Chemie erweitert die Chipindustrie

Fast 4.500 Kilometer liegen zwischen Allentown (Pennsylvania) und Portland (Oregon). Ende September machte sich Dr. Purnima Ruberu auf die weite Reise vom Evonik-Standort ganz im Osten der USA bis fast an die Pazifikküste. Ihr Ziel: die International Conference on Planarization Technology, kurz ICPT. Die Konferenz zieht Firmen und Fachleute aus aller Welt an. Drei Tage lang ging es um das mikroskopisch exakte Polieren von Halbleitern – eine hoch spezia­lisierte Branche von weitreichender Bedeutung. Evonik will rein in diesen Markt. Und Ruberu hat den Schlüssel.

„Die ICPT ist eine wichtige Veranstaltung für die Branche – und Portland ein wichtiger Ort“, sagt sie. Rund um die Stadt brummt im sogenannten Silicon Forest die Halbleiterproduktion. Allein Intel, der weltweit zweitgrößte Chipproduzent nach dem koreanischen Marktführer Samsung und vor TSMC aus Taiwan, beschäftigt in der Region mehr als 20.000 Menschen. Die Konferenz kam auch zur richtigen Zeit: Erstmals nach der pandemiebedingten Zwangspause und mitten in der globalen Chipkrise gab sie Gelegenheit zur Bestandsaufnahme. Ruberu, die bei Evonik die Anwendungsforschung für Silane in der Halbleiterindustrie leitet, hängte noch ein paar Tage dran, um in Portland Experten zu treffen, potenzielle Kunden zu besuchen und eine Produktion zu besichtigen. „Es herrscht Aufbruchstimmung“, sagt sie.

In der Chipindustrie ist ein Wettlauf entbrannt. Ein wichtiger Grund sind die anhaltenden Lieferengpässe bei Mikro­prozessoren, die im vergangenen Jahr vielerorts die Konjunkturerholung nach der Pandemie abzuwürgen drohten. Es war viel zusammengekommen: Während der Pandemie hatten viele Menschen ihr Homeoffice digital aufgerüstet, Streamingdienste und Videokonferenz-Dienstleister ihre Serverfarmen ausgebaut. Microsoft und Sony brachten zeitgleich neue Spielekonsolen auf den Markt und bestellten große Mengen Chips im Voraus. Der Boom der Kryptowährungen verschlang Prozessorkapazitäten. Und all das, während weltweit praktisch jede Lieferkette durch Corona und geopolitische Konflikte ins Stocken geraten war.

Rund 80 Prozent der weltweiten Produktion finden heute in Asien statt. Die USA wollen genau wie Europa dringend ihre Abhängigkeit verringern und mehr Glieder der Lieferkette in der Halbleiterbranche zu Hause aufbauen. Den jüngsten Anschub gab in diesem Jahr der US-Kongress mit dem CHIPS and Science Act, einem nationalen Investitionsprogramm im Umfang von rund 280 Milliarden US-$. Auch die Europäische Union will die heimische Chipindustrie stärker fördern – mit dem European Chips Act, der 43 Milliarden € umfasst.

Die Folgen des Chipmangels sind weithin spürbar, denn Prozessoren stecken heute fast überall drin. Zwei von drei Unternehmen in Deutschland importieren laut einer Umfrage des Branchenverbands Bitkom digitale Bauteile. Entsprechend drastisch sind die Auswirkungen, wenn der Nachschub stockt. Besonders augenfällig war das im Automobilbau – bei Volkswagen etwa ruhte 2021 wochenlang die Produktion, weil Halbleiter fehlten. Doch die Situation birgt auch Chancen. Beim Versuch gegenzusteuern, neue Kapazitäten und eine breitere Lieferantenbasis zu schaffen, sind Chiphersteller und ihre Zulieferer offen für Neues. Purnima Ruberu hat es in Portland erlebt: „Uns öffnen sich viel mehr Türen als noch vor ein paar Jahren“, sagt die Evonik-Expertin.

