Als de auto dezelfde ontwikkeling had doorgemaakt als de chip dan kostte hij nu vijf cent. De micro-elektronica maakt een tweede revolutie door. Na de Europese crisis in de chip-wereld van vijf jaar geleden, dreigt er nu juist een groot tekort aan micro-elektronici.
Kortom, een gouden toekomst voor de ingenieurs van onderzoekschool Dimes, het Delft Institute of Microelectronics and Submicrontechnology. Deze riante toekomst is bij velen niet bekend. Wetenschappelijk directeur prof.dr.ir. P.M. Dewilde hoopt met een publiciteitscampagne veel studenten voor zijn vak enthousiast te maken.
,,Goedkoop is the name of the game”, zegt Dewilde, die al vanaf de oprichting in 1987 bij Dimes is, sinds 1993 als wetenschappelijk directeur. ,,Alles moet goedkoper en sneller. Het heeft geen zin om na te denken over of de mensen wel zitten te wachten op de draadloze tv-pc-telefooncombinatie. Die komt er gewoon. De vraag is alleen wie maakt het. En de slimste verkoopt het.”
Bovendien is de microtechnologie een vakgebied waarin de techniek in belangrijke mate bepaalt welk produkt er in de winkel ligt, niet in de eerste plaats de marketing. ,,Door de grote drang naar integratie van meerdere functies op één chip, zijn de componenten op zichzelf eigenlijk ook al systemen aan het worden. Philips is momenteel toonaangevend in de wereld op het gebied van het integreren van meerdere functies op één chip.”
Het heeft er wel eens minder rooskleurig uitgezien voor de micro-elektronica in Nederland. Vijf jaar geleden ging het niet best in Europa en de USA, schreef Dewilde in het Dimes jaarverslag van 1994. ,,De voorspelde vraag naar produkten in eind jaren tachtig bleef uit en de industrie zat met een overcapaciteit”, licht hij toe. ,,De media speculeerden dat de Europese markt, die nu zo’n tien procent van de wereldmarkt uitmaakt, geheel overgenomen zou worden door de Aziatische markt. Ook Philips zag zich toen voor een acute overcapaciteit geplaatst. Onder leiding van Timmer is het personeel in 1993 drastisch ingekrompen en men heeft zich meer geconcentreerd op de core-business, namelijk slim ontwerpen van componenten en chips-sets.”
Wereldomzet
Inmiddels is de trend volledig omgekeerd. De voorspelde groei van de micro-elektronicasector blijkt in de jaren negentig alsnog te komen. En zelfs een nog veel grotere groei dan verwacht. In de sector (die tot 1995 gegroeid is tot een wereldomzet van ruim 111 miljard dollar) wordt in het jaar 2000 meer dan een verdubbeling tot een wereldomzet van ongeveer 273 miljard dollar verwacht.
Dewilde schat dat Philips nu eenderde tot de helft van de Europese chips produceert en van een aantal belangrijkesoorten zelfs de wereldproduktie heeft. Het bedrijf heeft zich volgens Dewilde ten doel gesteld meer te groeien dan de markt om zo haar aandeel te vergroten. Nu dreigt Philips een tekort aan ingenieurs te krijgen. ,,Het personeel van de vestiging in Nijmegen moet binnenkort verdubbelen”, voorspelt hij. ,,Dat betekent dat ruim honderd nieuwe ingenieurs in dienst genomen moeten worden.”
De samenwerking tussen Dimes en Philips is nauw. Naast ingenieurs levert Dimes als onderzoekschool een deel van de wetenschappelijke kennis en technieken die nodig zijn voor het maken van de consumentenprodukten die Philips op de markt brengt. Het dreigende tekort aan ingenieurs bij Philips was voor Dimes een belangrijke reden om publiciteit te zoeken, want onbekend maakt nog altijd onbemind. Als grootste micro-elektronica onderzoekschool is Dimes Nederlands grootste leverancier van micro-elektronica-ingenieurs.
In het kader van die campagne zoekt Dimes de aandacht van een groot aantal landelijke media om de belangrijkste prestaties van de onderzoekschool van de laatste tien jaar onder de aandacht te brengen. Een greep: de kleurgevoelige chip die voor medische doeleinden gebruikt kan worden, de moduleerbare spiegelchip die bruikbaar is voor beeldverbetering in telescopen, de twee dimensionale flowsensor die wind kan meten, de hoekmeter-chip en de WDM (wave division demultiplexer)-chip, bedoeld om optische signalen te routeren op de Information Highway. (Op de volgende pagina’s meer informatie over deze chips.)
Integratie
Bij het gereed maken van de chip voor gebruik komt meer kijken dan alleen de fabricage van de chip zelf. Vooraf is veel onderzoek nodig aan eigenschappen van materialen en achteraf is veel elektronica nodig bij de verwerking van chipgegevens.
De onderzoekschool Dimes is dan ook een samenwerkingsverband tussen zes vakgroepen van de faculteit Elektrotechniek en drie vakgroepen van Technische Natuurkunde. Van Elektro komen telecommunicatie en tele-observatietechnologie, elektronica, elektronische instrumentatie, elektronische techniek, elektronische componententechnologie en materialen en netwerktheorie. Van Natuurkunde: deeltjesoptica, theoretische natuurkunde en vaste stof. Alle werknemers zijn in dienst van een vakgroep en besteden een vast deel van hun tijd aan Dimes-projecten. In 1994 werkten ruim honderd afstudeerders aan Dimes-projecten en voltooiden 26 promovendi hun onderzoek.
