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Wafer und Mikrochips: Die Grenze des Machbaren

01.11.2018 Engineering

Wafer-Elektronik

Immer schneller, immer kleiner, immer aufwändiger: Mikrochips sind das vielleicht komplexeste Stück Technik, das Menschen jemals geschaffen haben. Seit jeher liefern sich die Halbleiter-Hersteller ein Rennen um Geschwindigkeit und Miniaturisierung. Den Fahrplan dafür liefert das Mooresche Gesetz. 1965 stellte Intel-Mitbegründer Gordon Moore die Behauptung auf, dass sich die Komplexität, also die Anzahl der Transistoren von Prozessoren, regelmäßig verdoppeln würde. Je nach Quelle ist von ein bis zwei Jahren die Rede.

Die Existenz von Mikrochhips beginnt mit schwerem Gerät, einem Bagger, denn Sand ist der Rohstoff, aus dem Silizium gewonnen wird – jenes Element, aus dem Wafer bestehen. Wafer sind, vereinfacht gesagt, die Grundplatte für verschiedene elektronische Baugruppen, insbesondere für Mikrochips. Als Halbleiter vereint das häufig vorkommende Element Silizium metallische und nicht metallische Eigenschaften in sich.

Mit Chemie und Energie und reinem Silizium

Der Weg vom Rohstoff zum fertigen Wafer ist aufwändig. Bei Temperaturen um 2.000 Grad Celsius reagieren Siliziumdioxid und Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid und Silizium. Dieses Rohsilizium wird nun in einem aufwändigen chemischen Verfahren für die Wafer-Herstellung veredelt. Ziel ist eine extrem hohe Reinheit, bei der sich am Ende des Prozesses nur ein Fremdatom unter eine Milliarde Silizium-Atome mischt, wie die Fachzeitschrift c’t schon 2013 in ihrem Artikel "Vom Sand zum Chip" schrieb. Für die Herstellung der Wafer-Scheiben taucht ein Impfkristall in flüssiges, 1.400 Grad Celsius heißes Silizium. Es entsteht dabei der sogenannte Ingot, ein Silizium-Block mit monokristalliner Struktur. Dieser wird in nicht mal ein Millimeter dünne Scheiben mit bis zu 30 Zentimeter Durchmesser geschnitten – woraufhin die Oberfläche jeder Scheibe mit chemischen und mechanischen Mitteln perfekt geglättet und für die weitere Verarbeitung präpariert wird.

Eine Wunderwelt im Nanometerbereich

Was dann folgt, wäre einen eigenen Artikel wert: Schicht für Schicht werden Schaltkreise und Transistoren auf den Wafer aufgetragen. Optische und chemische Verfahren ermöglichen das Auf- und Abtragen feinster Strukturen und Leiterbahnen, die sich dem menschlichen Auge entziehen. Die Hersteller von Chips werben heute nicht mehr nur mit enorm hohen Taktraten in Gigahertz, sondern verweisen auf immer kleinere und somit stromsparende Strukturen in Nanometer-Bereich. Die Miniaturisierung ist enorm: Intel wagt gerade den Schritt in die 10-Nanometer-Technologie. Zur Verdeutlichung sei gesagt, dass ein Nanometer der millionste Teil eines Millimeters ist. In der Technologie-Branche wird jeder Sprung in die nächstkleinere Dimension als Full Node bezeichnet, Zwischenschritte sind als Half Nodes bekannt. Stand der Technik sind laut Intel unfassbare 100 Millionen Transistoren, also kleinste Schalteinheiten pro Quadratmillimeter. Am Ende des Prozesses wird der anfangs runde Wafer in einzelne Chips zerschnitten, sogenannte „Dice“ oder „Dies“ (Einzahl: „Die“). Ziel der Industrie sind Wafer mit 450 Millimetern Durchmesser, was den Aufwand bei der Fertigung aber weiter erhöhen würde.

Dem Leser mag es aufgefallen sein: Um diese Technologie zu beschreiben, bedarf es oft grammatikalischer Passivkonstruktionen. Zu abstrakt, zu wenig greifbar sind die Fertigungsprozesse für Außenstehende. Denn das Ganze geschieht in hermetisch abgeriegelten Chipfabriken, auch Halbleiterwerke oder im Englischen Fabs genannt. Nur solche Anlagen bieten die technischen Voraussetzungen für die Fertigung hochkomplexer Chips im Nanometer-Bereich. Einen Einblick in die Abläufe gewährt folgendes Video von Globalfoundries. In den Fertigungshallen herrschen Bedingungen, die um ein Vielfaches sauberer sind als in einem Operationssaal, denn kleinste Partikel am falschen Platz können einen Mikrochip unbrauchbar machen.

