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Infineon Jagd nach dem Vorsprung

Der Münchner Halbleiterkonzern will die Konkurrenz mit einer neuen Fertigungstechnologie in den Schatten stellen. Ein Report über ein 250-Millionen-Euro-Wagnis im Süden Österreichs.

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Infineon-Labor Quelle: LAIF/FrankSiemers

Es gibt unangenehmere Orte zum Arbeiten als Villach. Die Werkskantine im Gebäude 2 des Infineon-Werks ist umrahmt von Panoramafenstern. Die Mitarbeiter des Halbleiterkonzerns blicken auf den knapp 2200 Meter hohen Villacher Hausberg Dobratsch und ein spektakuläres Alpenpanorama. Durch die 60.000-Einwohner-Stadt im Süden des österreichischen Bundeslandes Kärnten fließt malerisch der Donau-Nebenfluss Drau. Mehrere Seen in der Umgebung laden zur Naherholung ein. Italien oder Slowenien sind über die Autobahn weniger als eine Stunde entfernt.

Doch Kurt Aigner und Otto Graf haben kaum Zeit für die schöne Aussicht. Seit Ende 2008 stehen die beiden an der Spitze eines Teams von rund 50 Leuten, die in der österreichischen Niederlassung am wichtigsten Projekt des gesamten Infineon-Konzerns überhaupt tüfteln: Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von 300 Millimetern, so groß wie eine Pizza. Bisher maßen diese sogenannten Wafer nur 200 Millimeter. Sie sind das Basismaterial für die neuen Hochleistungschips von Infineon, die in Autos und in Industrieanlagen stecken – ein heißer Zukunftsmarkt. Gelingt die Umstellung von 20 auf 30 Zentimeter Durchmesser, brächte dies Infineon weltweit ganz nach vorn.

Denn zehn Zentimeter Unterschied hört sich nach wenig an, bringt aber, wenn alles klappt, einen Produktivitätsfortschritt zwischen 20 und 30 Prozent. Zwar sind die Bearbeitungsmaschinen teurer als die bisherigen, dafür lassen sich in der gleichen Zeit doppelt so viele Chips herstellen wie nach der alten Methode. Wer die Formel für die Kreisberechnung kennt, weiß, dass 50 Prozent mehr Radius eine mehr als doppelt so große Fläche ergibt.

„Die 300-Millimeter-Fertigung ist ein strategisches Projekt für Infineon“, sagt Reinhard Ploss, im Infineon-Vorstand verantwortlich für das operative Geschäft sowie für Forschung und Entwicklung. Von der vergangene Woche wegen des drohenden Konjunkturabschwungs angekündigten Überprüfung aller Investitionen bleibt die Arbeit von Aigner und Graf darum ausdrücklich ausgeklammert.

Welchen Meilenstein die Techniker gerade hinter sich gelassen haben, ist technischen Laien zwar nicht ganz einfach zu vermitteln. Aber für Infineon und die gesamte Halbleiterbranche ist das Verfahren eine Weltneuheit: Gerade hat das Villacher Team es zum ersten Mal geschafft, auf der Pilotanlage voll funktionsfähige, sogenannte Leistungshalbleiter zu stanzen. Diese speziellen Steuerchips sind für besonders hohe Spannungen und Ströme geeignet und werden beispielsweise in Transformatoren oder Elektroautos eingesetzt. Zwar verarbeiten auch Hersteller wie Intel oder Samsung schon 300-Millimeter-Wafer – aber die daraus produzierten Mikroprozessoren und Computer-Speicherchips sind mit den Infineon-Bauteilen nicht vergleichbar, weil sie mit geringeren Spannungen auskommen und einfacher konstruiert sind.

Grösser statt kleiner

Grundsätzlich gibt es für Chipproduzenten zwei Möglichkeiten, ihre Produktivität zu verbessern: Entweder durch eine Verkleinerung der Chips, Fachleute sprechen dann von einer Verringerung der Strukturbreiten, um dadurch mehr Bauteile auf dem Wafer unterbringen zu können. Oder durch größere Waferdurchmesser. Die erste Möglichkeit kommt für Infineon aber nicht infrage: „Kleinere Strukturen sind aufgrund der höheren Spannungen und Ströme, wie sie bei Leistungshalbleitern auftreten, schwierig“, sagt Ingenieur Graf.

Im Gegensatz zum sonst üblichen Trend in der Elektronik heißt Fortschritt in Villach darum nicht Miniaturisierung, sondern Vergrößerung – und für das Aigner-Graf-Team monatelange Tüftelei und das Beschreiten von technologischem Neuland.