Deze integratie van vakgebieden is het bijzondere aan Dimes. Prof.dr. C.I.M. Beenakker: ,,Iedereen heeft elkaar nodig. De chemicus kan niet zonder de fysicus en vice versa en beiden kunnen niet zonder elektrotechnici.” In teamverband werken ze aan een produkt en aan de verwezenlijking van de Dimes-missie die in het jaarverslag staat: ,,te voorzien in een academisch ‘centre of excellence’in micro-elektronica”.
Het recept voor chips
Wie micro-elektronica zegt, heeft het in de eerste plaats oversiliciumtechnologie, want die is al het verst ontwikkeld. ,,Negenennegentig procent van de chips op de wereld zijn in silicium uitgevoerd”, zegt prof.dr. C.I.M. Beenakker, voorzitter van de vakgroep elektronische componenten technologie en materialen en werkzaam voor Dimes. Hij verklapt het recept voor de Dimes-chip.
Dewilde: ,,Dimes is een echte siliciumtent. In tegenstelling tot bijvoorbeeld Mesa en Cobra, de micro-elektronica-onderzoekscholen van Twente en Eindhoven, die complementair onderzoek doen aan andere materialen dan silicium.” Dimes maakt naast chips ook zonnecellen, displays en elektronische microsystemen met de siliciumtechnologie.
Silicium (afgekort Si) heeft diverse voordelen. Behalve dat het goedkoop en ruim voorhanden is (Si is een belangrijk bestanddeel van zand en glas en is op zuurstof na het belangrijkste element in de aardkorst), bezit het ook bijzondere geleidingseigenschappen die onmisbaar zijn voor het maken van chips.
Bij chips gaat het er namelijk om zoveel mogelijk transistoren van allerlei soorten op een klein oppervlak aan te brengen. Op die manier kunnen vele schakelingen gemaakt worden. Transistoren zijn gemaakt van halfgeleiders: materialen die slechts stroom doorlaten als ze zich in een licht elektrisch veld bevinden. Si is zo’n een halfgeleider en wel een die ook makkelijk meer en minder geleidend te maken is door het te mengen met andere stoffen zoals fosfor, boor en arseen. Het oxide van Si, SiO2, daarentegen is een perfecte isolator die halfgeleidende gebiedjes weer van stroom afschermen.
Putjes
Chips bestaan dus uit vele laagjes van diverse materialen, die alle verschillen in de mate waarin ze elektronen (stroom) doorlaten. De hele technologie draait om het zeer nauwkeurig aanbrengen (groeien, sputteren) van die laagjes, het weg-etsen van patronen, het aanbrengen van putjes in lagen en het weer opvullen met ander materiaal. ,,Eigenlijk zijn micro-elektronici niets anders dan veredelde zandkastelenbouwers”, zegt Dewilde.
Het maken van een chip begint bij het geschikt maken van zand. Tegenwoordig zijn er fabrieken die zich helemaal toeleggen op het omzetten van de grondstof tot mooie gepolijste ronde plakken Si met een diameter tussen de tien en twintig centimeter. Deze metaalkleurige stroopwafels vormen het uitgangsmateriaal voor zo’n vijftig tot vijfhonderd chips.
Op de plakken moeten de patronen van de chips aangebracht worden. Dat gebeurt met behulp van selectieve belichting op een laag fotogevoelige lak die op de plak aangebracht is. De selectieve belichting vindt plaats via een masker van glas dat deels licht doorlaat dat via een aantal lenzen verkleind op de plak geschenen wordt. Op de belichte delen wordt de lak hard. De zachte lak wordt verwijderd met een oplosmiddel, aceton, en er blijft een patroon van harde lak over. Deze techniek heet lithografie.
Op de plaatsen waar geen lak zit kunnen onderliggende lagen wegge-etst worden (zie figuur 1). De lagen worden met hoogenergetische elektronen en andere deeltjes beschoten waardoor de lagen plaatselijk loslaten. Als nu de resterendelak verbrand wordt, blijft een patroon in Siliciumnitride over.
Vervolgens kan op die plekken een ‘dikke’ laag SiO2 gegroeid worden op en in het Si. Dat gebeurt bij hele hoge temperatuur (1050 graden Celsius) met waterdamp. De zuurstof uit het water reageert met het Si tot het oxide.
Hoogspanning
Met bovenstaande technieken kunnen dan in de halfgeleidende silicium-gebiedjes kleine minitransistortjes gemaakt worden. Daarvoor wordt eerst het zogenaamde gate-oxide aangebracht. ,,Dit is een cruciale stap”, zegt Beenakker. ,,Dat moet zo dun mogelijk maar wel defectvrij. Een standaard transistor heeft een spanning van 3,3 Volt nodig om stroom door te laten. Omdat die spanning over een hele dunne laag van een miljoenste centimeter staat, gaat het om zo’n drie miljoen Volt per centimeter. Dat is vergelijkbaar met wat de overburen hier in het hoogspanningslaboratorium opwekken”, aldus Beenakker.
