„Wir haben uns zum Ziel gesetzt, mehr als nur einen weiteren Reinraum zu bauen.“
Jakob Buchheim,
Leiter des Reinraumlaborbetriebs bei der DLR QCI
Jakob Buchheim war bereits seit einem Jahrzehnt von der Arbeit in Reinräumen fasziniert, bevor er sich seiner größten Herausforderung stellte: dem Aufbau einer User Facility für hochspezialisierte Deep-Tech-Startups an unserem Innovationszentrum Hamburg.
Jakob, sind alle Reinräume gleich?
Nein, natürlich nicht! Der Begriff Reinraum wird oft sehr allgemein verwendet. In Wirklichkeit beinhaltet er jedoch viele technische Details und konkrete Entscheidungen. Um den Reinraum in Hamburg zu errichten, mussten wir verstehen, was tatsächlich erforderlich war. Hier kommt es auf die Details an, und genau darin liegt eine der größten Herausforderungen – insbesondere zu Beginn, wenn noch nicht klar ist, was Unternehmen konkret umsetzen möchten.
Mit welchen Einschränkungen musstest Du anfangs rechnen?
Grundlegende Rahmenbedingungen wie der Brandschutz waren bereits durch die bestehende Infrastruktur des Gebäudes abgedeckt. Gleichzeitig stellte der begrenzte Platz die eigentliche Herausforderung dar. Dies machte den Planungsprozess zu einer Art Puzzle und zu einer äußerst anspruchsvollen Aufgabe.
Wenn man einen Reinraum entwirft, soll dieser die gesamte Prozesskette abdecken: vom Ausgangsmaterial, beispielsweise einem Silizium- oder Glaswafer, bis hin zum fertigen Bauteil. Es reicht nicht aus, nur einen Teil der erforderlichen Prozesse vor Ort durchzuführen und andere auszulagern. Die einzelnen Prozessschritte und Materialien sind zu eng miteinander verflochten. Eine Auslagerung würde zudem erhebliche Wartezeiten und organisatorischen Aufwand verursachen. Deshalb sollte die gesamte Prozesskette im Reinraum verfügbar sein und sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Letztendlich mussten wir 35 Spezialsysteme integrieren. Dadurch können wir die gesamte Prozesskette abdecken.
Was zeichnet ein gutes Reinraumteam aus?
Für ein Projekt dieser Größenordnung braucht es ein Team, das bereit ist, sich unter den gegebenen Bedingungen voll und ganz der Aufgabe zu widmen und Verantwortung zu übernehmen. Wir hatten großes Glück bei der Besetzung der Laborleitung. Diese hat die Herausforderung und Verantwortung mit großem Engagement angenommen und das Hamburger Team seit März 2023 kontinuierlich aufgebaut. Er wird von Technikern und Verfahrenstechnikern unterstützt, die die Anlagen schrittweise in Betrieb nehmen, betreiben und die Fertigungsprozesse weiterentwickeln. Zum Team gehören außerdem technische Assistenten, die für die Anlagentechnik und die Gebäudeschnittstellen zuständig sind, zwei Verfahrenstechniker, die Anlagen und Prozesse entwickeln und betreuen, sowie ein Forscher, der Unternehmen insbesondere bei der Beratung und der Integration von Prozessen entlang kompletter Prozessketten unterstützt. Darüber hinaus übernehmen vier Teammitglieder neben der Leitung ihrer Technologieentwicklungsprojekte auch einen Teil der Verantwortung für den Maschinenbetrieb. Insgesamt verfügen wir nun über ein hochkompetentes Betriebsteam, das den Reinraum erfolgreich betreibt und weiterentwickelt. Eine unserer Stärken ist dabei unsere interdisziplinäre Aufstellung. Wir verfügen über Ingenieure aus verschiedenen Fachrichtungen, Materialwissenschaftler, Elektrotechniker und Physiker. Diese Vielfalt ist für die Entwicklung mikrotechnologischer Systeme und Prozesse für Quantensysteme unerlässlich. Sie erleichtert zudem die Zusammenarbeit, da wir, andere Forscher und Unternehmen oft unterschiedliche Perspektiven und Fachsprachen in den gemeinsamen Arbeitsprozess einbringen, den wir mit vielen Start-ups teilen.
