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Moores Law ist noch lange nicht am Ende

Seit über 50 Jahren bestimmt das Moore’sche Gesetz die Entwicklung der Mikrochips. Inzwischen sind diese so klein, dass eine ­weitere Miniaturisierung kaum möglich erscheint. Doch noch ist die Entwicklung nicht am Ende.

Seit über 50 Jahren behält die Halbleiterindustrie das Tempo des Moore’schen Gesetzes bei und verdoppelt die Dichte der Transistoren auf den integrierten Schaltkreisen etwa alle zwei Jahre. Das ist vor allem durch immer neue Fortschritte in der Mikrolithografie möglich. Durch den Einsatz von Lichtquellen mit immer kürzerer Wellenlänge im Lithografiesystem konnten immer ­kleinere Strukturen auf die Wafer übertragen werden. Wurde anfangs mit Wellenlängen von 436 Nanometern gearbeitet, reduzierten sie sich mit fortschreitender Technologieentwicklung auf 405, 365, 248 und 193 Nanometer bis hin zu 13,5 Nanometern – dies wird als EUV-Lithografie ­bezeichnet. 

Feinste Strukturen mit UV-Licht

EUV steht für „extrem ultraviolett“, also Licht mit extrem kurzer Wellenlänge. Die mit EUV-Lithografie hergestellten Mikrochips sind seit Ende 2018 in der Massenproduktion angekommen. Damit werden heute Chips mit Strukturen von sieben oder sogar fünf Nanometern hergestellt. Doch die Entwicklung geht weiter: Neben der Wellenlänge ist auch die sogenannte „numerische Apertur“ entscheidend für die Größe der Strukturen auf einem Chip. Der Wert beschreibt Lichtstärke und Auflösungsvermögen eines optischen ­Systems. Je größer die numerische Apertur, desto besser kann ein Objektiv Details auflösen. Dank immer ­präziseren Fertigungstechnologien erreichen EUV-­Lithografieanlagen der neusten Generation eine numerische Apertur von 0,55. ­Damit lassen sich sogar Zwei-Nanometer-ICs produzieren, die dann technisch am höchsten ­entwickelten ICs der Welt. 

Die nächste Generation wartet schon

Und die Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen: Weitere Strukturverkleinerungsschritte sind schon fest im Visier der weltweiten Lithografie-Forschung. Unter dem Begriff „Next-Generation-Lithografie“ werden Kandidaten für die Nachfolge der konventionellen Fotolithografie zusammengefasst. Dazu gehören zum Beispiel die Röntgenlithografie oder auch Verfahren wie die Elektronen- und Ionenstrahllithografie.

Bei der Verwendung von Röntgenstrahlen mit Wellenlängen zwischen 0,4 und 4 Nanometern lassen sich ­theoretisch kleinere Strukturen herstellen – das Verfahren besitzt eine erheblich größere Tiefenschärfe. ­Anstelle chrombeschichteter Glasmasken werden Folien aus ­Beryllium, teils auch aus Silizium verwendet. Um die Röntgenstrahlung zu absorbieren, werden die Folien mit schweren Elementen wie Gold beschichtet. Die Anlagen sowie die Masken sind sehr teuer. Dennoch sorgt die Nachfrage nach immer kleineren Chips dafür, dass der Weltmarkt für Röntgenlithografieanlagen laut den Marktanalysten von Fact.MR bis 2031 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 4,3 Prozent stetig wachsen wird.

Bei der Elektronenstrahllithografie (EBL) wird die Struktur durch einen fokussierten Elektronenstrahl mit einer Punktgröße im Nanometerbereich auf den Fotolack übertragen. Die Auflösung ist nicht durch die Wellenlänge der Elektronen begrenzt: bei 20 Kiloelektronenvolt beträgt sie nur rund neun Pikometer. Doch in der Praxis wird die Strukturgröße durch die Elektronenoptik, die Streuung der Elektronen in der belichteten Probe und die Eigenschaften des Resists begrenzt. Das Verfahren ist zwar langsam im Produktionsprozess, bietet aber eine hohe Genauigkeit und Flexibilität. Zudem werden keine Masken benötigt, was zusätzlich Kosten spart. 

Eine weitere Möglichkeit der Lithografie ist die Bestrahlung der Wafer mit Ionen. Mit den Ionen kann der Wafer sowohl über eine Maske strukturiert als auch direkt wie bei der Elektronenstrahlmethode beschrieben werden. Im Falle von Wasserstoffionen beträgt die Wellenlänge 0,0001 Nanometer.

