Bausatz für Fortgeschrittene

Ob sich je ein Geschäft daraus entwickeln würde, war völlig offen. Während einer Messe, so erzählt es Peter Leibinger, Mitinhaber und Technikvorstand des Maschinenbauers und Laserspezialisten Trumpf im schwäbischen Ditzingen bei Stuttgart, fragten Vertreter des niederländischen Anlagenbauers ASML an, ob Trumpf ihnen bei der Lösung eines Problems helfen könnte.

ASML aus dem niederländischen Veldhoven (bei Eindhoven), das einst zum Philips-Konzern gehörte, ist ein Spezialist für Maschinen, die mittels Lichtstrahlen feine Chipstrukturen auf dünne Siliziumscheiben prägen können, im Fachjargon auch Stepper oder Waferscanner genannt. Die Niederländer konkurrierten damals mit japanischen Konzernen wie Canon und Nikon. Dann hatten die Veldhovener Ingenieure eine Idee, wie sie einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil erlangen könnten: Sie wollten noch kleiner denken. Dafür brauchten sie Trumpf.

ASML wollte eine neue Generation von Chip-Belichtungsmaschinen bauen, die mit ultrakurzen Lichtwellen, dem sogenannten extrem ultravioletten Licht, kurz EUV, noch weit kleinere Strukturen auf die dünnen Siliziumscheiben (Wafer) prägen konnten als bisher. Der Vorteil: Die so entstehenden Mikrochips wären nochmals deutlich leistungsfähiger. Ein Technologiesprung, wie ihn die großen internationalen Chiphersteller wie Intel oder Samsung von ihren Maschinenlieferanten wie ASML regelmäßig erwarten. Denn nur so wird das Dogma der IT-Industrie erfüllt: Dem "Mooreschen Gesetz" zufolge müssen die Hardwarehersteller alle zwei Jahre doppelt so viele Transistoren auf gleichem Raum der Winzlinge unterbringen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Die Idee war das eine, aber der dazu benötigte Laser war noch gar nicht erfunden. Deshalb die Anfrage an Trumpf. Das ist 15 Jahre her. Zu der Zeit fertigten die Ditzinger Ingenieure ihre Laser praktisch nur für ihre eigenen Blechschneidemaschinen. Leibinger sah die Beschäftigung mit dem Problem aus der "völlig anders tickenden Halbleiterindustrie" damals eher als kreativen Ansporn für seine Ingenieure – ein Geschäftsmodell war noch in weiter Ferne.

Die Geschichte, wie die schwäbischen Blechschneidespezialisten zum exklusiven Lieferanten einer entscheidenden Komponente für die derzeit weltweit leistungsfähigsten Anlagen zur Prägung der feinsten Strukturen auf Mikrochips wurden, zeigt beispielhaft, wie es auch ohne staatliche Eingriffe gelingen kann, ganz vorn im Weltmarkt mitzuspielen.

Trumpf und ein weiteres deutsches Unternehmen, der Optikspezialist Carl Zeiss aus Oberkochen auf der Schwäbischen Alb, halfen mit ihren Hightech-Komponenten den Niederländern entscheidend weiter. ASML ist heute der dominierende Anbieter für die hochwertigen Chipbelichtungsmaschinen. Weltmarktanteil, laut ASML: 85 Prozent.

"Kompetenzbündelung" nennt der renommierte Fertigungsexperte Horst Wildemann von der TU München derartige Kooperationen, mit denen sich Unternehmen ohne formelle Fusion einen Wettbewerbsvorteil sichern könnten. Und sich wie im Falle von der deutsch-niederländischen Partnerschaft auch zu Weltmeistern in einem Hightech-Segment aufschwingen können.

Trumpf, Zeiss, ASML, das sind drei mittelgroße europäische Industrieunternehmen. Jedes für sich hat einen glänzenden Ruf in seiner Branche. Trumpf steht für hochpräzise Werkzeugmaschinen und besonders leistungsfähige Laser, Carl Zeiss für alles, was mit hochwertiger Optik zu tun hat, und die führenden Halbleiterhersteller der Welt vertrauen auf die Fertigungsmaschinen von ASML, um ihre neuesten Superchips zu belichten.

