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Trendumkehr

Seitdem die ersten HalbleiterProdukte auf den Markt kamen, konnte die Branche die Preise für Mikrochips drastisch reduzieren. Doch die Einführung immer kleinerer Chip-Strukturen hat diesen Trend gestoppt – die Preise pro Transistor steigen wieder.

Die technologische Entwicklung in der Halbleiterindustrie führte zu einer immensen Reduzierung der Kosten pro Transistor: Lagen Sie in den 1960er-Jahren noch bei rund 1.000 Cent, so rutschten sie zum Jahrtausendwechsel unter 0,000020 Cent. Die Gründe dafür sind vielfältig: Zum einen konnte dank immer weiterentwickelter Fertigungsverfahren die Größe der integrierten Schaltungen reduziert werden, wodurch aus einem Wafer immer mehr Chips hergestellt werden konnten. Gleichzeitig stieg die Größe der Wafer selbst an, wodurch zusätzlich noch einmal mehr Chips pro Wafer gefertigt werden konnten. Zum anderen führte die steigende Nachfrage nach Mikrochips automatisch zu einer Reduzierung der Stückkosten: So sanken laut einem Beitrag im Journal „Proceedings of the IEEE“ die Kosten pro Transistor bei jeder Verdoppelung des produzierten Transistorvolumens um etwa den Faktor zwei – oder, anders ausgedrückt, die durchschnittliche jährliche Kostensenkungsrate für Transistoren lag bisher in der Größenordnung von 35 Prozent pro Jahr.

Komplexität in der Fertigung steigt

Doch inzwischen zeichnet sich ein Wandel in diesen Gesetzmäßigkeiten ab. Denn die immer weitergehende Miniaturisierung hin zu 7-, 5- oder 2-Nanometer-Strukturen hebelt die bisherigen Gesetzmäßigkeiten aus. Zwar kann dadurch die Transistordichte weiter verbessert und damit das Moore’sche Gesetz wohl noch viele Jahre am Leben gehalten werden, doch dies wird nur mit einem hohen technischen Aufwand möglich sein – der entsprechend die Fertigungskosten steigen lässt. Marvell, ein Fabless-Hersteller von Speicher-, Telekommunikations- und Halbleiterprodukten, präsentierte bereits in 2020 auf seiner Investorenkonferenz eine Grafik, nach der der Preis pro 100 Millionen Gates bis zur Einführung des 28-Nanometer-Knotens tatsächlich immer weiter gesunken ist (auf 1,30 US-Dollar). Doch seitdem steigt er wieder an – beim 7-Nanometer-Knoten liegt er schon wieder bei 1,52 US-Dollar. Diese Trendumkehr ist beim Wechsel vom 28- zum 20-Nanometer-Knoten zu beobachten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der 28-Nanometer-Knoten einer der letzten „planaren“ Knoten war, also eine zweidimensionale Oberfläche aufwies. Danach wurde die FinFET-Technologie mit ihren dreidimensionalen Strukturen eingeführt, die deutlich komplexer ist und zusätzliche Schritte in der Fertigung erfordert. „Die durchschnittlichen Kosten für die Entwicklung eines 28-Nanometer-Chips betragen 40 Millionen US-Dollar“, erläutert Handel Jones, CEO der strategischen Unternehmensberatung International Business Strategy Corporation (IBS). „Im Vergleich dazu belaufen sich die Kosten für die Entwicklung eines 7-Nanometer-Chips auf 217 Millionen US-Dollar und die Kosten für die Entwicklung eines 5-Nanometer-Bauteils auf 416 Millionen US-Dollar. Ein 3-Nanometer-Design wird bis zu 590 Millionen US-Dollar kosten.“

Zahl der Fertigungsschritte verdoppelt sich

Zwar versprechen aktuelle Entwicklungen wie Chiplets oder auch Advanced-Packaging-Technologien eine Reduzierung der Entwicklungs- und Herstellungskosten. Und auch die Kosten pro bearbeiteter Silizium-Wafer-Fläche steigen im langjährigen Durchschnitt nur langsam an – auch dank der Einführung größerer Wafer-Durchmesser. Wer die zukünftigen High-End-Chips mit 5- oder 2-Nanometer-Strukturen einsetzen will, wird dennoch mit höheren Kosten rechnen müssen. Ein Grund dafür ist, dass sich die Zahl der Fertigungsschritte laut CMC Materials, einem Lieferanten von kritischen Materialien für Halbleiterhersteller, bei einem 5-Nanometer-Knoten im Vergleich zu einem 10-Nanometer-Knoten verdoppelt. Zum Beispiel wegen des höheren Reinigungsaufwands: Allein die Zahl der Reinigungsschritte beträgt bei 5-Nanometer-Knoten schon rund 30 Prozent aller Fertigungsschritte – nur so können die hohen Qualitäts- und Reinheitsanforderungen erfüllt werden.