Vanwege de kwetsbaarheid van die laag werken de onderzoekers in de cleanroom in witte pakken die voorzien zijn van koolstofdraadjes. ,,Dat is om elektrostatische oplading te voorkomen. Daardoor zouden de dunne gate-oxidelaagjes van de chiptransistors namelijk meteen doorslaan en kun je de chip weggooien”, zegt Beenakker.
Dan moet nog een geleidende laag poly (Si verzadigd met fosfor) aangebracht worden (zie figuur 2) en arseen geïmplanteerd (eveneens om het Si geleidender te maken). Vervolgens kunnen de contacten gemaakt. Een laag glas met daarin gaten in de vorm van champagneglazen laten aluminium contact maken met de transistor. De chip kan nu afgedekt worden met siliciumnitride tegen krassen, voorzien worden van bedrading en in plastic omhulsel worden verpakt. Tegenwoordig worden echter ook steeds meer meerlaagse chips gemaakt. Door weer een laag siliciumoxide aan te brengen ontstaat een soort ‘dubbeldekkerchip’.
Nanometers
Een nieuwe ontwikkeling is om hele dunne lagen in siliciumgermanium te maken. Hierdoor kan de snelheid van chips aanzienlijk vergroot worden. Dimes heeft daar sinds kort een nieuwe reactor voor, de Epsilon, die net als de meeste andere apparaten weer een investering van enkele miljoenen guldens betekende. Hiermee kunnen ze nu laagjes maken van zo’n honderd Angstrom (atomen hebben de grootte van enkele Angstrom), ofwel enkele nanometers.
Omdat het in de chiptechnologie om zulke kleine afmetingen gaat is het zeer belangrijk dat er geen stofdeeltjes tijdens de fabricage op de chip komen. Dimes beschikt daarom over tweeduizend vierkante meter cleanroom waarin de chips gemaakt worden. Vanwege de fotografische lak waarmee gewerkt wordt, zijn de ruimten vaak rood of geel verlicht.
Per chip moeten alles bij elkaar zo’n vijftienhonderd stappen uitgevoerd worden voordat hij klaar is voor gebruik. Beenakker: ,,Het is buitengewoon belangrijk dat alle stappen honderd procent goed gaan, anders red je het niet. Een thermische reactor die een paar graden te warm staat kan alfunest zijn voor een chip. Fabrikanten als Philips werken vaak met vijftig siliciumplakken, met elk vijfhonderd chips van bijvoorbeeld vier gulden per stuk tegelijk. Een te hete thermische reactor kan dus een schadepost van een ton betekenen.”
Maar bij Dimes gaat het niet om zo’n grote produktie. Omdat dat een onderzoekschool is, is daar elke chip weer anders. Desalniettemin moet er gedurende de vier weken die het duurt voor een chip klaar is, in teamverband heel precies gewerkt worden. Want zoals Dewilde zegt: ,,Een chip maken is een kunst. Een vaardigheid die iedereen kan leren, maar die wel een groot vakmanschap vereist.”
(Voor meer details over Dimes-chips die in sensoren gebruikt worden, zie Delft Integraal 95.2.)
fotolak belichten en ontwikkelen; 2) droog wegetsen ven nitride (Si3N4) en oxide (SiO2) lagen; lakresten verwijderen; 3) oxidatie van het silicium-substraat; oplossen van het masker
,
Als de auto dezelfde ontwikkeling had doorgemaakt als de chip dan kostte hij nu vijf cent. De micro-elektronica maakt een tweede revolutie door. Na de Europese crisis in de chip-wereld van vijf jaar geleden, dreigt er nu juist een groot tekort aan micro-elektronici. Kortom, een gouden toekomst voor de ingenieurs van onderzoekschool Dimes, het Delft Institute of Microelectronics and Submicrontechnology. Deze riante toekomst is bij velen niet bekend. Wetenschappelijk directeur prof.dr.ir. P.M. Dewilde hoopt met een publiciteitscampagne veel studenten voor zijn vak enthousiast te maken.
,,Goedkoop is the name of the game”, zegt Dewilde, die al vanaf de oprichting in 1987 bij Dimes is, sinds 1993 als wetenschappelijk directeur. ,,Alles moet goedkoper en sneller. Het heeft geen zin om na te denken over of de mensen wel zitten te wachten op de draadloze tv-pc-telefooncombinatie. Die komt er gewoon. De vraag is alleen wie maakt het. En de slimste verkoopt het.”
Bovendien is de microtechnologie een vakgebied waarin de techniek in belangrijke mate bepaalt welk produkt er in de winkel ligt, niet in de eerste plaats de marketing. ,,Door de grote drang naar integratie van meerdere functies op één chip, zijn de componenten op zichzelf eigenlijk ook al systemen aan het worden. Philips is momenteel toonaangevend in de wereld op het gebied van het integreren van meerdere functies op één chip.”
