Die Halbleiterindustrie - des Waffenring Paderborn
Die Halbleiterindustrie - des Waffenring Paderborn
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<strong>Die</strong> <strong>Halbleiterindustrie</strong><br />
Großes Geschäft mit kleinen<br />
Dimensionen
Inhalt<br />
• Was sind Halbleiter<br />
• Wer benötigt Halbleiter<br />
• Wie werden Halbleiter hergestellt<br />
• Wer stellt Halbleiter her<br />
• Wer liefert die Produktionsanlagen<br />
• Wie ist die deutsche Industrie<br />
positioniert<br />
• Welche Zukunftsperspektiven gibt es
Was sind Halbleiter ?<br />
Physikalisch<br />
• Kristallgitterstrukturen<br />
- meist aus dotiertem Silizium (90%)<br />
- mit besonderen elektrischen Eigenschaften,<br />
die gezielt bei der Herstellung erzeugt werden<br />
- Dabei Kombination aus Bereichen<br />
verschiedener Dotierungen und Materialien
Kristallgitter aus Silizium
N-Silizium, ebene<br />
Darstellung<br />
Leitung durch freie Elektronen
P-Silizium, ebene<br />
Darstellung<br />
Leitung durch „Löcher“ (fehlende Elektronen)
Halbleiterbauelement, MOS-<br />
Transistor
Was sind Halbleiter ?<br />
Technische Realisierung<br />
• Einzelbauelemente, vorwiegend in der<br />
Leistungselektronik, bis 6000 Volt, bis 3500<br />
Ampere (Antriebe, Sender)<br />
• Integrierte Schaltkreise, vorwiegend in der<br />
Datenverarbeitung, bis 291 Mio. Transistorfunktionen<br />
auf einer Fläche von 12 x 12 mm bei<br />
neuesten Prozessoren (2007)<br />
• Solarzellen (Panel, große Flächen aus<br />
Polysilizium)<br />
• Optoelektronik (Kamerachips, Leuchtanzeigen,<br />
Laser)
Wer benötigt Halbleiter ?<br />
• Computer, Datentechnik (PC, Laptop, EDV-Anlagen)<br />
• Unterhaltungselektronik (Fernsehen, Radio, Bildund<br />
Tonaufzeichnung)<br />
• Kommunikationselektronik (Telefon, Internet,<br />
Navigation)<br />
• Verkehr (Automobil, Bahn, Luftverkehr)<br />
• Industrie (Produktionstechnik, Maschinenbau,<br />
Verfahrenstechnik, Logistik, Management,<br />
Finanzen)<br />
• Medizin<br />
• <strong>Die</strong>nstleistung und Verwaltung<br />
• Militär<br />
• Weltraumtechnik
Wie werden Halbleiter<br />
hergestellt ?<br />
• Basismaterial Silizium<br />
(Vorkommen, Aufbereitung,<br />
Scheibenherstellung, Quelle:<br />
Wacker Chemie)<br />
• Strukturierungsprozesse zur<br />
Erzeugung von Schaltkreisen<br />
• Anschlüsse und Kapselung<br />
• Besondere Produktionsbedingungen
Silizium- Einkristall
Wie werden Halbleiter<br />
hergestellt ?<br />
• Basismaterial Silizium (Vorkommen,<br />
Aufbereitung, Scheibenherstellung)<br />
• Strukturierungsprozesse zur<br />
Erzeugung von Schaltkreisen<br />
• Anschlüsse und Kapselung<br />
• Besondere Produktionsbedingungen
Struktur eines Halbleiterchips
Halbleiterherstellung<br />
Strukturierungsprozesse<br />
• Entwurf<br />
• Fotolithografie<br />
• Diffusionsprozesse<br />
• Ionenimplantation<br />
• Oxidation, Ätzprozesse<br />
• Metallisierung<br />
• Prüftechnik
Entwurf, Design<br />
• Aufgabenstellung, Funktionsbeschreibung,<br />
Pflichtenheft<br />
• Machbarkeitsstudie, Funktionsmodelle<br />
• Strukturentwurf<br />
• Layout (Detail)<br />
• Maskenentwurf<br />
• Prüfpläne
Halbleiterherstellung<br />
Strukturierungsprozesse<br />
• Entwurf<br />
• Fotolithografie<br />
• Diffusionsprozesse<br />
• Ionenimplantation<br />
• Oxidation, Ätzprozesse<br />
• Metallisierung<br />
• Prüftechnik
Fotolithografie<br />
