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Halbleiterfertigungsstrategie

Autarkie Chinas beim 28-nm-Knoten in Reichweite

09. November 2020, 11:57 Uhr   |  Gerhard Stelzer

Autarkie Chinas beim 28-nm-Knoten in Reichweite
© Destina/stock.adobe.com

Mit gesteigerten Investitionen in Halbleiterfertigungstechnologien möchte sich China vom Ausland und insbesondere den Vereinigten Staaten unabhängig machen. Erstes Ziel ist der stückzahlträchtige 28-nm-Knoten.

Im September 2020 kündigte die chinesische Regierung die zweite Phase des Nationalen Investitionsfonds zur Förderung der eigenen Halbleiterindustrie in einem Umfang von 28,9 Mrd. Dollar an, was fast eine Verdoppelung der Investitionen im Vergleich zur früheren Phase I bedeutet. Nach Angaben des Fondsmanagements könnte der Fonds 47 Mrd. Dollar erreichen, wobei der Schwerpunkt auf Ätzmaschinen, Abscheidung dünner Schichten, Test- und Wafer-Reinigungsausrüstung liegt.

Ziel ist es, China in der Halbleiterproduktion autark zu machen, beginnend mit dem 28-nm-CMOS-Knoten, dem derzeit am weitesten verbreiteten Fertigungsknoten für integrierte Schaltkreise (ICs). China könnte an diesem Knoten den größten Teil seines Halbleiterbedarfs durch die Herstellung von ICs decken, und nach Einschätzung des Analysten Chris Taylor von Strategy Analytics, könnte dieser Plan aufgehen.

»Technologischer Kalter Krieg« mit den USA

China braucht zuverlässige Lieferquellen für Halbleiter, um weiterhin Elektronik produzieren und exportieren zu können.  Die Hersteller von Elektronikprodukten auf dem chinesischen Festland, die nicht in der Lage sind, wichtige Halbleiterchips zu bekommen, oder befürchten, dass sie in Zukunft nicht in der Lage sein werden, sie zu bekommen, drängen auf inländische chinesische Halbleiterquellen, um überleben zu können.  Darüber hinaus betrachtet die chinesische Regierung die Selbstversorgung mit Halbleitern als strategisch wichtig, um das Beschäftigungswachstum in der verarbeitenden Industrie zu schützen und aufrechtzuerhalten.

Auf China entfallen etwa 36 Prozent der mehr als 400 Mrd. Dollar an Halbleitern, die jedes Jahr weltweit verkauft werden, und exportiert etwa die Hälfte dieser Halbleiter in fertigen elektronischen Produkten wie PCs, Fernseher und Mobiltelefone wieder zurück. Nach Angaben des Verbands der Halbleiterindustrie (SIA) haben Halbleiterhersteller auf dem chinesischen Festland einen Weltmarktanteil von etwa 5 Prozent, während US-Unternehmen auf einen Anteil von 47 Prozent kommen.
Der eskalierende Handelskrieg zwischen China und den USA hat die Welt in eine neue Realität, einen technologischen Kalten Krieg, geführt. Die USA haben ihre »Entity List« mit Unternehmen, die auf einer schwarzen Liste stehen, von chinesischen Herstellern von Militärausrüstung bis hin zu großen chinesischen Herstellern kommerzieller Produkte, einschließlich Herstellern von Telekommunikationsausrüstung und der Halbleiter-Foundry SMIC, erweitert. Die USA haben US-Firmen verboten, von den auf der schwarzen Liste stehenden chinesischen Unternehmen zu kaufen oder an diese zu verkaufen, und sie haben die US-Verbündeten gedrängt, dass sie dasselbe tun müssen oder Handelssanktionen riskieren.

Die Covid-19-Pandemie hat zusätzliche Störungen des internationalen Handels verursacht und unterstreicht, wie wichtig es ist, dass Unternehmen über mehrere Lieferquellen verfügen, zu denen auch lokale Quellen gehören. Ein Großteil des Schadens in der Lieferkette der Elektronikindustrie aufgrund des Technologie-Handelskriegs ist bereits angerichtet, und die Welt muss damit leben.

Chinas Antwort auf die Restriktionen

Bereits vor der Phase II des Halbleiter-Investmentfonds hatte die chinesische Regierung die Pläne »China Manufacturing 2025« (MIC 2025), »Internet Plus« (IP) und »Next Generation Artificial Intelligence Development Program« (AIDP) angekündigt. Der Handelskrieg zwischen den USA und China scheint im Mai 2020 mit neuen harten Sanktionen gegen Huawei wirklich eskaliert zu sein, was die Phase II des Halbleiter-Investitionsplans und die Bemühungen Chinas, in der 28-nm-Chip-Produktion so bald wie möglich selbstständig zu werden, beflügelt hat.

