Die Halbleiterfertigung ist einer der wichtigsten Industriezweige. Die darauf basierenden integrierten Schaltkreise sind die Grundlage für die meisten Geräte – Haushaltsgeräte, Unterhaltungselektronik, Telefone, Autos und schließlich Computer und Smartphones. Die Branchen, die diese Güter herstellen, benötigen Halbleiter und darauf basierende integrierte Schaltkreise. Obwohl die Herstellung dieser Komponenten mit dem Mikrobereich assoziiert wird (nicht umsonst spricht man von „Mikrocomputern“), wäre sie ohne numerische Steuerung (die mit dem „Makrobereich“ assoziiert wird) nicht möglich. Auch im Makrobereich bleibt die traditionelle Zerspanung eine unersetzliche Technologie, die die effiziente Herstellung großer Mengen wiederholbarer Elemente ermöglicht, ohne die Chips unbrauchbar wären. Um diese Zusammenhänge besser zu verstehen, lohnt es sich, die Entwicklung der Siliziumindustrie selbst zu verstehen.
Nicht nur im Nanobereich: CNC-Bearbeitungsverfahren für die Halbleiterindustrie
Wenn man von der Halbleiterindustrie spricht, denken die meisten Menschen an den Mikro- und Nanobereich, der der Architektur moderner integrierter Schaltkreise entspricht. Diese Branche benötigt jedoch viel mehr Komponenten, deren Herstellung ohne CNC-Technologie eine enorme Herausforderung darstellen würde.
Zu den wichtigsten Anwendungen der „traditionelleren Größen“ der CNC-Bearbeitung, ohne die die Halbleiterindustrie nicht auskommen könnte, gehören:
1. Fast jeder integrierte Schaltkreis benötigt eine Basis, die mit hoher Präzision zugeschnitten sein muss (aus Gründen der Kompatibilität bei der Montage) – entsprechend kalibrierte CNC-Werkzeugmaschinen gewährleisten eine hohe Qualität und Wiederholgenauigkeit der Abmessungen.
2. Der Maschinenpark zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen muss ebenfalls unter Einhaltung der entsprechenden Toleranzen hergestellt werden – sei es zur Gewährleistung der Arbeitseffizienz oder zur Erleichterung des Austauschs. In diesen Anwendungen ist die CNC-Bearbeitung unersetzlich (dies zeigt sich insbesondere am Beispiel der Dienstleistungen für den Robotiksektor).
3. Größere Gehäusekomponenten, ebenfalls aus Kunststoff und nichtleitenden Materialien (oder nichtleitenden Materialien wie eloxiertem Aluminium). Ihre Herstellung mit numerisch gesteuerten Maschinen (Hydraulikpressen, CNC-Fräs- oder Drehmaschinen) ist schnell und sogar on demand (auf Anfrage) möglich.
Dies sind nur einige Beispiele für Bereiche, in denen „traditionellere“ numerische Bearbeitungsdienstleistungen sowohl die Entwicklung als auch die laufende Produktion der Halbleiterindustrie unterstützen.
Was ist die Halbleiterindustrie?
Die Halbleiterindustrie ist ein breiter Zusammenschluss von Unternehmen und Zulieferern, die sich auf die Entwicklung und Herstellung von Halbleiterbauelementen (meist auf Siliziumbasis) konzentrieren. Schätzungen zufolge dass es sich um eine der größten Industrien der Welt handelt – der geschätzte Gesamtwert der Produktion von Unternehmen, die direkt oder indirekt mit dieser Branche verbunden sind, liegt bei etwa einer halben Billion Dollar pro Jahr (ca. 601 Mrd. $ im Jahr 2022) bei einer geschätzten Anzahl von 1,15 Billionen Schaltkreisen (Daten für 2021).
Die Halbleiterfertigung ist die Grundlage für die Herstellung einer breiten Palette von Geräten, die integrierte Schaltkreise enthalten – vereinfacht gesagt, sind kleinere und größere elektronische Schaltkreise in der Praxis in jedem Gerät enthalten, mit Ausnahme von rein „analogen“ Geräten. Diese Branche kristallisierte sich Ende der 1950er und Anfang der 1960er Jahre heraus, als die Nachfrage nach kompakten Rechengeräten stieg und die Technologie deren präzise Herstellung ermöglichte. Seitdem werden diese Elemente in fast allen größeren oder kleineren Geräten verwendet.