"Allein können wir gar nichts"

Ohne das Zusammenspiel der drei Hightech-Firmen wären die rasanten Fortschritte der Mikroelektronik, die es für Zukunftstechnologien wie das autonome Auto, die Fabrik 4.0, den Mobilfunkstandard 5G, Big Data oder künstliche Intelligenz braucht, kaum denkbar. Die führenden Hersteller von Prozessoren und Speicherchips wie Intel (USA), TSMC (Taiwan), Samsung oder SK Hynics (Südkorea) setzen praktisch allesamt auf die Hightech-Maschinen des Konsortiums.

Gemeinsam haben es die drei Unternehmen zum globalen Champion gebracht

Alle drei sind eigenständige Unternehmen, machen Milliardenumsätze und sind, für sich genommen, hochprofitabel. Aber sie wurden nicht wie einst die europäische Flugzeugindustrie (Airbus) von der großen Politik zusammengebracht, sie haben auch nicht auf Druck der Finanzmärkte einen Konzern bilden müssen. Sie haben sich einfach gefunden. Trumpf ist ein Familienunternehmen, Zeiss gehört einer Stiftung, und ASML ist an der Börse notiert. Aber gemeinsam haben sie es zum globalen Technologieführer gebracht: Sie sind die Champions bei Belichtungsmaschinen für die leistungsfähigsten Mikrochips.

Im Vergleich zu ihren Großkunden sind die drei europäischen Partner Zwerge. Aber wie haben sie es geschafft, sich für die Chipriesen aus Asien und Amerika unentbehrlich zu machen?

Eine Rundreise nach Ditzingen und Oberkochen in Württemberg und Veldhoven in den Niederlanden soll das Erfolgsgeheimnis entschlüsseln.

Die erste Gemeinsamkeit nennt Peter Leibinger gleich nach der Ankunft in Ditzingen. "Wir sind alle drei Innovationsführer." Die jeweiligen Kompetenzen würden sich in der "exklusiven strategischen Kooperation" für die Chipbelichtungsmaschinen ideal ergänzen. Er ist überzeugt: "Allein können wir gar nichts."

Das schwäbische Familienunternehmen, das im laufenden Geschäftsjahr bis zu 3,8 Milliarden Euro umsetzen will, hat sich in den vergangenen Jahren als weltweit führender Anbieter von Lasersystemen etabliert. Und der neue Laser für die Chipmaschinen gehört zu den Wachstumstreibern.

Was anfangs eher "heimlich" (Leibinger) begann, entwickelte sich zur großen Herausforderung. Die Trumpf-Ingenieure verbissen sich in die hochkomplexe Aufgabe. 200 Millionen Euro steckten die Schwaben bislang in das Projekt, verrät Leibinger. Das Durchhaltevermögen war wohl nur in einem langfristig denkendem Familienunternehmen möglich, wo nachhaltige technische Innovationen wichtiger sind als schnelle Rendite. Nur eines war klar: Wenn den schwäbischen Ingenieuren das Kunststück mit dem Superlaser gelingen würde, dann stünden die Niederländer als exklusiver Abnehmer parat.

Es gelang. Trumpf baut mittlerweile das mit 40 Kilowatt Leistung " das stärkste in Serie hergestellte Lasersystem der Welt", sagt Leibinger. Die Leistung des Lichtstrahls entspricht dem von 40 Millionen Laserpointern. 50.000-mal pro Sekunde schießt so ein Laser auf winzige Zinntröpfchen, damit so im Vakuum EUV-Licht entsteht.

Wie komplex so eine Lasermaschine ist, kann man heute in der Produktion in Ditzingen sehen. Gefertigt wird in praktisch staubfreien Reinräumen, die Menschen nur in kompletter Schutzkleidung inklusive Mundschutz betreten dürfen. So groß wie ein Bus ist so eine Anlage mit ihren Rohren, Linsen und Schläuchen. Zum Verständnis der Abläufe bedarf es mindestens eines abgeschlossenen Studiums der Physik oder des Maschinenbaus. Seit Anfang vergangenen Jahres werden diese komplexen Anlagen serienmäßig nach Veldhoven zu ASML transportiert, um sie dort mit der eigentlichen Belichtungsmaschine zu koppeln.

Die Lasersysteme für ASML seien mittlerweile ein "lukratives Geschäft", sagt Peter Leibinger, rund 500 Trumpf-Mitarbeiter sind damit beschäftigt, im nächsten Geschäftsjahr werde man rund 400 Millionen Euro damit umsetzen.

