Quelltext der Seite Halbleitertechnik

[[Datei:80486dx2-large.jpg|mini|Integrierter Schaltkreis (IC). Das Chip-Gehäuse wurde geöffnet und ermöglicht den Blick auf den eigentlichen Halbleiter. Die erkennbaren Strukturen im Zentrum sind die realisierte elektronische Schaltung. Im Außenbereich sind die goldenen Anschlussleitungen zu erkennen, die die elektrische Verdrahtung zwischen IC und Gehäusekontakten bilden.]]

Die '''Halbleitertechnik''' ('''HLT''') ist ein technischer Fachbereich, der sich mit Entwurf und Fertigung von Produkten auf der Basis von [[Halbleiter]]materialien beschäftigt, vor allem mit denen für mikroelektronische Baugruppen, beispielsweise [[Integrierter Schaltkreis|integrierte Schaltungen]]. Historisch wird sie, aufgrund der Verwendung der Produkte als Schlüsselkomponenten in elektrotechnischen Erzeugnissen, als Teilgebiet der [[Elektrotechnik]], speziell der [[Mikroelektronik]] und [[Nanoelektronik]], gesehen. Trifft man die Zuordnung aufgrund der eingesetzten Methoden, Verfahren und materialtechnischen Eigenschaften der hergestellten Produkte, ist auch eine Zuordnung zu den Bereichen [[Chemietechnik]] und [[Keramik]] möglich.

Verwandte oder abgeleitete Fachbereiche sind die [[Mikrosystemtechnik]] und die [[Photovoltaik]]. Diese beiden nutzen ebenfalls Verfahren der Halbleitertechnik, verwenden aber im Kern keine mikroelektronischen Schaltkreise. Da die Grenzen zur Halbleitertechnik fließend sind, werden jedoch zunehmend auch Mikrosysteme und die Auswertungselektronik auf einem [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]] [[Integration (Technik)|integriert]]; beispielsweise bei [[Smart-Sensor]]en.

In der Praxis gibt es zwei verschiedene Sichtweisen auf die Halbleitertechnik:

* Die Einzelprozess-Sicht: Dabei werden die struktur- oder eigenschaftsändernden Verfahren an sich unter dem Aspekt betrachtet, welche [[Kennzahl|Parameter]] der Prozesse zu den gewünschten physikalischen Eigenschaften wie Dimension, Leitfähigkeit, [[Homogenität (Physik)|Homogenität]] etc. führen.
* Die Integrationssicht: Dabei wird die zu realisierende Struktur&nbsp;– eine [[Transistor]]- oder eine [[Leiter (Physik)|Leitungsebene]]&nbsp;– unter dem Aspekt betrachtet, welche Einzelprozesse zu den gewünschten elektrischen – oder seltener mechanischen oder optischen – Eigenschaften der Struktur führen.

== Herstellungsprozesse ==
[[Datei:Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg|mini|hochkant=1.1|Wafer von 2&nbsp;Zoll bis 200&nbsp;Millimeter mit bereits fertig produzierten Schaltungen]]

Die von der Halbleitertechnik eingesetzten Verfahren sind sowohl chemischer als auch physikalischer Natur. So werden neben chemischen [[Beschichten|Beschichtungsverfahren]], Ätz- und Reinigungsprozessen auch physikalische Methoden eingesetzt, wie physikalische Beschichtungs- und Reinigungsverfahren, [[Ionenimplantation]], [[Kristallisation]] oder Temperaturprozesse ([[Diffusion]], [[Ausheizen]], [[Aufschmelzen]] etc.). Weitere Verfahren nutzen sowohl chemische als auch physikalische Prozesse, beispielsweise die [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]] oder das [[Chemisch-mechanisches Planarisieren|chemisch-mechanische Planarisieren]]. Darüber hinaus werden unterschiedlichste [[Messverfahren]] zur Charakterisierung und [[Prozesskontrolle]] eingesetzt.

