Zehn Nanometer (nm), fünf Nanometer oder drei Nanometer – diese Zahlen geistern herum, wenn es um die Fortschrittlichkeit von Elektronik geht. Dies betrifft insbesondere die Größenordnungen, in denen Chips hergestellt werden, die zum Beispiel in Handys oder Laptops stecken.

Diese Werte bezeichnen die Strukturgröße und Abstände der elektrischen Schaltteile in den Prozessoren. Je kleiner, desto besser, denn umso leistungsfähiger sind die Schaltkreise. Die Kleinheit gibt den technologischen Stand eines Herstellers wieder. Wer kann solche Strukturen an der Grenze des Sichtbaren produzieren? Handys, Laptops, Mobilfunknetze, autonomes Fahren und Big Data generell könnten ohne die immer leistungsfähigeren kleinsten Schaltkreise nicht funktionieren.

In Miniaturwelten spielt sich ab, was in der großen Welt für immer heftigere Verwerfungen sorgt. Massive Kämpfe um industrielle Vorherrschaft werden um winzige Computerchips geführt. Kein Wunder, entscheidet doch die Fähigkeit, die Kerne moderner Rechner herzustellen, über Wohl und Wehe von Industrienationen. Derzeit wird die Welt Zeuge eines in aller Heftigkeit geführten Kampfes der USA gegen China um industrielle Vorherrschaft. Herstellern wie der holländischen AMSL ist zum Beispiel der Export wichtiger Maschinen, mit denen die kleinsten Chips der Welt hergestellt werden können, nach China seit Neuestem verboten.

Erst wenn Chips fehlen, macht sich deren wirtschaftliche Bedeutung brutal bemerkbar. So konnten Autohersteller Hunderttausende Autos nicht ausliefern, weil die winzigen Chips fehlten, die nicht nur die Unterhaltungselektronik im Auto antreiben, sondern Motoren steuern, Bremssysteme unterstützen und bei einem Unfall in Bruchteilen einer Sekunde entscheiden, ob Airbags ausgelöst werden oder nicht. Die Autoindustrie dürfte der Mangel an Computerchips weltweit rund 60 Milliarden Dollar kosten. Man muss nicht auf den Krieg in der Ukraine verweisen, in dem Fortschritte auf dem Schlachtfeld auch mit fortschrittlicher Mikroelektronik erzielt werden. Winzige Rechner leiten die Raketen zu feindlichen Stellungen.

Sehen kann man die Innereien der Prozessoren kaum mehr. Ein menschliches Haar misst etwa 50 Mikrometer (μm), das sind 50 000 Nanometer. Knüppeldick ist dieses Haar also im Vergleich zu den Strukturen auf einem Computerchip. Ein Protein, das zum Beispiel an der Biosynthese von Cholesterin beteiligt ist, bewegt sich nach Messungen am Paul-Scherrer-Institut in Villigen (Schweiz) in der Größenordnung von zehn Nanometern.

Die besser bekannte DNA, die die menschlichen Erbinformationen enthält, liegt in der Größenordnung von einem Nanometer, also 10 hoch minus 9 Meter. Noch etliche Stufen kleiner sind Atome, deren Durchmesser im Durchschnitt 0,1 Nanometer beträgt.

Sichtbar machen kann man solche Objekte und Strukturen nur noch mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM). Mit einem traditionellen optischen Mikroskop lässt sich noch ein Unterschied von zwei Punkten erkennen, die 0,2 Mikrometer auseinanderliegen, mit einem REM verkürzt sich dieser Abstand auf zwei Nanometer. In diesen Größenordnungen bewegen sich Entwickler und Hersteller von Prozessoren.

Das Maß aller Dinge liegt beim Weltmarktführer TSMC in Taiwan. Die Frage, die die Rechnerwelt bewegt: Wann kommen Chips mit fünf oder gar drei Nanometer auf den Markt und in neue Computer? Je kleiner die Architektur der Chips, desto mehr Transistoren passen auf fingernagelgroße Chips. Zudem werden die Wege deutlich kürzer, die die elektrischen Impulse zwischen den Schaltern zurücklegen müssen. Die Schaltzeiten werden kürzer, der Chip schneller. Faustregel: Je kleiner, desto schneller und vor allem energiesparender ist der Chip.

Millionen Transistoren pro Millimeter

2021 hat IBM einen Durchbruch im Design dieser sogenannten integrierten Schaltkreise vermeldet und einen Prototypen mit 300 Millionen Transistoren pro Millimeter vorgestellt. Da passen dann 50 Milliarden Schaltelemente auf 150 Quadratmillimeter Chipfläche. IBM nennt als Hauptvorteil dieser neuesten Generation, dass man mit solchen hochverdichteten Chips die Akkulaufzeit von Mobiltelefonen vervierfachen könne, weil sie sehr viel weniger Energie verbrauchen.

