Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt 70,000 Nanometer, sein Umfang 220,000 Nanometer. Die Herstellung von Chips im 5-Nanometer-Verfahren entspricht dem Bau von 44,000 Straßen entlang eines Haares.

Autor: Liu Zhirong Quelle: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Am 15. Mai 2020 verhängten die USA ein Verbot für Huawei-Chips. Seitdem haben diese Chips in China große Aufmerksamkeit erregt. Das Verbot trat am 15. September in Kraft. Weltweit renommierte Chiphersteller wie TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix und Micron dürfen Huawei keine Chips mehr liefern. Am 16. September veröffentlichte die Zentrale Disziplinarkommission auf ihrer Website einen Artikel, in dem es hieß: „Huaweis Lieferstopp könnte der Beginn des Nirvanas der chinesischen Chipindustrie sein.“

Wir reden jeden Tag über Chips, aber wissen Sie eigentlich, was ein Chip ist?

1. Wie hat die Erfindung des Chips das menschliche Leben verändert?

Am 23. Dezember 1947 erfanden die drei Wissenschaftler John Baden, William Shockley und Walter Bratton von den Bell Labs in den USA den Germanium-Transistor und leiteten damit das Halbleiterzeitalter ein. Die drei Erfinder des Transistors erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik.

Die 1950er Jahre waren das goldene Zeitalter der Halbleiter. Nahezu alle Halbleitermaterialien und grundlegenden Prozesse wurden in dieser Zeit entwickelt.

Am 18. Oktober 1954 erfand Texas Instruments das Transistorradio. Dieses Radio mit vier Transistoren war so klein, dass es in die Hosentasche passte.

Am 12. September 1958 erfand der Elektronikingenieur Jack Kilby (1923–2005) von Texas Instruments den integrierten Schaltkreis und produzierte 1959 den weltweit ersten integrierten Schaltkreis, einen Chip. Dieser integrierte Schaltkreis besteht aus auf einem Germaniumchip geätzten PNP-Transistoren, Widerständen und Kondensatoren, die über externe Drähte zu einem Schaltkreis verbunden werden. Dieser einfache integrierte Schaltkreis gab den Anstoß für die Chipindustrie, brachte Wissenschaft und Technik zu neuen Höchstleistungen und veränderte das menschliche Leben grundlegend.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Chipfertigungstechnologie hat den Preis einzelner Transistoren drastisch gesenkt. 1959 befanden sich 6 Transistoren auf einem Chip, was einem Preis von 10 US-Dollar pro Transistor entsprach; 1971 waren es 2,000 Transistoren auf einem Chip, was einem Preis von 0.3 US-Dollar pro Transistor entsprach; 2004 waren es zig Milliarden Transistoren auf einem Chip, und der Preis eines einzelnen Transistors sank auf ein Milliardstel Dollar. Dank dieser deutlich verbesserten Kosten-Nutzen-Analyse sind Chips heute für jedermann erschwinglich.

Der Chip gilt als die bedeutendste Erfindung des 20. Jahrhunderts, und viele andere Erfindungen basieren ebenfalls auf ihm. Wir leben heute in einer Welt voller Chips, und ein Leben ohne sie wäre kaum noch vorstellbar.

Der Alltag der Menschen ist untrennbar mit Chips verbunden. Intelligente Geräte wie Mobiltelefone, Computer und Smartwatches enthalten Chips. Netzwerkgeräte wie optische Modems, Router, USB-Sticks, Speicherkarten und mobile Festplatten sind ebenfalls mit Chips ausgestattet. Auch in Netzwerkgeräten und Computerperipheriegeräten finden sich Chips. Personalausweise, Reisepässe, Bankkarten, Kundenkarten und andere persönliche Identifikationskarten enthalten Chips. Fernseher, Lautsprecher, Projektoren, Ladegeräte, LED-Lampen, elektronische Waagen, Klimaanlagen, Kühlschränke, Mikrowellen, Induktionskochfelder, Warmwasserbereiter und andere Haushaltsgeräte sind ebenfalls mit Chips ausgestattet. Zutrittskontrollsysteme, Überwachungssysteme, Solarzellen usw. benötigen ebenfalls Chips. Würde jemand einen Code entwickeln, der alle Chips der Welt deaktiviert, käme das menschliche Leben zum Erliegen.

