Japans Materialzulieferer bauen Kapazitäten für die Nachfrage nach 2-nm-Chips aus

Ein neues Rennen um 2 nm und die Bedeutung der Materialien

Japans Entwickler von Halbleitermaterialien bauen ihre Kapazitäten aus, während globale Chiphersteller auf die Massenproduktion von 2-nm-Logikchips hinarbeiten. Der Wettlauf um kleinere Strukturen wird von der Nachfrage aus den Bereichen künstliche Intelligenz, Hochleistungsrechnen und fortschrittliche Fahrzeugsysteme angetrieben. Materialien bilden das unsichtbare Rückgrat dieses Wandels. Jede Wafer, jeder Fotolack, jedes Lösungsmittel, Gas, jeder Klebstoff und jedes Harz muss engere Toleranzen, höhere Reinheitsstandards und eine strengere Gleichmäßigkeit erfüllen als bei früheren Technologieknoten. Hier sehen japanische Zulieferer, die seit Langem für Qualität und Präzision geschätzt werden, eine Chance zu wachsen.

Bei 2 nm setzen führende Chiphersteller auf Gate-all-around-Transistoren (GAA) und komplexere Chiparchitekturen. GAA verbessert die Kontrolle des Stromflusses in Transistoren und trägt so dazu bei, Leckströme und Stromverbrauch auf sehr kleinem Raum zu senken. Diese Designs erfordern Fotolackchemikalien für die Extrem-Ultraviolettlithografie (EUV), hochreine Säuren und Lösungsmittel, extrem plane Siliziumwafer und spezialisierte Verpackungsmaterialien. Jeder Prozessschritt hat enge Prozessfenster, weshalb eine gleichbleibende Materialleistung ein entscheidender Faktor für die Ausbeute ist.

Die Investitionen japanischer Zulieferer zielen auf diesen Wendepunkt. Tokyo Ohka Kogyo plant nahe Seoul einen neuen Komplex für Fotolacke und hochreine Chemikalien, um führende Foundries in Asien zu beliefern. Adeka modernisiert Anlagen für fortschrittliche Halbleiterchemikalien. Die Waferhersteller Shin-Etsu Chemical und SUMCO, die zusammen einen großen Teil der 300-mm-Siliziumwafer liefern, passen ihre Substrate an die höhere Ebenheit und geringere Defektdichte an, die für die Strukturierung bei 2 nm erforderlich sind. Zugleich steigt die Nachfrage nach Verpackungsmaterialien, da Chiphersteller Prozessoren und Speicher mit hoher Bandbreite für KI-Systeme in dichten Konfigurationen verbinden. Diese Schritte entsprechen dem Zeitplan der Branche: TSMC, Samsung und Intel treiben neue Technologieknoten voran, während Japans Rapidus noch in diesem Jahrzehnt eine 2-nm-Fertigung im Inland aufbauen will.

Wer investiert und wo die Kapazitäten wachsen

Die Investitionen japanischer Materialhersteller erstrecken sich auf die Front-End- und Back-End-Prozesse der Chipfertigung. Kurzfristig sollen sie die erste Welle der 2-nm-Produktion in ausländischen Foundries beliefern und zugleich die neue Inlandsnachfrage durch Rapidus und andere Projekte in Japan vorbereiten. Die Investitionen spiegeln einen umfassenderen Kurswechsel des Landes wider: Japan will seine zentrale Rolle bei fortschrittlichen Halbleitern zurückgewinnen, indem es sich auf seine Stärken konzentriert, insbesondere auf Materialien und Anlagen.

Fotolacke und hochreine Chemikalien

Tokyo Ohka Kogyo, ein weltweit führender Hersteller von Fotolacken, plant nahe Seoul einen neuen Standort mit einer EUV-Fotolackfabrik und einer Anlage für hochreine Chemikalien. Bei der EUV-Belichtung kommt Licht mit einer sehr kurzen Wellenlänge zum Einsatz. Der Fotolack muss daher eine hohe Empfindlichkeit mit geringer Linienkantenrauheit und minimaler Verunreinigung verbinden. Die Prozesssteuerung lässt bei 2 nm kaum Spielraum, was die Anforderungen an die Fotolackformulierung und die Nachbehandlung erhöht. Unternehmen bauen auch ihre Kapazitäten für Entwickler, Stripper und Reinigungschemikalien aus, denn jeder zusätzliche Spülschritt und jedes Spurenelement eines Metalls kann die Bauteilleistung beeinträchtigen.