Steigende Anlagenpreise

Zweiter großer Treiber für die steigenden Kosten sind die Werkzeuge und Fertigungsanlagen. „Die Chipherstellung mit EUV trägt dazu bei, die Anzahl kritischer Lithografie-Masken (-40 Prozent) und Prozessschritte (-30 Prozent) im Vergleich zur Nicht-EUV-Fertigung zu reduzieren. Dies führt zu einer signifikanten Reduzierung von Fehlern, Kosten und Zykluszeiten für unsere Kunden“, berichtet Martin van den Brink, President, Chief Technology Officer and Vice Chair im Management-Board bei ASML. Derartige EUV-Lithografieanlagen kosten heute bereits mehr als 100 Millionen US-Dollar. Doch die neuen 5- oder 2-Nanometer-Knoten erfordern einen Technologiesprung: Die EUV-Plattform der nächsten Generation von ASML wird zum Beispiel noch einmal 60 Prozent kleinere Merkmale ermöglichen und die Mikrochipdichte um fast das Dreifache erhöhen. Doch laut verschiedenen Berichten in den Medien wird eine derartige Anlage wohl den Preis von 300 Millionen US-Dollar übersteigen.

Das bedeutet, dass die Chip-Hersteller das Volumen der produzierten Halbleiterprodukte deutlich erhöhen müssen, um die höheren Entwicklungs- und Anlagenkosten zu kompensieren. Gut, dass sich da ein Ende der Nachfrage nach Chips nicht abzeichnet und die Digitalisierung immer mehr Bereiche durchdringt.

Kleiner, Stärker, Preiswerter

Lange Zeit beherrschte das Moore’sche Gesetz die Anforderungen an die Entwicklung neuer Mikrochips. Doch neue Technologie-Trends wie das Internet der Dinge oder Künstliche Intelligenz stellen die Halbleiterindustrie vor neue Herausforderungen, während gleichzeitig die Miniaturisierung der Chip-Strukturen zunehmend an ihre Grenze stößt.

Seit es die Halbleitertechnologie gibt, haben sich die Anforderungen der Kunden im Großen und Ganzen nicht wirklich geändert: Immer besser, schneller und billiger sollen die Mikrochips sein. In der Tat hat die Halbleiterindustrie große Fortschritte bei der Entwicklung ihrer Halbleiterprodukte gemacht. Konsequent hat sie das Moore’sche Gesetz, nach dem sich die Anzahl der Schaltkreise auf einem Mikrochip alle zwei Jahre verdoppelt, weiter umgesetzt. Kleinere Chips mit dichter gepackten Transistoren ermöglichen die Herstellung kleinerer, leistungsfähigerer elektronischer Geräte zu niedrigeren Preisen. Ein in der Branche oft zitierter Vergleich verdeutlicht diese Fortschritte sehr anschaulich: Wenn die Automobilindustrie in den letzten 30 Jahren ähnliche Leistungsverbesserungen erzielt hätte, würde ein Rolls-Royce nur 40 Dollar kosten und mit einer Gallone Benzin achtmal die Erde umrunden können – mit einer Höchstgeschwindigkeit von 2,4 Millionen Meilen pro Stunde.

More Moore oder More Than Moore?

