We schrijven op Tweakers regelmatig over de nieuwste chipproductietechnieken van bedrijven als TSMC, Samsung en Intel. Die drie bedrijven staan voorop bij het steeds kleiner maken van zogeheten transistors, die de basis van een chip vormen. Hoe kleiner de transistor, hoe meer er in een chip passen. En hoe meer er op een chip passen, hoe sneller die wordt.
Waar we minder aandacht aan besteden, is hoe die chips daadwerkelijk gemaakt worden. Toch is het productieproces van chips enorm interessant. Bij het maken van een moderne chip komen honderden stappen kijken. Het duurt bovendien maandenlang voordat zo'n chip klaar is voor gebruik. In dit artikel duiken we in de wondere wereld van chipproductie. We beschrijven hoe een chip begint als een hoopje zand en eindigt in jouw pc, console of smartphone.
Wat is een chip?
Eerst in het kort: wat is een chip überhaupt? Als je inzoomt op bijvoorbeeld de processor in je telefoon, laptop of pc, dan zul je een combinatie van een hele hoop schakelaartjes zien: transistors. Deze transistors hebben twee standen: uit en aan. Een computer begrijpt die standen respectievelijk als ‘0’ en ‘1’. Een enorme verzameling van die transistors, vaak miljarden, vormt samen de basis voor je chip.
Transistors bestaan uit een aantal componenten. Je hebt een kanaaltje van silicium, dat stroom kan vervoeren tussen een source en een drain. Boven op het kanaal zit een soort poort: de gate. Die gate regelt de stroomdoorvoer. Als er een bepaalde spanning op de gate wordt gezet, dan wordt het kanaal geleidend en loopt er stroom tussen de source en de drain. De transistor staat dan aan. Als de spanning van de gate af wordt gehaald, dan wordt het kanaal juist isolerend en kan er geen stroom meer naar de drain toe lopen. De transistor staat dan uit.
Heel simpel gezegd: hoe meer van die transistors, hoe sneller je chip. Op een moderne chip vind je er tientallen miljarden. Het mag dan ook duidelijk zijn dat ze steeds kleiner worden. Tegenwoordig meten we transistors in nanometers. Ter illustratie: een nanometer is 0,000001 millimeter en de diameter van een hoofdhaar is ruim 30.000 nanometer.
Let wel: de termen die je geregeld hoort bij chipfabrikanten, zoals '3 nanometer', hebben weinig meer te maken met de daadwerkelijke afmetingen van transistors. Ze zijn in de praktijk nog een stukje groter. Het zijn voornamelijk marketingnamen die gebruikt worden om nieuwe chipgeneraties aan te duiden. Bovendien kun je ze ook niet gebruiken om procedés van chipmakers te vergelijken. Wat de ene fabrikant 3nm noemt, kan heel anders zijn dan de 3nm-chips van een andere chipmaker.
Dat gezegd hebbende: ze mogen dan misschien niet daadwerkelijk 3nm zijn, maar transistors worden wel echt steeds kleiner. Tegenwoordig kun je miljarden transistors in een chip ter grootte van een vingertop stoppen. Je zult begrijpen dat het niet makkelijk is om zoveel transistors in een klein oppervlak te proppen.
De fundering van een chip: de wafer
Het chipproductieproces begint bij de wafer, een ronde schijf waar de chip bovenop wordt gemaakt. Je kunt dat zien als de fundering waar een wolkenkrabber op gebouwd wordt. De wafer is de onderkant, en tijdens het chipproductieproces wordt laagje voor laagje een volwaardige chip in de steigers gezet.
Wafers zijn gemaakt van silicium, een veelvoorkomende grondstof die je bijvoorbeeld in zand vindt. Silicium is een zogeheten ‘halfgeleider’. Je kunt die term vrij letterlijk nemen: het materiaal is een soort tussenstap van een geleider (die elektrische stroom kan vervoeren) en een isolator (die elektriciteit juist tegenhoudt). Dat betekent dat de elektrische eigenschappen van silicium beïnvloed kunnen worden; het materiaal kan zowel geleidend als isolerend werken. Ideaal voor een chip met transistors die voortdurend in- en uitgeschakeld moeten worden, via de eerdergenoemde source en drain.
:strip_exif()/i/2007287792.jpeg?f=thumblarge)
Bron: johnrandallalves / Getty Images
Om de wafers te produceren, wordt silicium dus verkregen uit zand. Daarvoor wordt een speciaal type zand gebruikt: silicazand, met een hoog percentage aan silicium. Dat wordt uitgebreid gezuiverd, gesmolten en gekristalliseerd tot een grote staaf. Die staaf wordt vervolgens in dunne plakjes gesneden: de wafers. Het oppervlak van die wafers is na het snijden nog ruw en bevat defecten; ze worden daarom gepolijst en schoongemaakt met chemicaliën om dat op te lossen, zodat ze een goede basis voor de chip vormen.
