een nieuwe keuken voor toeKoMstIGe cHIps - Imec

Interconnect 41, Maart 2013
22
een nieuwe
keuken voor
toeKoMstIGe
cHIps

chips worden gemaakt in cleanrooms, stofvrije ruimtes
vol met uiterst precieze toestellen. Hans Lebon, senior
vice president fab operations bij imec, vertelt hoe
dat gebeurt en wat de rol van imec is. Hij legt ook uit
waarom imec een nieuWe cleanroom gaat bouwen.
ingewikkelde recepten
In imec’s cleanrooms werken onderzoekers aan
nieuwe en verbeterde processen om volgende
generaties chips te maken. Dat gebeurt in samenwerking
met de chipfabrikanten, maar ook met de
bedrijven die de toestellen maken en de gebruikte
materialen ontwikkelen.
Hans Lebon: “Zo’n proces om chips te maken kun
je vergelijken met het uitvoeren van een recept om
een taart te maken. Maar dan wel een bijzonder
complex recept, een heel precieze beschrijving
van alle stappen die je moet doorlopen, van de
manier waarop je de verschillende toestellen moet
instellen, en van de ingrediënten die je nodig hebt.
De basis waarop je de chips maakt, de taartbodem,
is een schijf silicium, ook wel wafer genoemd. In
onze oudste cleanroom werken we met wafers
met een diameter van 200mm. en in de cleanroom
die we in 2004 in gebruik hebben genomen zijn dat
wafers van 300mm. op zo’n wafer kun je bv. 70.000
chips van 1mm² maken, of een 700-tal chips van
1cm².
In de cleanroom staan een hele reeks geavanceerde
toestellen, die elk een stapje van het productieproces
uitvoeren. Het hele recept bestaat uit rond
de 250 stappen die samen ongeveer 50 dagen in
beslag nemen (de cleanroom functioneert 24 uur
per dag en 7 dagen per week). op het einde wordt
de taart, de afgewerkte siliciumschijf, versneden
en worden de individuele chips verpakt en getest.”
klein, kleiner, nanO
Het basiselement van een chip is de transistor, een
schakelaar die je aan of uit kunt zetten. Die transistoren
zijn met elkaar verbonden tot eenvoudige
circuits, zoals geheugencellen of logische poorten.
en die worden op hun beurt weer verbonden
tot steeds complexere gehelen, zoals circuits om
getallen op te tellen of te vermenigvuldigen.
Al sinds het begin van de chipproductie slagen de
fabrikanten erin om gemiddeld om de 30 maanden
met een nieuwe generatie chips voor de dag te
komen. Die bevat telkens dubbel zoveel transistoren
als de vorige generatie tegen ongeveer dezelfde
kost. Het is die trend die de Wet van Moore wordt
genoemd, naar Gordon Moore, een van de stichters
van Intel. Door die evolutie bevatten de meest
recente chipgeneraties tot 100 miljoen transistoren
die maar een paar tiental nanometer groot zijn.
Hans Lebon: “om je een idee te vormen van wat dat
concreet betekent, moet je je voorstellen dat je een
chip van een vierkante centimeter zou vergroten
tot een voetbalveld, een halve hectare. Dan zou dat
hele voetbalveld bedekt zijn met blokjes, putjes, en
draadjes die slechts een millimeter groot of dik zijn.
Bovendien bestaat zo’n chip nog uit laagjes. De
onderste laag zijn de eigenlijke transistoren die
in het silicium zijn gemaakt. Daar kunnen nog tot
10 lagen boven liggen. Die vormen een woud van
metaaldraadjes die de transistoren verbinden tot
complexe reken- en geheugencircuits.”
InterConneCt 41, MAArt 2013 23
een bOMbardeMent van stOf
In een typische stedelijke omgeving tel je in een
kubieke meter lucht al vlug 35 miljoen stofdeeltjes
groter dan een halve micrometer. Alleen al door te
bewegen, ademen, en het contact met onze omgeving,
produceren wij zelf tot 5 miljoen zo’n deeltjes
per minuut.
Hans Lebon: “Als we de vergelijking met ons voetbalveld
doortrekken, dan zou dat betekenen dat
de millimeterdunne draadjes voortdurend worden
bekogeld met tienduizenden dikke hagelstenen. na
korte tijd hebben we dan natuurlijk geen enkele
functionerende chip meer over.”
om dat te vermijden worden chips in een cleanroom
geproduceerd waar zo weinig mogelijk stofdeeltjes
rondzweven. In imec’s 300mm-cleanroom
bv. wordt verse lucht door het plafond in de
cleanroom geblazen. Dat plafond is voorzien van
hoog-efficiënte HePA-filters die deeltjes tot 0,3µm
kunnen verwijderen. De lucht stroomt dan doorheen
de ruimte en wordt via de geperforeerde
vloertegels afgevoerd. De relatief hoge luchtsnelheid
– tot een halve meter per seconde – verhindert
dat stofdeeltjes afkomstig van machines
of mensen zich ergens kunnen op vastzetten.
Bovendien staat de cleanroom ook onder een
lichte overdruk, een extra maatregel om stof buiten
te houden. en om zoveel mogelijk te vermijden
dat de mensen in de cleanroom zelf stofdeeltjes
produceren, dragen ze aangepaste, stofvrije kledij.