Het heeft er wel eens minder rooskleurig uitgezien voor de micro-elektronica in Nederland. Vijf jaar geleden ging het niet best in Europa en de USA, schreef Dewilde in het Dimes jaarverslag van 1994. ,,De voorspelde vraag naar produkten in eind jaren tachtig bleef uit en de industrie zat met een overcapaciteit”, licht hij toe. ,,De media speculeerden dat de Europese markt, die nu zo’n tien procent van de wereldmarkt uitmaakt, geheel overgenomen zou worden door de Aziatische markt. Ook Philips zag zich toen voor een acute overcapaciteit geplaatst. Onder leiding van Timmer is het personeel in 1993 drastisch ingekrompen en men heeft zich meer geconcentreerd op de core-business, namelijk slim ontwerpen van componenten en chips-sets.”
Wereldomzet
Inmiddels is de trend volledig omgekeerd. De voorspelde groei van de micro-elektronicasector blijkt in de jaren negentig alsnog te komen. En zelfs een nog veel grotere groei dan verwacht. In de sector (die tot 1995 gegroeid is tot een wereldomzet van ruim 111 miljard dollar) wordt in het jaar 2000 meer dan een verdubbeling tot een wereldomzet van ongeveer 273 miljard dollar verwacht.
Dewilde schat dat Philips nu eenderde tot de helft van de Europese chips produceert en van een aantal belangrijkesoorten zelfs de wereldproduktie heeft. Het bedrijf heeft zich volgens Dewilde ten doel gesteld meer te groeien dan de markt om zo haar aandeel te vergroten. Nu dreigt Philips een tekort aan ingenieurs te krijgen. ,,Het personeel van de vestiging in Nijmegen moet binnenkort verdubbelen”, voorspelt hij. ,,Dat betekent dat ruim honderd nieuwe ingenieurs in dienst genomen moeten worden.”
De samenwerking tussen Dimes en Philips is nauw. Naast ingenieurs levert Dimes als onderzoekschool een deel van de wetenschappelijke kennis en technieken die nodig zijn voor het maken van de consumentenprodukten die Philips op de markt brengt. Het dreigende tekort aan ingenieurs bij Philips was voor Dimes een belangrijke reden om publiciteit te zoeken, want onbekend maakt nog altijd onbemind. Als grootste micro-elektronica onderzoekschool is Dimes Nederlands grootste leverancier van micro-elektronica-ingenieurs.
In het kader van die campagne zoekt Dimes de aandacht van een groot aantal landelijke media om de belangrijkste prestaties van de onderzoekschool van de laatste tien jaar onder de aandacht te brengen. Een greep: de kleurgevoelige chip die voor medische doeleinden gebruikt kan worden, de moduleerbare spiegelchip die bruikbaar is voor beeldverbetering in telescopen, de twee dimensionale flowsensor die wind kan meten, de hoekmeter-chip en de WDM (wave division demultiplexer)-chip, bedoeld om optische signalen te routeren op de Information Highway. (Op de volgende pagina’s meer informatie over deze chips.)
Integratie
Bij het gereed maken van de chip voor gebruik komt meer kijken dan alleen de fabricage van de chip zelf. Vooraf is veel onderzoek nodig aan eigenschappen van materialen en achteraf is veel elektronica nodig bij de verwerking van chipgegevens.
De onderzoekschool Dimes is dan ook een samenwerkingsverband tussen zes vakgroepen van de faculteit Elektrotechniek en drie vakgroepen van Technische Natuurkunde. Van Elektro komen telecommunicatie en tele-observatietechnologie, elektronica, elektronische instrumentatie, elektronische techniek, elektronische componententechnologie en materialen en netwerktheorie. Van Natuurkunde: deeltjesoptica, theoretische natuurkunde en vaste stof. Alle werknemers zijn in dienst van een vakgroep en besteden een vast deel van hun tijd aan Dimes-projecten. In 1994 werkten ruim honderd afstudeerders aan Dimes-projecten en voltooiden 26 promovendi hun onderzoek.
Deze integratie van vakgebieden is het bijzondere aan Dimes. Prof.dr. C.I.M. Beenakker: ,,Iedereen heeft elkaar nodig. De chemicus kan niet zonder de fysicus en vice versa en beiden kunnen niet zonder elektrotechnici.” In teamverband werken ze aan een produkt en aan de verwezenlijking van de Dimes-missie die in het jaarverslag staat: ,,te voorzien in een academisch ‘centre of excellence’in micro-elektronica”.
Het recept voor chips
Wie micro-elektronica zegt, heeft het in de eerste plaats oversiliciumtechnologie, want die is al het verst ontwikkeld. ,,Negenennegentig procent van de chips op de wereld zijn in silicium uitgevoerd”, zegt prof.dr. C.I.M. Beenakker, voorzitter van de vakgroep elektronische componenten technologie en materialen en werkzaam voor Dimes. Hij verklapt het recept voor de Dimes-chip.
Dewilde: ,,Dimes is een echte siliciumtent. In tegenstelling tot bijvoorbeeld Mesa en Cobra, de micro-elektronica-onderzoekscholen van Twente en Eindhoven, die complementair onderzoek doen aan andere materialen dan silicium.” Dimes maakt naast chips ook zonnecellen, displays en elektronische microsystemen met de siliciumtechnologie.