Infineon-Ingenieur Otto Graf mit Wafer Quelle: Lukas Beck für WirtschaftsWoche

Eine der wichtigsten Eigenschaften bei der Herstellung von Halbleiterchips ist die Leitfähigkeit des Grundstoffs Silizium. Silizium ist einerseits das Trägermaterial für die Minibauteile, das in mehreren, ultradünnen Schichten übereinandergelegt wird, um die vielen Schaltkreise auf engstem Raum unterzubringen. Gleichzeitig wirkt das Silizium aber wie eine komplizierte Verkabelung und stellt die elektrischen Verbindungen zwischen den schichtenweise aufgebrachten Bauteilen her.

Die Leiteigenschaften des Grundmaterials sind darum erfolgsentscheidend, lassen sich aber nicht ohne Weiteres vom alten Verfahren mit den kleinen auf die neue Produktionsmethode mit den größeren Waferscheiben übertragen. „Zu Beginn waren die Eigenschaften des Grundmaterials Silizium wie dessen Leitfähigkeit eine natürliche Barriere für die Fertigung, auch das Grundmaterial selbst war nicht verfügbar. Deshalb mussten wir das Silizium modifizieren, um diese Barriere zu überwinden“, erklärt Projektleiter Aigner.

Wie das im Detail genau funktioniert, darüber schweigt sich Aigner aus – Betriebsgeheimnis. Zu groß ist die Gefahr, dass er der Konkurrenz sonst unbeabsichtigt wichtige Tipps geben könnte. Sicher ist nur: Der Umstieg auf die Produktion größerer Scheiben ist kompliziert – so kompliziert, dass nicht einmal die Waferzulieferer von Infineon wie etwa die Wacker-Chemie-Tochter Siltronic das hinbekommen haben.

Das Herz jeder Halbleiterfertigung und auch der neuen Infineon-Anlage ist der sogenannte Reinraum. Wer den betreten will, muss einen Aufwand treiben wie der Besucher einer Isolierstation in einer Klinik. Ein weißer Schutzanzug mit Kopfhaube, Maske und Gummihandschuhen sind Pflicht, drunter sind reinraumgeeignete Jogging-hosen und T-Shirts erlaubt.

Saubere Luft

In der „Linie“, so heißt die Folge von Produktionsschritten, mit denen auf die Siliziumwafer die einzelnen Chipbausteine aufgebracht werden, herrscht die sogenannte Reinraumklasse 10: Auf jeweils rund 30 Liter Luft dürfen gerade mal zehn Schmutzpartikel kommen. Warum die Anforderungen so hoch sind? Ein durchschnittliches Staubkorn hat einen Durchmesser von einem Mikrometer – das ist ein Millionstel Meter. Die Leiterbahnen auf den Chips messen aber nur 250 Nanometer, rund ein Viertel des Staubkorns. Verunreinigungen könnten Kurzschlüsse auf dem Halbleiterbauteil verursachen.

Damit die Luft in der Produktionsanlage so sauber bleibt, müssen sich Arbeiter und Besucher nicht nur hermetisch verhüllen, sondern auch eine Reinigungsschleuse passieren: eine kleine Zelle mit zwei durchsichtigen Glastüren, die den Besucher kurz einsperren, während ein Luftgebläse dem Besucher die letzten Staubkörnchen von der Kleidung bläst. Erst dann öffnet sich die Pforte zum Allerheiligsten.

Hier, im vierten Stock von Gebäude 16, einer vierstöckigen, mit Aluminiumrippen verzierten Halle am Rande der Werksgeländes in Villach, ahnt auch der Laie, wie viel Zeit, Energie und Hirnschmalz das Team um Aigner und Graf in die 300-Millimeter-Technik gesteckt haben.

Hier wuselt es – die Pilotanlage für die neue Technik läuft parallel zur bisherigen 200-Millimeter-Fertigung.: „Ein großer Vorteil ist, dass wir auf der bestehenden Fertigung Erfahrungen mit der Nutzung von Dünnwafern im Hochvolumen gesammelt haben“, erläutert Graf. „Diese ließen sich auf 300 Millimeter übertragen.“ Dazu gehören zum Beispiel Arbeitsschritte wie die sogenannte Nass-Chemie: Dabei werden die Siliziumplatten mit speziellen Chemikalien behandelt, etwa um eine lichtempfindliche Schicht aufzubringen.

