In den vergangenen 50 Jahren erlebte die moderne Informationsgesellschaft eine fulminante technologische Entwicklung. Elektronische Chips für Computer, Handys und Tablets wurden immer schneller und leistungsfähiger. Die Anzahl der Schaltelemente auf einem einzelnen Chip wurde von 2.300 im Jahr 1970 auf heute über 1,3 Billionen erhöht. Vor 45 Jahren waren die kleinsten Teile dieser Billionen Transistoren noch so groß wie der Durchmesser eines menschlichen Haars, etwa 75.000 Nanometer. Heute liegen die Abmessungen bei nur noch 14 Nanometern.

Elektronische Bauelemente werden immer kleiner, aber das Ende der Miniaturisierung mit herkömmlichen Technologien ist absehbar. Experten vermuten, dass zwischen 2025 und 2035 die physikalische Konstruktionsgrenze heutiger Transistoren erreicht sein wird. Leistungsfähige elektronische Geräte bei gleichzeitig möglichst niedrigem Energieverbrauch erfordern nicht nur völlig neu konzipierte Transistoren, sondern auch immer kleinere Strukturen für diese Halbleiter-Bauelemente. Zudem muss es möglich sein, die winzigen Strukturen in Massenfertigung herzustellen. Derzeit ist der Betrieb solcher Transistoren nur im Labor bei extrem tiefen Temperaturen von unter minus 200 Grad möglich.

Im soeben beendeten europäischen Verbundprojekt „Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS Devices (SNM)“ (www.snm-project.eu) optimierte ein großes europäisches Forscherteam unter der Leitung von Professor Ivo W. Rangelow, Leiter des Fachgebiets Mikro- und Nanoelektronische Systeme der TU Ilmenau, die bisherigen Herstellungsmethoden für schnelle elektronische Baueinheiten und ermöglichen die Produktion elektronischer Strukturen von unter zwei Nanometern.

Die bahnbrechenden wissenschaftlichen Ergebnisse des SNM-Projekts ermöglichen nun die Massenfertigung einer neuen Generation hochleistungsfähiger und extrem energiesparender Elektronik. Ein wesentlicher Fortschritt: Je kleiner die in einem Transistor verarbeiteten Strukturen, desto mehr Transistoren finden auf dem CPU, dem Hauptprozessor, Platz, und umso leistungsfähiger wird der Computer. Die Erhöhung der Rechenkapazität ebenso wie die der Speicherkapazität sind für die längst begonnene Erweiterung des Internets zum Internet der Dinge dringend notwendig. Nur so wird es in der digitalen Welt möglich sein, den Computer mit immer mehr „intelligenten“ Gegenständen aus der Alltagswelt zu verbinden, damit Computer, Kühlschrank & Co. miteinander kommunizieren können.

Dabei wird die höhere Rechnerleistung sogar bei wesentlich geringerem Energieverbrauch erzielt. Die Akkuleistung mobiler elektronischer Geräte wie Laptops und Smartphones ist heute eine ihrer größten Schwachstellen. Um den Energieverbrauch von hochintegrierten elektronischen Schaltungen und damit von elektronischen Geräten drastisch zu reduzieren, kombinierten Prof. Rangelow und sein Forscherteam bisherige Herstellungsverfahren auf neue Art und Weise oder sie entwickelten gar vollkommen neue, innovative Methoden. Dadurch könnte der Energieverbrauch mobiler Geräte mittelfristig um das 25-fache gesenkt werden. Prof. Rangelow mahnt aber zur Vorsicht, die Erwartungen zu hoch zu schrauben: „Der Energieverbrauch eines Handys hängt von so vielen Faktoren ab, dass eine Einsparung in der Größenordnung zwar theoretisch möglich ist, aber nicht wissenschaftlich seriös vorhergesagt werden kann. Ganz sicher aber haben wir mit unseren neuen Verfahren den Weg dafür geebnet, dass ein Nutzer sein Handy in Zukunft wesentlich seltener wieder aufladen muss. Ich könnte mir vorstellen: statt heute jeden Tag nur noch etwa alle fünf Tage.“

Die Ergebnisse des SNM-Projekts wurden durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von 16 hochkarätigen Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen aus acht europäischen Ländern ermöglicht. Bei ihren Forschungsarbeiten nutzten die 50 Wissenschaftler Quanteneffekte, um ultrakleine sogenannte Einzelelektronen-Bauelemente konstruieren zu können. Im Gegensatz zur klassischen Physik erlaubt die Quantenmechanik präzise Berechnungen der physikalischen Eigenschaften von Materie bis hin zum Größenbereich von Elementarteilchen. Die wissenschaftliche Analyse von Strukturen in der Größenordnung unter zehn Nanometern ist äußert aufwändig und wurde vom niederländischen Institut für Metrologie VSL, einem international führenden Institut für Messtechnik, koordiniert. Die Messung der Einzelelektronen-Bauelemente gelang am Imperial College London, einer britischen Universität, deren eigener Anspruch Forschung der Weltklasse unter anderem in Natur- und Ingenieurwissenschaften ist. Dabei ergab die Analyse einen Durchmesser der kleinsten funktionellen Strukturen von nur 1,8 Nanometern. Zu Beginn des SNM-Projektes, also erst vor vier Jahren, wurden mit herkömmlichen Herstellungsmethoden noch 35 Nanometer erreicht.