Silicium (afgekort Si) heeft diverse voordelen. Behalve dat het goedkoop en ruim voorhanden is (Si is een belangrijk bestanddeel van zand en glas en is op zuurstof na het belangrijkste element in de aardkorst), bezit het ook bijzondere geleidingseigenschappen die onmisbaar zijn voor het maken van chips.
Bij chips gaat het er namelijk om zoveel mogelijk transistoren van allerlei soorten op een klein oppervlak aan te brengen. Op die manier kunnen vele schakelingen gemaakt worden. Transistoren zijn gemaakt van halfgeleiders: materialen die slechts stroom doorlaten als ze zich in een licht elektrisch veld bevinden. Si is zo’n een halfgeleider en wel een die ook makkelijk meer en minder geleidend te maken is door het te mengen met andere stoffen zoals fosfor, boor en arseen. Het oxide van Si, SiO2, daarentegen is een perfecte isolator die halfgeleidende gebiedjes weer van stroom afschermen.
Putjes
Chips bestaan dus uit vele laagjes van diverse materialen, die alle verschillen in de mate waarin ze elektronen (stroom) doorlaten. De hele technologie draait om het zeer nauwkeurig aanbrengen (groeien, sputteren) van die laagjes, het weg-etsen van patronen, het aanbrengen van putjes in lagen en het weer opvullen met ander materiaal. ,,Eigenlijk zijn micro-elektronici niets anders dan veredelde zandkastelenbouwers”, zegt Dewilde.
Het maken van een chip begint bij het geschikt maken van zand. Tegenwoordig zijn er fabrieken die zich helemaal toeleggen op het omzetten van de grondstof tot mooie gepolijste ronde plakken Si met een diameter tussen de tien en twintig centimeter. Deze metaalkleurige stroopwafels vormen het uitgangsmateriaal voor zo’n vijftig tot vijfhonderd chips.
Op de plakken moeten de patronen van de chips aangebracht worden. Dat gebeurt met behulp van selectieve belichting op een laag fotogevoelige lak die op de plak aangebracht is. De selectieve belichting vindt plaats via een masker van glas dat deels licht doorlaat dat via een aantal lenzen verkleind op de plak geschenen wordt. Op de belichte delen wordt de lak hard. De zachte lak wordt verwijderd met een oplosmiddel, aceton, en er blijft een patroon van harde lak over. Deze techniek heet lithografie.
Op de plaatsen waar geen lak zit kunnen onderliggende lagen wegge-etst worden (zie figuur 1). De lagen worden met hoogenergetische elektronen en andere deeltjes beschoten waardoor de lagen plaatselijk loslaten. Als nu de resterendelak verbrand wordt, blijft een patroon in Siliciumnitride over.
Vervolgens kan op die plekken een ‘dikke’ laag SiO2 gegroeid worden op en in het Si. Dat gebeurt bij hele hoge temperatuur (1050 graden Celsius) met waterdamp. De zuurstof uit het water reageert met het Si tot het oxide.
Hoogspanning
Met bovenstaande technieken kunnen dan in de halfgeleidende silicium-gebiedjes kleine minitransistortjes gemaakt worden. Daarvoor wordt eerst het zogenaamde gate-oxide aangebracht. ,,Dit is een cruciale stap”, zegt Beenakker. ,,Dat moet zo dun mogelijk maar wel defectvrij. Een standaard transistor heeft een spanning van 3,3 Volt nodig om stroom door te laten. Omdat die spanning over een hele dunne laag van een miljoenste centimeter staat, gaat het om zo’n drie miljoen Volt per centimeter. Dat is vergelijkbaar met wat de overburen hier in het hoogspanningslaboratorium opwekken”, aldus Beenakker.
Vanwege de kwetsbaarheid van die laag werken de onderzoekers in de cleanroom in witte pakken die voorzien zijn van koolstofdraadjes. ,,Dat is om elektrostatische oplading te voorkomen. Daardoor zouden de dunne gate-oxidelaagjes van de chiptransistors namelijk meteen doorslaan en kun je de chip weggooien”, zegt Beenakker.
Dan moet nog een geleidende laag poly (Si verzadigd met fosfor) aangebracht worden (zie figuur 2) en arseen geïmplanteerd (eveneens om het Si geleidender te maken). Vervolgens kunnen de contacten gemaakt. Een laag glas met daarin gaten in de vorm van champagneglazen laten aluminium contact maken met de transistor. De chip kan nu afgedekt worden met siliciumnitride tegen krassen, voorzien worden van bedrading en in plastic omhulsel worden verpakt. Tegenwoordig worden echter ook steeds meer meerlaagse chips gemaakt. Door weer een laag siliciumoxide aan te brengen ontstaat een soort ‘dubbeldekkerchip’.
Nanometers
Een nieuwe ontwikkeling is om hele dunne lagen in siliciumgermanium te maken. Hierdoor kan de snelheid van chips aanzienlijk vergroot worden. Dimes heeft daar sinds kort een nieuwe reactor voor, de Epsilon, die net als de meeste andere apparaten weer een investering van enkele miljoenen guldens betekende. Hiermee kunnen ze nu laagjes maken van zo’n honderd Angstrom (atomen hebben de grootte van enkele Angstrom), ofwel enkele nanometers.
