Zwischen Schutzanzug und Spitzenforschung

Perfektionismus lohnt sich: Eine einzige Hautschuppe kann ausreichen, um Dutzende Mikrochips zu zerstören. (Bild: Lucia Luca Hunziker / ETH Zürich)

Herstellung von Mikrochips: Als Grundlage dienen meist klassische Silizium-Wafer – wie hier im Bild grün schimmernd (Bild: Lucia Luca Hunziker / ETH Zürich)

Im fahlen Kunstlicht und unter dem monotonen Brummen einer leistungsstarken Lüftung nimmt sich Peter Rimpf einen weissen Ganzkörperoverall mit Kapuze, zieht Laborschuhe an und streift sich Handschuhe über die Finger. «Eine einzige Hautschuppe kann ausreichen, um Dutzende Mikrochips zu zerstören», erklärt der Betriebsleiter des Reinraums am Departement Biosysteme der ETH Zürich am Standort Basel. Bevor Forschende den Reinraum betreten dürfen, gehen sie durch eine Schleuse mit Überdruck, reinigen ihre Schuhsohlen auf einer Klebematte und ziehen sich um. Wer sich im Reinraum Notizen machen muss, erhält von Rimpf speziell verarbeitetes Papier, das keinen Abrieb erzeugt. Schmutz, Fusseln und Staub sollen hier um jeden Preis verhindert werden.

Tüfteln im Mikro- und Nanobereich

Die Cleanroom Facility Basel liegt im Keller des Forschungs- und Laborgebäudes BSS der ETH auf dem Schällemätteli-Areal in Basel. Die Temperatur im Reinraum beträgt konstant 21 Grad Celsius; die Luftfeuchtigkeit liegt bei 45 Prozent – Schwankungen sind unerwünscht, nichts soll hier die diffizilen Arbeiten stören. In der Cleanroom Facility Basel werden Mikrochips für die biotechnologische Forschung hergestellt, zudem wird an winzigen Sensoren oder Prototypen neuer Bauelemente für Halbleiter getüftelt. Meist arbeiten die Forschenden mit klassischen Silizium-Wafern; also Scheiben aus reinem, kristallinem Silizium, die etwas grösser sind als eine CD und im Licht regenbogenfarben schimmern. Aus ihnen werden High-Tech-Mikrochips gefertigt. Die Ausstattung des 360 Quadratmeter grossen Reinraums ist dafür ausgelegt, sogenannte CMOS-Mikroelektronikchips nachzubearbeiten. Auf diesen können Millionen winziger Transistoren untergebracht werden. Die meisten Bildsensoren in Kameras, Smartphones und Autos basieren heute auf CMOS-Technologie.

Rimpf tritt im Overall aus der Schleuse in einen Gang, der die acht Labore des Reinraums und mehrere Technikräume miteinander verbindet. In den Laboren stehen diverse Geräte zum Bearbeiten von Wafern und Mikrochips sowie für die nachträgliche Analyse. Zwei Labore wurden an die Universität Basel untervermietet, zudem können auch Industriepartner den Reinraum nutzen. Insgesamt können hier rund vierzig Personen gleichzeitig arbeiten. Labore und technische Anlagen sind so weit wie möglich voneinander getrennt, um Kontaminationen während des Betriebs oder bei Wartungsarbeiten zu verhindern. Zudem herrscht in allen Laboren ein Überdruck, sodass möglichst wenig Partikel und Staub von aussen hineingelangen. «Ein Kubikmeter Stadtluft enthält normalerweise Millionen von Partikeln», erzählt Rimpf. «Dank unserer Filtersysteme können wir die Anzahl auf einige Tausend reduzieren.» Zu diesem Zweck wird von der Decke konstant frische Luft durch Filter in die Räume gedrückt. Pro Stunde werden 30 000 Kubikmeter Luft umgewälzt und filtriert.

Rimpf betritt den sogenannten Lithografieraum, der mit Gelblicht beleuchtet ist. Die Lacke, die hier auf die Wafer aufgetragen werden, sind lichtempfindlich und könnten durch UV-Strahlung beschädigt werden. Unter einem Abzug steht auf einer Tischplatte eingelassen eine Schleuder, mit der Epoxidharzlacke mikrometerdünn auf die Wafer aufgeschleudert werden. «Anders als in Reinräumen der Industrie gibt es bei uns nur wenige standardisierte und automatisierte Prozesse», sagt Rimpf. «Hier wird noch sehr viel manuell gearbeitet.» Deshalb erfordert die Arbeit viel Erfahrung und Fingerfertigkeit. Nach dem Aufschleudern wird der Wafer zuerst auf eine heisse Platte gelegt, damit die Lösungsmittel verdampfen. Später werden die beabsichtigten Mikrostrukturen in einem klobigen Kasten, so gross wie eine Waschmaschine, mit einem UV-Licht ausgehärtet. Anschliessend wird der überschüssige Lack mit Lösungsmitteln abgewaschen. So entstehen auf den Wafern Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich.

