Mikroelektronik 17.10.2003, 18:27 Uhr

Mikrostrukturen verlassen die Elektronik

Grenzen der Miniaturisierung in Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik sind derzeit noch nicht in Sicht. Auf dem Kongress MICRO.tec 2003 wurden neue Anwendungen diskutiert, aber auch die Abwanderung von Fachkräften aus Deutschland beklagt.

Noch immer“, meint Erich Barke, Professor an der Universität Hannover, „sind die Grenzen, an die das fortlaufende Verkleinern von Mikrostrukturen irgendwann stoßen muss, sehr weit weg und überdies nähern wir uns ihnen auch nur sehr allmählich“ sie dürften erst in 15 Jahren erreicht sein. Doch lasse sich nicht wegdiskutieren, dass wir sie heute schon deutlicher erkennen können als früher. Zwar, so der Dekan des Fachbereichs Informatik weiter, werde heute schon viel über innovative Konzepte einer künftigen Mikroelektronik – z.?B. aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen – gesprochen, doch dabei habe man es bislang nur mit einzelnen Transistoren und allenfalls mal einem einzelnen Gatter zu tun. Bislang sei leider noch in keiner Weise erkennbar, wie man solche Bauelemente in Massen auf einem Chip zu komplexen Strukturen integrieren werde können.
Wie aufwendig und komplex der Weg zu den Chips der Zukunft ist, illustrierte Barke auf dem VDE-Kongress „MICRO.tec 2003“ in München an Hand der Tatsache, dass allein das Fertigen von 130-nm-Strukturen auf Siliziumscheiben von 300 mm Durchmesser fast 50 neuartige Werkstoffe erfordere, die im täglichen Einsatz dann allesamt sicher beherrscht werden müssen. Ganz abgesehen davon, dass eine Chipfabrik, die heute für etwa 2 Mrd. $ gebaut werden könne, in 2010 wohl rund das Dreifache kosten werde. Exponentielles Wachstum erwartet Barke gar für die Kosten für Computerprogramme, die dem Entwickeln neuartiger Chips dienen: „Noch immer wird außerhalb der engeren Fachwelt stark unterschätzt, wie kritisch das Thema Chipentwicklungstechniken inzwischen geworden ist.“
Immerhin sehen Fachleute für das Jahr 2013 schon 64-Gbit-DRAM-Speicher-Chips mit Minimalstrukturen um die 50 nm voraus und ebenso Prozessoren mit 20 GHz Taktfrequenz statt heute 2 GHz. Bei Logik-Chips sollen 8 Mrd. Transistoren pro Baustein Realität werden, die dann mit Spannungen um die 500 mV arbeiten und bis zu 250 W an Leistung in Wärme umsetzen. Das alles will entwickelt, simuliert, verifiziert und getestet werden.
Mit mikrotechnischen Verfahren arbeitet aber nicht nur die Chipindustrie, sondern auch jene Firmen, die z.?B. die Schreib-Lese-Köpfe für Plattenspeicher, die Düsenköpfe für Tintenstrahldrucker oder auch die vielen Sensoren für Autos herstellen. „Mikromechanische Bauelemente“, betont in diesem Zusammenhang als Wissenschaftlicher Tagungsleiter Stephanus Büttgenbach, Professor an der TU Braunschweig, „sind heute Realität und werden längst schon in Massen hergestellt.“ Ihr Marktvolumen soll bereits im vergangenen Jahr 38 Mrd. $ weltweit umfasst haben und nach einer NEXUS-Prognose bereits 2005 rund 65 Mrd. $ erreichen. Eine VDE-Studie sieht das Potenzial des Marktes der Mikro- und Nanotechniken bis 2010 sogar bei 200 Mrd. $. Der Weltmarkt für reine Mikroelektronik soll nach der VDE-Analyse übrigens von 150 Mrd. $ in 2002 auf 500 Mrd. $ in 2012 anwachsen.
Jenseits der Info- und Kommunikationstechnik im engeren Sinne sind in Büttgenbachs Augen die Biologie, die Chemie und die Medizin kommende Gebiete der Mikrosystemtechnik, deren Entwicklungsstand in Deutschland „sehr gut“ sei, die „exzellente Leute“ beschäftige und bei der auch in Sachen Forschung und Entwicklung das Geschehen exzellent sei: Drum gelte es auch, das erreichte Niveau trotz aller Sparzwänge unter allen Umständen weiter zu halten. Konkret denkt der Braunschweiger Mikrotechniker im Bereich Biologie für die Zukunft an „Labor-auf-einem-Chip“-Entwicklungen, in der Chemie an „Mikroreaktoren für Forschung und Entwicklung, mit denen man beispielsweise nach neuen Katalysatoren suchen kann“, und in der Medizin an die menschenfreundliche Mikrochirurgie sowie an die Entwicklung komplexer Prothesen vielfältiger Funktionalität.
Bei aller Begeisterung über die Möglichkeiten der Mikrotechniken für die verschiedenen Bereiche – eine schwere Sorge plagt die führenden Köpfe auf diesem Gebiet: dass unsere Hochschulen zu wenig an gutem Nachwuchs ausbilden könnten, zumal die besten Geister unter den Abiturienten, wie zu hören war, gern die Numerus-Clausus-Fächer Jura und Wirtschaft wählten und die Ingenieurwissenschaften oftmals nur zweite Wahl bei den Abiturienten seien.
Vor allem aber, so verdeutlicht Barke das Problem, gingen nach beendetem Studium leider gerade die guten Absolventen anschließend in die USA. Und dies bedeute dann, dass unser Land infolge dieser Abwanderung teuer ausgebildeten Nachwuchses Gefahr laufe, „neben vielen anspruchsvollen Fertigungen nun auch immer mehr Forschung und Entwicklung in fremde Länder abwandern zu lassen“. Unausgesprochen stand die Frage, ob Deutschland es sich noch lange werde leisten können, vor allem für die USA praktisch gratis technische Intelligenz auszubilden und deren Schöpfungen anschließend teuer in Gestalt „amerikanischer Technik“ und patentgeschützter amerikanischer Produkte wieder zu importieren?
EGON SCHMIDT