Der Spezialchemiekonzern liefert eine Reihe von Lösungen für die Herstellung von Mikrochips. Die Anforderungen wachsen, auch weil die Chips immer kleiner werden. Die Palette reicht heute von speziellen Mitteln zur Reinigung über Vorprodukte fürs Polieren bis hin zu stofflichen Bausteinen für einzelne Halbleiterschichten.

Eine besonders wichtige Rolle spielen Silane. Das sind Moleküle, die im Kern aus einem Siliziumatom bestehen. An ihm hängen rundherum weitere funktionelle Gruppen – wie die Beine einer Spinne. Evonik produziert Silane für verschiedene Anwendungen, etwa in Lacken, Dichtstoffen und Glasfaserkabeln. In der Chipherstellung spielen die Beine des Silans eine Nebenrolle, hier geht es vor allem um das Silizium im Kern. So werden mithilfe von Chlorsilanen bis zu 30 Zentimeter dicke und zwei Meter lange Silizium-Monokristalle hergestellt, sogenannte Ingots. In runde, hauchfeine Wafer geschnitten, bilden sie die Basis jedes modernen Mikroprozessors.

Ein anderes Produkt namens Tetraethoxysilan, kurz TEOS, dient in späteren Verarbeitungsschritten als eine Art Silizium-Taxi, mit dem sich feinste Isolierschichten aufbringen lassen. Hierfür wird TEOS in einem Verfahren namens Chemical Vapor Deposition (CVD) auf den Wafer gedampft. Bei hohen Temperaturen werden anschließend die anhängenden Ethylgruppen abreagiert – dem TEOS werden die Beine entfernt. Zurück bleibt ein Rumpf aus Siliziumdioxid. Es entsteht ein quarzglasähnlicher Überzug, wenige Nanometer dick.

Evonik produziert TEOS in mehr als einem Dutzend Reinheitsstufen. Für das CVD-Verfahren sind indes nur die höchsten Qualitäten gefragt. Selbst kleinste Spuren von Fremdmetallen würden zu Fehlern im Chip führen. Das ist besonders bedeutsam bei der Produktion von Halbleitern der Fünf-Nanometer- und der neuesten Drei-Nanometer-Klasse. Evonik ist bei TEOS in der Lage, Reinheiten im Messbereich von „parts per trillion“ zu liefern – eins zu eine Billion. „Das kann man sich vorstellen, als wollte man einen Zuckerwürfel in einem Stausee aufspüren“, sagt Matthias Abele. Der Leiter der Qualitätskontrolle in der Business Line Silanes wacht vom deutschen Evonik-Standort Rheinfelden aus über das konzern­eigene Reinheitsgebot. Dort, direkt an der Grenze zur Schweiz, steht das Referenzlabor für die Silansparte des Unternehmens.

Bei der Jagd auf Fremdatome nutzt Abeles Team Verfahren der Elementspurenanalytik wie Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) – „homöopathische Messungen“, wie Abele es scherzhaft nennt. Mithilfe von Ringversuchen, bei denen die gleiche Probe auch in den Evonik-Laboren in Belgien, China und den USA analysiert wird, sorgt der Konzern für reproduzierbare und verlässliche Ergebnisse.

Höchste Reinheit und vollkommen gleiche Qualität – das ist auch ein Thema für Purnima Ruberu. In ihrer Heimat Sri Lanka hat sie an der Universität von Colombo Chemie studiert. Nach ihrem Abschluss kam sie in die USA, um an der Iowa State University zu promovieren, arbeitete danach in Texas als leitende Forscherin für zwei Tech-Start-ups in der Halbleiter- und Elektronikbranche. 2018 holte ­Evonik die Expertin für das Herstellen von Nanostrukturen in der Halbleiterindustrie nach Allentown. Zur Wunschkandidatin wurde Ruberu nicht nur durch ihre Fachkenntnisse. Auch ihre Erfahrung in jungen, agilen Technologiefirmen spielte eine wichtige Rolle. „Es ging darum, ein Start-up innerhalb des Konzerns aufzubauen“, sagt sie. Am Standort Allentown, seit diesem Jahr eines der globalen Kompetenzzentren von Evonik, hat Ruberu seither ein eigenes Entwicklungslabor für Schleifpartikel in der Halbleiterfertigung. Dort entstehen neue Lösungen für weitere Prozessschritte der Chipherstellung.

Die erste Innovation zielt auf absolute Genauigkeit beim Polieren. Moderne Chips bestehen heute zum Teil aus mehr als 100 hauchfeinen Schichten. Praktisch jede wird nach dem Auftragen geätzt, strukturiert und poliert. Bei der chemisch-mechanischen Planarisierung erreicht man Oberflächenspezifikationen, die bis unter einen Nanometer genau sein müssen. Als Poliermittel kommt sogenannter Slurry zum Einsatz – eine milchige Suspension, die neben einer chemisch angreifenden Komponente ein Schleifmittel enthält. Das Mittel der Wahl ist Siliziumdioxid, kurz Silica.

Evonik ist einer der weltweit führenden Hersteller von Silica. Das simple Molekül aus einem Siliziumatom und zwei Sauerstoffatomen kommt in der Natur vor allem kristallin vor – in Form von Quarz. Für das Polieren von Halbleitern setzt die Industrie auf colloidal silica, zu Deutsch Kieselsol. Das sind extrem kleine, runde Silicapartikel, die als Suspension in Wasser oder Lösemitteln schweben. Evonik produziert Kieselsol nach dem Stöber-Prinzip. Schon 1967 beschrieben der deutsche Wissenschaftler Werner Stöber und zwei Kollegen in einem Fach­magazin, wie sie mittels Hydro­lyse von Alkylsilikaten mit Ammoniak als Katalysator und anschließender Kondensation besonders runde und zudem gleichförmige Silica­partikel produziert hatten. Purnima Ruberu nutzt dieses Prinzip und setzt als Grundstoff das TEOS von Evonik ein. „Die Idee geisterte schon länger im Unternehmen herum“, sagt sie.

Mit dem Kauf des US-Unternehmens Silbond im Jahr 2014 erwarb Evonik nicht nur deren TEOS-Geschäft und den Standort in Allentown, sondern auch einige grundlegende Patente in dieser Richtung. „Von dort bis zum praxisreifen Prozess war es jedoch ein weiter Weg“, sagt Ruberu. Das von ihr und ihrem Team in drei Jahren Arbeit im Labor- und Pilotmaßstab perfektionierte Verfahren erlaubt es nun, bis zu zwölf Nanometer kleine Partikel herzustellen. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist gut 6.000-mal so dick. „Das Entscheidende aber ist, dass wir diese erdnussförmigen Partikel extrem einheitlich in Größe und Form produzieren“, erklärt Ruberu.

Eingesetzt als Schleifmittel im Slurry, lassen sich mit diesen Partikeln exakte Oberflächenspezifikationen erreichen. Das silanbasierte Verfahren hat einen weiteren Vorteil gegenüber dem heutigen Standard, bei dem Silica mittels Ionenaustausch aus Wasserglas, also ­Natrium- oder Kaliumsilikat, gewonnen wird. Wasserglasbasiertes Kieselsol ist zwar vergleichsweise leicht und günstig herzustellen. Aber selbst kleinste Reste einiger Alkalimetalle stellen ein echtes Problem für die Mikroprozessorhersteller dar. „Wir kontrollieren unseren Prozess sorgfältig, um unerwünschte Metallver­unreinigungen zu minimieren“, sagt Ruberu.

Die erste Versuchsanlage von Evonik für Kieselsol steht in Allentown – ein Gewirr aus Schläuchen und gläsernen Reaktoren. Die darauf basierende Pilotanlage liefert schon genug Material für Kundenmuster, mit denen Slurry-Hersteller neue Poliermittelrezepturen erproben. Evonik ist in Gesprächen mit vier der sechs führenden Firmen. Mit Unterstützung von Ruberus technischem Team hat die Business Line Silanes nun ihre erste kommerzielle Anlage für dieses Produkt konzipiert. Es ist geplant, in den nächsten Jahren Mengen von bis zu mehreren Tonnen zu erzeugen.

