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Nanochips Immer kleiner, feiner, besser

Ein Chip, so groß wie ein Daumennagel, mit über drei Millionen Schaltern. Durch Nanotechnologie wird auch in der Chipproduktion möglich, was vor einigen Jahren noch unvorstellbar war. Die neuen Kleinststrukturen machen Mikroelektronik-Bauteile nicht nur leistungsfähiger, sondenr auch preiswerter.
  • Chris Löwer
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Die Bibel auf einem Sandkorn: Auf diesem Minichip ist die Heilige Schrift gespeichert. Quelle: ap

Die Bibel auf einem Sandkorn: Auf diesem Minichip ist die Heilige Schrift gespeichert.

(Foto: ap)

BERLIN. Alles wird kleiner – nur der Begriff bleibt und stiftet Verwirrung, weil er Größe vortäuscht: Mikroelektronik. „Die Abmessungen haben sich längst in den Nanometerbereich verschoben, als Bezeichnung hat sich aber Mikroelektronik durchgesetzt“, sagt Manfred Dietrich, Leiter der Unterabteilung Informations- und Kommunikationstechnologie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMF). Als Experte für Kleinteiliges verweist er darauf, dass heute ein gängiger Chip des deutschen Herstellers AMD etwa 45 Nanometer (nm) groß ist. Gleichzeitig zählen auch integrierte Schaltkreise zur Nanotechnologie, deren Größe unter hundert nm liegen.

„Die Strukturen in der Mikroelektronik wurden in den letzten Jahrzehnten immer kleiner. Dieser Trend wird sich fortsetzen, um eine noch höhere Leistung in noch kleineren Bauteilen zu erreichen“, sagt Dietrich. Der derzeitige Standard von 45 nm-Strukturen ist bereits unfassbar winzig, denn das ist 1 000-mal so fein wie ein menschliches Haar. Schon jetzt finden auf einem Daumennagel großen Chip drei Millionen Schalter, auch Transistoren genannt, Platz, wobei Dietrich eine Milliarde für machbar hält. Angaben, die ebenfalls von Chipherstellern zu hören sind.

Das stellt ganz neue Anforderungen an die Entwicklung und Produktion. Denn die Größenverhältnisse lassen sich auch so illustrieren: „Es wird mit Strukturen gearbeitet, die kleiner als die Lichtwellenlänge sind“, sagt Volker Klocke, Gründer und Chef der Firma Klocke Nanotechnik in Aachen. Das klingt abstrakt, bringt aber eine konkrete Schwierigkeit für die Produktion mit sich. Denn: Die Firma kann in der Fertigung und Testung nicht mehr mit Lichtmikroskopen arbeiten.

Daher hat Klocke ein spezielles Elektronenmikroskop entwickelt, mit dem etwa für automatisierte Messungen einzelne Transistoren gleichzeitig auf einem Wafer erkannt und gezielt Strom gemessen werden kann. Klocke hat somit das Elektronenmikroskop vom reinen Analysegerät zum materialbearbeitenden System erweitert. „In der Montage werden nun Werkzeuge wie im Labor benötigt. Aus der Miniaturisierung ergeben sich daher immer mehr Anforderungen“, sagt Klocke. „Doch der Aufwand lohnt, da wir damit Chips mit mehr Leistung bei weniger Stromverbrauch und sinkenden Produktionskosten produzieren können.“

Dabei sind nicht allein Konzerne Treiber der Entwicklung: „Gerade Mittelständler haben Anteil daran, die schnell und flexibel in kleinen Stückzahlen neue nanoelektronische Strukturen und Applikationen entwickeln können“, sagt Klocke. Meist geschieht dies im Auftrag großer Unternehmen oder als Kooperation, wobei oft auch Forschungsinstitute mit im Boot sind.

Die werden wiederum vom BMBF unterstützt, da die Bundesregierung in der Mikroelektronik eine Schlüsseltechnologie für den Standort Deutschland sieht. Daran zweifelt auch Ralf Zastrau nicht, Vorstandsvorsitzender der Nanogate AG aus Quierschied-Göttelborn bei Saarbrücken. „Nanostrukturen werden in der Optik und Elektronik eine immer größere Rolle spielen, denn der Trend zu immer mehr Informationsdichte und Speicherkapazität auf kleinem Raum bleibt“, sagt Zastrau. Daher wird Nanogate auch stärker auf diesen Feldern unterwegs sein.

„Allein, wo die Ausfallsicherheit eine größere Bedeutung als die Performance hat, etwa im Automotive- und Luftfahrtbereich, wird es nicht unbedingt zu einer weiteren Miniaturisierung kommen“, zieht Zastrau Grenzen. Ansonsten steuerten Entwickler auf den Quantenbereich zu. Überhaupt beobachtet der Nanogate-Chef, wie die Welten der Materialwissenschaften und Elektronik immer weiter verschmelzen. Das weite sich auf die Arbeit der Forschung und Entwicklung aus, die zudem stärker theoretische Modelle entwickeln müsse. Denn die Herausforderungen werden bei winzigen Strukturen immer größer.

Das weiß Volker Klocke nur zu gut. Der sieht das Ende der Miniaturisierung noch lang nicht gekommen, dafür aber das Ende der Konstruktion im Mikromaßstab. Selbst vermeintlich physikalische Beschränkungen hält er durch neue Konzepte für überwindbar. Denn so war es bisher immer, beispielsweise beim Sprung von 120 nm auf 90 nm Strukturbreite, als der Stromverbrauch der Chips unerwartet stieg - ein besseres Design hat den nachteiligen Effekt aus der Welt geräumt.

„Schon mehrfach wurde in den vergangenen 20 Jahrzehnten prognostiziert, dass sich nicht mehr Leistung aus kleineren und kostengünstigeren Prozessoren holen lässt. Es kam immer anders“, sagt Klocke. Forschung und Herstellung wüchsen immer weiter zusammen, da beides hochkomplexe Aufgaben für Spezialisten sind, die den gesamten Prozess zu Ende denken müssen. Klocke blickt euphorisch in die Zukunft: „Wir werden mit der Nanotechnologie völlig neue Märkte ermöglichen.“

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