Wafer, Slurrys und Spezialgase

Shin-Etsu Chemical und SUMCO liefern einen großen Teil der weltweit verwendeten 300-mm-Wafer. Ihre Produkte bilden die Grundlage für die Lithografiepräzision bei fortschrittlichen Technologieknoten. Bei 2 nm müssen Ebenheit, Partikelkontrolle und Kristallperfektion erneut verbessert werden, sowohl für die Strukturierung im Front End als auch für untersuchte Rückseitenprozesse. Verbrauchsmaterialien wie Slurrys für das chemisch-mechanische Polieren werden parallel weiterentwickelt, um auch bei dichteren Strukturen gleichmäßige Abtragsraten zu erzielen. Spezialgase für Abscheidung und Ätzen müssen ebenfalls noch reiner sein, damit keine Wechselwirkungen die GAA-Strukturen beeinträchtigen.

Verpackungsmaterialien rücken ins Zentrum

Mit steigender Chip-Leistung und Speicherbandbreite wird die fortschrittliche Chipverpackung zu einem wichtigen Leistungsfaktor. Japanische Unternehmen wie Ajinomoto Fine-Techno (bekannt für ABF-Aufbauschichten), Resonac, Nissan Chemical, Sumitomo Bakelite und Namics bauen ihre Kapazitäten für Underfills, Verkapselungsmaterialien, temporäre Bonding-Klebstoffe und Verzugskontrollharze aus. Die Kooperation JOINT2, an der Materialspezialisten, Rapidus und Japans Leading-Edge Semiconductor Technology Center beteiligt sind, arbeitet an 3D-Verpackungsprozessen, die Chips präzise ausrichten und thermisch stabil halten. Präzisionsanlagen japanischer Ausrüster unterstützen diesen Wandel. Damit wird die Chipverpackung sowohl zu einer Materialherausforderung als auch zu einer Ingenieurdisziplin.

Die Herausforderungen bei 2 nm

Der Sprung von den heutigen führenden Technologieknoten zu 2 nm bedeutet nicht einfach ein kleineres Raster. GAA verändert die Geometrie von Transistoren, indem das Gate nanoskalige Schichten oder Nanodrähte umschließt. Das verbessert die Gate-Steuerung und trägt dazu bei, die Leistung bei sehr kleinen Abmessungen aufrechtzuerhalten. Zugleich erfordert es eine sorgfältige Auswahl von High-k-Dielektrika, Metall-Gates und Metallen zur Einstellung der Austrittsarbeit sowie eine besonders anspruchsvolle Reinraumumgebung. Jede Spur einer Verunreinigung kann Schwellenspannungen verändern oder Leckstrompfade verursachen.

Ein weiterer Pfeiler ist die EUV-Lithografie. Strukturen bei 2 nm erfordern komplexere Mehrfachstrukturierungsschritte, und kommende EUV-Anlagen mit hoher numerischer Apertur werden die Auflösung weiter steigern. Damit steigen die Anforderungen an die Fotolackchemie, die Ausheizrezepte nach der Belichtung und die Defektprüfung. Fotolacke müssen Empfindlichkeit, Auflösung und Rauheit in Einklang bringen und zugleich zufällige Defekte minimieren. Die Lösungsmittel und Spülchemikalien für diese Fotolacke dürfen die empfindlichen Strukturen weder ätzen noch aufquellen lassen.

Die Chipverpackung ist inzwischen eine grundlegende Designentscheidung. KI-Beschleuniger kombinieren Rechenchips mit Stapeln von Speicher mit hoher Bandbreite mithilfe von 2,5D- und 3D-Techniken. Interposer, Mikrob bumps, Kupfersäulen und Through-Silicon-Vias stellen neue Anforderungen an Klebstoffe, Die-Attach-Folien und Wärmeleitmaterialien. Diese Werkstoffe kontrollieren Spannungen, verringern Verzug und leiten Wärme aus dicht gepackten Baugruppen ab. Die Leistungsziele bei 2 nm sind ohne zuverlässige Verpackungsmaterialien, die Temperaturwechseln und langen Einsatzzeiten standhalten, nicht zu erreichen.

