Lithografie: zo werkt een chipfabriek

Een wereld zonder computerchips kunnen we onszelf anno 2023 niet meer voorstellen. Zo goed als elk apparaat dat je koopt bevat tegenwoordig een microchip. Niet alleen smartphones en pc’s, maar ook auto’s, wasmachines, inductiekookplaten, slimme lampen en luidsprekers bevatten tegenwoordig microchips. Niet voor alle toepassingen moet zo’n chip even ingewikkeld zijn: pc’s en smartphones krijgen de meest geavanceerde technologie, terwijl een wasmachine ook werkt met simpelere technologie. Hoe dan ook is er enorm veel vraag naar chips, die allemaal geproduceerd moeten worden. Dat proces kan weken in beslag nemen.

Een zanderig begin

Net zoals bij de zoute versnaperingen die voor veel mensen bij een avondje televisiekijken horen, begint de reis van een microchip of processor in de grond. Daar houden de gelijkenissen echter op: aan chipproductie komen namelijk geen groenten te pas en zeker geen aardappelen. Computerchips vinden hun oorsprong in een heel ander bodemtype, dat veel zanderiger is. Daar is een goede reden voor: het hoofdbestandsdeel van zand is namelijk silicium, een grondstof die onmisbaar is voor de productie van chips. De basisgrondstof silicium heeft namelijk een uniek kenmerk, dat het materiaal uitermate geschikt maakt om voor chipproductie te gebruiken. De meest voorname reden om silicium te gebruiken, zit in het feit dat het een zogenaamde halfgeleider is: in kristallijne vorm heeft het materiaal een ontzettend stabiele structuur, waardoor het moeilijk elektriciteit doorlaat. Die kristalstructuur kan echter ontregeld worden met bijvoorbeeld fosfor of boor. Wanneer die atomen in de kristalstructuur plaats proberen nemen, geraakt het evenwicht tussen de verschillende elektronen verstoord. Die storing zorgt ervoor dat elektronen zich door de kristalstructuur kunnen bewegen, waardoor het materiaal in feite geleidend wordt. Nog een reden om silicium te gebruiken in de chipproductie: het materiaal is overal te vinden. 15,1 procent van de totale aardmassa zou uit het materiaal bestaan. Zand is overal, je hoeft er zelfs niet naar te zoeken. Het silicium wordt uit dit zand gehaald, waarna het naar de fabriek kan vertrekken.

Van zand, naar kristal, naar wafer

Van zandkorrels maak je natuurlijk geen microchips. Om dat te doen, heb je eerst monokristallijne siliciumstructuren nodig. Probleem is dat meeste silicium in de natuur nooit in zo’n structuur voorkomt. Dat brengt ons bij de tweede stap, die het Czochralski-proces genoemd wordt. Daarin wordt silicium, waar op dat moment nog zuurstofatomen aan hangen, samen met koolstof in een verwarmde ton gegoten. Tijdens dat proces zullen de C- en O-atomen met elkaar binden om CO2 te vormen, terwijl het silicium in de ton overblijft. Uit die ton kan daarna silicium gehaald worden dat bijna helemaal puur is. Dat gebeurt door een siliciumkristal in de ton te laten zakken en het daarna langzaamaan weer uit te halen. De ton waarin heel dat proces gebeurt, roteert continu. Daardoor blijven siliciumatomen aan de onderkant van het startkristal ‘kleven’. Uiteindelijk blijf je over met een cilindervormige, monokristallijne siliciumstructuur, die ook wel een ‘boule’ genoemd wordt. Die staaf zal nog steeds enkele imperfecties bevatten, maar bestaat uit meer dan 99,999 procent uit silicium. Die boules worden geproduceerd met een aantal verschillende diameters, afhankelijk van hoeveel chips er op moeten passen. Voor er chips van gemaakt kunnen worden, moet de boule nog wel in ‘wafers’ versneden worden. Die wafers hebben een standaarddikte van ongeveer driekwart millimeter. Die dunne plakken siliciumkristal gaan uiteindelijk naar de volgende stap in het productieproces, in een hermetisch afgesloten fabriek.

