Wie Automatisierung den Herstellern in den USA hilft, die Halbleiterproduktion zu skalieren

Halbleiter sind der Kern aller modernen Elektronik, der Stromverteilung und der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien. Die Palette der Halbleiterprodukte reicht von einfachen diskreten Bauteilen wie Transistoren und Dioden bis hin zu komplexen integrierten Schaltkreisen oder ICs. Halbleiterbauelemente sind häufig das Herzstück von Logikgattern, die zusammen digitale Schaltungen ergeben. Sie finden sich auch in Oszillatoren, Sensoren, Analogverstärkern, Photovoltaikzellen, LEDs, Lasern und Leistungswandlern. Zu den Produktkategorien der Industrie gehören Speicher, Logik, analoge ICs, Mikroprozessoren, diskrete Stromversorgungskomponenten und Sensoren.

Abbildung 1: Für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen und anderen Halbleiterprodukten sind spezielle Anlagen erforderlich. (Bildquelle: Getty Images)

Trotz des kritischen Charakters von Halbleitern ist ein Großteil der Welt von nicht diversifizierten und daher anfälligen globalen Lieferketten abhängig. Dies ist auf die erheblichen Größenvorteile zurückzuführen, die eine stark konsolidierte Produktion wirtschaftlich wettbewerbsfähiger machen. Schließlich kostet der Bau von Halbleiterproduktionsanlagen Milliarden und erfordert hochqualifiziertes Personal.

Abbildung 2: Linearmotoren, Riemenantriebe und Linearführungen mit Miniatur-Profilschienen sind nur einige der Präzisionsgeräte in Maschinen zur Bearbeitung von Halbleitern. (Bildquelle: Getty Images)

Die meisten Fertigungsstätten befinden sich in Taiwan, Japan, China, den USA und Deutschland und sind seit Jahrzehnten in Betrieb. Allerdings werden mehr als die Hälfte aller Halbleiter und mehr als 90 % aller fortschrittlichen Halbleiter in Taiwan hergestellt, wobei alle großen Elektronikhersteller zumindest einen Teil ihrer Halbleiterproduktion in einem einzigen taiwanesischen Werk fertigen lassen. Die jüngsten geopolitischen Spannungen haben die Gefahren einer solchen Abhängigkeit deutlich vor Augen geführt. Der „2022 Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Act“ soll dieses Problem angehen, indem er Betreibern und Automatisierungsanbietern Anreize bietet, die Halbleiterproduktion in den USA auf- und auszubauen.

Der Stand der Halbleiterfertigung

Die meisten Materialien sind entweder gute Stromleiter, wie Metalle, oder Isolatoren, wie Glas. Halbleiter haben eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt; diese Leitfähigkeit wird durch das Einbringen von Verunreinigungen in die Kristallstruktur über einen als Dotierung bezeichneten Prozess justiert. Durch die Dotierung mit einem Elektronendonor-Element erhält ein n-Typ-Halbleiter eine negative Ladung. Umgekehrt entstehen durch die Dotierung mit einem Elektronenakzeptorelement Löcher, die einen positiv geladenen p-Typ-Halbleiter erzeugen. Zwei benachbarte, aber unterschiedlich dotierte Bereiche innerhalb eines Einkristalls bilden einen Halbleiter-p-n-Übergang. Transistoren können mit NPN- oder PNP-Übergängen hergestellt werden.

Silizium ist das bei weitem am häufigsten verwendete Halbleitermaterial. Gängige n-Dotierstoffe sind Phosphor und Arsen, gängige p-Dotierstoffe sind Bor und Gallium.

Abbildung 3: Der sechsachsige Roboter in dieser Maschine von Jabil Precision Automation Solutions führt Aufgaben im Zusammenhang mit der automatischen Retikelsortierung aus, ohne die geschlossene Reinraumumgebung zu beeinträchtigen. (Bildquelle: Omron Automation Americas)

Die fortschrittlichste Halbleiterfertigung produziert Produkte mit Strukturen zwischen 1 und 100 nm (Nanometer). Da ein Nanometer ein Milliardstel Meter ist und der Abstand zwischen den einzelnen Atomen in einem Festkörper zwischen 0,1 und 0,4 nm liegt, haben sich die modernen Halbleiter-Nanostrukturen der Grenze dessen genähert, wie klein Materialstrukturen sein können. Die extreme Präzision, die mit der Herstellung solcher Produkte verbunden ist, erfordert Prozesse, die in Reinraumumgebungen ausgeführt werden und vor Erschütterungen durch seismische Aktivitäten, lokale Flugzeuge, Züge, Verkehr und Maschinen in der Nähe geschützt sind.

Die wichtigsten Prozesse in der IC-Fertigung sind die Waferherstellung, die Lithografie und die selektive Dotierung - am häufigsten durch Ionenimplantation. Viele Fabriken sind entweder auf die Herstellung von Wafern oder auf die anschließende Chip-Fertigung mit Fotolithografie und Dotierung spezialisiert. Taiwan Semiconductor (TSMC) stellt sowohl Wafer als auch Chips her; es ist die einzige Fabrik, die fortschrittliche 5-nm- und 3-nm-Chips produziert. Einige Halbleiterhersteller wie Intel und Texas Instruments haben ihre eigenen Produktionsstätten und verlassen sich nur auf TSMC, um die modernsten Chips zu erhalten. Viele fabriklose (fabless) Hersteller (darunter Apple, ARM und Nvidia) verlassen sich bei der Halbleiterproduktion jedoch vollständig auf TSMC.

Abbildung 4: GlobalFoundries hat vor kurzem eine Investition in Höhe von 1 Mrd. USD in Angriff genommen, um seine bestehende Anlage im Bundesstaat New York in die Lage zu versetzen, zusätzlich 150.000 Wafer pro Jahr zu produzieren. Diese neue Kapazität zielt darauf ab, die Nachfrage nach funktionsreichen Chips für Automobil-, 5G- und IoT-Anwendungen zu befriedigen. Die Einrichtung wird auch die nationalen Sicherheitsanforderungen für eine sichere Lieferkette unterstützen. (Bildquelle: GlobalFoundries)

Obwohl AMD technisch gesehen fabriklos ist, ist das Unternehmen nicht von TSMC abhängig und hat früher seine eigenen Chips hergestellt. AMD gliederte sein Fertigungsgeschäft aus und nannte es GlobalFoundries; letzteres betreibt Fabriken in den USA, Europa und Singapur. In der New Yorker Fabrik wurden in der Vergangenheit Chips bis zu einer Größe von 14 nm hergestellt; demnächst sollen 4-nm-Chips und dann 3-nm-Chips folgen.

Berücksichtigung spezifischer Chip-Herstellungsprozesse

In der Halbleiterfertigung werden größtenteils skalierbare Prozesse mit hoher Ausbeute eingesetzt, die die Herstellung von Millionen einzelner Strukturen (sogar im Nanomaßstab) in einem einzigen Schritt ermöglichen. Betrachten Sie einige der Besonderheiten.

Herstellung von Silizium-Wafern: Polykristalline Siliziumnuggets werden in einer teilweise evakuierten Argon-Atmosphäre geschmolzen und dann unter Verwendung eines Impfkristalls gezogen, um einen einkristallinen Siliziumblock zu züchten - einen Zylinder mit Kopf- und Endkegeln, die entstehen, wenn der Prozess gestartet und gestoppt wird. In diesem Stadium kann dem Silikon eine gleichmäßige Dotierung hinzugefügt werden.

Abbildung 5: Hier sind mehrere kristalline Siliziumblöcke und die Scheiben, die daraus geschnitten werden können, abgebildet. Nach dem Ziehen und vor dem Schleifen sind auf den Blöcken noch Kegel vorhanden. (Bildquelle: Getty Images)

Anschließend wird der Zylinder auf einen genauen Durchmesser geschliffen und mit einer Kerbe versehen, die die Kristallorientierung anzeigt. Der Zylinder wird dann mit einer Drahtsäge in Wafer geschnitten; die Wafer werden mit Diamantschleifwerkzeugen abgeschrägt und geläppt; anschließend wird die Oberfläche durch chemisches Ätzen, Wärmebehandlung, Polieren und Reinigung mit Reinstwasser und Chemikalien veredelt. Die Wafer werden vor dem Verpacken auf Ebenheit und Partikelfreiheit geprüft.

