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Wie können Mikrochips nachhaltiger werden?

28. September 2022 7 Min. Lesedauer

Sie bieten Platz für immer mehr Transistoren – und werden dabei immer leistungsfähiger. Die Rede ist von Mikrochips, die im Kampf gegen den Klimawandel unverzichtbar sind: Nachhaltige Technologien wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen, Windräder oder Elektroautos bauen auf ihnen auf. Die Herstellung dieser unentbehrlichen Mikrochips und ihrer Bestandteile ist jedoch sehr energieintensiv. Können Mikrochips nachhaltiger werden – und, wenn ja, wie?¹

Kurz gesagt: der Herstellungsprozess von Mikrochips

„Zunächst muss man klären, was nachhaltiger im Zusammenhang mit Mikrochips eigentlich bedeutet“, erklärt Tobias Berndt, Projektleiter Sustainability bei ZEISS Sparte Semiconductor Manufacturing Technology: „Um Mikrochips herzustellen, braucht es eine ganze Reihe von Maschinen und Prozessen. Eine sehr wichtige Rolle spielen dabei Lithographie-Optiken, die wir bei der ZEISS Sparte Semiconductor Manufacturing Technology entwickeln und produzieren. Um hier nachhaltiger zu werden, setzen wir vor allem beim Produktentwicklungs- und Herstellungsprozess der Optiken und der dazu notwendigen Infrastruktur an. Darüber hinaus beeinflussen unsere Produkte die Eigenschaften der damit produzierten Chips.“

Bei der Herstellung von Mikrochips ist die optische Lithographie das zentrale Verfahren. Dabei wird auf einem mit Photolack beschichteten Silizium-Wafer, einer runden Scheibe, die das Fundament der Mikrochips bildet, das Muster einer Photomaske stark verkleinert abgebildet und mit verschiedenen chemischen und physikalischen Prozessen auf den Wafer übertragen. Indem diese Vorgänge etwa hundert Mal wiederholt werden, entstehen die elektronischen Bauteile und Leiterbahnen auf den Mikrochips.

Diese Technologie hat ZEISS gemeinsam mit dem strategischen Partner ASML und einem großen Netzwerk in einem seit über zwanzig Jahren andauernden Entwicklungsprozess auf das nächste Level gebracht. Das Ergebnis? Die EUV-Lithographie (EUV = Extreme Ultra Violet).

Wegen des hohen Auflösungsvermögens der EUV-Projektionsoptiken können sehr feine Strukturen hergestellt und dadurch viele Transistoren (Schalteinheiten) auf den Mikrochips untergebracht werden. Je mehr Transistoren pro Chip zum Einsatz kommen, desto leistungsfähiger sind Prozessoren. Die Entwicklung schreitet schon seit über einem halben Jahrhundert voran: Nach dem mooreschen Gesetz (benannt nach dem Intel-Mitbegründer Gordon Moore) verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip alle zwei Jahre. Auch dank ZEISS und seinen Partnerinnen und Partnern.

Wie wirkt sich diese Leistungssteigerung auf Nachhaltigkeit aus? „Unter anderem sind EUV-Chips etwa 30 Prozent energieeffizienter als Chips, die mit der letzten Generation von DUV-Optiken (DUV = Deep Ultra Violet) hergestellt werden. Damit können deutlich leistungsstärkere Endgeräte gebaut werden, ohne dass sich ihr CO2-Fußabdruck vergrößert“, erzählt Birgit Kürz aus der Produktentwicklung und Mitglied des Sustainability-Teams.

Wie EUV-Lithographie die Nachhaltigkeit von Mikrochips beeinflusst

Wafer

Projektionsoptik

Maske

Lichtquelle / Beleuchtungssystem

Für den technischen Quantensprung mit der EUV-Lithographie wurde das Forschungsteam 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

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Quelle: ZDF

So gestaltet ZEISS die Produktion von Optiken nachhaltiger

Eine elementare Rolle für die Optimierung von Lithographiesystemen, sowohl in Sachen Leistungsfähigkeit als auch Nachhaltigkeit, spielt die Produktentwicklung.

„Das Wichtigste ist, sich zunächst über die Verbräuche und Emissionen, die eine Produktion verursacht, klar zu werden – also Kennzahlen zu erheben. Denn was man nicht misst, kann man auch nicht verbessern“, ergänzt Ingo Hofmann, Projektmanager und Mitglied des Sustainability-Teams bei ZEISS Semiconductor Manufacturing Technology: „Wir bauen gerade die Datenbasis auf. Beim Thema Nachhaltigkeit schauen wir bereits bei der Produktentwicklung, wo unsere Umwelteinflüsse liegen. Dann können wir uns fragen: Wie können wir diese reduzieren?“

Energie ist unser größter Hebel

Dieser Prozess brachte bereits hilfreiche Erkenntnisse. „Für uns ist der größte Hebel das Thema Energie, weil unsere Prozesse und Fertigungsbereiche so hohe Anforderungen haben.“ Die Rede ist von den sogenannten Reinräumen, den Bereichen, in denen bei ZEISS die Linsen und Spiegel der Lithographieoptiken hergestellt werden. Die Anforderungen an die Luftreinheit sind sehr streng. „Unser Energieverbrauch ist groß, weil wir aufwendig klimatisierte Reinräume brauchen. Aber wir optimieren unsere Infrastruktur stetig.“ Zum Beispiel, indem die genutzte Energie klug wiederverwendet wird und Prozessabwärme in Heizungssysteme rückgeführt wird.

„Hier kommen auch wieder Mikrochips zum Einsatz“, sagt Ingo Hofmann: „Diese ermöglichen intelligente Schaltungen, mit denen wir unsere Produktionshallen optimieren.“ Dabei wird alles hinterfragt: Müssen die Maschinen im Reinraum stehen oder ist auch ein weniger energieintensiver Bereich ausreichend? So kann Reinraumfläche gespart werden, was wiederum den Energieverbrauch positiv beeinflusst. Etwas, worauf ZEISS besonders bei Neubauten achtet. Genauso wichtig ist es, Mitarbeitende zu sensibilisieren: „Welche Prozesse können wir verbessern? Wie können wir verhindern, dass Maschinen unnötig lange auf Stand-by stehen? Unser Ziel ist, das ZEISS Mindset für Effizienz und Präzision auch auf Nachhaltigkeit hin zu schärfen“, so Ingo Hofmann.

Auch in Bezug auf den Ressourceneinsatz lassen sich Weichen stellen. „Wir prüfen aktuell die Verwendung von sogenanntem ,Green Steel‘. Weil die Herstellung von Stahl sehr stromintensiv ist, gehen damit in der Regel auch beträchtliche CO2-Emissionen einher. Ist der verwendete Strom durch erneuerbare Energien erzeugt worden, kann dieser Prozess deutlich nachhaltiger vollzogen werden“, sagt Tobias Berndt, fügt aber kritisch hinzu: „Die Frage ist immer: Wie wurde dieser Strom grün gestellt? Über Kompensationszertifikate – die grundsätzlich gut sind – oder tatsächlich über den Einsatz von erneuerbaren Energien unter der Verwendung sogenannter PPAs (Power Purchase Agreements)? Letzteres wäre noch besser, da CO2, das nachträglich kompensiert wird, gar nicht erst entsteht. Das prüfen wir gerade.“

30 %

EUV-Chips

sind etwa 30 Prozent energieeffizienter als
Chips, die mit DUV-Optiken hergestellt wurden.
57

Milliarden Transistoren

finden auf einem Mikrochip Platz.
1970 waren es noch 1.000.

Die nächsten Schritte zu mehr Nachhaltigkeit

Prüfen ist das passende Stichwort: Tobias Berndt und sein Team arbeiten derzeit an einem ganzheitlichen Programm, Nachhaltigkeit in der ZEISS Semiconductor Manufacturing Technology zu etablieren und strategisch anzugehen. Dabei orientieren sie sich mit neun Kernfragen an den Konzernzielen und setzen Projekte auf, um die Ziele zu erfüllen. Das Team ist stetig auf der Suche nach neuen, vielversprechenden Projektideen. Tobias Berndt ist optimistisch: „Als produzierendes Unternehmen sind wir uns unserer Verantwortung für Nachhaltigkeit bewusst – und auch bei unseren Kundinnen und Kunden sowie Lieferanten wächst das Bewusstsein dafür.“

Unsere Mitarbeitenden sind hoch motiviert, an diesem Thema zu arbeiten. So treiben wir innovative Lösungen voran.

Tobias Berndt Projektleiter Sustainability bei ZEISS Semiconductor Manufacturing Technology