Globalfoundries Dresden plant Großinvestition – Mikroelektronik in Sachsen weiter im Aufwind

Globalfoundries (GF) will bis 2030 die Kapazitäten in seiner Dresdner Fab von jetzt 800.000 auf dann 1,5 Mio. Waferstarts pro Jahr noch einmal nahezu verdoppeln. Das hat Manfred Horstmann, der Geschäftsführer von Globalfoundries Dresden, auf unsere Anfrage hin angekündigt. Wieviel das Unternehmen investiert und welche Subventionen es erwartet, wollte Horstmann allerdings mit Blick auf die Debatten nach dem jüngsten Schuldenbremse-Urteil aus Karlsruhe noch nicht mitteilen. Dem Handelsblatt zufolge hat GF-Konzernchef Tom Caulfield aber bereits acht Milliarden Dollar ins Spiel gebracht und eine Beihilfe-Quote wie bei TSMC gefordert. Er will demnach also wie TSMC die Hälfte der Gesamtinvestition – 4 Mrd. $ – vom Steuerzahler zugeschossen bekommen.

Diese Pläne dürften bereits heiß diskutierte Fragen erneut aufwärmen: Wieviel lassen sich Bund und Länder den Aufpäppel-Kurs für die deutsche Halbleiterindustrie noch kosten? Woher sollen die Fachkräfte, das Reinstwasser und die Energie für all diese neuen Fabs kommen? Der sächsische Hightech-Branchenverband ‚Silicon Saxony' hat deshalb schon mal gefordert, die Sonderförderprogramme für die Mikroelektronik zu verstetigen. „Die aktuelle Diskussion um Important Projects of Common European Interest hat die Notwendigkeit einer langfristigen strategischen Ausrichtung deutlich gemacht“, erklärte der Verein nach einem Chipindustrie-Gipfel von Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck (Grüne) mit Branchenvertretern sowie den Ministerpräsidenten von Sachsen und Baden-Württemberg, Michael Kretschmer (CDU) und Winfried Kretschmann (Grüne). „Die Forderung nach einer Strategie, die über den heutigen Stand hinausgeht, ist für den Erfolg dieser wichtigen Initiative von großer Bedeutung. Wir brauchen eine Strategie, die mindestens bis 2030, idealerweise bis 2035 reicht.“

Modellhafte Darstellung einer in einem Si-Wafer integrierten Mikrobatterie als Energieversorger im Projekt FKLIB

Kritische Abhängigkeiten vermeiden

Auch der sächsische Wirtschaftsminister Martin Dulig (SPD) steht hinter dieser Forderung: Es seien „sächsische Chipfabriken und Entwicklungszentren, die maßgeblich dazu beitragen, kritische Abhängigkeiten zu vermeiden und so die Souveränität Europas sichern“. Er verteidigte die hohen Subventionsquoten für TSMC & Co.: „Auch in Japan werden die Investitionen von Chipherstellern bis zur Hälfte staatlich gefördert.“

Mit Blick auf diese und weitere Ausbau- und Ansiedlungsprojekte haben die Sachsen bereits mehrere infrastrukturelle Vorlauf-Großprojekte aufgelegt. So will der regionale Versorger ‚Sachsenenergie' im Dresdner Elbtal die Wasserversorgung der Chipfabriken und aller anderen Verbraucher voneinander trennen und ein eigenes Industriewassernetz für die Halbleiterindustrie samt eigenem Elb-Wasserwerk aufbauen. Außerdem plant das kommunal geführte Unternehmen Investitionen in Höhe von rund 13 Mrd. € in neue Solaranlagen, Windkraftparks, bessere Wasser-, Strom- und Glasfasernetze und in die Fernwärme-Dekarbonisierung. Dies soll unter anderem die Energieversorgung für die ostsächsische Chipindustrie zukunftssicher machen. Nicht zuletzt konkretisieren sich auch immer mehr die Pläne, eine große Azubi-Schmiede eigens für Sachsens Mikroelektronik einzurichten. Dem Vernehmen nach soll sie mehrere Hundert Millionen Euro kosten, in der Lausitz entstehen und beteiligen wollen sich neben Infineon weitere Halbleiterkonzerne aus dem Großraum Dresden. Womöglich, so wird bereits gemunkelt, könnte auch Intel dort einen Teil seines Fachkräfte-Nachschubs für die geplanten Chipfabriken in Magdeburg decken.

