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Mikrotechnik: Chips und Sensoren

Was ist ein Mikrochip?

Eine stark miniaturisierte und äußerst komplexe elektronische Schaltung, die das Kernstück jedes Computers und vieler anderer elektronisch gesteuerter Geräte bildet. Mikrochips werden in großer Zahl gemeinsam aus einem Wafer (englisch »Waffel«) genannten Werkstück aus Silicium hergestellt. Dies erklärt auch den Namen: das englische Wort »chip« bedeutet so viel wie »Schnipsel« und bezeichnet die nach dem Auseinandersägen des Wafers übrig bleibenden Einzelbauelemente. Ein anderer Name für Mikrochip ist »integrierter Schaltkreis« oder englisch »integrated circuit« (IC). Er bezieht sich darauf, dass viele Millionen von Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und anderen Schaltelementen in einem einzelnen Chip zusammengefasst sind.

Was ist das Moore'sche Gesetz?

Eine Faustregel über die Geschwindigkeit, mit der die Miniaturisierung in der Elektronik voranschreitet. Einer der Gründer des Chipherstellers Intel, Gordon E. Moore (* 1929), hat in einem Aufsatz Mitte der 1960er Jahre erstmals die Geschwindigkeit beschrieben, mit der die Zahl der Transistoren auf einem Chip zunimmt: Dem »Moore'schen Gesetz« zufolge verdoppelt sich die Integrationsdichte von Chips, also die Zahl der Transistoren auf einer bestimmten Fläche und damit die Computerleistung, etwa alle 18 Monate. Es handelt sich dabei natürlich nicht um ein Naturgesetz, sondern um eine hochgesteckte Erwartung an seine Entwicklungsingenieure (und die der Konkurrenz). Erstaunlicherweise konnte dieses atemberaubende Tempo bis heute beibehalten werden. Hätte die Leistung des Automotors in den letzten 40 Jahren ähnliche Fortschritte gemacht, so würden wir jetzt mit annähernd Lichtgeschwindigkeit über die Autobahn rasen!

Übrigens: Ewig kann das Moore'sche Gesetz nicht gelten. Spätestens, wenn Transistoren nur noch aus einzelnen Atomen bestehen, könnten sie nicht mehr verkleinert werden. Experten rechnen damit, dass dies in fünf bis zehn Jahren der Fall sein könnte.

Wie stellt man Chips her?

Im Wesentlichen durch »Fotokopieren« der Leitungsstruktur von einer vergrößerten Vorlage auf eine Siliciumscheibe mit anschließendem Abätzen von unerwünschten Bestandteilen.

Transistoren (und andere mikroelektronische Schaltelemente) bestehen nämlich aus einer geeignet strukturierten Abfolge von Silicium- und Siliciumdioxidschichten. Diese werden in einer komplizierten Abfolge von Belichtungen und chemischen Ätzprozessen in einer ursprünglich hochreinen Siliciumscheibe, dem »Wafer« (englisch für Waffel), angelegt. Allerdings besitzt sichtbares Licht viel zu große Wellenlängen für die heute benötigten Anforderungen. Stattdessen arbeitet man mit UV-, bald auch mit Röntgenstrahlung. Dennoch heißt das Verfahren nach wie vor »Photolithographie«.

Noch bevor die Wafer mit Diamantsägen in einzelne Chips zerlegt werden, untersucht ein Robotersystem die fertigen Schaltungen automatisch und markiert als Ausschuss erkannte Bereiche. Um schließlich funktionsfähige Prozessoren zu erhalten, müssen diese noch in Gehäuse verpackt und mit elektrischen Zuleitungen, den »Beinchen«, versehen werden. Außer als Steuer- und Recheneinheiten dienen Mikrochips auch als Speicherelemente; Industrie und Forschung kennen zudem noch Hunderte von Spezialanwendungen, vor allem in der Mess- und Prozessleittechnik.

Übrigens: Bei der Chipproduktion müssen höchste Reinheitsanforderungen erfüllt werden, höchstens ein mikrometergroßes Staubkorn darf sich in einem Volumen von 30 Litern Luft befinden!

Sind alle Chips aus Silicium?

Nein, obwohl die Siliciumtechnologie derzeit den mit Abstand größten Marktanteil hat. Generell benötigt man immer ein Halbleitermaterial für mikroelektronische Schaltungen, da sich bei diesen Stoffen der elektrische Widerstand durch elektrische Felder beeinflussen lässt. Der Grund für die weite Verbreitung, die der Halbleiter Silicium gefunden hat, liegt vor allem im Preis – Silicium kommt als Bestandteil von Quarz und anderen häufigen Mineralien weltweit im Überfluss vor. Außerdem ist die Siliciumtechnologie gut erforscht und technisch ausgereift.

Andererseits begrenzen Wärmeverluste und die endliche Leitfähigkeit des Materials die Leistungsfähigkeit jeder elektrischen Schaltung. Deshalb ist der mit Silicium verwandte Halbleiter Germanium eine viel versprechende Alternative, denn er leitet den Strom etwa doppelt so schnell wie das leichtere Schwesterelement. Der Nachteil: Germanium ist viel seltener und damit deutlich teurer. Dasselbe gilt für die Verbindung Galliumarsenid, wobei dort auch noch der Anteil des giftigen Arsens Probleme bereitet. Nur bei speziellen Aufgaben, bei denen Geschwindigkeit wichtiger als niedrige Kosten ist, haben sie sich bisher einen Markt schaffen können. Zukunftsmusik sind heute noch supraleitende Mikrochips, also Prozessoren, in denen der Strom verlustfrei und damit ohne Wärmeabgabe und extrem schnell weitergeleitet wird.

Was ist Optoelektronik?

Der Begriff »Optoelektronik« beschreibt das Zusammenspiel von elektronischen Halbleiter-Bauelementen mit Licht. Grundlage der Optoelektronik ist, dass man die Leitfähigkeit von Halbleitern auch mit Licht verändern kann. Dies wird z. B. in Fotodetektoren genutzt. Doch auch der umgekehrte Weg wird beschritten: Fließt ein Strom durch eine geeignet aufgebaute Halbleiterstruktur, so wird sie zum Leuchten gebracht – beispielsweise in Fahrradleuchten mit LED-Birnen oder im Halbleiterlaser eines CD-Spielers.

Doch Licht kann noch mehr. Eine der Schwierigkeiten der Mikroelektronik besteht nämlich in den begrenzten Übertragungskapazitäten von Zuleitungen und Kabeln. Wählt man anstelle der »trägen« Elektronen Licht als Überträger von Datenpaketen, so werden sowohl Geschwindigkeit als auch Bandbreite, das heißt Übertragungskapazität, deutlich erhöht. Das geeignete Leitungsmedium ist die Glasfaser: Glasfaserkabel bilden mittlerweile das Rückgrat des transkontinentalen Datenaustauschs.

Welche Aufgabe hat die Mikrosystemtechnik?

Die Übertragung des erfolgreichen Prinzips der Miniaturisierung von der Elektronik in andere Bereiche wie Mechanik oder Fluidik (Transport und Manipulation von Gasen und Flüssigkeiten). Mikrosysteme besitzen winzige bewegliche Teile, die z. T. nur unter einem Mikroskop erkennbar sind – mikrometerkleine Wippen, Zahnräder, Pumpen oder Propeller. Die Mikrosystemtechnik gilt als eine der wichtigen Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts.

Sie bedient sich dabei vielfach der Herstellungsverfahren, die man auch in der Mikroelektronik nutzt, indem auf fotochemischem Weg winzige Strukturen in Siliciumkristalle geätzt und ganze Bauelemente auf einem einzigen Chip vereint werden. Der Unterschied zur Mikroelektronik ist, dass bei vielen Anwendungen der Chip auch bewegliche Objekte enthalten muss. Dies erfordert, dreidimensional vorzugehen und auch an solchen Stellen sicher und präzise zu formen, die von außen nicht mehr direkt zugänglich sind. Eines der innovativsten Verfahren, um winzige 3D-Strukturen in großer Stückzahl automatisch zu fertigen, ist das LIGA-Verfahren.

Bereits heute gibt es alltägliche Anwendungen der Mikrosystemtechnik. Am verbreitetsten sind sicherlich die Druckköpfe von Tintenstrahldruckern. Dort entspricht jeder der 1200 Punkte pro Zoll (2,54 cm) einem winzigen Flüssigkeitstropfen, der von einer »Mikrofarbspritze« aufs Papier gesprüht wird. Es gibt auch schon Mikropumpen, die unter der Haut elektronisch gesteuert exakt dosierte Medikamentmengen freisetzen, was beispielsweise Diabetikern zugute kommen soll. Die Dosierung der Medikamentenabgabe kann über implantierte Sensoren erfolgen, welche ständig den Blutzuckerspiegel messen.

Was sind Mikrosensoren?

Es handelt sich um miniaturisierte Messgeräte für Größen wie Druck, Beschleunigung oder Gaskonzentrationen. Hergestellt werden sie mit den Verfahren der Mikrosystemtechnik. Auch die Anwesenheit von Biomolekülen kann mit solchen Mikrosensoren festgestellt werden, was sie für Anwendungen in Medizin und Biotechnologie interessant macht. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, sie mit mikroelektronischen Schaltkreisen zu koppeln, wodurch sich Datenaufnahme und Datenverarbeitung auf engstem Raum durchführen lassen.

Drucksensoren beispielsweise enthalten ein piezoelektrisches Element, dessen elektrische Eigenschaften sich unter Druck ändern, und eine Auswerteelektronik. Beides nimmt eine Fläche ein, die viel kleiner ist als ein Fingernagel. Drückt nun ein schwacher Luftstrom oder ein Insekt auf den Piezokristall, werden darin Elektronen und Atomkerne gegeneinander verschoben, wodurch sich eine schwache elektrische Spannung aufbaut. Dieses Signal wird elektronisch verstärkt, zwischengespeichert und schließlich an ein größeres Rechnersystem ausgegeben.

Wussten Sie, dass …

ein Computerchip wie der verbreitete Pentium-Prozessor etwa 100 W elektrische Leistung aufnimmt? Wenn man ihn nicht mit einem Ventilator aufwendig kühlen würde, würde er so heiß wie eine 100-W-Glühbirne.

Wo liegen die Grenzen der Photolithographie?

Die Miniaturisierung mit herkömmlichen Herstellungsmethoden wie dem Belichten und Ätzen von Siliciumscheiben endet dann, wenn die von den Lichtstrahlen herrührenden optischen Effekte, etwa Brechung oder Beugung, so groß werden wie die Leiterbahnen, die hergestellt werden sollen. Beim Einsatz von Röntgenstrahlen dürfte dies im Bereich einiger Nanometer (10–9 m) der Fall sein. Daher werden bereits heute neue, ganz andere Herstellungsverfahren gesucht.

Wozu dient das LIGA-Verfahren?

Zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen auf einem Halbleiterchip. Das noch junge Verfahren, dessen Abkürzung für die Prozessschritte »Lithographie, Galvanik, Abformung«, steht, ermöglicht den Ingenieuren den Sprung in die dritte Dimension. Statt wie bisher nur flächige Strukturen aus den Wafern herauszuarbeiten, sind ihnen nun fast beliebig geformte räumliche Elemente in den Mikrosystemen möglich: Bögen und Verengungen, Hohlräume und Stege oder winzige Elektromotoren samt Getriebe.

Wussten Sie, dass …

man mit Licht emittierenden Dioden (LEDs) sehr leuchtkräftige Lampen bauen kann? Mittlerweile existieren LEDs für alle Farben. Immer häufiger werden sie auch als langlebiger und Strom sparender Ersatz für Glühbirnen (z. B. in Taschenlampen, im Auto oder am Fahrrad) verwendet.

so genannte Piezo-Kristalle eine elektrische Spannung erzeugen, wenn man sie drückt? Sie werden z. B. in Feuerzeugen eingesetzt. Auch die Umkehrung ist möglich: Legt man an einen solchen Kristall eine Spannung, so verformt er sich und kann als »Mikromotor« fungieren.

es sogar noch kleiner geht als in der Mikrotechnik? Die noch junge Nanotechnologie erforscht Systeme, deren Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern (Tausendstel Mikrometern) liegen.

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