Chips ontrafeld: wat halfgeleiders zijn en hoe ze worden gemaakt
Van smartphone tot televisie — geïntegreerde schakelingen zitten overal in. Dit artikel legt op hoofdlijnen uit wat een chip is, waarvoor hij dient en hoe hij in een gespecialiseerde fabriek tot stand komt.
Kernpunten
- Een geïntegreerde schakeling (chip) is een minuscuul elektronisch circuit opgebouwd uit transistors, weerstanden en condensatoren, gefabriceerd op een dun plaatje halfgeleidermateriaal — vrijwel altijd silicium.
- Chips voeren functies uit zoals gegevensverwerking, besturing en opslag, en zijn aanwezig in vrijwel alle elektronische apparaten.
- De productie vindt plaats in sterk gespecialiseerde fabrieken ('fabs') via een meerstaps fotolithografisch en fysisch-chemisch proces op siliciumschijfjes (wafers); dit kan bij geavanceerde chips tot vijftien weken duren.
- Hoe kleiner de structuren op een chip, hoe meer transistors er op dezelfde oppervlakte passen — dit heeft geleid tot chips met miljarden transistors op de oppervlakte van een vingernagel.
Een chip — formeel een geïntegreerde schakeling (IC, van het Engelse integrated circuit) — is een compact elektronisch circuit dat bestaat uit componenten zoals transistors, weerstanden en condensatoren, samen gefabriceerd op een dun, plat stukje halfgeleidermateriaal. Halfgeleiders zijn materialen die elektrische stroom gedeeltelijk geleiden; silicium is verreweg het meest gebruikte materiaal.
De chip voert functies uit als gegevensverwerking, besturing en opslag. Voorbeelden van eindproducten zijn computerprocessors, microcontrollers, digitale signaalprocessors en de ingebouwde verwerkingschips in huishoudapparaten. Ze zijn aanwezig in vrijwel alle hedendaagse elektronische apparaten, van computers en smartphones tot televisies.
Waarom chips zo nuttig zijn
Vergeleken met circuits opgebouwd uit losse componenten zijn geïntegreerde schakelingen ordes van grootte kleiner, sneller, energiezuiniger en goedkoper. Ze worden als geheel 'afgedrukt' via fotolithografie in plaats van transistor voor transistor gemonteerd. Dat maakt massaproductie mogelijk en verhoogt de betrouwbaarheid. Een keerzijde is de hoge initiële ontwerpkost en het enorme kapitaal dat een chipfabriek vergt, waardoor chips pas commercieel rendabel zijn bij grote productievolumes.
Wat betekent dit voor de BeNeLux?
Chips vormen de basis van vrijwel alle digitale apparatuur die consumenten, bedrijven en overheden in de BeNeLux dagelijks gebruiken. Inzicht in wat chips zijn en hoe ze worden gemaakt, helpt om nieuwsberichten over de halfgeleidersector in de juiste context te plaatsen.
Hoe een chip wordt gemaakt: het fabricageproces
Chipproductie — ook wel semiconductor device fabrication of kortweg 'fab-proces' genoemd — is een meerstaps fotolithografisch en fysisch-chemisch proces. Stap voor stap worden elektronische circuits aangebracht op een wafer: een schijfje van zuiver, enkelvoudig kristallijn halfgeleidermateriaal, bijna altijd silicium. Stappen als thermische oxidatie, dunne-filmdepositie, ionimplantatie en etsen volgen elkaar op.
Eén wafer bevat doorgaans meerdere geïntegreerde schakelingen. Na afloop worden die losgesneden in afzonderlijke stukjes, dies genaamd, waarna ze verder worden verpakt (packaging).
De cleanroom en de fab
Productie vindt plaats in sterk gespecialiseerde halfgeleiderfabrieken, ook wel fabs of foundries genoemd. Het hart van zo'n fabriek is de cleanroom — een ruimte met uiterst strikte eisen aan stofvrijheid, omdat zelfs microscopisch kleine verontreinigingen een chip kunnen vernielen. In moderne fabs wordt het productieproces volledig geautomatiseerd uitgevoerd; gerobotiseerde transportsystemen verplaatsen de wafers van machine naar machine.
De wafers worden vervoerd in afgesloten plastic dozen, FOUPs genaamd, die intern een stikstofatmosfeer bevatten om oxidatie van het koper te voorkomen dat in moderne chips als bedrading wordt gebruikt. Ook de machines zelf werken in een schone stikstof- of vacuümomgeving om verontreiniging te beperken en de opbrengst (yield — het aandeel werkende chips per wafer) te verhogen. Fabs hebben daarvoor grote hoeveelheden vloeibare stikstof nodig.