Paneuropäische Mikroelektronik-Forschungsfabrik geplant

Die privatwirtschaftlichen Akteure sind indes nicht die Einzigen mit ambitionierten Ausbauplänen. So will beispielsweise das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) aus Dresden gemeinsam mit den Halbleiter-Großforschungszentren ‚Imec' in Belgien und ‚Cea-Leti' in Frankreich sowie weiteren Partnern für 850 Mio. € eine ‚Paneuropäische Plattform' für die Forschungsproduktion neuer Schaltkreise und Chiptechnologien aufbauen – einen Teil davon in Dresden und Chemnitz. Voraussetzung ist, dass EU, nationale und Landes-Regierungen dafür Chipgesetz-Fördergeld bereitstellen. Das hat IPMS-Chef Prof. Harald Schenk im neuen ‚Zentrum für fortgeschrittene CMOS-Technologien und Heterointegration Sachsen' in Dresden angekündigt.

Geplant ist demnach, die besten Forschungsreinräume in Europa zu einer Art virtueller Chip-Fabrik zusammenzuschließen, die alle Prozessschritte in der langen Mikroelektronik-Wertschöpfungskette abdeckt und auch neue Technologien entwickeln kann. Damit könnte Europa seine mangelnde Schlagkraft bei umfangreichen Entwicklungsvorhaben im Vergleich zu den großen Mikroelektronik-Konzernen in Amerika und Asien womöglich teilweise wettmachen. Ein ähnliches Konzept liegt bereits der ‚Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland' (FMD) zugrunde, die 2017 von der Fraunhofer-Gesellschaft und der Leibniz-Gemeinschaft initiiert wurde.

Das Geld für die ‚Paneuropäische Plattform' wollen die Partner im Zuge des ‚Europäischen Chipgesetzes' beantragen. Das läuft letztlich darauf hinaus, dass im Wesentlichen die jeweiligen nationalen und regionalen Regierungen diese Investitionen bezahlen sollen. Konkret für den Freistaat ist vorgesehen, neue Mikroelektronik-Anlagen für rund 80 bis 100 Mio. € anzuschaffen. In Sachsen wollen dann mehrere Fraunhofer-Institute mit diesen Zuschüssen ihre Entwicklungs-Reinräume aufrüsten. Dies soll unter anderem die europäischen Kompetenzen in der ‚Chiplet'-Technologie, der 3D-Kontaktiertechnik ‚Through silicon via' (TSV), in der ‚3D-Heterointegration' und speziell in der noch jungen ‚Quasimonolithischen Integration' (QMI) von Chip- und Sensorebenen stärken.

Im ehemaligen Plastic- Logic-Reinraum nahe der Fabs von Bosch, Jenoptik und künftig auch TSMC im Dresdner Norden installiert Fraunhofer bereits eine Mikroelektronik- Forschungsfabrik. Hier soll auch ein Teil der ‚paneuropäischen Plattform‘ entstehen

Fraunhofer-Institut Enas plant neuen Mikroelektronik-Reinraum

Dabei liegt der Fokus nicht allein auf der Halbleiter-Hochburg Dresden: Um die Forschungen an neuen Materialien, Prozessen, Zuverlässigkeitstests und Systemen für die Mikroelektronik zu stärken, will auch das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (Enas) in Chemnitz für 60 bis 70 Mio. € ein neues Reinraum-Technikum bauen und das hauseigene Zuverlässigkeits-Labor ausbauen. Das hat Enas-Chef Prof. Harald Kuhn angekündigt. Die neue Testchipfabrik soll 2026/27 betriebsbereit sein.