Abbildung 6: Selbst scheinbar vertraute Reinigungsprodukte nehmen neue Formen an, wenn sie für den Einsatz in Reinräumen bestimmt sind. (Bildquelle: ACL Staticide Inc.)

Lithographie: Elektronische Schaltkreise werden hergestellt, indem zunächst eine dünne Schicht eines metallischen Leiters auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht und dann mit Hilfe der Lithografie eine Maske für die Muster des Schaltkreises gedruckt wird, bevor die verbleibende leitende Schicht weggeätzt wird. Diese Verfahren wurden ursprünglich für größere gedruckte Schaltungen entwickelt, werden aber jetzt auch für die Herstellung von ICs im Nanomaßstab eingesetzt. Metallrippen werden in einem Gittermuster gedruckt, wobei die Chips im 5-nm-Verfahren Rippen mit einem Abstand von etwa 20 nm aufweisen. Automatisierte Systeme für diesen speziellen Prozess verwenden häufig Direktantriebstechnologien sowie Stabilisierungssockel und Software und sogar Luftlager.

Abbildung 7: Nanometerstrukturen können sowohl mit Elektronenmikroskopen als auch mit Rastertunnelmikroskopen untersucht werden. Fotomasken-Reparaturgeräte wie das hier gezeigte automatisieren die Fehlererkennung und Reparaturprüfung, um den Durchsatz zu beschleunigen. Die atomare Kraftmikroskopie ermöglicht den Nachweis und die Reparatur von Defekten und Fremdkörpern mit einer Genauigkeit im Nanometer- und Angstrombereich. (Bildquelle: Park Systems)

Abscheidung dünner Materialschichten: Bei diesem Verfahren wird metallisches Material durch Vakuumverdampfung, Sputterdeposition oder chemische Gasphasenabscheidung auf den Siliziumwafer aufgebracht.

Strukturierung: Hierbei handelt es sich um den eigentlichen Lithografieprozess, bei dem die Maske aufgebracht wird, um zu verhindern, dass die Metallschicht bei dem anschließenden Ätzschritt von ausgewählten Bereichen entfernt wird. Zu den gängigen Strukturierungsverfahren gehören die Fotolithografie, die Elektronenstrahllithografie und die Nano-Imprint-Lithografie. Das Metall zwischen den Lücken in der Maske wird durch einen Laser- oder Elektronenstrahl verdampft.

Ätzen: Das chemische Abtragen von Materialschichten. Beim chemischen Nassätzen werden reaktive Flüssigkeiten wie Säuren, Basen und Lösungsmittel verwendet, während beim Trockenätzen reaktive Gase zum Einsatz kommen. Das Trockenätzen umfasst das reaktive Ionenätzen und das leitfähig gekoppelte Plasmaätzen. Hier steuern automatisierte Anlagen die Dauer und die Geschwindigkeit des Prozesses - der Schlüssel zur Einhaltung von Toleranzen bei den Chipeigenschaften.

Ionenimplantation: Nachdem das Gitter der elektrischen Verbindungen auf einem Siliziumwafer erstellt wurde, müssen einzelne Transistoren an den Verbindungsstellen durch Dotierung des Silikons erzeugt werden, um NPN- oder PNP-Verbindungen zu schaffen. Dies wird erreicht, indem Ionenstrahlen, die aus den Dotierungselementen bestehen, auf die Verbindungsstellen gerichtet werden. Die sehr hohe Geschwindigkeit der beschleunigten Ionenstrahlen bewirkt, dass sie das Material durchdringen und sich in das Kristallgitter des Siliziumwafers einbetten. Die während des Lithografieprozesses erzeugten Muster werden zur genauen Steuerung des Ionenimplantationsprozesses verwendet.

Einsatz von Automatisierung für die Qualität von Halbleitern

Ein Großteil der US-Halbleiterindustrie stellt derzeit eher Fertigungsanlagen her, als dass sie selbst Halbleiter produziert. Bei diesen Geräten werden eher konventionelle mechanische und elektronische Technologien zur Automatisierung der Fertigung eingesetzt. Beispiel:

• Lithografieausrüstung wird von Applied Materials und ASML hergestellt.
• Die Anlagen für die chemische Gasphasenabscheidung werden von Lam Research und Applied Materials hergestellt.
• Plasmaätzgeräte werden von Lam Research, Applied Materials und Plasma-Therm hergestellt.
• Geräte zur Ionenimplantation werden von Axcelis Technologies und Varian Semiconductor Equipment Associates hergestellt.

