכיל ציוד חשמלי. מפעלים מכילים לעיתים קרובות גם חללי משרדים.

היסטוריה

בדרך כלל, התקדמות בטכנולוגיית ייצור שבבים דורשת בניית מפעל חדש לחלוטין. בעבר, הציוד להקמת מפעל לא היה יקר במיוחד והיו מפעלים קטנים רבים שייצרו שבבים בכמויות קטנות. עם זאת, עלות הציוד העדכני ביותר גדלה עד כדי כך שבניית מפעל חדש עשויה לעלות מספר מיליארדי דולרים. תופעת לוואי נוספת של העלות היא האתגר בשימוש במפעלים ישנים יותר. עבור חברות רבות, מפעלים אלה שימושיים לייצור עיצובים לשווקים ייחודיים, כגון מערכות משובצות מחשב, זיכרון הבזק ומיקרו-בקרים. עם זאת, עבור חברות עם קווי מוצרים מוגבלים יותר, לעיתים קרובות עדיף לשכור את המפעל או לסגור אותו לחלוטין. זאת בשל הנטייה של שדרוג מפעל קיים לייצור מכשירים הדורשים טכנולוגיה חדשה להיות גדולה מעלות מפעל חדש לחלוטין.

ישנה מגמה לייצר פרוסות גדולות יותר, כך שכל שלב עיבוד מתבצע על מספר גדול יותר של שבבים בבת אחת. המטרה היא לפזר עלויות ייצור (כימיקלים, זמן מפעל) על מספר גדול יותר של שבבים למכירה. בלתי אפשרי (או לפחות לא מעשי) להתקין מחדש מכונות כדי להתמודד עם פרוסות גדולות יותר. זה לא אומר שמפעלים המשתמשים בפרוסות קטנות יותר בהכרח מיושנים; מפעלים ישנים יותר יכולים להיות זולים יותר להפעלה, בעלי תפוקה גבוהה יותר לשבבים פשוטים ועדיין פרודוקטיביים. התעשייה שאפה לעבור מגודל פרוסה מתקדם של 300 מ"מ (12 אינץ') ל-450 מ"מ עד 2018. במרץ 2014, אינטל ציפתה להטמעת 450 מ"מ עד 2020. אך ב-2016, מאמצי מחקר משותפים בתחום הופסקו.

בנוסף, יש דחיפה גדולה לאוטומציה מלאה של ייצור שבבי מוליכים למחצה מקצה לקצה. זה מכונה לעיתים קרובות "מפעל ללא אורות" (lights-out fab). יוזמת הייצור הבינלאומית של סמטק (International Sematech Manufacturing Initiative - ISMI), הרחבה של קונסורציום SEMATECH האמריקאי, מקדמת את יוזמת "300 מ"מ פריים". מטרה חשובה של יוזמה זו היא לאפשר למפעלים לייצר כמויות גדולות יותר של שבבים קטנים יותר כתגובה למחזורי חיים קצרים יותר הנראים באלקטרוניקה צרכנית. ההיגיון הוא שמפעל כזה יכול לייצר סדרות קטנות יותר בקלות רבה יותר ויכול להחליף ייצורו ביעילות כדי לספק שבבים למגוון מכשירים אלקטרוניים חדשים. מטרה חשובה נוספת היא להפחית את זמן ההמתנה בין שלבי עיבוד.

בישראל

ערך מורחב – תעשיית השבבים בישראל

בשנת 1980 החלה חברת אינטל בהקמת מפעל Fab 8 בירושלים. המפעל נסגר בשנת 2008 בשל התיישנותו, אולם לאחר הקצבת מענקים מממשלת ישראל, נפתח בשנית בשנת 2009, כמפעל לקדם-זיווד שבבים (Die-Prep). באפריל 2016 הודיעה החברה על סגירת המפעל עד סוף השנה. בשנים 1996–1999 הקימה אינטל מפעל בפארק התעשייה קריית גת, בשם Fab 18. בשנת 2006 באותו מתחם בקריית גת פתחה החברה מפעל נוסף בשם FAB 28 שהוא מפעלה העיקרי בישראל עד היום.

בשנת 1984 הונחה אבן הפינה למפעל היצור של חברת "נשיונל סמיקונדקטור" במגדל העמק. רשות ההשקעות סייעה לחברה בבחירת המיקום של המפעל במגדל העמק ובהשגת התמריצים להשקעות שהיו מקובלים באותה תקופה כולל קבלת תמיכה בהכשרת עובדים ישראלים למפעל החדש במפעלי החברה בארצות הברית. בשנת 1993, על רקע משבר עולמי בתעשיית המעגלים המשולבים, החליטה נשיונל סמיקונדקטור לסגור את המפעל במגדל העמק, אך הסגירה נמנעה לאחר ש"החברה לישראל" רכשה אותו תמורת 250 מיליון דולר והקימה אותו כחברה עצמאית בשם טאואר סמיקונדקטור. בשנת 2001 החלה הקמתו של מתקן ייצור חדש, "פאב 2", המייצר מעגלים משולבים על גבי פרוסות סיליקון בקוטר של 8 אינץ' (200 מ"מ), בטכנולוגיות 0.18-0.13 מיקרון. בניית המתקן הושלמה בשנת 2003. בפברואר 2024 הודיעה החברה על סגירת פאב 1, מפעל השבבים הראשון שלה במגדל העמק, מחמת התיישנותו.

לקריאה נוספת

Brown, Clair; Linden, Greg (2005). Chips and Change: How Crisis Creates Fresh Opportunities for Semiconductor Innovation. MIT Press. ISBN 978-0-2622-5806-7.
Doering, Robert; Nishi, Yoshio, eds. (2007). Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, Second Edition. CRC Press. ISBN 978-0-8493-7519-6.