„Wir sind in den letzten Jahren stark gewachsen“
Prof. Harald Kuhn

Seit seiner Gründung im Jahr 2008 nutzt das Enas einen Reinraum, dessen Grundstruktur auf das Jahr 1979 zurückgeht. Dort haben die Fraunhofer-Ingenieure bisher Chip-Fertigungsanlagen und Testtechnik im Wert von rund 100 Millionen Euro installiert. Eine Modernisierung pressiert nun zunehmend, weil die sächsische Mikroelektronik wieder auf Wachstumskurs ist und die Technologiebreite zunimmt. Auch das Enas selbst hatte zuletzt deutlich zugelegt: Hatte das Institut im Jahr 2010 erst 91 Beschäftigte, sind es inzwischen 250. „Wir sind in den letzten Jahren stark gewachsen“, berichtete der Instituts-Chef. Aus all diesen Gründen möchte Kuhn einen moderneren Reinraum, in dem er neben bereits vorhandener Technik auch neuere Anlagen zum Beispiel für die Atomlagenabscheidung (ALD) installieren lassen will.

Derweil arbeitet das Laborteam auch an besseren Zuverlässigkeits-Tests für neue Schaltkreise. Mit innovativer Messtechnik aus dem Enas sollen Unternehmen wie Infineon oder Bosch künftig leichter Leistungselektronik mit Blick darauf analysieren können, welche Stromstärke und Spannungen sie aushält. Dabei will Enas insbesondere neue ‚Highpower'-Tests für Bipolartransistoren mit isolierter Tor-Elektrode (IGBTs) entwickeln, aber auch elektrische Zuverlässigkeitstests für Leistungselektronik aus den Hoffnungsträgern Galliumnitrid und Siliciumkarbid. „Wir werden die Testmöglichkeiten für diese Elektronik revolutionieren“, versprach Enas-Chef Kuhn.

Mit Kupfer beschichteter Wafer im Enas-Reinraum in Chemnitz

FCM baut Spezialhalbleiter-Zucht in Freiberg aus

Derweil wittern auch Nischen-Akteure der sächsischen Mikroelektronik im Zuge des ‚Europäischen Chipgesetzes' und der Ipcei-Programme Morgenluft. Beispielsweise will die ‚Freiberger Compound Materials' (FCM) mit Blick auf den starken Bedarf nach Funk-Chips und anderen Spezial-Schaltkreisen aus Verbindungs-Halbleitern künftig größere Chip-Scheiben (Wafer) aus Galliumarsenid mit 200 statt nur 150 mm Durchmesser züchten. Außerdem plant das Unternehmen aus Freiberg, in Zukunft größere Wafer aus Indium-Phosphor-Verbindungen (6 statt bisher 4 ″) sowie Galliumnitrid (4 statt 2 ″) anzubieten, die für blaue Laser, Leistungselektronik und Datenübertragungs-Bauelemente gebraucht werden. Das hat FCM-Technikchef Stefan Eichler angekündigt.

FCM will demnach diese Entwicklungsvorhaben als ‚Wichtige Projekte von gemeinsamem europäischen Interesse' (Ipcei) einstufen lassen und dafür Sondersubventionen von Bund und Land beantragt. „Das ist nicht zuletzt eine Frage der Resilienz in Europa“, begründete Stefan Eichler den Stellenwert dieser FCM-Pläne. Denn für viele Verbindungshalbleiter und deren Ausgangsstoffe gebe es nur ganz wenige Anbieter weltweit. Und die residieren bisher nicht unbedingt im EU-Raum. Ohnehin sind Wafer aus purem Galliumnitrid (statt bloß beschichteter Silicium-Wafer) noch rar gesät. Eben dieser Verbindungshalbleiter ist aber die Basis für besonders effiziente Leistungselektronik für Elektroautos, Ladestationen, Solar- und Windkraftanlagen.