Doch die Halbleiterentwicklung stößt zunehmend an die Grenzen des Moore’schen Gesetzes: Inzwischen nähern sich die Strukturen auf den Chips atomaren Größenordnungen und lassen sich nicht weiter reduzieren. Eine Lösung ist der 3D-Ansatz: Dabei werden Schichten von Transistoren übereinandergestapelt, wodurch sich die Anzahl der Bauteile pro Quadratmillimeter noch einmal weiter erhöhen lässt, selbst wenn die physikalischen Abmessungen in der Ebene nicht mehr weiter reduziert werden können. Dabei könnten die Hersteller auch verschiedene Halbleitermaterialien übereinanderschichten, zum Beispiel auf eine Lage mit herkömmlichen Silizium-Transistoren eine Ebene aus Verbindungshalbleitern wie Indiumgalliumarsenid aufbringen. Sie können spezielle Aufgaben übernehmen, wie eine besonders schnelle Signalverstärkung oder die Detektion von Licht. In dieser Integration zusätzlicher Funktionen in die Chips sehen viele Experten die Alternative zur Fortführung des Moore’schen Gesetzes. Ihre Devise lautet: Statt „More Moore“ (weitere Miniaturisierung) lieber „More than Moore“ (die Vereinigung von digitalen und nicht digitalen Funktionen auf demselben Chip). Zu finden sind derartige Lösungen bereits heute in vielen Bauelementen, zum Beispiel bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) oder bei Funk- und Analog/Mixed-Signal-Technologien (RF/AMS).

Neue Lösungen für KI-Anwendungen

Viele der Innovationen in der Halbleiterindustrie wurden durch zwei übergeordnete Technologietrends angestoßen: Künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge.

KI stellt die Halbleitertechnologie vor völlig neue Herausforderungen, denn die dabei verarbeiteten und gespeicherten Datenmengen sind enorm groß. Um sie zu bewältigen, ist eine verbesserte Halbleiterarchitektur notwendig. Dabei geht es weniger um die Verbesserung der Gesamtleistung oder Rechenpower, sondern vielmehr um die Beschleunigung des Datentransfers aus und in den Speicher sowie um effizientere Speichersysteme. So wurden spezielle neuronale Chips entwickelt, die wie die Synapsen des menschlichen Gehirns funktionieren. Anstatt ständig Signale zu senden, arbeiten sie nur bei Bedarf. Zudem verarbeiten KI-Chips Daten in vielen parallelen Prozessen, nicht wie bisherige Prozessoren hintereinander weg. Daneben kommen verstärkt nichtflüchtige Speicher bei KI-Halbleitern zum Einsatz. Sie können Daten auch ohne ständige Stromzufuhr speichern. Die Kombination dieser nichtflüchtigen Speicher mit KI-Prozessoren auf einem „System-on-a-Chip“ bietet eine Lösung für die Anforderungen moderner KI-Applikationen.

Mikrochips im Netz der Dinge

Basis des Internets der Dinge sind kleine Mikroprozessoren, die in Gegenstände eingebaut sind und über Funk kommunizieren. Über integrierte Sensoren sind diese Mini-Computer in der Lage, ihre Umgebung wahrzunehmen, die Informationen weiterzuverarbeiten und mit anderen Objekten oder dem Internet zu teilen.

Das erfordert Mikrocontroller, die auf begrenztem Raum Sensoren, Prozessoren, Speicher, Wi-Fi-Fähigkeit, mikroelektromechanische Systeme und eine Reihe von analogen und digitalen Schaltungen integrieren. Gleichzeitig soll der Stromverbrauch möglichst niedrig sein, da die (größtenteils mobilen) Objekte nicht an ein Stromnetz angeschlossen werden können oder aber ein häufiger Batterietausch zu aufwändig und zu teuer wäre. Beispielsweise wird derzeit überlegt, das heute üblicherweise in integrierten Schaltkreisen verwendete Basismaterial Silizium durch ein neues Halbleitermaterial wie Galliumarsenid zu ersetzen.

Da viele IoT-Geräte zudem raue Umgebungsbedingungen aushalten müssen, stellt der Einsatz hohe Anforderungen an die Robustheit der Halbleiterprodukte, zum Beispiel in puncto Vibration, Temperatur-, Wasser- und/oder Salzresistenz.

Hohe Leistung für 5G

Sein volles Potenzial wird das IoT aber erst mit dem neuen Mobilfunkstandard 5G ausschöpfen können. Mit hoher Bandbreite und Übertragungsqualität sowie geringer Latenz stellt 5G in vielen Bereichen die technische Grundlage für den nächsten Entwicklungsschritt des IoT dar. Eine Lösung hierfür bietet Hochfrequenz- und Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC). Diese sogenannten Wide-Bandgap-Halbeiter (WBG) zeichnen sich unter anderem durch eine deutlich höhere Energieeffizienz aus.

Energieeffiziente Leistungselektronik

Zehnmal kleiner als herkömmliche Silizium-Halbleiter können WBG-Halbleiter für die Leistungselektronik gefertigt werden und verlieren bis zu 50 Prozent weniger Wärme. Zudem können Transistoren aus WBG-Halbleitern die Schaltfrequenz gegenüber Silizium-Transistoren um bis zu 500 Prozent steigern. Mit diesen Eigenschaften können SiC- und GaN-Halbleiter in vielen Anwendungsgebieten die steigenden Kundenanforderungen erfüllen – von der Elektromobilität über Fotovoltaik-Wechselrichter bis hin zu Schnellladegeräten.

Die Halbleiterfertigung soll grüner werden

Auf der einen Seite helfen HalbleiterLösungen dabei, Energie zu sparen und Emissionen zu senken. Auf der anderen Seite jedoch verbraucht ihre Herstellung erhebliche Ressourcen. Die Akteure entlang der gesamten Halbeiter-Wertschöpfungskette intensivieren daher ihre Bemühungen, die Mikrochip-Herstellung nachhaltiger aufzustellen.

Halbleiter sind eine Schlüsseltechnologie beim Klimaschutz. In Photovoltaikzellen erzeugen sie Strom aus Licht, in Umrichtern wandeln sie Energie so um, dass sie mit minimalem Verlust in das Stromnetz übertragen werden kann. Halbleiter machen Antriebe effizienter, überwachen in Sensoren die verschiedensten in die Energiekette eingebundenen Systeme und vernetzen über das Internet der Dinge nachhaltige Energieerzeugung und Verbraucher miteinander, sodass Angebot und Nachfrage optimal aufeinander angepasst werden.

Großer ökologischer Fußabdruck

Doch auf der anderen Seite ist die Halbleiterproduktion ein immens ressourcenintensiver Bereich. Perfluorkohlenwasserstoff (PFC), Chemikalien und Gase verursachen beträchtliche Emissionen verschiedenster Treibhausgase. Der Wasserverbrauch und der Verbrauch von Chemikalien sind hoch, das Recycling von Nebenprodukten ist kostspielig und komplex. So werden beim Trockenätzen oder bei der Reinigung von Kammern für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Treibhausgase wie fluorierte Verbindungen verwendet. Gase wie SF6 und NF3 haben ein vielfach höheres Treibhauspotenzial wie CO₂. Laut dem belgischen Interuniversitry Micro-Electronics Centrum (IMEC) haben Untersuchungen gezeigt, dass fast 75 Prozent der CO₂-Emissionen, die ein mobiles Gerät entlang seiner gesamten Lebenszeit verursacht, während der Herstellung entstehen – wobei fast die Hälfte davon auf die Chip-Fertigung zurückzuführen ist. Hinzu kommt, dass die Halbleiterindustrie aufgrund der erforderlichen Reinraumbedingungen und der extrem komplexen Anlagen besonders energieintensiv ist. Greenpeace schätzt zum Beispiel den jährlichen Stromverbrauch von TSMC auf 4,8 Prozent des gesamten Stromverbrauchs Taiwans – das ist mehr, als die Hauptstadt Taipeh verbraucht. Laut IMEC steigt der Ressourcenverbrauch zudem mit den immer kleiner werdenden Chip-Strukturen: Vergleicht man die Produktion einer 28-Nanometer-Struktur mit der einer 2-Nanometer-Struktur, so steigt der Stromverbrauch um den Faktor 3,46, der Reinstwasserverbrauch um den Faktor 2,3 und die Treibhausgasemissionen steigen um den Faktor 2,5 pro Wafer.