Und was eint euch?
Die Faszination für die Mikrotechnik: die Herstellung von Strukturen mit höchster Präzision. Strukturen, die letztendlich oft nur unter dem Mikroskop sichtbar sind. Außerdem haben wir alle das Gefühl, zu etwas Neuem beizutragen, das wirklich etwas bewirken könnte. Es gibt kein festes Rezept; wir arbeiten an einem hochinnovativen Gesamtsystem, bei dem noch vieles entwickelt werden muss. Das schafft einen starken Zusammenhalt im Team.
Habt ihr beim Bau des Reinraums lediglich die Anforderungen der Partnerunternehmen erfüllt?
Nun, ganz so einfach war es nicht. Während des Vertrags- und Beschaffungsprozesses für die Quantencomputer der DLR QCI konnten die Unternehmen Anforderungen an die DLR-Infrastruktur und damit auch an den Reinraum einbringen. Bei einigen der Unternehmen, oft junge Start-ups innerhalb der DLR QCI, hatte der Prozess jedoch eher einen edukativen Charakter. Gemeinsam entwickelten wir zuerst geeignete Prozessketten und Rahmenbedingungen und prüften dann, ob diese für die Unternehmen umsetzbar wären.
Andere Unternehmen unterlagen patentrechtlichen Einschränkungen, da bestimmte Prozessdetails oder Technologien zur Herstellung von Oberflächenstrukturen geschützt oder vertraulich sind. Daher konnten sie nicht alle Informationen weitergeben, die wir benötigt hätten.
In der Praxis bedeutete dies, dass wir aus sehr unterschiedlichen Ausgangspunkten ein stimmiges Gesamtkonzept entwickeln und daraus konkrete Prozesspläne ableiten mussten. Ein Großteil der Auslegungs- und Konstruktionsarbeit lag daher beim DLR.
Wird für den weiteren Ausbau des Reinraums ein höhere Zahl an Anlagen, mehr Personal oder beides erforderlich sein?
Der Reinraum ist eindeutig bedarfsorientiert. Im Kern geht es darum, konkrete Probleme für Unternehmen zu lösen und ihnen die Ausübung ihrer Tätigkeit zu ermöglichen. Steigt die Nachfrage, können wir entsprechend reagieren. Die Investitionen in die Infrastruktur sind bereits erfolgt, sodass die grundlegende Basis vorhanden ist. Der entscheidende Hebel ist dann die Personalausstattung. Sind mehr Fachkräfte verfügbar, können mehr Verarbeitungstechnologien angeboten und deutlich mehr Nutzer und Unternehmen betreut werden.
Das ist jedoch nicht einfach. Wir sprechen hier von hochspezialisierten Mikroproduktionssystemen, die einer kontinuierlichen Überwachung bedürfen. Im Durchschnitt sollte ein Prozessingenieur etwa ein bis zwei Tage pro Woche für jedes System aufwenden, um den Betrieb, die Prozessstabilität und die Weiterentwicklung sicherzustellen. Das bedeutet, dass eine Person realistisch gesehen nicht mehr als fünf Systeme in der erforderlichen Tiefe betreuen kann.
Wir haben uns bewusst für unseren derzeitigen Ansatz entschieden. Das Ziel besteht nicht darin, so viele Ressourcen wie möglich bereitzustellen, sondern die verfügbaren Systeme mit der notwendigen technischen Tiefe und Qualität zu betreiben. Gerade bei komplexen mikrotechnologischen Prozessen ist eine intensive Betreuung ein entscheidender Erfolgsfaktor.
Welche Systeme und Werkzeuge nutzt ihr?
Ein zentrales Element in der Mikroproduktionskette ist die Strukturierung, also die Lithografie. Hierfür setzen wir zwei bewährte Verfahren ein. Das erste ist ein Laserlithografiesystem, das ein Design direkt auf das Substrat überträgt. Man kann sich dies wie ein Rapid-Prototyping-System oder einen 3D-Drucker vorstellen. Entscheidend ist hier ein serieller, aber dennoch schneller Schreibprozess, der es uns ermöglicht, strukturierte Wafer effizient herzustellen. Das zweite Verfahren ist die UV-Lithografie, insbesondere für größere Stückzahlen. Für Ionenfallen-Anwendungen sind Strukturen im Nanometerbereich, wie sie in klassischen Computerchips vorkommen, nicht erforderlich. Mikrometerabmessungen sind völlig ausreichend. Diese Kombination aus Laser- und UV-Lithografie ist daher ein sehr etablierter Reinraumstandard.
Ein besonders spezielles System ist die Galvanikanlage. Sie ermöglicht die Abscheidung sehr dicker Metallschichten, die für die leitfähigen Strukturen von Ionenfallen benötigt werden. Diese Schichten sind unverzichtbar, doch Galvanikanlagen dieser Art sind nicht in jedem Reinraum zu finden.
Ein weiteres spezielles System ist ein kryogener Wafer-Prober. Er ermöglicht es uns, Komponenten unter realistischen Betriebsbedingungen zu testen, ähnlich denen, denen sie später in einem Ionenfallen-Quantencomputer ausgesetzt sein werden. Für die Metallisierung stehen uns zudem zwei weitere Verfahren zur Verfügung: ein Verdampfungssystem und ein Sputter-System. Beide dienen der Abscheidung von Metallschichten, unterscheiden sich jedoch in ihren physikalischen Eigenschaften und damit auch in den resultierenden Materialeigenschaften, wie beispielsweise der Kristallstruktur oder der Homogenität.
In welcher Weise sind die einzelnen Schritte dieser Prozesskette miteinander verbunden?
Nehmen wir zum Beispiel thermische Einflüsse auf Werkstoffe. Wurde ein Metall durch Galvanik aufgebracht, darf das Substrat danach oft nur Temperaturen unter etwa 150 Grad Celsius ausgesetzt werden, da sich andernfalls die Materialeigenschaften verändern können. Solche Wechselwirkungen müssen wir bei der Gesamtplanung des Prozesses berücksichtigen.
Genau aus diesem Grund ist das einzelne System nicht der einzige entscheidende Faktor. Was zählt, ist das Zusammenspiel innerhalb des „Flows“, also der gesamten Prozesskette vom Substrat bis zum fertigen Bauteil. Wir möchten stabile und reproduzierbare Prozesse entwickeln, beispielsweise für leitfähige Schichten, Isolierschichten oder präzise Elektrodenstrukturen.
Ist dies nur ein Reinraum unter vielen?
Ich bin der Ansicht, dass unser Reinraum in Hamburg etwas ganz Besonderes ist. Im Jahr 2025 traf die EU im Rahmen des „Chips Act“ eine konkrete Investitionsentscheidung und startete eine europaweite Ausschreibung zur Entwicklung einer Pilotlinie für die Herstellung von Ionenfallen. Rund 45 Millionen Euro sollten dafür bereitgestellt werden. Als ich das las, war mein erster Gedanke: Im Prinzip haben wir das bereits. Und das zeigt, wie wichtig diese Art von Infrastruktur ist. Klassische Chiphersteller sind darauf ausgelegt, stabile und hochoptimierte Prozesse nicht ständig zu ändern. Ihre Prozesse haben oft einen Wert von mehreren Millionen und sind daher nicht dafür gedacht, experimentelle Materialien oder neue Effekte wie die Bewegungserwärmung in Ionenfallen zu untersuchen.
Was versteht man unter Bewegungserwärmung in Ionenfallen und warum ist sie von Bedeutung?
Unter Bewegungserwärmung in Ionenfallen versteht man unerwünschte Erwärmungseffekte bei gefangenen Ionen, von denen angenommen wird, dass sie stark vom Material, der Oberflächenstruktur und dem Herstellungsprozess der Metallschichten abhängen. Die genauen Ursachen sind noch nicht vollständig erforscht, doch das DLR QT-IMN-Team arbeitet daran.
Für Fragen wie diese gibt es im industriellen Umfeld bislang keinen etablierten Markt. Und das bedeutet auch, dass es keine geeignete Produktionsinfrastruktur gibt und kein Umfeld, in dem neue Technologien zunächst entwickelt, getestet und schrittweise verbessert werden können. Daher übernehmen wir die technologische Basis und übertragen sie auf neue physikalische Systeme und Anforderungen. Doch dies ist keine einfache Übertragung. Es handelt sich vielmehr um eine evolutionäre Entwicklung, da viele Prozesse nicht direkt kompatibel sind. Genau hier entstehen Lücken – Lücken, die spezialisierte Pilotanlagen erfordern.
Und dieser Reinraum kann die Lücken schließen?
Genau. Wir möchten eine Infrastruktur bereitstellen, die ausdrücklich als Nutzereinrichtung für Unternehmen konzipiert ist und es diesen ermöglicht, ihre Technologien weiterzuentwickeln, während sie die komplexe Prozessentwicklung auslagern. Dies gilt sowohl für die Ionenfallen in Hamburg als auch für unsere Aktivitäten in Ulm, wo wir eine ähnlich spezialisierte Infrastruktur im Bereich diamantbasierter Quantensysteme aufgebaut haben.
In beiden Fällen besteht die Besonderheit in der Kombination aus hochspezialisierter Mikrotechnik, einer gezielten Ausrichtung auf Quantensysteme und einem Infrastrukturmodell, das bewusst zwischen einer Forschungseinrichtung und einer industriellen Entwicklungsplattform angesiedelt ist.
Warum bauen Unternehmen nicht einfach ihre eigenen Reinräume?
Weil es viel zu teuer ist. Allein in Hamburg sprechen wir von Investitionen in Höhe von etwa 30 bis 35 Millionen Euro für den Aufbau dieser Infrastruktur. Das ist eine Größenordnung, die für Start-ups kaum realisierbar ist. Selbst mit Risikokapital wäre ein solcher Aufbau kaum sinnvoll, da er nicht unmittelbar dem eigentlichen Geschäftsmodell dient. Zunächst wird damit lediglich Infrastruktur geschaffen. Zudem könnte ein einzelnes Start-up diese Infrastruktur in der Regel nicht voll ausschöpfen.
Aus diesem Grund besteht unser Ansatz nicht darin, diese Infrastruktur separat in einzelnen Unternehmen aufzubauen, sondern sie zentral als gemeinsame Reinrauminfrastruktur bereitzustellen. Die Unternehmen müssen diese hohe Eintrittsbarriere somit nicht selbst bewältigen. Stattdessen können sie auf eine gemeinsame Plattform zugreifen, um ihr Fachwissen weiterzuentwickeln.
Gibt es dafür ähnliche Anbieter wie die DLR QCI?
Starke deutsche Akteure im Bereich der Mikrotechnik arbeiten häufig nach einem Auftragsfertigungsmodell. Die Prozesse werden extern definiert, durchgeführt und anschließend ausgeliefert. Das ist ein völlig anderes Modell. Unser Ansatz ist kooperativer. Unternehmen arbeiten direkt im Reinraum, entwickeln gemeinsam mit uns Prozesse weiter und bauen ihr eigenes Wissen auf. Gerade in einer frühen Innovationsphase, beispielsweise bei Quantensystemen, ist dies von entscheidender Bedeutung. Viele Unternehmen können ihre Prozesse noch nicht detailliert genug spezifizieren oder möchten bewusst kein detailliertes Prozesswissen weitergeben. Genau diese Nische besetzen wir: wir bieten keine reine Dienstleistung, sondern gemeinsame Entwicklung.
Könnten Universitäten diese Rolle nicht übernehmen?
Reinräume an Universitäten sind häufig stark projektorientiert und hängen von einzelnen Promotionsprojekten ab. Infolgedessen fehlt oft der übergreifende Überblick über vollständige Prozessketten und deren Stabilität. Unser Ziel ist es hingegen, Prozesse so zu entwickeln und zu dokumentieren, dass sie übertragbar sind. Sobald eine Methode funktioniert und stabil ist, sollte sie so klar beschrieben werden, dass sie auch in anderen Infrastrukturen, wie beispielsweise einer industriellen Gießerei, reproduziert werden kann.
