Halbleiterfirmen | Einführung in die Mikroelektronik – Teil 5

Aktuell häufen sich Berichte darüber, dass Halbleiterhersteller Ansiedlungen in Deutschland anstreben und der Staat diese Vorhaben mit Milliardenbeträgen subventioniert. So plant die taiwanesische Firma TSMC den Bau einer Halbleiterfabrik in Dresden, der amerikanische Chiphersteller Intel baut in Magdeburg eine Fabrik und der ebenfalls amerikanische Chipproduzent Wolfspeed möchte im saarländischen Ensdorf eine Fabrik für Siliziumkarbid-Halbleiter errichten. Aber was genau sind Halbleiterfirmen und wie arbeiten sie? Diese Fragen beantwortet FMD-Experte Dr. Michael Töpper im fünften Teil unserer Videoreihe Einführung in die Mikroelektronik.

Das Ökosystem, das für die Produktion von Halbleitern benötigt wird, ist komplex. Neben der Chemie- und Leiterplattenindustrie braucht es v. a. die sogenannten Halbleiterfirmen. Diese lassen sich in drei Zweige unterteilen: (1) Integrated Device Manufacturer (IDM) wie beispielsweise Intel oder Infineon, die die ganze Produktion vom Design der Chips bis zum Packaging inhouse leisten. (2) Foundries (auf Deutsch: »Gießereien«), die keine Chips designen, sondern ausschließlich nach Vorlagen produzieren (wie z. B. die Firma Globalfoundries in Dresden). Und (3) Outsourced Semiconductor Assembly and Test (OSAT), die sich auf das Packaging spezialisiert haben. Solche Firmen sitzen vor allem in Südostasien.

In der Branche gibt es generell eine starke regionale Konzentration auf Europa, Asien (besonders Taiwan, Japan und Südkorea) und die USA. Das zeigt sich u. a. daran, dass die weltweit größte Foundry die taiwanesische Firma TSMC ist. Dort wurden Stand 2020 mehr als 1.600 verschiedene Produkte produziert und mehr als 500 Kunden beliefert. Um sich die Menge der dort prozessierten Wafer (normiert auf 300 mm Größe) vorzustellen, hilft ein Vergleich: Übereinandergestapelt ergeben die dort jährlich produzierten Wafer die Höhe des Mount Everest, in der Fläche die Hälfte des Berliner Tiergartens.

Der Trend der Miniaturisierung hat Folgen für die Halbleiterfirmen, denn je kleiner die Strukturgrößen auf dem Chip werden, desto größer sind die Summen, die die Firmen in neue Fabriken investieren müssen. Dabei sei angemerkt, dass Chips mit kleineren Strukturen nicht gleichzusetzen sind mit einer schlechteren Qualität. Entscheidend ist die Frage, welche Art von Chip für die jeweilige Anwendung notwendig ist. Ein Chip für die Automobilelektronik muss andere Vorgaben erfüllen als ein Chip für das Smartphone. Die Strukturgröße auf dem Chip beeinflusst außerdem die Ausbeute, die man in der Produktion erreicht, denn bei größeren Chips fallen Defekte auf dem Chip stärker ins Gewicht als bei kleineren.

Teil 1: Einführung in die Thematik

Teil 2: Was ist die Mikroelektronik?

Teil 3: Warum ist das Silizium für die Mikroelektronik so wichtig?

Teil 4: Wie wird aus Halbleiterbauelementen ein mikroelektronisches System?

Teil 5: Was sind Halbleiterfirmen?

Teil 6: Montage der Chips

Teil 7: Chipkontaktierung

Teil 8: Prozesstechniken: Beispiel Wafer Bumping

Teil 9: Mikroelektronik ein weites Thema: Von Sensoren bis Quantencomputer

Das niederländische Unternehmen ASML setzt aktuell die Maßstäbe in der Entwicklung von Lithografie-Systemen für die Produktion von hochkomplexen Chips für die Mikroelektronikindustrie. Bei der Lithografie werden Siliziumwafer mit Strahlung belichtet und so Muster in die Oberflächen »gedruckt«, bevor nach vielen Prozessschritten und späterem Vereinzeln die fertigen Chips entstehen. Die Lithografie-Systeme von ASML arbeiten mit sehr kurzwelligem Licht (13,5 Nanometer), das damit fast im Bereich der Röntgenstrahlung liegt. Das Unternehmen ist derzeit global das Einzige, das dieses Verfahren mit seinen Maschinen anbieten kann. Die dafür nötige Technologie wird u. a. von zwei deutschen Firmen bereitgestellt: Die Laser kommen von der Firma Trumpf, das System für die Optik von der Firma Zeiss. Der Transport dieses Lithografie-Systems ist extrem aufwendig: Eine Maschine wiegt rund 180 Tonnen, sodass für ihren Transport 40 Frachtcontainer, 20 Lastwagen bzw. drei Frachtflugzeuge nötig sind.