Strukturen, die sich selber ­aufbauen

Eine völlig andere Art, Strukturen auf ­einem Wafer zu bilden, ist „Directed Self-Assembly“, (DSA, etwa: geführte Selbstanordnung). Bei der DSA kommen verschiedene Materialien zum Einsatz, vor allem aber die ­sogenannten Blockcopolymere (BCP), die aus zwei durchgehenden, miteinander verbundenen und nur wenige zehntel ­Nanometer langen Strängen unterschiedlicher Polymere bestehen. Diese beiden Polymerketten stoßen sich gegenseitig ab, ähnlich wie Öl und Wasser. Die ähnlichen Komponenten versuchen zusammenzubleiben, während gleichzeitig die gegensätzlichen Komponenten ­versuchen, sich voneinander zu trennen. Daher bewegen sie sich so lange umher, bis eine nanoskalige Struktur entsteht. Indem man den Volumenanteil der Blöcke in der Polymerkette anpasst, kann man eine Reihe unterschiedlicher ­regelmäßiger Muster und Formen erzeugen. Die Fähigkeit zur Selbstassemblierung dieser Strukturen ist aber nur ein Etappenziel auf dem Weg zu ­echten Herstellungsprozessen. Sie müssen dort positioniert werden, wo die Transistoren im integrierten Schaltkreis benötigt werden. Das kann erreicht werden, indem ­mithilfe der traditionellen Lithografie­methoden Führungsmuster erzeugt werden. Diese dirigieren dann die Blockcoplymere so, dass sie nanoskalige Eigenschaften auf der Oberfläche eines Silizium-Wafers schaffen. Mit den ersten dieser Materialien konnten zuverlässig funktionierende Halbleiter nur im 22-Nanometer-Bereich hergestellt werden. Mit neueren Materialien gelingt es – zumindest im Labor – Prozesse auch für Halbleiterstrukturen bis fünf Nanometer zu realisieren.

Endet die Gültigkeit des Moore’schen Gesetzes?

Auch wenn schon seit 2010 immer mal ­wieder behauptet wird, dass das ­Moore’sche Gesetz seine Grenzen erreicht hat und eine weitere Miniaturisierung der Chips nicht mehr möglich ist, so ­gehen ­Experten heute davon aus, dass das Gesetz noch mindestens zehn Jahre seine Gültigkeit behalten wird. Aktuell verfügen High-End-Chips über Strukturgrößen von fünf ­Nanometern. Doch sowohl Intel als auch TSMC planen bereits die ­Serienfertigung von Zwei-­Nanometer-Chips – damit ­können dann bis zu 50 ­Milliarden Transistoren auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels untergebracht werden. Mehr ­Transistoren auf einem Chip bedeuten auch mehr Möglichkeiten, um zum Beispiel Computing-Power für ­KI-­Anwendungen oder neue Wege für hardwaregestützte Sicherheit und Verschlüsselung auf dem Chip zu ­integrieren. Zudem sollen Zwei-­Nanometer-Chips eine um 45 Prozent ­höhere Leistung bzw. einen um 75 Prozent geringeren Energieverbrauch als Sieben-Nanometer-­Knoten ­erreichen. Diese Hightech-Wunder könnten ab dem Jahr 2025 auf den Markt ­kommen.

Doch auch mit diesen Chips dürfte das Moore’sche Gesetz noch nicht enden: Künftig wird durch neue Packaging-Technologien, innovative Materialien und komplexe 3D-Designs die Zahl der Transistoren pro Bauelement weiter steigen. Intel hat als Ziel ausgerufen, bis 2030 eine Billion Transistoren auf einem Chip zu erreichen. 

Kleiner, Stärker, Preiswerter

Lange Zeit beherrschte das Moore’sche Gesetz die ­Anforderungen an die Entwicklung neuer Mikrochips. Doch neue Technologie-Trends wie das Internet der Dinge oder Künstliche Intelligenz stellen die Halbleiterindustrie vor neue ­Herausforderungen, während gleichzeitig die Miniaturisierung der Chip-Strukturen zunehmend an ihre Grenze stößt.

