Klein, kleiner, Nano
Im Forschungszentrum Jülich werden die Grenzen der Natur überwunden. Heraus kommt die Technik von morgen.
JÜLICH In jedem modernen Gerät, von der Waschmaschine bis zum Handy, sitzt Elektronik, die auf mikroskopisch kleinen Strukturen basiert. In der Helmholtz Nano Facility (HNF) im Forschungszentrum Jülich wird an genau diesen Strukturen im Nanometerbereich geforscht. Das Ziel der Wissenschaftler: schnellere, kleinere und effizientere Schaltkreise. In Zukunft könnte es hauchdünne Computer geben, die auf der Haut liegen und durch Körperwärme und Schweiß betrieben werden. Geforscht wird in zwei Bereichen: Zum einen erproben die Wissenschaftler des HNF völlig neue Materialkombinationen, zum anderen werden im Reinraum die grundlegenden Komponenten der Computerchips von morgen gebaut.
Wolfgang Albrecht
Damit die hauchdünnen Computerchips funktionieren, muss die Effizienz von Prozessor und Speicher drastisch erhöht werden. „Die Energie, die unser Körper abgibt, ist sehr gering“, sagt Wolfgang Albrecht, Leiter des HNF. Außerdem stehe dem Prozessor längst nicht alle Energie zur Verfügung. „Gut 50 Prozent geht für die Erhaltung der Daten im Speicher verloren“, sagt Albrecht. Genau hier beginnt die Arbeit der Wissenschaftler: Auf der Suche nach effizienteren Speichern setzen sie Atomlage für Atomlage neue Materialien zusammen, die weniger Energie benötigen. Langlebige Speicher zu erschaffen, sei nicht das Problem. „Es gibt Speicher, die halten theoretisch 1000 Jahre. Falls man sie dann noch auslesen kann“, sagt Albrecht. Die Verbindung aus Geschwindigkeit und niedrigem Energiebedarf ist das Ziel. Der Arbeitsspeicher im Computer beispielsweise ist zwar schnell, schaltet man den Computer aber aus, gehen die Daten ohne Versorgung durch eine Batterie verloren. Festplatten und Speichersticks auf der anderen Seite behalten ihre Daten auch ohne Strom, sind aber deutlich langsamer.
Mit den bekannten Materialien kommt die Industrie nicht weiter. „Hier stellen wir Verbindungen von Elementen her, die in der Natur so nie vorkommen“, sagt Albrecht. Diese neuen Kombinationen sollen das Problem lösen, daraus gebauter Speicher soll weniger Energie benötigen und weniger Wärme erzeugen. Nicht nur die Haut-Computer der Zukunft, auch die nächste Handy- generation profitiert davon: Handys müssten bei gleicher oder höherer Rechenleistung seltener aufgeladen werden.
Die Technik der Mikrochips gibt es schon seit den 1970er Jahren. Damals war der Name noch Programm, denn die Größe der Leitungen lag im Mikrometerbereich. Ganze zehn Mikrometer breit waren die Leiterbahnen im ersten IntelChip 4004 von 1971, das entspricht etwa einem Sechstel eines Haares. Knapp zehn Jahre später waren die Strukturen schon auf einen Mikrometer verkleinert worden. Die Leiterbahnen in aktuellen Prozessoren sind nur noch zehn Nanometer breit, das sind gerade mal 100 Atome und ein Tausendstel der Größe der ersten Chips. Die Verkleinerung der Strukturen könnte aber in absehbarer Zeit ein Ende haben. Seit der Einführung der Quantentheorie weiß man, dass der Aufenthaltsort von Elektronen – die in den Leiterbahnen unterwegs sind – nicht den gleichen Gesetzen folgt wie ein Bus oder ein Auto. Wird der Abstand zwischen den Bahnen zu klein, könnten die Elektronen von der einen zur anderen Bahn springen. Die Folge wären Kurzschlüsse und Rechenfehler. Neue Materialien, wie die in der Helmholtz Nano Facility entwickelten, könnten dabei helfen, dieses Problem zu umgehen, indem sie nicht wie bisher auf Elektronen als Ladungsträger setzen, sondern auf neuartige und andere Mechanismen.
In dem Labor, in dem die neuen Materialien hergestellt werden, stehen mittig, von einem Ende zum anderen, mehrere glänzende Edelstahlbehälter, die durch zahlreiche Röhren und Leitungen miteinander verbunden sind. In dem ausgeklügelten Kammersystem fährt der Materialträger von einer Station zur nächsten, an jeder Station werden eine Handvoll Atome hinzugefügt. Da die Atome in ihrem Rohzustand sofort mit der Luft reagieren wür- den, müssen die Kammern absolut leer sein. Schon ein einzelnes Staubkorn wäre fatal, es bestünde aus Millionen unerwünschter Atome. „Deshalb stehen die Behälter unter Hochvakuum, darin ist es noch leerer als im Weltall“, sagt Albrecht. Für drei Lagen Atome braucht die Anlage einen knappen Vormittag, komplexere Kombinationen dauern mehrere Tage.
