Halbleiter 16.04.1999, 17:21 Uhr

Chiptechnologie muß bezahlbar bleiben

Die derzeit dominierende Cmos-Siliziumtechnik bekommt ab 2010 Konkurrenz. Laut Yoshio Nishi, Forschungschef bei Texas Instruments, wird aber bei allen neuen Technologien die wirtschaftliche Komponente eine gewichtige Rolle spielen.

Yoshio Nishi, seines Zeichens Forschungschef von Texas Instruments und Senior Vice President des Unternehmens, äußerte sich auf der IEDM, dem International Electronic Device Meeting in San Francisco als eingeladener Festredner zum Thema „Trends in der Halbleiter-Technologieentwicklung im nächsten Millenium“. Und er warnte schon im ersten Satz vor zu hohen Erwartungen an seine Ausführungen: „Was heißt hier Millenium? Die Branche kann ja kaum die nächsten 24 Stunden überblicken!“
Nishi ist vorsichtig: Zu lange hat man in den 80er und Anfang der 90er Jahre allein die Speicherbausteine als wichtigste Treiber des technischen Fortschritts angesehen. Dabei hat man außer acht gelassen, daß dies allenfalls für die Produktionstechnik galt, weniger aber für die komplexen Inhalte der Chips. Und so formuliert er heute Speicher und Logikchips gleichermaßen als Treibertechnologie, jeden auf seinem spezifischen Gebiet.
So muß man eigentlich die Frage stellen, ob denn die regelmäßig erstellten Roadmaps überhaupt einen Nutzen haben. Nishi stellt sich vehement hinter solche Roadmaps: Weil man heute mehr weiß über die Materialgrenzen, sind die gewonnenen Aussagen verläßlicher als früher. Die Roadmaps schaffen mit verbesserten Trendanalysen eine klare und ausgewogene Sicht auf künftige Technologien. Dazu trägt auch der Konsens zwischen den beteiligten Partnern bei, die die Machbarkeit der jeweiligen Entwicklungen innerhalb ihrer eigenen Bereiche überprüfen: Die Hersteller von Fertigungsgeräten nutzen die Roadmaps genau so wie die Chipproduzenten und die potentiellen Anwender. Hinter allem steht der Knüppel der Wirtschaftlichkeit.
Die Jahre nach 2010 bringen Chancen für neuartige elektronische Bauelemente jenseits der heute alles dominierenden Cmos-basierten Siliziumtechnik. Der TI-Forschungschef zählt sie auf: Quanteneffekt-Bauelemente stellen da eine der großen Herausforderungen dar. Man wird lernen müssen, mit den Wechselwirkungen zwischen Ort und Zeit für die Elektronen umzugehen. Organische Halbleiter und solche aus Kunststoff werden auf die Bühne kommen, mit einem gewaltigen Kosteneinsparungspotential. Sie haben aber auch viel schlechtere elektrische Eigenschaften, die diesen neuen Bauelementen nur ganz bestimmte Anwendungsgebiete zuweisen. Und daraus abgeleitet werden die „Quantenrechner“ zur Ablösung der heutigen Siliziumtechnologie beitragen: Rechnen mit einer logischen „0“ oder „1“ dargestellt nicht durch Spannungen sondern z.B. durch unterschiedlichen Elektronenspins.
Das Erreichen der Grenze zu den Quantenbauelementen – das fängt so etwa bei Strukturabmessungen von 30 nm und darunter an – wirft für Physiker und Technologen neue Probleme auf: Die Verbindungstechnik auf dem Chip zum Beispiel oder die Frequenz- und Laufzeitfragen. Das Grundrauschen wird zu einem Problem, die Fragen des „Tunnelns“ von Elektronen muß weiter untersucht werden, die Lichtlithografie ist dann wirklich am Ende.
Der Antrieb für solche Veränderungen kommt vom Markt – Technologie ist nie Selbstzweck, daran läßt Nishi keinen Zweifel. Er weist auf die Kette hin, die immer mehr Computerleistung zum Endverbraucher bringt. Was man ursprünglich an Leistung in einem Mainframe-Computer hatte, wollte man dann auch in einem Minicomputer haben. Wenig später riefen die Workstation-Nutzer nach genau dieser Rechenleistung, was die PC-Besitzer auf den Plan rief. Und kaum waren die High-End-PCs entsprechend ausgerüstet, wollte der Endverbraucher die gleiche Leistung auf seinem Billig-PC haben, dann auf seinem Laptop und nun in seinem Handheld-Computer. Heute setzt der Mobilfunk viele Standards: In Kosten sowohl als auch im Energieverbrauch. Innerhalb von nur zehn Jahren hat sich hier die Technik vom gerade noch über die Schulter tragbaren 2000-Dollar -Gerät zum taschengroßen Konsumprodukt entwickelt. Die richtige Technologie zur richtigen Zeit zu marktgerechten Kosten lautet also die Herausforderung.
Trotz aller Diskussionen um „Time to Market“ steigen in letzter Zeit die Entwicklungszeiten wieder an. Nishi zählt die wichtigsten Gründe für diesen Trend auf:

