Výroba polovodičov

Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters (z.B. Kupfer) und eines Isolators (z.B. Glas) liegt. Typische Halbleitermaterialien sind Silizium oder Germanium. Die Leitfähigkeit kann gezielt durch Dotierung (Einbringen von Fremdatomen) und äußere Einflüsse wie Temperatur oder Licht verändert werden. Dadurch eignen sich Halbleiter ideal für elektronische Bauelemente wie Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise. Die Halbleiterbranche wächst stark, getrieben durch Data-Warehouses, KI und Miniaturisierung. Der Trend geht zu immer leistungsstärkeren und gleichzeitig kleineren Halbleitern. Experten nennen diese Entwicklung Nanometer-Race. Laser- und Plasma-Technologien von TRUMPF sind essenziell für Prozesse wie EUV-Lithografie, Beschichten, Belichten und Ätzen. Ohne diese Technologien wäre die Herstellung der neuesten Chipgeneration nicht möglich.

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauelement, das als Schalter oder Verstärker für elektrische Signale dient. Er ist das Herzstück moderner Mikroelektronik und bildet die Basis für Prozessoren, Speicherchips und nahezu alle digitalen Geräte. Mehr Transistoren in einem Chip sind gleichbedeutend mit einer höheren Rechenleistung.

Ein Halbleiter durchläuft in der Regel mehrere Hundert, mitunter über Tausend Fertigungsschritte. Es dauert Monate, ihn herzustellen. Stark vereinfacht lässt sich der Halbleiterfertigungsprozess in zehn Schritten beschreiben:

1. Die Herstellung beginnt mit einem Wafer, der aus hochreinem Silizium gezogen und in dünne Scheiben geschnitten wird.

2. Der Wafer wird poliert, um eine absolut glatte Oberfläche für die nachfolgenden Prozesse zu schaffen.

3. In der Lithografie wird eine lichtempfindliche Schicht (Photoresist) aufgetragen, die später die Struktur der Schaltkreise vorgibt.

4. Mit extrem präzisen Belichtungsverfahren wie EUV-Lithografie werden winzige Muster auf den Wafer projiziert.

5. Anschließend werden die belichteten Bereiche chemisch entwickelt, sodass die gewünschten Strukturen sichtbar werden.

6. Durch Ätzprozesse (z. B. Plasmaätzen) werden Materialschichten entfernt, um die Leiterbahnen und Transistoren zu formen.

7. Danach folgen Dotierungsprozesse, bei denen Fremdatome eingebracht werden, um die elektrischen Eigenschaften des Siliziums zu verändern.

8. Mehrere Schichten aus Metallen und Isolatoren werden aufgebracht, um komplexe Verbindungen zwischen den Transistoren herzustellen.

9. Nach hunderten solcher Schritte wird der Wafer getestet und in einzelne Chips (Dies) zerschnitten – dieser Vorgang heißt Wafer-Dicing.

10. Schließlich werden die Chips verpackt (Packaging), geprüft und für den Einsatz in Geräten wie Smartphones, Computern oder Autos freigegeben.

1. Informations- und Kommunikationstechnologie
Halbleiter steuern die Rechenprozesse in Computern, Servern und Smartphones. Sie sind unverzichtbar für digitale Kommunikation, Cloud-Computing und das Internet der Dinge (IoT).

2. Künstliche Intelligenz und Rechenzentren
Leistungsfähige Chips ermöglichen die Verarbeitung riesiger Datenmengen für KI-Anwendungen und Big-Data-Analysen.

3. Automobilindustrie
In Fahrzeugen sind Halbleiter essenziell für Fahrerassistenzsysteme, E-Mobilität, Infotainment und autonomes Fahren.

4. Medizintechnik
Sie ermöglichen präzise Bildgebung, Diagnosesysteme und sogar implantierbare Geräte.

5. Industrie und Automatisierung
Halbleiter treiben Sensoren, Steuerungen und Robotik in der industriellen Fertigung an.

KI-Anwendungen benötigen enorme Rechenleistung. Je leistungsfähiger die Chips, desto schneller und effizienter lassen sich KI-Modelle trainieren und einsetzen. Fortschritte in der Halbleitertechnologie treiben somit die Entwicklung von KI maßgeblich voran. Für die Herstellung der leistungsfähigsten Chips kommt TRUMPF Technologie zum Einsatz, wie etwa EUV.

KI-Chips sind speziell entwickelte Prozessoren, die komplexe Algorithmen für maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz direkt auf dem Chip ausführen. Sie unterscheiden sich von klassischen Prozessoren durch ihre Fähigkeit, große Datenmengen parallel zu verarbeiten.

KI-Chips entstehen in einem hochkomplexen Fertigungsprozess, der klassische Halbleitertechnologien mit innovativen Packaging-Verfahren kombiniert. Zunächst werden die eigentlichen Rechenkerne, meist auf Basis von Silizium, in Nanometer-Strukturen gefertigt.

Die Chips müssen extrem leistungsfähig und energieeffizient sein, um riesige Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten. Deshalb setzen Hersteller zunehmend auf Advanced Packaging. Dabei werden mehrere Chips auf sogenannten Interposern kombiniert, die als Verbindungsschicht dienen.

