NanoFab – neue Wege in der Nanoelektronik

Innovation

Forschungsförderung schafft Arbeitsplätze. Das zeigt die geplante Gründung eines neuen Forschungszenrums für Nanoelektronische Technologien (CNT) sowie die Aufnahme der Produktion von 300-mm-Wafern für die Chipherstellung in Freiberg am 22. Juni 2004 und das Richtfest der AMD-Chipfabrik für moderne Athlon-Prozessoren im Mai 2004. Dresden ist heute dank staatlicher Fördermittel Europas bedeutendster Standort für Mikro- und Nanoelektronik: Die Förderung dieser Technologien hat allein in der Region Dresden bereits 20.000 neue Arbeitsplätze geschaffen. NanoFab erforscht nun neue Wege zur Fabrikation von Nanoelektronik.


Der Markt für elektronische Bauelemente beträgt allein in Deutschland rund 20 Mrd. €. Über 70.000 Beschäftigte sind unmittelbar in der Bauelementeindustrie tätig. Die aus diesen Bauelementen gefertigten Systeme haben einen Marktwert von etwa 100 Mrd. €; weltweit hat die moderne Elektronikindustrie einen Umsatz von 800 Mrd. €. Sie ist führend unter den produzierenden Industrien und hat sogar die Automobilindustrie überholt.

Ermöglicht wurde die Verbreitung dieser Technik durch immer effizientere Design- und Fabrikationsmethodiken, die für einen beispiellosen Preisverfall bei gleichzeitig beeindruckenden Leistungszuwächsen sorgten. Vor 30 Jahren kostete ein Megabit-DRAM-Speicher umgerechnet noch 75.000 Euro, heute nur noch wenige Cent. Nur 50 Jahre nach Erfindung des ersten Transistors werden mehr als 100 Millionen Transistoren auf einem einzigen Computerprozessor untergebracht.

Nanofabrikation

Immer noch nimmt diese Entwicklung an Dynamik zu. Die Mikroelektronik entwickelt sich weiter zur Nanoelektronik mit noch höherer Leistung in noch kleineren Bauteilen bei noch geringeren Kosten.

Grund für diese Kostendegression sind die einzigartigen Eigenschaften des Chipmaterials Silizium. Nur Silizium lässt sich großvolumig in höchster Perfektion herstellen und bildet damit die Basis für ein Materialsystem, das die heutige und zukünftige Elektronik dominiert. Perfekte Silizium-Wafer mit 200mm und 300mm Durchmesser, bei deren Herstellung und Verarbeitung zu Speichern und Prozessoren Deutschland eine führende Position einnimmt, bieten deutliche Vorteile bei der Wirtschaftlichkeit der Elektronikproduktion.

Die BMBF-Forschungsförderung der letzten Jahre hat entscheidend dazu beigetragen, Deutschland wieder zu einem konkurrenzfähigen Standort für die Produktion von Mikroelektronik und zu einem Forschungsstandort mit viel versprechenden Ergebnissen in der Nanoelektronik zu machen.

Ziele

Mikro- und Nanoelektronik ist für Deutschland, das sich mit innovativen technologischen Produkten führend am Weltmarkt positionieren will, unverzichtbarer und an Bedeutung noch zunehmender Bestandteil der Wertschöpfungskette. Weltweit wird um die Ansiedlung von Forschungs- und Produktionsstätten dieser global agierenden Industrie geworben. Der Forschungsförderung kommt hier eine zentrale Rolle zu. Sie hilft, die Attraktivität des Standortes Deutschland zu sichern. Von der weiteren Förderung im Bereich Nano-Fabrikation – in Form von industriell geführten Verbundprojekten – erwartet das BMBF, dass erneut ein erheblicher Nutzen für den Standort Deutschland entsteht.

Die Forschungsförderung hat unter anderem folgende Schwerpunkte:

  • Hochkomplexe Schaltkreisstrukturen und -systeme für neue Anwendungsgebiete in der Silizium-Nanoelektronik und
  • Komponenten und Systeminnovationen der Silizium-Leistungselektronik.

Die besonderen Herausforderungen für die Forschung sind:

  • Basis- und Schaltungsstrukturen für neue Speichergenerationen bis in den 64 Gigabit-Bereich,
  • Si-Höchstfrequenz-Schaltkreise mit Arbeitsfrequenzen über 100 GHz,
  • innovative Basis- und Schaltungsstrukturen für Logik-Schaltkreise höchster Integrationsdichte und niedrigster Verlustleistung,
  • Realisierung höchstintegrierter nichtflüchtiger Speicher und Logikbauelemente und
  • neuartige Konfigurationen für das Zusammenwachsen von Sensor-Subsystemen.

Chipsysteme und Entwurfmethodik

Beim gegenwärtigen Stand der Produktionstechnik ist der Entwurf eines Chips der eigentliche „Flaschenhals“. Um die sehr gute Ausgangsposition Deutschlands zu halten, neue Gebiete als Erster zu erschließen und in weiteren Bereichen die Spitze zu erobern, ist es notwendig, die Produktivität des Chipentwurfs zu steigern und das Design durch Automatisierung zu erleichtern. Darüber hinaus sollen neue Ansätze in der Gestaltung von Chipsystemen entwickelt werden.
Insgesamt sind die Voraussetzungen zu schaffen, ganze Systeme einschließlich ihrer Sensoren, Aktoren und Anzeigen mit ihren unterschiedlichsten technischen Facetten auf einem Chip integrieren zu können. Mit neuen technologischen Möglichkeiten ergeben sich auch neue Herausforderungen an die Entwicklung von Schaltkreisen:

  • mit der Strukturverkleinerung und der Größenzunahme der Chips überschreitet die Transistorzahl pro Chip die Milliardengrenze,
  • die Frequenz steigt in Bereiche, die eine Berücksichtigung der Teilausbreitung der Signale als Welle verlangen,
  • die Produktionszyklen im Systembereich verkürzen sich und
  • die Vielfalt der zu integrierenden Funktionen wächst rapide.

Ziel dieser Ansätze ist

  • ein Ausbau der führenden Stellung Deutschlands bei Systems-on-Chip und
  • die stabile Kooperation von Industrie und Wissenschaft bei der Umsetzung von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung.