Mikrochips sind die Bausteine unserer globalen Ökonomie. Um Fortschritt zu ermöglichen, müssen sie immer leistungsfähiger werden. Jetzt jedoch stößt die Technologie an ihren Grenzen. Der nächste Technologiesprung wird in Deutschland vorbereitet.

In Computern, Smartphones oder Autos stecken bereits heute unzählige Mikrochips. Diese elektronischen Bausteine sind in den letzten Jahren immer kleiner geworden. Nicht zuletzt dank deutscher Innovationen werden sie noch leistungsfähiger.

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Das mit der Toilette sollte man sich vorher gut überlegen – also ob man zur Sicherheit nicht nochmal schnell geht, auch wenn es nicht ganz dringend ist. So jedenfalls lautet der Ratschlag von Michael von Borstel wenige Meter vor dem Reinraum beim schwäbischen Maschinenbauer Trumpf. Und spätestens bei der Wäscheausgabe wird klar, wovon der Geschäftsführer des Konzernbereiches EUV spricht.

In einer vorbereiteten Box nämlich liegen ein Schutzanzug, eine Kopfhaube, mit Gurten versehene Überzieher für die Füße, ein Mundschutz und zweierlei Handschuhe, die einen aus Nylon, die anderen aus Nitril. Und alles muss nach einem streng vorgegebenen Ablauf an- und später wieder ausgezogen werden. Zehn bis 15 Minuten dauert die aufmerksam überwachte Prozedur. Zeit, die am Ende wertvoll sein kann, wenn die Notdurft tatsächlich drückt.

Nötig macht diesen Aufwand NXE:3400B. Die wuchtige Hochleistungsmaschine des niederländischen Herstellers ASML produziert Mikrochips der neuesten Generation. Und Trumpf liefert einen wichtigen Teil der Anlage, die so groß ist wie ein LKW: den sogenannten EUV-Laser.

Extrem Ultraviolettes Licht macht den Unterschied

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EUV steht dabei für „Extrem Ultraviolettes Licht“. Damit werden Leiterplatten für Chips belichtet, die Zukunftstrends wie autonomes Fahren, 5G-Konnektivität, Künstliche Intelligenz, Biga Data, Gaming mit Virtual Reality oder neue Anwendungen in der Medizintechnik erst ermöglichen.

Die Chips selbst kommen dabei weiterhin größtenteils aus Asien und Amerika. Schon seit Jahren wird der mehrere Hundert Milliarden Dollar große Markt beherrscht von Konzernen wie Intel aus den USA, Samsung und SK Hynix aus Südkorea oder TSMC aus Taiwan. Sie alle benötigen dabei aber Hilfe aus Europa.

Denn die sogenannten Lithographiesysteme für die Produktion der neuen Halbleiter-Generation fertigt einzig und allein ASML, unterstützt von einem dichten Netzwerk an Zulieferern, von denen die wichtigsten aus Deutschland stammen, genauer gesagt aus dem Schwäbischen.

In die hochkomplexen Maschinen wurde viel Forschungsarbeit und -geld investiert Quelle: Zeiss

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Einer dieser Lieferanten ist Trumpf. „Angefangen hat es mit einer obskuren Anfrage auf einer Messe“, erinnert sich Geschäftsleiter von Borstel. Nach kurzer Überlegung habe das Unternehmen dann einfach ja gesagt zu einem Sonderprojekt für die Lasersparte. 15 Jahre später ist EUV das leistungsstärkste Lasersystem, das in Serie gefertigt wird – und dazu noch das lukrativste Geschäftsfeld beim Familienunternehmen aus Ditzingen bei Stuttgart. Mittlerweile 500 Mitarbeiter sind in der Sparte beschäftigt, der Umsatz liegt bei rund 200 Millionen Euro, schon bald sollen es über 400 Millionen sein.

Denn die Bedeutung von EUV ist immens, wie Peter Leibinger betont. „Ohne uns würde das Mooresche Gesetz enden“, sagt der Geschäftsführende Gesellschafter von Trumpf selbstbewusst. Dieses Gesetz, benannt nach Intel-Mitgründer Gordon Moore, besagt, dass sich die Komplexität integrierter Schaltkreise auf einem Chip und damit die Zahl möglicher Rechenoperationen pro Sekunde bei gleichbleibend minimalen Komponentenkosten regelmäßig verdoppelt.

