Erik Loopstra and Vadim Banine

Das Herstellungsverfahren, mit dem moderne Mikrochips gefertigt werden, ist die Fotolithografie. Hierbei werden Laser eingesetzt, um winzige Strukturen für Transistoren und Schalter in Silizium-Wafer zu ätzen. Das Präzisionsniveau ist jedoch durch die in herkömmlichen Verfahren zum Einsatz kommende Wellenlänge begrenzt. Bis vor Kurzem lag die kürzest mögliche Wellenlänge bei 193 Nanometern.

Banine und Loopstra griffen zu einem erfinderischen Trick, um die Grenze bei der Wellenlänge zu durchbrechen. Sie wandten ein EUVL-Verfahren an. Anstatt das Laserlicht direkt für das Ätzen des Siliziums einzusetzen, wird in der EUVL-Technologie ein Hochleistungslaser auf winzige Zinntröpfchen gerichtet. Unter der Hitze des Lasers schmelzen die Metalltropfen zu strahlendem Plasma. Bei extrem hohen Temperaturen sendet das Plasma Licht im "extrem ultravioletten" Spektrum mit einer Wellenlänge von nur 13,5 Nanometern aus. Das ist 14-mal kleiner als der Wert, der bis dahin als kürzest mögliche Wellenlänge galt. Die auf diese Art erhaltene Wellenlänge ist ideal, um ultrafeine Strukturen in Silizium zu ätzen.

Um dies zu erreichen, ließen die Erfinder das Licht durch Reflektoren fallen - ultraglatte Spiegel mit makellos ebener Oberfläche. Hierfür entwickelte das deutsche Optikunternehmen ZEISS, mit dem ASML zusammenarbeitet, ein ganz neues Material. Außerdem setzten Banine und Loopstra eine Vakuumkammer ein, um den EUVL-Vorgang vor Verunreinigung zu schützen.

Um jedoch eine geometrische Chipstruktur auf einen Silizium-Wafer zu projizieren, mussten Loopstra und Banine auch eine Methode entwickeln, mit deren Hilfe sie verhindern konnten, dass kontaminierende Partikel auf die Maske - das ist der Entwurf für die Chipstruktur - im Lithografiesystem gelangen. Zwar sind solche verunreinigenden Materialpartikel 1 000-mal dünner als ein menschliches Haar, dennoch mussten sie ausgeschaltet werden - schließlich kann ein einziger Staubpartikel einen Mikrochip unbrauchbar machen. Inspiriert durch die japanischen Katanas (japanisches Langschwert) entschlossen sie sich dazu, eine dünne, geschichtete Membran zum Schutz der Maske zu entwerfen.

In den Fertigungsanlagen wird die patentierte Technologie nicht zur Herstellung der kompletten Chips eingesetzt, sondern nur für die Schichten, bei denen höchste Detailtreue und Präzision am meisten gefragt sind. Diese werden dann zusammen mit den sogenannten Belichtungsschichten auf die fertigen Halbleiter aufgebracht. Davon gibt es pro Chip etwa 100 Stück, und diese werden mithilfe anderer Lithografieverfahren hergestellt.

Seit Erik Loopstra 1991 zu ASML kam, spielte er stets eine wichtige Rolle, wenn es darum ging, neue EUVL-Lösungen auf den Markt zu bringen. Mehr als 1 000 Fachleute des Unternehmens waren an diesem Prozess beteiligt. Mit den Worten "Innovation ist ein Prozent Inspiration und neunundneunzig Prozent Transpiration", zitiert Loopstra Thomas Edison. "Niemand würde so viel Zeit und Geld investieren, wenn er nicht daran glauben würde, dass es sich am Ende lohnt."

Sein innovativer Ehrgeiz wurde größer, und damit wuchs auch seine Abteilung. Als der aus Lillestrøm in Norwegen stammende Loopstra vor mehr als 25 Jahren bei ASML anfing, bestand das Entwicklungsteam aus gerade einmal 100 Leuten. Heute ist die Zahl der Mitarbeiter in diesem Bereich auf 2 000 angewachsen. Loopstra arbeitet mittlerweile auch beim ASML-Zulieferer ZEISS in Deutschland an optischen EUV-Systemen der nächsten Generation.

