Die Halbleiterindustrie stellt die winzigen Chips her, die all Ihre elektronischen Geräte versorgen. Sie haben täglich mit diesen Chips in Ihrem Telefon, Computer, Auto und Ihren Geräten zu tun. Diese weltweite Industrie hat einen Wert von über $500 Milliarden und umfasst komplexe Prozesse, die extrem saubere Anlagen, spezielle Materialien und präzise Fertigungsschritte zur Herstellung mikroskopisch kleiner Schaltkreise erfordern.
Die weltweite Halbleiterindustrie wird im Jahr 2025 voraussichtlich einen Umsatz von $697 Milliarden erreichen nach Angaben von Infosys. Dies entspricht einem Wachstum von 11% im Vergleich zum Vorjahr, das vor allem auf die Nachfrage von Rechenzentren und KI-Technologien zurückzuführen ist. Yijin Lösungen spielt eine wichtige Rolle in dieser Branche. Hier erfahren Sie, was Sie über die Halbleiterherstellung in Amerika wissen müssen.
Wichtigste Erkenntnisse
- Halbleiter sind spezielle Materialien, die den Stromfluss in Ihrer gesamten Elektronik steuern, wobei Silizium heute am häufigsten verwendet wird.
- Die Herstellung von Computerchips umfasst sechs komplexe Schritte: Vorbereitung von Siliziumscheiben, Drucken winziger Muster mit Licht, Wegätzen von Materialien, Hinzufügen spezieller Chemikalien, Aufbringen dünner Schichten und Testen der Chips.
- Reinräume sind sehr wichtig, weil sie Staub und Partikel während der Herstellung von den Chips fernhalten, denn schon ein einziges Körnchen kann einen ganzen Chip zerstören.
- Das CHIPS-Gesetz stellt über $50 Milliarden für den Bau weiterer Chipfabriken in Amerika zur Verfügung, was mehr Arbeitsplätze und weniger Engpässe bei den elektronischen Geräten bedeutet, die Sie jeden Tag benutzen.
Was ist ein Halbleiter?
Ein Halbleiter ist ein Material, das Elektrizität besser leiten kann als ein Isolator, aber nicht so gut wie ein Leiter. Sie finden Halbleiter in fast allen elektronischen Geräten. Sie steuern den Stromfluss in Ihrem Telefon, Computer, Fernseher und Auto. Silizium ist das heute am häufigsten verwendete Halbleitermaterial.
Was sind die 6 Schritte zur Halbleiterherstellung?
Die 6 wichtigsten Schritte zur Herstellung von Halbleitern sind:
- Vorbereitung von reinen Siliziumscheiben.
- Mit Licht werden winzige Muster gedruckt (Fotolithografie).
- Abätzen von unerwünschtem Material.
- Zugabe von Chemikalien (Doping).
- Aufbringen dünner Schichten von Materialien.
- Prüfung der fertigen Chips.
Ihre elektronischen Geräte funktionieren dank dieses komplexen Prozesses.
Nach den Trends in der Halbleiterindustrie finden Sie hier einen Überblick über die einzelnen Schritte, und dann wollen wir uns jeden dieser Prozesse genauer ansehen.
| Schritt | Beschreibung | Zweck |
|---|---|---|
| Vorbereitung von reinen Siliziumwafern | Herstellung hochreiner Siliziumscheiben aus geschmolzenen Siliziumkristallen | Dient als Basis für alle Mikrochips |
| Fotolithografie | Übertragung mikroskopischer Muster auf den Wafer mit Hilfe von ultraviolettem Licht | Definiert komplizierte Schaltungslayouts |
| Ätzen | Abtragen ausgewählter Materialbereiche von der Waferoberfläche | Gestaltet die Schaltungspfade und Merkmale |
| Doping | Zugabe genauer Mengen von Chemikalien zur Veränderung der elektrischen Eigenschaften | Erzeugt leitende Bereiche auf dem Chip |
| Dünnschichtabscheidung | Aufbringen dünner Schichten von Materialien auf die Waferoberfläche | Baut die für die Chipfunktion erforderlichen Schichten auf |
| Prüfung fertiger Chips | Überprüfung der fertigen Chips auf Fehler und Leistung | Sicherstellung der Funktionalität vor der Verpackung |
Vorbereitung der Wafer
Siliziumkristalle wachsen aus einem winzigen Samen zu einem großen Zylinder, der in dünne Scheiben geschnitten wird. Diese Wafer werden poliert, bis sie wie Spiegel glänzen und sauberer sind als alles, was Sie je gesehen haben. Ihr zukünftiger Chip beginnt als Sand, der sich in diese hochreinen Siliziumscheiben verwandelt.
Fotolithografie
Spezielle Maschinen verwenden Licht, um winzige Muster auf Wafer zu drucken, die mit lichtempfindlichen Chemikalien beschichtet sind. Dieser Prozess funktioniert wie eine Fotoaufnahme, bei der die Merkmale auf eine Größe geschrumpft werden, die tausendmal kleiner ist als ein menschliches Haar. Man kann es sich so vorstellen, als würde man den Fahrplan zeichnen, dem die Elektrizität in Ihrem Gerät folgen wird.
