گازهای تخصصی [۱]، معمولاً، به عنوان قلب تپنده‌ی صنعت التکرونیک و تولید صنعتی نیمه‌رساناها محسوب می‌شوند. این گازها چهار کاربرد مهم در فرایند تولید تراشههای نیمه‌رسانا دارند؛ درنتیجه، بازار جهانی گازهای تخصصی مستقیماً با دسترسی‌پذیری و ظرفیت فناوری‌هایی مرتبط است که امروزه استفاده می‌کنیم.
وبینار « گازهای تخصصی در سال ۲۰۲۳ » امروز، هفتم ژوئیه، برگزار شد. در این وبینار، مایک کوربت[۲]، شریک مدیریتی شرکتِ Linx Consulting، با نشریۀ gasworld سخن گفت و به چالش‌ها، فرصت‌ها، و رشد آینده‌ی این صنعت پرداخت.
شرکت Linx Consulting در سال ۲۰۰۵ آغاز به کار کرد و هدف تأسیس آن همکاری با تأمین‌کنندگان اقلام و مواد شیمیایی الکترونیکی بود. این شرکت، علاوه بر همکاری با اعضای پایین‌دستیِ زنجیره‌ی ارزش، با تأمین‌کنندگان بالادستیِ اقلام و مواد شیمیایی نیز همکاری دارد.
کوربت ارزش بازار گاز خاص در سال ۲۰۲۲ را ۵٫۳ میلیارد دلار عنوان کرد و توضیح داد که، درحال حاضر، این بازار دوره‌ی رکود را می‌گذراند.
« امسال با کمی رکود مواجه هستیم، اما بیشتر تقاضا برای گازهای تخصصی الکترونیکی مربوط به صنایع نیمه‌رسانا است. تقریباً سه‌چهارمِ تقاضا مربوط به صنایع نیمه‌رسانای سیلیسیم بوده و این روند در پنج تا ده سال گذشته افزایشی بوده است. »
حدود ۸۰ درصد از کل حجم تقاضای گازهای تخصصی الکترونیکی مربوط به نیمه‌رساناها است.
« در واقع، بیشتر حجم تقاضا را تعداد محدودی از عوامل ایجاد می‌کنند. یکی از این عوامل مفهوم تغییرمقیاس عمودی است که در آن تعداد لایههای دستگاه درحال افزایش است. پیچیدگی دستگاه نیز نقش عمده‌ای در این امر دارد. »
کوربت افزود: «۲۰ سال پیش، تولید ادوات نیمه‌رسانا یا ویفرهای پردازنده صد یا چندصد مرحله داشت؛ امروز این عدد می‌تواند به بیش از هزار برسد. »
« بنابراین، پیچیدگیِ فنی در حال افزایش است، و اکنون زمانی بسیار مهم برای تمرکز بیشتر گازهای تخصصی الکترونیکی در صنایع نیمه‌رسانا است. »
نگاهی بر بازار
بخش‌بندی این بازار، به‌طورکلی، بر اساس گروه‌های مختلف گازها و کاربرد آن‌ها است؛ اما به‌طورکلی، کاربرد اغلب این گازها در صنایع نیمه‌رسانا در فرایندهای مبتنی بر خلاء خواهد بود. فرایند زدایش، لایه‌نشانی، کاشت، لایههای رشد رونشستی، پردازش حرارتی، و چند کاربرد در طرح نگاری از جمله موارد استفاده‌ی این گازها در فرایندهای مبتنی بر خلاء هستند.
کوربت توضیح داد: « گازها را در گروه‌های خاصی بخش‌بندی می‌کنند. یکی از این گروه‌ها گازهای نوعِ HFC ( هیدروفلوئوروکربن ) هستند که کاربرد اصلی آن ها در زدایش است؛ گازهای زیادی نیز بر پایه‌ی سیلیسیم هستند که کاربردهایی در لایه‌نشانی دارند. »
گروه‌های دیگر عبارت‌اند از گازهای آلایشی، که جهت اصلاح خواص ادوات نیمه‌رسانا به کار می‌روند، هیدروکربن‌ها، که برای لایه‌نشانیِ لایههای نازک با پایه‌ی کربنی استفاده می‌شوند، و گازهای با پایه‌ی نیتروژن، که آن‌ها نیز در بسیاری از فرایندهای لایه‌نشانی کاربرد دارند.
