Microfabricage: bouwen op de schaal van een bacterie
Stel je voor dat je het complete stratenplan van een miljoenenstad moet tekenen op een oppervlak zo klein als een zandkorrel, met straten die duizenden keren dunner zijn dan een mensenhaar. Dat is ongeveer wat microfabricage doet: het bouwen van extreem kleine, precieze structuren op materialen als silicium. De 'straten' zijn in werkelijkheid elektrische circuits, en de 'stad' is een computerchip die miljarden schakelingen bevat op een oppervlak van een paar vierkante centimeter.
Microfabricage is niet één techniek maar een verzameling technieken om structuren te maken op de schaal van micrometers (een duizendste millimeter) tot nanometers (een miljoenste millimeter, ongeveer de grootte van een groot molecuul of een klein virus). Het is de basis van vrijwel elke computerchip, smartphonesensor en steeds meer medische apparaten. Zonder microfabricage geen laptops, geen smartphones met camera's die om hun as draaien dankzij bewegingssensoren, en geen moderne data centra die kunstmatige intelligentie draaien.
Wat is het precies?
De basis van microfabricage is meestal een dunne, ronde schijf silicium, een wafer genoemd, met een doorsnede van doorgaans 300 millimeter. Op deze wafer worden laag voor laag structuren aangebracht, tot honderden lagen boven op elkaar, die samen transistors en de bedrading daartussen vormen.
De kernstap heet fotolithografie: de wafer wordt bedekt met een laagje lichtgevoelige chemische stof, het fotoresist. Daarna wordt door een patroonmasker licht op de wafer geprojecteerd, vergelijkbaar met een diaprojector maar dan met extreem hoge precisie. Waar het licht komt, verandert de chemische structuur van het resist. Na ontwikkeling blijft er een patroon over, net als bij het ontwikkelen van een foto.
Vervolgens wordt het onbedekte materiaal weggeëtst met chemicaliën of een plasma (etsen), of wordt er juist nieuw materiaal aangebracht via depositie, bijvoorbeeld door dampen van metaal of siliciumverbindingen te laten neerslaan op de wafer. Dit proces van resist aanbrengen, belichten, ontwikkelen, etsen of deponeren wordt tientallen tot honderden keren herhaald om alle lagen van een chip op te bouwen.
Al dit werk gebeurt in een cleanroom: een ruimte waar de hoeveelheid stofdeeltjes duizenden tot miljoenen keren lager is dan in een gewone kamer. Eén stofje kan namelijk al genoeg zijn om een schakeling van enkele nanometers breed te vernielen. Medewerkers dragen daarom volledige pakken, de zogeheten 'bunny suits', en de lucht wordt continu gefilterd.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter microfabricage is al decennia dezelfde: meer rekenkracht in minder ruimte, tegen lagere kosten per schakeling. Dit idee werd in 1965 beschreven door Intel-medeoprichter Gordon Moore en staat bekend als Moore's law: de observatie dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Het is geen natuurwet maar een economische en technische trend die de industrie decennialang heeft aangedreven.
Kleinere structuren betekenen niet alleen meer rekenkracht, maar ook minder energieverbruik per bewerking en compactere apparaten. Dat is essentieel voor smartphones, maar ook voor datacenters die kunstmatige intelligentie trainen en enorme hoeveelheden stroom verbruiken.
Daarnaast wordt microfabricage steeds vaker ingezet buiten de chipwereld: voor MEMS (micro-elektromechanische systemen), piepkleine mechanische sensoren zoals de versnellingsmeter en gyroscoop in je telefoon, voor medische diagnostiek op een chip, en voor onderdelen van kwantumcomputers, waar sommige bouwstenen eveneens met lithografietechnieken worden gemaakt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Nederlandse bedrijf ASML uit Veldhoven is wereldwijd de enige producent van machines voor EUV-lithografie (extreem ultraviolet licht, met een golflengte van 13,5 nanometer). Deze machines, die honderden miljoenen euro's per stuk kosten, zijn onmisbaar voor het maken van de meest geavanceerde chips ter wereld en worden gebruikt door vrijwel elke topfabrikant.
