Microelektronica: de kunst van het miniaturiseren van elektronica
Microelektronica is het vakgebied dat zich bezighoudt met het ontwerpen en maken van extreem kleine elektronische onderdelen, vooral de chips (ook wel geïntegreerde circuits genoemd) die in bijna elk modern apparaat zitten. Denk aan de processor in je smartphone, de chip die je wasmachine aanstuurt, of de sensor die bij een botsing je airbag laat afgaan. Al die onderdelen zijn gemaakt met technieken uit de microelektronica.
Een goede analogie is een stad die steeds compacter gebouwd wordt. Vroeger stond er op elke kavel één laag huis met ruim tussenruimte; nu bouw je wolkenkrabbers met duizenden appartementen op dezelfde oppervlakte, verbonden door een ingenieus netwerk van liften, leidingen en kabels. Microelektronica doet iets vergelijkbaars met elektronische schakelingen: transistors, de schakelaartjes die stroom aan of uit zetten, worden steeds kleiner gemaakt en dichter op elkaar gepakt, zodat er miljarden van op een stukje silicium passen dat niet groter is dan een postzegel.
Wat is het precies?
Aan de basis van microelektronica staat de transistor, uitgevonden in 1947 bij Bell Labs in de Verenigde Staten. Een transistor is in essentie een heel kleine elektronische schakelaar die signalen kan versterken of doorschakelen. Door miljoenen tot miljarden van deze schakelaars met elkaar te verbinden, ontstaat een geïntegreerd circuit (chip) dat ingewikkelde rekentaken kan uitvoeren.
Het maken van zo'n chip begint met een schijf zuiver silicium, een zogeheten wafer. Via een proces dat fotolithografie heet, wordt licht door een soort sjabloon (een masker) op een laagje lichtgevoelig materiaal op de wafer geprojecteerd. Zo ontstaat een patroon dat vervolgens chemisch wordt geëtst, waarna metalen en isolerende laagjes worden toegevoegd. Dit proces wordt tientallen tot honderden keren herhaald, laag voor laag, tot een compleet circuit ontstaat.
Hoe kleiner de structuren die je kunt belichten, hoe meer transistors er op dezelfde oppervlakte passen en hoe sneller en zuiniger de chip werkt. Daarom draait veel onderzoek in de microelektronica om steeds kortere golflengtes licht. De nieuwste generatie machines gebruikt extreem ultraviolet licht (EUV), met een golflengte van slechts 13,5 nanometer, om structuren te maken die enkele nanometers groot zijn: duizenden keren dunner dan een mensenhaar.
Naast steeds kleinere transistors zoekt de sector ook naar andere trucs om meer rekenkracht te krijgen: chips in meerdere lagen boven elkaar stapelen (3D-stacking), gespecialiseerde chips maken voor specifieke taken zoals kunstmatige intelligentie, en meerdere kleine chiponderdelen (chiplets) combineren tot één groter systeem.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter decennia van onderzoek is wat bekend staat als de wet van Moore: de vuistregel, geformuleerd door Intel-medeoprichter Gordon Moore in 1965, dat het aantal transistors op een chip ruwweg elke twee jaar verdubbelt. Die voorspelling is lange tijd uitgekomen en heeft de hele digitale revolutie mogelijk gemaakt, van de eerste pc's tot smartphones en datacenters.
Het hoofddoel is drieledig: meer rekenkracht, minder energieverbruik en lagere kosten per functie. Kleinere en efficiëntere chips betekenen apparaten die sneller werken, langer op een batterij meegaan en betaalbaarder zijn. Voor sectoren als kunstmatige intelligentie, waar enorme hoeveelheden berekeningen nodig zijn, is chipefficiëntie bovendien direct van invloed op het energieverbruik van datacenters.