Im Silicon Saxony entsteht modernste Elektronik

In Deutschland hat sich Sachsen als führendes technologisches Zentrum etabliert. Silicon Saxony nennt sich das Städtedreieck Dresden, Leipzig und Chemnitz in Anlehnung an das bekannte kalifornische Silicon Valley. Rund 2.300 Firmen und 60.000 Arbeitsplätze gibt es in diesem Cluster, dessen Schwerpunkt in Dresden liegt: „Allein hier gehören etwa 1.500 Unternehmen mit 48.000 Beschäftigten zum Mikroelektronik-Verbund“, sagt Rico Nonnewitz von der städtischen Wirtschaftsförderung.

Im Umfeld bekannter Unternehmen wie Infineon, Globalfoundries und X-Fab möchte sich jetzt auch der Automobilzulieferer Bosch mit einem Halbleiterwerk ansiedeln. Rund zehn Hektar misst das Grundstück in der Nähe des Flughafens, auf dem bis zu 700 Arbeitsplätze entstehen sollen. Der Grundstein ist gelegt, bis Ende 2019 soll der Bau abgeschlossen sein. Ab 2021 soll die Produktion von 300-mm-Wafern beginnen. Mit Kosten in Höhe von einer Milliarde Euro – der Bund steuert 200 Millionen Euro bei – ist das neue Werk die größte Investition in der Firmengeschichte von Bosch.

Der Kunde profitiert vom Wettlauf der Hersteller

In der Praxis bekommen die Kunden vom Wettlauf der Technologien vor allem eines mit: Regelmäßig bringen die Hersteller neue, immer schnellere Computer, Tablets und Smartphones auf den Markt. Zu den prominentesten Beispielen gehört Apple. Im September hat das kalifornische Unternehmen neue iPhones mit noch schnelleren Prozessoren vorgestellt. Der darin verbaute A12-Chip mit 7-Nanometer-Technologie soll der Konkurrenz deutlich voraus sein. Allerdings zeigte sich vor einigen Monaten auch, wohin die Entwicklung bei Prozessoren führen kann: Intel und andere Hersteller mussten eingestehen, dass sich mit Meltdown und Spectre gravierende Sicherheitslücken auf Hardware-Ebene eingeschlichen hatten, die durch Software-Updates eiligst gestopft werden mussten.

Digitalisierung in Auto, Flugzeug und Industrie

Auch im Alltag hat die Mikroelektronik längst Einzug gehalten. Autos und Flugzeuge haben immer mehr Elektronik an Bord. Bei Autos sind es die Assistenzsysteme, die immer leistungsfähiger werden, um den Fahrer zu entlasten. War 1978 die Erfindung des ABS durch Daimler eine Revolution auf der Straße, so sieht sich der Konzern heute als einer der Vorreiter beim autonomen Fahren. Selbst in ganz gewöhnlichen Autos sind zahllose Sensoren an Bord, die das Geschehen rund um das Fahrzeug überwachen – ein Fortschritt, der ohne Embedded Systems, also dem Einsatz von Mikrochips, nicht möglich wäre. Selbst im Haushalt geht nichts mehr ohne Elektronik: Der anhaltende Trend zum Internet of Things und dem Smart Home macht auch vor Herd und Kühlschrank nicht halt.

Digitalisierung ist auch in der Luftfahrt ein Thema, der Arbeitsplatz Cockpit hat sich in den vergangenen Jahren gewandelt. In der Allgemeinen wie in der kommerziellen Luftfahrt werden Piloten immer mehr zu Managern moderner Systeme. iPads haben in vielen Bereichen das Papier ersetzt. Avionik von Herstellern wie beispielsweise Garmin oder Dynon sind ausgewachsene Computer mit höchsten Ansprüchen an Zuverlässigkeit und Funktionalität – möglich gemacht durch moderne Mikroelektronik. Fotograf Wolfram Schroll war bei seinem Besuch im Airbus-Werk Ottobrunn für das ARTS-Kalenderblatt der Fertigung von Wafern auf der Spur.

Bleibt der Blick in die Industrie, wo natürlich auch nichts mehr ohne Elektronik geht. Roboter sind in vielen Fertigungsprozessen selbstverständlich geworden. Sämtliche Anlagen und Maschinen werden durch Computer gesteuert. Und die Manager der Konzerne entwickeln längst Konzepte, wie sie das Internet der Dinge in den industriellen Alltag integrieren können.

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