Jack Kilby erhielt im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des Chips. Er erfand außerdem den Taschenrechner und den Thermodrucker. Als Kilby als Wissenschaftler bezeichnet wurde, sagte er bescheiden: „Ein Wissenschaftler ist jemand, der Dinge erklärt und großartige Ideen haben muss; ich hingegen bin ein Problemlöser, ein Ingenieur. Meine Aufgabe ist es, neue Verfahren zu entwickeln, neue Produkte herzustellen und mit Erfindungen und Kreationen Geld zu verdienen.“

2. Um den Chip zu verstehen, muss man zunächst den "PN-Übergang" verstehen.

Wie oben dargestellt, werden elektronische Bauteile wie Dioden, Transistoren, Widerstände und Kondensatoren auf Halbleitermaterialien hergestellt und anschließend mit Drähten verbunden. Dies ist ein integrierter Schaltkreis, auch Chip genannt. Um Chips zu verstehen, muss man zunächst den PN-Übergang verstehen, der das Herzstück der Halbleitertechnologie bildet.

Wird ein Halbleitermaterial mit einem fünfwertigen Element dotiert, erhöht sich die Elektronenkonzentration, wodurch ein n-Halbleiter entsteht. Bei Dotierung mit einem dreiwertigen Element erhöht sich hingegen die Lochkonzentration, wodurch ein p-Halbleiter entsteht. „Loch“ bezeichnet die Leerstelle in der kovalenten Bindung, die entsteht, nachdem die Elektronen Energie aufgenommen haben und sich von der Bindung gelöst haben, um freie Elektronen zu werden.

Sobald sich die p- und n-leitenden Halbleiter in engen Kontakt befinden, diffundieren die negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Löcher aufeinander zu. Diese Diffusion erzeugt ein internes elektrisches Feld an der Kontaktfläche, welches die Diffusion hemmt und die Elektronen und Löcher zurückdriften lässt. Sobald sich Diffusions- und Driftgeschwindigkeit der Elektronen und Löcher im Gleichgewicht befinden, bildet sich an der Kontaktfläche zwischen den beiden Halbleitern ein pn-Übergang.

Die Haupteigenschaft eines PN-Übergangs ist seine Einfeld-Leitfähigkeit. Wird das Ende des p-dotierten Halbleiters als positive Elektrode und das Ende des n-dotierten Halbleiters als negative Elektrode verwendet, fließt Strom durch den PN-Übergang. Umgekehrt ist dies nicht der Fall. Die Funktionsweise des PN-Übergangs bestimmt die Verwendung von Binärbits in Computern. Ein durch den PN-Übergang fließender Strom entspricht einer „1“, ein nicht durchfließender Strom einer „0“.

Ein PN-Übergang ist eine Diode. Befindet sich zwischen zwei P-Halbleitern ein N-Halbleiter, entsteht eine Triode, die oben erwähnte PNP-Triode. Befindet sich hingegen ein P-Halbleiter zwischen zwei N-Halbleitern, spricht man von einem NPN-Transistor.

Für Laien ist der Chip selbst nicht sichtbar. Er ist so klein wie eine menschliche Schuppenschicht und so groß wie ein Fingernagel. Aufgrund seiner geringen Dicke muss er in einem versiegelten Gehäuse verpackt werden, bevor er an einen externen Schaltkreis angeschlossen werden kann. Öffnet man einen Computer, Fernseher oder ein anderes Elektrogerät, sieht man eine große Platine. Auf dieser Platine befinden sich zahlreiche elektronische Bauteile. Die Bauteile mit mehreren Pins sind Chips. Diese Pins sind mit den Ein- und Ausgängen des Chips verbunden. Manche Chips befinden sich auf beiden Seiten des Gehäuses, manche auf allen vier Seiten, und manche sind in einer Matrix am Boden angeordnet und mit über 1,000 Pins dicht bestückt.

3. Ist die Herstellung von Chips vergleichbar damit, die Erde und alle Straßenbauten auf einem Reiskorn zu formen?

Ein Konzept, das hier Erwähnung finden muss, ist das Mooresche Gesetz. 1965 stellte Gordon Moore, Mitbegründer des weltbekannten Chipherstellers Intel Corporation, die Prognose auf, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip jährlich verdoppeln würde. Später korrigierte er diese Annahme auf eine Verdopplung alle zwei Jahre. Diese Annahme hat sich in der Praxis als weitgehend richtig erwiesen. Im Jahr 2011 enthielt ein Intel Core i7-Chip 2.27 Milliarden Transistoren. Aktuell übersteigt die Anzahl der Transistoren auf einigen High-End-Chips mehrere zehn Milliarden. Vor einigen Jahren integrierte der KI-Chip WSE des Halbleiterherstellers Cerebras Systems, der mit der 16-nm-Prozesstechnologie von TSMC gefertigt wurde, sage und schreibe 1.2 Billionen Transistoren!

Der Begriff „Prozess“ bezeichnet die Breite des Transistorgates auf dem Chip, was im Allgemeinen als die Größe des Transistors verstanden werden kann. Je kleiner der Prozess, desto mehr Transistoren können auf einem Chip hergestellt werden und desto größer wird der integrierte Schaltkreis.