Daarnaast speelt geopolitiek een steeds grotere rol. Chips zijn cruciaal voor economie, defensie en veiligheid, waardoor landen willen voorkomen dat ze volledig afhankelijk zijn van productie elders. Dit heeft geleid tot grootschalige overheidsinvesteringen om chipproductie weer dichter bij huis te krijgen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Nederlandse bedrijf ASML in Veldhoven bouwt als enige ter wereld de EUV-lithografiemachines die nodig zijn om de allerkleinste chipstructuren te maken. Zonder deze machines, die stuk voor stuk tientallen miljoenen euro's kosten, kan geen enkele fabriek de modernste chips produceren.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) is de grootste chipfabrikant ter wereld en maakt onder meer de processoren voor Apple's iPhones en Mac-computers. Om minder afhankelijk te zijn van Taiwan investeert TSMC sinds 2021 in nieuwe fabrieken in Arizona, in de Verenigde Staten.
Intel probeert zijn positie te herstellen met het zogeheten IDM 2.0-plan en bouwt sinds 2022 grote nieuwe fabrieken in Ohio, een regio die inmiddels de bijnaam 'Silicon Heartland' kreeg.
In Leuven, België, werkt onderzoeksinstituut imec samen met vrijwel alle grote chipbedrijven aan de volgende generaties chiptechnologie, lang voordat die commercieel beschikbaar zijn.
Het Nederlandse NXP Semiconductors, met een belangrijke vestiging in Nijmegen, maakt chips voor onder meer auto's en betaalsystemen, en is wereldwijd een van de grootste leveranciers van automotive-chips.
Hoe ver is de techniek?
De microelektronica staat niet stil, maar de vooruitgang verandert van aard. De klassieke wet van Moore, waarbij transistors simpelweg kleiner werden, loopt tegen natuurkundige grenzen aan: bij afmetingen van een paar nanometer spelen kwantumeffecten op die het lastig maken om transistors nog kleiner en betrouwbaar te maken. Fabrikanten noemen hun nieuwste generaties daarom met procesnamen als '3 nanometer' of '2 nanometer', maar deze getallen zijn tegenwoordig vooral marketingbenamingen en komen niet meer letterlijk overeen met de fysieke afmeting van onderdelen.
Om toch vooruitgang te boeken, verschuift de focus naar andere innovaties: nieuwe transistorvormen zoals gate-all-around-transistors, het stapelen van chips in de hoogte, en het combineren van meerdere gespecialiseerde chiplets in één pakket. TSMC en Samsung werken aan de introductie van dit soort technieken in de tweede helft van de jaren 2020.
Een belangrijk obstakel blijft de enorme complexiteit en kostprijs: een moderne chipfabriek kost inmiddels tientallen miljarden euro's, en slechts een handvol bedrijven ter wereld kan de allerscherpste technologie bijbenen. De wereldwijde chiptekorten tijdens de coronapandemie (2020-2022) legden bovendien bloot hoe kwetsbaar de wereldwijde productieketens zijn, met Taiwan als onmisbare schakel. Dat zette de Amerikaanse CHIPS and Science Act (2022) en de Europese Chips Act (2023) in gang, die met overheidsgeld nieuwe fabrieken in de VS en Europa moeten stimuleren. Of deze plannen op tijd en binnen budget worden gerealiseerd, is nog onzeker: verschillende aangekondigde projecten liepen inmiddels vertraging op.
Wie werken eraan?
Taiwan, met TSMC als absolute wereldleider, blijft het centrum van de meest geavanceerde chipproductie. Zuid-Korea speelt een vergelijkbare rol via Samsung Electronics en SK Hynix, met name in geheugenchips.
De Verenigde Staten herbergen ontwerpbedrijven als Nvidia, Qualcomm en AMD, en investeren via de CHIPS and Science Act zwaar in eigen productiecapaciteit bij Intel, TSMC en Samsung-fabrieken op Amerikaanse bodem.
Nederland en België vormen een onverwacht zwaartepunt: ASML levert de onmisbare lithografiemachines, imec in Leuven doet vooraanstaand onderzoek, en NXP en toeleveranciers zoals ASM International maken deel uit van een dicht ecosysteem rond Eindhoven en Veldhoven, vaak de 'Brainport'-regio genoemd.
China investeert miljarden euro's in het opbouwen van een eigen chipindustrie, onder meer via bedrijven als SMIC, deels als reactie op exportbeperkingen die de VS en bondgenoten hebben opgelegd op de verkoop van geavanceerde chipmachines en chips aan China.