• Aufbringen einer Schicht von Fotolack<br />
• Mehrfache Projektion einer Maske auf die<br />
Oberfläche (Wafer-Stepper oder Scanner)<br />
und Belichtung<br />
• Entfernen <strong>des</strong> belichteten Fotolacks durch<br />
Ätzen (nasschemisch) und<br />
Wärmebehandlung der unbelichteten<br />
Lackstruktur<br />
• Prozess wird bis zu 20 mal mit<br />
unterschiedlichen Strukturmasken<br />
wiederholt
Wafer-Stepper<br />
ASML mit Zeiss-Optik
Halbleiterherstellung<br />
Strukturierungsprozesse<br />
• Entwurf<br />
• Fotolithografie<br />
• Diffusionsprozesse<br />
• Ionenimplantation<br />
• Oxidation<br />
• Ätzprozesse<br />
• Metallisierung<br />
• Prüftechnik
Diffusionsverfahren<br />
zur Dotierung<br />
• Einbau von Fremdatomen z.B. Bor<br />
oder Phosphor in das Siliziumgitter zur<br />
Herstellung von P- oder N-Silizium<br />
• Diffusionsofen ca. 1000 °C<br />
• Zufuhr Dotierelemente flüssig oder<br />
gasförmig (Boran BH 3 , Phosphan PH 3 )<br />
• Niedrige Prozess- und Anlagekosten
Ofen für Halbleiterprozesse<br />
(z.B. Diffusion, Oxidation), ASM
Ionenimplantation<br />
zur Dotierung<br />
• Beschuss von Siliziumkristallen im Hochvakuum mit<br />
beschleunigten Ionen zur Herstellung von P- oder<br />
N-Silizium<br />
– Erzeugung von Ionen (Ionenquelle)<br />
– Beschleunigung (bis 3 MeV) und Focussierung durch<br />
elektrische Felder<br />
– Beschuss <strong>des</strong> Materials mit den beschleunigten Ionen<br />
– Eindringtiefe und Implantationsdosis gut steuerbar (gute<br />
Reproduzierbarkeit)<br />
– Hohe Prozess- und Anlagenkosten<br />
– Nach dem Implantieren Ausheilen der Kristallstruktur<br />
durch Tempern erforderlich
Strahlengang<br />
Ionenimplanter<br />
Applied Materials
Ionenimplanter<br />
Applied Materials
Oxidationsprozesse<br />
• Ofenprozesse (Sauerstoff)<br />
• Erzeugung von Isolationsschichten
Ätzprozesse<br />
• Prozesse zum Abbau von Schichten<br />
• Nasschemisches Ätzen<br />
• Plasmaätzverfahren (z.B. reaktives<br />
Ionenätzen)
Halbleiterherstellung<br />
Strukturierungsprozesse<br />
• Entwurf<br />
• Fotolithografie<br />
• Diffusionsprozesse<br />
• Ionenimplantation<br />
• Oxidation<br />
• Ätzprozesse<br />
• Metallisierung<br />
• Prüftechnik
Metallisierung<br />
• Prozesse zur Erzeugung von leitenden<br />
Verbindungen zwischen Halbleiterstrukturen<br />
und für die elektrischen<br />
Anschlüsse<br />
– Leitermaterial meist Aluminium<br />
– Hochvakuumprozesse<br />
– Physikalische Gasphasenabscheidung<br />
(Bedampfung, Sputtern)
Halbleiterherstellung<br />
Strukturierungsprozesse<br />
• Entwurf<br />
• Fotolithografie<br />
• Diffusionsprozesse<br />
• Ionenimplantation<br />
• Oxidation<br />
• Ätzprozesse<br />
• Metallisierung<br />
• Prüftechnik
Prüftechnik<br />
• Gesamtprozess hat geringe Ausbeute<br />
(2% bis 60%)<br />
• Verbesserung der Ausbeute mit<br />
ständiger Überwachung <strong>des</strong><br />
Ergebnisses durch Mess- und<br />
Prüfverfahren<br />
• Mitführen von Prüfstrukturen auf dem<br />
Wafer durch die Prozesse
Wafer mit<br />
Mikrostrukturen
Wie werden Halbleiter<br />
hergestellt ?<br />
• Basismaterial Silizium (Vorkommen,<br />
Aufbereitung, Scheibenherstellung)<br />
• Strukturierungsprozesse<br />
• Anschlüsse und Kapselung<br />
• Besondere Produktionsbedingungen
Weiterverarbeitung der<br />
Wafer<br />
• Zersägen <strong>des</strong> Wafers in einzelne<br />
Elemente (dies)<br />