Wafers worden gemaakt in verschillende maten, maar de grootste en meest veelvoorkomende hebben een diameter van 30 centimeter, ongeveer de omvang van een pizza. Op de schijven worden meerdere chips tegelijkertijd gemaakt. Hoeveel dat er per wafer zijn, hangt af van de chip: sommige chips, bijvoorbeeld die voor smartphones, zijn relatief klein: de chip in de nieuwste iPhone is bijvoorbeeld 90mm². Daarvan passen er honderden op een wafer. De grootste chips, zoals de AI-chips van Nvidia, kunnen een oppervlak tot wel 858mm² per stuk beslaan; daarvan passen enkele tientallen op een wafer.
Oxidatie: een beschermlaagje voor de chip
De wafer is dus de fundering van de chip. Maar met alleen een wafer ben je er nog niet. Er zijn nog flink wat stappen nodig voordat je eindigt met een werkende chip. Er moeten veel lagen worden aangebracht op de wafer, waar patroontjes in worden geëtst. Dat alles wordt meerdere keren herhaald: een moderne chip bestaat uit tientallen lagen, en het opbouwen van die laagjes gebeurt stap voor stap. Om die laagjes op te bouwen, worden gaandeweg materialen toegevoegd aan de wafer. De methode daarvoor hangt af van het materiaal.
Een methode daarvoor is oxidatie. Daarmee ‘groeit’ een materiaal genaamd siliciumdioxide op het oppervlak van de wafer, net zoals roest op ijzer groeit. Siliciumdioxide werkt als een soort isolerende laag, die bijvoorbeeld voorkomt dat er stroom weglekt naar andere delen van de chip. Bovendien beschermt het de onderliggende wafer tegen schade tijdens het productieproces.
Er zijn meerdere manieren om de wafer te oxideren. De wafer wordt in ieder geval verhit, vaak tussen de 800 en 1200 graden Celsius. De wafer wordt vervolgens blootgesteld aan zuurstof (droge oxidatie) of waterdamp (natte oxidatie). De zuurstof of waterdamp reageert op het oppervlak van de wafer, waardoor het laagje siliciumdioxide ontstaat.
Bij droge oxidatie vormt het siliciumdioxide zich wat langzamer, waardoor die optie vooral geschikt is om dunne oxidatielaagjes mee te maken. Bij natte oxidatie gaat dat sneller, en is deze optie dus bedoeld voor dikkere lagen.
/i/2007254496.png?f=imagenormal)
Depositie: laagjes aanbrengen met gas of damp
Je kunt ook laagjes toevoegen met een proces genaamd thin film deposition, kortweg depositie. Daarbij worden materialen op de wafer 'geplakt'. Dat kunnen verschillende soorten materialen zijn. Denk aan metalen, isolators of juist halfgeleiders. Welk type materiaal precies wordt aangebracht, hangt af van het doel van de laag.
Er zijn meerdere methodes voor depositie. Een van de opties is chemical vapor deposition, ook wel cvd. Zoals de naam al doet vermoeden, wordt hiermee een laagje op de wafer aangebracht met een chemische reactie. Daarbij worden één of meer gassen samengevoegd in een machine, vaak onder vacuüm. Deze worden verhit, waarna ze op elkaar reageren. Die chemische reactie vormt een nieuw materiaal, dat uiteindelijk neerslaat op het oppervlak van de wafer. Zo ontstaat het nieuwe laagje.
Physical vapor deposition (pvd) is ook een optie. Materialen worden daarmee op de wafer aangebracht, zonder dat daarbij een chemische reactie komt kijken. Vroeger gebeurde dat door een materiaal te verdampen en aan te brengen op de wafer. Tegenwoordig wordt vaak gebruikgemaakt van een fenomeen genaamd 'sputteren', aangezien dat preciezer is. Kort gezegd: met sputteren wordt een materiaal naar keuze gebombardeerd met energie, waardoor moleculen loskomen. Die moleculen slaan neer op het oppervlak van de wafer en blijven onder de juiste omstandigheden permanent plakken.
Welke methode ook wordt gebruikt: het eindresultaat is een nieuw, dun laagje materiaal op de wafer. Met die nieuwe laag is de wafer klaar voor de volgende stap in het productieproces.