Omdat het in de chiptechnologie om zulke kleine afmetingen gaat is het zeer belangrijk dat er geen stofdeeltjes tijdens de fabricage op de chip komen. Dimes beschikt daarom over tweeduizend vierkante meter cleanroom waarin de chips gemaakt worden. Vanwege de fotografische lak waarmee gewerkt wordt, zijn de ruimten vaak rood of geel verlicht.
Per chip moeten alles bij elkaar zo’n vijftienhonderd stappen uitgevoerd worden voordat hij klaar is voor gebruik. Beenakker: ,,Het is buitengewoon belangrijk dat alle stappen honderd procent goed gaan, anders red je het niet. Een thermische reactor die een paar graden te warm staat kan alfunest zijn voor een chip. Fabrikanten als Philips werken vaak met vijftig siliciumplakken, met elk vijfhonderd chips van bijvoorbeeld vier gulden per stuk tegelijk. Een te hete thermische reactor kan dus een schadepost van een ton betekenen.”
Maar bij Dimes gaat het niet om zo’n grote produktie. Omdat dat een onderzoekschool is, is daar elke chip weer anders. Desalniettemin moet er gedurende de vier weken die het duurt voor een chip klaar is, in teamverband heel precies gewerkt worden. Want zoals Dewilde zegt: ,,Een chip maken is een kunst. Een vaardigheid die iedereen kan leren, maar die wel een groot vakmanschap vereist.”
(Voor meer details over Dimes-chips die in sensoren gebruikt worden, zie Delft Integraal 95.2.)
fotolak belichten en ontwikkelen; 2) droog wegetsen ven nitride (Si3N4) en oxide (SiO2) lagen; lakresten verwijderen; 3) oxidatie van het silicium-substraat; oplossen van het masker
Als de auto dezelfde ontwikkeling had doorgemaakt als de chip dan kostte hij nu vijf cent. De micro-elektronica maakt een tweede revolutie door. Na de Europese crisis in de chip-wereld van vijf jaar geleden, dreigt er nu juist een groot tekort aan micro-elektronici. Kortom, een gouden toekomst voor de ingenieurs van onderzoekschool Dimes, het Delft Institute of Microelectronics and Submicrontechnology. Deze riante toekomst is bij velen niet bekend. Wetenschappelijk directeur prof.dr.ir. P.M. Dewilde hoopt met een publiciteitscampagne veel studenten voor zijn vak enthousiast te maken.
,,Goedkoop is the name of the game”, zegt Dewilde, die al vanaf de oprichting in 1987 bij Dimes is, sinds 1993 als wetenschappelijk directeur. ,,Alles moet goedkoper en sneller. Het heeft geen zin om na te denken over of de mensen wel zitten te wachten op de draadloze tv-pc-telefooncombinatie. Die komt er gewoon. De vraag is alleen wie maakt het. En de slimste verkoopt het.”
Bovendien is de microtechnologie een vakgebied waarin de techniek in belangrijke mate bepaalt welk produkt er in de winkel ligt, niet in de eerste plaats de marketing. ,,Door de grote drang naar integratie van meerdere functies op één chip, zijn de componenten op zichzelf eigenlijk ook al systemen aan het worden. Philips is momenteel toonaangevend in de wereld op het gebied van het integreren van meerdere functies op één chip.”
Het heeft er wel eens minder rooskleurig uitgezien voor de micro-elektronica in Nederland. Vijf jaar geleden ging het niet best in Europa en de USA, schreef Dewilde in het Dimes jaarverslag van 1994. ,,De voorspelde vraag naar produkten in eind jaren tachtig bleef uit en de industrie zat met een overcapaciteit”, licht hij toe. ,,De media speculeerden dat de Europese markt, die nu zo’n tien procent van de wereldmarkt uitmaakt, geheel overgenomen zou worden door de Aziatische markt. Ook Philips zag zich toen voor een acute overcapaciteit geplaatst. Onder leiding van Timmer is het personeel in 1993 drastisch ingekrompen en men heeft zich meer geconcentreerd op de core-business, namelijk slim ontwerpen van componenten en chips-sets.”
Wereldomzet
Inmiddels is de trend volledig omgekeerd. De voorspelde groei van de micro-elektronicasector blijkt in de jaren negentig alsnog te komen. En zelfs een nog veel grotere groei dan verwacht. In de sector (die tot 1995 gegroeid is tot een wereldomzet van ruim 111 miljard dollar) wordt in het jaar 2000 meer dan een verdubbeling tot een wereldomzet van ongeveer 273 miljard dollar verwacht.
Dewilde schat dat Philips nu eenderde tot de helft van de Europese chips produceert en van een aantal belangrijkesoorten zelfs de wereldproduktie heeft. Het bedrijf heeft zich volgens Dewilde ten doel gesteld meer te groeien dan de markt om zo haar aandeel te vergroten. Nu dreigt Philips een tekort aan ingenieurs te krijgen. ,,Het personeel van de vestiging in Nijmegen moet binnenkort verdubbelen”, voorspelt hij. ,,Dat betekent dat ruim honderd nieuwe ingenieurs in dienst genomen moeten worden.”