Dank der zunehmenden Integration von Chips steigt deren Rechengeschwindigkeit stetig. Je höher der Integrationsgrad, desto kleiner die elektronischen Bauteile und desto kürzer die Verbindungen zwischen ihnen. Dadurch verkürzt sich die Stromflusszeit, der Energieverbrauch sinkt und die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht sich.

Es gibt drei Möglichkeiten, die Anzahl der Transistoren auf einem Chip zu erhöhen. Erstens kann die Chipfläche vergrößert werden, zweitens können die Transistoren verkleinert werden, und drittens kann der integrierte Schaltkreis dreidimensional gestaltet werden. Eine Vergrößerung der Chipfläche wird im Allgemeinen nicht in Betracht gezogen, da dies den Energieverbrauch erhöht und die Effizienz des Chips verringert. Heutzutage werden hauptsächlich die beiden letztgenannten Methoden angewendet, um die Anzahl der Transistoren auf einem Chip zu erhöhen.

Die Chipherstellung gehört in die mikroskopische Welt. Die elektronischen Bauteile darauf sind so klein wie wenige Atome oder Moleküle und werden in noch kleineren Maßeinheiten wie Nanometern und Angström gemessen. Die kleinste Skala eines Lineals ist Millimeter. Ein Millimeter entspricht 1000 Mikrometern, ein Mikrometer 1000 Nanometern und ein Nanometer 10 Angström. Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt 70,000 Nanometer, sein Umfang 220,000 Nanometer. Die Herstellung von Chips im 5-Nanometer-Verfahren ist vergleichbar mit dem Bau von 44,000 „Straßen“ entlang eines Haares.

Die Miniaturisierung elektronischer Bauteile ist begrenzt. Daher wird erwogen, mehrlagige integrierte Schaltkreise auf einem Chip zu realisieren, um die Anzahl der Transistoren zu erhöhen. Dies lässt sich mit dem Bau von Wohnhäusern vergleichen: Ein einstöckiges Haus bietet Platz für wenige Bewohner, während ein mehrstöckiges Gebäude vielen Bewohnern Wohnraum bietet. Die Anordnung integrierter Schaltkreise ist jedoch wesentlich komplexer als der Bau eines Gebäudes. Zwar ist der Aufbau jeder Etage gleich, die Schaltkreise der einzelnen Chipschichten unterscheiden sich jedoch, und die Verbindungen zwischen den Schichten sind äußerst komplex.

Um diese Metapher noch etwas weiterzuführen: Die Herstellung von Chips ist wie das Aushöhlen einer kompletten Erde aus einem Reiskorn, wobei alle Straßen und Gebäude der Erde ausgegraben werden müssen. Die Straßen entsprechen den Leiterbahnen auf dem Chip, die Gebäude den elektronischen Bauteilen. Anhand dieser Metapher können sich die Leser vorstellen, wie komplex und schwierig die Chipherstellung sein muss.

4. Die Reinigung von Silizium ist die Grundlage der Chipindustrie.

Es gibt viele Halbleitermaterialien, aber in der Praxis werden mehr als 90 % davon aus Silizium hergestellt, da der Schmelzpunkt von Silizium bei 1415 Grad Celsius liegt, was Hochtemperaturprozesse bei der Chipherstellung ermöglicht.

Silizium wird aus Sand geschmolzen, doch um aus Sand Silizium in Chipqualität herzustellen, ist eine extrem hohe Reinheit erforderlich. Gold mit einem Reinheitsgrad von 99.99 % (vier Neunen) bezeichnen wir als reines Gold, aber die Reinheit des für Chips verwendeten Siliziums muss mindestens elf Neunen erreichen, d. h. es darf nicht mehr als ein Fremdatom pro Milliarde Siliziumatome vorhanden sein. Silizium mit dieser Reinheit wurde 1955 von den Bell Labs in den USA raffiniert. Heutzutage befinden sich Hunderte von Milliarden elektronischer Bauteile auf einem Chip, und die Reinheitsanforderungen an Silizium sind noch höher, mindestens dreizehn Neunen. Dies ist die Grundlage der Chipherstellung. Ohne die Beherrschung der Siliziumreinigungstechnologie ist die Herstellung eines Chips unmöglich!

Manche Leser fragen sich vielleicht, warum das Silizium für die Chipherstellung so rein sein muss. Die elektronischen Bauteile auf dem Chip sind winzig. Wird der Chip im 5-Nanometer-Verfahren gefertigt, zerstören bereits Verunreinigungen von einem Nanometer den gesamten Chip. Stellen wir uns das wie folgt vor: Liegt auf einer 40 Meter breiten Straße ein ein Meter breiter Stein in der Mitte, können die Autos ihm ausweichen, ohne einen Stau zu verursachen. Ist die Straße hingegen nur 5 Meter breit und liegt ein solcher Stein mitten auf der Straße, können die Autos ihm nicht ausweichen, und die Straße ist blockiert.

Die Herstellung von Chips erfordert daher nicht nur hochreines Silizium, sondern auch einen staubfreien Produktionsprozess. Die Reinheit ist 100,000-mal höher als in einem Operationssaal, und die Hälfte des Prozesses findet sogar im Vakuum statt. Aus diesem Grund mussten Chipfabriken während der COVID-19-Pandemie nicht stillgelegt werden, da die Arbeiter umfassend geschützt waren. Einige Schutzanzüge verfügen sogar über integrierte Atemschutzsysteme, um eine Kontamination der Chips durch Stoffwechselprodukte und Atemluft zu verhindern.

5. Handelt es sich bei der Lithografiemaschine eigentlich um einen integrierten Schaltkreisprojektor??

Die Bezeichnung „Lithografiemaschine“ ist ungenau übersetzt und irreführend. Viele glauben fälschlicherweise, die Lithografiemaschine „graviere“ integrierte Schaltkreise durch physischen Kontakt auf die Oberfläche von kristallinem Silizium, ähnlich wie beim Computergravieren. Tatsächlich wird der Chip nicht „graviert“, sondern „fotografiert“. Daher ist die Bezeichnung „Projektor für integrierte Schaltkreise“ treffender.

Wenn der Wafer für die Chipherstellung in die Fotolithografie-Phase gelangt, projiziert die Fotolithografieanlage das Muster des integrierten Schaltkreises mithilfe einer Maske auf den Fotolack auf der Waferoberfläche. Nach der Belichtung des Fotolacks wird der belichtete Bereich mit einer chemischen Flüssigkeit geätzt und anschließend gereinigt. So entsteht das Muster des integrierten Schaltkreises. Der Fotolithografie-Prozess ähnelt dem der traditionellen Fotografie. Licht durchdringt das Negativ, um das Fotopapier zu sensibilisieren. Anschließend wird das sensibilisierte Fotopapier in einer chemischen Lösung entwickelt und fixiert.

Ein Chip muss Dutzende oder sogar Hunderte von Fotolithografie-Prozessen durchlaufen, und mehrere nachfolgende Prozesse dauern mehrere Wochen, bevor er in die Verpackungsphase eintreten kann.

Die Chipfertigungstechnologie entwickelt sich rasant weiter, doch die meisten Kerntechnologien stammen von den Bell Labs. Der Beitrag der Bell Labs zur Informationstechnologie-Revolution wird unvergessen bleiben.

7. Kann ich Chips herstellen, wenn ich eine Fotolithografieanlage habe?

Viele Leser interessieren sich sehr für Fotolithografieanlagen und glauben, dass man mit ihnen Chips herstellen kann. Das ist jedoch nicht der Fall. Obwohl die Fotolithografieanlage eine wichtige Rolle bei der Chipherstellung spielt, ist sie nur einer von über 1,000 Prozessschritten. Selbst mit der Fotolithografieanlage lässt sich kein Chip herstellen, wenn man die anderen Prozesse nicht beherrscht.

1961 fertigte das amerikanische Unternehmen GCA die weltweit erste Fotolithografiemaschine. Aktuell gibt es weltweit sieben Unternehmen in vier Ländern, die Lithografiemaschinen herstellen: Asmaier in den Niederlanden, Intel, Super Technology Semiconductor und Rudolf in den USA, Nikon und Canon in Japan sowie SusiMicro in Deutschland.

Wie bereits erwähnt, bilden die Materialien, d. h. die Siliziumreinigung, die Grundlage der Chipindustrie. Ohne die Siliziumreinigungstechnologie zu beherrschen, ist es unmöglich, kristallines Silizium mit Chip-Reinheit herzustellen und somit auch keine Chips zu fertigen.

Darüber hinaus befinden sich Hunderte von Milliarden elektronischer Bauteile auf dem Chip. Ein solch riesiger Schaltkreis lässt sich nicht manuell zeichnen. Daher muss die Software EDA (Electronic Design Automation) eingesetzt werden. EDA ist eine umfassende Anwendung vieler natürlicher Disziplinen und wird von drei amerikanischen Unternehmen dominiert: Kadant, Synopsys und Mentor Graphics.

EDA spielt eine entscheidende Rolle im Chipherstellungsprozess. Funktion und Integration des Chips hängen vollständig von den Designmöglichkeiten von EDA ab. Selbst mit hochreinem Silizium und Fotolithografieanlagen lässt sich ohne EDA oder ohne Kenntnisse in dessen Anwendung kein Chip herstellen.

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