Der entscheidende Punkt ist folgender: Der Schritt von „Es hat einmal funktioniert“ zu „Es ist zuverlässig reproduzierbar“ ist enorm anspruchsvoll und oft ressourcenintensiver als die erste Demonstration selbst. Doch gerade diese Skalierungs- und Stabilisierungsphase ist für Unternehmen entscheidend, wenn sie Produkte nicht nur einmal demonstrieren, sondern langfristig zuverlässig herstellen und verkaufen wollen. In diesem Sinne übernehmen wir eine Brückenfunktion. Wir entwickeln gemeinsam mit Unternehmen Prozesse so weit, dass sie in die Industrie übertragen werden können, ohne dabei selbst zu einer Fertigungsstätte zu werden.
Bleibt Innovation dann nicht weiterhin von öffentlichen Mitteln abhängig?
Für mich und mein Team ist der nächste klare Meilenstein, dass Unternehmen sagen: „Dieser Reinraum und die Prozesse, die Sie hier anbieten, sind es wert, in Auftrag gegeben zu werden.“ Das würde nicht nur unsere Arbeit bestätigen, sondern wäre auch ein wichtiger Schritt für das gesamte Ökosystem.
Viele Unternehmen im Bereich der Quantensysteme, seien es Sensoren oder Quantencomputer, sind derzeit noch sehr stark vertikal integriert. Sie entwickeln alles selbst, vom Chip bis zur Software, und müssen gleichzeitig Fachwissen in vielen Bereichen vorhalten.
Als Experten für Mikrotechnik bieten wir stabile Prozesse und Entwicklungsunterstützung, während sich die Unternehmen auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren können. Ein gutes Zeichen für uns wäre es, wenn Unternehmen in der Lage wären, gemeinsam mit uns Chips und Prozesse mit relativ geringem Aufwand zu entwickeln, dabei auf unser Fachwissen zu vertrauen und ihre eigenen Ressourcen stärker auf das Design und die Systementwicklung zu konzentrieren. Nach einer bestimmten Entwicklungsphase könnten sie dann ihr geistiges Eigentum nutzen und von einem industriellen Hersteller in Serie produzieren lassen. Wir würden als Inkubator und Entwicklungspartner innerhalb eines Innovationszyklus fungieren, der später in die industrielle Fertigung übergeht.
Aber dann geht euch die Arbeit aus?
Nein, ganz im Gegenteil. Die Skalierung befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium, und insbesondere bei Ionenfallen werden viele zukünftige Probleme stark in der Mikrotechnik verwurzelt sein. Aktuelle Systeme werden im Bereich von weniger als 100 Qubits entwickelt. In den kommenden Jahren werden wir uns mit Systemen mit Hunderten von Qubits befassen. Dies wird völlig neue technologische Herausforderungen mit sich bringen, denn mit steigender Qubit-Anzahl nimmt auch die Komplexität zu. Größere Systeme erfordern zahlreiche Elektroden und Spannungsquellen, die integriert und gesteuert werden müssen. Die klassische externe Steuerung stößt hier schnell an physikalische und technische Grenzen.
Deshalb wird es notwendig sein, mehr Logik und Steuerung direkt auf dem Chip zu integrieren, um diese Komplexität beherrschbar zu halten. Ähnliche Herausforderungen bestehen auch bei der optischen Steuerung, beispielsweise bei der Integration von Wellenleitern zur Lasersteuerung. Das bedeutet, dass selbst bei einer erfolgreichen Entwicklung des Ökosystems weiterhin ein großer Innovationsbedarf bestehen wird. Mit der Infrastruktur, die wir nun aufgebaut haben, können wir diese Herausforderungen der nächsten Generation aktiv mitgestalten.
Profitieren auch andere Forschungsbereiche von euren Erkenntnissen?