Silica ist nicht die einzige Spezialchemikalie mit enormem Wachstumspotenzial, die Evonik an Halbleiterhersteller liefert. So gehört der Konzern weltweit zu den größten Lieferanten von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) für die Elektronikbranche. Die Chemikalie wird in verschiedenen Reinheitsgraden produziert und ist als leistungsstarkes und zugleich umweltfreundliches Des­infektions- und Reinigungsmittel bekannt. Nachdem es seine oxidierende Wirkung entfaltet hat, zerfällt Wasser­stoffperoxid in Sauerstoff und Wasser und hinterlässt keine schäd­lichen Rückstände in der Umwelt. Diese „grünen“ Eigenschaften nutzen einer Reihe von Branchen: Zellstoff- und Papierhersteller verwenden Wasserstoffperoxid beispielsweise als Bleichmittel oder zur Entfernung von Druckfarben im Recyclingprozess, für Halbleiterhersteller ist Wasserstoffperoxid ein wichtiges Reinigungsmittel in ihren Fertigungsanlagen, den sogenannten Fabs. Zudem dient H₂O₂ als Oxidationsmittel in Slurrys für die Planarisierung.

An die Elektronikbranche liefert Evonik die Chemikalie in zwei Qualitäten: Die „pre-electronic“-Variante geht an Unternehmen, die sie weiter aufreinigen. Evonik ist in Nordamerika der dominierende Akteur auf diesem wichtigen Markt und verfügt über jahrelange Erfahrung in der Belieferung der Branche aus seinen Anlagen in den USA und Kanada. Hochreines Wasserstoffperoxid wird direkt an Kunden aus der Halbleiterindustrie verkauft.

Chiphersteller benötigen große Mengen an Wasserstoffperoxid, nach reinem Wasser die am zweithäufigsten verwendete Chemikalie in der Halbleiterproduktion. „Sie kommt mit jedem Mikrochip auf jedem Wafer in jeder Fabrik auf der ganzen Welt in Berührung“, sagt Laura Ledenbach, Leiterin des globalen Industrieteams Elektronik der Business Line Active Oxygens. Da die Chipherstellung große Fortschritte macht und die Chips immer kleiner werden, müssen die Hersteller Verunreinigungen vermeiden. Schutzanzüge und Haarnetze sind für Mitarbeiter Standard, in den Reinräumen sind sogar Make-up und Parfüm tabu. „Eine Chipfabrik ist sauberer als ein Operationssaal im Krankenhaus“, sagt Ledenbach.

Die Evonik-Expertin hat als Prozessingenieurin selbst in solchen Fabriken gearbeitet. Diese Erfahrung hilft ihr jetzt, die Bedürfnisse der Halbleiterkunden zu verstehen und vorauszusehen. Der entscheidende Erfolgsfaktor sei Konsistenz, sagt sie. „Unsere Kunden wollen das ganze Jahr über das gleiche, qualitativ hochwertige Produkt – rund um die Uhr.“

Evonik stellt in mehreren Anlagen weltweit Wasserstoffperoxid für die Elektronikindustrie her. Hochreines Wasserstoffperoxid ist ein sehr regionales Produkt: Um das Risiko von Verunreinigungen während des Transports zu vermeiden und die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, beliefert Evonik seine Kunden aus Anlagen in der jeweiligen Region. In Europa geschieht dies in einem Evonik-Werk im spanischen Saragossa, in Asien an einem Joint-Venture-Standort in Saraburi (Thailand).

In Nordamerika produziert Evonik Wasserstoffperoxid an fünf Standorten. Die Anlagen in Mobile in den USA sowie Maitland und Gibbons in Kanada liefern große Mengen für einen begierigen Markt. Zwei weitere Anlagen – Saratoga Springs (New York) und Bayport (Texas) – erfüllen die Reinheitsanforderungen anspruchsvollster Halbleiterkunden bis hin zu den höchsten Stufen.

In Bayport findet die Aufbereitung im Nordteil des weitläufigen Werks statt. Arbeiter und Ingenieure legen die weiten Strecken in Golfkarts zurück. Auf den ersten Blick sieht der Reinigungsbereich mit seinen großen Lagertanks, Rohren, Pumpen, Ventilen und hochgelegten Leitungen aus wie der Rest des Werks. Doch es gibt feine Unterschiede: Produkte niedrigerer Reinheit werden in Kesselwagen transportiert, die in der Mitte der Anlage parken. Die hochreinen Sorten hingegen kommen in spezielle ISO-Tankcontainer. Diese sind mit ­Teflon ausgekleidet, um eine Barriere zwischen dem Produkt und den Metallen in den Wänden der Edelstahltanks zu schaffen und so Verunreinigungen zu vermeiden.