Rapidus, staatliche Unterstützung und das heimische Ökosystem

Rapidus steht im Zentrum von Japans Plan, 2-nm-Chips im Inland herzustellen. Das Unternehmen begann im April 2025 in Chitose auf Hokkaido mit der Pilotproduktion und hat gemeinsam mit Partnern zentrale Elemente von 2-nm-GAA-Bauelementen demonstriert. Nach Prototypenläufen will es Kundenmuster liefern und 2027 die Massenproduktion aufnehmen. Die Regierung hat mehr als 1,7 Billionen Yen Unterstützung zugesagt und neue Mechanismen für Investitionen und Kreditgarantien geschaffen. Die Politik hat zudem Schutzmaßnahmen angestrebt, darunter an öffentliche Fördermittel geknüpfte Auflagen zum Schutz wichtiger Technologien und zur Unternehmensführung.

Rapidus-Präsident Atsuyoshi Koike hat die Größenordnung der Aufgabe klar beschrieben. Als entscheidende Hürden auf dem Weg zu einer stabilen Produktion in großen Stückzahlen nannte er das Lernen, die Ausbeute zu steigern, und die Zuverlässigkeit.

Die Entwicklung von Technologien für die Massenproduktion ist äußerst schwierig. Die Ausbeute zu bestätigen und die Zuverlässigkeit sicherzustellen, sind dabei große Hürden.

Es geht um mehr als ein einzelnes Unternehmen. Wenn Japan keine führende Logikchip-Produktion im Land verankern kann, steigt das Risiko, dass Anlagen- und Materialzulieferer ihre Kapazitäten ins Ausland verlagern, um ihren Kunden zu folgen. Deshalb ist Rapidus als Plattform für das breitere Ökosystem angelegt, mit gemeinsamer Entwicklung in den Bereichen Materialien, Messtechnik, Lithografie und Verpackung. Das Unternehmen erprobt einen Einzelwafer- oder Batch-Prozessablauf, um Rückmeldungen zu beschleunigen und Lernzyklen zu verkürzen. Außerdem verfolgt es einen integrierten Front-End- und Back-End-Ansatz, der kürzere Lieferzeiten für Kunden in Nischenmärkten ermöglichen soll.

Fachkräfte bleiben ein Engpass. Rapidus hat Ingenieure zu Partnerlaboren entsandt, damit sie fortschrittliche Prozesse kennenlernen, und stellt zugleich im In- und Ausland Personal ein. Materialunternehmen gehen ähnlich vor: Sie bauen Teams in der Nähe von Kundenfabriken in Japan und Korea auf, um schnelle Versuche und Anpassungen vor Ort zu unterstützen.

Globale Unternehmen in Japan und die Nachfrage bei heimischen Zulieferern

Der Aufschwung bei Materialien in Japan hängt mit neuen Produktionsstandorten im Land zusammen. Die Tochtergesellschaft von TSMC in Kumamoto erweitert ihren Standort um ein zweites Werk, wodurch der regionale Bedarf an Wafern, Chemikalien und Fotolacken steigt. Der lokale Einkauf verkürzt Lieferzeiten und verbessert die Qualitätskontrolle, was beim Hochlauf neuer Technologieknoten von Vorteil ist.

Auch Samsung baut seine Präsenz aus. Das Unternehmen plant, in Yokohama ein Forschungszentrum für fortschrittliche Chipverpackung zu eröffnen, um die Verbindung von Prozessoren und Speicher für KI-Anwendungen zu verbessern. Das Labor wird mit japanischen Material- und Anlagenzulieferern sowie Universitäten zusammenarbeiten und so die Verbindung zwischen Forschung, Pilotlinien und kommerzieller Produktion stärken. Für Verpackungsspezialisten wie Namics und Resonac bietet die Nähe zum Forschungs- und Entwicklungsprogramm eines großen Kunden einen direkten Weg, gemeinsam Underfills der nächsten Generation, Die-Attach-Folien und verzugsarme Harze zu entwickeln.