Im Bereich der Quantensysteme bestehen starke Synergien zwischen Quantenkommunikation, Quantensensorik und Quantencomputing. Dies liegt vor allem daran, dass sich das gesamte Fachgebiet noch auf einem relativ niedrigen Reifegrad befindet und viele technologische Grundlagen anwendungsübergreifend genutzt werden können. Für uns bedeutet dies, dass wir gemeinsames technologisches Fachwissen aufbauen, das je nach Entwicklungsweg flexibel auf verschiedene Anwendungen übertragen werden kann. Viele der zugrunde liegenden Prozesse und Materialien lassen sich daher in unterschiedlichen Quantentechnologien einsetzen.
Ein konkretes Beispiel ist die Integration hartmagnetischer Schichten. Diese wurden ursprünglich im Zusammenhang mit Ionenfallen auf Silizium untersucht und zeigten dort gute Ergebnisse. In Gesprächen mit Partnern wurde dann deutlich, dass derselbe Prozess auch auf Diamantsysteme übertragen werden und dort ebenfalls einen erheblichen Mehrwert bieten könnte. Auf diese Weise kann eine einzige Technologie mehrere Anwendungswege eröffnen.
Inwiefern zahlt sich ein solcher gemeinsam genutzter Reinraum aus?
Zunächst einmal besteht ein wesentlicher Vorteil des DLR-QCI darin, dass nicht mehrere separate Reinräume errichtet werden mussten. Stattdessen wird eine gemeinsame Infrastruktur genutzt. Dies senkt nicht nur die Investitionskosten erheblich, sondern bündelt auch Personal, Know-how und technische Kompetenz an einem Standort. Durch die gemeinsame Nutzung und Weiterentwicklung der Infrastruktur profitieren die beteiligten Unternehmen zudem indirekt von den gesammelten Erfahrungen und dem aufgebauten Fachwissen – selbstverständlich ohne direkte Weitergabe von geistigem Eigentum. Insgesamt führt die Bündelung dieser technologischen Kompetenzen zu einer effizienteren Entwicklung, als dies in isolierten Einzelprojekten möglich wäre. Es entsteht ein Umfeld, in dem technologische Grundlagen für verschiedene Quantensysteme gemeinsam entwickelt und vorangetrieben werden können. Dies bringt klare Vorteile hinsichtlich Effizienz, Geschwindigkeit und Wissensaufbau mit sich.
Und es gibt keinen Wettbewerb zwischen den beteiligten Akteuren?
Zunächst einmal verfolgen wir eine gemeinsame Ausrichtung und tauschen uns kontinuierlich darüber aus, welche Herausforderungen vorrangig angegangen werden müssen. Gerade weil wir in einem jungen Industriezweig tätig sind, in dem die Anforderungen manchmal noch nicht klar definiert sind, ist diese Bündelung von entscheidender Bedeutung. Indem wir unsere Herausforderungen gemeinsam formulieren, verschaffen wir dem gesamten Bereich mehr Sichtbarkeit. Dies hat direkte Auswirkungen auf Zulieferer und Hersteller von Peripheriegeräten, da es ihnen ermöglicht, sich an den Entwicklungszyklen auszurichten und von vornherein Lösungen für diese spezifischen Anforderungen zu entwickeln.
Der eigentliche Hebel liegt auf einer Metaebene. Indem Akteure mit ähnlichen und in manchen Fällen konkurrierenden Herausforderungen zusammengebracht werden, entsteht ein klareres Bild davon, was technisch erforderlich ist. Für einzelne Akteure wäre es oft nicht attraktiv genug, Lösungen zu entwickeln. Sobald jedoch sichtbar wird, dass mehrere Partner denselben Bedarf haben, können überhaupt erst Marktanreize entstehen. Meiner Ansicht nach ist dieser Effekt entscheidend, wenn sich ein echter Industriezweig entwickeln soll: spezialisierte Akteure, die Lösungen für andere spezialisierte Akteure entwickeln, anstatt dass jeder versucht, die gesamte Wertschöpfungskette im Alleingang abzudecken.