Wertschöpfungskette soll nachhaltiger werden

Doch in der Halbleiterindustrie hat bereits ein Umdenken eingesetzt: Immer mehr Unternehmen fühlen sich dem Ziel verpflichtet, eine nachhaltigere Wertschöpfungskette in der Halbleiterfertigung zu realisieren. Die großen Foundries wie TSMC und Samsung und IDMs wie Intel haben dazu inzwischen explizite Programme gestartet. So kündigte TSMC an, bis 2050 emissionsfrei arbeiten zu wollen und bis 2030 den Anteil erneuerbarer Energiequellen auf 40 Prozent zu erhöhen. Im Juli 2020 unterzeichnete TSMC beispielsweise einen 20-Jahres-Vertrag mit dem dänischen Unternehmen Ørsted, um die gesamte Energieproduktion von zwei Windkraftanlagen aufzukaufen. Auch Globalfoundries (GF) will seine Treibhausgasemissionen reduzieren – von 2020 bis 2030 um 25 Prozent, während gleichzeitig die globalen Produktionskapazitäten ausgebaut werden. „Wir sind uns bewusst, dass der Klimawandel eine noch nie dagewesene globale Herausforderung darstellt. Mit der Journey to Zero Carbon hat sich GF verpflichtet, verantwortungsbewusst zu wachsen und unsere Emissionen deutlich zu reduzieren“, so Tom Caulfield, CEO von GF.

Treibhausgas-Emissionen sinken

Laut dem Europäischen Verband der Halbleiterindustrie (ESIA) konnte die Branche in Europa die absoluten Emissionen von perfluorierten Gasen von 2010 bis 2020 um 42 Prozent senken. Im gleichen Zeitraum hat die europäische Halbleiterindustrie auch ihre Gesamtemissionen um 54 Prozent reduziert. Dies wurde unter anderem erreicht durch eine Optimierung des Herstellungsprozesses, so dass weniger PFC verwendet und emittiert wird, durch die Verwendung alternativer Chemikalien mit geringerem Treibhauspotenzial sowie durch die Installation von Anlagen zur Emissionsminderung.

Grüne Lösungsmittel

Eine wichtige Rolle bei den Bemühungen der Halbleiterindustrie, ihre Umweltbilanz zu verbessern, spielen auch Zulieferer. So hat Merck zum Beispiel „grüne“ Lösungsmittel für den Einsatz in fotolithografischen Prozessen bei der Herstellung von Halbleitern auf den Markt gebracht. Jedes Mal, nachdem Materialien auf einen Siliziumwafer übertragen wurden, ist eine sorgfältige Reinigung erforderlich, bei der unerwünschte Rückstände vom Wafer entfernt werden. Dazu sind Lösungsmittel als Reiniger unabdingbar. „Unsere neuen chemischen Produkte sind durch und durch umweltverträglich, was die Umweltbilanz der Produktionsanlagen, in denen sie eingesetzt werden, erheblich verbessert und nasschemische Prozesse auf Kundenseite vereinfacht“, erklärt Anand Nambiar, globaler Leiter des Semiconductor-Material-Geschäfts von Merck. „Da Lacke so mit weniger als einem Drittel der normalerweise erforderlichen Menge an Lösungsmitteln entfernt
werden können, sind auf Kundenseite Kosteneinsparungen möglich und die mit dem Eingang solcher Substanzen in die globalen Abfallströme verbundene Umweltbelastung wird reduziert.“

Energieeffizientere Fertigungs-Anlagen

Auch die Hersteller der Anlagen, die für die Chip-Fertigung benötigt werden, tragen dazu bei, dass Fabs ihren Ressourcenverbrauch senken können. So hat Lam Research, Anbieter von Anlagen und Dienstleistungen für die Wafer-Herstellung, neue Plasmaätz-Anlagen auf den Markt gebracht, mit denen die benötigte Energie für jeden geätzten Wafer um 10 bis 20 Prozent reduziert werden kann. Zudem führte Lam Research in Zusammenarbeit mit ASML und IMEC eine Trockenphotoresist-Technologie für die Strukturierung mit extremem Ultraviolett ein, die fünf- bis zehnmal weniger Chemie und zweimal weniger Energie benötigt.

HalbleiterKunden fordern Nachhaltigkeit

Die Bemühungen der Halbleiterindustrie, ihre Umweltbilanz zu verbessern, wird auch durch die Anforderungen ihrer Kunden gepusht. Immer mehr Firmen schauen auch auf die Nachhaltigkeit ihrer Zulieferer. Wie zum Beispiel Apple: Das Unternehmen hat das ehrgeizige Ziel, bis 2030 über die gesamte Zuliefererkette und den Produktlebenszyklus hinweg klimaneutral zu werden. „Jedes Unternehmen sollte sich am Kampf gegen den Klimawandel beteiligen und gemeinsam mit unseren Zulieferern und lokalen Communitys zeigen wir, welche Chancen grüne Innovationen bieten und welchen Wert sie haben können“, sagt Tim Cook, CEO von Apple.