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Verlagsspezial

: Wie winzige Teile die Welt verändern

Neue Anforderungen: Für die weltweite Digitalisierung werden immer leistungsfähigere Mikrochips benötigt. Hier forscht zum Beispiel das Unternehmen Zeiss im Bereich der EUV-Lithographie, bei der extrem ultraviolette Strahlung eingesetzt wird. Bild: ZEISS

Kein Ende der Fahnenstange bei der Miniaturisierung in Sicht: In Optik, Elektronik und Mikrotechnik wird weiter erfolgreich an der Verkleinerung von Bauteilen gearbeitet.

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          Die Mondlandung im Jahr 1969 war ein historischer Augenblick. Ausgestattet waren die Computer in Kapsel und Landefähre der Apollo-11-Mission mit einem Arbeitsspeicher von jeweils etwa vier Kilobyte. Der Rechner, mit dem dieser Text erstellt wurde, hat acht Gigabyte – das ist das Zweimillionenfache des Apollocomputers, der zudem noch 30 Kilogramm wog. Aber nicht nur das Speichervolumen hat sich massiv erhöht, sondern auch die Rechenleistung pro Sekunde, die inzwischen das Zigtausendfache beträgt.

          Die Entwicklung bei der Rechenkraft von Prozessoren folgt dabei dem sogenannten Mooreschen Gesetz, dem zufolge sich alle zwei Jahre durch die Verdopplung von Transistoren auf dem Chip die Leistung verdoppelt und die Kosten gleichzeitig halbieren. Auf dieses Gesetz führt auch Dr. Karl Lamprecht, Mitglied im Vorstand von ZEISS und Leiter des Unternehmensbereichs Semiconductor Manufacturing Technology (SMT), das „phänomenale Wachstum der Halbleiterindustrie“ zurück. Die Zeiss SMT mit Hauptsitz in Oberkochen erwirtschaftete im Geschäftsjahr 2016/2017 einen Umsatz von 1,2 Milliarden Euro und beschäftigte 2900 Mitarbeiter. Der Bereich entwickelt und fertigt unter anderem Lithographie-Optiken, die für die Herstellung von Mikrochips benötigt werden. „Zusammen mit unserem Partner ASML sind wir Technologie- und Marktführer im Ausrüstungsmarkt für Fabriken zur Halbleiterfertigung“, sagt Lamprecht und ergänzt: „Ein Großteil aller Mikrochips, die in elektronischen Endgeräten verbaut sind, wird mit unseren Technologien hergestellt." Dank der in Oberkochen hergestellten Lithographie-Optiken könnten Chiphersteller weltweit ihre Wafer, das sind Siliziumscheiben als Grundplatten für die Schaltungen, mit Nanometer-Präzision belichten – „die Basis für die Fertigung von extrem leistungsfähigen Mikrochips“.

          Immer leistungsfähigere Chips

          Zur Veranschaulichung führt Lamprecht einen Vergleich an: „Sie wollen sehr viel Text auf einem kleinen Stück Papier unterbringen. Um das zu schaffen, brauchen Sie einen sehr feinen Stift. Übertragen auf die Geschichte der Lithographie, bedeutet das: Wir haben zunächst Optiken entwickelt, die heute wie ein breiter Textmarker wirken. Mit weiteren Produktgenerationen wurde dieser Stift immer feiner. EUV-Lithographie-Optiken sind der feinste Stift, den wir heute herstellen können – sie zeichnen Strukturen von weniger als 20 Nanometern.“ EUV steht hierbei für „extreme ultra violet“ – Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern. Derzeit entstehe noch ein Großteil aller Mikrochips weltweit mit Scannern, die mit Optiken mit einer Wellenlänge von 193 Nanometern ausgestattet sind. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter – damit arbeitet die Nanotechnologie mit Strukturen, die 80.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares sind.

          Aus Sicht des SMT-Chefs werden „Ende dieses Jahrzehnts die ersten technologischen Anwendungen auf den Markt kommen, die mit EUV-Optiken belichtete Mikrochips enthalte..“ Dieses Halbleiterfertigungs-Equipment mache die weltweite Digitalisierung erst möglich. Lamprecht prognostiziert: „Ob Internet der Dinge, Künstliche Intelligenz, autonomes Fahren, Big Data oder noch ganz andere Entwicklungen, die wir uns heute noch nicht vorstellen können – sie werden von den immer leistungsfähigeren Chips profitieren.“

          Großes beginnt oft im Kleinen

          Auch am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe wird an der Technik der Zukunft gewerkelt. Holger Kapels arbeitet dort gemeinsam mit seinem Team daran, elektronische Leistungshalbleiterbauelemente deutlich zu verkleinern. Sein Beispiel zeigt ebenfalls: Wenn sich in Zukunft große Dinge ändern, beginnt es oft im Kleinen – Beispiel Elektromobilität. „Unser Ziel ist, dass Schaltelemente weniger Verlustenergie pro Schaltvorgang erreichen, und hierfür benötigen wir neue Materialien", so Kapels. So experimentiert er zurzeit mit Galliumnitrid als Basismaterial, da Galliumnitrid-Bauelemente eine geringere Abwärme erzeugen als vergleichbare Schalter aus dem heute verwendeten Silizium. Mit dem neuen Material lässt sich die Schaltfrequenz steigern, was eine kompaktere Bauweise für Hochleistungsstromrichter erlaubt, wie sie für Elektroautos notwendig sind. Das angestrebte Ziel: eine Verkleinerung der elektronischen Bauelemente um den Faktor zehn gegenüber der aktuellen Größe – bei gleichen Eigenschaften.

          Die Entwicklung könnte der Technologie der Elektromobilität einen Schub geben. Denn „für Elektromobile ist eine hocheffiziente Stromversorgung extrem wichtig“, betont der Wissenschaftler, der auch als Professor für Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik an der Universität Kiel lehrt. Kapels denkt aber noch weiter: Auch das elektronische Fliegen rücke dann in den Bereich der Machbarkeit. Ein Ende der Miniaturisierung kann der Elektrotechniker bislang nicht erkennen: „Ich bin Wissenschaftler, und die Wissenschaft lebt immer wieder von neuen Ideen. Mit neuem Material lassen sich Grenzen wieder verschieben.“ Galliumnitrid könnte in Zukunft durch Galliumoxid oder auch Diamanten ersetzt werden. „Da gibt es noch viel Potential, ich sehe bislang keine Grenzen", so Kapels. Allerdings, schränkt er ein, würden diese Lösungen dann auch „immer teurer und komplexer“.

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