Ätzen
Starke Gase oder Chemikalien entfernen unerwünschtes Material vom Wafer und schneiden die bei der Fotolithografie entstandenen Muster heraus. Durch dieses Verfahren entstehen die Täler und Gräben, die die Leiterbahnen des Chips bilden. Ihr Chip wird in diesem Schritt wie eine kleine Landschaft geformt.
Doping
Yijin fügt dem Silizium spezielle Atome hinzu, die den Stromfluss in verschiedenen Bereichen verändern. Diese Dotierstoffe schaffen die "Türen", die den elektrischen Strom steuern, so dass Ihr Chip wie ein winziger Schalter funktioniert. Man kann es mit dem Hinzufügen geheimer Zutaten vergleichen, die dem Chip seine elektrischen Superkräfte verleihen.
Ablage
Dünne Schichten aus Metallen und anderen Materialien überziehen den Wafer und verbinden alle Teile des Chips miteinander. Diese Schichten können nur ein paar Atome dick sein und bilden die Drähte, durch die der Strom fließt. Ihr Chip erhält mehrere Beschichtungen, die sich wie Schichten in einem Sandwich aufbauen.
Prüfung und Verpackung
Jeder Chip wird von Yijin getestet, um sicherzustellen, dass er perfekt funktioniert, bevor er aus dem Wafer geschnitten und verpackt wird. Das Gehäuse schützt Ihren Chip und verbindet ihn über winzige Metallstifte mit der Außenwelt. Sie profitieren von Hunderten von Tests, die sicherstellen, dass nur funktionierende Chips in Ihre Geräte gelangen.
Welche Materialien werden bei der Halbleiterherstellung verwendet?
Silizium ist das gebräuchlichste Material in der Halbleiterherstellung, aber auch Germanium, Galliumarsenid und Siliziumkarbid werden verwendet. Die Hersteller verwenden Chemikalien wie Fotolacke zur Herstellung von Mustern, Dotierstoffe zur Steuerung des Stromflusses und Metalle wie Kupfer und Aluminium für die Verbindungen. Ihre Geräte funktionieren dank dieser speziellen Materialien.
Silizium
Silizium ist zunächst gewöhnlicher Sand, der gereinigt wird, bis er zu 99,9999999% rein ist. Sie finden Silizium in fast jedem elektronischen Gerät, das Sie besitzen, denn es ist reichlich vorhanden und hat hervorragende Halbleitereigenschaften. Die einzigartige Kristallstruktur von Silizium ermöglicht die Hersteller bei Yijin bauen die winzigen Schalter, mit denen Ihr Telefon, Ihr Computer und Ihr Fernseher funktionieren.
Germanium
Germanium wurde in den ersten Transistoren verwendet, bevor Silizium das bevorzugte Material wurde. In den meisten Geräten ist es heute nicht mehr zu finden, aber in Solarzellen und Glasfasersystemen wird es nach wie vor verwendet. Bei einigen Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen Ihre Geräte zusätzliche Leistung benötigen, funktioniert Germanium besser als Silizium.
Galliumarsenid
Galliumarsenid verarbeitet Strom viel schneller als Silizium und eignet sich daher perfekt für Ihre drahtlosen Geräte. Sie profitieren von Galliumarsenid, wenn Sie Hochfrequenzelektronik wie Radarsysteme, Satellitenkommunikation und einige Smartphones verwenden. Dieses Material funktioniert besser bei extremen Temperaturen und kann in Ihren Solarmodulen Licht effizienter in Strom umwandeln.
Siliziumkarbid
Siliziumkarbid widersteht viel höheren Temperaturen und Spannungen als normales Silizium. Ihr Elektroauto könnten Siliziumkarbid-Chips verwenden, weil sie weniger Energie in Form von Wärme verlieren und dazu beitragen, die Reichweite zu erhöhen. Dieses widerstandsfähige Material wird auch in Ihren LED-Leuchten und in Hochleistungsgeräten verwendet, wo normale Chips versagen würden.
Photoresists
Photoresists sind spezielle lichtempfindliche Chemikalien, mit deren Hilfe die winzigen Muster auf den Chips entstehen. Wenn Licht auf diese Materialien trifft, verändern sie ihre Eigenschaften und ermöglichen die Hersteller bei Yijin um die mikroskopisch kleinen Schaltkreise zu zeichnen, die Ihre Geräte antreiben. Der Prozessor Ihres Smartphones hat Muster, die von Fotolacken erzeugt werden, die tausendmal kleiner sind als ein menschliches Haar.
Dotierstoffe
Dotierstoffe sind spezielle Atome wie Bor oder Phosphor, die Hersteller dem Silizium hinzufügen, um den Stromfluss zu verändern. Man kann sich Dotierstoffe als die "geheimen Zutaten" vorstellen, die einfaches Silizium in einen funktionierenden Halbleiter verwandeln. Ihre elektronischen Geräte benötigen diese Dotierstoffe, um die grundlegenden Ein/Aus-Schalter zu erzeugen, die alle Ihre digitalen Informationen verarbeiten.