• Aufbringen der Elemente auf ein<br />
Substrat (Bonden)<br />
• Verbinden der Anschlusspunkte mit<br />
den Gehäusestiften durch Golddrähte<br />
• Verschließen <strong>des</strong> Gehäuses
Endprodukt<br />
Microprozessor
Wie werden Halbleiter<br />
hergestellt ?<br />
• Basismaterial Silizium (Vorkommen,<br />
Aufbereitung, Scheibenherstellung)<br />
• Strukturierungsprozesse<br />
• Anschlüsse und Kapselung<br />
• Besondere<br />
Produktionsbedingungen
Besondere<br />
Produktionsbedingungen<br />
• Gebäudetechnik<br />
– Aufwändige Reinraumtechnik und Klimatisierung<br />
– Spezielle Medienver- und Entsorgung (Wasser, Gase,<br />
Kältemittel: Flüssigstickstoff)<br />
• Anlagentechnik<br />
– High-tech Produktionsanlagen<br />
• Prozesse<br />
– Kein vollautomatischer Gesamtprozess<br />
– große Präzision<br />
– Mitlaufende Dokumentation<br />
– Laufende Qualitätssicherung<br />
• Arbeitsbedingungen<br />
– Schichtarbeit<br />
– Schutzkleidung<br />
– Ständige Schulung
Blick in die Wafer<br />
Prozesslinie<br />
AMD FAB 36 Dresden
Prozesstechnik Wafer<br />
AMD FAB 36 Dresden
Wer stellt Halbleiter her ?<br />
• Produktkategorien<br />
• Marktdaten Hersteller<br />
• Marktdaten Abnehmer
Produktkategorien<br />
• Speicherelemente<br />
• Mikroprozessoren<br />
• Steuerelemente, Logikbausteine<br />
• Diskrete Bauelemente<br />
• Spezielle Funktionselemente z.B. für<br />
– Telekommunikation<br />
– Multimediaanwendungen<br />
– Automobileinsatz
Wer stellt Halbleiter her ?<br />
• Produktkategorien<br />
• Marktdaten Hersteller<br />
• Marktdaten Abnehmer
1995<br />
1996<br />
1997<br />
1998<br />
1999<br />
2000<br />
2001<br />
2002<br />
2003<br />
2004<br />
2005<br />
2006<br />
2007<br />
2008<br />
2009<br />
Weltmarkt<br />
<strong>Halbleiterindustrie</strong><br />
Umsatz <strong>Halbleiterindustrie</strong> in MRD USD<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
144 132 137 127<br />
149<br />
204<br />
139 140<br />
166<br />
213 227 260 270 290<br />
310<br />
100<br />
50<br />
0
<strong>Die</strong> größten Hersteller<br />
Marktanteile 2005 in MRD USD und %<br />
sonstige; 162; 59%<br />
Intel; 34,6; 12%<br />
Samsung; 18,3;<br />
7%<br />
Texas<br />
Instruments; 10,1;<br />
4%<br />
Toshiba; 8,9; 3%<br />
ST<br />
Microelectronics;<br />
8,8; 3%<br />
Renesas; 8,3; 3%<br />
Infineon; 8,2; 3%<br />
Philips; 6,0; 2%<br />
NEC; 5,7; 2%<br />
Hynix; 5,7; 2%
Firmensitze<br />
Umsatz USD 2005<br />
Intel<br />
34,6 USA<br />
Samsung<br />
18,3 Korea<br />
Texas Instruments<br />
10,1 USA<br />
Toshiba<br />
8,9 Japan<br />
ST Microelectronics<br />
8,8 Frankreich, Italien<br />
Renesas<br />
8,3 Japan<br />
Infineon<br />
8,2 Deutschland<br />
Philips<br />
6,0 Niederlande<br />
Hynix<br />
5,7 Korea<br />
NEC<br />
5,7 Japan<br />
sonstige 162
Standorte der 30 größten<br />
Halbleiterfabriken (2006)<br />
• USA 9<br />
• Japan 8<br />
• Korea 2<br />
• Taiwan 2<br />
• Europa 4
Halbleiterfabriken im Bau<br />
(2007)<br />
• Asien 35<br />
• Nordamerika 3<br />
• Europa 2
Wer stellt Halbleiter her ?<br />
• Produktkategorien<br />
• Marktdaten Hersteller<br />
• Marktdaten Abnehmer
Absatzregionen Halbleiter<br />
USA<br />
18%<br />
Europa<br />
16%<br />
Asien/Pazifik<br />
(ohne Japan)<br />
44%<br />
Japan<br />
22%
Wer liefert<br />
Produktionsanlagen ?<br />
• Fabrikgebäude und Reinraumtechnik<br />
– internationale Planungsgesellschaften<br />
