Seit dem Beginn der COVID-Pandemie haben wir Probleme in der Lieferkette gesehen, die Fleischprodukte, Toilettenpapier und Halbleiterchips betreffen – und die große Vielfalt an „Dingen“, die sie betreffen. Das Horten von Toilettenpapier ist zwar nicht mehr in Mode, aber wenn Sie in den letzten Jahren Chips eingekauft haben – wie die der ATtiny-Serie – sind die Vorräte oft begrenzt oder gar nicht mehr vorhanden. Um dieses Problem zu lösen, werden derzeit Anstrengungen unternommen, die Halbleiterproduktion in den USA zu steigern.
In diesem Artikel gehen wir darauf ein, was es mit der Halbleiterproduktion auf sich hat, und geben einen Einblick in die Technologie der Smart Factories, die für den Ausbau der Halbleiterproduktion in den USA benötigt werden. Es ist zwar keine einfache Aufgabe, die Chip-Produktion hochzufahren, aber die USA verfügen bereits über beträchtliche Kapazitäten und Erfahrung in der Halbleiterproduktion und werden nicht bei Null anfangen.
Smart Factory für Halbleiter – eine integrierte Maschine
Der Grundgedanke der traditionellen Massenproduktion ist, dass ein Produkt von einem Betrieb zum nächsten weitergegeben wird. Die Funktionen werden nach und nach und unabhängig voneinander hinzugefügt. Eine Chipfabrik, oder einfach „Fab“, funktioniert wie viele andere moderne Smart Factories eher wie eine integrierte Maschine als wie eine Reihe unabhängiger Betriebe. Das ist an und für sich schon ein erheblicher Kapitalaufwand. In der Halbleiterproduktion werden die in Arbeit befindlichen Siliziumscheiben nicht von Menschen transportiert, sondern von FOUPS, nach vorne öffnenden, vereinheitlichten Gondeln, die auf einem Hängebahnsystem von Punkt zu Punkt fahren.
Eine Fabrik ist nicht nur ein integriertes System, sondern auch eine Reinraumumgebung, in der der Staubgehalt deutlich unter dem eines Operationssaals liegt. Diese Umgebung ist kritisch, denn schon ein einziges Staubkorn auf einem Wafer kann ihn ruinieren. Eine erhebliche Prozessautomatisierung bedeutet nicht nur Einsparungen bei den Arbeitskosten, sondern auch weniger Menschen, die versehentlich eine (ekelerregende) große Anzahl von Partikeln auf ihrem Weg durch die Fabrik ausscheiden.
Investitionsgüter zur Aufrechterhaltung dieser Umgebung, Transformatoren zur Bewältigung des enormen Strombedarfs und sogar Rohrleitungen für Prozesswasser müssen berücksichtigt werden. All diese Infrastruktur unterstützt jedoch das Herzstück dieses Prozesses: eine Reihe von unglaublichen Ultraviolett-Lithographie-Maschinen, die Milliarden von Transistoren auf einem Silizium-Wafer formen. Solche UV-Lithographie-Maschinen haben ungefähr die Größe eines Busses und sind möglicherweise die kompliziertesten Maschinen, die je gebaut wurden.
Extrem-Ultraviolett-Lithographie – Die entscheidende Technologie für die Halbleiterproduktion
Chips von Herstellern wie Intel, TSMC, und Samsung sind von entscheidender Bedeutung für alles, vom Auto bis zum Smartphone. Die Maschinen, die für die Herstellung der fortschrittlichsten Chips der Welt benötigt werden, kommen jedoch aus einer Hand, nämlich von ASML, einem Unternehmen mit Sitz in den Niederlanden. ASML, das einst für Advanced Semiconductor Materials Lithography stand, hat inzwischen offiziell den Status seines Akronyms hinter sich gelassen. Das Unternehmen stellt Maschinen für die Extrem-Ultraviolett-Lithographie (EUV) her, die für die Herstellung der modernsten Halbleiter der Welt entscheidend sind. Die neuesten Prozesse von Intel, TSMC und Samsung können bis zu 100 Millionen Transistoren auf einer Fläche von nur 1 mm unterbringen – eine absolut überwältigende Zahl.
ASML Zukunft mit EUV-Maschinen
Während man für etablierte Chips ältere Nicht-EUV-Technologien verwenden könnte (was angesichts der Schwierigkeit, viele dieser Geräte zu finden, auch in Betracht gezogen werden sollte), ist ASML für die Spitzenfertigung die einzige Option auf der Welt. Ihre EUV-Technologie wurde über viele Jahre hinweg entwickelt und kostete 9 Milliarden Dollar. Diese Bemühungen waren sogar so groß, dass Intel, Samsung und TSMC Anteile an dem Unternehmen kauften, um die EUV-Entwicklung zu unterstützen. Diese Investition ist zwar riskant, hat aber dazu geführt, dass die Welt in der Lage ist, Chips in noch kleinerem Maßstab herzustellen, und der Wert von ASML ist in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Es könnte sogar das erste Billionen-Dollar-Unternehmen in Europa werden.