Während Silizium-Interposer lange Standard waren, stoßen sie bei Größe und Kosten an ihre Grenzen. Die Lösung: Glas-Interposer. Glas ist günstiger, lässt sich in großen Panels verarbeiten und ermöglicht komplexe Chip-Pakete für KI-Systeme. Um die elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen, müssen Millionen winziger Löcher, sogenannte Through-Glass-Vias (TGV), in das Glas gebohrt werden. Auch hier kommt Lasertechnik von TRUMPF zum Einsatz.

Das Moore’sche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, während die Kosten pro Rechenoperation sinken. Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit von Chips kontinuierlich, ohne dass ihre Größe zunimmt. Um die Miniaturisierung fortzusetzen, kommen Technologien wie EUV-Lithografie und neue Chip-Architekturen (z.B. 3D-Strukturen) zum Einsatz. Formuliert wurde das Gesetz 1965 von Gordon Moore, Mitgründer von Intel. Es ist kein Naturgesetz, sondern eine Beobachtung, die die Innovationsgeschwindigkeit der Branche widerspiegelt.

1. Miniaturisierung und Präzision
Die Branche steht unter enormem Druck, immer kleinere Strukturen im Nanometerbereich herzustellen. EUV-Lithografie und Plasmageneratoren müssen extrem präzise arbeiten, um 3D-Strukturen auf Siliziumwafern zu erzeugen. Schon kleinste Abweichungen führen zu Ausschuss und hohen Kosten. Die Qualitätskontrolle (Metrologie) wird immer komplexer, da die Toleranzen im Nanometerbereich liegen.

2. Energieverbrauch und Nachhaltigkeit
Energieeffizienz ist entscheidend, um Betriebskosten zu senken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Plasmageneratoren und Lasersysteme müssen deswegen möglichst energieeffizient arbeiten.

3. Lieferketten und Qualitätssicherung
Die gesamte Lieferkette muss eine Null-Fehler-Qualität gewährleisten. Schwachstellen bei Zulieferern können die Produktion gefährden. TRUMPF fordert von Partnern und Zulieferern strenge Qualitätsstandards.

4. Verfügbarkeit von Produktionsanlagen
Die Produktion von Halbleitern konzentriert sich stark in Asien. Die Ausrüster müssen den Chipherstellern weltweit höchste Servicequalität liefern, um Ausfallzeiten zu vermeiden. TRUMPF investiert deshalb in regionale Service-Hubs und Technikzentren, beispielsweise in Taiwan.

Lithografie ist ein zentraler Prozess in der Halbleiterfertigung, bei dem Strukturen für elektronische Schaltungen auf Siliziumwafer übertragen werden. Dabei trägt ein spezielles Beschichtungsgerät eine lichtempfindliche Schicht (Photoresist) auf den Wafer auf. Anschließend belichtet das Lithografiesystem die gewünschten Muster mithilfe von Licht und entwickelt sie chemisch. Diese Strukturen bilden die Grundlage für Transistoren und andere Bauelemente auf dem Chip. Die fortschrittlichste Technologie in diesem Bereich ist die EUV-Lithografie. Sie nutzt extrem kurzwelliges Licht, um Nanometer-feine Strukturen zu erzeugen. Ohne EUV-Lithografie lassen sich die leistungsfähigsten Mikrochips nicht herstellen. Sie ist entscheidend für die Umsetzung des Moore’schen Gesetzes, das eine Verdopplung der Transistoranzahl alle zwei Jahre vorsieht.

Ein Wafer ist die Ausgangsbasis für die Herstellung von Mikrochips. Er besteht aus hochreinem Silizium, das zunächst zu einem Einkristall gezogen und anschließend in dünne Scheiben geschnitten wird. Diese Scheiben werden poliert, um eine absolut glatte Oberfläche zu schaffen. Auf dem Wafer entstehen durch Lithografie, Belichtung, Ätzprozesse und Dotierung die Strukturen der Schaltkreise. Nach hunderten Prozessschritten wird der Wafer getestet und in einzelne Chips („Dies“) zerschnitten.

Wafer-Dicing bezeichnet das Vereinzeln von Halbleiterchips aus einem Wafer. Dies ist ein zentraler Schritt im Backend der Halbleiterprozesskette.

Mechanische Säge, Stealth-Dicing, Ablatives Laser-Dicing und Plasmadicing.

Plasmaätzen ist ein Verfahren bei dem mithilfe von ionisiertem Gas (Plasma) Material von der Waferoberfläche entfernt oder strukturiert wird. Dieser Prozess ist essenziell für eine präzise Chipstruktur.

Ein Gerät, das hochfrequente elektrische Energie liefert, um Plasma für die Chipfertigung zu erzeugen und zu steuern.

Through-Glass-Vias (TGV) sind winzige, leitfähige Durchkontaktierungen in Glas, die elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten eines Chip-Packages ermöglichen. Sie sind entscheidend für Hochleistungsanwendungen, weil sie Signalwege verkürzen und Energieverluste minimieren.

Die Halbleiterproduktion benötigt viel Energie. Halbleiterunternehmen können ihren CO₂-Fußabdruck jedoch deutlich senken, indem sie auf energieeffiziente Technologien und Kreislaufwirtschaft setzen, Technologie von TRUMPF spielt hier eine Schlüsselrolle. Nachhaltigkeit ist für TRUMPF als Familienunternehmen Teil seiner DNA. Daher legen wir bei zukunftsweisenden Technologien wie der EUV-Lithografie größten Wert darauf, Energie und Material effizient und sparsam einzusetzen.