Halbleiterwerk
Produktionsstätte für elektronische Schaltkreise
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Ein Halbleiterwerk oder Halbleiterfabrik oder Chipfabrik (engl. Semiconductor Fabrication Plant, kurz: Fab, auch „GigaFabs“) ist eine Fabrik, in der integrierte Schaltkreise (IC) bzw. Mikroelektronik für die Halbleiterindustrie produziert werden.
Eigenentwicklung und Auftragsproduktion
Halbleiterwerke werden entweder von Halbleiterherstellern oder von anderen Unternehmen als Foundries betrieben. Sie werden von Zulieferfirmen mit Maschinen und Anlagen ausgestattet und sind vollautomatisierte Fabriken für die Halbleiterprozesstechnik. Foundries bieten ihre Prozesse und Produktionskapazitäten unterschiedlichen Kunden. Diese Kunden – darunter Großunternehmen wie Nvidia – nutzen das Fabless-Geschäftsmodell. Ihre Expertise liegt in der Entwicklung von Mikroelektronik, nicht in der Fertigung. Hersteller-eigene Halbleiterwerke, wie beispielsweise die von Intel, produzieren dagegen vornehmlich Halbleiterprodukte aus eigener Entwicklung.
Aufbau von Halbleiterfabriken
Reinraum und technische Anforderungen
Den zentralen Teil eines Halbleiterwerks stellt der Reinraum dar, in welchem für eine möglichst geringe Kontamination der Luft durch Partikel Sorge zu tragen ist, da diese die Ausbeute maßgeblich beeinflussen. Sie dürfen die verwendeten Einsatzmaterialien (Wafer) nicht verunreinigen. Daneben muss der Reinraum einen Bereich bieten, in dem Temperatur und Luftfeuchtigkeit geregelt werden können und zudem Schutz gegen auch nur kleinste Erschütterungen gewährleisten.
Produktionsorganisation und Automatisierung
An die Automatisierungstechnik, Prozessleittechnik und Produktionssteuerung einer Halbleiterfabrik werden erhebliche Ansprüche gestellt. Da kontinuierlich produziert wird, also sieben Tage pro Woche und 24 Stunden pro Tag, müssen diese und weitere Rahmenbedingungen (z. B. die Versorgung mit Verbrauchsmedien und die (elektrische) Energieversorgung) ständig gewährleistet sein.
Die Herstellung erfolgt in Losfertigung, das heißt, die eigentlichen „Werkstücke“, die Wafer, werden in einem Los (z. B. 25 Wafer) zusammengefasst und zusammen bearbeitet. Die Produktionsdauer (Anzahl der Prozessschritte) für ein Los ist abhängig von der Komplexität des Produktes und liegt zwischen einigen Tagen bis wenigen Monaten.
In einem Halbleiterwerk sind die Anlagen nicht wie in anderen Branchen der Massenproduktion, z. B. die Automobilindustrie, mit einem Fließband verbunden, sondern stehen in der Regel in Gruppen gleicher Anlagen bzw. Anlagen gleicher Produktionsabschnitte zusammen (Werkstättenfertigung). Durch eine zunehmende Automatisierung (inkl. automatischem An- und Abtransport der Lose) wird diese Gruppierung bzw. die Nachbarschaft zu Anlagen vorhergehender oder nachfolgender Produktionsschritte weniger relevant, so dass diese Anlagenanordnung weniger streng umgesetzt werden muss.
Anlagentechnik, Fertigungskapazitäten und führende Halbleiterwerke
Im Reinraum befinden sich Produktionsanlagen für die zahlreichen Verfahren der Halbleitertechnik, mit deren Methoden die integrierten Schaltkreise (ICs) hergestellt werden. Zu diesen Anlagen zählen unter anderem Stepper, Ätzanlagen, Reinigungsanlagen, Ionenimplantationsanlagen und Messtechnik, wie Ellipsometer, Rasterelektronenmikroskope oder Dunkelfeldmikroskope. Es stehen viele weitere Geräte und Instrumente zum Testen sowie zur Qualitätssicherung, Verifizierung und Validierung bereit. Die Endfertigung übernehmen teilweise Unternehmen aus dem Bereich der Electronic Manufacturing Services (EMS).
Zu den größten Halbleiterwerken der Welt (nach Kapazität „Wafer pro Monat“), zählen z. B. die „GigaFabs“ von TSMC in Taiwan. Das nach eigenen Angaben größte Halbleiterwerk der Welt (Stand 2017) wurde von Samsung in Pyeongtaek errichtet.[1] Neuste Fabriken von z. B. TSMC (5 nm Strukturgrößen, vgl. auch die Technologieknoten) bearbeiten rund 20.000 Wafer pro Monat und Kosten um die 12 Milliarden US-Dollar.[2] Die chinesische Foundry GTA Semiconductor plant (Stand 2026) eine 300-mm-Wafer-Fabrik mit Kapazität von 60.000 (300.000 gesamt, 200 mm-äquivalent) Wafern pro Jahr.[3][4]
Geschäftsmodell und Kostendruck
Die Geschäftsstrukturen der Halbleiterindustrie haben sich in den vergangenen Jahrzehnten an technologische, wirtschaftliche und politische Entwicklungen angepasst. Im Fabless/Foundry-Modell konzentrieren sich Fabless-Unternehmen auf die Entwicklung, während Foundries oder Halbleiterwerke die Fertigung übernehmen und teilweise auch Designleistungen sowie Electronic Design Automation (EDA) Werkzeuge zur Integration anbieten. Vollintegrierte Halbleiterunternehmen wie Intel und Samsung betreiben dagegen eigene Halbleiterfabriken und entwickeln, verkaufen und vermarkten ihre Produkte selbst.
Neue Halbleiterwerk unterliegen hohen Investitionskosten, wirtschaftlichem Druck (Time-to-Market) und müssen kontinuierlich ausgelastet sein, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an kleinere Strukturgrößen, Leistung und Effizienz, sowie wachsender Waferdurchmesser stiegen die Baukosten für ein Halbleiterwerk seit Jahrzehnten kontinuierlich an.
GigaFabs
Seit den 2000er Jahren kam es hier zu einem einzigartigen und investitionsintensiven Umstieg der Halbleiterindustrie auf 300-mm-Wafer im Wert von mehreren Milliarden US-Dollar.[5] Die Baukosten für ein modernes Halbleiterwerk für 300-mm-Wafer lagen bereits 2012 bei mehreren Milliarden US-Dollar. Beispielsweise kostete die in Betrieb genommene Fab15 von TSMC in Taiwan rund 9,3 Milliarden US-Dollar.[6]
Anfang der 2010er Jahre wurde die Einführung von 450-mm-Wafern in Erwägung gezogen. Unter anderem gründeten Intel, TSMC, Samsung, IBM und Globalfoundries das „Global 450mm Consortium“ (G450C), um diese Entwicklung voranzutreiben. Allerdings wurden derartige Ideen nicht umgesetzt, sodass nach wie vor 300 mm die Standardgröße für Prozesse mit kleinsten Strukturen sind.[7]
Fabs mit kleineren Wafergrößen bedienen trotzdem und weiterhin den Markt für weniger komplexe Mikroelektronik. Fabs für Halbleiterspeicher sind nur darauf spezialisiert.
Siehe auch
Weblinks
- List of semiconductor fabrication plants (englisch)