Hoe worden chips gemaakt?

Computers, mobiele telefoons, televisies en wasmachines. Veel mensen zullen zeggen dat er 'chips' in zitten. Dat klopt in vrijwel alle gevallen, maar wat zijn nou eigenlijk chips? En hoe worden ze gemaakt?

Zand

Het verhaal over chips begint met 'zand'. Want simpel zand is namelijk erg rijk aan het element silicium. Deze stof kan door de juiste behandeling namelijk in een hele pure roostervorm voorkomen en dat geeft interessante elektrische eigenschappen. Zo'n rooster bestaat uit vrijwel alleen siliciumatomen die allemaal aan elkaar vastzitten. Door enkele van die siliciumatomen te vervangen door boor of fosfor kunnen zogenaamde halfgeleiders gemaakt worden in het rooster. En zo is het mogelijk om transistors, de basisonderdelen van chips, te maken in een siliciumrooster. Maar genoeg nu over de fysica, hoe wordt een dergelijk rooster gemaakt?

Zand bestaat vooral uit siliciumdioxide. Om de zuurstofatomen van het silicium te scheiden wordt het zand gesmolten, dit wordt een soort lava. Daarna wordt er een stukje puur silicium, dat al roostervormig is, in het bad met lava gedoopt en er heel rustig uitgetrokken. Het vloeibare silicium blijft plakken aan het pure rooster en groeit als het ware per atoom in een bijna perfect rooster. Langzaam stolt het silicium en wordt er op deze manier een cilinder uit het bad getrokken.

De cilinder wordt dan in schijven gesneden door een zaag. Deze schijven worden 'wafers' genoemd. Iedere wafer is ongeveer een halve millimeter dik. De diameter van de wafer varieert nogal: van enkele centimeters tot enkele tientallen centimeters. Deze wafers worden gepolijst en worden verkocht aan chipfabrikanten en onderzoeksinstellingen. Deze kunnen meerdere chips maken in zo'n wafer. Op het einde worden dan de chips uit de wafer gezaagd.

Ontwerp

Over het ontwerpen van chips kan men boekenkasten volschrijven. Er bestaan chipontwerpen voor analoge elektronica en digitale elektronica en zelfs complete mechanische systemen worden op chips gemaakt. Inmiddels passen er miljarden transistors op één chip.

Chipontwerpers plaatsen natuurlijk niet transistor voor transistor op een chip in de wafer. Op de computer ontwerpen ze schakelingen. Computersoftware zet deze schakelingen dan om in een schakeling van transistors. Ook worden er verschillende schakelingen gecombineerd en aan elkaar aangesloten. Als het ontwerp van de chip klaar is wordt op de computer de hele wafer gevuld met dezelfde chip. En dit wordt uitgeprint op een 'masker'. Een masker is een glazen plaat met daarop het volledige ontwerp van de wafer in chroom. Zo'n masker lijkt veel op een dia: als je er licht door schijnt zie je de afbeelding.

Lithografie

Je voelt het al aankomen: de afbeelding op het masker moet worden overgezet op een wafer. Dat wordt gedaan met fotolithografie.

Eerst wordt er een laagje fotogevoelige lak op de wafer aangebracht, photoresist wordt dat genoemd. De wafer wordt geplaatst op een draaiende schijf en de photoresist wordt in het midden van de draaiende wafer gedruppeld. Op die manier verspreidt de photoresist zich uniform over het oppervlak. Er zijn verschillende soorten photoresist, maar vaak wordt er photoresist gebruikt die vloeibaar blijft als er licht op komt en hard wordt als er geen licht op komt. Het masker wordt op de wafer met photoresist gelegd en met een felle lamp wordt zo het patroon van het masker overgebracht. Dan wordt de wafer met photoresist met behulp van speciale chemicaliën ontwikkeld. Wat overblijft is een wafer met alleen de photoresist op de plekken waar het masker geen licht door liet.

Het plaatje staat nu als een soort foto in de photoresist op de wafer. Nu kunnen we, kort door de bocht, twee dingen doen: een stuk uit de chip halen (etsen) of een laagje materiaal aanbrengen (depositie).

Etsen

Er zijn erg uitlopende technieken voor het etsen. De meest gebruikelijke is zogenaamd 'nat etsen'. Bij nat etsen wordt de wafer met photoresist in een bad met etsmiddel ondergedompeld. Het etsmiddel reageert heftig met het silicium zodat het verdwijnt, maar minder heftig met de photoresist zodat deze als beschermlaag in tact blijft. Door langer te etsen worden er grotere geulen geëtst.

Depositie

Net zoals bij etsen zijn er voor depositie ook erg uiteenlopende technieken. Een veelvoorkomende manier is opdampen. De wafer wordt dan in een vacuüm kamer gebracht. In dezelfde kamer wordt een metaal (aluminium bijvoorbeeld) zo verhit dat het een gas wordt. Het gas vult de hele kamer. Omdat de wafer kouder is stolt het metaal op het oppervlak.

Nu is natuurlijk de hele wafer, zowel de photoresist als de kale plekken, bedekt met een laagje metaal. Door de photoresist te verwijderen blijven er alleen laagjes metaal over op de onbeschermde gebieden.

Chip

Bovenstaande stappen worden niet één keer gedaan, maar soms wel enkele tot tientallen keren. Op die manier worden er langzaam maar zeker allerlei ingewikkelde 3D-structuren gemaakt in en op de wafer. Er worden laagjes metaal toegevoegd, weer gaten in geëtst, weer andere laagjes toegevoegd, etcetera. Steeds weer met een nieuw masker.

Dan nog de laatste stap, het zagen in chips. Vaak wordt een diamantzaag gebruikt die langs de randen van de chips in de wafer zaagt. En dan zijn ze klaar. Hoewel, eigenlijk moet er dan nog een behuizing omheen. Meestal wordt er een keramische of plastic behuizing gebruikt om de chip hermetisch af te sluiten. Kleine draadjes lopen van de chip naar pinnen die de chip kunnen verbinden naar de buitenwereld.

Cleanroom

Al deze handelingen met zulke kleine onderdelen kun je niet zomaar in de open lucht doen. De onderdelen zijn zo klein dat het kleinste stofje al een enorm bombardement zal veroorzaken op de wafer. Daarom worden alle beschreven technieken in een zogenaamde cleanroom uitgevoerd. Dit is een speciaal laboratorium waar geprobeerd wordt alles stofvrij te houden. Door de lucht continu te filteren worden de stofdeeltjes opgevangen. De medewerkers in een cleanroom hebben speciale pakken aan om de stof van hun kleren en hun haren tegen te houden.

De technologie die gebruikt wordt voor het fabriceren van chips is erg geavanceerd. Het is niet voor niets dat bijvoorbeeld lithografie machines al snel in de tientallen miljoenen euro's lopen. Maar ook het onderhoud aan cleanrooms is erg duur. Alle technieken die hierboven zijn beschreven zijn in het echt nog veel uitgebreider en er bestaan nog vele andere technieken.

Lees verder

• De transistor, wat is dat nu eigenlijk?
• Hoe werken computers?
• Hoe werkt het internet?