Halbleiterfertigung ist wie kochen

Auch in der Bump Test Facility läuft wieder alles automatisch, allerdings haben die Roboter unter der Decke hier noch Kollegen auf dem Boden. Deren langsame Bewegungen haben fast etwas Meditatives, allerdings dürfen sie mit ihrer wertvollen Fracht auch nirgends anecken, die spröden Wafer könnten brechen. Entwickelt wurden sie in Dresden, "das ist für uns eine der Stärken des Silicon Saxony: Hier kommt viel Wissen zusammen", sagt Karin Raths.

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In der Bump Test Facility können Kunden ihre fertigen Wafer mit Lötkugeln (solder bumps) bestücken und testen lassen, danach treten die Wafer die Reise zum Packaging an. Das erfolgt meist in Asien, einige Kunden lassen Test und die Bestückung mit Lötkugeln auch dort erledigen. Danach werden die Wafer zersägt (Dicing) und die erfolgreich getesteten Dies in Gehäuse oder auf Platinen montiert und verpackt. Das dauert noch einmal mehrere Monate. So viel Zeit haben wir nicht, wir müssen zurück zum Ausgang, denn auf uns wartet bereits Entwicklungsleiter Sven Beyer.

  • Zum Transport sind die Wafer in FOUP genannte Boxen sortiert. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Ein FOUP fasst 25 Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Mehr als 900 dieser Transportroboter sind an der Decke der Hallen unterwegs. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einfach rumstehen darf nichts, zum Abstellen gibt es ausgewiesene Bereiche. Außerdem muss immer abgesperrt werden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Die Maschinen kommen ohne Menschen zurecht, nur selten sitzt jemand davor. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Am Übergang vom gelb beleuchteten Lithografiebereich zum weiß beleuchteten Abschnitt (hier blau durch Weißabgleich) gibt es automatische Türen für die Transportroboter. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Zwischen den einzelnen Hallen gibt es Brücken, die die Reinräume verbinden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Fenster gibt es in den Reinräumen eigentlich kaum, die wenigen sind mit Folie abgeklebt, um schädliche Spektren auszusperren. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Gelegentlich gibt es unter der Decke Stau. Rechts sind die Deckenlagerplätze sowie ein Stocker zu sehen, in denen die Transportroboter FOUPs zwischenlagern. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • In der Bump Test Facility transportiert ein Roboter die FOUPs am Boden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einige Beispiele von Chips aus der Dresdner Fab. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Labor für Materialanalyse dürfen wir auch einen Wafer in die Hand nehmen. Darauf befinden sich verschiedene Teststrukturen. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Geübte Augen erkennen anhand der Muster, was sich auf dem Wafer befindet. Ich muss nachfragen.  (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Reinraum ist nur Papier für Notizen erlaubt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
In der Bump Test Facility transportiert ein Roboter die FOUPs am Boden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Er gibt uns einen Einblick in die Details, die die Halbleiterfertigung so kompliziert machen. Denn nicht nur sind die Kosten immens: Jede der drei Fertigungshallen kostet, so Beyer, zwischen vier und fünf Milliarden Euro, obwohl minimal mit 22 nm gefertigt wird. Auch die Fertigungsprozesse müssen kleinschrittig entwickelt werden.

Komplizierte Chip-Rezepte

In jeder Maschine lassen sich diverse Parameter konfigurieren, Sven Beyer nennt das Rezepte. Sie steuern beispielsweise Temperatur, Gasfluss und den Zeitpunkt, zu dem verschiedene Zutaten zugeführt werden. Zwar liefern die Anlagenbauer Startrezepte, die müssen allerdings auf den gesamten Prozess eines Herstellers abgestimmt werden. Das sei auch die größte Schwierigkeit bei der Entwicklung neuer Prozessknoten: Hier muss viel ausprobiert und getestet werden.

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Einfach aus dem Boden stampfen lässt sich ein Prozess ohnehin nicht: "Man braucht jemanden, der Erfahrung hat", sagt Beyer, am einfachsten lasse sich ein neuer Fertigungsprozess aus einem bestehenden entwickeln. Einen neuen Halbleiterhersteller zu gründen, ist demnach bei den modernsten Fertigungsprozessen fast unmöglich, und das nicht nur wegen der nochmals deutlich höheren Kosten; für eine 5-nm-Fertigung würde jede der Hallen der Dresdner Fab laut Beyer rund 20 Milliarden Euro kosten. Diese enorme Kostensteigerung führt er, neben der immer aufwändigeren Prozessentwicklung, als weiteren Grund für die Marktkonzentration bei den modernsten Fertigungsprozessen an.

