Halbleiterherstellung

Die Halbleiterherstellung ist ein äußerst aufwändiges Verfahren. Trotzdem ist sie absolut wichtig; fast alle unserer heute technologisch fortschrittlichen Errungenschaften sind nämlich auf Halbleiter angewiesen. Wie besorgniserregend der momentane Halbleitermangel ist, ist selbsterklärend.

Wir erklären Ihnen in diesem Artikel, warum die Halbleiterherstellung so schwierig ist. Aber wir gehen auch auf aktuelle Entwicklungen in Sachen Chip-Produktion ein.

Halbleiterherstellung und Chip-Produktion

Die meisten chemischen Stoffe leiten entweder elektrischen Strom oder sie leiten ihn nicht. Eine Ausnahme stellen jedoch die verhältnismäßig seltenen Halbleiter dar. Sie leiten Strom nur bei elektrischer Spannung. Halbleiter bieten sich aufgrund dieser Fähigkeit optimal für Schaltungen an.

Halbleiter nehmen aufgrund ihres vielfältigen Anwendungsgebietes die zentrale Rolle im Bereich der Elektronik und Energietechnik ein und sind der Hauptbestandteil von Computerchips (kurz: Chips). Der bekannteste und heute weitverbreitetste Halbleiter ist der Stoff Silizium, der mit der englischen Bezeichnung „silicon“ auch Namensgeber für den Silicon Valley ist.

Halbleiter werden heute fast überall benötigt: In Smartphones und Computern, Fernsehern, in Kaffeemaschinen und Kühlschränken, Fahrzeugen, Industrieanlagen, in Kinderspielzeug, Bankkarten, Reisepässen und Energiesparlampen. Laut Schätzungen wird die weltweite Halbleiterherstellung im Jahr 2025 eine Milliarde Halbleiterbauelemente pro Tag übersteigen.

Bei jedem Quadrat in dieser Makroaufnahme eines Silizium-Wafers handelt es sich um einen Chip mit mikroskopisch kleinen Transistoren und Schaltkreisen. Bild: Unsplash/@viazavier

Schwierigkeiten bei Halbleiterherstellung

Die Herstellung von Halbleitern ist jedoch alles andere als einfach. Deswegen kommt es vor allem in Krisenzeiten relativ schnell und häufig zu Produktions- und Lieferschwierigkeiten von Halbleitern und auch von Folgeprodukten wie Computerchips. Derzeit spricht man sogar von einer Halbleiterkrise und einer Chipkrise. Hier im Blog haben wir über beide Krisen ausführlich berichtet. Zudem haben wir die weitreichenden Folgen für die Beschaffung von Grafikkarten beleuchtet.

Wann die aktuelle Halbleiterkrise endet, steht momentan noch in den Sternen. Immerhin sind die Produktions- und Lieferengpässe durch die Coronakrise sowie durch die Notwendigkeit der sich rasant entwickelnden Digitalisierung bedingt. Auch findet die momentane Halbleiterproduktion vorwiegend in Asien statt, was sich negativ auf den Transport auswirkt; zum Beispiel aufgrund von Lieferschwierigkeiten.

Hier im Blog sind wir bereits auf die Gründe für die Chip- und Halbleiter-Knappheit eingegangen. Während Experten davon ausgehen, dass die Halbleiterkrise aufgrund der Schwierigkeiten der Halbleiterherstellung weiter anhalten wird, planen verschiedene Firmen und Kommissionen bereits eine Problemlösung.

Exkurs: Halbleiterherstellung erklärt

Bei Halbleitern handelt es sich um Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt. Bei der Halbleiterherstellung handelt es sich um einen äußerst komplizierten und aufwändigen Gesamtprozess. Um verständlich zu machen, warum die Halbleiterherstellung aber so kompliziert ist, möchten wir die Teilprozesse einmal kurz beleuchten.

Für die Herstellung von Halbleiter-Bauelementen lassen sich folgende Prozessschritte aufteilen:

• Gewinnung von Rohmaterial Silizium (SiO2), zum Beispiel aus Quarz (Bestandteil von Quarzsand, Granit, Sandstein, Kieselstein)
• Herstellung von technischem Silizium (Halbleiter-Grundsubstrat) durch chemische Reaktion
• Herstellung von hochreinen mikroelektronischen Scheiben, den sogenannten Wafern

Folgende Prozesse zur Weiterverarbeitung des Halbleiter-Substrates fasst man laut Halbleiter-Scout als Front-End-Technologie zusammen:

• Halbleiter-Schichtwachstum durch Abscheidungs-/Epitaxie-Verfahren
• Dotierung durch Einbringen von Fremdatomen in die Halbleiterstruktur
• Oxidation zur Herstellung isolierender Schichten in Form von Siliziumoxid
• Metallisierung zur Herstellung der Kontakte und Leiterbahnen
• Lithografie (Lackierung, Belichtung und Ätzung) zur Strukturierung der einzelnen Schichten

Anschließend findet beim Prozess der Back-End-Technologie die Vereinzelung der Schaltungen statt. Dies geschieht durch Sägen, Ritzen und immer häufiger auch durch Lasern. Schließlich wird die Schaltung noch in das Bauteilgehäuse eingeschweißt. Die von der Halbleitertechnologie eingesetzten Verfahren sind weitgehend chemischer Natur. Physikalische Methoden werden unterstützend eingesetzt.