Interconnect 41, Maart 2013
24
hans LeBon
Hans Lebon: “Stel verder dat je op ons
voetbalveld parallelle lijntjes moet
uitzetten op een millimeter afstand van
elkaar. Maar de lijntjes mogen elkaar nooit raken.
Daarvoor moet je apparatuur hebben die geen
enkele afwijking of trillingen vertoont.
om dat mogelijk te maken, wordt de temperatuur
en luchtvochtigheid in de cleanroom binnen
zeer nauwe grenzen gehouden. Bovendien zijn het
gebouw en de machines zo ontworpen dat er geen
trillingen optreden”.
een nieuwe cleanrOOM vOOr
grOtere wafers
Hans Lebon: “De chipindustrie wil tegelijk de per -
formantie van chips blijven verhogen en de kostprijs
blijven verlagen, en dat tegen hetzelfde tempo
als de voorbij decennia. Maar om dat te doen
moeten we af en toe een sprong maken in het
aantal chips dat we in één keer, op één wafer,
kunnen fabriceren. In het verleden hebben we dat
telkens gedaan door grotere wafers te gebruiken.
en ook nu zijn de belangrijkste chipproducenten
overeen gekomen om op termijn over te scha kelen
van 300mm-wafers naar wafers met een diameter
van 450mm.”
“als we één van de wereldleiders
IN ChIpoNderzoek wIlleN blIjveN,
moeteN we deze evolutIe volGeN.”
Maar grotere wafers betekent ook nieuwe
pro cessen en nieuwe toestellen. Die moeten niet
alleen een beetje groter worden en met zwaardere
wafers omkunnen. Ze moeten ook veel sneller en
preciezer worden. De oppervlakte van de nieuwe
wafers is immers dubbel zo groot en er kunnen
bijgevolg ongeveer dubbel zoveel chips op. Maar
om de efficiëntiewinst aan te houden, moet je dat
dubbel aantal chips wel even snel kunnen maken
als vroeger, en met dezelfde opbrengst.
Deze overgang naar grotere wafers zal mogelijk de
laatste zijn. Hij zal samenvallen met de 10-nanometer-
en daaropvolgende chipgeneraties. Alle
onderzoek en ontwikkeling voor het volgende
decennium en zelfs daarna zal gebeuren op de
450mm-wafers en -toestellen. De fabrikanten
kunnen immers hun meest geavanceerde toestellen
niet tegelijk ontwikkelen voor 450mm-wafers en
voor de andere formaten.
Hans Lebon: “Als we één van de wereldleiders in
chiponderzoek willen blijven, moeten we deze
evolutie dus volgen. Alleen zo blijven we een
essentiële onderzoekspartner voor de grote elektronicabedrijven
waar we mee samenwerken.”
Bovendien zal imec’s onderzoek en ontwikkeling
voor chips op 450mm-wafers rechtstreeks werk
verschaffen aan 600 mensen. en met de indirecte
tewerkstelling, wordt het totale aantal extra jobs
geschat op 2.500.
Hans Lebon: “Daarom is het voor imec, maar ook
voor Vlaanderen belangrijk om mee te werken aan
deze ontwikkeling. De Vlaamse regering heeft dan
ook in 2012 beslist om imec te steunen, ook financieel,
bij de bouw van een nieuwe cleanroom.
Daarnaast hopen we ook op een aanzienlijke investering
van europa, vooral in de toestellen en in de
onderzoeksprogramma’s. De rest van het te investeren
bedrag zal imec halen uit de onderzoeksprogramma’s
die het samen met de internationale
industrie opzet.
We starten de bouw van de cleanroom in 2014, en
hopen de eerste toestellen in de nieuwe cleanroom
in gebruik te nemen begin 2016. Voordien
kunnen we enkele 450mm-toestellen in gebruik
nemen in de extensie van onze bestaande cleanroom
die compatibel is met de 450mm-vereisten.
tegen 2018 plannen we onderzoek te doen op een
volledige 450mm-lijn.”