– lokale Bauunternehmen<br />
– Gebäudeausrüster<br />
• Prozessanlagen<br />
– Spezialisierte Anlagenbauer: Fotolithografie<br />
(ASML); Ionenimplanter (Applied Materials,<br />
Varian); Diffusionsöfen (ASM);<br />
Beschichtungsanlagen, Montagetechnik,<br />
Meßsysteme (viele Anbieter)
Investitionen<br />
• Eine Chipfabrik kostet ca. 1-3 Mrd USD<br />
• 2007 werden 29 neue Fabriken die<br />
Produktion aufnehmen: Gesamtinvestition<br />
44 Mrd USD<br />
• Folgen der Großinvestitionen:<br />
– Zyklischer Geschäftsverlauf mit sehr starken<br />
Schwankungen<br />
– Staatliche Subventionen für die <strong>Halbleiterindustrie</strong><br />
beeinflussen stark deren Standortpolitik
Wie ist die deutsche<br />
Industrie positioniert ?<br />
• Beschäftigte: ca. 60.000<br />
• Halbleiterproduktion: ca. 12 Mrd<br />
€/Jahr (2007)<br />
• Materialproduktion: ca. 1 Mrd €/Jahr<br />
• Prozesstechnik: ca. 2 Mrd €/Jahr
Produkte und Hersteller<br />
Beispiele<br />
• Speicherelemente (Qimonda/Infineon)<br />
• Prozessoren (AMD)<br />
• Spezielle Schaltkreise (Bosch, Elmos,<br />
ZMD, Infineon, Carl Zeiss)<br />
• Leistungshalbleiter (Infineon, YXIS)<br />
• Fabriken (m+w Zander)<br />
• Prozesstechnik (Carl Zeiss, Pfeiffer<br />
Vakuum..)<br />
• Materialien (Wacker Chemie)
Standort Sachsen<br />
Dresden, Freiberg<br />
• Beschäftigte: ca. 20.000<br />
• Halbleiterproduktion: ca. 5 Mrd €/Jahr (2007)<br />
• Materialproduktion: ca. 0,6 Mrd €/Jahr<br />
• Prozesstechnik: ca. 0,5 Mrd €/Jahr<br />
• 3 Chipfabriken<br />
• 760 Unternehmen<br />
• Wissenschaft, Forschung, Lehre<br />
– TU Dresden, 40.000 Studenten<br />
– 3 Max-Planck-Institute<br />
– 9 Fraunhofer-Institute<br />
– 4 Leibniz-Institute
AMD, Fab 36<br />
• Produktion von Prozessoren<br />
• Investitionen 2,4 Mrd €, davon<br />
– AMD 900 Mio €<br />
– Fördergelder, Bund und Sachsen 545 Mio €<br />
– Kredite 955 Mio €, davon 700 Mio € mit Bürgschaften von<br />
Bund und Sachsen<br />
• 1.000 Mitarbeiter<br />
• Technologie: Wafer 300 mm, Strukturbreiten 65 nm<br />
• Produktionsfläche 120.000 m²<br />
• Reinraumfläche 13.400 m²<br />
• Produktionsziel 2008: 100 Mio Prozessoren
Chipfabrik in Dresden<br />
AMD FAB 36
Siltronic AG, Werk<br />
Freiberg<br />
<strong>Die</strong> Siltronic Fabrik (Wacker Chemie) in Freiberg befindet sich in<br />
unmittelbarer Nähe zu Dresden. Freiberg verfügt über<br />
Fertigungslinien für 150 mm Wafer und eine der weltweit<br />
modernsten Tiegelziehfabriken für 200 mm Siliziumeinkristalle.<br />
Eine neue Fabrik für die Herstellung von 300 mm Wafern<br />
(Investitionssumme: mehr als 400 Mio Euro) wurde Ende Juni<br />
2004 eröffnet.
Wacker Chemie<br />
Siltronic AG<br />
Finanzdaten<br />
in Mio. Euro 2006 2005 2004<br />
Umsatz 1.263 1.925 813<br />
Investitionen 102 68 187<br />
Forschung & Entwicklung 63 65 71<br />
Mitarbeiter (zum 31. Dezember) 5.585 5.631 6.032
Welche Zukunftsperspektiven<br />
gibt es ?<br />
• Forschung und Entwicklung<br />
– Verbesserung der Fertigungstechnologien<br />
– Neue Schalt- und Speicherelemente (kleiner, schneller, geringe<br />
Fertigungskosten)<br />
– Neue Technologien (atomarer Bereich)<br />
– Solarenergie<br />
• Bedarf<br />
– Telekommunikation, Datenverkehr<br />
– Konsumelektronik<br />
– Navigation<br />
– Identifikation<br />
– Alternative Energien<br />
• Neue Anwendungen<br />
• Globalisierung
Change language