Für die Herstellung von (mikro-)elektronischen Schaltungen werden die Verfahren der Halbleitertechnik in einer bestimmten Folge auf einem Substrat angewendet. Als Substrat dient hierbei meist eine weniger als ein Millimeter dünne Scheibe eines Halbleiter-[[Einkristall]]s (meist [[Silizium]]), ein sogenannter [[Wafer]]. Vor allem bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird die Funktion der elektronischen Bauelemente und Baugruppen in einem oberflächennahen Bereich (max. 1&nbsp;µm tief, moderne CMOS-Schaltkreise für niedrige Spannungen unterhalb von 100&nbsp;nm Tiefe) auf einer Seite des Wafers realisiert. In diesem Bereich werden die Materialeigenschaften (vor allem die elektrischen) des Wafers gezielt verändert und bei Bedarf strukturiert (Material entfernt und ggf. mit einem anderen Werkstoff gefüllt). Dieses Prinzip geht auf das von [[Jean Hoerni]] erfundene [[Planarverfahren]] zur Herstellung von [[Transistor]]en zurück. Nach der Definition der elektronischen Bauelemente werden diese durch Auftragen mehrerer strukturierter Schichten mit spezifischen elektrischen Eigenschaften (Schichten mit bestimmter Leitfähigkeit, [[Isolierstoff|Isolierschichten]] und [[Leiterbahn]]en) elektrisch kontaktiert und miteinander verbunden. In diesem Bereich können elektrische Bauelemente wie [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] (beispielsweise beim [[DRAM]]) realisiert werden. Weitere Details zu diesem Thema finden sich im Abschnitt [[Integrierter Schaltkreis#Herstellung|Herstellung]] des Artikels [[integrierter Schaltkreis]].

Nachfolgend werden die in der Halbleitertechnik angewandten Verfahren und deren Anwendung gruppiert nach Prozessfolgen für bestimmte Funktionen vorgestellt. Spezielle Anforderungen an alle Fertigungsverfahren und Produktionsanlagen ergeben sich aus den Abmaßen der zu fertigenden Bauelemente. Diese liegen je nach [[Technologieknoten]] der mikroelektronischen Bauelemente unterhalb von einem Mikrometer und kleiner (in modernen Produkten kleiner 30 Nanometer). Daher wird Partikelfreiheit im eigentlichen Herstellungsprozess, in der Fertigungs- und Waferhantierungsumgebung gefordert ([[Reinraum]]herstellung).

=== Vorbereitung des Ausgangsmaterials ===
[[Datei:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|mini|links|hochkant=0.6|Gezogener Silizium-Einkristall]]

Im engeren Sinn wird die Herstellung des Ausgangsmaterials nicht unter Halbleitertechnik gefasst, soll hier aber zur Vollständigkeit beschrieben werden:
Bei der Gewinnung von Halbleitermaterialien ([[Silizium]], [[Germanium]], [[Verbindungshalbleiter]] wie [[Gallium-Arsenid]] und [[Siliziumgermanium]]) werden durch chemische und chemisch-metallurgische Verfahren hochreine [[Einkristall]]substrate erzeugt (in wenigen Fällen, z.&nbsp;B. für [[Solarzelle]]n, sind auch [[polykristallin]]e Substrate im Einsatz). Um die einwandfreie Funktion der später zu realisierenden Bauteile zu gewährleisten, ist ein qualitativ hochwertiges Substratmaterial erforderlich. Angestrebt wird ein möglichst fehlerfrei kristallisiertes, reines, homogenes Basismaterial. Sind diese Anforderungen nicht erfüllt, so können z.&nbsp;B. bei einzelnen Transistoren zufällig erhöhte [[Leckstrom|Leckströme]] oder veränderte [[Arbeitspunkt]]e auftreten. Auf Metallverunreinigungen liegt ein besonderes Augenmerk. Die Verunreinigungsniveaus liegen hier in Bereichen von Milliardstel ([[Parts per billion|ppb]]-Bereich) oder Billionstel ([[Parts per trillion|ppt]]-Bereich).