De samenwerking tussen Dimes en Philips is nauw. Naast ingenieurs levert Dimes als onderzoekschool een deel van de wetenschappelijke kennis en technieken die nodig zijn voor het maken van de consumentenprodukten die Philips op de markt brengt. Het dreigende tekort aan ingenieurs bij Philips was voor Dimes een belangrijke reden om publiciteit te zoeken, want onbekend maakt nog altijd onbemind. Als grootste micro-elektronica onderzoekschool is Dimes Nederlands grootste leverancier van micro-elektronica-ingenieurs.
In het kader van die campagne zoekt Dimes de aandacht van een groot aantal landelijke media om de belangrijkste prestaties van de onderzoekschool van de laatste tien jaar onder de aandacht te brengen. Een greep: de kleurgevoelige chip die voor medische doeleinden gebruikt kan worden, de moduleerbare spiegelchip die bruikbaar is voor beeldverbetering in telescopen, de twee dimensionale flowsensor die wind kan meten, de hoekmeter-chip en de WDM (wave division demultiplexer)-chip, bedoeld om optische signalen te routeren op de Information Highway. (Op de volgende pagina’s meer informatie over deze chips.)
Integratie
Bij het gereed maken van de chip voor gebruik komt meer kijken dan alleen de fabricage van de chip zelf. Vooraf is veel onderzoek nodig aan eigenschappen van materialen en achteraf is veel elektronica nodig bij de verwerking van chipgegevens.
De onderzoekschool Dimes is dan ook een samenwerkingsverband tussen zes vakgroepen van de faculteit Elektrotechniek en drie vakgroepen van Technische Natuurkunde. Van Elektro komen telecommunicatie en tele-observatietechnologie, elektronica, elektronische instrumentatie, elektronische techniek, elektronische componententechnologie en materialen en netwerktheorie. Van Natuurkunde: deeltjesoptica, theoretische natuurkunde en vaste stof. Alle werknemers zijn in dienst van een vakgroep en besteden een vast deel van hun tijd aan Dimes-projecten. In 1994 werkten ruim honderd afstudeerders aan Dimes-projecten en voltooiden 26 promovendi hun onderzoek.
Deze integratie van vakgebieden is het bijzondere aan Dimes. Prof.dr. C.I.M. Beenakker: ,,Iedereen heeft elkaar nodig. De chemicus kan niet zonder de fysicus en vice versa en beiden kunnen niet zonder elektrotechnici.” In teamverband werken ze aan een produkt en aan de verwezenlijking van de Dimes-missie die in het jaarverslag staat: ,,te voorzien in een academisch ‘centre of excellence’in micro-elektronica”.
Het recept voor chips
Wie micro-elektronica zegt, heeft het in de eerste plaats oversiliciumtechnologie, want die is al het verst ontwikkeld. ,,Negenennegentig procent van de chips op de wereld zijn in silicium uitgevoerd”, zegt prof.dr. C.I.M. Beenakker, voorzitter van de vakgroep elektronische componenten technologie en materialen en werkzaam voor Dimes. Hij verklapt het recept voor de Dimes-chip.
Dewilde: ,,Dimes is een echte siliciumtent. In tegenstelling tot bijvoorbeeld Mesa en Cobra, de micro-elektronica-onderzoekscholen van Twente en Eindhoven, die complementair onderzoek doen aan andere materialen dan silicium.” Dimes maakt naast chips ook zonnecellen, displays en elektronische microsystemen met de siliciumtechnologie.
Silicium (afgekort Si) heeft diverse voordelen. Behalve dat het goedkoop en ruim voorhanden is (Si is een belangrijk bestanddeel van zand en glas en is op zuurstof na het belangrijkste element in de aardkorst), bezit het ook bijzondere geleidingseigenschappen die onmisbaar zijn voor het maken van chips.
Bij chips gaat het er namelijk om zoveel mogelijk transistoren van allerlei soorten op een klein oppervlak aan te brengen. Op die manier kunnen vele schakelingen gemaakt worden. Transistoren zijn gemaakt van halfgeleiders: materialen die slechts stroom doorlaten als ze zich in een licht elektrisch veld bevinden. Si is zo’n een halfgeleider en wel een die ook makkelijk meer en minder geleidend te maken is door het te mengen met andere stoffen zoals fosfor, boor en arseen. Het oxide van Si, SiO2, daarentegen is een perfecte isolator die halfgeleidende gebiedjes weer van stroom afschermen.
Putjes
Chips bestaan dus uit vele laagjes van diverse materialen, die alle verschillen in de mate waarin ze elektronen (stroom) doorlaten. De hele technologie draait om het zeer nauwkeurig aanbrengen (groeien, sputteren) van die laagjes, het weg-etsen van patronen, het aanbrengen van putjes in lagen en het weer opvullen met ander materiaal. ,,Eigenlijk zijn micro-elektronici niets anders dan veredelde zandkastelenbouwers”, zegt Dewilde.
Het maken van een chip begint bij het geschikt maken van zand. Tegenwoordig zijn er fabrieken die zich helemaal toeleggen op het omzetten van de grondstof tot mooie gepolijste ronde plakken Si met een diameter tussen de tien en twintig centimeter. Deze metaalkleurige stroopwafels vormen het uitgangsmateriaal voor zo’n vijftig tot vijfhonderd chips.