Loopstras Arbeit führte zur Erteilung von 65 europäischen Patenten und brachte ihm 2012 den Martin-van-den-Brink-Preis der Niederländischen Gesellschaft für Feinwerktechnik (Dutch Society for Precision Engineering) ein. In seiner Freizeit zieht sich der Erfinder in seine Werkstatt zurück, wo er sich beim Schreinern von Holzmöbeln von der Arbeit mit Hochleistungslasern erholt.

Vadim Banine wurde in der russischen Hauptstadt Moskau geboren, wo er 1988 am Moskauer Institut für Physik und Technologie seinen Studienabschluss in Physik machte. Nach zweijähriger Forschungstätigkeit als Postdoc am Labor für Wärme- und Stoffübertragung an der TU/e, wo er seine Promotion erlangt hatte, fing er 1996 bei ASML an. Seither hat er mit wissenschaftlichen Erkenntnissen zu den bahnbrechenden Entwicklungen in der EUVL-Technologie beigetragen.

Heute ist er in der Forschung ebenso zu Hause wie in der Welt der Unternehmensführung. 2010 wurde er Forschungsvorstand bei ASML, 2013 wurde er als Professor für Physik und EUV-Lithografie an die Abteilung für Angewandte Physik der TU/e berufen. Banine ist als Erfinder oder Miterfinder in 45 erteilten europäischen Patenten genannt und ist Autor von über 50 wissenschaftlichen Publikationen.

"Die Patente haben mir Freiheit gebracht. Sie haben dafür gesorgt, dass ich mich hundertprozentig auf meine Arbeit konzentrieren konnte und mir um nichts anderes Gedanken machen musste. Das ist wirklich großartig", findet Banine. Im Rahmen von Kooperationen mit einer Reihe unterschiedlicher Partner aus Industrie und Forschung beteiligt er sich heute mit ASML daran, die optischen Elemente und Plasmasysteme, die im Zentrum der EUVL-Technologie stehen, zu testen.

Erfinder patentierter Innovationen im Zusammenhang mit Mikroprozessoren waren beim Europäischen Erfinderpreis von der ersten Stunde an erfolgreich. Loopstra und Banine sind die jüngsten Beispiele einer ganzen Reihe von Finalisten und Gewinnern. Das fing schon beim allerersten Europäischen Erfinderpreis 2006 an, bei dem der legendäre Mikroprozessor 4004 seinem Erfinder Federico Faggin den Preis in der Kategorie "Lebenswerk" einbrachte. Im selben Jahr wurden auch Stephen P.A. Fodor und sein Team für ihre Mikrochips zur DNA-Analyse ausgezeichnet. Sie erhielten den Preis in der Kategorie "Kleine und mittlere Unternehmen".

2015 ging der Preis in der Kategorie "Lebenswerk" an den analytischen Chemiker und Nanowissenschaftler Andreas Manz aus der Schweiz, der die gesamte Ausrüstung eines Chemielabors so weit miniaturisierte, dass sie auf einem Wafer von der Größe eines Mikrochips Platz fand. Ein Jahr zuvor brachte ein mit einem Mikroprozessor bestückter USB-Stick, der die DNA eines Patienten innerhalb von Minuten entschlüsseln kann, dem britischen Wissenschaftler Christofer Toumazou den Preis in der Kategorie "Forschung" ein.

Weitere Finalisten, die neue Maßstäbe in der Mikroprozessor-Technologie setzten, waren beispielsweise die britische Ingenieurin Sophie Wilson mit ihrem ultraeffizienten ARM-Prozessor für mobile Endgeräte (2013, Kategorie "Lebenswerk"), oder die portugiesischen Erfinder Elvira Fortunato und Rodrigo Martins, die papierbasierte Mikrochips entwickelten (2016, Kategorie "Forschung").