Sieger beim Deutschen Zukunftspreis: Extrem kurzwelliges Laserlicht für Mikrochips | Wissen & Umwelt | DW | 25.11.2020
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Wissen & Umwelt

Sieger beim Deutschen Zukunftspreis: Extrem kurzwelliges Laserlicht für Mikrochips

Die renommierte Auszeichnungen für Forschung und Entwicklung in Deutschland geht an die Erfinder von extrem kurzwellige UV-Licht, durch das Computerchips um ein vielfaches leistungsfähiger werden.

Am Abend des 25. November hat Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier die Erfinder eines verbesserten Mikrochip-Herstellungsverfahrens zum Gewinner des diesjährigen Deutschen Zukunftspreises  gekürt. Der mi einer Viertelmillion Euro dotierte Preis ist eine der wichtigsten Auszeichnungen  für Forschung und Entwicklung in Deutschland. Drei Teams standen im Finale.

Unfassbar glatte Spiegel für extrem kurzes Licht

Beim Sieger-Team geht es um Lithografie - also Tiefdruck. Nur dass damit keine Radierungen, also Bilder, entstehen, sondern Computerchips. Peter Kürz von Zeiss  hat gemeinsam mit Michael Kösters von der Firma Trumpf aus Ditzigen  und Sergiy Yulin vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF)  in Jena eine Laser-Technik mit extrem ultraviolettem Licht (EUV) marktfähig gemacht. 

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Ein Spiegel der Firma Zeiss, der in der Produktion von EUV-belichteten Siliziumwavern eingesetzt wird. (Foto: Ansgar Pudenz)

Die Spiegel, mit denen das EUV-Licht auf die Siliziumwafer gelenkt wird, darf nicht die geringsten Unreinheiten haben

Die Laser projizieren dabei Mikrochip-Schaltungen auf mit Fotolack beschichtete Siliziumwafer. Dabei kommt den Forschern zugute, dass das EUV-Licht viel kurzwelliger ist als bei bisher gängigen Produktionsverfahren mit optischer Lithografie. Das Ergebnis: Die Halbleiter, die so auf den Chips entstehen, sind noch viel filigraner. Dadurch passen mehr Bauelemente auf den Chip und er wird um ein vielfaches leistungsfähiger.

Die Größe der so entstehenden Halbleiter-Strukturen bewegt sich mittlerweile im Nanometer-Bereich, also millionstel Millimeter. 

Die Anzahl der Halbleiter, die auf einen Mikrochip passen, hat sich in den letzten 50 Jahren im Durchschnitt etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Diese Entwicklung wurde nach dem Intel-Mitbegründer Gordon Moore auch als "Moorsches Gesetz" bekannt.

Allerdings erreichen die Forscher mittlerweile bei der Chipentwicklung die Grenzen der Physik - zum Beispiel bei der Taktfrequenz. Deshalb gehen die Hersteller immer mehr dazu über, die Chips nicht nur immer kleiner zu machen, sondern die Leistung auch dadurch zu steigern, dass sie viele Kerne aufeinander setzen. So entstehen sogenannte Duo-Core oder Quad-Core Prozessoren. 

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Die Erfinder Peter Kürz (Zeiss), Michael Kösters (Trumpf) und Sergiy Yulin (Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik - IOF) Foto: Ansgar Pudenz

Peter Kürz, Michael Kösters und Sergiy Yulin haben bewiesen, dass selbst Mikrochips noch kleiner werden können.

Mit der EUV-Technik haben nun die drei nominierten Laserexperten noch einmal den eher klassischen Versuch unternommen, die Transistoren auf den Chips durch kürzere Wellenlängen zu verdichten und somit leistungsfähiger zu machen.

Die größte Herausforderung dabei war es, eine absolut präzise und saubere Arbeitsatmosphäre zu schaffen, wie es sie selbst in der Mikrochip-Herstellung bisher nicht gab. Selbst winzigste Verunreinigungen oder Unebenheiten dürfen sich die Erfinder nicht leisten. 

Das Ergebnis ist kaum vorstellbar: Wäre ein Spiegel für die EUV-Lithografie so groß wie die Fläche Deutschlands, dürfte darauf keine Unebenheit größer sein als 0,1 Millimeter.

Mit Roboterunterstützung im Gehirn operieren 

Auch beim zweiten Projekt, dass für den Zukunftspreis nominiert war, spieltedie Firma Zeiss eine wichtige Rolle.   Auch hier ging es um höchste Präzision.

Frank Seizinger und Michelangelo Massini von der Zeiss Medizinsparte Meditec haben gemeinsam mit dem Neurochirurgen Andreas Raabe vom Inselspital Bern  in der Schweiz eine Kameratechnik für robotergestützte Operationen entwickelt und in über 100 Ländern weltweit auf den Markt gebracht. 

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Erfindung zum Deutschen Zukunftspreis 2020: Eine optische Anlage, die Medizinern bei komplizierten neurochirurgischen Eingriffen hilft. (Foto: Ansgar Pudenz).

Die Handsteuerung ist für die Operationsgeräte. Die Kamera wird mit einer Fußkonsole bedient.

Mit den neuen Geräten können Ärzte bei Gehirn- oder Rückenmarksoperationen durch automatisierte Kamerafahrten im Operationssaal genau sehen, was sie tun. Die Kamera kann dabei bestimmte Positionen speichern und auch um die Ecke schauen. Der Arzt bewegt die Kamera mit einem Fusspult und hat so die Hände frei zur Steuerung der Operationsgeräte. 

Zum Einsatz kommt die Technik etwa, wenn Missbildungen von Blutgefäßen verschlossen werden müssen oder bei Tumoroperationen.

Zwar gibt es bereits hochspezialisierte Operationsmikroskope, allerdings fällt es den Ärzten oft schwer, diese so nachzuführen, dass sie genau erkennen, wo sie gerade arbeiten. Die Mediziner müssen also ihre Arbeit immer wieder unterbrechen, um die Position der Kamera nachzukontrollieren. Mit der neuen Automatik können die Ärzte konzentriert weiterarbeiten, was sie weniger ermüdet, und sie können auch immer wieder bestimmte Operationsorte per Knopfdruck ansteuern, die sie zuvor abgespeichert haben.

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Andreas Raabe, Neurochirurg am Inselspital Bern, Michelangelo Massini und Frank Seizinger von der Zeiss Medizinsparte Meditec vor ihrer Erfindung (Foto: Ansgar Pudenz)

Andreas Raabe, Michelangelo Massini und Frank Seizinger erleichtern mit ihrer Erfindung den Neurochirurgen die Arbeit

Darüber hinaus hat das Forscherteam eine Visualisierung zusätzlicher Informationen eingebaut. Mit Augmented Reality (AR) können die Ärzte zusätzliche Informationen virtuell in ihr Sichtfeld einspielen. So lassen sich zum Beispiel bestimmte Gefäße besser sichtbar machen.

Die gesamte Bildgebung ist gleichzeitig für alle im Operationssaal zu sehen und kann auch darüber hinaus an andere Experten live gestreamt werden, wenn etwa der Operateur einen Fachkollegen aus einer anderen Stadt zu Rate ziehen will.

Fassadendämmung mit Glasperlen

Beim dritten Team ging es zwar nicht um Optik, aber Glas spielte durchaus eine Rolle. 

Die Erfindung ist eigentlich recht naheliegend. Das Prinzip kennt man von der Thermoskanne: Ein doppelwandiger Glaszylinder und dazwischen ein Vakuum. Das Vakuum isoliert sehr gut, weil kein Gas in dem Behälter steckt, das die Wärme transportieren kann. 

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Vakuumgefüllte mikrometerkleine Glasperlen, die als Dämmstoff zum Einsatz kommen. Deutscher Zukunftspreis 2020

Von den winzigen vakuumgefüllten Glasperlen ist später, wenn sie im Mörtel gebunden sind, nichts mehr zu sehen.

Friedbert Scharfe vom Mörtelhersteller Maxit  hat sich Unterstützung von Thorsten Gerdes geholt, der als Professor an seinem Keylab an der Universität Bayreuth zur Glastechnologie forscht und lehrt. Mit im Team ist Klaus Hintzer von Dyneon, einer Tochter von 3M,  im Oberbayerischen Burgkirchen. 

Die bayerischen Ingenieure haben ihr in Glas verpacktes Vakuum viel kleiner gemacht als eine Thermoskanne. Die hohlen Glasperlen erreichen gerade mal Durchmesser von 10 bis 200 Mikrometern und sind verblüffend leicht.

Die Glasperlen werden in einem mineralischen Mörtel-Klebstoff eingebunden, der sich als Putz oder Trägermaterial verwenden lässt. Auch kann man ihn auf Wände aufspritzen. 

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Thorsten Gerdes vom Keylab Glastechnologie an der Universität Bayreuth, Friedbert Scharfe vom Mörtelhersteller Maxit und Klaus Hintzer von Dyneon (Foto: Ansgar Pudenz)

Thorsten Gerdes, Friedbert Scharfe und Klaus Hintzer machen Dämmstoffe für denkmalgeschützten Fassaden

Der neuartige Dämm-Mörtel hat viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Dämm-Materialien. Dämmstoffe aus Kunststoff sind nicht feuerfest Auch sind sie oft diffusionsdicht und können bei Planungsfehlern zu Kondenswasserschäden und im schlimmsten Fall zu Schimmelbildung beitragen. 

Mineralwolle-Dämmplatten sind zwar diffusionsoffen und weniger anfällig für Staunässe, werden sie aber nass, verklumpen sie schnell und verlieren dadurch ihre Dämmwirkung.

Die in mineralischen Mörtel gebundenen Glasperlen sind hingegen nicht feuchtigkeitsanfällig und zudem lässt der Mörtel noch Wasserdampf hindurch. Mögliche Planungs- und Ausführungsfehler beim Bau verzeiht das Material also. Zudem ist es feuerfest.

Und noch einen großen Vorteil hat der Mörtel: Er lässt sich selbst dort einsetzen, wo eine klassische Außendämmung nicht in Frage kommt, etwa an denkmalgeschützten Fassaden, an denen herkömmliche Putzträger-Dämmplatten bzw. Wärmedämmverbundsysteme nichts zu suchen haben. Auch als Innendämmstoff ist der Glasperlen-Mörtel geeignet. 

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