Chips für jeden Zweck
immer weiter miniaturisiert und leistungsfähiger, um der Nachfrage nach kleineren, schnelleren und leistungsfähigeren Geräten zu entsprechen.
Halbleiter seien heute praktisch überall enthalten, erklärt Dr. Murat Gulcur, Material Development Manager für Halbleiter bei Trelleborg: „Die neuesten Smartphones haben mehr Rechenleistung als Großcomputer noch vor zehn oder 15 Jahren, und das, was in ihnen steckt, sehen wir als selbstverständlich. Niemand denkt darüber nach, was dafür nötig ist, ein hochauflösendes Foto in weniger als einer Sekunde in die sozialen Netzwerke hochzuladen, während Millionen andere Nutzer weltweit gleichzeitig dasselbe machen.“
Wenn nur zehn Prozent der Social-Media-Nutzer täglich gerade einmal ein Foto posten würden, müssten unvorstellbar große Datenmengen verarbeitet und gespeichert werden, erläutert er. „Dazu kommen die E-Mails, die permanent gespeichert und gesichert werden müssen. Die Datenmenge wächst immer weiter und hinter der ganzen Verarbeitung stecken Halbleiter.“
Die Rechenkapazität eines Mikrochips oder integrierten Schaltkreises hängt direkt von der Anzahl seiner Transistoren ab. Eine Maximierung der Rechenleistung bedeutet, dass mehr Transistoren auf diese Geräte passen müssen.
„Die Technologie, welche hinter den Halbleitern steckt, hat sich im Laufe der Jahre massiv weiterentwickelt, und das betrifft insbesondere die Miniaturisierung“, erläutert Dr. Gulcur. „Die erste integrierte Schaltung bestand gerade einmal aus 16 Transistoren mit einer Kenngröße von 40 Mikrometern oder 40.000 Nanometern — etwa halb so breit wie ein menschliches Haar.“ Er erklärt, dass sich der Begriff „Kenngröße“ auf die Größe der Elemente auf einem Halbleiter bezieht.
1965 sagte Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf eine bestimmte Fläche Silizium passen, alle zwei Jahre verdoppeln würde. Einige Jahre später korrigierte er seine Aussage, die heute als Mooresches Gesetz bekannt ist und sagte, dass die Verdopplung nur alle 18 bis 24 Monate erfolgen würde. Diese erstaunliche Vorhersage erwies sich als zutreffend.
Heutzutage bestehen die integnikrierten Schaltkreise aus Milliarden von Transistoren und die Herstellung erfolgt im Nanobereich. Die fortschrittlichsten Technologieknoten haben heute eine Kenngröße von gerade einmal 5 Nanometer — das sind fünf Milliardstel eines Meters.
„Das Mooresche Gesetz war noch bis vor Kurzem gültig“, sagt Dr. Gulcur, „doch vielleicht wird sich in naher Zukunft endlich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis verlangsamen. Wir sind am Ende, denn die Kenngröße erreicht langsam die physikalische Platzbegrenzung eines Halbleiters und es passen einfach nicht mehr Transistoren auf die zweidimensionale Fläche eines Chips.“
Dennoch müssen die Verarbeitungsleistung und Geschwindigkeit der Datenübertragung weiterhin zunehmen. „Dies wird nicht nur bei den Geräten benötigt, die wir täglich sehen und handhaben, sondern auch für aktuelle, kritische Entwicklungen, die eine große Speicher- und Verarbeitungskapazität benötigen. Dazu zählt unter anderem das autonome Fahren, künstliche Intelligenz, Big Data, die Cloud und das Internet der Dinge.“
„Die Halbleiteringenieure erhöhen die Verarbeitungsleistung, indem sie eine komplexe Architektur in drei Dimensionen erschaffen, damit mehr Transistoren auf eine Flächeneinheit passen“, erläutert Dr. Gulcur weiter. „Wir gehen über die Bereiche der traditionellen Physik hinaus und begeben uns in die Quantenphysik und -mechaintegnik.
Damit verändern sich auch die Gestaltungsregeln.“
Mikrochips werden in Halbleiterwerken hergestellt, die im Grunde riesige Reinräume mit teurer Spezialausrüstung für die Produktion ausgestattet sind. Ein Großteil dieser Ausrüstung hängt von sehr gut wirkenden Dichtungen ab, die auch den besonders harten Bedingungen der Laborbearbeitung standhalten.
„Eine verlängerte Lebensdauer von Dichtungen ist ausschlaggebend für die Verlängerung geplanter Wartungsintervalle“, sagt Dr. Gulcur. „So lassen sich die Gesamtbetriebskosten von Halbleiterfabriken reduzieren, aber noch viel wichtiger ist, dass sie den Output von Wafer optimiert. In hochvolumigen Halbleiter- Produktionslinien kommt es auf jede Sekunde an. Ausfallzeiten wegen Notfällen sind zu vermeiden und geplante Servicezeiten zu minimieren.“
Im Nanometer-Maßstab ist Luft äußerst schmutzig. In der Mikrochip-Herstellung müssen alle Bestandteile, also auch die Dichtungen, so sauber wie möglich sein, damit von außen keine Partikel in den Herstellungsprozess von Halbleitern eindringen können.
„Partikel, die mit bloßem Auge nicht einmal zu sehen sind, können bei Wafern zu Fehlern führen“, sagt Dr. Gulcur. „Es ist daher von größter Wichtigkeit, dass Dichtungen, die in diesem Bereich zum Einsatz kommen, bei der Lieferung super sauber sind. So sollen Schäden an den winzig kleinen elektronischen Bauteilen vermieden werden, die zu sogenannten Killer-Defekten führen. Unsere Dichtungen für die Halbleiterfertigung werden deshalb ebenfalls im Reinraum hergestellt, wo sie vom Rohstoff sie bis zum Endprodukt bleiben. Nach einer intensiven Reinigung werden sie spezialverpackt und dürfen erst dann hinaus. Dies hilft unseren Kunden, die Erträge zu steigern.“
Die Dichtungen müssen zudem in allen Verfahrensschritten der Halbleiterfertigung die volle Leistung erbringen. Dies ist besonders anspruchsvoll, da immer mehr Schritte hinzukommen und die Anforderungen der Halbleiterwerke immer strenger werden.
„Die Zahl der Arbeitsschritte bei der Fertigung eines Mikrochips ist gestiegen“, erläutert Dr. Gulcur. „Als es noch um eine Größe von 28 Nanometer ging, handelte es sich um rund 400 Verfahrensschritte. Bei einer Kenngröße von 5 Nanometer sind tausende Schritte nötig, obwohl die extrem ultraviolette Lithografie (EUV) für hochwertige- Halbleiter inzwischen ebenfalls unglaublich fortgeschritten ist.“
„Jeder einzelne Verfahrensschritt müsse im Reinraum stattfinden”, sagt er. „Unsere Reinräume sind sauber. Nach ISO 5/Klasse 100 haben wir maximal 100.000 Partikel pro Kubikmeter, die größer als 0,1 Mikrometer sind. Die Reinräume der Halbleiterhersteller sind ISO 1 — sie sind also 10.000-mal sauberer als unsere.“
„Unsere Dichtungen unterliegen einer fortwährenden Entwicklung“, sagt er weiter. „Mit den stetig steigenden Anforderungen der Branche für mehr Verarbeitungsleistung und Volumen erhöhen sich auch die Anforderungen an die Mikrochiphersteller und an uns.“
„Die speziellen Werkstoffe, die einst völlig ihre Aufgabe erfüllten, kommen nun an ihre Grenzen, und wir müssen nun die nächste Generation noch besserer Werkstoffe entwickeln. Damit wir weiterhin die Bedingungen der Hersteller von Halbleiterausrüstung erfüllen können, müssen wir ständig wachsam sein, also nicht nur den Trends folgen, sondern sie vorwegnehmen und abschätzen, wie sie sich auf unsere Produkte auswirken. Wir müssen stets darauf gefasst sein, zu handeln.“