Seit es die Halbleitertechnologie gibt, haben sich die Anforderungen der Kunden im Großen und Ganzen nicht wirklich geändert: Immer besser, schneller und billiger sollen die Mikrochips sein. In der Tat hat die Halbleiterindustrie große Fortschritte bei der Entwicklung ihrer Halbleiterprodukte gemacht. Konsequent hat sie das Moore’sche Gesetz, nach dem sich die Anzahl der Schaltkreise auf einem Mikrochip alle zwei Jahre verdoppelt, weiter umgesetzt. Kleinere Chips mit dichter gepackten Transistoren ermöglichen die Herstellung kleinerer, leistungsfähigerer elektronischer Geräte zu niedrigeren Preisen. Ein in der Branche oft zitierter Vergleich verdeutlicht diese Fortschritte sehr anschaulich: Wenn die Automobilindustrie in den letzten 30 Jahren ähnliche Leistungsverbesserungen erzielt hätte, würde ein Rolls-Royce nur 40 Dollar kosten und mit einer Gallone Benzin achtmal die Erde umrunden können – mit einer Höchstgeschwindigkeit von 2,4 Millionen Meilen pro Stunde. 

More Moore oder More Than Moore?

Doch die Halbleiterentwicklung stößt zunehmend an die Grenzen des Moore’schen Gesetzes: Inzwischen nähern sich die Strukturen auf den Chips atomaren Größenordnungen und lassen sich nicht weiter reduzieren. Eine Lösung ist der 3D-Ansatz: Dabei werden Schichten von Transistoren übereinandergestapelt, wodurch sich die Anzahl der Bauteile pro Quadratmillimeter noch einmal weiter erhöhen lässt, selbst wenn die physikalischen Abmessungen in der Ebene nicht mehr weiter reduziert werden können. Dabei könnten die Hersteller auch verschiedene Halbleitermaterialien übereinanderschichten, zum Beispiel auf eine Lage mit herkömmlichen Silizium-Transistoren eine Ebene aus Verbindungshalbleitern wie Indiumgalliumarsenid aufbringen. Sie können spezielle Aufgaben übernehmen, wie eine besonders ­schnelle Signalverstärkung oder die Detektion von Licht. In dieser Integration zusätzlicher Funktionen in die Chips sehen viele Experten die Alternative zur Fortführung des Moore’schen Gesetzes. Ihre Devise lautet: Statt „More ­Moore“ (weitere ­Miniaturisierung) lieber „More than Moore“ (die Vereinigung von digitalen und nicht digitalen Funktionen auf demselben Chip). Zu finden sind derartige Lösungen bereits heute in vielen Bauelementen, zum Beispiel bei mikroelektromecha­nischen Systemen (MEMS) oder bei Funk- und Analog/Mixed-Signal-Technologien (RF/AMS).

Neue Lösungen für KI-Anwendungen 

Viele der Innovationen in der Halbleiterindustrie wurden durch zwei übergeordnete Technologietrends angestoßen: Künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge.

KI stellt die Halbleitertechnologie vor völlig neue Herausforderungen, denn die dabei verarbeiteten und gespeicherten Datenmengen sind enorm groß. Um sie zu bewältigen, ist eine verbesserte Halbleiterarchitektur notwendig. Dabei geht es weniger um die Verbesserung der Gesamtleistung oder Rechenpower, sondern vielmehr um die Beschleunigung des Datentransfers aus und in den Speicher sowie um effizientere Speichersysteme. So wurden spezielle neuro­nale Chips entwickelt, die wie die Synapsen des menschlichen ­Gehirns funktionieren. Anstatt ständig Signale zu senden, ­arbeiten sie nur bei Bedarf. Zudem verarbeiten KI-Chips ­Daten in vielen parallelen Prozessen, nicht wie bisherige ­Prozessoren hintereinander weg. Daneben kommen verstärkt nichtflüchtige Speicher bei KI-Halbleitern zum Einsatz. Sie können Daten auch ohne ständige Stromzufuhr speichern. Die Kombination dieser nichtflüchtigen Speicher mit KI-Prozessoren auf einem „System-on-a-Chip“ bietet eine Lösung für die ­Anforderungen moderner KI-Applikationen.

Mikrochips im Netz der Dinge

Basis des Internets der Dinge sind kleine Mikroprozessoren, die in Gegenstände eingebaut sind und über Funk kommunizieren. Über integrierte Sensoren sind diese ­Mini-Computer in der Lage, ihre Umgebung wahr­zunehmen, die Informationen weiterzuverarbeiten und mit ­anderen Objekten oder dem Internet zu teilen.

