Halbleiter-Herstellung einfach erklärt und zukünftige Trends

Halbleiter sind die Basis moderner Elektronik und spielen eine zentrale Rolle in einer Vielzahl von Branchen. Dazu zählen die Informationstechnologie, Automobilindustrie und Kommunikation. Ohne Halbleiter wären die Fortschritte in Bereichen wie Computern, Smartphones, Internet der Dinge (IoT) und Künstliche Intelligenz (KI) undenkbar.

Die Herstellung von Halbleitern ist ein komplexer und hochpräziser Prozess, der fortlaufende Innovationen und enorme Investitionen erfordert. Gerade für Investoren im Tech-Markt ist es daher essenziell, die Grundlagen der Halbleiterproduktion zu verstehen. In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf die Halbleiterherstellung, ihre Prozesse, Herausforderungen und zukünftigen Entwicklungen.

Das wird für die Halbleiter-Herstellung benötigt

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt. Sie ermöglichen die Steuerung elektrischer Ströme in Geräten wie Computern, Smartphones und vielen anderen elektronischen Anwendungen.

Wichtige Materialien der Halbleiter-Herstellung

Die beiden häufigsten Materialien in der Halbleiterproduktion sind Silizium und Germanium. Silizium ist dabei aufgrund seiner Verfügbarkeit und physikalischen Eigenschaften am weitesten verbreitet. Jenes kommt erstaunlich häufig vor und wird in der Regel aus Sand extrahiert.

• Silizium: Das am häufigsten verwendete Material in der Halbleiterproduktion. Es bietet eine hervorragende Balance zwischen Kosten, Verfügbarkeit und elektrischen Eigenschaften.
• Germanium: In speziellen Anwendungen verwendet, oft in Kombination mit Silizium, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu verbessern.
• Galliumarsenid: Verwendet in Hochfrequenz- und optoelektronischen Anwendungen aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit.

So läuft der Herstellungsprozess von Halbleitern ab

Die Herstellung von Halbleitern ist ein mehrstufiger, chemisch-mechanischer Prozess, der höchste Präzision und Reinheit erfordert. Hier sind die wichtigsten Schritte im Detail:

Wafer-Produktion

Der Prozess beginnt mit der Herstellung von reinen Siliziumwafern. Reines Silizium wird durch das Czochralski-Verfahren zu einem Einkristallstab gezogen. Dieser Kristall wird in dünne Scheiben geschnitten. Die Scheiben sind dann die sogenannten Wafer, die die Basis für die Halbleiterproduktion bilden.

Lithografie

In diesem Schritt wird eine lichtempfindliche, dünne Schicht auf den gesamten Wafer aufgetragen. Durch Belichtung mit UV-Licht und anschließender Entwicklung werden die gewünschten Muster auf die Oberfläche projiziert. Diese Muster bestimmen die Anordnung der Transistoren und anderer mikroelektronischer Bauelemente auf den einzelnen Chips. Der größte Anbieter entsprechender Systeme ist das niederländische Unternehmen ASML.

Ätzen und Dotieren

Nach der Lithografie werden die ungeschützten Teile des Wafers chemisch geätzt, um die Struktur zu vertiefen. Anschließend wird der Wafer dotiert, indem gezielt Verunreinigungen eingebracht werden, um die elektrischen Eigenschaften des Materials zu verändern.

Schichten und Metallisierungen

In diesem Schritt werden verschiedene Materialien auf den Wafer aufgebracht, um die integrierten Schaltkreise zu bilden. Diese feinsten Strukturen umfassen Isolatoren, Halbleiterschichten und Metallverbindungen, welche die Funktionalität des Chips gewährleisten.

Reinigung und Qualitätskontrolle

Nach jedem Fertigungsschritt wird der Wafer gründlich gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen. Am Ende des Herstellungsprozesses wird jeder einzelne Chip einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen, um sicherzustellen, dass er die erforderlichen Spezifikationen erfüllt.

Im Anschluss erfolgt eine Aussortierung. Bei einigen Chips müssen Teilbereiche deaktiviert werden. Statt sie wegzuwerfen, werden sie in aller Regel als etwas weniger leistungsfähige Modelle vermarktet.

Überblick über den Markt der Halbleiter Herstellung

Im Jahr 2023 erreichte der globale Umsatz mit Halbleitern etwa 601 Milliarden USD, was einem Anstieg von 7,2 % im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Diese Wachstumsrate unterstreicht die bedeutende Rolle, die Halbleiter in der modernen Technologie spielen.

Die Halbleiterindustrie spielt auch in der Politik eine gewichtige Rolle und ist ein Hauptgrund dafür, dass viele kritische bis ängstliche Blicke in Richtung Taiwan wandern. Dort werden bis heute die modernsten Chips hergestellt.

