Halbleiter-Siliziumwafer dienen als grundlegende Bausteine der Elektronikindustrie und bilden das wesentliche Substrat für etwa 90 % aller Chips weltweit. Diese ultrareinen, dünnen Scheiben aus kristallinem Silizium bilden die physische Grundlage, auf der integrierte Schaltkreise und Halbleiterbauelemente aufgebaut werden, was sie für die moderne Technologie unverzichtbar macht.

Der Herstellungsprozess von Siliziumwafern umfasst die Umwandlung von Rohmaterialien in hochtechnisierte Substrate durch anspruchsvolle Verfahren wie Reinigung, Kristallzüchtung und Präzisionsbearbeitung, was zu Produkten führt, die die Leistung und Ausbeute der endgültigen Halbleiterbauelemente direkt bestimmen.

Die Herstellung von Halbleiter-Siliziumwafern stellt einen der präzisesten Herstellungsprozesse in der modernen Industrie dar. Sie beginnt mit der Reinigung von Rohsilizium zu elektronischem Polysilizium, wobei außergewöhnliche Reinheitsgrade von bis zu 99,999999999 % (11N) für fortschrittliche Anwendungen erforderlich sind.

Die kritischen Herstellungsschritte umfassen:

• Kristallzüchtung: Verwendung von Verfahren wie dem Czochralski-Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Siliziumbarren mit spezifischen Kristallorientierungen

• Wafer-Schneiden: Präzises Schneiden von Barren in dünne Wafer mit Spezialausrüstung wie Diamantdrahtsägen

• Oberflächenbearbeitung: Schleifen, Polieren und chemisches Ätzen zur Erzielung atomarer Oberflächenebenheit

• Reinigung und Inspektion: Strenge Qualitätskontrolle zur Beseitigung von Verunreinigungen und Defekten

Der technische Wettbewerb in der fortschrittlichen Waferherstellung konzentriert sich hauptsächlich auf Reinheit und Gleichmäßigkeit. Internationale Marktführer haben bemerkenswerte Konsistenz bei Parametern wie Sauerstoffgehaltsschwankungen (unter <5 ppm), während inländische Hersteller immer noch vor Herausforderungen stehen, eine vergleichbare Gleichmäßigkeit bei kritischen Parametern wie der Epitaxieschichtdicke für 12-Zoll-Wafer zu erreichen, wobei Abweichungen für High-End-Anwendungen unter 1 % gehalten werden müssen.

Siliziumwafer werden hauptsächlich nach Durchmesser kategorisiert, wobei jede Größe unterschiedlichen Marktsegmenten und technologischen Anwendungen dient:

• Hauptanwendungen: Leistungshalbleiter (Dioden, Thyristoren), Unterhaltungselektronik mit weniger strengen Prozessanforderungen und grundlegende Steuerschaltungen für industrielle Anwendungen

• Marktposition: Wird für Mainstream-Anwendungen allmählich ausgemustert, behält aber Nischenanwendungen in bestimmten diskreten Bauelementen bei

• Hauptanwendungen:

  • Automobilelektronik (Antriebsstrangsysteme, Karosseriesteuerung, ADAS-Komponenten)

  • Industrielle Automatisierung (Sensoren, Steuerungen)

  • Leistungsbauelemente (MOSFETs, IGBTs)

  • Display-Treiber, Fingerabdrucksensoren und analoge Schaltungen

• Markttrends: Anhaltende Nachfrage aus dem Automobil- und Industriesektor, wobei neue Produktionsstätten entstehen, um spezifische Marktbedürfnisse zu befriedigen

• Hauptanwendungen:

  • Fortschrittliche Logikchips (CPUs, GPUs, Smartphone-Prozessoren)

  • Speicherchips (DRAM, NAND-Flash)

  • Künstliche Intelligenz, Hochleistungsrechnen und Cloud-Infrastruktur

  • Fortschrittliche Bildsensoren und spezialisierte Prozessoren

• Markttrends: Höchstes Wachstumssegment, das durch die Nachfrage nach Rechenleistung angetrieben wird, wobei große Hersteller ihre Produktionskapazität weltweit ausbauen

Der Markt für Halbleiter-Siliziumwafer erlebt eine strukturelle Divergenz in verschiedenen Segmenten. Während der 12-Zoll-Wafer-Markt weiterhin ein robustes Wachstum verzeichnet, das durch fortschrittliche Logik- und Speicheranwendungen angetrieben wird, stehen die 6-Zoll- und kleineren Wafer-Segmente aufgrund der nachlassenden Nachfrage nach Unterhaltungselektronik unter Anpassungsdruck.

Wichtige Marktentwicklungen umfassen:

• Kapazitätserweiterung: Führende globale Hersteller investieren erheblich in 12-Zoll-Wafer-Produktionsstätten, wobei erwartet wird, dass neue Werke bis 2025 in Betrieb gehen

• Geopolitische Faktoren: Überlegungen zur Lieferkette beeinflussen Entscheidungen über den Produktionsstandort, wobei die Investitionsdiversifizierung über Regionen hinweg zunimmt

• Technologie-Roadmaps: Kontinuierlicher Fortschritt in Richtung größerer Durchmesser und anspruchsvollerer Epitaxie-Wafer, um die Anforderungen der fortschreitenden Halbleiterknoten zu erfüllen

Der globale Markt für Silizium-Epitaxie-Wafer wird voraussichtlich $10,9 Milliarden bis 2025 erreichen, was die entscheidende Bedeutung dieser fortschrittlichen Substrate für Halbleiterbauelemente der nächsten Generation widerspiegelt.

Chinas Halbleiter-Siliziumwafer-Industrie hat bemerkenswerte Fortschritte gemacht, insbesondere in der 8-Zoll-Wafer-Technologie, wo die heimischen Fähigkeiten zunehmend an internationale Standards heranreichen. Das Land hat die Fähigkeit bewiesen, fortschrittliche Fertigungsanlagen schnell zu errichten, wobei einige Projekte innerhalb von 16 Monaten nach dem Spatenstich die Produktionsreife erreichten.

Technologische Lücken bestehen jedoch weiterhin im fortschrittlichsten 12-Zoll-Wafer-Segment, wo Parameter wie Reinheit, geometrische Spezifikationen (Dicke, Ebenheit, Durchbiegung, Verzug), Oberflächenpartikelanzahl, Metallrückstände und Dotierungsgleichmäßigkeit erhebliche Herausforderungen darstellen.

Die zukünftige Entwicklung von Halbleiter-Siliziumwafern betont weiterhin größere Durchmesser, höhere Reinheit und zunehmend spezialisierte Spezifikationen, um neue Technologien wie künstliche Intelligenz, Elektrofahrzeuge und Kommunikationsinfrastruktur der nächsten Generation zu unterstützen. Dieser Fortschritt stellt sicher, dass Siliziumwafer ihre grundlegende Rolle im globalen Elektronik-Ökosystem auf absehbare Zeit beibehalten werden.

Tabelle: Anwendungen von Halbleiter-Siliziumwafern nach Größe