Smartphones en computers worden steeds sneller, doordat de chips in deze apparaten bij elke nieuwe generatie sneller worden. De wet van Moore – eigenlijk is dit een voorspelling die Gordon Moore al in 1965 deed – beschrijft dat de rekenkracht van chips elke twee jaar verdubbelt. Maar wat houdt deze wet van Moore precies in en welke rol speelt Nederland hierin?
Een chip bestaat uit transistoren. Een transistor is een halfgeleidende schakelaar die een stroom aan of uit kan zetten. Door transistoren op elkaar aan te sluiten, kunnen wiskundige berekeningen, zoals optellen of vermenigvuldigen, worden uitgevoerd. Op de chips in jouw laptop of smartphone zitten enkele miljarden van dit soort transistoren. Deze maken het mogelijk om het besturingssysteem en de apps op je apparaat te draaien.
Computers worden elk jaar sneller doordat de transistoren steeds kleiner worden. Hierdoor passen er steeds meer transistoren op één chip, zoals te zien is in figuur 1. De groei van het aantal transistoren op één chip is exponentieel (let op: de y-as in figuur 1 is niet lineair maar logaritmisch). Dat verklaart waarom we nu zo veel meer kunnen dan tien jaar geleden en waarom ze tien jaar geleden veel meer konden dan twintig jaar geleden. De wet van Moore geeft aan dat het aantal transistoren op een microchip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. De vraag is wel hoe lang dit nog door kan gaan, aangezien de fysieke grens aan het verkleinen van chips steeds dichterbij komt.
Chips zijn opgebouwd uit lagen materialen die in een bepaald patroon op elkaar liggen. Samen vormen deze lagen allemaal transistoren. Het is een ingewikkeld proces om deze patronen te maken. Je hebt er heel geavanceerde machines voor nodig. De cruciale stap in dit proces is de belichtingsstap, waarbij een patroon op een lichtgevoelige laag wordt afgebeeld. Hiervoor heb je een lithografiemachine nodig.
Het bedrijf dat gespecialiseerd is in de productie van deze lithografiemachines is ASML. Dit is een Nederlands bedrijf met inmiddels zo’n 40.000 medewerkers. Het hoofdkantoor staat in Veldhoven, maar er zijn locaties verspreid over de hele wereld. De machines die ASML maakt om de kleine chips te kunnen produceren, zijn ontzettend groot.
Figuur 2: Hoe maakt ASML chips? Bron: YouTube.
De machines die ASML maakt, gebruiken ronde platen materiaal om de chips op te maken. Deze platen basismateriaal noem je wafers. Om een chip te maken wordt op zo’n wafer een lichtgevoelige laag aangebracht (in het Engels heet dat photoresist). Vervolgens wordt een masker gebruikt om een patroon af te beelden op de wafer. Daar waar licht op de wafer valt, verandert deze laag. Door vervolgens een ontwikkelaar te gebruiken, kunnen ze alleen de belichte delen verwijderen (positive photoresist), of juist alleen de onbelichte delen (negative photoresist). Dat zie je schematisch weergegeven in figuur 3.
Na het ontwikkelen kan op de lege plekken het materiaal worden aangebracht dat nodig is om een transistor te maken. De resterende lichtgevoelige laag wordt daarna weggehaald. Vervolgens wordt er weer een nieuwe lichtgevoelige laag aangebracht waarna het proces zich herhaalt. Zo wordt er dus laag voor laag een patroon op de wafer geschreven. Als alle lagen zijn gemaakt, staan er allemaal chips – die weer bestaan uit heel veel transistoren – op de wafer.
Het schrijven van de patronen is een heel precies werkje, omdat het om ontzettend kleine structuren gaat en de lagen precies op elkaar moeten passen. Dat is wat het apparaat zo ingewikkeld maakt. De afmetingen van de chips die op een wafer geschreven kunnen worden, is begrensd. Eén van de beperkende factoren bij het schrijven van chips op een wafer is de golflengte van het laserlicht. Het is namelijk niet mogelijk om licht te focusseren op een plek die veel kleiner is dan de golflengte van het licht.
De kleine patronen om transistoren mee te maken zijn zo klein, dat deze niet met zichtbaar licht, met een golflengte tussen 380 en 750 nanometer, kunnen worden gemaakt. Daarom wordt hiervoor licht gebruikt dat ver in het ultraviolet zit. Deze lithografiemachines – deep ultraviolet of duv-machines – gebruiken een golflengte van 193 nanometer, waarmee structuren van minimaal 30 nanometer gemaakt kunnen worden.
Er zijn nu ook lithografiemachines die kleinere structuren kunnen maken door licht met een nog kortere golflengte te gebruiken. Dat zijn euv-lithografiemachines, waarbij euv staat voor extreme ultraviolet. Deze machines gebruiken licht van 13,5 nanometer voor het maken van de patronen. De kleinste structuren die de eerste generatie euv-machines konden maken zijn slechts 13 nanometer. Dat is ruim 6000 keer kleiner dan een haar! Inmiddels is dit alweer overtroffen door een nieuwe generatie machines, die zelfs structuren van minimaal 8 nanometer kunnen maken!
Doordat het technisch mogelijk wordt om steeds kleinere structuren te maken, worden transistoren steeds kleiner en kunnen er dus steeds meer transistoren op een chip. Daardoor zullen de nieuwste generatie smartphones en iPhones nog sneller worden, waardoor nog spectaculairdere toepassingen mogelijk zijn op je smartphone.
Artikel geactualiseerd in april 2024 door redactie Natuurkunde.nl