گازهای خاص در بخش‌هایی کلیدی از فرایند تولید نیمه‌رساناها به کار می‌روند.
همچنین، صنایع نیمه‌رسانا بزرگ‌ترین مصرف‌کننده‌ی جهانیِ گازهای کمیابی مثل زنون، کریپتون، و نئون هستند. ادامه‌ی این روند در آینده پیش‌بینی می‌شود.
مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین محصول گازی، تا به امروز، NF3 بوده است. این گاز در تمیز کردن اتاقک در صنایع نیمه‌رسانا و نیز در صنعت نمایشگر صفحه‌تخت استفاده می‌شود.
از نظر حجم عرضه، شرکت‌های گازیِ صنعتی و بزرگ معمولاً موقعیت‌هایی قوی در بازار دارند. بازار گازهای کمیاب رشد زیادی داشته است؛ درنتیجه، موقعیت شرکت‌های Linde و Air Liquide، که بازیگران اصلی بازار هستند، با رشد روبه‌رو بوده است. در همین حال، اعتبار شرکت‌هایTaiyo Nippon Sanso و Matheson نیز، به عنوان مهم‌ترین تأمین‌کنندگان، روبه افزایش است.
« ازطرفی دیگر، چند شرکت گاز تخصصی مانند Merck و EMD Electronics در بازار وجود دارد. شرکت SK Materials، در کره‌ی جنوبی، سبدی گسترده ایجاد کرده است، و در ژاپن، شرکت KDK حضوری قدرت‌مند دارد. »
« شاهد بازیگران نوظهوری از بازار چین هستیم. فعالیت بسیاری از این شرکت‌ها به منظور تأمین بازارهای محلی است؛ اما به طور روزافزونی در حال ورود به فضای نیمه‌رسانای سیلیسیم هستند. »
دوره‌ی رکود و بازیابی بالقوه‌ی بازار
با وجود ظرفیت عظیم صنعت گازهای تخصصی، بازار نیمه‌رسانا، تا به این نقطه از سال ۲۰۲۳، «سالی رکودی» را تجربه کرده است. برای تعیین وضعیت بازار، شرکت Linx شاخصی کلیدی را به نام MSI (میلیون اینچِ مربعِ فرایند سیلیسیم) رصد می‌کند.
کوربت بیان داشت: « امسال شاهد سالی رکودی هستیم؛ به طوری که فرایند سیلیسیمِ کُل، حدود ۱۰ درصد، کاهش یافته است. این موضوع بازار گاز خاص را، در سال ۲۰۲۳، به سمت رکود می‌راند و احتمالاً تا اوایل سال ۲۰۲۵، شاید بازیابی به سطح سال ۲۰۲۲ نخواهیم بود. »
با این وجود، این شرکت همچنان شاهد بیشترین نواحی رشد در این صنعت و در بازار نیمه‌رسانای سیلیسیم است و -در میان انواع محصولات- بخش بزرگی از حجم تقاضا مربوط به گازهای زدایشی از نوع HFC است.
« به باور ما، بازار برخی از گازهای کمیاب همچنان رشد خواهد کرد. بسیاری از گازهای لایه‌نشانی نیز به رشد خود ادامه خواهند داد. »
گذاری قابل‌توجه در حدود ۵ یا ۶ سال پیش مشاهده شد. در آن زمان بخش حافظه‌ی غیرفرّار از ساختاری ۲ بعدی به ساختاری ۳ بعدی روی آورد و درنتیجه، تقاضا برای بسیاری از گازها بالا رفت.