Die Herstellung elektronischer Bauelemente mithilfe von Lithographie-, also von Schreibverfahren, erfolgt in zwei Schritten. Zunächst werden die Strukturen in eine Lackschicht „geschrieben“. Damit wird, wie bei der Negativherstellung in der analogen Fotografie, die Maske für den zweiten Schritt erstellt. Anschließend werden die Strukturen von der Lackschichtmaske in das Silizium geätzt – aus dem „Negativ“ wird das eigentliche „Positiv-Foto“, das elektronische Bauteil. Bis ein vollständiger, ultrakleiner Schaltkreis hergestellt werden kann, müssen die einzelnen, äußerst komplexen Schritte dutzend-, ja hundertfach ausgeführt werden. Mithilfe sogenannter langsamer Elektronen modellierten die Wissenschaftler an der TU Ilmenau mit einer oder mehreren Nanometer großen Spitzen Strukturen im Bereich unter zehn Nanometern. Dieses Schreibverfahren, Raster-Sonden-Technik genannt, ermöglicht nicht nur das Schreiben, sondern auch das Lesen und die ultragenaue Anordnung von Nanostrukturen. Für Prof. Rangelow ist die Entwicklung elektronischer Strukturen von unter zwei Nanometern eine herausragende wissenschaftliche Leistung: „Weltweit werden intensiv Technologien gesucht und erforscht, die Computer der Zukunft, sogenannte Quantencomputer, ermöglichen. Im Unterschied zu herkömmlichen Digitalrechnern basieren diese Computer ausschließlich auf Gesetzen der Quantenmechanik. Quantencomputer werden ungleich leistungsfähiger sein, denn mit ihnen könnten wir bestimmte Probleme der Informatik, zum Beispiel die Suche in extrem großen Datenbanken, vermeiden. Die von uns entwickelte Raster-Sonden-Technik hat mit der Herstellung von zwei Nanometer kleinen Strukturen das Tor in diese neue Quantencomputerwelt ein gutes Stück geöffnet.“

Von der Gesamtförderung für das EU-Verbundprojekt „Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS Devices“ von fast 18 Millionen Euro für vier Jahre stammen gut 12 Millionen aus dem 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union, die restlichen sechs Millionen wurden von allen beteiligten Partnern aufgebracht.

Wesentliche Beiträge zu den neuen Technologien lieferten internationale Partner der TU Ilmenau:

• Die Herstellung ultrakleiner und sogar dreidimensionaler Bauelemente wurde mit einem thermischen Lithographieverfahren erzielt, das vom weltweit mit führenden Unternehmen für Hard- und Software IBM erfunden und im SNM-Projekt erheblich optimiert wurde. IBM führte die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in enger Zusammenarbeit mit einer jungen schweizerischen Start-up-Firma, der SwissLitho AG, durch. Als Ergebnis der Arbeiten brachte SwissLitho das erste kommerzielle Gerät zur Herstellung ultrakleiner elektronischer Bauteile auf den Markt: den NanoFrazor.

• Die größte öffentliche Forschungseinrichtung Spaniens, der Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC, demonstrierte neue Methoden zur Fertigung von Bauelementen aus Nanodrähten, deren Dicke unter zehn Nanometern liegt.

• Das britische kleine Technologieunternehmen für Forschung und Entwicklung sowie Prototypentwicklung Oxford Scientific Consultants wandte erfolgreich eine neue Schreibtechnik an, die Heliumionen anstatt Elektronen benutzt.

• Lackschichten, die sowohl für die Lithographie als auch für das Übertragen der geschriebenen Strukturen in das Trägermaterial Silizium verwendet werden, wurden an der Universität Bayreuth so weit verbessert, dass Strukturen kleiner als zehn Nanometer in Silizium hergestellt werden können.

• Die Übertragung in das Silizium erfolgt mithilfe von Ätzverfahren, die an die Strukturherstellung in kleinster Größenordnung und für die Nutzung der neuen Lackschichten angepasst wurden. An den Arbeiten beteiligt waren neben der TU Ilmenau das Interuniversity Microelectronics Centre IMEC, eines der größten europäischen Forschungszentren für Nano- und Mikroelektronik, die Open University, die größte staatliche Universität Großbritanniens, und Oxford Instruments, ein britisches Unternehmen, das wissenschaftliche Geräte für Industrie und Forschung entwickelt.

• Die für die Massenfertigung der elektronischen Strukturen notwendige Geschwindigkeit erzielte der österreichische Hersteller von Prozessanlagen EV Group (EVG) mithilfe der sogenannten Nanoprägelithographie, Nanoimprint. Durch die Entwicklung von automatischen Systemen für die Nanoimprint-Lithographie können bis zu 30 Substrate pro Stunde hergestellt werden. Dies ist eine erhebliche Steigerung gegenüber manuellen Anlagen und ermöglicht Industrieanwendungen.

• Die niederländische Technische Universität Delft entwickelte ein hochauflösendes lithographisches Verfahren, mit dem die Geschwindigkeit mit Hilfe von 25 Elektronenstrahlen statt wie bisher nur mit einem deutlich gesteigert wird.