mini|302x302px|Die Halbleiterindustrie ist ein globaler Wirtschaftszweig der Elektronikindustrie, der halbleiterbasierte Bausteine (Mikroelektronik, „Chips“) entwirft, herstellt und vermarktet. Auf dem Foto ist ein Mitarbeiter in einem Reinraum zu sehen, der einen Wafer in der Hand hält. Foto: Sandia National Laboratories, 2014 Die Halbleiterindustrie ist ein auf Mikroelektronik fokussierter Wirtschaftszweig der Elektroindustrie. In dieser Branche gibt es Organisationen und Unternehmen, die auf Forschung und Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von Halbleiterprodukten spezialisiert sind. Weitere Bezeichnungen sind die Mikroelektronikindustrie oder Chipindustrie.
Zu den Produkten dieser Industrie zählen halbleiterbasierte Bauelemente wie Transistoren bis hin zu integrierten Schaltungen (ICs), beispielsweise Logik- oder Speicherbausteine. Umgangssprachlich werden diese oft als „Chips“ bezeichnet, die in einer Vielzahl von elektrischen oder elektronischen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Die meist privaten und davon einige börsennotierten und globale Unternehmen werden auch als Halbleiterhersteller bezeichnet. Zum Industriezweig gehören außerdem Hersteller von speziellen Einsatzmaterialien (Wafer und weitere Vorprodukte) sowie eine Vielzahl von Zulieferunternehmen, die Maschinen und Anlagen für halbleitertechnische Verfahren wie Fotolithografie oder Beschichtungsverfahren anbieten. Die Unternehmen sind häufig in die drei Bereiche Entwicklung/Entwurf von Mikroelektronik, Produktion bzw. Herstellung und Test, Verpackung und Vermarktung aufgeteilt. Diese Struktur rührt aus dem Fabless-Foundry-Geschäftsmodell und bietet durch die Spezialisierung auf Entwicklung oder Produktion Skaleneffekte.
Der technische Fortschritt im Bereich der Halbleitertechnik führte zu einer enormen Steigerung der Rechenleistung und Speicherkapazität. Gleichzeitig sanken die Preise der Produkte rasch, sodass sich ein nahezu unbegrenztes Potenzial für neue Innovationen, Produkte und ehrgeizige Ziele abzeichnet. Die Halbleiterindustrie bildet das Rückgrat der digitalen Welt, vgl. auch die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT). Erfindungen und Schlüsseltechnologien wie CMOS oder Flashspeicher ermöglichen bis heute den weltweiten Erfolg der Produkte, welche in alle Bereiche der Technik und des Lebens hineinreichen.
Struktur In der Halbleiterindustrie wird seit den 2000er Jahren das Fabless-Foundry-Geschäftsmodell verfolgt, bei dem Entwicklung und Produktion aufgeteilt werden. „Fabless“ bedeutet „ohne Fabrik“ und „Foundry“ bezeichnet eine flexible Produktionsstätte für verschiedene Aufträge bzw. Auftraggeber. Einige große Halbleiterhersteller verfügen jedoch in allen drei Domänen über die notwendigen Fähigkeiten und Kapazitäten und sind damit vollintegrierte Unternehmen. Man unterscheidet bzw. ordnet die Halbleiterunternehmen nach ihren Aktivitäten und/oder dem Fabless-Foundry-Geschäftsmodell ein:
Bekannte Unternehmen wie Intel, IBM, Samsung etc. werden zu den vollintegrierten Halbleiterherstellern (Integrated Device Manufacturer, IDM) gezählt. Die Unternehmen haben Kapazitäten in der Forschung und Entwicklung, Produktion und Vermarktung. Die Produktion der Halbleiter wird dabei als Frontend bezeichnet und findet in einer Foundry oder einem Halbleiterwerk, kurz „Fab“, statt. Fertigt ein Halbleiterunternehmen wie z. B. Nvidia nicht seine Produkte selbst, fokussiert es sich auf die Entwicklung und/oder Vermarktung. Das Unternehmen ist damit „Fabless“ und lässt seine Produkte bei einem Fertigungsdienstleister, wie z. B. der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) oder United Microelectronics Corporation (UMC) herstellen. Als Teil des Fabless-Geschäftsmodells gibt es sogenannte ASIC-Hersteller, die Entwicklung im Kundenauftrag durchführen, sowie IP-Hersteller (Logik-Bausteine), welche nur das Design per Electronic Design Automation (EDA) zur Lizenzierung für andere Hersteller anbieten. Ein bekanntes Design-Haus ist das Unternehmen Arm. Neben den vollintegrierten Herstellern wie Samsung o. ä. existieren auch spezialisierte Foundry-Unternehmen, d. h. Auftragsfertiger oder Fertigungsdienstleister, bei denen viele IDMs einen Teil ihrer Produktion auslagern. Teilweise betreiben IDMs selbst Foundry-Unternehmen für Entwurf-Unternehmen.
Neben den vollintegrierten Unternehmen benötigt die Halbleiterindustrie zahlreiche Zulieferunternehmen, die mit ihren Maschinen, Verfahren und Anlagen auf Halbleiter (Fotolithographie usw.) ausgerichtet sind. Beispiele sind die Firmen Applied Materials, ASML, Lam Research usw. Dazu zählt auch die Reinraum-Technologie. Ebenfalls hat sich eine Industrie aufbauend auf der Vakuumtechnik und Oberflächenphysik entwickelt, welche Geräte, Anlagen und Systeme für die Halbleiterindustrie zur Forschung und Entwicklung bereitstellt. Zu den Unternehmen, welche die Entwicklung befähigen zählen die Electronic Design Automation (EDA) Software-Hersteller wie Siemens EDA (Mentor), Cadence oder Synopsys. Für das Backend, also die Endmontage, wie die Gehäuseintegration (Multi-Chip-Modul), Packaging, Assembly, Testing usw. sind häufig Unternehmen aus dem Bereich Electronic Manufacturing Service (EMS) tätig. Beispiele sind die taiwanesische ASE Group oder Siliconware Precision Industries (SPIL). Im konkreten Fall der Gehäusemontage bzw. -integration und dem Test der Halbleiter erfolgt dies von spezialisierten OSAT-Unternehmen (, dt. „ausgelagerte Halbleiter-Montage und -Test“).
In der Praxis sind häufig Mischformen der o. g. Unternehmen anzutreffen.
Abgrenzung Die Solarindustrie bzw. Photovoltaik wird zwar nicht zur Halbleiterindustrie gezählt, bedient sich jedoch einiger Produktionstechnologien und Rohstoffe der Halbleiterindustrie, darunter Silicium, das von Siliciumherstellern geliefert wird.
Geschichte
Die Halbleiterindustrie begann spätestens mit Erfindungen wie dem Transistor am Shockley Semiconductor Laboratory groß zu werden. In den USA waren das Bell Telephone Laboratory (BTL), Fairchild Semiconductor, IBM und andere Unternehmen an der Geburtsstunde der Halbleiterindustrie beteiligt. Das Silicon Valley hat seinen Ursprung in der 391 San Antonio Road.
In der ehemaligen Deutsche Demokratische Republik (DDR) galt das Zentrum Mikroelektronik Dresden (ZMD) als Zentrum der dortigen Aktivitäten und Vorreiter des heutigen Wirtschaftsraums „Silicon Saxony“. Bis 1989 war das VEB Halbleiterwerk Frankfurt (Oder) der größte Halbleiterproduzent der DDR. In Westdeutschland (BRD) war neben Siemens auch Intermetall sehr früh in das Geschäft mit Halbleitern eingestiegen. Ein Meilenstein in der deutschen Halbleiterindustrie war z. B. die Ausgliederung 1999 von Siemens Halbleiter zu Infineon.
Globale Wertschöpfungskette
Die Herstellung von Halbleitern ist Teil einer international stark fragmentierten Wertschöpfungskette. Sie umfasst unter anderem Forschung und Entwicklung, Chipdesign, die Herstellung von Wafern durch die Siliciumhersteller, die Fertigung der integrierten Schaltungen, das Assembly, das Packaging und den Test. Hinzu kommen vorgelagerte Bereiche wie die Herstellung von Halbleitermaterialien, Spezialchemikalien und Produktionsanlagen sowie nachgelagerte Bereiche wie die Integration der Bauteile in elektronische Produkte. Die einzelnen Stufen werden häufig von spezialisierten Unternehmen in unterschiedlichen Ländern übernommen.
Design und Entwicklung
Am Anfang der Wertschöpfungskette steht die Entwicklung des Halbleiterprodukts. Dazu gehören die Entwicklung der Schaltung, die Verifikation des Designs sowie die Umsetzung in ein physisches Layout. Dabei werden Electronic Design Automation (EDA)-Werkzeuge und teilweise vorgefertigte Intellectual Property (IP)-Blöcke eingesetzt. Die Entwicklung moderner integrierter Schaltungen erfordert erhebliche Investitionen in Forschung und Entwicklung und in spezialisierte EDA-Software und Design-Ingenieure.