Fotolithografie: chipontwerpen printen met licht
Die volgende stap is fotolithografie. Tijdens dat proces wordt een deel van het chipontwerp op het nieuwe laagje geschreven. Dat gebeurt door dat ontwerp erop te 'projecteren' met licht, als een soort dia. Daarvoor wordt eerst een vloeibare, lichtgevoelige lak op de wafer gespoten. Die lak wordt ook wel de 'fotoresist' genoemd. De wafer wordt vervolgens zachtjes gebakken, waardoor de fotoresist hard wordt.
Als dat is gebeurd, gaat de wafer de lithografiemachine in. Deze bestaat uit een lichtbron (vaak een laser), een ‘masker’ (de blauwdruk met een deel van het chipontwerp) en de optiek (een soort lenzen). Binnenin de machine gebeurt het volgende: de lichtbron maakt licht, en dat licht gaat door het masker heen. Daardoor wordt het patroon op het masker min of meer 'vastgelegd' in het licht. De optiek stelt dat patroon vervolgens scherp, waarna het op de fotoresist terechtkomt.
Wanneer dat gebeurt, ontstaat een chemische reactie op de delen van de fotoresist die licht opvangen. Er wordt vervolgens een oplosmiddel toegevoegd, dat deze delen wegspoelt. Zo blijft de blauwdruk van het masker over. Daarna wordt de wafer op een hogere temperatuur gebakken. De blauwdruk is op deze manier permanent in de fotoresist geschreven. In de volgende stap wordt dat patroon overgebracht op de wafer zelf.
Maar eerst wat extra context: lithografie is een van de belangrijkste stappen in het chipproductieproces. Het bepaalt namelijk voor een groot deel hoe klein chipfabrikanten de transistors kunnen maken. De 'resolutie' daarvoor wordt bepaald met de formule van Rayleigh.
Deze formule kijkt onder andere naar de lichtbron. Hoe korter de golflengte van het gebruikte licht, hoe kleiner de lijntjes die je kunt afbeelden tijdens de lithografiestap. Dat wordt bijgestaan door de 'numerieke apertuur', die bepaalt hoeveel licht de lenzen kunnen opvangen en scherpstellen. Dan is er nog de zogeheten 'k1-factor', die afhankelijk is van veel andere factoren in het chipproductieproces.
Het bekende Nederlandse bedrijf ASML houdt zich voornamelijk bezig met lithografiemachines en is daarin de marktleider. ASML is de enige die zogeheten 'euv'-machines kan maken, die zich onderscheiden met de lichtbron. Euv-licht heeft een golflengte van 13,5nm, veel korter dan dat van voorgaande lithografiemachines. ASML's euv-techniek is daarom onmisbaar voor het maken van de nieuwste en geavanceerdste chips. Tweakers interviewde eerder voormalige ASML-cto Martin van den Brink over de opmaat naar euv en de obstakels die bij euv kwamen kijken.
:strip_exif()/i/2007254450.jpeg?f=imagenormal)
Etsen: structuurtjes overbrengen op de wafer
Zoals hierboven beschreven, wordt met lithografie een patroon in de fotoresist geschreven. Maar dat ontwerp moet vervolgens nog op de wafer zelf terechtkomen. Dat gebeurt door middel van etsen. Daarbij worden de delen van de wafer die zijn blootgesteld onder de fotoresist weggehaald, terwijl de delen die beschermd zijn onder de fotoresist juist overblijven. Je kunt dat zien op de illustratie een paar alinea's hieronder.
Ook bij deze productiestap zijn er meerdere wegen die leiden naar Rome. In het geval van etsen zijn er twee methoden: 'nat' en 'droog' etsen. Bij de natte methode worden vloeibare etsmiddelen − bijvoorbeeld zuurmiddelen − op de wafer gespoten. De rest spreekt voor zich: het etsmiddel komt terecht in het patroontje op de fotoresist, die dient als een soort stencil. Zo wordt dat patroon als het ware in de wafer 'gespoeld'.
:fill(white):strip_exif()/i/2007284934.jpeg?f=thumblarge)
Nat etsen is relatief simpel, maar niet bepaald precies. Zuurmiddelen 'bijten' immers alle kanten op. Het kan daardoor voorkomen dat stukjes die zijn afgeschermd door de fotoresist, alsnog worden weggespoeld bij nat etsen. Een voorbeeld daarvan is hiernaast zichtbaar. In sommige gevallen is dat wenselijk, maar nat etsen is dus minder geschikt voor het etsen van hele strakke lijntjes met rechte hoeken.