Diese Investitionen machen Japan zu einem stärkeren Zentrum für fortschrittliche Materialien, auch wenn die eigentliche 2-nm-Waferproduktion weiterhin in mehreren Regionen stattfindet. Globale Foundries werden weiterhin auf japanische Wafer, Fotolacke und Verbrauchsmaterialien angewiesen sein. Die Kombination aus Nachfrage aus dem Ausland und neuen Ankerprojekten im Inland schafft für lokale Zulieferer eine breitere Kundenbasis.

Was 2 nm für KI, Autos und den Energieverbrauch bedeutet

KI-Trainings- und Inferenzlasten bringen Rechenzentren an die Grenzen ihrer Stromversorgung und Kühlung. 2-nm-Chips sollen in Kombination mit fortschrittlicher Chipverpackung und Speicher mit hoher Bandbreite mehr Berechnungen pro Watt ermöglichen. Das könnte die Stromkosten und CO₂-Bilanzen von Cloud-Anbietern senken und zugleich größere Modelle und schnellere Inferenz für Nutzer ermöglichen. In Edge-Geräten sorgt eine höhere Effizienz für mehr Intelligenz direkt auf Robotern, Industriesystemen, Wearables und Haushaltselektronik.

Automobilhersteller benötigen zuverlässige Rechenleistung für Fahrassistenzsysteme und künftige autonome Funktionen. Außerdem müssen sie Chips einsetzen, die Temperaturschwankungen und lange Lebenszyklen überstehen. Verpackungs- und Verbindungsmaterialien spielen für diese Zuverlässigkeit eine zentrale Rolle. Die breitere japanische Industrie, darunter Autohersteller und Elektronikunternehmen, verfolgt die Fortschritte bei 2 nm aufmerksam, denn ein heimischer Zugang zu führenden Logikchips kann die gemeinsame Entwicklung beschleunigen und Lieferwege verkürzen.

Für nationale Prioritäten in Bereichen wie Kommunikation, Gesundheitswesen und Verteidigung stärkt 2-nm-Kapazität die Resilienz. Wenn kritische Rechenleistung aus mehr als einer Region verfügbar ist, können Systemhersteller ihre Bezugsquellen diversifizieren. Japans Spezialisierung auf Materialien verschafft dem Land in diesem Modell mit mehreren Produktionsregionen Einfluss.

Risiken, Engpässe und Reaktionen der Zulieferer

Der Schritt zu 2 nm bringt bekannte Risiken mit sich. Beim Hochlauf neuer Technologieknoten kommt es häufig zu Schwankungen bei der Ausbeute, Engpässen bei wichtigen Anlagen und Kostendruck. EUV-Anlagen mit hoher numerischer Apertur und die dazugehörigen Fotolackstapel müssen stabile Produktionsrezepte erreichen. Die Sicherung einer ausreichenden Zahl qualifizierter Ingenieure ist eine branchenweite Herausforderung, und der Wettbewerb um Fachkräfte ist intensiv. Auch die Finanzierung ist ein Faktor. Der Aufbau einer vollständigen 2-nm-Produktionskette erfordert Investitionen in Billionenhöhe in Yen, sodass über mehrere Jahre eine Kombination aus staatlicher Unterstützung und privaten Investitionen nötig sein wird.

Materialunternehmen reagieren mit einigen klaren Maßnahmen. Sie errichten Produktionskapazitäten nahe den Kundenfabriken in Asien und Japan, um schnelle Versuche und Just-in-time-Lieferungen zu unterstützen. Sie investieren in umweltfreundlichere Chemikalien, Rückgewinnungssysteme und Wasseraufbereitung, um Umweltstandards zu erfüllen. Viele vertiefen ihre Forschungspartnerschaften mit Universitäten und Forschungs- und Entwicklungszentren, um Anpassungen an Formulierungen für EUV-Fotolacke, Folien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und wärmeleitende Verpackungswerkstoffe zu beschleunigen. Einige Zulieferer prüfen Gemeinschaftsunternehmen, um die Risiken teurer Anlagen zu teilen.

Der Wettbewerb bleibt global. Chinesische Foundries bauen ihre Kapazitäten bei ausgereiften Technologieknoten aus und könnten die Materialpreise und Lieferstrukturen beeinflussen. Bei fortschrittlichen Technologieknoten setzen TSMC, Samsung und Intel die Prozessstandards, die Materialzulieferer erfüllen müssen. Unternehmen, die gleichbleibende Qualität im großen Maßstab nachweisen und ihren Kunden helfen können, Defekte und Schwankungen zu verringern, werden Marktanteile gewinnen.

