Binnenin de processor: zo ontstaan computerchips
Het gereedschap
Lithografiemachines zijn de duurste toestellen die je terugvindt in een fab. Zoals bij alle dure nicheproducten is er niet al te veel ruimte voor concurrentie in de fabricage ervan. Meer dan 80 procent van ’s werelds lithografiemachines zijn van de hand van ASML, een bedrijf met hoofdkwartier in Veldhoven in Nederland. Rijd je met de wagen van Turnhout naar Eindhoven, dan zie je de campus van het bedrijf met duidelijk zichtbare toren op de linkerkant. Daar liggen kantoor- en onderzoeksgebouwen, maar ook assemblagehallen. Wij wandelden rond in de fabriek, maar niet alvorens we onze cleansuit aantrokken.
Logisch: stof bestaat voornamelijk uit menselijke huidcellen. Jij en ik zijn dus stofproducenten eersteklas. Een enkel stofje binnenin een ASML-machine die wafers behandelt, kan een hele wafer om zeep helpen. Het pak moet in een specifieke volgorde worden aangetrokken, zodat je de fabriek binnenwandelt in een kostuum dat nergens de vuile grond heeft aangeraakt. Ons aangezicht bleef wel vrij, wat betekende dat we niet in de meest gevoelige plaatsen van de fabriek mochten komen. “Dit productieproces helemaal stofvrij houden is onmogelijk”, vertelt Jos Vreeker van ASML. “Hoe proper onze cleanroom ook is, in de fabs van onze klanten gaat het er nog veel strakker aan toe.” Tijdens het productieproces worden wafers zoveel mogelijk in een vacuüm gehouden en zijn er plaatsen waar technici alleen komen in nog specialere pakken, voorzien van een gasmasker en een luchtfles.
Prijzig
ASML maakt machines voor verschillende klanten, die niet allemaal nood hebben aan ’s werelds kleinste of meest geavanceerde chips. Hoe geavanceerder de machine en hoe kleiner de structuren op de chip die belicht dienen te worden, hoe groter het toestel. “De prijs verschilt al naargelang het type, maar een geavanceerd systeem kost gemiddeld 50 tot 70 miljoen euro”, vertrouwt Vreeker ons toe. “Ons meest geavanceerde systeem kost zelfs 100 miljoen euro” De snelste machine van ASML behandelt zo’n 257 wafers per uur. Dat wil niet zeggen dat er 275 wafers met afgewerkte chips uit het toestel komen: lithografie is slechts één stap in het productieproces, die bovendien tientallen keren herhaald dient te worden, telkens met een ander masker.
Een ASML-machine moet de wafers precies positioneren, zodat ze op exact de juiste plaats belicht worden. Dat belichten gebeurt met een bewegende lichtstraal die over het masker gaat, vergelijkbaar met de manier waarop een scanner scant. Het licht passeert vervolgens een serie lenzen die de projectie verkleinen, waarna een hele batterij extra lenzen de afwijkingen van de vorige lenzen moet compenseren. Iedere lens, hoe goed ook, heeft een minieme afwijking en op de nanometerschaal moet die zo goed mogelijk worden weggewerkt: het resultaat: een bijna komisch grote lenzenconstructie van enkele honderden kilo’s zwaar, ingepakt in een koelende behuizing.
Warmte vervormt, dus moet de lens op een exacte temperatuur blijven. ASML werkt samen met Zeiss voor de bouw van de lenzen, die een van de duurste onderdelen van het systeem vormen. Met een prijskaartje van enkele miljoenen voor één onderdeel begrijp je meteen waarom jij de afgewerkte machine niet kan betalen.
Licht als potlood
De minuscule schaal waarop alles gebeurt, heeft gevolgen voor het licht dat de machines gebruiken. Is lithografie het potlood waarmee Intel en consorten hun chips tekenen, dan is het licht de potloodpunt. “Licht is een groot woord voor wat we gebruiken in onze machines”, vindt Vreeker. “In moderne machines gebruiken we Diep UV-licht en dat is helemaal niet zichtbaar voor het menselijke oog.” De golflenges van het gebruikte Diep UV-licht, liggen in de grote-orde van tientallen nanometers. Het menselijk oog ziet licht met golflengtes tussen de 400 en de 700 nanometer. Intel gebruikt machines met diep UV-licht voor de fabricage van zijn nieuwste chips. De wet van Moore dicteert dat transistors steeds kleiner moeten worden, dus moet ook de potlootpunt kleiner.
“We werken momenteel aan machines die werken met extreem UV-licht”, vertelt Vreeker. “Dat ‘licht’ heeft golflengtes van minder dan 14 nanometer, wat voordelen maar ook technische uitdagingen met zich meebrengt.” ASML bouwde echter met succes de eerste generaties EUV-systemen. Er staan momenteel acht van dit soort machines in het veld. “ééntje staat hier bij imec”, vertelt professor Groeseneken met enige trots. De ontwikkeling van de machine illustreert de samenhang tussen de fabrikanten van de chips zoals Intel, de producenten van de machines zoals ASML en de high-tech onderzoeksinstituten zoals imec.
imec en de fabrikanten
“Bij imec leren we de machines van ASML te gebruiken. Het onderzoek naar de ontwikkeling van nieuwe manieren om kleinere chips te maken, is tijdsintensief en duur.” Intel, maar ook Samsung en de andere fabrikanten, kloppen aan bij imec voor dat onderzoek. “Zij leggen bij wijze van spreken samen om ons onderzoek te financieren, waarna we de resultaten en technieken met hen delen.”
imec is wat dat betreft één van de grote namen in de industrie, met onderzoekcentra over de hele wereld en samenwerkingscontracten met alle grote klinkende namen, niet alleen Samsung, Intel en TSMC, maar ook GlobalFoundries, Qualcomm, Huawei, Micron en Toshiba, om er maar enkele te noemen.
Waarom toch die zoektocht naar steeds kleinere transistors? Je kan denken dat het om het volume gaat: meer transistors op één chip brengt uiteraard voordelen met zich mee, maar dat is niet de belangrijkste motivatie. Een nul verandert in een één binnenin een chip wanneer een bepaald spanningsniveau bereikt wordt. “Hoe kleiner de transistors, hoe sneller ze kunnen wisselen tussen één en nul.” Een kleinere transistor is per definitie een snellere transistor, met dank aan de natuurkunde.