Chipfabrikant TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) begon in 2022 met massaproductie van chips volgens het zogeheten '3-nanometer'-procedé, en werkt sinds 2024-2025 aan opschaling van 2-nanometerchips. Deze 'nanometer'-aanduidingen zijn overigens vooral marketingnamen geworden en komen al lang niet meer overeen met een letterlijke, meetbare afmeting op de chip.
Bijna elke smartphone bevat MEMS-sensoren die met microfabricagetechnieken zijn gemaakt: de versnellingsmeter die je scherm laat draaien en de gyroscoop die beweging registreert, zijn allebei mechanische structuurtjes van enkele micrometers groot, geëtst in silicium.
Het Belgische onderzoeksinstituut IMEC in Leuven werkt samen met chipbedrijven wereldwijd aan de volgende generaties transistors, waaronder zogeheten gate-all-around-transistors, en experimenteert met nieuwe materialen om chips voorbij de huidige grenzen te brengen.
Intel heeft de eerste zogeheten High-NA EUV-machine van ASML, een nog preciezere doorontwikkeling van de EUV-technologie, in 2024 in gebruik genomen voor onderzoek naar toekomstige productieprocessen.
Hoe ver is de techniek?
Microfabricage is een volwassen industrie, maar staat tegelijk voor grote uitdagingen. Fysiek loopt de miniaturisering tegen grenzen aan: bij structuren van een paar nanometer breed spelen kwantummechanische effecten en warmteafvoer een steeds grotere rol, waardoor verder verkleinen technisch lastiger en duurder wordt.
Daarom verschuift de nadruk deels van 'kleiner' naar 'slimmer stapelen'. Chipmakers combineren nu meerdere kleinere chipblokken, chiplets genoemd, in één behuizing, en stapelen chiplaag op chiplaag in de hoogte in plaats van alleen in de breedte te verkleinen. Ook wordt gewerkt aan nieuwe transistorontwerpen en aan het verplaatsen van stroomvoorzieningsbedrading naar de achterkant van de chip om ruimte te besparen.
De kosten zijn een reëel obstakel: een enkele EUV-machine kost naar schatting 200 tot 400 miljoen euro, en het bouwen van een moderne chipfabriek loopt al gauw in de tientallen miljarden dollars. Daardoor kunnen nog maar een handvol bedrijven wereldwijd de allernieuwste processen bijbenen. Of Moore's law in de klassieke zin nog geldig is, is onder ingenieurs omstreden: de dichtheid van transistors blijft toenemen, maar het tempo is duidelijk vertraagd ten opzichte van de jaren negentig en tweenulligen.
Wie werken eraan?
Nederland speelt via ASML een sleutelrol in de wereldwijde toeleveringsketen, als enige leverancier van EUV-lithografiemachines. In productie van chips zelf lopen Taiwanese TSMC en Zuid-Koreaanse Samsung voorop, met Intel (Verenigde Staten) dat de afgelopen jaren fors investeert om weer aansluiting te vinden bij de scherpste procestechnologie.
Op onderzoeksgebied is IMEC in Leuven, België, een van de belangrijkste onafhankelijke instituten, waar tientallen chipbedrijven gezamenlijk onderzoek financieren naar toekomstige productietechnieken. Ook universiteiten met eigen cleanroomfaciliteiten, zoals TU Delft en TU Eindhoven in Nederland, dragen bij aan fundamenteel onderzoek naar nieuwe materialen en fabricagemethoden.
Vanwege het strategische belang van chipproductie hebben zowel de Verenigde Staten (met de CHIPS and Science Act uit 2022) als de Europese Unie (met de European Chips Act uit 2023) miljarden euro's en dollars vrijgemaakt om meer geavanceerde chipfabricage binnen eigen grenzen te krijgen, deels als reactie op geopolitieke spanningen rond Taiwan, waar het merendeel van de meest geavanceerde chips wordt gemaakt.