Wichtige Hersteller und deren Marktanteile

• Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC): Weltweit führender Auftragsfertiger für Halbleiter, der Chips für viele große Technologieunternehmen wie Apple, AMD und NVIDIA produziert. TSMC hält einigen Schätzungen zufolge einen Marktanteil von deutlich über 50 % im Bereich der Auftragsfertigung.
• Samsung Electronics: Neben Speicherchips ist Samsung auch ein bedeutender Hersteller von Prozessoren und Display-Technologien. Das Unternehmen hält einen Marktanteil von etwa 17 % im Bereich der Halbleiterproduktion. Der koreanische Konzern arbeitete auch bereits mit Schwergewichten wie Nvidia zusammen und stellt zudem Chips für Spielekonsolen von Nintendo her.
• Intel Corporation: Ein Gigant in der Herstellung von Mikroprozessoren für PCs und Server. Intel kämpft derzeit um Marktanteile im fortschrittlichen Fertigungsprozess und musste dort zuletzt immer wieder Milliardenverluste einfahren. Dennoch treibt Intel den Ausbau voran, unter anderem mit einer neuen Fabrik in Deutschland, die die Politik mit Milliardensubventionen unterstützt.

Trends und Innovationen bei Halbleitern

• 5G-Technologie: Die Einführung des 5G-Netzes treibt die Nachfrage nach fortschrittlichen Halbleitern, die höhere Datenübertragungsraten und niedrigere Latenzzeiten ermöglichen.
• Künstliche Intelligenz (KI): Der Einsatz von KI erfordert leistungsstarke Halbleiterlösungen, insbesondere für maschinelles Lernen und Datenverarbeitung. Grundlage dafür sind Chips mit einer besonders hohen Leistung bei parallelen Berechnungen.
• Elektromobilität: Der Übergang zu Elektrofahrzeugen (EVs) treibt die Nachfrage nach speziellen Halbleitern. Moderne Batteriemanagementsysteme und Antriebstechnologien benötigen diese. Während der Corona-Jahre führten Engpässe bei Chips zeitweise zu Produktionsausfällen, was die Bedeutung von Chips im Autosektor eindrucksvoll untermauert.
• Internet der Dinge (IoT): Die zunehmende Vernetzung von Geräten erfordert energieeffiziente und leistungsfähige Halbleiter, um Daten zu sammeln und zu verarbeiten.

Ein näherer Blick auf den derzeitigen Markt

Neben den bereits erwähnten großen Akteuren wie Intel, TSMC und Samsung sind Nvidia, AMD, ASML und Micron Technology ebenfalls wichtige Player, die durch ihre Innovationen und Marktstrategien die Halbleiterindustrie maßgeblich beeinflussen.

Die neuen Branchengrößen

• NVIDIA und AMD: Diese Unternehmen haben durch ihre leistungsstarken GPUs und CPUs erhebliche Marktanteile gewonnen und treiben die Entwicklung von KI und maschinellem Lernen voran. Bei KI-Beschleunigern hält Nvidia im Jahr 2024 Schätzungen zufolge etwa 80 Prozent Marktanteil.
• ASML: Als Schlüssellieferant für die Halbleiterindustrie ermöglicht ASML durch seine EUV-Lithografiesysteme die Produktion der modernsten Chips. Beschränkungen bei der Lieferung von Gerätschaften nach China sorgten jedoch teils für Unbehagen an der Börse.
• Micron Technology: Mit seinen fortschrittlichen Speicherlösungen unterstützt Micron die kontinuierliche Leistungssteigerung in vielen Bereichen der Elektronik. Die Speicherchips sind unter anderem für KI-Chips unverzichtbar.

Technologischer Ausblick

• Fortschritte in der Lithographie: ASMLs EUV-Technologie ermöglicht die Herstellung immer kleinerer und leistungsfähigerer Chips.
• Integration von KI: NVIDIA und AMD treiben die Integration von KI in verschiedenste Anwendungen voran, was zu einer erhöhten Nachfrage nach ihren Produkten führt. Dafür setzen die Hardware-Hersteller auch auf die gezielte Entwicklung passender Software.
• Speichertechnologien: Micron entwickelt ständig neue Speicherlösungen, die höhere Kapazitäten und schnellere Datenverarbeitung ermöglichen. Besonders viel Aufmerksamkeit erhält derzeit HBM3E-Speicher, den Micron auf der eigenen Webseite als fortschrittlichsten Speicher überhaupt bewirbt.

