Warum ist die Halbleiterproduktion schwierig und wird nur von wenigen Unternehmen hergestellt?

Sie alle wissen, dass Halbleiterchips in fast jedem elektronischen Gerät, das wir kaufen, verwendet werden. Sie gehen in Computer, Smartphones, Gadgets, Autos, Flugzeuge, medizinische Geräte, militärische Systeme und so weiter. Die Welt ist derzeit mit einem globalen Mangel an Halbleiterchips konfrontiert, der die Frage aufwirft, warum nicht mehr Unternehmen in die Produktion von Halbleiterchips einsteigen können. Lassen Sie uns in diesem Artikel in die Halbleiterindustrie eintauchen, um zu erfahren, welche Komplexitäten vielen Unternehmen den Einstieg in die Branche verwehren.

Warum sind Halbleiterchips in den Nachrichten?

Im Jahr 2021 war die weltweite Chipknappheit in den Nachrichten und Unternehmen wie Apple, Tesla, Tata Motors und Samsung Electronics mussten nach Halbleiterchips hungern. Insgesamt 169 Branchen waren von der Knappheit betroffen, wobei die Autoindustrie am stärksten betroffen war.

Es gab mehrere Faktoren, die zu einer solchen globalen Verknappung führten. Einige von ihnen sind:

• Der Anstieg der Nachfrage nach Elektronik, die während der Pandemie für die Arbeit von zu Hause aus erforderlich ist
• Arbeitskräftemangel aufgrund von Lockdown-Beschränkungen
• Dürre in Taiwan
• Der Handelskrieg zwischen den USA und China.

Die Lagerung von Halbleiterchips hat die Länder erkennen lassen, dass sich die Herstellung von Chips nur auf wenige ostasiatische Länder konzentriert. Daher entwickeln Länder auf der ganzen Welt in diesem Jahr Pläne zum Aufbau von Produktionskapazitäten für diese Halbleiterchips, um autark zu werden und die Importabhängigkeit zu verringern. Indien wird rund 30 Milliarden US-Dollar ausgeben, um das Ökosystem der Halbleiterlieferkette zu entwickeln. Die USA erwägen auch die Umsetzung des CHIPS for America Act, um 52 Milliarden US-Dollar für die Chipherstellung und staatliche Unterstützung für Halbleitergiganten bereitzustellen. Das Gesetz zielt darauf ab, finanzielle Unterstützung für den Bau, die Erweiterung oder die Modernisierung einer Halbleiterfabrik in den Vereinigten Staaten bereitzustellen.

Halbleiterchipindustrie - Geschichte und Gegenwart

1958 schuf Jack Kilby, ein Elektronikingenieur bei Texas Instruments, den ersten integrierten Schaltkreis, der der Vorfahre der modernen Mikrochips ist. Es war eine großartige und revolutionäre Erfindung des 20. Jahrhunderts. Die Halbleiterindustrie begann um 1960 und der Umsatz überschritt 1966 die 1-Milliarden-Dollar-Marke. Im Jahr 2022 wird die globale Halbleiterchip-Industrie voraussichtlich etwa 600 Milliarden US-Dollar erreichen. Aber nur sehr wenige Unternehmen auf der Welt können Halbleiterchips herstellen, und noch weniger können sie rentabel herstellen. Lassen Sie uns verstehen, warum das so ist, indem wir uns mit der Halbleiterchipindustrie und ihrem Herstellungsprozess befassen.

Das Modell und die Hauptakteure der Halbleiterindustrie

Die Halbleiterindustrie wird von Unternehmen aus Taiwan, den USA, Südkorea, China, Japan und den Niederlanden dominiert, wo die Halbleiterfertigung staatliche Unterstützung, eine entwickelte Infrastruktur und Größenvorteile hat.

Die Branche basiert auf einem Modell, bei dem Herstellung, Design und Entwicklung auf verschiedene Unternehmen und ihre Tochtergesellschaften auf der ganzen Welt verteilt sind. Gießereiunternehmen wie TSMC und GlobalFoundries sind nur an der Herstellung beteiligt. Fabless-Halbleiterunternehmen wie AMD und Nvidia lagern die Produktion an eine Fabrik eines Drittanbieters aus und entwerfen nur das Gerät. Integrated Device Manufacturers (IDMs) wie Intel und Samsung stellen (intern) her, entwerfen und verkaufen integrierte Schaltungsprodukte.

Wichtige Akteure in der Branche sind TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) und Qualcomm (Fabless).

Tabelle mit den 8 führenden Halbleiterunternehmen, ihrer Art und ihrem Land.

Allein Taiwans TSMC stellt einen großen Prozentsatz, nämlich mehr als 50 % der Halbleiter weltweit her. Es ist die größte Gießerei der Welt. Apple, der größte Verbraucher von Chips, und die beiden großen Fabless-Halbleiterunternehmen Nvidia und Qualcomm sind nur die Kunden von TSMC. Samsung, das Konkurrenzunternehmen von TSMC, hat angekündigt, 355 Milliarden US-Dollar in die Herstellung von 3-nm-Chips zu investieren, um TSMC zu schlagen.

Der Prozess der Herstellung von Halbleiterchips

Halbleiterchips werden unter Verwendung eines Halbleiters, Silizium, hergestellt. Der Prozess zur Herstellung von Halbleiterchips umfasst mehr als 59 Arten von Geräten und verschiedene Schritte, die wiederholt werden müssen, um Schichten in einem Chip zu erzeugen. Ein Chip kann aus bis zu 100 Schichten bestehen, was bedeutet, dass die Schritte in gleicher Anzahl wiederholt werden müssen.

