Darmstädter Echo vom 15.02.2008

Artikel im Darmstädter Echo vom 15.02.2008

Foto Ralf Endres an Waferreinigungsanlage

Aus der Wissenschaft

Richtungsweisende Chip-Schmiede am Park:
An der TU Darmstadt werden heute die Computer-Bausteine von morgen entwickelt

Eine Waschanlage, die Wafer zwischen Fertigungsschritten mit einer Abfolge von Spülflüssigkeiten, Ultraschall und Bewegungsroutinen säubert und dann trocknet, beschickt hier Ralf Endres, einer der derzeit vier Doktoranden, die derzeit am Institut für Halbleitertechnik in Darmstadt forschen. Ein von Endres 2005 entwickeltes Verfahren wird inzwischen in ähnlicher Form vom Chip-Hersteller Intel in der Produktion eingesetzt. (Foto: Stephan Görisch)

Das hellockerfarbene vierstöckige Gebäude am Darmstädter Prinz- Georg-Garten stellt sich per Türschild als „Institut für Halbleitertechnik der Technischen Universität Darmstadt“ vor.

Manche Passanten werden sich fragen, was Halbleiter sind – dabei benutzen sie diese fast rund um die Uhr. Wenn sie etwa telefonieren, digitale Fotos schießen, auf ihr Navigationssystem schauen, Fernsehen, über die Stereoanlage oder den MP3-Player Musik hören, die Steuerung ihrer Heizanlage programmieren. Und vor allem, sobald sie ihren PC benutzen.

Dass alle diese Geräte existieren ist Verdienst der Halbleitertechnik: ihr Vorläufer, die Elektronenröhrentechnik, war riesengroß, schwer und störanfällig und verheizte Strom in solch gewaltigen Mengen, dass früher Funkgeräten selbst schwacher Leistung ein Generator hinterherfuhr.

Halbleiter sind Materialien (voran Silizium) die unter bestimmten Voraussetzungen Strom leiten, ihn aber auch blockieren können. Der Transistor, erste Generation der Halbleitertechnik, nutzt dies, als ein im Prinzip fernsteuerbarer Schalter, oder als Element, das Schaltimpulse verstärkt.

Seine Vorgänger waren Elektronenröhren, die dies nach längerer Aufheizzeit unter erheblichem Verbrauch von Strom und Abgabe von Verlustwärme erledigten. Dagegen plärrt ein Transistorradio bei Einschalten sofort los – und spielt mit ein paar Batterien lange Zeit.

Viele Mobilgeräte wurden erst durch Transistoren möglich, andere, wie etwa Autoradios, machten sie kleiner, leichter und billiger. Seither wurden weltweit über 100 Trillionen Transistoren hergestellt.

Dies betraf auch die Computertechnik: die ersten Großrechner waren riesige Röhrenapparate – so besaß etwa 1947 die Eniac 17 468 Röhren. Für den gewaltigen Verdrahtungsverhau benötigte man riesige Gebäude, zum Betrieb viel Strom und Kühlanlagen, welche die Verlustwärme abführten – und Techniker, die ständig verbrauchte Röhren erneuerten.

Bei Rechenleistungen, die heute jedes Notebook in den Schatten stellt. Auch Computern verlieh die Halbleitertechnik Flügel, vor allem durch die Erfindung des Feldeffekt-Transistors. Sein Herzstück ist ein elektronischer Kanal, weniger als 100 Nanometer lang – fünfhundertmal weniger als der Durchmesser eines Menschenhaares. Der Stromfluss durch diesen Kanal wird über eine Steuerelektrode geregelt.

Auf Computerchips werden diese unvorstellbar kleinen Bausteine seit Jahren weiter miniaturisiert und dichter gepackt, was die Chips von Generation zu Generation stetig schneller und leistungsfähiger macht.

Gordon Moore, Mitbegründer des Chip-Herstellers Intel, hat in den sechziger Jahren die Prognose aufgestellt, dass sich binnen zwei Jahren die Zahl der Schaltelemente und damit die Leistungsfähigkeit der Chips jeweils verdoppeln werde.