Obwohl die USA derzeit den größten Teil ihres Halbleitervolumens importieren, werden alle Fertigungsstufen bis zu einem gewissen Grad in den USA ausgeführt. Dies gilt sowohl für die Wafer- als auch für die Chip-Herstellung durch Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments und andere.

Die Verfahren für die Abscheidung von Dünnschichtmaterialien, die lithografische Strukturierung, das chemische Ätzen und die Ionenimplantation zur Herstellung von Chips sind von Natur aus skalierbar. Sie ermöglichen die gleichzeitige Herstellung von Millionen von Einzelverbindungen. Die Hersteller erhöhen daher den Automatisierungsgrad, zum Teil um die Produktivität zu steigern, aber heutzutage auch immer öfter um die Qualität zu verbessern.

Die Automatisierung wird auch mit der Handhabung von Chemikalien, Chips und Wafern sowie mit dem Einsatz von Reinraumrobotern von Herstellern wie KUKA Robotics in Verbindung gebracht. Letztere spielen eine wichtige Rolle bei der Verringerung der durch menschliche Fehler verursachten Verluste.

Abbildung 8: Kollaborative Roboter fahren auf Systemen mit siebter Achse, um Siliziumwafer (40 µm dick und bis zu 300 mm Durchmesser) zu handhaben, während sie in bis zu 1200 Schritten zu Chips verarbeitet werden. (Bildquelle: KUKA Robotics)

In der Halbleiterfertigung geht es bei der Automatisierung jedoch oft eher um die Verarbeitung von Daten und die Automatisierung der daraus resultierenden Entscheidungen. In den Fabriken werden automatisierte Algorithmen für die moderne Prozesskontrolle (APC) und die statistische Prozesskontrolle (SPC) eingesetzt. Diese verfolgen Prozessabweichungen und daraus resultierende Fertigungsfehler, die durch Echtzeitkontrolle der Fertigungsprozesse reduziert werden können. Solche Systeme können künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen einsetzen, um Muster in sehr großen Datensätzen zu erkennen, die viele Prozessparameter und Qualitätskennzahlen verfolgen.

Die Vordenker bei Siemens definieren APC als verschiedene Methoden zur Verringerung von Schwankungen bei Regelungsvariablen - einschließlich Fuzzy-Regelung, modellprädikative Regelung, modellbasierte Regelung, statistisches Modell und neuronale Netze. Solche Industrie-4.0-Technologien werden häufig über integrierte Ökosysteme implementiert, wie sie von Siemens oder Schneider Electric mit EcoStruxure (um zwei Beispiele zu nennen) für die Halbleiterindustrie angeboten werden. Prozessvariablen können mit der Überwachung des Maschinenzustands für eine vorausschauende Wartung kombiniert werden, die die routinemäßige Wartung von Produktionsmaschinen reduziert und Ausfallzeiten vermeidet.

Fazit

Wenn die USA die Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Produktion von strategisch wichtigen Halbleitern sicherstellen wollen, ist eine hochmoderne Automatisierung unerlässlich. Reinraumroboter, die das Materialhandling übernehmen, sind die offensichtlichste und sichtbarste Umsetzung der Automatisierung, aber es ist die automatisierte Prozesssteuerung der eigentlichen Fertigungsprozesse, bei der echte Wettbewerbsvorteile erzielt werden. Von der Kontrolle der Umgebung für das Siliziumkristallwachstum bis hin zur Gewährleistung einer präzisen Dotierung an den Verbindungsstellen während der Ionenimplantation hängt die effiziente und defektfreie Produktion von ICs im Nanomaßstab von der Echtzeitkontrolle tausender Prozessparameter ab.

Letztendlich wird die moderne Prozesssteuerung mit der Integration von IIoT-Sensoren, KI-Algorithmen und anderen fortschrittlichen modellbasierten Steuerungsmethoden die Wettbewerbsfähigkeit der amerikanischen Halbleiterindustrie sicherstellen.