Damit die Speicher der Zukunft mit Daten gefüttert werden können, braucht es moderne Prozessoren. Diese werden zwei Türen weiter im Reinraum hinter einer großen Hygieneschleuse entwickelt. Hier werden Computerchips in sogenannte Wafer hineingearbeitet. Wafer sind Scheiben mit bis zu 30 Zentimeter Durchmesser, die klassisch aus Silizium bestehen. Die Siliziumscheibe wird mit einer dünnen Schicht eines Speziallacks überzogen und anschließend belichtet. „Das Prinzip ist das gleiche wie beim Steindruck“, sagt Albrecht. Eine Lampe projiziert durch eine Maske die gewünschten Strukturen auf die lackierte Siliziumscheibe, der Lack reagiert mit dem Licht. Die belichteten Flächen des Lacks lassen sich dann mit einem speziellen Entwickler entfernen. Anschließend wird die ganze Scheibe zum Beispiel mit einer ätzenden Säure behandelt: Dort, wo der Lack unbelichtet und damit intakt ist, bleibt die Scheibe ganz – an den belichteten Stellen, an denen der Lack entfernt wurde, ist die Scheibe ungeschützt. Die Säure ätzt die Struktur in den Wafer und damit die Leiterbahnen in die Scheibe.
Die Arbeit im Reinraumbereich gleicht einer Quarantäne. Alle Fenster sind gelb getönt, in Räumen und Gängen scheint gelbes Licht. Gelb ist die einzige Wellenlänge des Lichts, die die Speziallacke vertragen, ohne angegriffen zu werden. Die Fußböden und Decken bestehen aus Lochplatten. Von oben strömt gereinigte Luft rein, durch den Boden fließt sie wieder ab. Die Lüftungsanlage verbraucht im Jahr mit 1,6 Megawatt so viel Strom wie eine Kleinstadt. Die Luft wird erst von außen angesaugt und heruntergekühlt, dann gereinigt und anschließend auf 22 Grad wiedererwärmt bei einer konstanten relativen Luftfeuchtigkeit von 45 Prozent. „Wir haben hier die höchste Reinraumklasse“, sagt Albrecht. „In einem Kubikmeter Luft sind höchstens 20 Partikel größer als 50 Nanometer.“Selbst die Oberflächen der Arbeitstische sind gelocht: Gefährliche Dämpfe, etwa von Flusssäure, werden direkt abgesaugt, bevor Mitarbeiter sie einatmen können. Alle Wissenschaftler müssen sich kom- plett verhüllen, mit Handschuhen, Überschuhen, Schutzbrille und Mundschutz. Nur ein bisschen Haut um die Augen herum ist noch zu sehen. „Dies schützt aber nicht den Menschen vor dem Reinraum, sondern den Reinraum vor dem Menschen. Der Mensch ist die größte Partikelquelle“, sagt Albrecht. Bei jedem Atemzug stoße der Mensch Millionen kleiner Partikel aus, ganz extrem sei es unmittelbar nach dem Rauchen. „Deshalb gilt für jeden Raucher eine vierstündige Zwangspause nach der letzten Zigarette, bevor er wieder ins Labor darf“, sagt Albrecht. Zweimal im Jahr wird aber trotzdem geputzt, dann würden alle Bodenplatten angehoben und der Zwischenraum darunter ausgesaugt. „Wir schieben hier 500.000 Kubikmeter Luft pro Stunde durch das Gebäude, bei 20 Partikeln pro Kubikmeter und 365 Tagen im Jahr. Da finden sogar wir Wollmäuse“, sagt Albrecht.
Beide Bereiche sind äußerst störanfällig, das Hochvakuumlabor und der Reinraum. Kleinste Erschütterungen würden zum sofortigen Abbruch führen. Deshalb besteht das ganze Gebäude eigentlich aus zwei Abschnitten. Im äußeren Teil ist die Gebäudetechnik und die Lüftung untergebracht, im inneren Teil der Reinraum. Das circa 4000 Tonnen schwere Fundament der Helmholtz Nano Facility besteht aus einem einzigen Betonblock, der jegliche Bodenerschütterungen abfangen soll. Rund um das Gebäude hängen an Stahlseilen zusätzlich 6,5 Tonnen schwere Betonplatten, sie sollen Druck- und Schallwellen aus der Luft aufhalten, noch bevor sie im Gebäude ankommen. „Solange keine 4000 Tonnen schwere Quelle mit 0,5 bis ein Hertz in der Nähe schwingt, ist bei uns alles gut“, sagt Albrecht.
„Wir stellen hier Verbindungen her, die in der Natur so nie vorkommen“
Institutsleiter
Gelb ist die einzige Wellenlänge des Lichts, die die Speziallacke
vertragen, ohne angegriffen zu werden