Der wichtigste Rohstoff für diese Branche ist nach wie vor Silizium – ein bekanntes Halbmetall, das in kristalliner Form zur Herstellung von Halbleitern verwendet wird. Es ist erwähnenswert, dass diese Branche unter anderem Silizium in höchster Reinheit verwendet, das durch Zonenschmelzen gewonnen wird.
Von diesem Halbmetall leitet sich auch der Name „Silicon Valley“ ab, einer Region im US-Bundesstaat Kalifornien, in der die ersten Unternehmen der Hightech-Branche ihren Sitz hatten, deren Produkte auf Halbleitern basierten. Viele betrachten diese Region als die Wiege der Elektronik, wie wir sie heute kennen.
Halbleiterfertigung: CNC und NC
Die ersten Computer basierten auf Sätzen von Röhren und Kondensatoren, die mit den in den 1950er und 1960er Jahren bekannten Lösungen und Werkzeugen hergestellt werden konnten. Trotz des enormen technologischen Fortschritts basierte ihre Herstellung auf seit Jahrzehnten bekannten Lösungen.
Fräsmaschinen oder Drehautomaten (manuell gesteuert) gewährleisteten eine relativ hohe Arbeitsgeschwindigkeit und ausreichende Präzision. Die konzeptionellen Arbeiten an den ersten Computern erhöhten jedoch die Anforderungen an die Präzision der Komponentenfertigung.
In den 1950er Jahren wurde – gewissermaßen parallel dazu – die numerische Steuerung (NC) entwickelt, die für die Herstellung präziser Komponenten für amerikanische Militärflugzeuge konzipiert war. Sie fand recht schnell Anwendung in vielen Industriezweigen, darunter auch in der Halbleiterindustrie. Die ersten numerisch gesteuerten Maschinen verwendeten – wie damals üblich – Lochkarten zur Aufzeichnung und Ausführung von Befehlen beim automatisierten Fräsen oder Drehen.
Die Präzision dieser Werkzeugmaschinen setzte sich schnell in der Halbleiterindustrie durch, die für ihre Entwicklung auf die entscheidenden Vorteile der NC-Technologie angewiesen war:
- hohe Präzision, insbesondere im Mikrobereich,
- Wiederholgenauigkeit der Produktion,
- geringe Ausschussquote in der Qualitätskontrolle,
- hohe Arbeitsgeschwindigkeit und maximale Automatisierung der Produktionsprozesse,
- Reduzierung der Gefahr einer Verunreinigung des Arbeitsbereichs durch Minimierung der erforderlichen manuellen Kontrollen,
- Möglichkeit der Minimierung der Herstellungskosten für einen einzelnen Schaltkreis, eine integrierte Schaltung oder einen Mikroprozessor.
Wichtig ist, dass durch die Entwicklung der Halbleitertechnik dem „NC“ ein „C“ für „computerisiert“ (aus dem Englischen „computerized numerical control“) hinzugefügt wurde.
Dank der Entwicklung von Mikrocomputern (d. h. viel kleineren Geräten mit steigender Rechenleistung) war es möglich, noch komplexere Mikroprozessoren präzise herzustellen, die wiederum eine noch präzisere Ausführung des vorgegebenen Computerprogramms durch CNC-Maschinen ermöglichten. Ähnlich wie beim 3D-Druck oder der künstlichen Intelligenz in der numerischen Bearbeitung verlief die Entwicklung der Computersteuerung fast parallel zu anderen Branchen.
Heute könnten Halbleiterhersteller nicht mehr ohne numerische Steuerungstechnologien auskommen – Geräte, die die Herstellung einer großen Anzahl von Bauteilen mit Abmessungen im Nanometerbereich ermöglichen.
Die in den Maschinenparks von Unternehmen, die Mikroprozessoren oder RAM-Chips herstellen, eingesetzten Lösungen verschmelzen mit denen, die täglich in Unternehmen verwendet werden, die sich mit CNC-Bearbeitung beschäftigen.
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