Kupfer
Kupfer transportiert Strom zwischen den verschiedenen Teilen Ihres Chips mit sehr geringem Widerstand. Dank der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer erhalten Sie schnellere Geräte mit längerer Akkulaufzeit. Die Hersteller legen sorgfältig dünne Kupferleitungen an, die Milliarden von Transistoren im Prozessor Ihres Laptops oder Telefons miteinander verbinden.
Aluminium
Aluminium war das am häufigsten verwendete Metall in Chips, bevor sich Kupfer durchsetzte. In vielen Ihrer Geräte finden Sie immer noch Aluminium, weil es leicht ist und sich gut mit Silizium verbindet. Aluminium bildet die winzigen Drähte und Verbindungspunkte, die die verschiedenen Schaltungsebenen in Ihren elektronischen Geräten miteinander verbinden.
Was ist ein Reinraum und warum ist er wichtig?
Ein Reinraum ist ein spezieller Produktionsraum, in dem die Luft unglaublich rein und frei von Staub und Partikeln ist. In den besten Reinräumen werden Sie nicht einmal ein Staubkorn finden. Diese Räume sind für die Herstellung von Halbleitern unerlässlich, denn selbst winzige Partikel können die Chips zerstören, die Ihre Geräte antreiben.
Reinräume werden nach Klassen eingeteilt, die angeben, wie viele Partikel pro Kubikfuß Luft zulässig sind. In einem Reinraum der Klasse 1 (der saubersten) gibt es weniger als 1 Partikel pro Kubikfuß, während es in einem normalen Raum in Ihrem Haus Millionen sein können! Die Mitarbeiter tragen spezielle "Hasenanzüge", die ihren gesamten Körper bedecken, um zu verhindern, dass Hautschuppen oder Haare die Chips verunreinigen.
Was ist das CHIPS-Gesetz?
Das CHIPS-Gesetz wurde 2022 verabschiedet und stellt $52,7 Milliarden Euro zur Verfügung, um die Herstellung von Computerchips in Amerika zu fördern. Sie werden davon profitieren, da es darauf abzielt, Ihre Abhängigkeit von im Ausland hergestellten Chips zu verringern, amerikanische Arbeitsplätze zu schaffen und Engpässe zu vermeiden, die Ihre Elektronik teurer machen. Das Gesetz unterstützt die Forschung und den Bau neuer Fabriken.
Der vollständige Name lautet "Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors and Science Act". Etwa $39 Milliarden Euro fließen direkt in den Bau neuer Chipfabriken in den USA. Unternehmen wie Intel, Micron und TSMC haben bereits Pläne zum Bau von Fabriken in Bundesstaaten wie Ohio, New York und Arizona angekündigt, die auf diese Mittel angewiesen sind.
Die Rolle von Yijin in der globalen Halbleiterindustrie
Kontaktieren Sie Yijin Hardware noch heuteWir spielen eine tragende Rolle in der weltweiten Halbleiterindustrie, indem wir Präzisionskomponenten herstellen, die in Halbleiteranlagen verwendet werden. Sie finden unsere CNC-gefrästen Teile in verschiedenen Geräten, die die Chip-Produktion ermöglichen. Wir sind auf die Herstellung kundenspezifischer Halbleiterkomponenten aus Materialien wie Silizium, Aluminiumoxid und Saphir spezialisiert.
Halbleiterherstellungsindustrie | FAQs
Wie wirkt sich die Halbleiterherstellung auf die Umwelt aus?
Die Herstellung von Halbleitern stellt aufgrund des hohen Wasserverbrauchs, des Energieverbrauchs und der chemischen Abfälle eine große Herausforderung für die Umwelt dar. Für die Herstellung eines einzigen Computerchips werden Tausende von Litern Wasser und verschiedene schädliche Chemikalien verbraucht. Die Industrie produziert Treibhausgase wie Perfluorkohlenwasserstoffe, die weitaus schädlicher sind als Kohlendioxid.
Vor welchen Herausforderungen steht die Halbleiterindustrie?
Die Halbleiterindustrie ist mit schwerwiegenden Unterbrechungen der Lieferkette, Fachkräftemangel und geopolitischen Spannungen konfrontiert, die die Verfügbarkeit von Chips beeinträchtigen. Da die Unternehmen mit diesen Problemen zu kämpfen haben, werden Sie möglicherweise höhere Preise und längere Wartezeiten für Elektronikprodukte feststellen. Die Branche hat auch mit der zunehmenden Komplexität der Fertigung zu kämpfen, da die Merkmale der Chips auf atomare Größenordnungen schrumpfen, was milliardenschwere Fabriken und Spitzentechnologie erfordert.
Welche Fortschritte prägen die Zukunft der Halbleiterfertigung?
Neue Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid und Siliziumkarbid revolutionieren die Leistung von Chips über das traditionelle Silizium hinaus. Schon bald werden Sie diese Materialien in Ihren Geräten sehen, die ein schnelleres Aufladen, eine höhere Energieeffizienz und ein besseres Wärmemanagement ermöglichen. Innovationen im Bereich 3D-Stacking ermöglichen es den Herstellern, mehr Rechenleistung auf gleichem Raum unterzubringen.
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