[[Datei:Front opening shipping box (front side).jpg|mini|Sicht auf die Vorderseite einer FOSB-Kassette mit acht Wafern]]
Im Fall von Silizium wird aus einer mehrfach gereinigten Schmelze ausgehend von einem Keimkristall ein Zylinder von heute (2012) bis zu 300&nbsp;mm Durchmesser und mehr als einem Meter Länge gezogen (siehe [[Czochralski-Verfahren]] und [[Zonenschmelzverfahren]]). Der Zylinder wird in Scheiben ([[Wafer]]) mit einer Dicke kleiner einem Millimeter zersägt, die anschließend geschliffen und poliert werden. In dieser Form findet das Halbleitermaterial üblicherweise Eingang in die eigentliche Fertigung der Bauelemente. Vor allem in den Fertigungsstätten werden die Wafer dann in sogenannten FOUPs (engl.: {{lang|en|''front opening unified pod''}}, dt. ''einheitliche Halterung mit frontaler Öffnung'') transportiert; für den Transport außerhalb vollautomatischer Fertigungsanlagen werden sogenannte FOSBs (engl.: {{lang|en|''front opening shipping box''}}, dt. ''Versandbehälter mit frontaler Öffnung'') eingesetzt.

Zu den weltweit größten Herstellern von Siliziumwafern zählt das deutsche Chemieunternehmen [[Wacker-Chemie|Wacker/Siltronic]].
{{Absatz}}

=== Definition der Strukturen ===
[[Datei:Photoresist spin-coaters at LAAS 0448.jpg|mini|hochkant=1.1|Rotationsbeschichtungsanlagen für den Photolackauftrag unter photochemisch unwirksamer Beleuchtung („Gelblicht“)]]

Um auf dem Substrat verschiedene Bauteile und Schaltungselemente realisieren zu können, müssen auf dem Ausgangsmaterial Gebiete definiert werden, die vom folgenden Prozessschritt betroffen sind und solche, die nicht betroffen sind. Dazu wird die [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]]&nbsp;– ein fotografisches Verfahren&nbsp;– eingesetzt (vereinfachte Darstellung):
* Auf den Wafer wird zunächst ein lichtempfindlicher [[Fotolack]] aufgeschleudert ([[Rotationsbeschichtung]], engl.: ''spin-coating'').
* In einem [[Stepper (Halbleitertechnik)|Stepper]] oder [[Scanner (Halbleitertechnik)|Scanner]] wird das Abbild einer [[Maskierungsschicht|Maske]] durch Belichtung mit streng monochromatischem Licht (heute meist aufgeweiteter [[Laser]]strahl) auf den lichtempfindlichen Fotolack übertragen. Scanner ermöglichen es, kleinere Strukturen auf dem Wafer zu belichten, als es mit dem Stepper möglich ist. Der Grund dafür ist, dass beim Stepper die gesamte Fotomaske als rechteckiges Bild abgebildet wird und sich alle nicht korrigierbaren Fehler des optischen Linsensystems negativ auswirken. Beim Scanner wird anstatt der gesamten Fotomaske nur ein schmaler Streifen im optischen Linsensystem abgebildet. Durch eine synchronisierte Bewegung von Fotomaske und Wafer wird die gesamte Fotomaske auf den Wafer projiziert, währenddessen können Belichtungsparameter wie z.&nbsp;B. der Fokus nachjustiert und so lokal an den Wafer angepasst werden.
* In einem chemischen Bad wird der Fotolack entwickelt, das heißt, die belichteten Bereiche (beim sogenannten Positivlack) des Lacks werden herausgelöst, nur die unbelichteten Bereiche verbleiben auf dem Wafer. Bei Negativlack ist es gerade umgekehrt. Hier werden die unbelichteten Stellen herausgelöst. Durch eine anschließende Wärmebehandlung (sogenanntes Hard- oder Softbake) werden die Lackstrukturen stabilisiert und Reste von Lösemitteln werden ausgetrieben.
Damit sind die Teile des Wafers durch den Fotolack abgedeckt, die durch die folgenden Prozessschritte unverändert bleiben.
* Es folgt ein halbleitertechnischer Prozessschritt, wie z.&nbsp;B. [[Dotierung|Dotieren]], [[Abscheidung|Abscheiden]] oder [[Ätzen]].
* Im anschließenden Prozessschritt wird der unbelichtete Fotolack ebenfalls entfernt&nbsp;– das kann durch nasschemische Verfahren oder durch [[Plasmaveraschung|Veraschung]] im Sauerstoff-[[Plasma (Physik)|Plasma]] erfolgen.