Als Zeitraum werden dabei je nach Quelle zwölf, 18 oder 24 Monate genannt. Auf den ganz konkreten Moment kommt es bei dieser mittlerweile 50 Jahre gültigen Regel aber nicht an. „Entscheidend ist, dass die komplette Weltwirtschaft davon abhängt“, sagt Leibinger, der bei Trumpf unter anderem die Lasersparte verantwortet. Denn um die Produktivität immer weiter zu steigern, müssen die vielen Milliarden Strukturen auf den dünnen Silizium-Plättchen kleiner und feiner werden. Nur das macht die Chips schneller und leistungsfähiger.

„Europa spielt eine große Rolle“

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Die bisherige Technologie, das sogenannte Deep-Ultraviolett-Verfahren, kurz DUV, ist mittlerweile an Grenzen gestoßen. Erst EUV ermöglicht den Vorstoß in neue Dimensionen. Denn bei dieser Technologie hat das Licht eine deutlich kürzere Wellenlänge – und zwar 13,5 Nanometer statt wie bisher 193 Nanometer. Wobei beides kaum vorstellbare Dimensionen sind: Immerhin entspricht ein Nanometer einem millionstel Millimeter. „Wer seinen Namen in immer kleinerer Handschrift schreiben muss, wechselt irgendwann den Stift“, erklärt Experte von Borstel den notwendigen Technologiewechsel.

Den aktuellen Umstieg nennt er dabei zur Veranschaulichung einen Wechsel vom Textmarker zum Fineliner. Möglich sind damit Strukturen von unter sieben Nanometern. „Als Chiphersteller ist Europa allenfalls in Nischen relevant. Und das lässt sich auch nicht mehr ändern“, glaubt Unternehmer Leibinger. Das scheitere allein schon an der Dauer für eine Baugenehmigung. „Als Lieferant für die Produktionstechnologie dagegen spielt Europa jetzt eine sehr große und entscheidende Rolle.“

Das Verfahren hinter diesem Fineliner wandelt an den Rändern physikalischer Grenzen. Zwar ist das Prinzip vergleichsweise einfach. Schließlich ist ein Lithographiesystem nichts anderes als ein Projektor: Licht wird durch eine Blaupause auf einen Wafer übertragen, also auch eine nicht mal einen Millimeter dünne Siliziumscheibe, die zuvor mit einer Chemikalie überzogen wurde. Dadurch brennt sich ein spezielles Muster auf der Scheibe ein, das später als Schaltkreis genutzt wird. Die große Herausforderung besteht darin, die nötigen Prozessschritte zu industrialisieren und tauglich zu machen für die Massenfertigung.

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Das beginnt beim Licht. Um EUV zu erzeugen, schießt der Trumpf-Laser auf einen mikroskopisch kleinen Tropfen geschmolzenen Zinns: einmal mit einem schwächeren Strahl, um den Tropfen so zu verformen, dass die Oberfläche größer ist, und dann mit voller Kraft, um die Zinnteilchen in Plasma zu verwandeln, das wiederum das gewünschte EUV-Licht mit der Wellenzahl von 13,5 Nanometern emittiert – und zwar in der kaum vorstellbaren Geschwindigkeit von 50.000 Mal pro Sekunde. „Der Laserstrahl darf dabei nicht durchgehend sein, sondern muss einen ganz bestimmten Puls haben“, erklärt Physiker von Borstel. Und das alles im Vakuum. Denn Luft absorbiert EUV-Licht, der Strahl würde also gar nicht ankommen.

Im Reinraum bei Trumpf gibt es daher riesige Vakuumkammern, mit denen die Bauteile in einen luftleeren Zustand versetzt werden. Zuvor montieren Arbeiter in Schutzanzügen die Komponenten und Strahlengänge. ISO-Klasse fünf haben die entsprechenden Räume. Das bedeutet: Erlaubt sind zehn Partikel pro Kubikfuß, also pro 0,0283168 Kubikmeter. Üblich sind bei diesem Volumen sonst 270.000 Partikel, erklären die Techniker von Trumpf.

Noch eine Spur schärfer sind die Reinraumvorgaben bei Zeiss, dem zweiten wichtigen Zulieferer für die ASML-Maschinen. Zeiss aus Oberkochen auf der Schwäbischen Alb liefert zum Beispiel sogenannte ultrareflektierende Spiegel. Sie leiten das Licht durch die im Fachjargon „Stepper“ genannte Anlage bis hin zum Wafer, auf dem die Struktur eingebrannt wird.

Größter Technologiesprung in der Chipindustrie

Geschliffen werden die Spiegel aus locker 50 Kilogramm schweren Glaskeramik-Blöcken, die auch in der Weltraumforschung eingesetzt werden und Hitzeunterschiede von bis zu 300 Grad aushalten, ohne dabei zu verformen. „Mehr als acht Wochen dauert die Bearbeitung“, beschreibt Christian Duschek, der Leiter Rundoptikfertigung bei Zeiss.

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Bis zu zehn Mal klemmt der Rohling dabei in eigens entwickelten Schleif- und Poliermaschinen, die mit Diamantwerkzeugen arbeiten. „Ziel ist eine maximale Glättung“, erklärt Duschek. „Am Ende werden sogar letzte Atome mit einem Ionenstrahl ausgekratzt.“

Der Aufwand hinter dem größten Technologiesprung in der Chipindustrie seit langem ist immens. Längst schon liegen die Forschungsausgaben in Milliardenhöhe. Aber auch die Zusammenarbeit zwischen ASML, Trumpf und Zeiss geht weiter als üblich in einer klassischen Geschäftsbeziehung. So werden zum Beispiel regelmäßig Mitarbeiter untereinander entliehen, aber auch finanziell gibt es Verstrickungen.

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2016 hat ASML für eine Milliarde Euro 24,9 Prozent der Anteile an der Zeiss-Halbleiter-Sparte Semiconductor Manufacturing Technology (SMT) gekauft. ASML wiederum bekommt regelmäßig Geld von den großen Chipherstellern. Intel zum Beispiel hat 2012 gut vier Milliarden Dollar in das Unternehmen investiert, das 1984 als kleines Joint-Venture von ASM International und Philips im niederländischen Veldhoven nahe der Stadt Eindhoven gegründet wurde und heute auf einen Börsenwert von rund 75 Milliarden Euro kommt. „Alle haben großes Interesse daran, dass die Technik funktioniert“, erklärt ASML-Vorstand Christophe Fouquet das Engagement. Und das ist mittlerweile bestätigt.

Die Chipfabriken jedenfalls ordern fleißig bei den Niederländern, die asiatische Giganten wie Nikon oder Canon weitgehend aus dem Markt gedrängt haben. Waren bislang vor allem Testanlagen in Betrieb, wird nun flächendeckend aufgerüstet. Samsung und TSMC zum Beispiel wollen im Juni mit der Massenproduktion auf den EUV-Anlagen beginnen.

„Das wird dann die Technik für die nächste Dekade“

Immerhin 44 Anlagen stehen mittlerweile bei den Kunden, meldet ASML. Weitere 30 werden im laufenden Jahr noch ausgeliefert, für 2020 gibt es zudem schon 40 Bestellungen. Und das lässt die Kasse klingeln. Rund 120 Millionen Euro kostet eine einzelne Maschine, die aus 100.000 Teilen, 40.000 Schrauben, 3000 Kabeln und zwei Kilometern Schläuche besteht. Ausgeliefert werden die 180 Tonnen schweren Anlagen per Flugzeug, verteilt auf 40 Frachtcontainer in drei Jumbo-Jets.

Und das ist erst der Anfang. Die nächste Generation Lithographiesysteme ist längst in Planung: noch größer und noch leistungsfähiger. Sowohl bei Trumpf als auch bei Zeiss werden dafür schon neue Werkshallen gebaut. „High NA“ heißt die Technik, bei der das Licht noch stärker gebündelt und über acht statt sechs Spiegel geleitet wird, um am Ende Strukturen von unter sieben Nanometern zu ermöglichen. Die Prototypen werden in zwei bis drei Jahren ausgeliefert. ASML-Manager Fouquet prophezeit: „Das wird dann die Technik für die nächste Dekade, vielleicht sogar für die nächsten zwei.“