STELLEN SIE SICH EINMAL dicht vor Ihren Fernseher, sobald die Wetterkarte wolkenlose Sicht auf das europäische Festland bietet, und versuchen Sie, den Eiffelturm zu entdecken. Geht nicht? Irgendwo muss er aber doch sein auf dem Bild, und da Satelliten ja angeblich sogar Autonummern aus dem Weltall erkennen, müsste man doch den Eiffelturm mit einer Lupe auf der Wetterkarte finden.
Woran es hapert, ist natürlich die Auflösung des Fernsehbilds, das mit seinen 625 Zeilen solche Details nicht sichtbar machen kann, selbst wenn sie auf der Originalaufnahme erkennbar wären. Das Beispiel gibt einen Eindruck von den Schwierigkeiten, mit denen Chip-Entwickler kämpfen, wenn sie mehr als zehn Millionen Transistoren auf der Fläche eines Daumennagels unterbringen sollen.
Die Originalzeichnung einer solchen integrierten Schaltung, von der Grösse eines stattlichen Wohnzimmerteppichs, zeigt noch säuberlich alle Baugruppen. Indes, so wie das Fernsehbild aus der Nähe betrachtet keine Details mehr liefert, so nähern sich die Ingenieure beim Verkleinern ihrer Zeichnung, selbst wenn sie die allerbesten Linsen verwenden, einer natürlichen Grenze: Die Lichtwellen sind - bei Ultraviolett mit einer typischen Wellenlänge von 193 Nanometern - nicht mehr fein genug, um alle Einzelheiten auf dem Siliziumplättchen abzubilden. Beim Versuch kommt es zu unerwünschten Streueffekten (die übrigens Geisterbildern beim Fernsehen ähneln).
Dennoch wird fieberhaft an höher integrierten Komponenten gearbeitet, die entweder auf gleicher Fläche mehr Funktionen bieten oder so stark miniaturisiert sind, dass sie zum Beispiel Nanoroboter steuern könnten. Die Strategien lassen sich dabei in zwei Gruppen einteilen: Beim «Top down»-Ansatz versucht man, herkömmliche lithographische Verfahren zu verfeinern, indem man etwa UV-Licht durch kürzere «Extrem-UV»-Wellen ersetzt. Die «Bottom up»-Strategie dagegen sucht Wege, einzelne Atome und Moleküle so zu manipulieren, dass nützliche Konstruktionen entstehen.
Dass die Foto-Lithographie noch längst nicht tot ist, zeigt eine Partnerschaft zwischen drei grossen Herstellern und staatlichen US-Forschungseinrichtungen. Bis ins Jahr 2001 wollen Intel, AMD und Motorola zusammen 250 Millionen Dollar für die Grundlagenforschung zur Lithographie ausgeben. Diesen Forschungsauftrag erhielten das Lawrence Livermoore Laboratory, Sandia National und Lawrence Berkeley, die alle zum US-Energieministerium gehören. Lithographierte Chips hat man bisher nach der Breite ihrer kleinsten Strukturen in Mikron, also in Tausendstel Millimetern, klassifiziert. Zurzeit gelten 0,25 Mikron gerade als State of the Art. Bald aber wird wohl der Nanometer (Millionstel Millimeter) als Masseinheit einziehen.
DIE HERSTELLUNG einer integrierten Schaltung ist eine komplexe Kombination aufwendiger chemischer, physikalischer und mechanischer Prozesse. In bis zu zwanzig Arbeitsgängen wird ein Wafer (das ist die grosse, spiegelglatte Silizium-Kristallscheibe, aus der später die einzelnen Chips herausgesägt werden) zunächst mit einem extrem lichtempfindlichen Fotolack beschichtet. Die Belichtung mit speziellem Licht bildet dann die in diesem Arbeitsgang aufzubringende Struktur auf den Wafer ab. So wie nach dem Entwickeln einer Fotografie unbelichtetes Silber ausgewaschen wird, wird nicht benötigtes Material zwischen den metallisierten Leiterbahnen weggeätzt. Etliche sogenannte Dotierungsschritte, bei denen das Silizium mit kleinen Partikeln beschossen wird, erzeugen gezielte Verunreinigungen in der Kristallstruktur, aus denen sich später der Halbleitereffekt ergibt. Bevor der nächste Arbeitsgang eine weitere Transistorebene aufbringt, ist die Isolationsschicht zwischen den Leiterbahnen plan zu schleifen; für eine hohe Genauigkeit dieses Polierganges sorgt ein kombiniertes chemisch-mechanisches Verfahren, dessen Details zu den besser bewachten Geheimnissen gehören.
Der innere Reinraum einer Fab - so heisst die Produktionsstätte im Jargon - wird nicht nur im Betrieb, sondern bereits beim Bau in einen geringen Überdruck versetzt, damit die normale Atmosphäre und ihre Verunreinigungen nach aussen gedrückt werden und vor der Tür bleiben. Man möchte weniger als ein Staubteilchen auf eine Million Luftteilchen haben. Ein Haar oder ein winziges abgelöstes Hautpartikel wären da eine Katastrophe, weshalb die Angestellten entweder in den typischen Bunny-Anzügen mit Gesichtsmaske herumlaufen oder gleich ganz draussen bleiben und nur über Roboterarme manipulieren. Im Belichtungsbereich verwendet man spezielle Gelblichtlampen, normales Licht würde stören.
NEBEN DEN METHODEN, mit denen Forscher ihre Bausteine höher integrieren, ist vielleicht die Frage interessant, warum es denn immer kleiner sein muss. Dürfte ein leistungsfähigerer Computer-Chip nicht ruhig etwas grösser sein?
Tatsächlich bietet Kleinheit beträchtliche Vorteile, in technischer wie in wirtschaftlicher Hinsicht. Zum einen ermöglicht sie einen geringeren Spannungsbedarf: Arbeiteten Prozessoren noch vor wenigen Jahren mit 5 Volt, so reichen modernen Chips heute 1,8 Volt. Bei tragbaren Computern halten damit die Batterien länger, aber auch Schreibtischgeräte arbeiten bei geringerer Leistungsaufnahme zuverlässiger und erwärmen sich weniger. Und kleinere Strukturen nutzen die Fläche der Chips wirtschaftlicher: Der Übergang von 0,35 Mikron auf 0,25 Mikron bedeutete scheinbar eine Verkleinerung um 30 Prozent, quadratisch gerechnet passen nun jedoch fast doppelt so viele Transistoren auf die gleiche Fläche. Ausserdem bleibt mehr Platz für Verbindungen vom Siliziumkern nach aussen, und so kann der Chip mehr Daten gleichzeitig durchschleusen. IBM kündigte Ende 1998 erstmals einen Prozessor mit mehr als 1000 Kontakten (genau: 1088) an.
Für die dramatischste Verbesserung sorgt die Verkürzung der Signallaufzeiten: Kleinere Chips sind schneller. Elektrische Signale durchlaufen eine Schaltung mit etwa zwei Dritteln Lichtgeschwindigkeit. Das reicht zwar, die Erde fünfmal pro Sekunde zu umrunden; bedenkt man aber, dass der Prozessor in dieser Sekunde 400 Millionen Operationen - und mehr - ausführen soll, so wird klar, dass jeder Millimeter eingesparten Signalweges eingesparte Zeit bedeutet. Intels Prozessoren zum Beispiel erhöhten beim Umstieg auf 0,25 Mikron ihre Taktrate, also die Anzahl der pro Sekunde ausgeführten Instruktionen, um das Eineinhalbfache.
Herkömmliche Prozessoren stossen jedoch unter anderem wegen ihrer relativ planaren Bauweise (mit bis zu zwanzig Schichten übereinander) an Leistungsgrenzen. Darum wollen Nanoforscher dreidimensionale Architekturen herstellen. Ein Haupthindernis liegt, wie auch bei traditioneller Bauweise, in der Kühlung: Schon heute werden Schreibtisch-PCs mit zusätzlichen, direkt auf den Prozessor montierten Ventilatoren gekühlt. Erhöht man bei gleicher Leistungsaufnahme Taktfrequenz und Schaltungsdichte, kann die Erwärmung schnell auf das Fünfzigfache steigen - damit hätte man buchstäblich einen Heizlüfter konstruiert!
NACH GÄNGIGER DEFINITION befasst sich Nanotechnologie mit Strukturen schmaler als 100 Nanometer - also weniger als tausend Atome gross. Herkömmliche Verfahren haben diese Grenze experimentell bereits unterschritten: Forscher aus Austin, Texas, lösten das Problem der unerwünschten Streueffekte mittels einer speziellen Fotolackschicht und erzielten so Strukturen im Grössenbereich von 80 Nanometern.
Weitere Variationen im lithographischen Verfahren werden erprobt: Die Extreme Ultraviolett-Lithographie (EUV) ermöglicht bei einer Wellenlänge von 13 Nanometern ebenfalls Strukturen unter 100 Nanometer. Dabei steigen die Anforderungen an die verwendete Optik erheblich. Spiegelnde Flächen werden zum Beispiel bis auf ein Zehntel der Wellenlänge, also bis zu einer fast unvorstellbaren Genauigkeit von 1,3 Nanometern, plan poliert - eine Ingenieursaufgabe vergleichbar mit dem Vorhaben, das Gras auf einem Fussballplatz mit einer Nagelschere zu maniküren. Auch ist nicht jedes Material für die Linsen geeignet: Nur Spezialglas lässt ausreichend UV-Strahlung passieren - sozusagen ein umgekehrtes Sonnenbrillen-Problem -, weshalb man möglichst mit Spiegeln arbeitet.
Der nächste Schritt wären Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge von 1,3 Nanometern. Davon erhofft man sich Prozessoren mit bis zu einer Milliarde Transistoren. Die Leistung soll ebenfalls um das Hundertfache steigen, auf 100 000 Millionen Operationen pro Sekunde, bei Takten um 10 Gigahertz.
Eine weitere Möglichkeit ist die Elektronenstrahl-Lithographie. Ihr Nachteil ist, dass der elektronische «Bleistift» relativ langsam zeichnet, während man bei den fotografischen Verfahren ja die gesamte Maske auf einmal belichtet. Man möchte daher dem Strahl verschiedene Formen geben und so etwa ein ganzes Rechteck auf einmal schreiben. Auch an kombinierte Verfahren wird gedacht, bei denen man Schichten mit feinen Strukturen per Elektronenstrahl schreiben würde und gröbere herkömmlich belichtete.
Einen bestechend einfachen Ansatz verfolgt das von Bruno Michel geleitete Team des Zürcher IBM-Forschungslabors Rüschlikon. Die Forscher variieren eine jahrhundertealte Technologie, den Druck. Sie verwenden eine Art Gummistempel, den sie aus gummiartigem Material, sogenannten Elastomeren, herstellen. Er druckt mit feinster Auflösung und erzielt bemerkenswerterweise auch über grössere Flächen gleichmässigen Kontakt. Als «Druckfarbe» können spezielle, selbstorganisierende Moleküle dienen.
Der Prozess - er heisst Microcontact Printing - kann medizinische Tests für sehr kleine Probenmengen herstellen, wobei man biologische Proteinmoleküle aufbringt, die auf den gesuchten Stoff reagieren. Für die Chip-Herstellung eingesetzt, könnte er Kosten und Umweltbelastung dramatisch senken, weil chemische Ätzprozesse eingespart werden.
Ebenfalls ohne das Abbilden und Herausätzen von Strukturen kommen Versuche aus, die gewünschten metallischen Verunreinigungen direkt als Ionen in den Siliziumkristall zu implantieren.
1997 gelang es IBM nach zehnjähriger Forschung, Kupfer statt Aluminium als metallisierende Schicht auf das Silizium aufzubringen. Wenig später war auch Motorola soweit. Aluminium lässt sich leichter verarbeiten, ist jedoch weniger leitfähig. Unterhalb 0,3 Mikron führt sein Widerstand zu Signalverzögerungen. Will man feinere Strukturen, müssen die schmalen Aluminiumprofile höher werden, damit der Leitungsquerschnitt ausreicht. Das verursacht nicht nur Herstellungsprobleme; die Profile wirken wie Kondensatorplatten und bremsen Signale. Kupfer wiederum verbindet sich erstens unerwünscht mit Silizium und zeigt zweitens eine fatale Tendenz zur Oxidation. Sämtliche Kupferleitungen benötigen daher eine Schutzschicht. Der Widerstand allerdings verbessert sich um zirka 40 Prozent. Dadurch hoffen IBM und Motorola, 100 bis 200 Millionen Transistoren auf einem Chip unterzubringen.
Als Faustregel gilt, dass ein Quadratmeter Silizium im Handel rund 250 000 Dollar kostet. Bei neuen Chip-Generationen kaufen die Kunden also meist zum gleichen Preis mehr Funktionalität. Und mehr Transistoren: Nach einem Postulat des Pioniers Gordon Moore verdoppelt sich deren Anzahl pro Chip alle 18 Monate. Klar, dass das nicht immer so weitergehen kann - man erinnere sich an die Verdoppelung der Weizenkörner auf dem Schachbrett. Aber seit Moore, Mitgründer der Firma Intel, und sein Team 1971 mit dem Intel 4004 (2300 Transistoren, Taktfrequenz 0,1 Megahertz) die Startmarkierung setzten, hat sich seine Voraussage bisher beinahe erfüllt.
NEUE CHIP-GENERATIONEN bedeuten neue Produktionsverfahren. Geplant werden muss oft zwei bis drei Jahre im voraus - und das bei Kosten von über einer Milliarde Dollar für eine Chip-Fabrik. Auch Experten durchschauen nicht immer das Zusammenspiel aller Fertigungsschritte.
Genaue Angaben über die Ausbeute einer Fab gehören zu den bestgehüteten Geheimnissen der Branche. Da sie bei herkömmlichen Verfahren normalerweise bei 90 Prozent liegt, sollten neue Verfahren mindestens 80 Prozent erreichen. Jeder dritte Wafer allerdings dient zur Kalibrierung der Anlage und wird danach weggeworfen. Engere Chip-Strukturen senken Kosten. Je mehr Chips pro Scheibe produziert werden, desto höher die Ausbeute. Um dieses Verhältnis weiter zu optimieren, planen 1999 mehrere Hersteller, von 200- auf 300-mm-Wafer umzustellen.
Noch zehn Jahre, schätzt Linley Gwennap, Chefredaktor des Fachblattes «Microprocessor Report», wird Moores Gesetz gelten. Danach müssen neue Lösungen bereitstehen. Sie können eigentlich nur aus der Nanotechnologie kommen, und zwar aus vier Bereichen.
Erstens. Die Nanoelektronik baut aus neuartigen Komponenten herkömmliche Rechner. Der bisher verwendete Feldeffekttransistor wird durch Quantenpunkte ersetzt, das sind Inseln von 5 bis 100 Nanometern Grösse, die Elektronen einsperren. Die Signale zwischen den winzig kleinen Bauelementen sollen durch Nanodrähte - Ketten oder Schläuche aus Kohlenstoffmolekülen - übertragen werden.
Zweitens. Die Nanomechanik befasst sich mit beweglichen Komponenten aus wenigen Atomen oder Molekülen. Solche Bauteile können mehrere Milliarden Schwingungen pro Sekunde aushalten, denn in der Mechanik atomarer Dimensionen gibt es fast keine Trägheit, Reibung oder Abnutzung. Die Gruppe von Nobelpreisträger Gerd Binnig im IBM-Labor Rüschlikon arbeitet an mechanischen Speicherbausteinen, die auf einer Fläche von 4 × 4 Zentimetern ein Terabit, eine Billion Bit, unterbringen.
Drittens. Biochemische Ansätze nehmen sich die Natur zum Vorbild. Hier profitieren die Forscher von den bewährten Methoden der Gentechnik, DNA-Moleküle etwa zu schneiden und zu spleissen. Solche Moleküle vervielfältigen und organisieren sich selbst.
Viertens. Quantencomputer schliesslich liegen noch am weitesten in der Zukunft. Sie würden die Schulweisheit bisheriger Informatik radikal durcheinanderbringen, weil sie mit skurrilen Konzepten wie zum Beispiel reversibler Logik arbeiten: aus dem Resultat jeder Operation müssen die Operanden ermittelbar sein.
Die Grenze ständiger Verkleinerung nach herkömmlichem Verfahren ist aber längst nicht erreicht. Anfang dieses Jahres gaben Toshiba, IBM und Siemens bekannt, den bisher kleinsten Speicherchip mit einer Strukturbreite von 0,175 Mikron fertigungsreif zu haben. Die 40prozentige Verkleinerung der Chip-Grösse soll sich übrigens in 20 Prozent geringeren Herstellungskosten niederschlagen. Irgendwann ist aber das Ende der ständigen Miniaturisierung erreicht, und dann gehört dem systematischen Aufbau von unten die Zukunft. Bottoms up!
Udo Flohr, Wissenschaftsjournalist, lebt in Hannover und Berlin.