Die Strukturübertragung mittels Fotolithografie&nbsp;– einer der teuersten Prozessschritte in der Halbleiterherstellung&nbsp;– ist eine Herausforderung in der auf Steigerung der Integrationsdichte durch Verkleinerung setzenden Planarhalbleitertechnik. Die Gesetze der Optik begrenzen hier schon heute die Möglichkeit zur weiteren Strukturverkleinerung (siehe [[Auflösungsvermögen]]). Daneben stößt man inzwischen aber auch bei anderen Prozessschritten an z.&nbsp;B. materialbedingte Grenzen. So erlauben z.&nbsp;B. die elektrischen Eigenschaften bestimmter im [[Halbleiterprozess]] eingesetzter Standardmaterialien keine weitere Strukturverkleinerung. Auch die Querschnittsverkleinerung der Leiterbahnen führt zu Materialproblemen ([[Diffusion]], [[Elektromigration]] u.&nbsp;a.)

Einen temporären Ausweg bietet die Verwendung neuer Strukturmaterialien wie z.&nbsp;B. der Einsatz spezieller [[Legierung]]en im Leiterbahnbereich oder der Einsatz modifizierter Dielektrika ([[Low-k-Dielektrikum|low-k]]- und [[High-k-Dielektrikum|high-k]]-Materialien), da hierdurch grundsätzliche Veränderungen in der Technik zunächst vermeidbar sind. Langfristig erscheint jedoch der Übergang von der planaren zu 3-dimensionalen Techniken (vertikale und horizontale Positionierung einzelner Bauelemente) unabdingbar, da hierdurch im Prinzip bei gleicher Bauteildimensionierung höhere Bauteilpackungsdichten realisierbar sind. Erste Schritte in Richtung 3D-Techniken werden derzeit gemacht (siehe z.&nbsp;B. [[DRAPA]]).

=== Dotieren des Ausgangsmaterials ===
[[Datei:Ion implantation machine at LAAS 0521.jpg|mini|Ionenimplantation-Anlage zum Einbringen hochenergetischer Ionen in den Wafer, beispielsweise Sauerstoff bei der [[SIMOX]]-Technik (englisch: ''separation by implanted. oxygen'', SIMOX). ]]

Um die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters in bestimmten Regionen zu ändern, werden lokal Fremdatome in das Material eingebracht ([[Dotierung]]). Dies geschieht durch [[Ionenimplantation]] oder Diffusion. Die Fremdatome werden dabei in verschiedenen Tiefen und in unterschiedlichen regionalen [[Massenkonzentration|Konzentrationen]] eingelagert.
* Tiefe Schichten mit geringer vertikaler Ausdehnung können dazu dienen, einzelne Transistoren in eine Isolationswanne zu legen, um sie so bezüglich ihrer Substratanschlüsse zu entkoppeln.
* Tiefe Schichten mit einer großen vertikalen Ausdehnung bis zur Oberfläche des Substrates können dazu dienen, in einem n-dotierten Substrat eine p-dotierte Wanne anzulegen, in der wiederum n-Kanal-[[Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor]]en (n-Kanal-MISFET bzw. n-Kanal-MOSFET) angelegt werden können.
* Oberflächennahe Dotierungen können als [[Feldeffekttransistor#Funktionsweise|Source-Drain]]-Region von Transistoren oder als [[Elektrischer Widerstand|Widerstandsbereiche]] genutzt werden.
* Dotierung in Randbereichen ist eines der Verfahren, mit dem sogenanntes [[gestrecktes Silizium]] realisiert werden kann&nbsp;– Bereiche mit erweiterter Gitterstruktur, in denen erhöhte Ladungsträgermobilität herrscht und in denen daher hochperformante Transistoren erstellt werden können.
Nach einer Implantation schließt sich immer ein Ofenprozess an (Temperung), um die implantierten Fremdatome, die sich auf Zwischengitterplätzen befinden, gleichmäßig in das Kristallgitter einzubauen und die im [[Kristall]]gitter entstandenen Schäden auszuheilen. (Das Kristallgitter des Substrats wird durch den Beschuss mit Ionen mechanisch geschädigt)