Mit dem Umstieg auf die 200-mm-Technik wiederum würde FCM in Zukunft seinen Kunden auch Wafer in einer der beiden in der Chipindustrie üblichen Standard-Industriegrößen anbieten können. Zudem bedeuten größere Wafer auch mehr Ertrag pro Produktionsdurchlauf.

‚Scio' übernimmt Dresdner Chipwerk-Automatisierer ‚Fabmatics'

Bewegung kommt zudem in die Ausrüster-Landschaft für Sachsens Halbleitersparte: Der Frankenthaler Automatisierung-Konzern ‚Scio' kauft ‚Fabmatics' aus Dresden. Die Pfälzer wollen damit ihre Marktposition in der Chipfabrik-Automatisierung stärken. Die Fabmatics-Chefs wiederum wollen laut eigenem Bekunden der Dresdner Firma bessere Wachstums-Chancen in der Regie einer kapitalstarken neuen Muttergesellschaft eröffnen. Die Übernahme muss allerdings erst noch von den Wettbewerbshütern genehmigt werden.

Seit der Gründung 1991 habe sich Fabmatics „zu einem starken Player und Spezialisten in der Automatisierung der Halbleiterindustrie entwickelt“, betont Fabmatics-Mitgründer Steffen Pollack. Nun sei es Zeit für den nächsten Entwicklungsschritt. Den können oder wollen die Dresdner jedoch nicht allein gehen, sondern durch einen Verkauf an ein anderes Automatisierungsunternehmen.

Fabmatics und deren Vorgängerunternehmen hatten sich in der Branche vor allem einen Namen als Spezialist für die Nachautomatisierung älterer 200-mm-Chipfabriken gemacht. Mit ihren Sonder-Robotern und Ladesystemen sorgen sie unter anderem dafür, dass die in den 1990ern gebauten Infineon-Chipfabriken in Dresden bis heute als sehr wettbewerbsfähig gelten. Daran schlossen sich zahlreiche Aufträge weltweit an. Inzwischen beschäftigt Fabmatics rund 300 Menschen und erwirtschaftet jährlich rund 45 Mio. € Umsatz.

Mit speziellen Lade- und Transportrobotern nachautomatisiert Fabmatics Dresden ältere Chipwerke

Mikroakkus auf Waferebene für selbstgenügsame Schaltkreise

Während derzeit vor allem neue Ausbau- und Ansiedlungsprojekte in Sachsens Halbleiterszene für Schlagzeilen sorgen, so treiben derweil Ingenieure und Forscher aber auch ihre langfristigen Innovationsprojekte voran. Ein Beispiel sind die Helmholtz-Versuche, winzige Hochleistungs-Akkus direkt in Chips auf Waferebene zu integrieren. In diesem Zuge arbeiten das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Dresdner Fraunhofer-Zentrum Assid, die Bergakademie Freiberg und das Mikrointegrations-Fraunhoferinstitut IZM aus Berlin gemeinsam an den neuartigen Energiespeichern auf Festkörper-Lithium-Basis. Die sollen es perspektivisch ermöglichen, dass Agrar-Sensoren auf dem Felde, elektronisch aufgewertete Textilien oder Körperimplantate künftig ohne Stromkabel für ihre Energieversorgung auskommen.

1 Million mal mehr Speicherdichte durch Erbgut-Technologie

Ein weiteres vielversprechendes Projekt, das Mikroelektronik und Biologie verknüpft, nennt sich ‚Biosynth': Es zielt darauf, die enorme Speicherdichte von DNS-Erbgut-Molekülen auf technische Datenspeicher zu übertragen. Die Forschungspartner halten es im Prinzip für möglich, in einem Kubikmillimeter DNS eine Million Terabyte Daten zu speichern. Gelinge es, diese Prinzipien auf technische Systeme zu übertragen, könne dies die besten konventionellen Speicher um mindestens den Faktor eine Million übertreffen.

