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24.02.2017 Wirtschaftsförderung

Spitzentechnologie aus Baesweiler kann in wenigen Jahren die Welt verändern


(Super Sonntag v. 19.02.2017-Stephan Tribbels)

Die nächste Generation der Leistungselektronik wird in unserer Region revoluutioniert und somit modernste Halbleiter-Technik und Know-how in die ganze Welt exportiert


Dass elektronische Gerät ein den vergangenen Jahrzehnten tendenziell kleiner geworden sind oder im Umkehrschluss in ähnlich großgebliebenen Gehäusen heute mehr Elektronik steckt, dürfte bekannt sein. Und da der Trend zur Miniaturisierung im Bereich der Leistungselektronik anhält, auch um Material- sowie Betriebskosten zu senken, sind weltweit Entwickler aktiv, um Technik und deren Serienfertigung nachhaltig zu optimieren. Im vermeintlich beschaulichen und dennoch mit innovativem Forschergeist gespickten Baesweiler wird in punkto Halbleiter- bzw. Wafertechnik so Herausragendes zur Marktreifeentwickelt, dass die beiden Firmen-Chefs Dr. Volker Sinhoff und Dr. Yilmaz Dikme durchaus von „Gamechanger“-Techniksprechen. Das Verfahren dürfte also etliche Technikbereiche stark verändern und auch zur Kostenreduzierung führen. Mit ihren Prozessoptimierungen und neuen Herstellungsverfahren für Halbleiterschichten auf Basis von Galliumnitrid (GaN)an Stelle des bislang favorisierten Siliziums könnte ihre Firma „AIXaTECH – Aachen Advanced Technologies“ die nächste Generation der Leistungselektronikmaßgeblich revolutionieren. Leistungselektronik kennt man aus dem Auto, Flugzeugen, Gebrauchsgütern wie Waschmaschinen, Mikrowellen und an deren Geräten – und fast alle dort verbaute integrierte Schalt-kreise („Chips“) oder andere elektronische Bauteile basieren bis lang auf Silizium. Diese Technik ist zwar ausgereift und günstig. Nachteilig ist jedoch, dass die Grenzen dieser Elektronik ausgereizt sind. „Die Steuerungselemente sind voluminös, die Wärmeentwicklung und der Stromverbrauch hoch, und mit der Schaltgenauigkeit ist es auch nicht so weit her“, fasst Dr. Volker Sinhoff die unerwünschten Effekte der heute gängigen Halbleitertechnik auf Silizium-Basis zusammen. Neue Anforderungen setzen daher auf Kompaktheit, Genauigkeit im Schalten und vor allem auf Effizienz. Auf der Grundlage von Galliumnitrid!

Galliumnitrid begegnet uns heute bereits in LED-Leuchten und LED-TV. „Galliumnitrid ist das Material der Zukunft, das aber jetzt schon verfügbar ist. Daraus wird die zukünftige Leistungselektronik aufgebaut werden, was viele Vorteilebringt: Mit Bauelementen auf Basis von Galliumnitrid lässt sich Elektronik realisieren, die mit weit weniger als 10% der Fläche von Silizium-Elektronik auskommt und deutlich höhere Spannungen und Ströme verträgt. Auch kann die Elektronik höheren Temperaturen und korrosiver Umgebung standhalten. Die Kostenersparnis im Betrieb von Fahrzeugen durchgeringeres Gewicht und eine längere Reichweite bei E-Autos sind starke Argumente,“ ist Dr. Sinhoff von der Umsetzung überzeugt. Chefentwickler Dr. Yilmaz Dikme nennt ein weiteres Plus: „Durch die kompaktere Bauweise lässt sich die Elektronik auch besserabschirmen und die Störanfälligkeit sinkt. Im Grunde führt kein Weg an Galliumnitrid vorbei“, so Dikme. Nur sind die Fertigungskosten dieser neuen Halbleitergeneration im Vergleich zu retablierten Silizium-Technologie bislang alles andere als konkurrenzfähig. Das ändert sich gerade, sind die beiden Spezia-listen überzeugt, und bieten ihren potenziellen Kunden – viele davon sitzen in Fernost – nicht nur ihre „frisch beschichteten Wafer“ (also die halbleitende Grundlage für die winzigen elektronischen Bauteiledarüber) an, sondern auch Technologieberatung, um die Schritte entlang der Prozesskette optimal abzustimmen. Moderne Technik und Know-how wird aus Baesweiler in die gesamte Welt exportiert. Gerade erst ist das junge Unternehmen umgezogen und hat den Betrieb in der Thomas-Edison-Straße erfolgreich wiederaufgenommen. Kontinuierlich werden hier jetzt in einer komplett neuartigen Beschichtungsanlage und mit einem eigens entwickelten Verfahren Schichten auf Substraten aufgebracht. Schon die Grundschicht kann im Gegensatz zu bisherigen Herstellungsmethoden für Kostenersparnis und mehr Effizienz sorgen. Eigentlich wird bereits seit Ende der 1960er Jahren mit Galliumnitrid experimentiert. Nur damals war man noch nicht in der Lage, hochqualitative Schichten herzustellen. Das hat sich durch die Entwicklung von drei japanischen Wissenschaftlern in den 80er und 90er Jahren deutlich geändert. Diese Wissenschaftler haben 2014 den Nobelpreis für ihre Arbeit bekommen.