Nach Angaben der »Information Technology and Innovation Foundation«, einer handelsfreundlichen Stiftung, wird China im nächsten Jahrzehnt wahrscheinlich 1,4 Billionen Dollar für die Selbstversorgung mit Halbleitern ausgeben und damit die bisher angekündigten Ausgaben für Phase II bei weitem übertreffen.

Chinas Achillesferse: Das Fehlen von Halbleiter-Fertigungsausrüstung

Für eine vollständige Eigenständigkeit in der Halbleiterproduktion benötigen chinesische Halbleiterproduktionsstätten (Fabriken) inländische Lieferanten von Halbleiterausrüstung, inländische Unterstützung vor Ort und inländische Lieferanten von Wartungsteilen und Ausgangsmaterialien wie Siliziumsubstrate und Gase.
China verfügt über mehr Halbleiterfabriken als jedes andere Land und hat etwa 30 neue Fabriken im Bau oder auf dem Reißbrett geplant. Im vergangenen Jahr prognostizierte der globale Industrie-Handelsverband SEMI, dass China im Jahr 2020 14 Mrd. Dollar für Halbleiterausrüstung ausgeben wird, was China zum größten Käufer solcher Ausrüstung macht. Die USA haben jedoch Exportkontrollen für den Verkauf von US-Design-Tools und Fertigungsanlagen an Halbleiterhersteller in China eingeführt.

Fotolithografieausrüstung, eine europäische Domäne, ist wahrscheinlich am schwierigsten zu produzieren. Noch sind keine einheimischen, in China hergestellten Maschinen für die Lithografie für 28-nm-CMOS geeignet.  Fotolithografische Maschinen kosten in der Regel jeweils etwa 50 Mio. Dollar und schlagen mit etwa 25 bis 30 Prozent der Kosten von Fertigungsausrüstung zu Buche. Darüber hinaus machen Fotolithografieoperationen in der Regel etwa 50 Prozent der Halbleiterherstellungszeit aus, so dass die Maschinen bei der Bestimmung des Durchsatzes und der Kosten pro Wafer und pro Die entscheidend sind.

Die Fotolithografie verwendet eine anspruchsvolle und teure Technologie.  Für die Fotolithografie bei 28 nm sind Maschinen erforderlich, die einen leistungsstarken Argon-Fluorid-Excimer-Laser verwenden, um tiefes ultraviolettes Licht bei einer Wellenlänge von 193 nm zu erzeugen, sowie die Immersionslithografie, die den Wafer beleuchtet, während er in eine transparente Flüssigkeit eingetaucht ist, um den Brechungsindex zu verändern und feine Linien und Merkmale scharf zu zeichnen.
Chinesische Fabriken haben bemerkenswerte Erfolge bei der Herstellung von LEDs, energiesparenden Prozessoren, Sensoren, diskreten Halbleiterbauteilen und bei der Montage und Prüfung (APT) erzielt. Bei Mehrkernprozessoren und Speicherbausteinen, Halbleiterentwurfswerkzeugen und -ausrüstungen, insbesondere bei den kleineren, hochmodernen Prozessknoten, die für die höchstmögliche Integration in SoCs (System on Chips) für z.B. Mobiltelefone benötigt werden, liegt China jedoch weiterhin zurück. China hinkt auch bei Analog/Mixed-Signal-ICs und HF-Front-End-Komponenten für Mobiltelefone wie Leistungsverstärker und HF-Filter etwas hinterher. Die vollständige Autarkie in all diesen Bereichen wird China dazu zwingen, noch fortschrittlichere Halbleiterausrüstungen zu produzieren, als sie für den 28-nm-CMOS-Knoten erforderlich sind.

Es bleibt abzuwarten, ob europäische und japanische Ausrüstungslieferanten dem amerikanischen Beispiel folgen werden oder ob sie die Beziehungen zu Washington gefährden werden, um weiterhin Ausrüstung nach China zu verkaufen. Ausrüstungslieferanten auf der ganzen Welt wehren sich gegen die Sanktionen, da diesen Unternehmen Umsatzverluste in Milliardenhöhe drohen.

Die gute Nachricht für China ist, dass Shanghai Micro Electronics Equipment (SMEE) laut Meldungen bereits im Dezember 2020 seine erste 28-nm-fähige Maschine ankündigen könnte. Das Unternehmen hat das Datum nicht offiziell bestätigt, aber es ist sicher, dass ein großes Interesse an einer solchen Maschine besteht, die es China ermöglichen sollte, seine eigenen 28-nm-ICs zu produzieren, ohne dass es von Firmen außerhalb Chinas abhängig ist.

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2. US-Reaktionen auf Phase II

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