Gleichzeitig wurden die Halbleiterchips auch billiger: verglichen mit der Röhrentechnik wurde eine Kosteneinsparung vom Faktor einer Milliarde erzielt. Ein Transistor kostet heute in der Fertigung etwa 100 Nano-Cent – wobei Energieeffizienz und Schaltleistung je um den Faktor einer Milliarde verbessert wurden. Inzwischen sind auf einem kaum daumennagelgroßen Chip 800 Millionen Transistoren untergebracht, die kleiner als ein Virus sind.

Die weitere Miniaturisierung stößt an stoffliche Grenzen: die Schichten des Isoliermaterials in den Chips sind nur noch wenige Atomlagen dick. Dadurch wird die Isolation durchlässig – und Leckströme verschlechtern die Leistung, mindern etwa die Sprech- und Bereitschaftszeit eines Handys.

An Methoden, wie man dennoch leistungsfähigere Chips erzeugen kann, wird am Darmstädter Institut für Halbleitertechnik (IHT) intensiv geforscht, seit sechs Jahren unter Leitung von Udo Schwalke, der zuvor in der Industrie tätig war. Als Professor betreut er in Vorlesungen rund 350 Studenten.

Das Gebäude bietet hervorragende Voraussetzungen, nicht zuletzt durch seine Lage: „Hier am Park stören keine Vibrationen, etwa von Schwerverkehr und Straßenbahnen, unsere hochempfindlichen Prozesse,“ so Schwalke.

Es verfügt über eine hochkomplexe technische Ausstattung, wie eine leistungsfähige Klimatisierung, Versorgung mit technischen Gasen und mit hochreinem Wasser, das im Hause erzeugt wird.

In den Reinraum-Labors des Instituts drängen sich Geräte von industriellem Standard. Die Forscher arbeiten hier in Spezialkleidung, mit folienverhüllten Schuhen, um Staubspuren auf den entstehenden Chips zu vermeiden – sie würden Fehler erzeugen.

Aus diesem Grunde herrscht in den Laboratorien leichter Überdruck. Durch eine Lüftungsanlage wird über die Raumdecke ständig gefilterte Luft eingeleitet. Messschreiber helfen, Störquellen zu erkennen und zu vermeiden.

Wurden die Chips früher mit Fluorwasserstoff (Flusssäure) geätzt, erledigt dies heute ein Ätzgas-Plasma. Die gewünschten Nano-Strukturen lassen sich durch Lackmasken definieren, die per Fototechnik auf die dünnen Scheiben aus kristallinem Silizium-Substrat aufgebracht werden.

Diese „Wafer“ sehen aus wie dunkle Oblaten. In der Forschung werden meist Vier-Zoll-Wafers (mit rund zehn Zentimeter Durchmesser) eingesetzt, in der Industrie gehe der Standard zu größeren Formaten, berichtet Schwalke.

Leitende Strukturen lassen sich durch Aufdampfen von Metallschichten erzeugen. Aluminium, Vanadium, Titan und andere Metalle werden im Elektronenstrahl verdampft, Schichten von zwei Mikro-bis einem halben Nanometer bis lassen sich in Hochvakuumkammern auf Wafern anlagern.

Aus Elementen mit sehr schwer schmelzbaren Atomen lassen sich bei 2500 Grad im Kathodenzerstäuber Atome ausschlagen, die unter Argon-Atmosphäre auf Wafer gebracht werden. Ein Raum weiter stehen Öfen, in die Wafer bei 1000 Grad Celsius eingefahren werden, um darauf hauchfeine, rund 50 Nanometer dicke Isolierschichten aus Siliziumdioxid entstehen zu lassen.

Die Temperatur und die Verweildauer steuern diesen Prozess – zu dicke Schichten würden den entstehenden Transistor schwächen. Die fertigen Schaltungen werden unter dem Rastersonden-Mikroskop strukturell sowie durch elektrische Messungen überprüft.

Da das Institut seit März 2006 auf nur noch eine Professur reduziert ist und das Budget entsprechend gekürzt wurde, sind Schwalke und seine Mitarbeiter glücklich, dass die Darmstädter Forschung an neuen Verfahren für die Halbleiter-Fertigung drei Jahre lang durch ein Verbundprojekt des Bundes gefördert wird.