=== Abscheiden und Aufwachsen von Schichten ===
Es können Schichten aus isolierenden und leitenden Materialien auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht werden.
* Im Ofenprozess durch [[thermische Oxidation]] des Grundmaterials Silizium hergestellte Oxidschichten sind [[amorph]] und besitzen eine geringe [[Defektdichte]] (auch an den Grenzflächen), so dass sie als [[Dielektrikum]] für die Steuer[[elektrode]]n der Feldeffekttransistoren, für Kondensatoren und die Bauelementisolation (vgl. [[LOCOS]] und [[Grabenisolation]]) benutzt werden.
* Aus der [[Gasphase]] abgeschiedene [[Siliziumdioxid|Oxide]] oder [[Siliziumnitrid|Nitride]] ([[chemische Gasphasenabscheidung]], CVD) werden zum Beispiel als Isolation zwischen verschiedenen Bauelementen oder als [[Opferschicht]]en für Ätzprozesse erzeugt.
* Durch [[physikalische Gasphasenabscheidung]] oder [[Sputtern]] können zum Beispiel Metallschichten aus [[Aluminium]] oder [[Kupfer]] aufgebracht werden, aus denen dann Leiterbahnen herausgeätzt werden können.

=== Strukturieren von Schichten ===
Um im Grundmaterial Bereiche zu entfernen oder aus abgeschiedenen Schichten bestimmte Bereiche herauszulösen, werden [[Ätzen|Ätzverfahren]] eingesetzt. Man unterscheidet zwischen anisotropen (richtungsabhängig) und isotropen (richtungsunabhängig) Ätzverfahren.
* Das [[Anisotropie|anisotrope]] [[Plasmaätzen]] (Trockenätzen, Reaktives Ionen Ätzen, RIE) ist der heute vorherrschende Prozess zur Strukturierung. Dabei wird das Material abgebaut, indem reaktive [[Ion]]en auf die Waferoberfläche beschleunigt werden&nbsp;– damit hat der Prozess eine mechanisch/physikalische und eine chemische Komponente.
* Die Bedeutung des nasschemischen Ätzens im [[Säure]]bad ist zurückgegangen, es wird heute vorwiegend zur Entfernung kompletter Schichten (Opferschichten) und zur Entfernung von Prozessrückständen verwendet.
* Zur Versiegelung der Chip-Oberfläche, d.&nbsp;h. zur Passivierung, wird meist ein [[Silikatglas]] abgeschieden. Dieses Silikatglas muss an den Bondflächen für die Außenkontaktierung entfernt werden. In dem Fall wird mittels Lithographie das Glas an den Bondflächen entfernt, hierbei wird oft [[Flusssäure]] als Ätzmittel verwendet. Die Flusssäure greift das Silikatglas an, während das reine Silizium unversehrt bleibt.

[[Datei:Semiconductor fabrication with and without CMP DE.svg|mini|hochkant=1.7|Zur Motivation des CMP: links: ohne CMP, rechts: mit CMP nach den violett und rot farbcodierten Sputter-/Aufdampfprozessen]]

=== Planarisieren, Reinigen, Messen ===
Dadurch, dass z.&nbsp;B. Leiterbahnen ein gewisses strukturelles Muster auf der Oberfläche des Substrates erzeugen, kommt es zu störenden Unebenheiten (z.&nbsp;B. Störung der Lithographie durch [[Reflexion (Physik)|Schrägreflexion]], Ungleichmäßigkeiten in folgenden Abscheidungen). Daher wird an mehreren Stellen im Fertigungsablauf der Wafer wieder planarisiert. Das kann durch selektives Zurückätzen oder durch [[chemisch-mechanisches Polieren]] (CMP) erfolgen.

Nicht nur das [[Polieren]] hinterlässt [[Teilchen|Partikel]] auf der Oberfläche, die für den nächsten [[Lithografie]]schritt völlig rein und eben sein muss. Auch z.&nbsp;B. Ätzprozesse hinterlassen Rückstände von unerwünschten Reaktionsprodukten. Im ersten Fall werden die Wafer mechanisch durch Bürsten und [[Ultraschall]]bad gereinigt, im zweiten Fall durch nasschemische Verfahren und ebenfalls Ultraschall.