Das erfordert Mikrocontroller, die auf begrenztem Raum Sensoren, Prozessoren, Speicher, Wi-Fi-Fähigkeit, mikro­elektromechanische Systeme und eine Reihe von ­analogen und digitalen Schaltungen integrieren. Gleichzeitig soll der Stromverbrauch möglichst niedrig sein, da die (größtenteils mobilen) Objekte nicht an ein Stromnetz angeschlossen werden können oder aber ein häufiger Batterietausch zu aufwändig und zu teuer wäre. Beispielsweise wird derzeit überlegt, das heute üblicherweise in integrierten Schaltkreisen verwendete Basismaterial Silizium durch ein neues Halbleitermaterial wie Galliumarsenid zu ersetzen.

Da viele IoT-Geräte zudem raue Umgebungsbedingungen aushalten müssen, stellt der Einsatz hohe Anforderungen an die Robustheit der Halbleiterprodukte, zum Beispiel in puncto Vibration, Temperatur-, Wasser- und/oder Salzresistenz. 

Hohe Leistung für 5G 

Sein volles Potenzial wird das IoT aber erst mit dem ­neuen Mobilfunkstandard 5G ausschöpfen können. Mit ­hoher Bandbreite und Übertragungsqualität sowie geringer ­Latenz stellt 5G in vielen Bereichen die technische Grundlage für den nächsten Entwicklungsschritt des IoT dar. Eine Lösung hierfür bietet Hochfrequenz- und Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC). Diese sogenannten Wide-Bandgap-Halbeiter (WBG) zeichnen sich unter anderem durch eine deutlich höhere Energieeffizienz aus.

Energieeffiziente Leistungselektronik

Zehnmal kleiner als herkömmliche Silizium-Halbleiter können WBG-Halbleiter für die Leistungselektronik gefertigt werden und verlieren bis zu 50 Prozent weniger Wärme. Zudem können Transistoren aus WBG-Halbleitern die Schaltfrequenz gegenüber Silizium-Transistoren um bis zu 500 Prozent steigern. Mit diesen Eigenschaften können SiC- und GaN-Halbleiter in vielen Anwendungsgebieten die steigenden Kundenanforderungen erfüllen – von der Elektromobilität über Fotovoltaik-Wechselrichter bis hin zu Schnellladegeräten. 

Gemeinsam stark

In der aktuellen Diskussion rund um HalbleiterEngpass und Technologieführung im Mikrochip-Markt scheint es so, als wenn Europa in der HalbleiterBranche nichts zu bieten hätte. Doch dem ist nicht so – auf dem gesamten Kontinent haben sich in den letzten Jahren Cluster ­gebildet, in denen sich Akteure aus den verschiedensten Bereichen der Halbleiterindustrie ­zusammengetan ­haben.

Die Europäische Union sieht in der Stärkung der Halbleiterkompetenz in Europa eine Investition in eine zentrale Zukunftstechnologie und einen wichtigen Schritt für den Erhalt und Ausbau der Wettbewerbsfähigkeit. Mit dem “European Chips Act” und dem Förderprogramm „Important Project of Common European Interest” (IPCEI) werden dafür Milliarden in die Hand genommen. 

Bei der aktuellen Diskussion scheint es oftmals so, als wenn Europa mehr oder minder Ödland im Bereich der Halbleiterindustrie wäre. Doch tatsächlich werden immerhin knapp zehn Prozent aller Halbleiter weltweit in Europa produziert. In den vergangenen Jahren hat sich dazu rund um die Halbleitertechnologie eine Cluster-Struktur entwickelt, also regionale Zentren, in denen sich verschiedene Akteure der Halbleiterindustrie angesiedelt haben. Allein elf dieser Cluster-Regionen sind unter dem Dach von Silicon Europe vereint – mit insgesamt rund 2.000 Clustermitgliedern aus Wissenschaft und Industrie.