  1. Die Zahl der Bauelemente pro Chip steigt weiterhin kräftig an
  2. Es werden mehr statistische Zahlen gebraucht, um die Ausbeute abzusichern. Dieses Mehr an Zahlen ist aber von der Zahl der verarbeiteten Testwafer abhängig
  3. Die existierenden Produktionsanlagen und deren Kapazitäten für solche Forschungs- und Entwicklungslinien sind bei weitem zu gering
  4. Die heutigen Organisationsformen in der Halbleiterindustrie sind überholt, weil sie „Zeitfresser“ sind. Zentrale Forschungslaboratorien können nur noch als Ideenlieferanten arbeiten, sie müssen Konzeptüberprüfungen und die Machbarkeit der Produktion anderen überlassen. Die beiden letztgenannten Arbeiten können auch nur in einer produktionsähnlichen Umgebung geleistet werden.

Kein Zweifel – es wird mehr und mehr unwahrscheinlich, daß alle anstehenden Probleme von einem Unternehmen oder einer Organisation gelöst werden können. Eine der großen Herausforderungen wird die notwendige Zusammenarbeit sein. Dabei gibt es nach Aussagen des TI-Forschungschefs verschiedene Ansätze für die Zusammenarbeit. Sie kann eine reine Fokussierung der Ressourcen sein, um die „kritische Masse“ für ein bestimmtes Projekt zu erreichen. Es kann aber auch eine Differenzierung der verschiedenen Aktivitäten betrieben werden, um jeweils einzigartige Produkte mit singulärem Standing zu entwickeln. Und es ist Zusammenarbeit denkbar, bei der die Mitwirkenden komplementäre Rollen ausfüllen und sich interdisziplinär stimulieren.
Die Verflechtung zwischen Industrie und Universität wird ganz zwangsläufig enger werden. Grundlagenforschung, die klassische Domäne der Hochschulen, wird weiter dort betrieben werden, angereichert mit der Blickrichtung auf den potentiellen wirtschaftlichen Nutzen. Als Beispiele solcher Forschungs-Kooperationen nannte Nishi das gesamte Feld der Nanoelektronik (d.h. der Strukturen, die im ein- und zweistelligen Nanometerbereich liegen). Eine Lithografie für den Bereich unter 10 nm muß z.B. erst noch vom Prinzip her erforscht werden. Aber auch im industriellen Entwicklungsbereich zeichnet eine verstärkte Zusammenarbeit ab, weil die Kosten von einzelnen Firmen nicht mehr zu stemmen sind. Hier wird das gesamte Gebiet einer künftigen 0,13-µm-Technologie genannt, aber auch neue Überlegungen für eine produktionsorientierte Reinraumtechnik.
Nishi faßt zusammen, was nach seiner Meinung die nächsten Jahre für die Halbleiterindustrie prägen wird:

  1. Der „Mainstream“ wird für weitere 15 Jahre die Cmos-Technologie bleiben.
  2. Die Internationalisierung und die Zusammenarbeit wird stark ansteigen.
  3. Halbleiterforschung wird aus den zentralen Forschungslaboratorien der Firmen herauswachsen und in Forschungsnetzwerken eine neue Rolle finden.
  4. Mehr und mehr werden Umweltfragen den Kurs bestimmen. Dazu gehören z.B. der Einsatz nichttoxischer Ätzmittel, die Vermeidung von Flammhemmern in Chipgehäusen und vieles mehr.

Das Schlüsselwort aber, was in den nächsten zehn Jahren am häufigsten zu hören sein wird, heißt „cost affordability“ – auf gut deutsch. „Können wir uns das leisten?“
DELANO L. KLIPSTEIN
Yoshio Nishi, Forschungschef von Texas Instruments: „Wieviel Forschung und Entwicklung für die Halbleitertechnik werden wir uns in Zukunft leisten können?“
Heute ist Mainframe-Leistung vergangener Tage längst auf Notebook-Computern verfügbar. Dank höchstintegrierter Chips verkürzt sich die Zeit, in der Technologien von einer Geräteklasse auf die nächstniedrigere übergehen.

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