Um die feinen Strukturen und dünnen Schichten mit [[Toleranz (Technik)|Toleranzen]] von wenigen [[Nanometer]]n zuverlässig erzeugen zu können, braucht man leistungsfähige Messverfahren zur Prozesskontrolle. Eingesetzt werden diverse [[Spektroskopie]]- und [[Scatterometrie]]-Verfahren, [[Rasterkraftmikroskopie]] und diverse elektrische Messverfahren sowie Partikel- und Defektkontrollen.

== Halbleiterstrukturen ==
[[Datei:Aufbau CMOS-Chip 2000er.svg|mini|hochkant=1.1|Schematischer Aufbau eines CMOS-Chips (130-nm-Node, ab 1999, Ausschnitt). Abweichend zu den meistgenutzten Technologien mit einem [[Silicon-on-Insulator]]-Wafer]]

{{Hauptartikel|p-n-Übergang|Transistor}}

Durch die Abfolge der Einzelprozesse werden auf (bzw. in) dem Halbleitersubstrat Wannen unterschiedlicher Leitfähigkeit, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Leiterbahnen und andere Bauelemente realisiert. Exemplarisch wird das Zusammenwirken der Prozesse an der Struktur eines Transistortyps erklärt.

Zur Herstellung einer Transistorebene auf einem Halbleitersubstrat sind mehrere der oben erklärten Prozessschritte notwendig. Nachfolgend soll kurz zusammengefasst die Prozessabläufe für die Herstellung heutiger (2009) Transistorstrukturen dargestellt werden:

* Noch vor der Erzeugung der eigentlichen Transistorstrukturen erfolgt die Herstellung von Isolationsstrukturen zwischen den späteren Transistoren; die dominierende Technik ist die [[Grabenisolation]] (engl. ''[[shallow trench isolation]]'', vgl. [[Trench-Technik]]). Dazu werden zunächst [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|fotolithografisch]] entsprechenden Bereiche zwischen den Transistorgebieten maskiert. Anschließend erfolgen eine Siliziumätzung (meist durch [[reaktives Ionenätzen]]) und die Wiederauffüllung mit Siliziumoxid sowie die Glättung der Topographie mithilfe des [[Chemisch-mechanisches Polieren|chemisch-mechanischen Polierens]].
* Auf den verbleibenden Siliziuminseln wird in einem Ofen eine dünne Siliziumoxidschicht aufgewachsen&nbsp;– das spätere Gate-Dielektrikum des Transistors.
* Auf der gesamten Wafer-Oberfläche wird das Material für die Gate[[elektrode]] abgeschieden&nbsp;– in der Regel ein Stapel aus mehreren Materialien, z.&nbsp;B. hochdotiertes Silizium, Metall und Isolationskappe.
* Mit einem Lithografieschritt werden die Strukturen der Gate-Elektroden definiert, dann wird das Gate-Elektrodenmaterial überall dort weggeätzt, wo kein [[Fotolack]] nach der Entwicklung mehr übrig war.
* In einem Ofenprozess wird an den nun offenen Flanken der Gate-Strukturen ein Oxid zur Isolation und als Abstandshalter für die Folgeprozesse gebildet.
* Mittels Lithografie werden erst die n-Kanal-[[MOSFET]]-Transistorgebiete, dann die p-Kanal-Transistorgebiete abgedeckt, um jeweils die Source-Drain-Gebiete mit den richtigen Fremdatomen zu dotieren ([[Ionenimplantation]]).
* Um die Transistorebene gegen die folgenden Verdrahtungsebenen abzuschließen, wird eine dicke Isolationsschicht auf dem gesamten Wafer aufgetragen. Überall dort, wo die Gate-Strukturen sind, bilden sich Buckel in der Isolationsschicht, die durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt werden müssen.

Der heute übliche Fertigungsablauf für Transistoren enthält noch weitere Prozesse, z.&nbsp;B. diverse Hilfs[[dotierung]]en oder dickere Gate-Dielektrika für Dickoxidtransistoren.

