Halbleiter-Lieferkette

Abbau von hochreinem Quarzsand durch Hurrikan Helene eingeschränkt

Hurrikan Helene hat in den USA für schwere Schäden gesorgt und die USA vermelden sogar 210 Tote durch den Tropensturm. Schwer sind auch die Schäden in der US-Ortschaft Spruce Pine in den Blue Ridge Mountains im Bundesstaat North Carolina. Wichtig ist dieser Ort in der Halbleiterfertigung, weil hier hochreiner Naturquarz abgebaut wird. Die Unternehmen Sibelco und The Quartz Corp betreiben hier nicht nur Abbauanlagen, sondern auch solche zur Aufbereitung.

Quarz kommt zunächst als Rohstoff in der Herstellung von poly- und monokristallinen Siliziumwafern zum Einsatz. Inzwischen wird in der Halbleiter- und der Photovoltaikindustrie fast ausschließlich monokristallines Silizium verwendet. Der Marktanteil für monokristallines Silizium in der PV-Industrie liegt bei 97 %. Die monokristallinen Wafer sind auch das Ausgangsmaterial in der Chipherstellung, allerdings stellt diese besondere Anforderungen an die Reinheit des Siliziums. Die Herstellung der Ingots (zu deutsch Stäbe) aus hochreinem monokristallinem Silizium findet meist nicht in direkter Nähe zu den Rohstoffvorräten statt, sondern der Quarz wird vor Ort nur aufbereitet. Die größten Hersteller für Wafer sitzen in Japan (Shin-Etsu und Sumco), Südkorea (SK Siltron), den USA (GlobalWafers) und Deutschland (Siltronic).

Zur Produktion von 1 t Rohsilizium werden zwischen 2,5 und 3 t an Quarz benötigt. Die Herstellung im Czochralski-Verfahren benötigt sehr viel Energie und daher befinden sich die Herstellungsanlagen meist auch in direkter Nähe zu günstigen Energiequellen. Damit seit Jahren zu kämpfen hat unter anderem der deutsche Hersteller Siltronic, der immer wieder auf Gegenmaßnahmen seitens der Politik pocht.

Im Zusammenhang mit dem Abbau in Spruce Pine und dessen Unterbrechung durch die Zerstörung der Infrastruktur durch Hurrikan Helene besonders wichtig ist das womögliche Fehlen von hochreinem Quarz aus dieser Quelle. Das hochreine Quarz (> 99,997 % SiO2 bzw. < 50 ppm Verunreinigungen) wird für die Herstellung der inneren von drei Schichten der Schmelztiegel zur Herstellung von monokristallinem Silizium nach dem Czochralski-Verfahren verwendet (Quelle: Deutsche Rohstoffagentur, PDF).

Die meisten Hersteller des hochreinen Quarzes beziehen das Rohmaterial zwar aus Spruce Pine, einer der größten Hersteller, Jiangsu Pacific Quartz Co. Ltd., allerdings auch aus Indien. Somit gibt es hier eine gewisse Diversität in der Rohstoffgewinnung. Ob es bei einem monatelangen Ausfall der Abbaus in Spruce Pine zu Problemen in der Lieferkette kommt, ist demnach ungewiss, aber wohl eher unwahrscheinlich. Vom Abbau über die Aufbereitung bis hin zur Fertigung des reinen Silizium-Ingots dauert es mehrere Monate. Es dürfte genügend Puffer in den Ausgangsmaterialen in den einzelnen Schritten geben. Sichergestellt ist dies aber nicht.

Synthetischer hochreiner Quarz ist noch keine echte Alternative

Doch auch wenn die Lieferkette zumindest kurzfristig nicht gefährdet sein soll, so ist hochreiner Quarz eine kritische Komponente in der Wafer- und damit Chip-Herstellung. Mehrere Firmen forschen daher an der Herstellung von synthetischem und hochreinen Quarz bzw. ganzen Schmelztiegeln, die entsprechend beschichtet sind.

Allerdings ist synthetischer Quarz wesentlich teurer als selbst der hochreinste Naturquarz und die Tiegel nur aus synthetischem Quarz sind bei hohen Temperaturen instabil, was zu Problemen in der Herstellung der Silizium-Ingots führt. Der deutsche Hersteller Siltronic AG gibt aber dennoch an, dass heute Tiegel vorwiegend aus Naturquarz, aber wahlweise auch schon künstlichem Quarz zum Einsatz kommen.