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Chipwettlauf stockt: Globalfoundries will auf Jahre bei 28-nm-Technologie bleiben

Reinraumbrücke bei Globalfoundries Dresden. Abb.: GF

Reinraumbrücke bei Globalfoundries Dresden. Abb.: GF

Auftragsfertiger will Technik durch Metalltor-Transisitoren „aufbohren“ und bittet Sachsen um 10,6 Millionen Euro Förderhilfe

Dresden, 30. April 2014: Der Halbleiter-Auftragsfertiger „Globalfoundries“ (GF)) will für etwa zehn Jahre aus dem Branchen-Wettlauf um immer feinere Chipstrukturen aussteigen. Zumindest am Standort Dresden werde man die jüngst entwickelte 28-Nanometer-Fertigungstechnologie bis über das Jahr 2020 hinaus als bestimmende Produktionsmethode weiternutzen, bestätigten die Dresdner GF-Manager Gerd Teepe und Jens Drews auf Oiger-Anfrage – normalerweise sind in der Spitzen-Mikroelektronik Innovationszyklen von zwei bis vier Jahren üblich. Hauptgrund: GF hält die neuen Chip-Belichtungstechniken per Doppelmuster („Double Patterning“) und Röntgenlicht („EUV„) noch für zu teuer und zu unausgereift, um darauf umzurüsten.

„Replacement Metal Gate“ soll für mehr Chip-Leistung sorgen

Allerdings will GF Dresden seine 28-nm-Fertigung so aufbohren, dass dennoch leistungsfähigere Chips möglich werden. Ein erster Schritt werden Metalltor-Transistoren („Replacement Metal Gate“ = RMG) sein, für deren Entwicklung das Unternehmen nun den Freistaat Sachsen um eine Sonderförderung in Höhe von 10,6 Millionen Euro gebeten hat. Wissenschafts- und Finanzministerium halten das RMG-Projekt „Apollo“ auch für essenziell für die Wettbewerbsfähigkeit des Chip-Standortes Dresden und appellieren nun an den Landtag, diese Gelder im Vorgriff auf den Doppelhaushalt 2015/16 freizugeben, damit GF sofort mit der Forschung beginnen kann.

Projekt „Apollo“ entscheidend für Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Dresden

Jens Drews. Foto: Silicon Saxony

Jens Drews. Foto: Silicon Saxony

GF-Lobbyist Jens Drews zeigte sich sehr erfreut über diese Schützenhilfe: „Wir danken dem Freistaat Sachsen für die Unterstützung bei der Einführung einer neuen Technologie in unserem Dresdner Werk“, betonte er. „Als Auftragsfertiger sind wir darauf angewiesen, die Technologien bereitzustellen, die unsere weltweiten Kunden heute und morgen verlangen“, erklärte Drews. Die Einführung der Metalltor-Technik RMG trage bei, „mittel- und langfristig weitere Kunden mit technologisch führenden Halbleiter-Produkten aus Dresden bedienen zu können und damit die produktive Lebensdauer der 28-nm-Technologie in Dresden weit über das Jahr 2020 hinaus zu verlängern. Die Unterstützung der Landesregierung macht es möglich, das Projekt jetzt in Dresden zu verwirklichen“.

Klassische Chip-Produktion stößt an immer mehr physikalische Grenzen

Hintergrund: In den vergangenen 50 Jahren hatte die Mikroelektronik-Industrie weltweit die Packungsdichte von Transistoren (Mini-Schaltern) etwa alle zwei Jahre verdoppelt, um immer schnellere und leistungsfähigere Chips herzustellen 8″Mooresches Gesetz“). Um die Jahrtausende-Wende zeigten sich erste ernsthafte Probleme dabei. So gelang es wegen Hitzeproblemen nicht mehr, die Taktfrequenzen von Prozessoren beliebig weiter hochzuschrauben. Daraufhin brachen Intel und AMD damals ihr „Gigahertz-Rennen“ ab.