Van wafer naar chips

Uit één wafer kunnen meerdere chips geproduceerd worden, afhankelijk van hoe groot de wafer en chips precies zijn. Daarvoor wordt gebruikgemaakt van zogenaamde lithografiemachines. Welk type, dat hangt af van de complexiteit van de chip. Meer eenvoudige chips kunnen nog op het oudere fotolithografieproces gefabriceerd worden, terwijl nieuwere en complexere onderwerpen langs de machine voor extreem-ultraviolet-lithografie (euv) moeten passeren. Voor de fotolithografie wordt er eerst een laagje niet-geleidend siliciumdioxide (SiO₂)over de wafers verspreid. Daarna wordt er ook een extreem dunne laag fotoresistente vloeistof op de wafer aangebracht, dat daarna wordt uitgehard. Die laag is slechts enkele nanometers dik, maar is onmisbaar voor de verdere chipproductie. Daarna passeert de wafer de lithografiemachine. Daar wordt een flinke straal UV-licht door een ‘masker’ gestuurd. Dat masker bevat het ontwerp van de chip en zal bepalen welke delen van de chip verlicht worden en welke niet. Het masker is veel groter dan de uiteindelijke chip: door het licht langs een serie lenzen en spiegels te leiden, wordt het design in ware grootte op de wafer geprojecteerd. Het UV-licht zal de fotoresistente laag op de wafer weer vloeibaar maken, waardoor die nadien weggewassen kan worden. Waar geen fotoresistente coating meer aanwezig is, wordt de SiO₂-laag weggeëtst.

Elektrische geleiding en transistoren

De wafer is op dat moment zo goed als klaar om er een chip van te maken. In de volgende stappen wordt er namelijk voor gezorgd dat de toekomstige chip elektriciteit kan geleiden. Dat gebeurt door depositie en dotering. Bij depositie wordt een geleidende laag silicium op het substraat aangebracht en dan weer deels weggewassen. Een andere mogelijkheid is om de wafer met ionen te bombarderen, om zo fosfor- en booratomen aan te brengen. Die twee stappen zorgen ervoor dat de chip elektriciteit kan geleiden. Die stappen worden honderden keren herhaald om een chipstructuur te bekomen. Tussen de verschillende stappen wordt steeds opnieuw een SiO₂-laag aangebracht. Die moet ervoor zorgen dat reeds aangebrachte delen van de chip onaangetast blijven. Door de elektrische eigenschappen van de silicium te veranderen, worden in feite transistoren gebouwd. Transistoren zijn in essentie een iets ingewikkelder type van schakelaar: ze werken, afhankelijk van het type, alleen als er positieve of negatieve spanning bij komt kijken. Door deze transistoren met elkaar te combineren en met elkaar te verbinden, ontstaat een complexe schakeling. Het zijn zo’n schakelingen die ervoor zorgen dat je computer en wasmachine hun werk kunnen doen. De hoeveelheid transistoren op de chip bepaalt de complexiteit en zo ook de rekenkracht die je uit een chip kan krijgen. Het verbinden van die transistoren is overigens ook geen koud kunstje. Hiervoor worden legeringen van bepaalde metalen, veelal koper, gebruikt. Die worden, net zoals de SiO₂-laag, onder een laag fotoresistent materiaal aangebracht. Door middel van lithografie kan dan bepaald worden waar de elektriciteit precies moet lopen: overal de chip geen licht ziet, blijft het geleidende materiaal achter. Aangezien elke transistor ten minste drie contactpunten moet hebben, moet ook dit proces veelvoudig herhaald worden.

Verpakking

Uiteindelijk krijg je daardoor een chip met een aantal honderdduizenden transistoren op de onderkant en een heleboel verbindingen of interconnects daarbovenop. Op één wafer kunnen meerdere chips zitten, die met een diamantzaag van elkaar los gemaakt worden. Natuurlijk worden de chips eerst gecontroleerd: afwijkingen in de wafer of problemen in het productieproces zorgen er soms voor dat chips niet helemaal werken. Ze zijn dan niet meteen om weg te gooien, maar komen bij de minder sterke chips terecht. Pas na het verzagen van de wafer kunnen we over individuele dies spreken. Die individuele dies worden op allerlei manieren verpakt, maar alle manieren hebben een ding gemeen: de interconnects die blootliggen moeten met geleiders van de verpakking verbonden worden, zodat je de chip ergens op kan aansluiten. Daarvoor wordt de die omgedraaid, zodat de contactpunten aan de onderkant liggen en de wafer langs de bovenkant. Voor een computerprocessor komen er dan ofwel pinnen of plaatjes aan de onderkant, die contact moeten maken met het moederbord, en een warmteverspreider langs de bovenkant.