Herausforderungen in der Halbleiterherstellung

Die Herstellung von Halbleitern ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, die sowohl technologischer als auch wirtschaftlicher Natur sind.

Technologische Herausforderungen

• Miniaturisierung: Die fortlaufende Reduktion der Strukturgrößen auf den Chips stellt hohe Anforderungen an die Präzision und die Herstellungsverfahren. Aktuell ist das 2-nm-Verfahren in Arbeit, welches 2025 in die Massenproduktion gehen könnte. Einige Hersteller stellen für das Jahr 2027 sogar schon 1 nm Strukturbreite in Aussicht.
• Komplexität der Prozesse: Jeder Schritt im Herstellungsprozess bedarf exakter Kontrolle, um höchste Qualität und Zuverlässigkeit der Halbleiter zu gewährleisten. Schon geringste Abweichungen können die Halbleiter Herstellung zum Scheitern führen.

Die Kosten der Halbleiter-Herstellung

• Investitionskosten: Die Einrichtung und der Betrieb moderner Halbleiterfabriken erfordern enorme Investitionen. Eine neue Fabrik kann leicht mehrere Milliarden Dollar kosten. Das zeigen aktuelle Vorhaben von TSMC und Intel sehr anschaulich.
• Lieferkettenprobleme: Die Corona-Pandemie und geopolitische Spannungen haben die Anfälligkeit der Lieferketten offenbart, was zu Engpässen und Preisschwankungen geführt hat. Besonders eine mögliche Invasion von China in Taiwan wird derzeit als mögliches Horrorszenario angesehen.

Umwelt- und Nachhaltigkeitsaspekte

• Energieverbrauch: Die Herstellung von Halbleitern ist extrem energieintensiv. Unternehmen suchen nach Wegen, um den Energieverbrauch zu senken und nachhaltigere Produktionsmethoden zu entwickeln.
• Ressourcenverbrauch: Die Gewinnung und Verarbeitung der benötigten Rohstoffe hat erhebliche ökologische Auswirkungen. Recycling und die Entwicklung umweltfreundlicherer Materialien sind wichtige Themen in der Branche.

Zukunftsperspektiven für die Halbleiter-Herstellung

Die Zukunft der Halbleiterindustrie sieht vielversprechend aus, getrieben durch kontinuierliche Innovationen und eine stetig wachsende Nachfrage nach fortschrittlichen Technologien. Man muss kein Experte sein, um weiteres Wachstumspotenzial zu erkennen, unterstützt durch die zunehmende Verbreitung von Technologien wie 5G, KI und IoT.

Potenzielle Game-Changer

• Quantencomputing: Obwohl noch in den Kinderschuhen, hat Quantencomputing das Potenzial, die Leistungsfähigkeit von Computern revolutionär zu erhöhen und völlig neue Anwendungsbereiche zu eröffnen. Entsprechende Systeme arbeiten nicht mehr nur mit den zwei Zuständen 0 und 1 (an und aus), sondern mit sogenannten Superpositionen. Das kann die Rechengeschwindigkeit in bestimmten Szenarien dramatisch beschleunigen.
• Neue Materialien: Forschungen zu neuen Halbleitermaterialien wie Galliumoxid und zweidimensionalen Materialien könnten die Leistung und Effizienz von Halbleitern erheblich verbessern.
• Automatisierung: Der Einsatz von Robotik und KI in der Produktion wird die Effizienz und Präzision in der Halbleiterherstellung weiter erhöhen.

Die Meisterung weiterer Herausforderungen

• Investitionen in Forschung und Entwicklung: Unternehmen müssen kontinuierlich in die Erforschung neuer Technologien und Materialien investieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben.
• Diversifikation der Lieferketten: Eine breitere Aufstellung der Lieferketten kann helfen, zukünftige Engpässe und Risiken zu minimieren. Entsprechende Vorhaben werden aktuell auf den Weg gebracht, doch braucht der Bau neuer Anlagen mehrere Jahre.
• Nachhaltigkeitsinitiativen: Die Implementierung umweltfreundlicherer Produktionsmethoden und die Reduzierung des Energie- und Ressourcenverbrauchs sind entscheidend für die langfristige Nachhaltigkeit der Branche.

Fazit

Die Herstellung von Halbleitern ist ein hochkomplexer und kontinuierlich sich weiterentwickelnder Prozess, der die Grundlage für zahlreiche moderne Technologien bildet. Trotz der Herausforderungen bieten die Innovationskraft und die wachsende Nachfrage nach fortschrittlichen Technologien enorme Chancen für die Branche. Auch für Investoren ist die Branche enorm spannend und die letzten Jahre haben das Wachstumspotenzial bei Aktienkursen sehr eindrucksvoll offenbart.