Die Halbleiterindustrie. Großes Geschäft mit kleinen Dimensionen

Transkript

1 Die Halbleiterindustrie Großes Geschäft mit kleinen Dimensionen

2 Inhalt Was sind Halbleiter Wer benötigt Halbleiter Wie werden Halbleiter hergestellt Wer stellt Halbleiter her Wer liefert die Produktionsanlagen Wie ist die deutsche Industrie positioniert Welche Zukunftsperspektiven gibt es

3 Was sind Halbleiter? Physikalisch Kristallgitterstrukturen - meist aus dotiertem Silizium (90%) - mit besonderen elektrischen Eigenschaften, die gezielt bei der Herstellung erzeugt werden - Dabei Kombination aus Bereichen verschiedener Dotierungen und Materialien

4 Kristallgitter aus Silizium

5 N-Silizium, ebene Darstellung Leitung durch freie Elektronen

6 P-Silizium, ebene Darstellung Leitung durch Löcher (fehlende Elektronen)

7 Halbleiterbauelement, MOS- Transistor

8 Was sind Halbleiter? Technische Realisierung Einzelbauelemente, vorwiegend in der Leistungselektronik, bis 6000 Volt, bis 3500 Ampere (Antriebe, Sender) Integrierte Schaltkreise, vorwiegend in der Datenverarbeitung, bis 291 Mio. Transistorfunktionen auf einer Fläche von 12 x 12 mm bei neuesten Prozessoren (2007) Solarzellen (Panel, große Flächen aus Polysilizium) Optoelektronik (Kamerachips, Leuchtanzeigen, Laser)

9 Wer benötigt Halbleiter? Computer, Datentechnik (PC, Laptop, EDV-Anlagen) Unterhaltungselektronik (Fernsehen, Radio, Bildund Tonaufzeichnung) Kommunikationselektronik (Telefon, Internet, Navigation) Verkehr (Automobil, Bahn, Luftverkehr) Industrie (Produktionstechnik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Logistik, Management, Finanzen) Medizin Dienstleistung und Verwaltung Militär Weltraumtechnik

10 Wie werden Halbleiter hergestellt? Basismaterial Silizium (Vorkommen, Aufbereitung, Scheibenherstellung, Quelle: Wacker Chemie) Strukturierungsprozesse zur Erzeugung von Schaltkreisen Anschlüsse und Kapselung Besondere Produktionsbedingungen

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20 Silizium- Einkristall

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24 Wie werden Halbleiter hergestellt? Basismaterial Silizium (Vorkommen, Aufbereitung, Scheibenherstellung) Strukturierungsprozesse zur Erzeugung von Schaltkreisen Anschlüsse und Kapselung Besondere Produktionsbedingungen

25 Struktur eines Halbleiterchips

26 Halbleiterherstellung Strukturierungsprozesse Entwurf Fotolithografie Diffusionsprozesse Ionenimplantation Oxidation, Ätzprozesse Metallisierung Prüftechnik

27 Entwurf, Design Aufgabenstellung, Funktionsbeschreibung, Pflichtenheft Machbarkeitsstudie, Funktionsmodelle Strukturentwurf Layout (Detail) Maskenentwurf Prüfpläne

28 Halbleiterherstellung Strukturierungsprozesse Entwurf Fotolithografie Diffusionsprozesse Ionenimplantation Oxidation, Ätzprozesse Metallisierung Prüftechnik

29 Fotolithografie Aufbringen einer Schicht von Fotolack Mehrfache Projektion einer Maske auf die Oberfläche (Wafer-Stepper oder Scanner) und Belichtung Entfernen des belichteten Fotolacks durch Ätzen (nasschemisch) und Wärmebehandlung der unbelichteten Lackstruktur Prozess wird bis zu 20 mal mit unterschiedlichen Strukturmasken wiederholt

30 Wafer-Stepper ASML mit Zeiss-Optik

31 Halbleiterherstellung Strukturierungsprozesse Entwurf Fotolithografie Diffusionsprozesse Ionenimplantation Oxidation Ätzprozesse Metallisierung Prüftechnik

32 Diffusionsverfahren zur Dotierung Einbau von Fremdatomen z.b. Bor oder Phosphor in das Siliziumgitter zur Herstellung von P- oder N-Silizium Diffusionsofen ca C Zufuhr Dotierelemente flüssig oder gasförmig (Boran BH 3, Phosphan PH 3 ) Niedrige Prozess- und Anlagekosten

