Pictures of the Future      Herbst 2005

Die Silizium-Pioniere

1945 funktionierten Siemens-Forscher ein Notquartier zum Labor um. Dort fanden sie eine Methode zur Produktion von einkristallinem Reinstsilizium – auf diese Weise werden noch heute 80 % der Weltproduktion hergestellt.

Wer an Silizium denkt, denkt ans Silicon Valley und damit an den geschichtlichen Realitäten vorbei. Denn wer die Herkunft des wichtigsten Grundstoffs fürs Informationszeitalter erkundet, landet im beschaulichen Dörfchen Pretzfeld, nicht weit von Nürnberg in der Fränkischen Schweiz. Hier und nicht in Kalifornien entwickelten Siemens-Forscher vor 50 Jahren die Technik, nach der bis heute etwa 80 % des weltweiten Reinstsiliziums hergestellt werden.

Bereits in den 1930er Jahren hatte der renommierte Physiker Walter Schottky, ein Schüler Max Plancks, in den Siemens-Laboratorien die Grundlagen der Halbleiterphysik erforscht. Eine kommerzielle Auswertung stand damals noch völlig in den Sternen. Kurz vor Ende des Zweiten Weltkriegs verlegte Siemens das Halbleiterlabor ins Schloss Pretzfeld. Das kleine Team um Eberhard Spenke konzentrierte sich zunächst auf den Werkstoff Selen. Erste Gleichrichterbauelemente entstanden noch auf drei alten Küchentischen, doch schon wenige Jahre später gelang es, eine lukrative Produktion in Gang zu bringen, die bis in die 70er Jahre in Berlin aufrechterhalten wurde. Parallel untersuchten Forscher im Allgemeinen Laboratorium der Siemens-Schuckertwerke in Erlangen und bei Siemens & Halske weitere Kristallsysteme auf ihre Eignung für Halbleiterbauelemente, auch Silizium. Während die Bell Telephone Laboratories, die 1948 den ersten Transistor entwickelt hatten, ganz auf Germanium setzten, entschied sich Spenke mutig für Silizium und überzeugte 1952 auch die Firmenleitung: Der Vorsprung der Amerikaner bei Germanium war nicht mehr aufzuholen, außerdem sah Spenke bei Germanium gravierende Nachteile, da es auf Arbeitstemperaturen unter 70 °C beschränkt ist und daher ungeeignet vor allem für Anwendungen der Leistungselektronik. Silizium dagegen bleibt bis 200nbsp;°C verwendbar.

Der Durchbruch bei der Herstellung hochreinen Siliziums gelang durch zonenweises Erwärmen senkrecht stehender Siliziumstäbe in einem Hochfrequenzfeld. Rund um einen "Impfkristall" entsteht so ein perfekter Einkristall. Dieser Kristallstab wird danach in Scheiben (Wafer) zersägt und zu Bauelementen verarbeitet.

Dieses von Spenke und seinen Mitarbeitern entwickelte Verfahren ging in die Technikgeschichte ein. Auf einer Konferenz in Garmisch-Partenkirchen stellte Siemens im Oktober 1956 die ersten Silizium-Leistungsgleichrichter mit damals unglaublichen 1000 V und 200nbsp;A vor. Gebräuchliche Selen-Gleichrichter widerstanden lediglich Belastungen von etwa 30 V und 80nbsp;A. Spenkes tiegelfreies Zonenziehverfahren hatte damit den Siegeszug des Siliziums eingeläutet. Viele Firmen aus den USA, Japan und Deutschland lizenzierten das Verfahren.

Ein weiterer genialer Wurf gelang dem Nachrichtentechniker Karl-Ulrich Stein mit seiner Ein-Transistor-Speicherzelle und dem dafür geeigneten Verstärker: Ein kleiner Kondensator speichert eine geringe Ladungsmenge oder bleibt leer. Der damit gekoppelte Transistor verstärkt diese Ladung und macht sie so für einen Computer lesbar. Heute stecken die Speicherzellen und Verstärker in jedem PC: Als DRAM, dynamische Schreib-Lese-Speicher, gefertigt in Strom sparender CMOS-Technik, gehen sie millionenfach über die Ladentheke. Doch die Siemens-Patentschrift 2148896 vom 30. September 1971 war ihrer Zeit zu weit voraus.

"In den 60er und 70er Jahren haben wir viel Zeit verloren. Wegen gewisser physikalischer Instabilitäten galt bei Siemens CMOS in den frühen 60er Jahren als lahme Ente, was aber nicht stimmte", erinnert sich der spätere Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung, Walter Heywang. Unter dem Strich blieb ein Rückstand von etwa drei Jahren hinter dem führenden Japan – eine Ewigkeit im hektischen Halbleitergeschäft. Nach massiver Fürsprache des Forschungsvorstands Karl Heinz Beckurts erklärte Siemens 1983 die Jagd nach dem Megabit-Speicher zum strategischen Unternehmensziel und investierte rund 2,6 Mrd, DM in das "Mega-Projekt". Beim 4-Megabit-Chip zog Siemens schließlich unter Führung von Hermann R. Franz 1988 gleichauf zur Konkurrenz und verblieb seither in der Spitzengruppe.

Trotz der Ausgliederung der Halbleitersparte in die Infineon Technologies AG im Jahr 1999 sind die Siemens-Silizium-Forscher nicht arbeitslos geworden. Denn Silizium bleibt ein wichtiger Grundwerkstoff: Objekt der Begierde sind heute winzige, hochintegrierte MEMS (mikro-elektro-mechanische Systeme). Bei MEMS ist alles aus einem Guss. Sie können Sensor, Logikprozessor und Aktor in einem sein. Per Funk halten sie Verbindung zur Außenwelt. Bei Bedarf melden sie an die übergeordneten Rechner Gefahrensituationen wie etwa "Druckverlust im Autoreifen". Auch in Gebäuden wird man sie künftig finden. Dort können sie Etage für Etage nach Feuer spähen und die Temperatur überwachen.

Schon heute kann man zudem chemische oder biologische Substanzen auf einem Chip miteinander reagieren lassen. Die von Siemens entwickelte Technologieplattform quicklab ist ein komplettes DNS-Analyselabor im Scheckkartenformat. Das Zusammenspiel von Elektronik und Biochemie auf kleinstem Raum ermöglicht hier maßgeschneiderte schnelle Analysen direkt beim Arzt, ohne Transport ins Labor. Kapillarkräfte saugen dazu einen Blutstropfen durch die Kanäle des Chips. In kleinen Kammern wird die Erbinformation aus den Zellen extrahiert, vervielfältigt und der eigentlichen Analyseeinheit zugeführt. Das Ergebnis kann direkt an einen Computer weitergegeben werden. 2004 erhielt das Entwicklerteam von Siemens gemeinsam mit Kollegen des Fraunhofer-Instituts in Itzehoe und von Infineon den Deutschen Zukunftspreis (siehe Pictures of the Future, Herbst 2004,  Biosensoren).

Dieses Gebiet der Mikrofluidik steht heute dort, wo die Siliziumtechnologie zu Beginn der 60er Jahre stand – noch in den Startlöchern, aber voller Möglichkeiten, die unser Leben ähnlich tiefgreifend verändern könnten wie die Mikroelektronik in den vergangenen 40 Jahren.
                                                                                                                   Björn Schaffer