  • Zum Transport sind die Wafer in FOUP genannte Boxen sortiert. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Ein FOUP fasst 25 Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Mehr als 900 dieser Transportroboter sind an der Decke der Hallen unterwegs. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einfach rumstehen darf nichts, zum Abstellen gibt es ausgewiesene Bereiche. Außerdem muss immer abgesperrt werden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Die Maschinen kommen ohne Menschen zurecht, nur selten sitzt jemand davor. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Am Übergang vom gelb beleuchteten Lithografiebereich zum weiß beleuchteten Abschnitt (hier blau durch Weißabgleich) gibt es automatische Türen für die Transportroboter. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Zwischen den einzelnen Hallen gibt es Brücken, die die Reinräume verbinden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Fenster gibt es in den Reinräumen eigentlich kaum, die wenigen sind mit Folie abgeklebt, um schädliche Spektren auszusperren. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Gelegentlich gibt es unter der Decke Stau. Rechts sind die Deckenlagerplätze sowie ein Stocker zu sehen, in denen die Transportroboter FOUPs zwischenlagern. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • In der Bump Test Facility transportiert ein Roboter die FOUPs am Boden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einige Beispiele von Chips aus der Dresdner Fab. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Labor für Materialanalyse dürfen wir auch einen Wafer in die Hand nehmen. Darauf befinden sich verschiedene Teststrukturen. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Geübte Augen erkennen anhand der Muster, was sich auf dem Wafer befindet. Ich muss nachfragen.  (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Reinraum ist nur Papier für Notizen erlaubt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Zwischen den einzelnen Hallen gibt es Brücken, die die Reinräume verbinden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

GF hat bereits vor einiger Zeit beschlossen, aus dem Wettlauf um die kleinsten Transistoren auszusteigen. Sie sind sowieso nur für einen kleinen Teil des Markts relevant: SoCs für Smartphones, Hochleistungsrechnen und moderne Prozessoren. Für den Großteil der gefertigten Halbleiter sind ältere Prozesse vollkommen ausreichend, besonders wenn es, wie in der Automobilindustrie, auf Kosten ankommt. Dafür werden die Fabs mit langfristigen Lieferverträgen belohnt und sind weniger abhängig von kurzfristigen Marktschwankungen. Aber auch wenn die Strukturgrößen konstant bleiben, wird die Fertigung ständig weiterentwickelt, in Dresden forscht GF mit Partnern beispielsweise an ferroelektrischen Transistoren, für die neue Prozesse entwickelt werden.

Auch Kunden brauchen viel Geld

Will ein Kunde einen neuen Halbleiter fertigen lassen, muss er allerdings erst einmal zwei Dinge mitbringen: Zeit und Geld. Zwischen neun und zwölf Monaten dauert die Vorbereitung der Produktion. Nachdem der Schaltplan eingeht, der mit dem entsprechenden Process Design Kit (PDK) an den gewünschten Fertigungsprozess angepasst ist, wird er erst einmal überprüft. Ist hier alles in Ordnung, werden anhand der Schaltungsebenen die Vorlagen für die Belichtungsmasken berechnet. Zwischen 40 und 60 Masken sind üblicherweise pro Chip erforderlich.

Dann kommt das Geld ins Spiel, denn die Masken müssen produziert werden. Zwischen 20 und 50 Millionen Euro müssen Kunden erst einmal ausgeben, bevor der erste Wafer produziert ist. Die Maskenproduktion erfolgt in direkter Nachbarschaft, lediglich zwei Kilometer ist das Maskenhaus, an dem GF beteiligt ist, entfernt. Zur Not könnten die Daten für die Maskenfertigung also zu Fuß übertragen werden. Daten spielen auch danach bei der Produktion eine wichtige Rolle.

Daten, Daten, Daten

Die kontinuierlichen Messungen während der Produktion hat Karin Raths bereits erwähnt, Sven Beyer geht darauf noch einmal genauer ein: "Jeder Chip erzeugt Megabytes an Daten", denn nicht nur werden die Messprotokolle gespeichert, auch die Maschinenparameter werden aufgezeichnet. So lassen sich auch Fehler, die erst nach Monaten auftreten, zurückverfolgen und Prozesse optimieren.

Auch wo es nicht direkt zu erwarten ist, werden Daten aufgezeichnet und analysiert: Die Pumpen des Wasserkreislaufs sowie die Roboter werden mit Mikrofonen abgehört. Eine KI analysiert die Daten, um frühzeitig bevorstehende Ausfälle zu erkennen und Wartung vorausschauend zu planen (predictive maintenance).

Aber zurück zum Produkt der Fab, den Halbleitern: Wenn bei ihrer Herstellung etwas schiefläuft, wandern sie ins Labor für Materialanalyse.

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 Ein bunter MaschinenparkFehlersuche in Chips 
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JouMxyzptlk 21. Sep 2022 / Themenstart

Wird dem "IT-New für Profis" wieder gerecht. Es bräuchte mehr von diesem Niveau...

Kaeptn Quasar 21. Sep 2022 / Themenstart

Ich war echt überrascht von der Größe dieser automatisierten Anlage und wieviele Schritte...

Netzweltler 21. Sep 2022 / Themenstart

Bei so teuren Reinräumen gibt es einige Redundanzen bei Energie-/Medienversorgung, der...

jhi (Golem.de) 21. Sep 2022 / Themenstart

Das stimmt, aber das Labor nicht ;)

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