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Nanotechnologie | ||||
Auf der Ebene der Atome verwischen sich die Grenzen | |||||
Im Wettlauf um Miniaturisierung hat die Mikroelektronikindustrie die Grenzen der Nanotechnologie überschritten. Nun ist ein neues Paradigma erforderlich, das noch multidisziplinärer ist und so unterschiedliche Bereiche wie Mikroelektronik, Quantenphysik und Biologie einbezieht.
Was ist eigentlich Nanotechnologie? Gehen Sie in die nächste Buchhandlung, nehmen Sie dort ein Taschenbuch zur Hand und dann können Sie etwas über winzige Maschinen lesen, die in den Blutgefäßen zirkulieren und laufend damit beschäftigt sind, die kleinen Tücken eines fürchterlichen Schicksals abzuwenden. Andere Bücher dagegen warnen vor "Star-Trek-Szenarien", wo herumwütende Nanomaschinen die Erde in grauen Sumpf verwandeln, oder vermitteln die Vision perfekt entworfener Strukturen - Fahrzeuge oder gar Raketen - , die wie Schmetterlinge aus einem Sammelsurium von winzigen Montagemaschinen aufsteigen, die mit Hilfe eines industriellen Äquivalents der DNA programmiert sind. Wie aber denken Wissenschaftler darüber? "Nanotechnologie ist oft als die Wissenschaft bezeichnet worden, die Strukturen von atomarer Größe bis zu ca. 100 Nanometern produziert, charakterisiert und einsetzt", erklärt Dr. Marc Van Rossum, Leiter der Abteilung für fortgeschrittene Werkstoffe und Forschung in Nanoelektronik des belgischen FuE-Instituts für Mikroelektronik, IMEC. "Aber diese Definition ist einfach nicht sehr sinnvoll, da sie so viele unterschiedliche Bereiche, ausgehend von Elektronik und Physik über Biologie und Chemie bis hin zu Maschinenbau, umfaßt. Und wer hat eigentlich die 100-Nanometer-Grenze festgelegt?
Was steckt hinter einem Namen? Dr. Rossum hielt auf einem Industrie-Workshop über Nanotechnologie, der von PHANTOMS, einem vom Programm Esprit unterstützten und von Dr. Rossum geleitetem Netzwerk, organisiert wurde, einen Vortrag über Nanotechnologie. Der Workshop fand im IBM-Forschungslabor in Zürich statt, wo Gerd Binning und Heinrich Rohrer das "Scanning Tunnelling Microscope (STM)" oder Raster-Tunnelmikroskop erfanden. Das STM ist für die Nanotechnologie, was das Teleskop für die Astronomie war, und wurde 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Fast alle Redner auf dem Workshop betrachteten Nanotechnologie unter einem anderen Gesichtspunkt. Für Harold Craighead von der Cornell University umfaßt Nanotechnologie die exakte Kontrolle einzelner Biologiemoleküle und bringt damit die Biochemie in "ein neues System, in dem ein riesiges Potential noch weitgehend unerforscht ist.". Peter Vettiger von IBM Zürich dagegen führte "Millipede", den Prototypen eines revolutionären, rein mechanischen Datenspeichergeräts, vor. Die Schwierigkeit, eine sinnvolle Definition für Nanotechnologie festzulegen, läßt sich sogar im Namen des Netzwerks PHANTOM - Physics and Technology of Mesoscopic Systems - ablesen. Mesoskopie? "Mesoskopie füllt die Lücke zwischen atomaren und Mikrometer-Skalen, wo der Einfluß der Quantenmechanik eine Rolle spielt", erklärt Van Rossum. "Diskussionen über Definitionen mögen vielleicht pedantisch erscheinen, aber wenn man nicht in der Lage ist, eine Wissenschaft zu definieren, wie soll man sich dann auf ein Forschungsprogramm einigen?" Antriebskraft: Nanoelektronik Die Kontroverse mag weitergehen, aber es steht fest, daß Nanoelektronik - ohne jeden Zweifel die Zukunft der Mikroelektronikbranche - diesem Bereich den Weg bereitet hat. Dieser Schwerpunkt, der durch das ESPRIT-Programm auf europäischer Ebene in großem Umfang unterstützt wird, lag auf der Hand, da die Mikroelektronikindustrie bis zu diesem Zeitpunkt bereits erkannt hatte, daß ihre hochgeschätzte CMOS(1)-Technologie mit ernsten Herausforderungen konfrontiert war. Die CMOS-Technologie wurde während den vergangenen zwei Jahrzehnten verbessert: die "Linienbreite" - die Breite des kleinsten Elements in einem integrierten Schaltkreis (IC) - konnte von 10 auf 2,5 Mikron gesenkt werden. Dies entspricht auch dem Moore'schen Gesetz, nach dem sich die Prozeßleistung von IC alle 18 Monate verdoppeln wird. Aber diese Entwicklung kann nicht endlos sein. Zu Beginn des nächsten Jahrhunderts werden die Größen der Elemente den mesoskopischen Bereich von unter 0,1 Mikron (100 Nanometer) erreichen, wo eine Reihe ernster Probleme auftreten. Einige dieser Probleme sind "lediglich" technischer Natur - es wird ungeheuer schwierig werden, die Wärmeabstrahlung von Schaltkreisen in den Griff zu bekommen, da diese näher zusammenliegen. Andererseits ist beispielsweise davon auszugehen, daß bis zum Jahr 2006 die Kosten für Fabrikationseinrichtungen für Halbleiter über US$5 Milliarden (siehe Tabelle 1 S.6) betragen werden. Möglicherweise kann CMOS jedoch eine größere Hürde nehmen - die Welt der Quanten. Denn wie soll man einen Schaltkreis konzipieren, wenn man sich in solche Größenordnungen begibt, daß Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation mit ins Spiel kommt? Als Antwort darauf startete Esprit 1997 im Rahmen seiner Maßnahmen für "Langzeitforschung" die mit 25 Millionen ECU ausgestattete ",Advanced Research Initiative in Microelectronics (MEL-ARI)". "MEL-ARI zielte darauf ab, den Weg für einen "Quantensprung" in eine neue Generation von Rechnern zu ebnen,", erklärt Esprit-Mitarbeiter Kostas Glinos. "In der Tat gibt es zwei Projekt-Cluster - das eine befaßt sich mit optoelektronischen Verbindungen, das andere mit IC-Produktionstechniken im Nanometerbereich." Das zweite Cluster umfaßt 13 Projekte. Alle betreffen radikale Veränderungen und Fortschritte in der Chiptechnologie, die Anfang des nächsten Jahrhunderts Auswirkungen auf Speicher und logische Prozessoren haben könnten, einschließlich Elektronik einzelner Elektronen, molekulare Elektronikgeräte, Nano-Aufdrucktechniken, Quanten-ICs und Verbindungen im Nano-Bereich (siehe "Die Nano-Connexion"). Darüber hinaus gibt es zwei zusätzliche Projekte über nanoskalige Resists und vertikale CMOS.
Ein neues Paradigma? Seit der Einführung von MEL-ARI sind allerdings noch weitere radikalere Ideen, die aus Science Fiction-Büchern stammten, in die ernsthafte Diskussion eingeflossen. "Neue Rechen- und Herstellungsparadigmen werden geprüft; und nach und nach sind immer mehr Disziplinen in der Nanotechnologie vertreten", erklärt Glinos. "Wir sprechen nicht mehr nur von Nanoelektronik, sondern auch von molekularer Skalen-Verarbeitung im allgemeinen, ob es um Elektronik, Mechanik, Biochemie oder Quantentechnik geht. Wir müssen eine Vision von Systemen schaffen und nicht nur an Geräte denken." Laut Nobelpreisträger Heinrich Rohrer von IBM Zürich ist es höchste Zeit dafür. "Die derzeitigen Wege der Mikroelektronikindustrie haben ihre Grenzen erreicht", argumentiert er. "Wir können nur zwei weitere Größenordnungen miniaturisieren, bevor wir auf die Ebene der Atome gelangen. Und es wird ein wahres Vermögen kosten. Brauchen wir wirklich Pentabit-Geräte? Oder wäre eine größere Komplexität nicht besser als immer kleinere Transistoren?" Rohrer betrachtet biologische Systeme als ein besseres Paradigma. "Bei natürlichen Systemen finden viele Verarbeitungsprozesse nebenbei statt, aber nur wichtige Informationen - keine Rohdaten - werden an die Zentrale weitergegeben", stellt er fest. "Sie erzielen dies durch eine 'integrierte Komplexität', die Physik, Chemie, Biologie und Elekronik miteinander verknüpft. Deshalb müssen die Forschungsprogramme von morgen viel mehr Disziplinen einbeziehen." Der richtige Zeitpunkt Glinos und Rohrer sind der Meinung, daß die Forschung auf viel mehr Disziplinen ausgerichtet werden muß. Hat sich die Sichtweise der EU in puncto Nanotechnologie also geändert? "Es ist an der Zeit, mehr zu wagen", erklärt er mit Überzeugung. "Nanoskalige Forschung muß zu revolutionären Ergebnissen oder zu neuer Funktionalität führen. Der Grund liegt auf der Hand. Wir werden mit dem heutigen Top-down-Ansatz nicht in der Lage sein, jemals atomisch-kleine Muster zu entwickeln, daher brauchen wir "Bottom-up"-Fertigungstechniken, wie zum Beispiel automatische Montage. Da diese Techniken jedoch nicht fehlerlos funktionieren, müssen wir darangehen, Systeme für Fehlertoleranz und Fehlersuche, wie sie in biochemischen Prozessen zu finden sind, einzusetzen." Gemäß dem neuen interdisziplinären Ansatz des Fünften Rahmenprogramms bezieht sich Nanotechnologie daher nicht mehr ausschließlich auf Nanoelektronik (siehe Kasten S.7). "Dieses Umdenken war eine Frage der Zeit", sagt Glinos. "Wir hatten 'exotische' Projekte in der Vergangenheit, aber wir konnten niemals eine kritische Masse erreichen, da das Forschungsfeld noch in den Kinderschuhen steckte, und es noch keine ausreichende Nachfrage aus Wissenschaft und Industrie gab. Aber heute ist der Zeitpunkt dafür gekommen." CMOS - complementary metal oxide semiconductor, Grundlage der in der Mikroelektronikindustrie eingesetzten Prozesse. Kontakt:
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