Kurt Stadlthanners Arbeitsplatz gleicht einem Hochsicherheitstrakt. Der Projektleiter der Halbleiterproduktion in Forchheim lässt dort sein Team mit hochgiftigen Metallen hantieren, extrem hohe Hitze erzeugen, lupenreine Kristalle in millionenschweren Öfen züchten.
In diesen Tagen fährt Stadlthanners Arbeitgeber, der hiesige Medizintechnik-Riese Siemens Healthineers, seine neueste Errungenschaft hoch: das Photon-counting Sensor Fab.
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Siemens Healthineers eröffnet in Forchheim nächste Hightech-Fabrik
Das unscheinbar wirkende Gebäude reiht sich ein in den Healthineers-Campus rund um die Siemensstraße im Forchheimer Süden. Darin verbirgt sich auf knapp 9000 Quadratmetern eine Fabrik, in der Kristalle für die Herstellung von Halbleitern gezüchtet werden.
Diese werden als sogenannte Detektoren in die neuesten Computertomografen eingebaut, um bei reduzierter Röntgenstrahlendosis noch schärfere Bilder zu erzeugen. Das Ergebnis für Patienten ist konkret spürbar: Gerade für Kinder, die ohnehin empfindlicher auf Strahlung reagieren, ist das ein großer Fortschritt.
100 Menschen sollen künftig in der Halbleiterfabrik arbeiten
Derzeit wandeln neben Stadlthanner noch relativ wenige Menschen durch die Hightech-Fertigung. Bis zu 100 Leute sollen dort einmal arbeiten, laut Zeitplan voraussichtlich bis Ende des Jahres. Die Physiker, Chemiker und Laboranten arbeiten dann täglich daran, die eigens entwickelten Halbleiter direkt in Forchheim herzustellen. Mit Schutzanzügen, Masken, in Reinräumen und Unterdruckkabinen.
Etwas mehr als 100 Millionen Euro hat sich die Firma den Bau der Fabrik kosten lassen. Dies ist nach Eröffnung des 350 Millionen Euro teuren HEP-Centers gleich nebenan bereits die zweite Großinvestition in Forchheim.
Lexikon Innovation: Was Computertomografen mit Halbleiterdetektoren von herkömmlichen unterscheidet
Bei herkömmlichen CT-Detektoren musste die Röntgenstrahlung einen Umweg nehmen: Zuerst wurde sie von einer Keramikschicht in Licht umgewandelt, und dieses Licht wurde dann von einer Fotodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieser Zwischenschritt hat zwei entscheidende Nachteile:
- Mehr Rauschen: Jede Fotodiode ist ein Sensor – und jeder Sensor rauscht etwas. Wie ein Foto, das man im Dunkeln macht, immer körnig wird. Dieses Rauschen verschlechtert die Bildqualität.
- Energieinformation geht verloren: Beim Umweg über das Licht geht die Information verloren, wie viel Energie ein einzelner Röntgenstrahl hatte. Der Kontrast wird dadurch reduziert und die Bilder werden unscharf.
Die neuen Cadmiumtellurid-Halbleiter, die Siemens Healthineers im eigens dafür gebauten Werk in Forchheim herstellt, machen das direkter: Die Röntgenstrahlung erzeugt sofort und ohne Umweg elektrische Ladungsträger im Material – die Röntgenphotonen werden also direkt in vollständig digitale elektrische Signale umgewandelt. Das hat gleich mehrere Vorteile:
- Weniger Rauschen, schärfere Bilder: Da kein Zwischenschritt mehr nötig ist, gibt es auch weniger Störquellen. Die Bilder werden deutlich schärfer – zum Beispiel kann man winzige Knöchelchen im Innenohr darstellen, die früher unsichtbar waren.
- Weniger Röntgenstrahlendosis: Die Bilddateien bieten neue, klinisch relevante Informationen bei geringerer Strahlenbelastung.