Wie Halbleiter genau hergestellt werden, erklärt die Infineon Technologies AG in einem anschaulichen Erklärvideo auf YouTube. Das Video geht dabei sowohl auf die technischen Grundlagen wie auch auf die bei der Mikrochip-Herstellung zu erfüllenden Bedingungen ein:

Chip-Produktion in Europa

Sowohl die EU-Kommission als auch die Ampel-Parteien SPD, Grüne und FDP wollen aufgrund der globalen Lage die Chip-Produktion in Europa bzw. Deutschland vorantreiben. Derzeit fördern sie die Ansiedlung neuer Fabriken. Die EU will in den nächsten Jahren insgesamt 80 Milliarden Euro investieren, um an mehreren Standorten in Europa ein „hochmodernes Halbleiter-Ökosystem der nächsten Generation“ aufzubauen.

EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen betonte in einer Videobotschaft, dass das Ziel dabei sei, bis zum Jahr 2030 circa ein Fünftel der weltweiten Mikrochip-Produktion in die EU ausgelagert zu haben. Experten kritisieren dabei jedoch, dass Europa die eigene Produktion von Chips viele Jahre vernachlässigt hat, weswegen jetzt eine enorme Aufholjagd nötig ist.

Intel baut Chipfabrik in Magdeburg

Und einige Monate nach Bekanntgabe der EU-Pläne tut sich auch schon etwas. Im März 2022 ist bekanntgegeben worden, dass der US-amerikanische Tech-Gigant Intel in Sachsen-Anhalts Landeshauptstadt Magdeburg zwei Halbleiterfabriken errichten wird. Damit ist Magdeburg der erste Standort, an dem neue Fabriken entstehen werden. Die Stadt bekommt dafür eine staatliche Förderung. Die genaue Summe wird laut Intel-Chef Pat Gelsinger zu einem späteren Zeitpunkt bekanntgegeben, ist derzeit noch vertraulich.

Bis ins Frühjahr 2023 sollen die Bauarbeiten der Intel-Fabrik in Magdeburg beginnen. Im Jahr 2027 soll die Produktion starten. Das neu geschaffene Industriegebiet umfasst 450 Hektar – das entspricht der Fläche von rund 620 Fußballfeldern. Laut Intel könnten etwa 3.000 Hightech-Arbeitsplätze sowie Zehntausende zusätzliche Stellen bei Zulieferern entstehen.

Das US-Unternehmen plant aber bereits bis zu sechs weitere Fabriken in Europa. Auch will Intel in weitere europäische Projekte, die in den Bereichen der Forschung, Entwicklung und Design angesiedelt sind, investieren. Alle Standorte sollen mit erneuerbarer Energie versorgt werden.

Gigantische Chip-Fabriken werden in den nächsten Jahren in Magdeburg entstehen. Bild: Unsplash/@designfuchs

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Für Sie führen die momentan existente Halbleiter- und Chipkrise unweigerlich zu Schwierigkeiten, wenn Sie Computer, mobile Endgeräte oder andere technische Geräte benötigen. Doch dabei möchten wir Sie gern unterstützen. Der geeignete Ansprechpartner aus Ihrer Region ist PC-SPEZIALIST.

Sollten Sie geschäftlich oder privat neue Hardware benötigen, sind wir mit unserem kompetenten IT-Service für Sie da. Dabei profitieren Sie nicht nur von der Erfahrung, sondern auch von den zahlreichen Partnerschaften und Lizenzen von PC-SPEZIALIST. Dank ihnen müssen Sie auch trotz globalem Halbleitermangel nicht unbedingt lange auf Hardware warten. Sprechen Sie uns einfach an und wir beraten Sie individuell.

Natürlich halten wir Sie mit diesem Blogbeitrag auf dem Laufenden, was die Entwicklung der globalen Halbleiterherstellung und Chip-Produktion angeht. Wir werden hier natürlich darüber berichten, wenn weitere Produktionsstandorte in Europa oder woanders auf der Welt entstehen.

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Verwendete Quellen: Halbleiter-Scout, Micro to Nano, Physik für Alle – Physikschule, IT-Business