Op de plakken moeten de patronen van de chips aangebracht worden. Dat gebeurt met behulp van selectieve belichting op een laag fotogevoelige lak die op de plak aangebracht is. De selectieve belichting vindt plaats via een masker van glas dat deels licht doorlaat dat via een aantal lenzen verkleind op de plak geschenen wordt. Op de belichte delen wordt de lak hard. De zachte lak wordt verwijderd met een oplosmiddel, aceton, en er blijft een patroon van harde lak over. Deze techniek heet lithografie.
Op de plaatsen waar geen lak zit kunnen onderliggende lagen wegge-etst worden (zie figuur 1). De lagen worden met hoogenergetische elektronen en andere deeltjes beschoten waardoor de lagen plaatselijk loslaten. Als nu de resterendelak verbrand wordt, blijft een patroon in Siliciumnitride over.
Vervolgens kan op die plekken een ‘dikke’ laag SiO2 gegroeid worden op en in het Si. Dat gebeurt bij hele hoge temperatuur (1050 graden Celsius) met waterdamp. De zuurstof uit het water reageert met het Si tot het oxide.
Hoogspanning
Met bovenstaande technieken kunnen dan in de halfgeleidende silicium-gebiedjes kleine minitransistortjes gemaakt worden. Daarvoor wordt eerst het zogenaamde gate-oxide aangebracht. ,,Dit is een cruciale stap”, zegt Beenakker. ,,Dat moet zo dun mogelijk maar wel defectvrij. Een standaard transistor heeft een spanning van 3,3 Volt nodig om stroom door te laten. Omdat die spanning over een hele dunne laag van een miljoenste centimeter staat, gaat het om zo’n drie miljoen Volt per centimeter. Dat is vergelijkbaar met wat de overburen hier in het hoogspanningslaboratorium opwekken”, aldus Beenakker.
Vanwege de kwetsbaarheid van die laag werken de onderzoekers in de cleanroom in witte pakken die voorzien zijn van koolstofdraadjes. ,,Dat is om elektrostatische oplading te voorkomen. Daardoor zouden de dunne gate-oxidelaagjes van de chiptransistors namelijk meteen doorslaan en kun je de chip weggooien”, zegt Beenakker.
Dan moet nog een geleidende laag poly (Si verzadigd met fosfor) aangebracht worden (zie figuur 2) en arseen geïmplanteerd (eveneens om het Si geleidender te maken). Vervolgens kunnen de contacten gemaakt. Een laag glas met daarin gaten in de vorm van champagneglazen laten aluminium contact maken met de transistor. De chip kan nu afgedekt worden met siliciumnitride tegen krassen, voorzien worden van bedrading en in plastic omhulsel worden verpakt. Tegenwoordig worden echter ook steeds meer meerlaagse chips gemaakt. Door weer een laag siliciumoxide aan te brengen ontstaat een soort ‘dubbeldekkerchip’.
Nanometers
Een nieuwe ontwikkeling is om hele dunne lagen in siliciumgermanium te maken. Hierdoor kan de snelheid van chips aanzienlijk vergroot worden. Dimes heeft daar sinds kort een nieuwe reactor voor, de Epsilon, die net als de meeste andere apparaten weer een investering van enkele miljoenen guldens betekende. Hiermee kunnen ze nu laagjes maken van zo’n honderd Angstrom (atomen hebben de grootte van enkele Angstrom), ofwel enkele nanometers.
Omdat het in de chiptechnologie om zulke kleine afmetingen gaat is het zeer belangrijk dat er geen stofdeeltjes tijdens de fabricage op de chip komen. Dimes beschikt daarom over tweeduizend vierkante meter cleanroom waarin de chips gemaakt worden. Vanwege de fotografische lak waarmee gewerkt wordt, zijn de ruimten vaak rood of geel verlicht.
Per chip moeten alles bij elkaar zo’n vijftienhonderd stappen uitgevoerd worden voordat hij klaar is voor gebruik. Beenakker: ,,Het is buitengewoon belangrijk dat alle stappen honderd procent goed gaan, anders red je het niet. Een thermische reactor die een paar graden te warm staat kan alfunest zijn voor een chip. Fabrikanten als Philips werken vaak met vijftig siliciumplakken, met elk vijfhonderd chips van bijvoorbeeld vier gulden per stuk tegelijk. Een te hete thermische reactor kan dus een schadepost van een ton betekenen.”
Maar bij Dimes gaat het niet om zo’n grote produktie. Omdat dat een onderzoekschool is, is daar elke chip weer anders. Desalniettemin moet er gedurende de vier weken die het duurt voor een chip klaar is, in teamverband heel precies gewerkt worden. Want zoals Dewilde zegt: ,,Een chip maken is een kunst. Een vaardigheid die iedereen kan leren, maar die wel een groot vakmanschap vereist.”
(Voor meer details over Dimes-chips die in sensoren gebruikt worden, zie Delft Integraal 95.2.)
fotolak belichten en ontwikkelen; 2) droog wegetsen ven nitride (Si3N4) en oxide (SiO2) lagen; lakresten verwijderen; 3) oxidatie van het silicium-substraat; oplossen van het masker
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.