Solche Strukturen herzustellen ist ein hoch kompliziertes Unterfangen. Das geht nicht mehr mit Leiterplatte, Lötkolben und Spitzzange. Licht ist das entscheidende Werkzeug, um die hauchfeinen Leiterbahnen auf den Wafer (heute meist aus Silizium) aufzubringen und Strukturen unter fünf Nanometer entstehen zu lassen. Sie werden durch eine optische Maske auf die runde Siliziumscheibe belichtet, die mit einem Fotolack beschichtet ist. Die sogenannte Fotolithografie mit solch kleinen Strukturen funktioniert praktisch nur noch mit Strahlung im extrem ultravioletten (EUV) Bereich.

Erst wenn Chips fehlen, macht sich deren Bedeutung brutal bemerkbar.
Plötzlich stehen überall auf der Welt Autofabriken still

Mit dem bekannten sogenannten Deep-Ultraviolet-(DUV-)Licht, mit dem frühere Belichter arbeiteten, geht es schon lange nicht mehr. Dessen Wellenlänge ist viel größer als die Breite einer Leiterbahn auf einem Chip. Sollen aber die Leiterbahnen noch feiner werden, muss auch die Wellenlänge des verwendeten Lichts kleiner sein. EUV liegt bereits an der Grenze von Ultraviolett zu Röntgenstrahlen. Derart kurzwelliges Licht verhält sich daher anders als etwa sichtbares Licht. Es wird bereits von Luft stark absorbiert, die Vorgänge müssen deshalb im Vakuum ablaufen.

Solche Maschinen der Superlative kann derzeit nur ASML in den Niederlanden fertigen. Das Unternehmen in der Nähe von Eindhoven – eine Abspaltung von Philips übrigens – produziert solche EUV-Scanner. Es ist eine niederländisch-deutsche Kooperation. Denn allein die Herstellung der Strahlungsquelle für Licht im EUV-Bereich mit hinreichender Leistung ist eine Leistung der Extreme. Sie kommt vom Lasertechnikspezialisten Trumpf in Ditzingen bei Stuttgart.

Trumpf verfügt über die Technologie, mit der Licht große Stahlplatten zerschneidet wie die Schere ein Papier, und hat sie perfektioniert; was heißt, dass sie die Technik nun auch in extremer Präzision kleinsträumig anwenden können. Die Ditzinger liefern die Kohlenstoffdioxidlaser, ohne die die Chipbelichter von ASML nicht laufen würden. Für Interessierte: Dieser Laserstrahl fällt nicht direkt auf den Wafer. Vielmehr jagt der Laser 50.000 Lichtpulse pro Sekunde auf einen Tropfen Zinn und heizt ihn damit auf etwa 200.000 Grad auf. Der Zinndampf wird dabei ionisiert, die Atome trennen sich von einigen ihrer Elektronen. Das Zinnplasma sendet dann die extrem ultraviolette Strahlung aus, die die fotoempfindliche Schicht auf dem Wafer belichtet.

Technologie made in Germany

Diese Lichtquelle nimmt den Raum unter der Maschine ein. Spiegelsysteme leiten das Licht zur Belichtungsmaske und auf den Wafer mit seiner lichtempfindlichen Schicht. Der Strahl kann nicht mehr mit Linsen, sondern nur mit Spiegelsystemen gelenkt werden. Auch das ist wieder Hochtechnologie. Die Flächen dieser Spiegelsysteme müssen extrem eben sein. Wäre ein solcher Spiegel so groß wie Deutschland, dürfte die höchste Unebenheit maximal einen halben Millimeter betragen.

Diese Präzisionsarbeit leistet Zeiss in Oberkochen. Eine solche Genauigkeit muss man nicht nur herstellen, sondern auch mit geeigneten Messinstrumenten messen können. Zeiss gelang es, sie zu entwickeln.

Als ob diese Vorstöße in die Nanowelten nicht schon rein technisch anspruchsvoll genug wären, müssen die Hersteller damit auch noch Geld verdienen – um die Investitionen in zweistelliger Milliardenhöhe zurückzubekommen. Weltmarktführer TMSC produziert in riesigen Produktionsanlagen, sogenannten Fabs, die Chips herstellen wie eine Brotfabrik Brötchen. Sie müssen extrem schnell sein. Denn nur dann können sie die extrem hohen Kosten wieder einspielen, die die Errichtung einer kompletten Fab kostet (bis zu 20 Milliarden Dollar). Die legendäre Fab 18 von TMSC in Taiwan hat 18 Milliarden Dollar gekostet. Ein Atomkraftwerk könnte man schon für fünf Milliarden bekommen.

Eine solche Anlage muss randvoll ausgelastet sein, damit sie sich rechnet. Noch verdienen die Deutschen mit.

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