Beteiligt sind das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden, das Dresdner Photonikinstitut IPMS sowie weitere Partner aus Potsdam und Hannover. Die Verbundpartner wollen zusammen Mikrolabore in Chipgröße bauen, die mit hohem Tempo und zuverlässig Informationen als genetischen Code synthetisieren können. Möglich werden soll diese Miniaturisierung durch eine Kombination aus organischen Leuchtdioden, ultraschall-basierten Heizsystemen für die DNS-Synthese, Mikrofertigungstechnologien und Mikrofluidik. 2025 sollen erste Projektergebnisse vorliegen.

Die Farbschichten in diesem beispielhaften Mikromodell der Dresdner Frauenkirche stehen für die verschiedenen Kunststoffe, die der Multimaterial-3D-Druckkopf von Heteromerge verarbeiten kann

Zwei-Photonen-Polymerisation: 3D-Drucker werden multimaterial-fähig

Unterdessen hat die Dresdner Uni-Ausgründung ‚Heteromerge' damit begonnen, die ersten Prototypen seiner Multimaterial-3D-Drucker an internationale Kunden auszuliefern. 2024 wollen die Gründer die neuartigen ‚Merge One'-Druckköpfe für den Aufbau von Mikrostrukturen aus verschiedenen Werkstoffen dann in Serie fertigen. Dafür haben sie inzwischen auch frisches Kapital in einer Finanzierungsrunde eingesammelt.

„Wir konnten erste internationale Pilotkunden mit unserer Druckkopftechnologie beliefern“, berichtete Mitgründer und Firmenchef Robert Kirchner. Damit werde es möglich, „hocheffiziente Strukturen im Mikrometerbereich mit extrem präziser Positionierung der einzeln Materialbereiche im Nanometerbereich zueinander“ zu erzeugen – auch direkt auf Halbleiter-Scheiben (Wafern), die in Chipfabriken in weiteren Prozessschritten verarbeitet werden. „Neben der Markteinführung der ersten Generation bereiten wir bereits die nächste Generation unseres Druckkopfes vor.“

Die Spezialität des jungen Unternehmens ist ein besonderes 3D-Druck-Verfahren: die sogenannte ‚Zwei-Photonen-Polymerisation' (2PP) aus rasch wechselbaren Kunststoffen. Dabei setzen die Dresdner ein spezielles Multiphotonen-Mikroskop als 3D-Druckkopf ein. Dieser Kopf hängt in flüssigem Kunststoff und kann dann schichtweise mit ultravioletten Strahlen (UV) das Material in der gewünschten Form aushärten. Um eine neue Kunststoffart – zum Beispiel für die nächste Linsenebene – einzusetzen, wird die alte Flüssigkeit automatisch abgesaugt und durch anderen Flüssigkunststoff aus einer neu eingesteckten anderen Kassette ersetzt – und der Druckprozess kann weitergehen.

Als Einsatzfelder sehen die Dresdner unter anderem die Produktion von Mikrolinsen für Smartphones und ähnliche Kleinst-Optiken, von besonders patientenschonenden medizinischen Mikronadeln, Laseroptiken und dergleichen mehr. Denkbar wäre, damit zum Beispiel echte Miniatur-Teleobjektive in Handys zu integrieren.

Zur Person

Heiko Weckbrodt ist Journalist und Historiker. In Dresden betreibt er das Nachrichtenportal Oiger.de mit dem Fokus Wirtschaft, Wissenschaft und Innovationspolitik in Sachsen. Er verfasst aber auch Gastbeiträge für Zeitungen, Zeitschriften und ist Autor des Buches „Innovationspolitik in der DDR“.

Quellen:

Globalfoundries, Fraunhofer-IPMS, Enas, FEP, SMWA, HZDR, Oiger-Archiv, Heteromerge, Fabmatics, Handelsblatt