In einem benachbarten Labor steht eine Anlage zum Trockenätzen von Wafern. Mithilfe eines Plasmas aus ionisierten Gasen können feinste Strukturen in das Silizium eingeätzt werden, darunter auch solche mit sehr steilen Wänden und scharfen Kanten. Damit können die Forschenden gezielt winzige Kanäle, Vertiefungen oder elektrische Strukturen in den Wafer einarbeiten. «Je kleiner die Strukturen auf den Wafern sind, desto leistungsfähiger sind später die Chips», sagt Rimpf. Die kleinsten Strukturen, die hier auf die Wafer aufgebracht werden, sind 500 Nanometer klein, also um ein Vielfaches dünner als der Durchmesser eines einzelnen Haars.

Vielfältig und komplex

Marina Marti arbeitet seit einem Jahr im Betriebsteam der Cleanroom Facility Basel. Sie ist gelernte Chemielaborantin, war früher für ein Pharmaunternehmen im Reinraum tätig und ist sich die Arbeit unter hochreinen Bedingungen gewohnt. Sie habe sich zum Ziel gesetzt, dass die Forschenden im Reinraum stets optimale Arbeitsbedingungen vorfinden. Dafür müssen Maschinen gewartet, Abfälle geleert und Ersatzmaterial wie Handschuhe, Lösungsmittel und Fotolacke bereitgestellt werden. Dass sie den ganzen Tag im Keller arbeitet, stört Marti nicht. «Man gewöhnt sich daran», sagt sie. Zudem vergehe die Zeit schnell, da mehrheitlich hoch konzentriert gearbeitet werde. Für Büroarbeiten steht den Mitarbeitenden zudem ein Raum mit Tageslicht zur Verfügung.

Bei Wartungen und Reparaturen der Hightech-Instrumente arbeitet das Betriebsteam eng mit Herstellern in der Schweiz und im Ausland zusammen. «Die Vielzahl und Komplexität der Geräte ist beeindruckend», sagt Marti. Mithilfe von Manuals der Gerätehersteller, Schulungsvideos und der Unterstützung ihrer Kollegen arbeitet sie sich derzeit in die Bedienung und Wartung der verschiedenen Instrumente ein. «Ich lerne jeden Tag etwas Neues – genau das gefällt mir an meiner Arbeit.» Manche Instrumente kosten weit über 1 Million Schweizer Franken, zum Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop der neuesten Generation. Damit lassen sich dreidimensionale Bilder mit einer Auflösung von bis zu zwanzig Nanometern erstellen, um die Strukturen auf den Wafern bis ins kleinste Detail zu analysieren. Defekte oder Verunreinigungen werden damit sofort sichtbar. «Es war schon ein besonderer Moment, dieses Mikroskop zum ersten Mal zu bedienen», erinnert sich Marti.

Trotz dieser Hightech-Infrastruktur steht die Cleanroom Facility Basel allen Studierenden und Mitarbeitenden des Departements offen. Einzige Bedingung: Sie müssen an einer Einführung und einem Sicherheitstraining teilnehmen und eine gewisse Erfahrung im Umgang mit dem Reinraum mitbringen. Rimpf und seine Mitarbeitenden vermitteln die Grundlagen, schulen die Interessierten an den verschiedenen Geräten, führen sie in das Sicherheitskonzept ein und sensibilisieren sie für Massnahmen, um die Infrastruktur möglichst rein zu halten. «Viele waren noch nie zuvor in einem derartigen Reinraum», sagt Rimpf. «Wir sind ihre ersten Ansprechpartner und helfen ihnen dabei, ihre Ideen umzusetzen.» Sein Ziel sei es, die nächste Generation von Mikro- und Nanotechnologieexpertinnen und -experten mit seinem Know-how zu unterstützen und zu inspirieren.

Gehirnzellen auf Chips

Der Charakter des Reinraums als «User Facility» sei auch ihm sehr wichtig, sagt Andreas Hierlemann, Professor für Biosystems Engineering und Beauftragter des Departements Biosysteme für die Leitung und Überwachung des Reinraums. «Die Forschenden müssen Grundkenntnisse für die Arbeit im Reinraum mitbringen, aber es braucht keine spezielle Geräteexpertise, um ihn nutzen zu dürfen. Hier soll man auch Dinge ausprobieren dürfen.» Das prägt auch die Lehre: Masterstudierende der Biotechnologie nutzen den Reinraum während ihres Mikrotechnikpraktikums, um erste eigene Strukturen auf Silizium-Wafern zu entwerfen und Chips zu fertigen. «Das ist nicht selbstverständlich», sagt Hierlemann. «Es gibt nur wenige Hochschulen, die ihre Masterstudierenden in den Reinraum lassen.»

Seine eigene Forschungsgruppe entwickelt Mikrochips, um Medikamente zu testen. Solche «Advanced in vitro»-Systeme können bestimmte Tierversuche ersetzen. Hierlemann und sein Team entwickeln dafür spezielle Mikrochips, die sie mit Herz- oder Gehirnzellen bewachsen lassen. Das Material dazu kommt von bestimmten menschlichen Stammzellen, die im Labor hergestellt wurden. Mithilfe dieser Chips können elektrische Signale gemessen oder die Zellen mit elektrischen Impulsen stimuliert werden. Da die Signale charakteristisch sind für bestimmte Krankheiten, ist es beispielsweise möglich, die elektrische Aktivität gesunder und kranker Gehirnzellen miteinander zu vergleichen und die Wirkung neu entwickelter Medikamente auf solchen Chips zu testen. Hierlemanns Forschungsgruppe ist auf einen gut geführten Reinraum angewiesen. «Rund die Hälfte meiner Gruppe arbeitet regelmässig im Reinraum, er ist zentral für unsere Forschung.»

Von der Idee zum Chip

Neben dem Reinraum in Basel beherbergt die ETH zwei weitere Reinräume in Zürich. Das FIRST Lab auf dem Campus Hönggerberg verfügt über 400 Quadratmeter Reinraumfläche und Instrumente, die sich vor allem an Gruppen aus den Bereichen Physik, Elektrotechnik und Materialwissenschaften richten. Am ETH-Standort Zentrum befindet sich mit der FIRST-CLA eine kleinere Schwester mit 250 Quadratmetern Reinraumfläche, die speziell für die Bedürfnisse von Forschenden in den Bereichen Maschinenbau und Verfahrenstechnik ausgestattet ist. «Ohne diese Reinräume müssten etwa zehn Gruppen einen neuen Standort für ihre Forschung suchen», sagt Giacomo Scalari, Professor für Quantenelektronik und Koordinator des FIRST Lab. «Für viele ETH-Forschende sind sie essenziell.»

Scalaris Gruppe entwickelt neue Halbleiterlaser, wie sie in der Telekommunikation oder für die Gesichtserkennung in Smartphones zum Einsatz kommen. Je nach Halbleiter, die in den Chips verbaut werden, emittieren solche Laser eine andere Wellenlänge. Seine neun Doktorandinnen und Doktoranden verbringen rund vierzig Prozent ihrer Zeit im FIRST Lab, erzählt er. «Sie kommen mit einer Idee und einem Design herein und gehen mit einem Prototyp eines Chips wieder hinaus. Danach testen sie diesen im Labor, optimieren das Design und gehen erneut in den Reinraum.»

Oft sind mehrere Anläufe nötig, bis der fertige Mikrochip den gewünschten Anforderungen entspricht. Manchmal dauert dieser Prozess mehrere Monate. Oft werden die Geräte dabei mit Unterstützung von Technikmitarbeitenden der Herstellerfirmen angepasst, sodass die Herstellung bestimmter Mikrochipdesigns überhaupt erst möglich wird. Die Ausstattung der Reinräume wird dabei kontinuierlich weiterentwickelt. Dass sein Büro und die Labore seiner Gruppe nur fünf Minuten zu Fuss vom First Lab entfernt sind, sei ein grosser Vorteil: «Durch diese Nähe können wir neue Ideen sofort umsetzen und testen. Das ist extrem effizient.»

Zugleich habe der Reinraum einen «Cafeteria-Effekt», so Scalari. Man komme mit Kolleginnen und Kollegen ins Gespräch, die an anderen Forschungsfragen arbeiten. «Dieser Austausch ist sehr wertvoll. Dank eines guten Tipps gewinnt man manchmal Monate.» Genauso wie Hierlemann betont auch Scalari die wichtige Rolle der Infrastruktur für die Lehre und die Attraktivität der Abgängerinnen und Abgänger auf dem Arbeitsmarkt. «Unsere Studierenden wissen, wie man eine solche Mikrotechnikinfrastruktur bedient. Das wird von der Industrie enorm geschätzt.» Die meisten seiner Absolventinnen und Absolventen hätten sofort eine Stelle in der optoelektronischen Industrie gefunden. Andere gründeten eigene Spin-offs, darunter Versics und SCALE Lasers.

Faszination für Teamwork

Zurück im Reinraum in Basel. In der Schleuse, die den kontrollierten und weitgehend staubfreien Raum von der schmutzigen Aussenwelt trennt, zieht Rimpf seinen Overall und die Handschuhe aus. Vor zwanzig Jahren stand der Techniker zum ersten Mal in einem Reinraum, als er bei der ABB in der Mikrotechnologie zu arbeiten begann.

Seine Faszination für die Präzision und das dafür nötige Teamwork ist bis heute ungebrochen. «Je kleiner und komplexer die Strukturen sind, desto mehr unterschiedliches Expertenwissen ist nötig», sagt er. «Das geht nicht allein; dafür müssen Menschen zusammenarbeiten.»