Je nach Geschäftsmodell können Entwurf und Fertigung innerhalb eines Unternehmens erfolgen oder auf verschiedene Unternehmen verteilt sein. Fabless-Unternehmenkonzentrieren sich beispielsweise auf Entwicklung und Vermarktung, während Foundries die Fertigung im Auftrag anderer Unternehmen übernehmen. Integrated Device Manufacturers (IDMs) verbinden dagegen Entwicklung und Fertigung innerhalb eines Unternehmens.
Wafer und Produktionsmaterialien
Für die Herstellung integrierter Schaltungen werden hochreine Halbleitermaterialien benötigt. Bei der Siliziumtechnologie werden aus hochreinem Silizium zunächst Einkristalle und anschließend Wafer hergestellt. Darüber hinaus benötigt die Fertigung zahlreiche Spezialchemikalien, Prozessgase und weitere Materialien. Auch die Herstellung der dafür erforderlichen Produktionsanlagen stellt einen eigenständigen Teil der Wertschöpfungskette dar.
Die Produktionsanlagen umfassen unter anderem Systeme für Lithografie, Ätzen, Abscheidung, Reinigung, Metrologie und Inspektion. Dadurch ist die Halbleiterfertigung nicht nur von den eigentlichen Halbleiterherstellern, sondern auch von spezialisierten Anlagen- und Materialherstellern abhängig.
Waferfertigung
In der Halbleiterfabrik werden auf den Wafern die Strukturen der integrierten Schaltungen erzeugt. Dabei werden zahlreiche Prozessschritte wiederholt, unter anderem Beschichtung, Lithografie, Ätzen, Abscheidung, Dotierung, Reinigung und Prüfung. Die einzelnen Arbeitsschritte werden in Reinräumen durchgeführt, da bereits sehr kleine Verunreinigungen die Fertigung beeinträchtigen können.
Die Fertigung wird häufig von Foundries oder von IDMs durchgeführt. Aufgrund der hohen Investitionskosten und der erforderlichen Auslastung spezialisieren sich Unternehmen zunehmend auf bestimmte Stufen der Wertschöpfungskette.
Assembly, Packaging und Test
Nach der Herstellung der integrierten Schaltkreise bzw. Mikroelektronik werden die einzelnen Dies aus dem Wafer vereinzelt und anschließend montiert und elektrisch kontaktiert. Beim Packaging wird der Halbleiter in ein Gehäuse oder eine andere Bauform integriert. Das Gehäuse schützt den Die und ermöglicht seine Verbindung mit einer Leiterplatte oder einem anderen elektronischen System.
Vor und während des Packaging-Prozesses werden die Bauteile getestet. Neben traditionellen Gehäusetechnologien kommen zunehmend Verfahren wie Flip-Chip, Wafer-Level-Packaging und 2,5D- beziehungsweise 3D-Integration zum Einsatz.
Diese Tätigkeiten können vom Halbleiterhersteller selbst oder von spezialisierten Outsourced Semiconductor Assembly and Test (OSAT)-Unternehmen übernommen werden. Der Bereich bildet einen eigenständigen Teil der globalen Halbleiterwertschöpfungskette und ist insbesondere in Ost- und Südostasien stark vertreten.
Internationale Arbeitsteilung
Die verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette sind geografisch unterschiedlich konzentriert. Bestimmte Volkswirtschaften haben sich auf einzelne Bereiche spezialisiert, beispielsweise auf Chipdesign, Halbleiterfertigung, Produktionsanlagen, Materialien oder Packaging und Test. Dadurch entsteht eine hohe gegenseitige Abhängigkeit zwischen den einzelnen Regionen.
Nach einer Analyse der OECD entfielen 2025 etwa drei Viertel der Wertschöpfung der weltweiten Halbleiterindustrie auf fünf Volkswirtschaften, von denen vier in Asien liegen. Die zunehmende Spezialisierung und die hohen Skaleneffekte der Produktion haben zu dieser geografischen Konzentration beigetragen.
Die internationale Arbeitsteilung erhöht einerseits die Effizienz der Produktion, führt andererseits aber zu Abhängigkeiten. Unterbrechungen an einzelnen Stellen der Wertschöpfungskette können deshalb Auswirkungen auf nachgelagerte Branchen haben. Dies wurde unter anderem während der weltweiten Halbleiterengpässe deutlich.
Struktur der Wertschöpfungskette
Die Wertschöpfungskette lässt sich vereinfacht in mehrere miteinander verbundene Bereiche gliedern:
Forschung und Entwicklung Chipdesign, EDA und IP-Kerne Herstellung von Wafern und Substraten