Een chip maak je niet zomaar. Het begint bij zand en eindigt met transistoren (kleine schakelaars) van slechts enkele nanometers groot. Een bijzonder proces met hightech apparaten maakt ware kunstwerkjes. Twente is pionier in het ontwikkelen van nieuwe chiptechnologieën. Aan de Universiteit Twente bouwen ze die chips niet alleen, maar ontwikkelen ze ook nieuwe ontwerpen en verbeteren ze het productieproces.
Hoe maak je een chip?
Het maken van een computerchip gebeurt in een cleanroom, zoals die in het MESA+ NanoLab. Temperatuur, luchtvochtigheid, trillingen, stof en licht kun je daar perfect controleren. Een cleanroom is echt clean. In sommige delen van de cleanroom van de UT mogen maar maximaal 29 stofdeeltjes groter dan 5 micrometer per kubieke meter aanwezig zijn. Ter vergelijking, een zandkorrel is al gauw 100 micrometer.
Een microchip maken, gebeurt in principe in vijf stappen:
1. Wafers maken
Chips worden gemaakt op wafers. Een wafer is een dunne ronde plak vaak gemaakt van silicium. Het silicium dat nodig is voor de wafer haal je uit een heleboel zand. Een computerchip is een gigantisch netwerk van de allerkleinste schakelingen. Als je erop inzoomt, lijkt het op een soort stad met allerlei wegen en gebouwen.
2. Laagjes aanbrengen
Laag voor laag bouw je die stad op. Voor chips kunnen verschillende soorten materialen worden gebruikt. Deze materialen worden eerst op het oppervlak aangebracht en daarna in de juiste structuren gebracht met behulp van lithografie.
3. Lithografie
Met behulp van lithografie worden de aangebrachte laagjes tot de juiste vorm gesmeed. Dit gebeurt met behulp van een lichtgevoelig laagje. Een klodder van dit lichtgevoelige spul wordt op de wafer gespoten, waarna deze heel snel wordt rond gedraaid. Daardoor ontstaat een mooie egale laag. Een extreem geavanceerd apparaat schiet dan met UV-lasers door die lichtgevoelige laag.
“ Aan de Universiteit Twente gebruiken we voor deze stap een elektronenbundel. Deze techniek is makkelijker te opereren op de nanometerschaal, maar is te langzaam voor productie op grote schaal”, vertelt Reinier Cool. Als PhD student doet Cool onderzoek naar ‘brain-inspired computing’. Dit houdt in dat hij werkt aan een nieuw type chip, die geïnspireerd is op het brein.
“Klassieke computerchips zijn eigenlijk maar uit de hand gelopen rekenmachines. Zij gebruiken ontzettend veel stroom voor bepaalde toepassingen waar zij niet voor gemaakt zijn. Denk hierbij bijvoorbeeld aan kunstmatige-intelligentieprogramma’s zoals ChatGPT. Men schat dat het menselijk brein voor dit soort taken tot wel tienduizend keer minder stroom gebruikt. Ons doel is om, geïnspireerd om het menselijk brein, computerchips ook zo efficiënt te maken voor dit soort toepassingen. Hiermee hopen we kunstmatige intelligentie een stukje duurzamer te maken”, vertelt Cool.
De laser of elektronenbundel moet heel precies aangestuurd worden. Enkele nanometers naast het doel zijn al voldoende om de chip kapot te maken. Door de lichtgevoelige laag te beschieten blijft een masker over, dat het aangebrachte laagje zal beschermen tegen de komende stap: etsen.
4. Etsen
De onnodige delen van het aangebrachte laagje worden weggehaald. Ook dat moet heel precies. In deze stap – etsen genoemd – wordt het patroon van de microchips zichtbaar. Hierna wordt het lichtgevoelige materiaal weer weggehaald.
5. Geleidend materiaal toevoegen
Aangezien het silicium van de wafer elektriciteit niet perfect geleidt, maar ook niet perfect blokkeert, moet de chip nog bedekt worden met materialen die de stroom precies in de juiste richting laten stromen. Het lithografie proces wordt per laagje herhaald waarbij in alle kanaaltjes straks het geleidende materiaal komt dat de microchip moet worden.
6. Verpakken
Als laatste stap moeten het nog individuele chips worden zoals je ze herkent in je telefoon. Met een diamanten zaag worden de chips uit de wafer gehaald. Een speciaal dekseltje met een koelvloeistof zorgt ervoor dat de chip niet te warm wordt en goed beschermd blijft.
Sommige van deze stappen duren erg lang. In totaal kan het hele proces wel drie maanden duren. Daarnaast gaan de ontwikkelingen in de chiptechnologie zo rap dat tegen de tijd dat een nieuwe chip van de lopende band rolt, deze al is ingehaald door een nieuwe innovatie. Bovendien er ook een tekort is aan hoogopgeleid personeel dat chips kan ontwerpen en de hightech machines kan bedienen. Dan snap je wel waarom het tekort aan computerchips niet zomaar is opgelost.
