Nanotechnologie

3 Miniaturisierung (S.19)

Die gezielte Ausnutzung der Kausalität zwischen Funktionalität und struktureller Größe setzt technologische Möglichkeiten voraus, hinreichend kleine strukturelle Abmessungen – d. h. Abmessungen im Nanometermaßstab – gezielt zu erzeugen.

Hieraus leitet sich direkt eine Motivation zur Erarbeitung von Miniaturisierungsstrategien ab, die gleichwohl nicht ausschließlich durch Fortschreibung der Miniaturisierungsverfahren der Mikroelektronik entwickelt werden können. Dies resultiert insbesondere daraus, dass es wissenschaftliche, technische und auch ökonomische Grenzen der Fortschreibung von Top-down-Ansätzen gibt.

3.1 Motivation

Das Bestreben, charakteristische Abmessungen technischer Vorrichtungen, Bauelemente oder Komponenten so weit wie möglich zu miniaturisieren, hat sich in der Technikgeschichte als wohl stärkste Triebfeder zur Entwicklung neuer Technologien und damit als ein wesentliches Element des technischen Fortschritts schlechthin erwiesen. Dieser Befund verdeutlicht allerdings zunächst nicht, woraus das Streben nach Miniaturisierung und damit derWert der Kleinheit grundsätzlich resultiert.

Letzteres ist jedoch bei näherer Betrachtung offensichtlich für alle Technologien. Eine hinreichende Kleinheit einer technischen Komponente ist erforderlich, wenn die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems diese Kleinheit erfordert, wenn Kleinheit zur Benutzerfreundlichkeit oder Ergonomie beiträgt oder wenn die Miniaturisierung von Strukturen aus ökonomischen Gründen erforderlich ist.

Es ist offensichtlich, dass beispielsweise ein endoskopisches Verfahren in der Medizin nur realisiert werden kann, wenn das Endoskop genügend klein ist. Ebenso offensichtlich ist, dass ein stark miniaturisierter Herzschrittmacher einen höheren Tragekomfort bietet als die ersten Geräte von der Größe einer Schuhcremedose.

Der Zusammenhang zwischen konsequenter Miniaturisierung und Ökonomie wird insbesondere am Beispiel der Halbleiter-Speicherchips deutlich, wo die Zunahme der Integrationsdichte zu einer dramatischen Reduktion derKosten pro Informationseinheit geführt hat. Die Mikroelektronik ist überhaupt ein gutes Beispiel dafür, dass häufig alle genannten Miniaturisierungsgründe gleichzeitig vorliegen und damit gleichermaßen Motivation für die Miniaturisierung sind: Die heutigen PCs sind aufgrund fortschreitender Miniaturisierung der Komponenten in der Lage, Probleme zu lösen, die auf diese Weise vor zehn Jahren nicht lösbar waren.

Dabei sind sie gleichzeitig nutzerfreundlicher und im Allgemeinen nicht teurer als seinerzeitige Computer. Die Miniaturisierung hat also im Laufe der Zeit bestimmte Produktionsabläufe erst ermöglicht, andere humaner gestaltet und hat dafür gesorgt, dass viele Produkte für eine breite Bevölkerungsschicht überhaupt erschwinglich sind und zur Verfügung stehen können.

Nirgendwo hat die Miniaturisierung zu einer so konsequenten und dramatischen Entwicklung wie in der Mikroelektronik und seit einigen Jahrzehnten auch in der Mikrosystemtechnik geführt. Der Übergang von elektromechanischen Bauteilen zur Elektronenröhre, von der Elektronenröhre zum Einzeltransistor und vomTransistor zum stetig fortentwickelten integrierten Schaltkreis beinhaltete sowohl Technologiesprünge als auch die kontinuierliche Verfeinerung bestehender Strategien.

Miniaturisierung konnte dabei direkt in Machbarkeit, Arbeitserleichterung und ökonomische Perspektiven umgesetzt werden. Die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente, die durch das in Abbildung 3.1 dargestellte Moore’sche Gesetz beschrieben wird, hält bis heute an: Circa alle 18 Monate verdoppelt sich die Integrationsdichte, was mit einer entsprechenden Erhöhung der Leistungsfähigkeit verbunden ist (Sze 2002).

Obwohl dieses empirische Gesetz eine erstaunlich lange Gültigkeitsdauer besitzt, wird eine kontinuierliche Fortschreibung in die Zukunft nicht möglich sein. Die Entwicklungen in der Mikroelektronik sind ökonomiegetrieben. Den beträchtlichen Kosten, die eine entsprechende Halbleiterfabrik verursacht, standen bislang Gewinnerwartungen gegenüber, die es zumindest für eine abnehmende Zahl global agierender Unternehmen sinnvoll erscheinen ließ, die Miniaturisierung weiterzutreiben.

Bei dem zukünftig zu erwartenden Anstieg von Entwicklungs- und Herstellungskosten dürften zunächst nur noch wenige globale Allianzen in der Lage sein, die technologische Entwicklung fortzuführen, bis dann unter Umständen endgültig ein ökonomisches Limit erreicht ist.