Belichtung seit Jahren nur noch mit 193-Nanometer-Strahlen

Wegen des hohen Automatisierungsgrades wirkt der Globalfoundries-Reinraum nicht so wuselig wie andere Chipfabriken. Hier ein Blick auf die Lithografie, in der die Chipstrukturen auf den Wafern belichtet werden. Foto: Karin Raths, Globalfoundries Dresden

Weil 193-nm-Belichter nahe am sichtbaren Tageslichtbereich arbeiten, sind die Lithografieabteilungen bei Globalfoundries und in anderen Chipfabriken gelb ausgeleuchtet . Foto: Karin Raths, Globalfoundries Dresden

Vor allem die Belichtungstechniken („Lithografie“), mit der in den Chipfabriken die feinen Chipstrukturen erzeugt werden, stießen an physikalische Grenzen: Statt wie früher einfach Strahlen mit immer kürzeren Wellenlängen zu verwenden, arbeiten die großen Chipkonzerne nun schon seit Jahren mit 193-Nanometer-Belichtern, die mit kleinen Tricks immer mehr verfeinert wurden. Derzeit sind dadurch Chips erzeugbar, deren kleinste Strukturen etwa 28 Nanometer (Millionstel Millimeter) messen.

Intel setzt auf teure Doppelmuster-Masken

Dreidimensionaler FinFET-Transistor. Abb.: Globalfoundries

Dreidimensionaler FinFET-Transistor. Abb.: Globalfoundries

Intel produziert zwar auch bereits noch feinere Halbleiter damit, verwendet dabei aber das „Double Patterning“-Verfahren, bei dem Interferenzmuster übereinandergelegter Chipmasken ausgenutzt werden. Da dafür aber mehr und teurere Chipmasken benötigt werden, lohnt sich diese Technologie insbesondere für die Massenproduktion sehr schneller Prozessoren, wie sie in Spitzen-Computern verbaut werden.

Für Smartphone-Chips wenig geeignet

Für GF sind jedoch die Aufträge des einstigen Mutterkonzerns AMD, der Prozessoren mit ähnlicher Zielrichtung bestellt, nur noch ein Teil des Produktionsvolumens – immer mehr Kunden ordern bei GF statt dessen Spezialchips in kleineren Serien, die zum Beispiel in Computertelefonen (Smartphones), Tablettrechnern und anderer Mobilelektronik eingesetzt werden und bei denen es teils auf geringen Stromverbrauch, teils auf besonders kleine Bauformen oder Leistung ankommt – dafür eignet sich Intels „Double Patterning“ weniger.

GF scheut Umstieg: Röntgenlithografie noch zu teuer und unausgereift

Röntgenspiegel. Abb.: Axo

Röntgenspiegel. Abb.: Axo

Freilich gibt es noch einen revolutionären Weg zu kleineren Chipstrukturen: Die Chip-Lithografie mit weichem Röntgenlicht beziehungsweise „Extremem Ultraviolettlicht“ (EUV), die Strahlen mit 12 Nanometer (nm) Wellenlänge einsetzen. Dafür gibt es aber bisher nur einige eher experimentelle Anlagen von Anbietern wie der niederländischen Firma „ASML“. Und die sind noch sehr teuer, langsam und ineffizient. Das Problem: Die Röntgenlicht-Quellen dafür sind recht schwach, zudem kann EUV nicht durch Linsen, sondern nur durch spezielle Röntgenspiegel gelenkt werden – ein Teil dieser Spiegeltechnologie wurde übrigens von Fraunhofer-Instituten in Dresden entwickelt. Diese Hightech-Spiegel reflektieren die Röntgenstrahlen aber nicht 100-prozentig, sondern schlucken einen Teil davon.- Deshalb werden in EUV-Belichtern viele Spiegel in Reihe „geschaltet“ und am Ende kommt nur wenig Strahlung von der ohnehin schwachen Röntgenquelle auf die Siliziumscheiben (Wafer). Folge: Statt 260 Wafer pro Stunde wie in heutigen Chipwerk-Lithoanlagen können diese EUV-Anlagen nur etwa 60 Wafer pro Stunde belichten.