33 Ofen für Halbleiterprozesse (z.b. Diffusion, Oxidation), ASM

34 Ionenimplantation zur Dotierung Beschuss von Siliziumkristallen im Hochvakuum mit beschleunigten Ionen zur Herstellung von P- oder N-Silizium Erzeugung von Ionen (Ionenquelle) Beschleunigung (bis 3 MeV) und Focussierung durch elektrische Felder Beschuss des Materials mit den beschleunigten Ionen Eindringtiefe und Implantationsdosis gut steuerbar (gute Reproduzierbarkeit) Hohe Prozess- und Anlagenkosten Nach dem Implantieren Ausheilen der Kristallstruktur durch Tempern erforderlich

35 Strahlengang Ionenimplanter Applied Materials

36 Ionenimplanter Applied Materials

37 Oxidationsprozesse Ofenprozesse (Sauerstoff) Erzeugung von Isolationsschichten

38 Ätzprozesse Prozesse zum Abbau von Schichten Nasschemisches Ätzen Plasmaätzverfahren (z.b. reaktives Ionenätzen)

39 Halbleiterherstellung Strukturierungsprozesse Entwurf Fotolithografie Diffusionsprozesse Ionenimplantation Oxidation Ätzprozesse Metallisierung Prüftechnik

40 Metallisierung Prozesse zur Erzeugung von leitenden Verbindungen zwischen Halbleiterstrukturen und für die elektrischen Anschlüsse Leitermaterial meist Aluminium Hochvakuumprozesse Physikalische Gasphasenabscheidung (Bedampfung, Sputtern)

41 Halbleiterherstellung Strukturierungsprozesse Entwurf Fotolithografie Diffusionsprozesse Ionenimplantation Oxidation Ätzprozesse Metallisierung Prüftechnik

42 Prüftechnik Gesamtprozess hat geringe Ausbeute (2% bis 60%) Verbesserung der Ausbeute mit ständiger Überwachung des Ergebnisses durch Mess- und Prüfverfahren Mitführen von Prüfstrukturen auf dem Wafer durch die Prozesse

43 Wafer mit Mikrostrukturen

44 Wie werden Halbleiter hergestellt? Basismaterial Silizium (Vorkommen, Aufbereitung, Scheibenherstellung) Strukturierungsprozesse Anschlüsse und Kapselung Besondere Produktionsbedingungen

45 Weiterverarbeitung der Wafer Zersägen des Wafers in einzelne Elemente (dies) Aufbringen der Elemente auf ein Substrat (Bonden) Verbinden der Anschlusspunkte mit den Gehäusestiften durch Golddrähte Verschließen des Gehäuses

46 Endprodukt Microprozessor

47 Wie werden Halbleiter hergestellt? Basismaterial Silizium (Vorkommen, Aufbereitung, Scheibenherstellung) Strukturierungsprozesse Anschlüsse und Kapselung Besondere Produktionsbedingungen

48 Besondere Produktionsbedingungen Gebäudetechnik Aufwändige Reinraumtechnik und Klimatisierung Spezielle Medienver- und Entsorgung (Wasser, Gase, Kältemittel: Flüssigstickstoff) Anlagentechnik High-tech Produktionsanlagen Prozesse Kein vollautomatischer Gesamtprozess große Präzision Mitlaufende Dokumentation Laufende Qualitätssicherung Arbeitsbedingungen Schichtarbeit Schutzkleidung Ständige Schulung

49 Blick in die Wafer Prozesslinie AMD FAB 36 Dresden

50 Prozesstechnik Wafer AMD FAB 36 Dresden

51 Wer stellt Halbleiter her? Produktkategorien Marktdaten Hersteller Marktdaten Abnehmer

52 Produktkategorien Speicherelemente Mikroprozessoren Steuerelemente, Logikbausteine Diskrete Bauelemente Spezielle Funktionselemente z.b. für Telekommunikation Multimediaanwendungen Automobileinsatz

53 Wer stellt Halbleiter her? Produktkategorien Marktdaten Hersteller Marktdaten Abnehmer

54 Weltmarkt Halbleiterindustrie Umsatz Halbleiterindustrie in MRD USD

55 Die größten Hersteller Marktanteile 2005 in MRD USD und % sonstige; 162; 59% Intel; 34,6; 12% Samsung; 18,3; 7% Texas Instruments; 10,1; 4% Toshiba; 8,9; 3% ST Microelectronics; 8,8; 3% Renesas; 8,3; 3% Infineon; 8,2; 3% Philips; 6,0; 2% NEC; 5,7; 2% Hynix; 5,7; 2%

56 Firmensitze Umsatz USD 2005 Intel 34,6 USA Samsung 18,3 Korea Texas Instruments 10,1 USA Toshiba 8,9 Japan ST Microelectronics 8,8 Frankreich, Italien Renesas 8,3 Japan Infineon 8,2 Deutschland Philips 6,0 Niederlande Hynix 5,7 Korea NEC 5,7 Japan sonstige 162

57 Standorte der 30 größten Halbleiterfabriken (2006) USA 9 Japan 8 Korea 2 Taiwan 2 Europa 4

58 Halbleiterfabriken im Bau (2007) Asien 35 Nordamerika 3 Europa 2

59 Wer stellt Halbleiter her? Produktkategorien Marktdaten Hersteller Marktdaten Abnehmer

60 Absatzregionen Halbleiter USA 18% Europa 16% Asien/Pazifik (ohne Japan) 44% Japan 22%

61 Wer liefert Produktionsanlagen? Fabrikgebäude und Reinraumtechnik internationale Planungsgesellschaften lokale Bauunternehmen Gebäudeausrüster Prozessanlagen Spezialisierte Anlagenbauer: Fotolithografie (ASML); Ionenimplanter (Applied Materials, Varian); Diffusionsöfen (ASM); Beschichtungsanlagen, Montagetechnik, Meßsysteme (viele Anbieter)

62 Investitionen Eine Chipfabrik kostet ca. 1-3 Mrd USD 2007 werden 29 neue Fabriken die Produktion aufnehmen: Gesamtinvestition 44 Mrd USD Folgen der Großinvestitionen: Zyklischer Geschäftsverlauf mit sehr starken Schwankungen Staatliche Subventionen für die Halbleiterindustrie beeinflussen stark deren Standortpolitik

63 Wie ist die deutsche Industrie positioniert? Beschäftigte: ca Halbleiterproduktion: ca. 12 Mrd /Jahr (2007) Materialproduktion: ca. 1 Mrd /Jahr Prozesstechnik: ca. 2 Mrd /Jahr

64 Produkte und Hersteller Beispiele Speicherelemente (Qimonda/Infineon) Prozessoren (AMD) Spezielle Schaltkreise (Bosch, Elmos, ZMD, Infineon, Carl Zeiss) Leistungshalbleiter (Infineon, YXIS) Fabriken (m+w Zander) Prozesstechnik (Carl Zeiss, Pfeiffer Vakuum..) Materialien (Wacker Chemie)

65 Standort Sachsen Dresden, Freiberg Beschäftigte: ca Halbleiterproduktion: ca. 5 Mrd /Jahr (2007) Materialproduktion: ca. 0,6 Mrd /Jahr Prozesstechnik: ca. 0,5 Mrd /Jahr 3 Chipfabriken 760 Unternehmen Wissenschaft, Forschung, Lehre TU Dresden, Studenten 3 Max-Planck-Institute 9 Fraunhofer-Institute 4 Leibniz-Institute

66 AMD, Fab 36 Produktion von Prozessoren Investitionen 2,4 Mrd, davon AMD 900 Mio Fördergelder, Bund und Sachsen 545 Mio Kredite 955 Mio, davon 700 Mio mit Bürgschaften von Bund und Sachsen Mitarbeiter Technologie: Wafer 300 mm, Strukturbreiten 65 nm Produktionsfläche m² Reinraumfläche m² Produktionsziel 2008: 100 Mio Prozessoren

67 Chipfabrik in Dresden AMD FAB 36

68 Siltronic AG, Werk Freiberg Die Siltronic Fabrik (Wacker Chemie) in Freiberg befindet sich in unmittelbarer Nähe zu Dresden. Freiberg verfügt über Fertigungslinien für 150 mm Wafer und eine der weltweit modernsten Tiegelziehfabriken für 200 mm Siliziumeinkristalle. Eine neue Fabrik für die Herstellung von 300 mm Wafern (Investitionssumme: mehr als 400 Mio Euro) wurde Ende Juni 2004 eröffnet.

69 Wacker Chemie Siltronic AG Finanzdaten in Mio. Euro Umsatz Investitionen Forschung & Entwicklung Mitarbeiter (zum 31. Dezember)

70 Welche Zukunftsperspektiven gibt es? Forschung und Entwicklung Verbesserung der Fertigungstechnologien Neue Schalt- und Speicherelemente (kleiner, schneller, geringe Fertigungskosten) Neue Technologien (atomarer Bereich) Solarenergie Bedarf Telekommunikation, Datenverkehr Konsumelektronik Navigation Identifikation Alternative Energien Neue Anwendungen Globalisierung