== Status und Ausblick ==
In weniger als einem Jahrzehnt hat sich Halbleitertechnik zu einer Schlüsseltechnologie des 20.&nbsp;Jahrhunderts entwickelt. Der [[Kalter Krieg|Kalte Krieg]] und die daraus resultierenden militär- und informationstechnischen Bedürfnisse waren Geburtshelfer, Katalysator und sind bis heute Triebfeder der Entwicklung (siehe z.&nbsp;B. neuste Entwicklungen in der [[Prozessortechnik]], [[Datenspeicher]]ung, [[Signalverarbeitung]], [[Optoelektronik]] etc.). Der Aufbau eines stabilen produktionstechnologischen Gerüsts wurde durch die [[Commercial off-the-shelf|kommerzielle Fertigung]] mikroelektronischer Schaltungen im großindustriellen Maßstab, z.&nbsp;B. für die ersten [[Taschenrechner]], erreicht.

Die Rolle des technologischen Vorreiters, den die Halbleitertechnik über Jahrzehnte innehatte, beginnt langsam zu verblassen. Andere Technologien wie die [[Biotechnologie]] haben begonnen, den Staffelstab zu übernehmen. Die Halbleitertechnik befindet sich heute im Übergang von einer jungen Technologie zu einer gereiften und sich konsolidierenden Technologie ([[Produktlebenszyklus|Technologielebenszyklus]]). In Zukunft werden in erster Linie kleine, aus rein technischer Sicht durchaus herausfordernde [[Innovation]]sschritte und [[evolution]]äre Detailverbesserungen die Szene bestimmen. Das Ziel ist und wird es sein, die Möglichkeiten der bestehenden Techniken auszuschöpfen. Größere Entwicklungssprünge, ohnehin bei großtechnischen Produktionstechniken kaum zu erwarten, werden bei Halbleitertechniken unwahrscheinlicher. Dies gilt zumindest für die Industriezweige, die sich der Herstellung von integrierten Schaltkreisen widmen. Andere Teilbereiche der Mikroelektronik wie Bildschirme oder Solarzellen weisen weiterhin ein großes Forschungspotential auf.

[[Datei:PTCDA.svg|mini|hochkant=1|Struktur von [[PTCDA]] (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid) einem [[Organische Halbleiter|organischen Halbleiter]]]]

Die Forschung und Technologieentwicklung für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen erfolgt daher entlang sogenannter [[Roadmap]]s (dt.: »Projektplan«). Die maßgebende Roadmap ist die seit 1988 existierende [[International Technology Roadmap for Semiconductors|ITRS]] ({{lang|en|''International Technology Roadmap for Semiconductors''}}); die mitwirkenden Firmen machen mehr als 90 % der weltweiten Halbleiterproduktion aus. In der ITRS werden die langfristigen Entwicklungsziele der Halbleiterindustrie auf 15&nbsp;Jahre im Voraus geplant und regelmäßig der aktuellen Entwicklung angepasst. Die [[Technologieknoten|Entwicklungsstufen oder -schwerpunkte]] (engl. {{lang|en|''nodes''}}) werden über den Begriff der [[Strukturgröße]] (bzw. der [[Minimale Strukturgröße|minimalen Strukturgröße]]) definiert. Die Richtungsvorgabe bei der Entwicklung soll technologische Engpässe früh erkennen und Forschungsanreize setzen. Dadurch ist es der Industrie gelungen, das [[Mooresches Gesetz|mooresche Gesetz]] aufrechtzuerhalten. Da die Produktion heutzutage in Bereichen arbeitet, die vor 20&nbsp;Jahren als physikalisch „unmöglich“ galten, ist zu erwarten, dass sich das Ende dieser Entwicklung um weitere Jahre verschiebt. Das Ende ist spätestens bei Fertigung von Bauelementen mit Strukturgrößen (<&nbsp;10&nbsp;nm) von wenigen Atomen auf Basis der heutigen siliziumorientierten Technologie erreicht. Hier sind neue Entwicklungen mit neuartigen Funktionsweisen notwendig, um den Trend des mooreschen Gesetzes zu folgen. Die ITRS beschäftigt sich im Kapitel {{lang|en|„Emerging Research Devices}}“ (ERD) mit potentiellen Technologien, die an der bestehenden Technologie angelehnt sind. Dazu gehören neben technologisch verwandten Konzepten wie dem [[FeRAM]] oder geschichtete Dielektrika (beispielsweise {{lang|en|''engineered tunnel barrier memory''}}) auch Konzepte, die wohl nicht in den nächsten zehn Jahren anwendungsreif werden, wie Speicher und Schaltkreise auf Basis von leitenden [[Makromolekül]]en oder [[Einzelelektronentransistor]]en.