Prognose: Nur etwa vier Chipkonzerne weltweit werden auf EUV umsteigen

Gerd Teepe. Abb.: GF

Gerd Teepe. Abb.: GF

GF-Technologieexperte Gerd Teepe ist zwar überzeugt, dass EUV irgendwann in die Chipwerke eingebaut wird – die Frage sei nur wann und von wie vielen Marktteilnehmern. Wohl nur wenige Spitzenkonzerne wie Intel, TSMC, Samsung und Globalfoundries werden sich diese Technik leisten können. Und bis diese Röntgen-Technik ausgereift ist, sieht GF das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bei den 28-nm-Chips. Dass das Unternehmen diese Technologie weit über die sonst üblichen Zeithorizonte hinweg einsetzen will, hatte bereits kürzlich der Dresdner GF-Chef Rutger Wijburg im Oiger-Interview angedeutet.

Der Trick mit den Metalltoren

Um allerdings nicht gnadenlos zurückzufallen, will das US-Unternehmen, das seine Spitzenwerke in Malta bei New York und in Dresden betreibt, außerdem Fabriken in Asien hat, diese 28-nm-Technologie aber eben aufbohren. So soll die erwähnte „Replacement Metal Gate“-Technik, die nun in Dresden entwickelt werden soll, für mehr Leistung sorgen. Dabei werden die sogenannten „Tore“ („Gates“), die in den mikroskopisch kleinen Transistoren steuern, ob jeweils zwischen den beiden Elektroden Datenstrom fließt oder gesperrt wird, nicht mehr als Silizium bestehen, sondern an dieser Stelle ein Loch erzeugt und dann mit Metall „ausgegossen“ („Replacement“) – wodurch ein leistungsfähigeres Metalltor entsteht. Autor: Heiko Weckbrodt

Zum Weiterlesen:

Dresdner Globalfoundries-Chef Wijburg im Oiger-Interview

Intel und TSMC investieren Milliarden in EUV

4 Kommentare

  1. Peter28 sagt

    Bitte auf zwanghafte Übersetzungen wie „Computertelefon“ für Smartphone oder „Metalltor“ verzichten. Sowas ist weltfremd und entwertet den Text.

    • Meine Erfahrung ist eine völlig andere: Viele Menschen können mit „Smartphone“ u. ä. Anglizismen nichts anfangen. Wenn man ausschließlich mit Leuten aus der Tech-Szene oder nur Jüngeren zu tun hat, verstellt dies schnell den Blick darauf, dass die Praxis eine ganz andere ist. All diese Leser schließt man aus, wenn man sich nicht die kleine Mühe macht zu übersetzen – was für meine Begriffe ohnehin extrem wichtig in Artikeln über Wirtschaft (und Hochtechnologie und Wissenschaft ganz besonders) ist, da sich gerade dort Entscheidungsträger gern und oft hinter Neusprech verschanzen, um Unklarheiten oder Probleme zu verschleiern (nicht unbedingt in diesem Fall hier, ist aber keine Seltenheit).

      • Peter28 sagt

        Ich bitte dich: jeder weiß, was ein Smartphone ist. Nun muss man ja nicht ins andere Extrem verfallen und die „Buzzwords“ reihenweise raushauen, aber wenn gängige Begriffe wie „Smartphone“, die auch in allgemeinen Publikumsmedien gebraucht werden, quasi zwanghaft übersetzt, entsteht beim Leser entweder der Eindruck, dass er für dumm und weltfremd gehalten wird, oder das der Artikel von einem Laien bzw. mit automatischer Google-Übersetzung geschrieben wurde. Beides ist sicherlich nicht im Sinne dieses Blogs.

        • Ich empfehle wirklich einen Praxistest – und zwar nicht im Freundeskreis, sondern querbeet durch alle Altersgruppen. Ich habe erst letztens erwogen, die Übersetzung z. B. für „Smartphone“ und „Tablet“ bleiben zu lassen. Hab aber gemerkt, dass immer noch viele nicht wissen, was das eigentlich ist. Und da spreche ich nicht etwa von Hochbetagten, sondern teils Leuten ab ca. 35 Jahren.

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