Droog etsen is een stuk nauwkeuriger, wat dat betreft. Bij die methode wordt gebruikgemaakt van gas om blootgestelde delen van de wafer weg te etsen. Er worden gassen in de etsmachine gevoerd en onder vacuüm gezet. Die gassen krijgen vervolgens een elektrische lading, waardoor 'plasma' ontstaat. Dat plasma wordt op de wafer afgevuurd en verwijdert delen van de waferlaag. Dat is een stuk preciezer dan nat etsen en daarmee geschikt om kleine transistordeeltjes en rechthoekige structuren aan te brengen. Deze methode vereist wel duurdere, complexere apparaten en vergt meer tijd dan nat etsen.

Ion implantation: geleiding beïnvloeden met ionen
Met de etsstap is de structuur voor de chiplaag afgerond, maar dan nog is het werk niet compleet. De overgebleven lagen moeten nog elektrische eigenschappen krijgen. Zoals we net al uitlegden, heeft een transistor een source en een drain. Als een transistor aangaat, loopt er stroom van de source naar de drain toe.
Om dat mogelijk te maken, krijgen delen van de transistor een positieve of juist negatieve lading. Dat wordt bereikt door middel van 'doping', ook wel doteren. Het klinkt averechts, maar met deze stap worden bepaalde onzuiverheden in de waferlaag gestopt. Die onzuiverheden voegen positieve en negatieve ladingen toe aan de transistor.
Tegenwoordig wordt hiervoor vaak een proces genaamd ion implantation gebruikt. Om dit te bereiken, wordt de wafer gebombardeerd met ionen van een bepaald materiaal. Die raken de wafer en nestelen zich onder het oppervlak. Afhankelijk van het gebruikte materiaal, krijgt de laag dan een positieve of negatieve lading. Voor een positieve lading wordt vaak boor gebruikt, terwijl voor een negatieve lading vaak ionen van fosfor, arseen of antimoon in de wafer worden geschoten.
Zo hebben we bijna het einde van het proces bereikt. Er resteren nog slechts een paar stappen, waaronder een reparatieproces. Het bombardement met ionen beschadigt het oppervlak van de wafer namelijk. Om dat te herstellen, wordt een proces genaamd annealing gebruikt. De wafer wordt dan verhit tot een specifieke, hoge temperatuur in een bepaalde atmosfeer. Het kan bijvoorbeeld gebeuren in een machine met een atmosfeer die is gevuld met waterstof en een temperatuur van boven de 1000 graden Celsius, om een voorbeeld te noemen.
:strip_exif()/i/2007287762.jpeg?f=imagenormal)
En dat alles weer opnieuw
En zo gaan we verder. De fotoresist wordt van de wafer afgehaald, waarna de wafer klaar wordt gemaakt om opnieuw het hierboven uitgelegde productieproces te doorlopen. Iedere keer opnieuw wordt een laagje materiaal toegevoegd, waarop een nieuw patroontje wordt geschreven met fotolithografie en de etsmachines, die worden 'geactiveerd' met ion implantation, en ga zo maar door.
:fill(white):strip_exif()/i/2007284560.jpeg?f=thumblarge)
transistor, daarboven de 'metalen draden'.
Bron: SK hynix
Dat gebeurt zo vaak als nodig is. Iedere keer dat het bovenstaande proces wordt doorlopen, groeit de chip laagje voor laagje. Eerst worden de transistors zelf op deze manier opgebouwd. Als alle transistorlaagjes gemaakt zijn, vindt de 'metallisatie' plaats. Daarbij worden metalen draadjes op de wafer gemaakt. Zo wordt uiteindelijk een complex netwerk van metalen 'draden' gevormd, die de transistors met elkaar verbinden, zoals hiernaast zichtbaar is.
Gedurende het productieproces wordt de wafer ook meermaals schoongemaakt en geïnspecteerd op productiefouten. Ook wordt de wafer bij iedere laag opnieuw opgemeten. Met die metingen wordt ervoor gezorgd dat de nieuwe laag goed aansluit op de vorige. Als een nieuwe laag scheef boven op de oude wordt gemaakt, dan eindig je immers met niet-werkende of suboptimale chips.
Zoals we al schreven: een moderne, geavanceerde chip bestaat uit tientallen laagjes, dus dit hele proces kan even duren: een wafer kan zo drie maanden of langer door een chipfabriek rollen voordat deze klaar is voor de volgende stap: packaging.
Packaging: de chips beschermen en geschikt maken voor gebruik
'Packaging' is misschien niet wat je verwacht. Het heeft namelijk niets te maken met de kartonnen doos die om je nieuwe processor of videokaart zit, maar draait om het gereedmaken van de chips voor gebruik. Een wafer vol met chips is immers nog nutteloos. De chips zijn kwetsbaar en hebben nog geen manier om daadwerkelijk contact te maken met het apparaat waarin ze worden gebruikt. Daarom worden ze eerst 'verpakt'.