Bij geavanceerde chips kan het fabricageproces tot vijftien weken duren; elf tot dertien weken is het industriegemiddelde.
Procesknooppunten en de minimale structuurgrootte
De feature size (structuurgrootte) van een chipproces wordt bepaald door de breedte van de kleinste lijnen die in het productieproces kunnen worden aangebracht. Hoe kleiner die structuren, hoe meer transistors er per oppervlakte-eenheid passen — wat de kostprijs per transistor verlaagt en de prestaties verhoogt.
Opeenvolgende generaties chipprocessen worden aangeduid als procesknooppunten (process nodes) en worden traditioneel vernoemd naar de minimale structuurmaat in nanometer (nm) of, historisch, in micrometer (µm). Zo kende het eerste chipproces in 1968 nog structuren van 20 µm (micrometer), terwijl in 2022 een 3 nm-knooppunt werd geïntroduceerd en in 2025 een 2 nm-knooppunt. Volgens Wikipedia is de naamgeving van procesknooppunten echter sinds 1994 meer een marketingterm geworden die geen gestandaardiseerde relatie meer heeft met de werkelijke functionele maten of transistordichtheid.
Dankzij deze voortdurende verkleining, die ruwweg het patroon volgde dat bekendstaat als Moore's wet, hebben hedendaagse chips miljoenen malen de capaciteit en duizenden malen de snelheid van de computerchips uit het begin van de jaren zeventig. Een moderne chip kan miljarden transistors bevatten op de oppervlakte van een menselijke vingernagel.
Historische oorsprong
De geïntegreerde schakeling heeft zijn oorsprong in de late jaren vijftig. Jack Kilby legde zijn eerste ideeën vast in juli 1958 en demonstreerde op 12 september 1958 het eerste werkende voorbeeld van een geïntegreerde schakeling. Kilby ontving in 2000 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn aandeel in deze uitvinding. Kort daarna ontwikkelde Robert Noyce bij Fairchild Semiconductor het eerste praktische monolithische IC-chip — gebouwd op één siliciumplaatje zonder externe verbindingen — wat grootschalige productie mogelijk maakte. Sindsdien zijn chips kleiner, sneller en goedkoper geworden, en zijn ze uitgegroeid tot de bouwstenen van moderne technologie.
Veelgestelde vragen
- Wat is het verschil tussen een halfgeleider en een chip?
- Een halfgeleider is een materiaal dat elektrische stroom gedeeltelijk geleidt — silicium is het meest gebruikte voorbeeld. Een chip (geïntegreerde schakeling) is een elektronisch circuit dat gefabriceerd is op een stukje halfgeleidermateriaal. Het materiaal is dus de grondstof; de chip is het eindproduct.
- Waarvoor worden chips gebruikt?
- Chips voeren functies uit zoals gegevensverwerking, besturing en opslag. Ze zitten in computers, smartphones, televisies, microcontrollers, digitale signaalprocessors en de verwerkingschips in huishoudapparaten — vrijwel alle hedendaagse elektronische apparaten bevatten er een of meer.
- Wat is een 'fab' en waarom is een cleanroom zo belangrijk?
- Een fab (of foundry) is een gespecialiseerde halfgeleiderfabriek. De productie vindt plaats in een cleanroom — een ruimte met uiterst strikte reinigheidseisen — omdat zelfs microscopisch kleine verontreinigingen een chip onbruikbaar kunnen maken en de opbrengst (het aandeel werkende chips) verlagen.
- Hoe lang duurt het om een chip te maken?
- Bij geavanceerde chips kan het fabricageproces tot vijftien weken duren. Het industriegemiddelde ligt op elf tot dertien weken.
- Wat betekent een procesknooppunt zoals '3 nm'?
- Een procesknooppunt verwijst naar een generatie chipproductietechnologie en wordt traditioneel aangeduid met de minimale structuurmaat in nanometer. Hoe kleiner het getal, hoe meer transistors er per oppervlakte-eenheid passen. Volgens Wikipedia is de naamgeving echter sinds 1994 meer een marketingterm geworden zonder gestandaardiseerde relatie met de werkelijke functionele maten of transistordichtheid.
Bronnen
+ bevestigd door nog 1 bron(nen)