- Kleinere Pixel möglich: Früher musste man die Detektoren buchstäblich mit einer Säge in Pixel zerschneiden, was irgendwann an physikalische Grenzen stößt. Mit dem neuen Verfahren lassen sich Pixel viel feiner strukturieren.
Kristallzucht erst in Japan, nun auch in Forchheim
In einer japanischen Tochterfirma läuft diese Kristallzucht bereits seit dem Jahr 2019. Doch die Produktionsanlage dort stößt schon lange an ihre Kapazitätsgrenzen. Daher hatte sich Siemens Healthineers dafür entschieden, die Kristallzucht in unmittelbare Nähe ihrer CT-Fertigung in Forchheim zu bringen.
Aktuell qualifizieren Stadlthanner und sein Team die Hightech-Maschinen, bereiten sie also für die bald startende Serienfertigung vor. „Ende 2026 wollen wir spätestens voll einsatzfähig sein“, sagt der promovierte Physiker. Von der Anlieferung der Rohmetalle bis hin zu den verbaufähigen, nur zwei Millimeter starken Halbleitern werden einige Monate vergehen. „Insgesamt sind für den aufwendigen Prozess etwa 80 Arbeitsschritte nötig“, erklärt Stadlthanner.
Lexikon Kristallzucht: Wie der Produktionsprozess im Photon-counting Sensor Fab funktioniert (grob vereinfacht)
Zunächst werden die Rohstoffe Cadmium und Tellur in höchster Reinheit (99,9999 Prozent) eingekauft. Da beide Stoffe giftig sind, werden sie sicher in spezielle, mit Kohlenstoff beschichtete Glasampullen gefüllt und versiegelt. In einem Ofen werden Cadmium und Tellur dann miteinander zur Verbindung Cadmiumtellurid verschmolzen – eine heftige, hochgradig exotherme Reaktion, bei der die Temperatur innerhalb von Sekunden um mehrere hundert Grad ansteigt.
Das entstandene Material ist zunächst ein Polykristall – also ein Stoff, der in viele verschiedene Richtungen gewachsen ist und daher weiterhin nicht verwendbar ist. In einem aufwendigen, etwa zehn Wochen dauernden Verfahren (sogenannte „Travelling Heater Method“) wird daraus ein Einkristall gezüchtet. Unter anderem aus dem Cadmiumtellurit und einem Seed (also einem Kristall aus einer vorherigen Zucht) – ähnlich der Herstellung eines Sauerteigs. Am Ende ist aus dem Polykristall ein Einkristall geworden, bei dem alle Atome exakt in einer einheitlichen Struktur angeordnet sind.
Anschließend wird der Kristall in dünne Scheiben (Wafer) gesägt, deren Oberfläche danach aufwendig poliert wird. Dann werden hauchdünne Metallschichten aufgebracht, die später als elektrische Kontakte dienen. Schließlich wird der Wafer in kleine rechteckige Stücke geschnitten, die als fertige Detektorelemente direkt in den CT eingebaut werden können.
Healthineers bleibt Forchheims größter Arbeitgeber – und wächst weiter
Laut dem Healthineers-Projektleiter habe man „keine Kosten und Mühen“ gescheut. So gibt es eine (wegen der giftigen Substanzen notwendigen) eigene Abwasseraufbereitungsanlage, die bis zu 23 Kubikmeter Wasser am Tag reinigen kann. Für die Heizung des Gebäudes wird Abwärme aus der Produktion verwendet und eine PV-Anlage auf dem Dach soll zumindest einen Teil des immensen Stromverbrauchs decken.
Siemens Healthineers beschäftigt mit der Halbleiterfabrik dann etwa 4800 Menschen in Forchheim, in der Region Forchheim/Erlangen sind es sogar mehr als 12.000 Beschäftigte. Der Fokus in Forchheim liegt auf der Fertigung und Weiterentwicklung von Computertomografen.