Lange Rede, kurzer Sinn: Jede Fabrik, die die Produktion der modernsten Chips in den USA oder anderswo ausweiten möchte, muss zwischen 9 und 18 dieser EUV-Maschinen anschaffen, die jeweils etwa 150 Millionen Dollar kosten. Allein die EUV-Maschinen für eine Anlage könnten sich auf bis zu 3 Milliarden Dollar belaufen. Um diese Kosten noch extremer zu machen, wird erwartet, dass die nächste Generation von EUV-Maschinen jeweils „deutlich“ mehr als 340 Millionen Dollar kosten wird. Wenn man runde Zahlen verwendet und jedes Gerät 500 Millionen Dollar kostet und ein Werk 20 Einheiten benötigt, sind das 10 Milliarden Dollar für eine einzige Fabrik.
Vielleicht wird diese Zahl sinken, wenn fortschrittlichere EUV-Maschinen gebaut werden, aber wie auch immer die Dinge sich entwickeln, die Kosten für eine fortschrittliche Fabrik gehen weit in die Milliarden Dollar. Wenn eine Produktionsstätte eine einzige integrierte Maschine ist, ist die EUV-Anlage nur ein Aspekt einer größeren Operation. 10 Milliarden Dollar für eine hochmoderne Halbleiterproduktionsanlage scheinen nur der Ausgangspunkt zu sein.
Versorgung der Smart Factory für Halbleiter
Wir denken an Fabs als Zulieferer von Komponenten (z. B. Chips) für andere Industrien, jedoch ist es auch wichtig, daran zu denken, dass auch sie auf eine konstante Versorgung mit Materialien und Komponenten angewiesen sind, um ihre Prozesse voranzutreiben. Dies umfasst alles von Strom und Wasser bis hin zu Verbrauchsmaterialien und sogar Toilettenpapier. Wenn die EUV-Maschinen das Herz des Prozesses sind, dann sind Silizium-Wafer, auf denen die Transistoren entstehen, der Sauerstoff der Pflanze, der von den FOUP-„Blutzellen“ durch den Körper der Fabrik gepumpt wird.
Die gute Nachricht aus amerikanischer Sicht ist, dass die USA bereits einen beträchtlichen Vorrat an Silizium-Wafern produzieren, die an Fabriken geliefert werden können. Gleichzeitig werden möglicherweise noch mehr Rohsilizium-Wafer benötigt, wenn die Produktion hochgefahren wird, und es müssen noch weitere Anforderungen an die Fabrik berücksichtigt und beschafft werden. Die Ausweitung der Chipproduktion ist zwar eine Herausforderung, könnte sich aber als äußerst lohnend erweisen, sowohl im Hinblick auf die Versorgungssicherheit als auch wegen der Ausstrahlung auf die Wirtschaft durch direkte und unterstützende Arbeitsplätze.
Kürzere Lieferkette… Kann sie beseitigt werden?
Auch wenn es für die USA schwierig sein mag, ihre Position als weltweit dominierender Chip-Hersteller zurückzuerobern, ist der Rückstand nicht so groß, wie manche glauben. Aber der Traum, dass die USA technologisch völlig autark sein könnten, scheint eine kurzfristige Fantasie zu sein. Selbst wenn die USA die gesamte Chip-Herstellung an Land verlagern würden, ist das in den Niederlanden ansässige Unternehmen ASML der einzige Lieferant für die Ausrüstung zur Herstellung der weltweit fortschrittlichsten Chips…, der auf eine in den USA ansässige Tochtergesellschaft Cymer angewiesen ist, um die fortschrittlichen Laser für seine Maschinen… zu liefern.
Die Steigerung der Chip-Produktion in den USA ist eine gewaltige Aufgabe, die weitreichende Vorteile bringen könnte. Gleichzeitig wird sich in der heutigen vernetzten Welt jede Nation auf absehbare Zeit auf geografisch weit verzweigte Lieferketten verlassen müssen. Bereiten wir uns also so gut wie möglich auf das Schlimmste vor, aber bemühen wir uns gleichzeitig, freundschaftliche Beziehungen zu anderen Nationen zu pflegen. Nur dann können wir zusammenarbeiten, um die Art von Störungen zu verhindern, die wir seit dem Jahr 2020 gesehen haben und immer noch sehen.