Seit dieser Entwicklung wächst der Anwendermarkt für GaN-basierende Bauelemente von Jahr zu Jahr deutlich und mit ihr auch die Technologie für die Herstellung. Vor allem die Fertigungsindustrie ist im Zugzwang. „Die Zulieferer in der Automobilindustrie wissen heute, dass sie spätestens 2023 Leistungselektronik auf Galliumnitridbasis bezahlbar im Angebot haben müssen, um nicht weg vom Fenster zu sein“, so Sinhoff und Dikme. Bleibt die Krux mit der noch nicht erreichten Preisgleichheit bei den Herstellungskosten von Siliziumbasierten Bauelementen mit denen auf Grundlage von Galliumnitrid. „AIXaTECH“ ist da schon einen wesentlichen Schrittweiter! Die Baesweiler Beschichtungs-Spezialisten haben nämlich einen Weg gefunden, wie sie den Schichtaufbau bzw. das Kristallwachstum deutlich effizienter gestalten können und durch diese Methode schneller, materialschonender, mit geringeren Sicherheitsrisiken – und auch noch präziser – gleich mit einer Startschicht bewachsene Wafer herstellen können. Dabei kommt es auch auf saubere Produktionsbedingungen an, die bei optimaler Einstellung aller Komponenten für ein monokristallines Wachstum des Substrats sorgen, das somit wegen der „sehr sauberen Ausgangslage“ ideal für die weitere Beschichtung mit Steuerungsebenen ist. Feines Substrat Basis für optimale Beschichtung. Mit der derzeitigen Ausbaustufe ihrer Beschichtungsanlage ist AIXaTECH (noch) nicht der Hersteller von Galliumnitrid, sondern fertigt zunächst die Basis-schicht auf dem Substrat, auf dem anschließend das Galliumnitrid hochqualitativ wächst. Mit diesem in vielen Großanlagen nutzbaren Basisproduktkönnen die Hersteller von LED und leistungselektronischen Bauelementen sich viel Zeit (auch für die erforderliche Reinigung zwischen zwei Prozessen) und Geld für das Wachsender aufwendigeren Startschicht auf die Substrate sparen. „Zunächst bieten wir den Firmen an, ihre bestehenden Anlagen mit unserer Technik rund 30 Prozent effizienter zu nutzen als bisher. So wächst der Anlagenpark im Endeffekt auch um 30 Prozent – ohne zusätzliche Investitionen“, waren Dikme und Sinhoff Anfang des Jahres in Asien auf Road-Show, um weitere weltweit agierende Großunternehmen für die Innovation zu begeistern.

Die hochwertig vorbeschichteten Substrate ermöglichen dann in der Folge eine optimale Nutzung, was weitere Produktionsvorteile für die Hersteller von Leistungselektronik bringt. Für Volker Sinhoff und Yilmaz Dikme ist nicht zuletzt der Sicherheitsaspekt durch niedrigere Prozesstemperaturen und weitaus geringeren Mengen bis zum kompletten Wegfall an bisher für das Schichtwachstum nötigen potenziell gefährlichen Gasen (z.B. Ammoniak oder Wasserstoff) ein wichtiger Grund, auf das „Baesweiler Verfahren“ umzuschwenken. Und in der Tat überzeugt das innovative und kostensenkende Verfahren bereits „Global Player“ in Asien und in den USA. Der Firmensitz Baesweiler scheint da zunächst im wahrsten Sinne des Wortes etwas abgelegen: „Anfangs war auch die Überlegung da, ob wir uns nicht bessere in dem Cluster der RWTH Aachen anschließen, aber mittlerweile schätzen wir auch unsere Unabhängigkeit und die guten Kontakte vor Ort. Im Hightech-Bereich leistet man sich hier gute Nachbarschaftshilfe, weiteres Expertenwissen finden wir hier schnell auf Honorarbasis und selbst auf unseren Anlagenbau spezialisierte Schweißer. Eigentlich ist alles im Umkreis von 15 Kilometern erreichbar, was wir brauchen“, lobt Volker Sinhoff insbesondere auch die Unterstützung durch die Stadt Baesweiler und den its-Geschäftsführer Dirk Pfeifferling. In Chinawäre so eine Konzentration von Know-how derzeit kaum denkbar, obwohl das Land in punkto Elektromobilität schon viel weiter ist als Europa, haben die beiden Entwickler bei ihren Reisen dorthin festgestellt. Auch wenn der Marktanteil von Neuzulassungen von Elektromobilen bei „nur“ 1,8% liegt (zum Vergleich: Deutschland 0,75%) und eher Prestige-Objekte in den Vordergrund gestellt werden, so laufen fast alle Mopeds und Roller der Chinesen längst mit Akkus. Hier sehen Yilmaz Dikme und Volker Sinhoff auch für die westliche Welt große Potenziale. Nur in Norwegen sei man auch in punkto Förderung fortschrittlicher. Zu sehr setzten gerade auch deutsche Autokonzerne – unterstützt von Lobbyisten - noch auf die alte Verbrennungstechnik, glauben sie und sehen auch diesbezüglich große Veränderungen, von denen ihre Technikdisziplin schon mittelfristig profitieren werde, weil diese Lösungen auch in den dann erforderlichen Antrieben gebraucht wird – sei es um die Reichweite zu erhöhen oder die Ladezeiten zu verkürzen. Ob AIXaTECH den Wandel auch künftig als eigenständiges Unternehmen stemmt oder sich mit seinem Fachwissen an eine etablierte Konzernstruktur bindet, um dadurch vielleicht schneller „in Großserie gehen“ zu können, ist noch offen. Macht das Unternehmen eigenständig weiter, könnte es in zehn Jahren von der aktuellen einstelligen Mitarbeiterzahl durchaus auf mehrere Hundert wachsen, wollen Dr. Yilmaz Dikme und Dr. Volker Sinhoff auf jeden Fall am anstehenden „Game-Chan-ging“ kräftig teilhaben. Entsprechende Patente wurden jedenfalls schon auf den Weggebracht. In Deutschland sind sie bereits abgesegnet und was die internationalen Zulassungen betrifft, ist AIXaTECH ebenfalls zuversichtlich.



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