Hoe worden chips gemaakt? Miljardenindustrie onder de loep

We gaven al eerder aan dat de industrie steeds zoekt naar manieren om chips kleiner te maken en daar hoe langer hoe meer moeite mee heeft. Laten we eerst kijken waarom het gewenst is om steeds kleinere transistors te maken en dan waarom dat steeds lastiger wordt.

Een transistor werkt met een channel tussen een source en een drain, een kanaal tussen de in- en uitgang dus. In uitgeschakelde toestand geleidt het channel niet, en vloeit er geen stroom tussen source en drain. Om dat te veranderen, moet er een kleine spanning op de gate-elektrode gezet worden. Die trekt, afhankelijk van het type transistor, positieve of negatieve lading naar het channel en maakt dit geleidend. Hoe groter dat channel is, hoe meer lading nodig is om het voldoende geleidend te maken. Een kleinere transistor is dus niet alleen zuiniger doordat er minder stuurstroom nodig is voor het channel, hij kan ook sneller schakelen doordat het channel sneller kan worden gevuld. Er zijn n-type transistors in een chip en p-type, met respectievelijk een overschot aan negatieve lading en met een overschot aan positieve lading. De dotering van het silicium dicteert welk type gemaakt wordt.

Bovendien kun je natuurlijk simpelweg meer transistors op een chip kwijt als ze kleiner zijn. Volgens de Wet van Moore verdubbelt het aantal transistors in een schakeling ruwweg elke twee jaar. Met meer transistors kun je meer rekenen en worden je processors of andere chips krachtiger.

Kleiner betekent echter ook lastiger. Als transistors kleiner worden, blijft er minder materiaal over om actief te zijn. Zo wordt het channel kleiner, waardoor er minder ruimte voor elektronen overblijft. Voor de gate is dit probleem nog groter en met de nieuwste processorgeneraties wordt het aantal elektronen zelfs telbaar en blijven er slechts tientallen elektronen over om het channel aan te sturen.

Voor kleinere transistors moet de lithografiestap natuurlijk ook kleiner; je moet immers kleinere structuren in de fotoresist belichten. Het licht op een kleiner puntje laten samenkomen met betere lenzen is daarvoor een optie, maar lenzen kunnen niet oneindig verkleinen. Een trucje om iets verder te verkleinen is immersielithografie. Immersie, een mooie manier om te zeggen dat tussen lens en wafer een druppel vloeistof wordt gebruikt. Dat zorgt ervoor dat er meer licht de wafer kan bereiken, omdat door gebruik van vloeistof in plaats van lucht minder interne reflectie in de lenzen optreedt. Met water verhoogt de brekingsindex van 1,0 voor lucht naar 1,44 voor water bij gebruik van licht met een golflengte van 193nm. Met het gebruik van speciale vloeistoffen kan dat verder verhoogd worden naar ongeveer 1,8. Alle moderne chips worden momenteel gemaakt met 193nm-immersielithografie. De kleinste features die zo met een enkele belichting gemaakt kunnen worden, komen op ongeveer 40nm.

Die kleinste features, ook wel de half pitch of critical dimension genoemd, kunnen nog kleiner gemaakt worden door wafers extra te belichten om preciezere structuren te maken of door licht met een kleinere golflengte te gebruiken. Dat eerste wordt met onder meer computational lithografie bewerkstelligd. Daarbij worden structuren niet direct door het masker gedicteerd, maar wordt gebruikgemaakt van verschijnselen als interferentie van het licht. Ook wordt de breking van het licht precies gemodelleerd door een computer, zodat exact kan worden voorspeld hoe het licht wordt gebroken in de lenzen en de fotoresist.

Een veelbesproken andere optie is gebruikmaken van een andere lichtbron. Aangezien de kleinste feature size, vaak ook critical dimension genoemd, direct afhankelijk is van de gebruikte golflengte, zijn we in het verleden overgestapt van kwiklampen met golflengten van 436 en 365nm als lichtbron naar de huidige 193nm, afkomstig van lasers. De volgende stap bestaat uit nog kortere golflengten en dan wordt het licht extreem ultraviolet genoemd. Dat blijkt bijzonder lastig te implementeren, maar langzaam maar zeker komt euv-lithografie in zicht.

ASML euv-machine Euv-lithografie maakt gebruik van euv-licht met een golflengte van ongeveer 13,5nm. Zou het hele optische stelsel hetzelfde blijven, bij dezelfde brekingsindices en aperturen, dan zou euv tien keer zo kleine structuren kunnen maken als deep uv-lithografie zoals die nu wordt ingezet. Uv-licht wordt echter door vrijwel alle materialen geabsorbeerd, waardoor het richten van het licht veel lastiger is. Zeiss, dezelfde fabrikant die voor ASML de 193i-lenzen maakt, produceert ook de euv-lenzen. Dat zijn dan echter reflecterende 'lenzen' in de vorm van parabolische spiegels, omdat euv anders simpelweg door de lenzen geabsorbeerd zou worden. Bovendien moet het hele proces in een vacuüm plaatsvinden, waardoor het verder wordt bemoeilijkt. Ten slotte is de lichtbron voor euv-lithografie minder krachtig dan die voor 193nm-lithografie, maar is er veel meer stroom voor nodig. Dat leidt weer tot een lagere waferdoorvoersnelheid dan immersielithografie, maar ook daarvoor gloort licht aan de horizon; de waferproductie komt langzaam in de buurt van rendabele hoeveelheden.