Die aus Sand gewonnenen Siliziumwafer werden in Transistoren umgewandelt, die die Basis einer Gruppe von Schaltkreisen bilden, die als Chips bezeichnet werden. Die folgenden Schritte skizzieren den Prozess zum Erstellen einer Schicht in einem Halbleiterchip.

• Der erste Schritt besteht darin, die Wafer mit lichtempfindlichen Chemikalien und lichtbeständigen Materialien zu beschichten.
• Dann folgt in der zweiten Stufe die Lithografie, bei der beschichtete Siliziumwafer in einer Lithografiemaschine mit UV-Licht bestrahlt werden. Das Licht wird durch eine Maske mit dem Bauplan des Chips auf den Wafer geleitet, um das Muster zu drucken. Dieser Prozess ermöglicht es, Hunderte von Chips auf einem einzigen Siliziumwafer aufzubauen.
• Der belichtete Bereich wird dann gehärtet und die unbelichteten weichen Bereiche werden durch heiße Gase weggeätzt.
• Der nächste Schritt beinhaltet die Verwendung von ionischen Gasen, um die leitenden Eigenschaften der Schicht zu modifizieren, die durch Hinzufügen einiger Verunreinigungen erzeugt wird, und schließlich werden die Metallverbindungen zwischen den Transistoren aufgebracht, wodurch eine vollständige Schicht entsteht.

Alle diese Schritte müssen wiederholt werden, um nachfolgende Schichten zu erstellen.

Warum können wir nicht einfach mehr Chips produzieren, um die steigende Nachfrage zu befriedigen?

Wenn es einen Chip-Mangel gibt, warum steigen dann nicht mehr Unternehmen in die Halbleiterchip-Produktion ein und verringern diese Lücke zwischen Nachfrage und Angebot? Nun, um die Antwort auf diese Frage zu kennen, müssen wir zunächst die Komplexität der Herstellung von Chips und der Halbleiterindustrie verstehen.

Was macht die Herstellung von Halbleiterchips so kompliziert?

Obwohl der Chip in Bezug auf die Größe ein winziges Ding ist, sind die kompliziertesten und teuersten Prozesse erforderlich. Hier ist die Liste der Faktoren, die es jedem Unternehmen erschweren, in diese Branche einzusteigen:

• Es erfordert Land, Genehmigungen, natürliche Infrastruktur, Strom, komplizierte Maschinen und eine Vorlaufzeit von mehr als 2 Jahren, um die mega-teuren Fertigungsanlagen und Fabriken zu errichten, die diese Chips herstellen. Im Jahr 2021 kündigte Samsung Pläne für eine 17-Milliarden-Dollar-Chipfabrik in Texas an, die 2024 eröffnet werden soll.
• Auch die Herstellung eines Chips ist ein komplexer Vorgang, der viel Zeit in Anspruch nimmt. Es dauert fast 3 Monate, um das Rohsilizium in den endgültigen Chip zu verwandeln, der in Geräte eingebaut wird.
• Der Herstellungsprozess ist auf atomarer Ebene und erfordert teure Fabrikanlagen.
• Auch die Räume, in denen Silizium in Chipmaschinen eingebracht wird, müssen absolut staubfrei sein. Ein einziges Staubkorn kann alle Bemühungen und Millionen von Dollar verschwenden.
• Die Herstellung von Halbleiterchips umfasst ein komplexes Netzwerk von Unternehmen, die sie herstellen oder entwickeln, sowie von Unternehmen, die die erforderlichen Technologien, Materialien und Maschinen liefern.

Wie hat sich der Krieg zwischen Russland und der Ukraine noch stärker auf die Branche ausgewirkt?

Neon wird für Laser benötigt, die in der Lithographie zur Herstellung von Chips verwendet werden. Im vergangenen Jahr betrug der weltweite Neonverbrauch für die Chipherstellung rund 540 Tonnen. Der Krieg zwischen Russland und der Ukraine hat die weltweite Knappheit an Chips noch verschlimmert, da mehr als die Hälfte des weltweiten Neons von nur zwei ukrainischen Unternehmen produziert wird – Ignas und Cryin, die ihre Betriebe einstellen mussten. Dies wird also einen intensiven Einfluss auf die Halbleiterindustrie haben. Darüber hinaus kann auch die Palladiumversorgung Russlands durch den Krieg beeinträchtigt werden. Die Verknappung von Palladium, das für Katalysatoren in Abgassystemen von Automobilen unerlässlich ist, kann sich indirekt über eine geringere Nachfrage nach Chips durch die Automobilhersteller auf die Halbleiterindustrie auswirken.

Fazit

Halbleitergießereien benötigen eine enorme Kapitalinvestition in Milliardenhöhe und einen beträchtlichen Zeitraum für die Einrichtung. Darüber hinaus können diese Gießereien Späne nicht sehr schnell produzieren, da der Herstellungsprozess auch Zeit kostet und teure Ausrüstung erfordert. All dies macht es für jedes Unternehmen schwierig, in die Branche einzusteigen, und selbst wenn ein Unternehmen dies tut, wird es für sie schwierig, mit den großen Fischen zu konkurrieren und Gewinne zu erzielen. Deshalb hören wir bei den Herstellern von Halbleiterchips nur wenige Namen, die sich im Laufe der Zeit einen riesigen Marktanteil in der Branche erarbeitet haben.

Häufig gestellte Fragen

Woraus bestehen Halbleiterchips?

Halbleiter, auch als integrierte Schaltkreise (ICs) oder Mikrochips bezeichnet, bestehen aus reinem Silizium.

Wer ist der größte Hersteller von Halbleiterchips?

Taiwans TSMC ist der größte Hersteller von Halbleiterchips.

In welche 5 Halbleiterunternehmen sollte man am besten investieren?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU).