Schlankheitskur für Smartphones - Immer kleinere Chips erst durch Vakuum möglich

Schlankheitskur für Smartphones - Immer kleinere Chips erst durch Vakuum möglich

Bei der Herstellung von Mikrochips arbeitet man heute mit Strukturen im Nanometer-Bereich. Da dürfen auch kleinste Staubpartikel und selbst Gasmoleküle nicht stören. Um sie fernzuhalten, wird Vakuum benötigt.
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Ohne Mikrochips geht heute (fast) nichts mehr. Vom Auto über die Produktionsanlage bis zum Smartphone und selbst in der Kaffeemaschine – überall sind die kleinen Rechner eingebaut. Sie machen die vielen Funktionen erst möglich, die uns heute per Knopfdruck oder Bildschirmwisch zur Verfügung stehen. Dahinter steckt eine enorme Rechenleistung in immer kleineren Einheiten. Die Chiphersteller arbeiten derzeit meistens mit der 14-nm-Technologie: Die kleinsten Funktionseinheiten besitzen nur noch 14 Nanometer Umfang. Ein Stecknadelkopf hat dagegen etwa einen Durchmesser von einer Million Nanometer.

Chucks und Vakuum-Schleusen

In dieser Dimension wirkt ein Staubkörnchen wie ein Felsbrocken. Die Produktion findet deshalb in Reinräumen mit gefilterter Luft statt, in die Menschen und Waren nur nach gründlicher Reinigung und durch eine Schleuse gelangen. Für letztere werden auch Vakuumpumpen eingesetzt, um mit dem Unterdruck Staubpartikel von Oberflächen zu saugen.

Im Reinraum selbst herrscht ein leichter Überdruck, sodass auch im Fall eines Lecks nichts hineingelangen kann. Der konstante Luftstrom, der dort nötig ist, wird von oben zugeführt. Im doppelten Boden des Reinraums befindet sich die dazugehörige Absaugeinheit. Die Siliziumscheiben (Wafer), die als Grundmaterial für die Chips dienen, werden bei verschiedenen Fertigungsschritten materialschonend von einer Vakuum-Haltevorrichtung (Chuck) fixiert.

Moleküle und Ionen

Bis hier haben wir es mit Grobvakuum zu tun. Wo es um den Aufbau der mikroskopisch kleinen Strukturen geht, wird jedoch Hochvakuum gebraucht. Das gilt zum Beispiel für die Bedampfung der Silizium-Wafer mit Metall. Zum einen erreichen die verwendeten Metalle so ihren Siedepunkt schon bei relativ niedrigen Temperaturen. Zum anderen würden auch kleinste Einschlüsse, selbst von Luftgas-Molekülen, die Leitfähigkeit der hauchfeinen Schichten beeinträchtigen. Ähnliches gilt für die Ionenimplantation. Dort werden Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt, gezielt auf die Wafer gelenkt und im Kristallgitter platziert.

Die EUV-Lithografie wäre ohne Vakuum gar nicht erst möglich. Dieses relativ neue Verfahren nutzt extrem ultraviolettes Licht mit sehr kurzer Wellenlänge, um besonders kleine Strukturen auf der Waferoberfläche zu belichten. EUV-Licht würde von Luft schon nach wenigen Millimetern vollständig absorbiert. Es kann sich nur bei sehr hohem Vakuumniveau ungehindert ausbreiten. Solche und ähnliche Technologien sind die Voraussetzung dafür, dass zum Beispiel unsere Smartphones immer flacher werden und dabei noch mehr Leistung und Funktion bieten können.

Man denkt unwillkürlich an einen Punkt, an dem es technisch nicht mehr weitergeht, der wie der gordische Knoten durchschlagen werden muss. In der Halbleiterwelt bezeichnet der Technologieknoten jedoch die minimale Fertigungsgröße der Leiterbahn eines Mikrochips. Und diese Größe wurde auch ohne den beherzten Schwertschlag eines Alexanders des Großen ständig reduziert.

Der erste Technologieknoten hatte den Wert von 10 Mikrometern – nach heutigen Maßstäben so dick wie ein Gartenschlauch. In der Massenfertigung gilt heute die Größe von 14 Nanometern. Es gibt aber bereits Chips in der 10- und 7-nm-Technologie. Die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) prognostiziert, dass etwa um 2020 5 Nanometer erreicht werden.

Mit jedem neuen Technologieknoten wird die Chipfläche ungefähr halbiert. Die Entwicklung der Leistungsfähigkeit der mikroelektronischen Schaltungen folgt dabei dem Mooreschen Gesetz. Danach verdoppelt sich die Komplexität integrierter Schaltkreise mit minimalen Komponentenkosten alle 12 bis 24 Monate.


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