Laser und Optiksystem sind konkurrenzlos

Die Abhängigkeit dieser Sparte von einem einzigen Kunden sei kein Problem, betont der Trumpf-Vordenker, schließlich sei ohne den Superlaser keine EUV-Lithografie (so der Fachbegriff für die Chipbelichtung) möglich und es gebe keinen konkurrierenden Hersteller. "Dies ist eine auf gegenseitigem Vertrauen beruhende Partnerschaft", betont Leibinger, schließlich müsse man bei so einem Projekt jahrelang in Vorleistung gehen.

Doch mit der Trumpf-Laserkanone ist erst der Anfang gemacht. Damit das erzeugte extrem kurzwellige Licht auch die feinsten Strukturen auf den Chips prägen kann, braucht es eine neuartige Optik. Denn dabei wird in Millionstelmillimetern, also Nanometern, gerechnet.

Und hier kommt der zweite große deutsche Kooperationspartner des Projekts ins Spiel, der traditionsreiche Optikspezialist Zeiss in Oberkochen. In der Kleinstadt auf der Schwäbischen Alb, eine Autostunde östlich von Stuttgart, erklärt Michael Kaschke, Vorstandsvorsitzender der Zeiss Gruppe, die bald sechs Milliarden Euro umsetzen wird, warum das neue Geschäft uralte Wurzeln hat. Schließlich sei die Belichtung der ultrafeinen Strukturen auf den Mikrochips nur die Umkehrung dessen, was schon die Stammväter des Unternehmens Carl Zeiss und Ernst Abbe bei der Entwicklung ihrer ersten Mikroskope angestrebt hätten. "Es geht immer um die Auflösung." Vereinfacht funktioniere die Optik wie ein umgekehrter Diaprojektor. Zeiss sorgt also dafür, dass die in einer sogenannten Maske vorgegebenen Millionen von Schaltstrukturen extrem verkleinert auf den Chip übertragen werden.

Die auf Optiken für die Mikroelektronikbranche spezialisierte Zeiss-Tochter SMT wird mit ihren rund 3500 Mitarbeitern im laufenden Jahr wieder gut ein Viertel des Umsatzes der Zeiss Gruppe erwirtschaften. Die Oberkochener waren auch schon bei der Vorgängergeneration der jetzigen Maschinen Lieferanten für ASML. Deren Optik gleicht noch einem riesigen Kameraobjektiv, und diese Systeme werden im Oberkochener Werk weiter gefertigt. Aber die neue Optik, die exklusiv an ASML geht, funktioniert völlig anders.

Wie der Laser von Trumpf ist auch das Optiksystem von Zeiss konkurrenzlos

Da die ultrakurzen EUV-Lichtwellen mit 13,5 Nanometern keine klassische Linse mehr durchdringen können und von Luft absorbiert werden, kommen hier aus großen Glaskeramikblöcken gefertigte Spiegel zum Einsatz. Diese lenken das Licht um und bündeln es. Der Prozess läuft im Vakuum ab. Jeder Spiegel wird dazu wochenlang auf Spezialmaschinen immer wieder geglättet, vermessen und poliert. Am Ende ist so ein tonnenschweres Optiksystem dann einen gut zweistelligen Millionenbetrag wert. Sicher verpackt, wird es dann per Laster nach Veldhoven zum exklusiven Abnehmer ASML gefahren.

Wie der Trumpf-Laser ist die Zeiss-Optik konkurrenzlos. Und die Bindung von Zeiss an den niederländischen Exklusivabnehmer ist gut abgesichert. ASML hat vor einigen Jahren 24,9 Prozent der SMT-Anteile übernommen.

Wie die deutschen Spezialteile dann in die gesamte Anlage passen, kann man in der riesigen ASML-Fabrik in Veldhoven besichtigen. Mehr als 100.000 Einzelteile hat so eine fertige Maschine, die so groß wie ein Bus ist und an die dann noch das ähnlich große Lasermodul gekoppelt wird.

Die Zeiss-Optik und der Trumpf-Laser seien "Kernkomponenten der Anlage", erklärt ASML-Vorstandsmitglied Christophe Fouquet im Werk.

Der Listenpreis beträgt 120 Millionen Euro

180 Tonnen wiegt eine fertige Belichtungsanlage, drei Jumbojet-Frachter sind nötig, um eine Maschine zu den Kunden in Asien oder Amerika zu bringen. 44 der neuen EUV-Lithografiesysteme sind weltweit installiert, 30 werden in diesem Jahr gefertigt, 40 weitere stehen für 2020 fest im Produktionsplan. Canon und Nikon war der Entwicklungsaufwand für solche EUV-Systeme offenbar zu hoch.

Entsprechende Preise kann ASML von Intel, Samsung und Co. verlangen. Die Anlagen kosten so viel wie ein großes Passagierflugzeug. Der Listenpreis beträgt 120 Millionen Euro.

38 Prozent der Zulieferungen, nach dem Wert gemessen, kommen aus Deutschland, sagt ASML-Vorstand Christophe Fouquet. Das sei sogar etwas mehr als das, was aus den Niederlanden komme. Die dicksten Brocken des deutschen Anteils tragen Zeiss und Trumpf bei. Aber auch andere deutsche Firmen wie Berliner Glas oder Jenoptik liefern Spezialteile. Mit seinen 23.000 Mitarbeitern setzte ASML im vergangenen Jahr fast 11 Milliarden Euro um, die Rendite ist deutlich zweistellig.

Was die Unternehmen ASML, Zeiss und Trumpf verbinde, sei das Ingenieursdenken, der Drang, bei Innovationen immer ganz vorn zu sein, sagt der ASML-Manager. Und die Kunden drängten darauf, dass die Produktivitätsfortschritte ständig weitergingen. Die Strukturen würden zwar immer kleiner und die Rechenleistung der Chips höher – aber die Preise pro Chip blieben gleich. Also müssten die Maschinen eben das Vielfache des Outputs in der gleichen Zeit schaffen. Allein zwischen Anfang 2014 und Ende 2018 sei die Produktivität um das 14-Fache gestiegen, ein Stepper belichtet heute also 14-mal so viele Chips pro Stunde, zeigt Fouquet anhand einer Grafik auf.

Mit den immer leistungsfähigeren Mikrochips werde seit Jahrzehnten stetig die Produktivität der Weltwirtschaft gesteigert, hatte Peter Leibinger tags zuvor in Ditzingen gesagt. Mehr Leistung zum gleichen Preis. Schließlich würden die Halbleiter in allen Industrien eingesetzt. In den vernetzten Fabriken genauso wie bei der jeweils neuesten Smartphone-Generation. Die ersten Endgeräte mit den via EUV-Systemen belichteten Mikrochips würden noch in diesem Jahre bei den Kunden landen.

Ohne die Kooperation zwischen ASML, Zeiss und Trumpf im Maschinenbau könnten die führenden Chiphersteller diese Superchips wohl nicht fertigen. Und sie setzen fast exklusiv auf ihren europäischen Lieferanten. Wie eng die Zusammenarbeit zwischen dem Maschinenbauer und seinen Abnehmern ist, zeigte sich während der langwierigen Entwicklung der EUV-Technik. Zwischenzeitlich unterstützten Intel, TSMC und Co. die Niederländer etwa mit mehreren Milliarden Euro als "Vorauszahlung für die Maschinen", wie Christophe Fouquet erzählt.

"Vertrauen und Verlässlichkeit" seien bei einer derartigen Partnerschaft wichtiger als die Verträge, sagt Leibinger. 50 Kollegen von ASML sind derzeit in Ditzingen, eine noch höhere Zahl von Trumpf-Ingenieuren gerade in Veldhoven, wo auch viele Zeiss-Leute bei der Integration der Systeme helfen.

Was das EUV-Geschäft anbelange, agiere die Kooperation "wie ein virtuell gemergtes Unternehmen", sagt der schwäbische Familienunternehmer Leibinger, "das fühlt sich an wie eine Firma".

Als Vorstand eines global erfolgreichen Maschinenbauers kennt sich Leibinger in der Welt der Industrie aus. Dass Regierungen auch in anderen Hightech-Industrien mehrere Unternehmen kurzfristig zu einem weltweit führenden Player zusammenfügen könnten, wie es derzeit in der Politik diskutiert werde, hält er für "eine romantische Idee".