Chip-Trends: 1000 W/cm2
Die Folgen der Miniaturisierung
Wie schwer es sein wird, Chipstrukturen immer weiter zu miniaturisieren, illustriert Erich Barke, Informatikprofessor an der Uni Hannover, anlässlich des VDE-Kongresses „MICRO.tec 2003“ in München an simplen Trend-Extrapolationen. Demzufolge müssten bald „allein die Leckströme der Chips eine Stromdichte von 100 A/cm2 erreichen, also Kraftwerksniveau aufweisen – was natürlich nicht geht und uns zwingt, nach anderen Wegen zu suchen“. Und ebenso sagen die Experten für 2010 Chips mit 1000 W Leistungsaufnahme pro cm2 voraus, was natürlich angesichts der erforderlichen Kühlmaßnahmen gleichfalls ein Unding wäre.
Schon heute sind laut Barke Wegwerf-Mikrosensoren in Arbeit, die im Körper des Menschen Daten sammeln, für den diagnostizierenden Arzt nach draußen funken und dann einfach vergessen werden können.
Neue Schaltungen auf Basis vergleichsweise billiger Silizium-Germanium-/Silizium-Heterostrukturen, die Kosten sparend auf den bewährten CMOS-Produktionslinien hergestellt werden können, erlauben heute schon den Bau von Chips mit maximal 30 GHz Taktfrequenz. Auch deshalb übrigens werde, so eine VDE-Prognose, CMOS noch bis 2010 bei neun von zehn Chips die Technik der Wahl bleiben.
Bei modernen Logikschaltungen findet man oft schon zehn und mehr Verdrahtungsebenen übereinandergestapelt vor. Dabei treten Probleme auf, weil isolierende Polymere als Zwischenschichten benötigt werden, die eine niedrige Dielektrizitäts-Konstante haben nur so kann man die störende, kapazitive Kopplung der elektrischen Leiter untereinander minimieren. Doch andererseits werden für die Kondensatoren der Speicherzellen, die auch immer kleiner werden, zur Steigerung von deren Kapazität Werkstoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante benötigt, die alle im gleichen Herstellprozess verarbeitet werden müssen. es

Von Egon Schmidt

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