از دیدگاهی جغرافیایی، قانون تراشه‌ها[۳] اخبار و هیجان بسیاری ایجاد کرده است…
انتظار می‌رود تا انتهای این دهه، حافظه‌ی تصادفی پویا[۴] ( نوعی فناوری حافظه‌ی فرّار )، گذاری مشابه را تجربه کند. این امر انتظار افزایشی شدید را در تقاضا برای گازهای لایه‌نشان، در آن زمان، ایجاد می‌کند.
کوربت بیان داشت: « از دیدگاهی جغرافیایی، قانون تراشه‌ها[۵]، در آمریکا و اروپا، اخبار و هیجان بسیاری ایجاد کرده است، و در هر دوی این مناطق، ظرفیت‌های جدید بسیاری در زمینه‌ی تولید نیمه‌رساناها در راه است. »
این رشد در سراسر آسیا نیز، در تمامی نواحی کلیدیِ تولید، در حال وقوع است؛ به طوری که، رشد ظرفیت در کره‌ی جنوبی، تایوان، ژاپن، و چین ادامه دارد.
چالش‌های پیش‌رو
هرچند فرایند جهانی‌شدن محرکی کلیدی برای صنایع نیمه‌رسانا بوده، مشکلاتی را نیز در ارتباط با سرمایه‌گذاری هم‌زمان در چند ناحیه ایجاد کرده است؛ این امر تأمین‌کنندگان را در انتخاب محل برای قراردادن ظرفیت‌های جدید با چالش روبه‌رو می‌کند.
« از نظر ظرفیت گاز، بسیاری از سرمایهگذاریهای جدید در آسیا انجام شده است؛ و حالا تأمین‌کنندگان‌شان مجبور خواهند شد در مناطقی سرمایه‌گذاری کنند که احتمالاً، طی چند دهه‌ی گذشته، تنها سرمایهگذاریهای افزایشی در آن‌جا داشته اند. آمریکای شمالی مثالی از چنین مناطقی است. »
کوربت به یک سرمایه‌گذاریِ شرکت Merck اشاره کرد که اطلاعات آن تا حد زیادی در دسترس عموم قرار گرفته است. این سرمایه‌گذاری به تزریق ۳۰۰ میلیون دلار در پنسیلوانیا مربوط است. به گفته‌ی کوربت، با دوبرابرشدن تقاضای گاز در مناطقی مانند آمریکای شمالی، سرمایهگذاریهای بیشتری مورد انتظار است.
موضوع پایایی و کاهش هدف‌مند گازهای گلخانه‌ای (GHG)، چالشی دیگر برای این صنعت است.
این صنعت و بسیاری از تولیدکنندگان فناوری، به طور گسترده‌ای، از گازهای زدایشی، مانند HFCها و FCها، استفاده می‌کنند. گازهای HFC، به دلیل طول عمر بالا در جو و جذب تابش فروسرخ، نوعی گاز گلخانه‌ای پرتوان محسوب می‌شوند.
توانِ پنج مورد اول از پرمصرف‌ترین HFCها ( به عنوان گازهایی گلخانه‌ای ) بین ۱۵۰ تا ۵۰۰۰ برابرِ CO2 است.
اثرات محیط‌زیستیِ HFCها
هدف تولید HFCها جایگزینی مواد کاهش‌دهنده‌ی لایه‌ی اوزون در استراتوسفر بود. چنین موادِ کاهش‌دهنده‌ی لایه‌ی اوزون، هم‌اکنون به طور تدریجی، در حال حذف‌شدن هستند. به عنوان گازهایی گلخانه‌ای، HFCها گازهایی بسیار قدرت‌مند اند و تعداد قابل توجهی از آن‌ها آلاینده‌های اقلیمی با عمر کوتاه هستند، که طول عمر آن‌ها در جو بین ۱۵ تا ۲۹ سال است.