Die Details des firmeneigenen Verfahrens zur Herstellung von hochreinem Wasserstoffperoxid sind ein streng gehütetes Geheimnis. Doch mindestens genauso wichtig sind andere Kriterien. „Im Gegensatz zu vielen Wettbewerbern sind wir vertikal integriert“, sagt ­Ledenbach. Was sie damit meint: Evonik vereint in ­Bayport alle ­Stufen der Wasserstoffperoxid-Produktion, liefert das fertige Produkt sogar in eigenen Kesselwagen und Lkw an die Kunden aus.

Die Herausforderung besteht nun darin, nicht nur mit den immer höheren Anforderungen der Kunden Schritt zu halten, sondern auch mit dem Anstieg der Nachfrage. Der amerikanische Chiphersteller Micron Technology kündigte im Oktober an, 20 Milliarden US-$ in den Bau der nach eigenen Angaben größten US-Halbleiter­fabrik zu investieren. Wettbewerber Texas Instruments setzte im Mai den ersten Spatenstich für eine neue Produktionsstätte nördlich von Dallas (Texas). Die 30-Milliarden-­US-$-Investition umfasst Pläne für vier weitere Fabriken. Auch Samsung Electronics denkt über eine umfassende Erweiterung seiner Anlagen in Texas nach. Von möglichen Investitionen in Höhe von fast 200 Milliarden US-$ und elf Werken ist die Rede. Vor einem Jahr gab Samsung Pläne bekannt, nahe ­Austin eine neue 17-Milliarden-US-$-Fabrik zu bauen, die hochmoderne Chips unter anderem für Hochleistungsrechner und künstliche Intelligenz liefern soll.

Der Halbleiterhersteller GlobalFoundries hat vor Kurzem die endgültigen lokalen Genehmigungen für die Erweiterung seiner Produktionsstätten im Bundesstaat New York erhalten. In einer Ankündigung hat das Unternehmen Pläne für den Bau einer neuen Produktionsstätte vorgestellt, mit der die Kapazität des Standorts verdoppelt werden soll. Die Fabrik liegt nicht weit von der Aufreinigungsanlage von Evonik in Saratoga Springs entfernt.

Greg Rice, Segment Manager Electronics bei Active Oxygens, erwartet, dass der sich abzeichnende Boom in der US-Halbleiterproduktion die Nachfrage gerade bei hochreinem Wasserstoffperoxid weiter ankurbeln wird. „Wir haben große Wachstumschancen, wenn wir einen angemessenen Anteil an der Produktion in den neu entstehenden Fabriken bekommen“, sagt er. Hochreines Wasserstoffperoxid macht derzeit noch einstellige Prozentanteile an der Gesamtproduktion von Evonik aus. Der Anteil an Umsatz und Gewinn ist größer. „Es ist ein sehr viel höherwertigeres Geschäft“, sagt Rice.

Auch seine Business Line hegt in den USA Ausbaupläne, um den Halbleiterboom zu begleiten. Doch das braucht Zeit – nicht nur wegen der technischen Hürden und hohen Anforderungen in Sachen Spezifikation, Reinheit und Lieferverlässlichkeit: Allein ISO-Tankcontainer für ultrahochreines Wasserstoffperoxid haben derzeit eine Lieferfrist von zwei Jahren. „Fehlt es an Containern, begrenzt das unsere Wachstumschancen“, sagt Laura Ledenbach. „Wir müssen daher bei diesen Investitionen strategisch vorgehen.“ Auch Purnima Ruberu weiß, wie weit die Reise noch sein kann – und wie wichtig es ist, sich früh auf den Weg zu machen: „Jetzt haben wir die Möglichkeit, in diesen Märkten verstärkt Fuß zu fassen und den Wandel in der Chipindustrie in den kommenden Jahren mitzugestalten.“