Ausblick auf Japans Führungsrolle bei Materialien

Japan will seine Stellung in der Halbleiterbranche wieder stärken, indem es jene Ebenen der Wertschöpfungskette besetzt, in denen das Land besonders stark ist. Materialien stehen dabei im Mittelpunkt. Mit dem Kapazitätsausbau bei Tokyo Ohka Kogyo, Adeka, Shin-Etsu, SUMCO, Ajinomoto Fine-Techno, Resonac, Namics und weiteren Unternehmen ist das Land gut aufgestellt, um die erste Welle von 2-nm-Fabriken im Ausland und neue Kapazitäten im Inland zu unterstützen. Die staatlichen Ziele für den heimischen Halbleiterumsatz bis 2030 setzen Fortschritte an beiden Fronten voraus. Forschungsallianzen und Subventionen sollen helfen, bestehende Lücken zu schließen.

Zu den wichtigen Meilensteinen zählen der Reifegrad der Rapidus-Prototypen und erste Gespräche mit Kunden, neue Lieferungen von EUV-Fotolacken und hochreinen Chemikalien für Anlagen mit hoher numerischer Apertur, Fortschritte bei 3D-Verpackungsharzen und -klebstoffen im Rahmen von JOINT2 sowie der Baufortschritt bei der Erweiterung von TSMC in Kumamoto und Samsungs Verpackungsstandort in Yokohama. All dies deutet auf eine stärkere Nachfrage nach japanischen Materialien hin.

Japans Rolle bei 2 nm wird nicht von einer einzelnen Fabrik abhängen. Entscheidend ist die Zuverlässigkeit seines Materialökosystems bei Wafern, Chemikalien und Chipverpackung. Wenn Zulieferer die Qualität aufrechterhalten und gemeinsam mit Kunden Innovationen vorantreiben, können sie in der nächsten Phase der Chipfertigung unverzichtbar werden.

Wichtige Punkte

• Japanische Materialzulieferer erhöhen ihre Investitionen, um die 2-nm-Chipproduktion zu unterstützen. Sie richten sich dabei sowohl an ausländische Foundries als auch an neue Projekte in Japan.
• Tokyo Ohka Kogyo plant nahe Seoul einen neuen Komplex für EUV-Fotolacke und hochreine Chemikalien, während Adeka Anlagen für fortschrittliche Chipchemikalien modernisiert.
• Shin-Etsu Chemical und SUMCO, die zusammen einen großen Anteil am globalen Markt für 300-mm-Wafer halten, passen ihre Substrate an die engeren Toleranzen bei 2 nm an.
• Verpackungsmaterialien sind ein Wachstumsbereich: Ajinomoto Fine-Techno, Resonac, Sumitomo Bakelite, Namics und andere investieren in Underfills, Klebstoffe und verzugsarme Harze.
• Die Kooperation JOINT2 bringt Materialunternehmen mit Rapidus und dem Leading-Edge Semiconductor Technology Center zusammen, um die 3D-Verpackung von Chips für das KI-Zeitalter voranzubringen.
• Rapidus begann 2025 mit der Pilotproduktion und strebt 2027 die Massenproduktion an. Das Unternehmen wird mit mehr als 1,7 Billionen Yen öffentlichen Mitteln unterstützt; zugleich gelten Maßnahmen zum Schutz wichtiger Technologien.
• TSMC baut seinen Standort in Kumamoto aus, und Samsung plant ein Forschungs- und Entwicklungszentrum für Chipverpackung in Yokohama. Dadurch steigt die lokale Nachfrage nach japanischen Materialien und Anlagen.
• 2 nm erfordern GAA-Transistoren, Fortschritte bei EUV-Fotolacken und extreme Reinheit in jedem Prozessschritt. Damit steigen die Anforderungen an die Materialkonsistenz und Defektkontrolle.
• Zu den Risiken zählen das Lernen, die Ausbeute zu steigern, die Verfügbarkeit von Anlagen, der Fachkräftemangel und der Finanzierungsbedarf. Zulieferer reagieren mit lokalen Kapazitäten, umweltfreundlicheren Prozessen und engeren Forschungs- und Entwicklungskooperationen.