به گفته‌ی ائتلاف اقلیم و هوای پاک[۶]، HFCها تنها یک درصد از کل گازهای گلخانه‌ای را تشکیل می‌دهند؛ اما اثرات آن‌ها بر گرمایش جهانی می‌تواند صدها تا هزاران مرتبه بیشتر از CO2، به ازای واحد جرمی، باشد.
با فرض عدم وضع قوانین جدید، پیش‌بینی می‌شود که مصرف HFCها تا سال ۲۰۲۰ دو برابر شود؛ و انتشار این گازها می‌تواند به طور چشمگیری منجر به پدیده‌ی اجبار تابشی در جو، تا میانه‌ی این قرن، شود.
کوربت توضیح داد: « جایگزینی کامل بسیاری از این گازها و بهبود محیط‌زیست از طریق محدودکردن مصرف‌شان بسیار دشوار خواهد بود. بنابراین، مبحث پایایی تمرکز بسیاری بر گازهای فلوئوردار دارد.
یک نگرانی کلیدی دیگر مربوط به زنجیرههای تأمین در بازاری است که روزافزون جهانی‌تر می‌شود. از تاریخ ۱ اوت ۲۰۲۳، صادرکنندگان چینیِ گالیم، ژرمانیم- دو عنصر حیاتی برای تولید تراشههای نیمه‌رسانا- و برخی ترکیبات شیمیایی مرتبط باید، پیش از صادرات این مواد، از وزارت بازرگانی چین (MOFCOM) گواهی صادرات دریافت کنند.
چنین حرکتی احتمالاً برای گستره‌ای از تولیدکنندگان فناوری در غرب آسیب‌زا خواهد بود؛ زیرا از این عناصر برای تولید محصولات‌شان استفاده می‌کنند.
با توجه به تحقیقات دانشگاه بیرمنگام، این حرکت، به گفته‌ی برخی، در پاسخ به محدودیت‌های اعمال‌شده از جانب غرب بر تجهیزاتی است که برای ساخت ادوات نیمه‌رسانا حیاتی اند. وضع قانون تراشه و علم آمریکا، در سال ۲۰۲۲، صادرات ریزتراشه‌ها و فناوری‌های پیشرفته را به چین محدود کرد و احتمالاً، ظرفیت پکن را در رایانش با کارایی بالا و در زمینه‌هایی همچون دفاع تحت تأثیر قرار داد.
این محدودیت‌ها می‌توانند تولید دستگاه‌های الکترونیکی را، برای شرکت‌های غربی، گران‌تر و دشوارتر کنند و در نتیجه، به قیمت‌های بالاتر برای مصرف‌کنندگان منجر شوند.
همچنین، این حرکت می‌تواند تولیدکنندگان غربی را مجبور به متنوع‌کردن زنجیرههای تأمین‌شان کند. برای این کار، آن‌ها باید قطعات حاوی این عناصر را از کشورهایی دریافت کنندکه چین تمایل به صادرات آن‌ها را دارد. این امر قیمت‌ها و پیچیدگی امور را، بیش‌ازپیش، افزایش خواهد داد.
به باور کوربت، با درنظرگیری این چالش و نیز مشکلات تأمین هلیوم که از روسیه منشأ می‌گیرند، ناپایداری زنجیره‌ی تأمین از چالش‌هایی است که این صنعت در آینده مجبور به رویارویی با آن خواهد شد.
« با ادامه‌ی رشد این صنعت و با ادامه‌ی مصرف بیشتر گازهای الکترونیکی با تغیرمقیاس عمودی و دستگاه‌های سه‌بعدی، این‌ها برخی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی هستند که این صنعت امروزه با آن مواجه است. »
[۱] عبارت «spec gas» از «specialty gas» می‌آید که معادل «گاز خاص» برای آن انتخاب شد.
[۲] Mike Corbett
[۳] CHIPS and science act
[۴] DRAM (Dynamic Random Access Memory)
[۵] CHIPS and science act
[۶] Climate and Clean Air Coalition
