Halbleiterindustrie

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 (Outsourced Semiconductor Assembly and Test, dt. „ausgelagerte Halbleiter-Montage und -Test“).

In der Praxis sind häufig Mischformen der o. g. Unternehmen anzutreffen.

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.

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.

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
• Herstellung von Produktionsanlagen und Prozessmaterialien
• Front-End-Fertigung in der Halbleiterfabrik
• Back-End-Fertigung mit Assembly, Packaging und Test
• Integration der Halbleiter in elektronische Produkte

Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei nicht strikt. Unternehmen können mehrere Stufen gleichzeitig abdecken, während andere Unternehmen auf einzelne Tätigkeiten spezialisiert sind. Außerdem können Zwischenprodukte zwischen verschiedenen Unternehmen und Ländern weiterverarbeitet werden. Die OECD beschreibt die Halbleiterindustrie deshalb als stark fragmentierte und miteinander verflochtene Wertschöpfungskette.

Absatzmärkte

Die Halbleiterindustrie bedient nahezu alle Branchen, die auf Elektrik und Elektronik angewiesen sind. Auch lassen die Zahlen der Patentanmeldungen einen Einblick in die Halbleiterindustrie zu. Doch auch in erfolgreichen Wirtschaftszweigen kann es jedoch zu Krisen kommen.

Arbeitsmarkt

In der Halbleiterindustrie sind hochqualifizierte Fachkräfte gefragt. In Deutschland arbeiten (Stand 2023) insgesamt 70.000 Menschen im Silicon Saxony. Es werden rund 2.500 Unternehmen der Mikroelektronik zugeordnet. In den USA sind nach Angaben der Industrievertretung Semiconductor Industry Association (SIA) und dem Beratungsunternehmen Oxford Economics (Stand 2021) mehr als 277.000 Menschen direkt in der Branche tätig und 1,6 Millionen zusätzliche Arbeitsplätze wirken unterstützend. Die Halbleiterindustrie kreiert insgesamt über 26,5 Mio. sog. „Downstream Jobs“ in anderen Branchen wie der Computertechnologie, Telekommunikation usw.

Marktkennzahlen

Die Halbleiterindustrie ist eine Großindustrie. Die Gesamtumsätze aus Sicht der Vertreter der Industrie (Semiconductor Industry Association und World Semiconductor Trade Statistics) beliefen sich 2021 auf Rekordniveau. Es wurden 2021 ca. 1,15 Billionen Halbleiter im Wert von 555,9 Milliarden US-Dollar verkauft, beides sind neue Rekordwerte. Dazu zählen auch spezielle Halbleiterprodukte wie die Leistungshalbleiter, siehe dort.

Zum Vergleich im Jahr 1999 lag der Wert noch bei 149,4 Milliarden US-Dollar. 1982 lag der Wert bei 14,7 Milliarden US-Dollar.

Experten ordnen die Ausgaben für die Chip-Herstellung in Europa in den Jahren 2020 und 2021 auf unter 4 % zu den weltweiten Gesamtausgaben ein. Nach einem Einbruch der Verkaufszahlen (vgl. Chipkrise um 2023) schätzen Analysten den gesamten (globalen) Halbleitermarkt für 2025 auf rund 701 Mrd. US-Dollar, davon macht Europa rund 13 % aus. Analysten sagen eine „Billionen-Dollar-Industrie“ (1000 Milliarden) bis im Jahr 2030 voraus.

Zu den nationalen oder internationalen Vereinigungen und Verbänden zählen:

• Global Semiconductor Alliance (GSA)
• IEEE Electron Devices Society (EDS)
• Semiconductor Industry Association (SIA), USA
• Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI), International
  • Die Europäische Vertretung ist die European Semiconductor Industry Association (ESIA)

• Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik
• Silicon Saxony
• VDI/VDE Gesellschaft Mikroelektronik, Mikrosystem- und Feinwerktechnik (GMM)
• Verband der Elektro- und Digitalindustrie (ZVEI) Fachverband Electronic Components and Systems
• World Semiconductor Trade Statistics (WSTS)

Zwischen 2012 und 2021 vervielfachte sich das Abfallaufkommen sowie die gefährlichen Abfälle der Foundry-Zweige der Branche. Dagegen wird die Versorgung mit erneuerbaren Energien als bisher relevantester Faktor zur Reduktion von Umweltbelastungen und CO₂-Emissionen erachtet.

2000er und 2010er Jahre

Im Jahr 2015 wurde das von Gordon Moore aufgestellte Mooresche Gesetz der Halbleiterindustrie 50 Jahre alt. Die Halbleiterindustrie durchläuft seit jeher Veränderungen bei den Größen der Einsatzstoffe oder Wafer und der Integration der mikroelektronischen Schaltungen (ICs), wobei der Übergang zu 300 mm (12") der wohl Größte (technologisch und Kosten) bis dato ist. Siehe auch die Entwicklungen der Technologieknoten. Damit verbunden sind erhebliche Kosten für neue Halbleiterwerke.

Die Halbleiterindustrie wird von der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) bis 2017 sowie von ihrem Nachfolger, der International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), begleitet. Dabei spielen unzählige Innovationen eine Rolle, die Halbleiter weiter voranbringen – gleichzeitig wird die weitere Miniaturisierung zunehmend schwerer, wodurch das Mooresche Gesetz zunehmend herausgefordert wird.

2020er Jahre

Bereits seit den 2020er Jahren wird Halbleiterprodukten eine wirtschaftsstrategische und sicherheitskritische Bedeutung beigemessen. Dabei spielen der sich entwickelnde Taiwan-Konflikt und andere Veränderungen eine Rolle.

Im Jahr 2023 kam es zu Störungen der Lieferketten aufgrund eines Mangels an Halbleitern für Abnehmerindustrien, wie z. B. die Automobilindustrie. Man sprach auch von einer „Chipkrise“. Um das große Outsourcing und Offshoring der Halbleiterproduktion seit den 1990er Jahren (Globalisierung) teilweise rückgängig zu machen, wurde in den USA politisch der CHIPS and Science Act sowie von der Europäischen Union das Europäische Chip-Gesetz verabschiedet. Außerdem gründeten 27 Regionen aus zwölf EU-Mitgliedsstaaten eine Halbleiterallianz.

Seit Dezember 2025 schmieden einige Staaten unter der Initiative der Administration Trump II das pro-US-amerikanischen Bündnis Pax Silica. Siehe dazu auch die America First-Doktrin der Regierung Trump. Unter diesem politischen Vorhaben wird versucht, die Sicherung von Rohprodukten (wie Wafer und anderen Einsatzmaterialien), bis zur Fertigung von modernsten Halbleiterprodukten (wie Mikroprozessoren oder Grafikprozessoren), zu beeinflussen.

Im Sommer 2026 eröffnet Infineon im Silicon Saxony bei Dresden die neue „Smart Power Fab“. In dem Halbleiterwerk sollen Analog/Mixed-Signal-Chips und Leistungshalbleiter produziert werden. Die geplante Fab von Intel in Magdeburg wurde hingegen abgesagt.