Eerst moeten de losse chips natuurlijk losgesneden worden uit de wafer. Dat gebeurt bijvoorbeeld met een diamanten zaag of een laser en vereist natuurlijk hoge precisie om schade te voorkomen. De chips worden ook geïnspecteerd op schade die tijdens het chipproductieproces is ontstaan. Chips maken is, zoals je hierboven hebt kunnen lezen, enorm precisiewerk en een ongeluk zit in een klein hoekje: een vuiltje op het masker of de wafer kan al schade veroorzaken. Het kan dan ook gebeuren dat een chip minder goed of zelfs helemaal niet werkt.
:strip_exif()/i/2007289594.jpeg?f=imagenormal)
Tijdens het proces van electrical die sorting worden de chips gesorteerd. De chips die het beste werken, worden geselecteerd en verkocht als premiumproduct. Chips die helemaal niet werken, worden weggegooid. Chips die minder goed werken, kunnen alsnog nuttig worden in goedkopere producten. Denk aan een Intel Core i3-processor ten opzichte van een Core i9.
Na dit proces wordt de chip daadwerkelijk verpakt. Zo'n package bestaat doorgaans uit een onderlaag (een substraat of carrier) en een heatspreader. De package beschermt de chip tegen schade en zorgt ervoor dat de chip daadwerkelijk kan communiceren met andere delen van een systeem, zoals een pc, laptop of smartphone.
De chip wordt eerst verbonden met het substraat, bijvoorbeeld door dunne draadjes (wirebonding), of door de hele chip om te draaien en direct boven op het substraat te bevestigen met soldeerbolletjes (de flipchipmethode). Die draadjes of soldeerbolletjes dienen als een soort interface, die ervoor zorgen dat de chip daadwerkelijk kan communiceren met het apparaat waarin deze wordt gebruikt.
:strip_exif()/i/2007289566.png?f=thumblarge)
Om de chip te beschermen tegen schade, wordt er vervolgens nog een beschermlaag boven op de chip geplaatst. Dat kan bijvoorbeeld een soort hars zijn, die de chip inkapselt. Een ander voorbeeld is een metalen heatspreader, zoals je die misschien wel kent van je processor.
Als je wel eens een desktop-cpu hebt vastgehouden, dan heb je het eindresultaat van het packagingproces in handen gehad; de chip zit geplaatst op een klein printplaatje, met aan de onderkant contactpuntjes of pinnen die je in een moederbord stopt. Hieronder zie je bijvoorbeeld een Ryzen 9 9950X-processor van AMD, met links de complete cpu, inclusief heatspreader. Rechts daarvan zie je de processor zonder heatspreader, waarbij drie verschillende chips op het substraat zitten gemonteerd.
:strip_exif()/i/2006818672.jpeg?f=imagenormal)
Packaging is een vak apart, en steeds vaker een methode om meer prestaties uit chips te persen. Chipmakers combineren bijvoorbeeld meerdere chips binnen een enkele package. AMD doet dat met zijn Ryzen-cpu's, zoals ook hierboven is te zien. Intels processors worden opgesplitst in losse blokjes sinds de Meteor Lake-cpu's uit 2022. Nvidia's Blackwell-chip voor datacenters bestaat eigenlijk uit twee 'aan elkaar geplakte' gpu's. En noem zo maar op.
Chipmakers passen steeds meer trucjes toe om chips samen te voegen. Er zijn manieren gevonden om ze steeds dichter op elkaar te plaatsen, wat de snelheid ten goede komt. Chips kunnen tegenwoordig zelfs boven op elkaar worden geplakt. Ben je daar benieuwd naar? Tweakers schreef eerder een achtergrondverhaal over chiplets en de methoden om meerdere chips samen te verpakken.
Hoe dan ook: na het packagingproces is de chip klaar voor gebruik en eindigt deze in een apparaat. Het mag duidelijk zijn dat chipproductie een topsport is. De chip in je telefoon of computer heeft een maandenlange reis doorgemaakt. Tijdens die reis is hij beschoten met extreem krachtig licht, verhit tot enorm hoge temperaturen, blootgesteld aan zuurmiddelen en gebombardeerd met energie. En dat alles is de reden dat je het internet kunt bezoeken, video's op YouTube kunt kijken, games kunt spelen en dit artikel kon lezen.
Bannerafbeelding: SweetBunFactory / Getty Images