Chips und mehr aus Sachsen

Der größte Mikroelektronik-Standort in Europa ist dabei „Silicon Saxony“, dessen Kern die vier Halbleiter-Fabs von Globalfoundries, Infineon, Bosch und X-Fab bei Dresden bilden. Laut dem Branchenverband trägt inzwischen ­jeder dritte in Europa produzierte Chip den Aufdruck „Made in Saxony“. Rund um die Fabs haben sich eine Vielzahl von Unternehmen aus den verschiedensten Bereichen der Halbleiterindustrie zusammengefunden, etwa 2.500 sächsische Unternehmen mit insgesamt 70.500 Mitarbeitern sind auf allen Stufen der Wertschöpfungskette aktiv. Sie profitieren dabei auch vom starken akademischen ­Umfeld im Freistaat: Vier Universitäten, fünf Fachhochschulen, neun Fraunhofer-, drei Leibniz-, ein Helmholtz- und zwei Max-Planck-Institute sind auf dem Gebiet Mikroelektronik bzw. Informations- und Telekommunikationstechnik aktiv – und nicht selten sogar weltweit führend. Das ­„Silicon ­Saxony“ ist damit Europas größter Mikroelektronik-Standort und der fünftgrößte weltweit. So viel Know-how und Förderung zieht weitere Investitionen an, wie Harald Kröger, Geschäftsführer der Robert Bosch GmbH, erklärt: „In Dresden trifft modernes Unternehmertum auf wissenschaftliche Exzellenz und ­industriepolitische ­Verantwortung“, sagte Kröger. „Bosch hat sich daher ­bewusst entschieden, die größte Einzel­investition in seiner mehr als 130-jährigen Geschichte hier in der Region zu tätigen.“ 2021 nahm das Unternehmen seine neue Halbleiterfabrik in Dresden in Betrieb. Am neuen Standort werden für die wachsenden Anwendungen in der ­Mobilität und im Internet der Dinge Halbleiter auf Basis der 300-Millimeter-Technologie produziert.

Hochland der Mikroelektronik

2021 eröffnete auch Infineon seine neue Hightech-­Chipfabrik für Leistungselektronik auf 300-Millimeter-Dünnwafern, entschied sich aber für den Standort Villach in Österreich. Mit dieser Investition hat der „Silicon Alps Cluster“ eine deutliche Dynamik erfahren. Auch AT&S und AVL in der mobilen Energieversorgung haben hier Großinvestitionen getätigt. „Netzwerke und Cluster sind die Basis für Innovationen, wirtschaftlichen Erfolg und die Wettbewerbsfähigkeit von Regionen und Unternehmen“, betont Dr. Robert Gfrerer, Geschäftsführer der Silicon Alps Cluster GmbH. Das Silicon Alps Cluster ist ein schnell wachsendes Netzwerk von Unternehmen, Organisationen und Forschungseinrichtungen, das sich der Förderung des Elektronik- und Mikroelektroniksektors im Süden Österreichs widmet. 

Chips von der grünen Insel

Zu den wichtigen Produktionszentren von Halbleitern in der EU gehört auch Irland. Das Land ist seit langem in der Halbleiterindustrie vertreten: Schon 1976 eröffnete ­Analog Devices eine Fabrik in Limerick, mit der Eröffnung der europäischen Produktions- und Technologiezentrale von Intel im Jahr 1989 in der Nähe von ­Dublin hat sich die Branche dann endgültig auf der ­Grünen Insel ­etabliert. Ein Grund dafür ist sicherlich auch, dass das irische Steuer­system lange besonders wettbewerbsfähig ausgestaltet war. I­nzwischen hat sich auch hier mit MIDAS ein industriegeführtes Cluster ­gebildet, das sich aus rund 70 ­Industrie-, Bildungs-, ­Forschungs- und Regierungs­einrichtungen zusammensetzt. Die Mitglieder sind im ­gesamten ­Spektrum der ­Mikro- und ­Nanoelektronikbranche in Irland tätig – Design, ­Beratung, Technik, Forschung und Herstellung. 

Branche mit Gewicht

Heute bietet das europäische Halbleiter-Ökosystem rund 200.000 direkte und bis zu 1.000.000 induzierte ­Arbeitsplätze in Systemen, Anwendungen und Dienstleistungen in Europa. Insgesamt trägt die Mikro- und ­Nanoelektronik laut der European Semiconductor ­Industry ­Association (ESIA) zur Erzeugung von mindestens zehn Prozent des Bruttoinlandsproduktes in Europa bei – auch ein ­Erfolg der starken Halbleiter-Cluster. „Die Zusammenarbeit zwischen der Industrie und den Regierungen ist von entscheidender Bedeutung für den weiteren Erfolg“, so Kurt ­Sievers, Präsident der European Semiconductor ­Industry Association (ESIA).