Extreem ultraviolet licht

Daar houdt het chipverhaal geenszins op. De hoeveelheid transistoren op een chip vermeerdert namelijk continu. Gordon Moore, een van de oprichters van Intel, vertaalde dat naar een wet: elke twee jaar zou het aantal transistoren op een chip verdubbelen. De Intel-oprichter maakte die voorspelling in 1965, maar sindsdien zijn computers (en chips) niet groter geworden. Integendeel: de chips werden steeds kleiner en daarmee ook de transistoren die de werking van zo’n chip bepalen. Daardoor moet dus steeds kleiner gewerkt worden. De wafer, waarop de chips gemaakt worden, is ongeveer driekwart millimeter dik. De transistoren die erop geëtst worden, zijn echter vele malen kleiner. Met fotolithografie en diep-ultraviolet-lithografie wordt licht gebruikt om de chips als het ware ‘uit te tekenen’ op het substraat. Enige probleem: foto- en duv-lithografie is niet nauwkeurig genoeg. Met de meest geavanceerde duv-technieken kunnen lijnen getrokken worden die 38 nm breed zijn. In vergelijking met diep-ultraviolet-lithografie is dat als tekenen met een waskrijtje: duv zou 14 keer nauwkeuriger kunnen werken en lijntjes trekken die slechts 3 nm breed zijn. Daar werd het volledige productieproces voor onder handen genomen. Doordat het licht een veel kortere golflengte heeft, heeft het ook andere fysische eigenschappen. Niet alleen de lichtbron verandert daardoor, maar ook de spiegels en de lenzen waar het licht langs moet. Euv-licht blijkt lastiger om te reflecteren: de golflengte is zo kort dat zelfs lucht het licht absorbeert. Hetzelfde geldt voor traditionele spiegels en lenzen: die houden euv-licht gewoonweg bij. Daarvoor werden speciale Bragg-reflectoren ontwikkeld, die het licht toch voor 70 procent reflecteren. Bovendien zijn er meer van die reflectoren nodig om een scherp beeld te krijgen, waardoor de lichtbron tig keer krachtiger moet zijn: anders blijft er aan het einde van de rit geen energie meer over om de chip te bewerken. Zelfs het masker, waar het chipdesign op staat, moet veranderd worden. Omdat euv-licht zo’n korte golflengte heeft en enorm veel energie bevat, moet het masker bijvoorbeeld tegen extreem grote temperatuurwisselingen kunnen. Ook dat masker houdt trouwens een groot deel van het licht tegen. Ook daarvoor moest een oplossing gevonden worden vooraleer euv in gebruik genomen kon worden.

Grote namen en marketing

Voor de meeste fabrikanten ligt de omslag naar euv-productietechnieken bij hun 7nm-chips, al moet je met die benaming goed opletten. Ooit stond dat cijfer nog voor de daadwerkelijke grootte van de CPU-componenten, maar dat is al lang niet meer het geval. Vandaag verwijzen benamingen als NM7, NM7+ of zelfs NM5 naar de productieprocessen die gebruikt worden. Dat wil echter niet zeggen dat de transistoren ook zo klein zijn: 7nm-chips kunnen vandaag krachtiger zijn dan die van 5 nm. Alles hangt af van de hoeveelheid transistoren en hun onderliggende architectuur. Over het algemeen zijn chips van een kleinere productienode wel energiezuiniger en kúnnen ze zuiniger werken. Dat hoeft daarom niet noodzakelijk het geval te zijn. Het kost énorm veel geld om de productie van chips op poten te zetten. Dat verklaart ook waarom er maar een handvol chipproducenten zijn: GlobalFoundries, Intel, Samsung en TSMC zijn de bekendste. Andere bedrijven, zoals AMD en Nvidia, ontwerpen zelf wel chips, maar hebben geen materiaal in huis om ze te vervaardigen. Daarom kloppen ze aan bij bijvoorbeeld Samsung of TSMC. Bedrijven als Intel en Samsung maken en produceren bovendien hun eigen chips, die ze daarna als afgewerkte producten kunnen verkopen, terwijl TSMC en GlobalFoundries zich volledig toeleggen op chipproductie voor hun klanten. Uiteindelijk gaat het om slechts een handvol producenten die in twee handen vol fabrieken chips produceren voor alle elektronische apparaten over de hele wereld. Gaat er iets mis in één fabriek? Dan merkt de ganse industrie er het gevolg van. Dat je zo’n geavanceerde chip in je broekzak hebt zitten, mag dus gerust een hoogstandje van de menselijke inventiviteit heten.