Die neue Anlage ist auch ein Symbol für den Triumph der langfristig denkenden Praktiker und Techniker über die eher kurzfristig (oft genug auch kurzsichtig) ausgerichtete Denke der Unternehmensberater und Finanzanalysten. Wäre es nach denen gegangen, hätte sich Infineon nämlich längst von seinen Produktionsanlagen trennen müssen. „Unsere eigene Fertigung und die enge Verzahnung mit Forschung und Entwicklung erweist sich jetzt als wichtiges Differenzierungsmerkmal für Infineon“, sagt Projektleiter Aigner. Nicht nur das: „Die 300-Millimeter-Technologie verschafft uns einen Vorsprung von ein bis zwei Jahren gegenüber der Konkurrenz“, freut sich Vorstandsmitglied Ploss.

Lange Erfahrungen

Infineon: Umsatz und Gewinn je Quartal, Umsatz nach Geschäftsbereichen

Die langen Erfahrungen der Infineon-Ingenieure hilft, eine weitere wichtige Hürde neben den Leitungseigenschaften der größeren Siliziumwafer zu überwinden: die physikalische Behandlung der Scheiben. Leistungshalbleiter, wie die von Infineon, benötigen spezielle, sogenannte Dünnwandwafer als Basismaterial. Diese Waferscheiben sind gerade mal zwischen 40 und maximal 170 Millionstel Meter dick. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar misst zwischen 50 und 70 Millionstel.

Die Spezialwafer müssen so dünn sein, weil die Hochleistungschips anders aufgebaut sind als ihre einfacheren Verwandten: Bei normalen Halbleiterbausteinen, dazu gehören die in jeden Computer eingebauten Speicherchips, fließt der Strom auf der Oberfläche, also in der Waagerechten. Im Gegensatz dazu fließt er bei Leistungshalbleitern wie denen von Infineon senkrecht durch den Chip. Je dünner der Chip, desto weniger Widerstand – sprich: umso leistungsfähiger wird der Chip.

Die Verwendung solcher Dünnwandwafer hat aber den Nachteil, dass die 300-Millimeter-Scheiben biegsam und leicht zerbrechlich sind. „Das stellt spezielle Anforderungen an die einzelnen Schritte innerhalb des Produktionsprozesses“, sagt Infineon-Ingenieur Graf. „Man braucht eine sehr gute Automatisierung und eine sehr hohe Präzision, um die Herstellung in hohen Volumina hinzubekommen.“

Zudem müssen die Infineon-Ingenieure zum großen Teil neue Maschinen einsetzen: zum Beispiel spezielle Öfen, in denen die Wafer je nach Art der Oberflächenbehandlung zwischen einer und 24 Stunden eingebracht werden, um spezielle Kristallschichten aufzubringen. Meist werden dazu sogenannte Horizontalöfen verwendet, weil sie sich leichter be- und entladen lassen. Sie haben Platz für bis zu 200 Scheiben. Für die neuen 300-Millimeter-Wafer verwendet Infineon dagegen auch Verti-kalöfen. Der Grund: Darin liegen die Scheiben flach, dadurch gibt es weniger Probleme mit der Schwerkraft, etwa durch sich wölbende Scheiben.

Auch viele andere Maschinen für die insgesamt rund 400 Prozessschritte musste das Team um Graf und Aigner verändern oder ganz neu entwickeln: etwa bei den sogenannten Steppern, die das Design des einzelnen Chips dutzendfach in einzelnen Schritten auf den Wafer belichten. Die alten Anlagen, passen kaum in die neue Produktion, die Umstellung kostet eine Menge Geld: „Die reinen Entwicklungskosten der Technologie liegen bei rund 50 Millionen Euro. Einen deutlich höheren Betrag werden wir zum Hochfahren der Hochvolumenfertigung in Dresden benötigen“, sagt Vorstandsmitglied Ploss. Insgesamt veranschlagt Infineon rund 250 Millionen Euro für die Einführung der neuen Technik. In Dresden wird die Produktion demnächst hochgefahren, Anfang 2013 soll die Massenproduktion anlaufen.

Geht die Rechnung auf, könnte das Infineon endlich – und dauerhaft – in die schwarzen Zahlen bringen. Immerhin hat das im Jahr 2000 von Siemens abgespaltene Unternehmen eine jahrelange Durststrecke mit tiefroten Zahlen hinter sich. Noch im Geschäftsjahr 2008 schrieb der Konzern einen Verlust von 3,7 Milliarden Euro. Inzwischen geht es Infineon besser: In allen drei Geschäftssegmenten Automobilchips, Industriehalbleiter und Chipkarten schrieb das Unternehmen seit Ende 2009 wieder schwarze Zahlen. Zuletzt lag die operative Marge bei rund 20 Prozent (siehe Grafik). Ploss will, dass das auch so bleibt: „Die neue 300-Millimeter-Technologie ist ein weiterer Beitrag zur Stabilität des Unternehmens auch in konjunkturell schwächeren Zeiten.“

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