[[Datei:Polycristalline-silicon-wafer 20060626 568.jpg|mini|hochkant=1|Polykristalline Silizium-[[Solarzelle]]n in einem Solarmodul]]
Wie andere Spitzentechnologien verursacht auch die Halbleitertechnologie steigende Kosten, um die Weiterentwicklung der existierenden Technologie aufrechtzuerhalten, vor allem im Bereich der Schaltkreisherstellung. Die [[Empirismus|empirische]] Entwicklungsarbeit ist in vielen Bereichen notwendig, da entsprechende Simulationen die Vorgänge noch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit wiedergeben. Dies liegt zum einen an den hohen Toleranzanforderungen als auch an fehlenden physikalischen Erklärungen für die Vorgänge im Nanometerbereich, dies betrifft beispielsweise das chemisch-mechanische Polieren oder den exakten Ablauf des Beschichtungsprozesses bei der [[Atomlagenabscheidung]]. Wie in anderen [[Ingenieurwissenschaften|technischen Disziplinen]] wird auch in der Halbleitertechnologie verstärkt an der Simulation von Prozessabläufen gearbeitet. Neben den seit Jahrzehnten eingesetzten Simulationen bei der Entwicklung und Verifizierungen von Schaltkreisen, werden auch zunehmend komplette Produktionsabläufe der Halbleiterbauelemente simuliert.

In der Photovoltaik kommen neben den Entwicklungskosten noch die vergleichsweise hohen Modulpreise für den Endkunden hinzu. Hier war lange Zeit ein hoher [[Subvention]]sbedarf notwendig, um eine kostendeckende Forschung betreiben zu können und gleichzeitig attraktive Produktpreise anzubieten, um die Technologie gegen konventionelle Kraftwerke (Kohle, Gas usw.) aufzustellen. Ziel dieser Politik, vor allem in Deutschland, war damals wie heute die Förderung alternativer und regenerativer Energiekonzepte.

{{Siehe auch|Mooresches Gesetz#Technische Grenzen|titel1=Mooresches Gesetz&nbsp;– Technische Grenzen}}

== Umweltschutz ==
Zu Beginn der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen wurde den Umweltschutzaspekten recht wenig Beachtung geschenkt. Vor allem im [[Silicon Valley]] kam es in den späten 1960er- und frühen 1970er-Jahren zu großflächigen Grundwasserverschmutzungen. Diese Vorfälle brachten erstmals die Kehrseite einer bislang als besonders fortschrittlich geltenden Industrie zum Vorschein.

In der Tat werden im Zusammenhang mit der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente umweltgefährdende Substanzen produziert, eingesetzt und emittiert. Hierzu zählen u.&nbsp;a. zahlreiche Schwer- und Halbmetalle, ozonschichtzerstörende Substanzen und Treibhausgase.
Rückstände fallen&nbsp;– ggf. in umgewandelter und vermischter Form&nbsp;– als Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase an. Viele der Einsatzstoffe werden aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht recycelt.

Seit Mitte der 1980er-Jahre traten in vielen Industrieländern gesetzliche Regeln in Kraft, die die Industrie veranlasst haben, Maßnahmen zur lokalen Reduzierung des Umweltgefährdungspotentials zu implementieren. In den Boomregionen Asiens werden Umweltschutzaspekte jedoch oft ökonomischen Interessen untergeordnet. Freiwillige Regularien wie die seit Mitte der 1990er-Jahre einsetzende internationale Standardisierung z.&nbsp;B. nach [[ISO 14001]] (''Environmental Management Systems'') greifen dort naturgemäß wenig, solange sie nicht von nationalem Recht unterstützt werden.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Mikroelektronik|Halbleiter}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* [https://www.halbleiter.org/ www.halbleiter.org] – Grundlagen der Halbleitertechnologie
* [https://halbleiter-scout.de/halbleitertechnologie/aufbau-der-materie/ halbleiter-scout.de] – Halbleitertechnologie

[[Kategorie:Halbleitertechnik| ]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Technisches Fachgebiet]]
[[Kategorie:Ingenieurwissenschaftliches Fachgebiet]]