Planarisatie van wafers met behulp van inkjettechnologie: de microscopische oplossing voor een enorm chipprobleem

In het algemeen zijn we allemaal geneigd ons te concentreren op het grote geheel. Elke technologische sprong voorwaarts (en die hebben we de laatste tijd heel wat gehad) duikt op in onze nieuwsfeeds en in onze gesprekken bij de koffieautomaat. Maar die dingen ontstaan niet zomaar uit het niets, en dat is iets waar we heel veel verstand van hebben. Want onze stille motor van baanbrekende wetenschappers is druk bezig met het oplossen van problemen waarvan de meeste mensen niet eens weten dat ze bestaan, maar die wel de koers van de technologie radicaal zouden kunnen veranderen.

Zou je geloven dat we actief zijn in de branche van het bouwen en verkopen van de machines die al meer dan een halve eeuw de ‘hersenen’ van onze elektronica produceren? Wij weten dus wel het een en ander over halfgeleiderchips. Onlangs hebben we de wereld een stapje dichter bij de oplossing van een enorm – maar toch heel klein – probleem gebracht: hoe kunnen we de productie vereenvoudigen van de krachtige computerchips die we nodig hebben voor het tijdperk van kunstmatige intelligentie?

Ze moeten ook krachtiger worden om de verwerkingscapaciteit aan te kunnen die onze wereld steeds meer nodig heeft. Als je wat basiskennis hebt van computerchips, dan weet je dat dit een knipoog is naar de beruchte ‘Wet van Moore’. Die stelt dat “het aantal transistors op een microchip ongeveer elke twee jaar verdubbelt, en dat terwijl de productiekosten dalen.” Hoewel het de vraag is of dit nog steeds klopt, blijft het een feit dat er iets moest veranderen om de kracht van een chip te vergroten zonder dat dit ten koste ging van de grootte, de kosten of de productiesnelheid. Om dit aan te pakken, hebben onze wetenschappers een wereldprimeur ontworpen. Een technologie die, eerlijk gezegd, zo’n doorbraak is en zo complex, dat er wel wat uitleg bij nodig is.

Een piepklein stadje vol hobbels

Tegenwoordig worden halfgeleiderchips gemaakt met behulp van een van twee verschillende processen. Het eerste is fotolithografie, de traditionele methode, waarbij met behulp van licht ongelooflijk ingewikkelde elektrische circuits als het ware in een siliciumwafer worden gegraveerd. Het tweede is nano-imprintlithografie, een opkomende technologie van Canon waarmee het circuitpatroon heel nauwkeurig wordt ‘gestempeld’ (een beetje te vergelijken met een piepklein wafelijzer!). En hier beginnen de problemen.

Chips zijn krachtiger geworden doordat er letterlijk miljarden minuscule transistors in zijn gepropt. Je kunt je wel voorstellen dat dit voor behoorlijk wat druk kan zorgen, waardoor het oppervlak oneffen wordt. Dit is een groot probleem, want op zo’n onvoorstelbaar kleine chip kan zelfs het allerkleinste oneffenheidje hetzelfde effect hebben als een enorme kuil in een weg. Dus als er de volgende laag circuits bovenop gedrukt moet worden, kan alles frustrerend wiebelig worden.

Doordat moderne chips tientallen van deze lagen boven op elkaar kunnen hebben, is dit probleem tot nu toe aangepakt met technieken als ‘spin coating’. Daarbij wordt een vloeistof aangebracht die een laagje over het oppervlak vormt. Dit wordt vervolgens rondgedraaid om het dun en gelijkmatig te verspreiden en chemisch-mechanisch gepolijst. Daarbij wordt de wafer herhaaldelijk gladgemaakt voordat de volgende laag wordt aangebracht. Maar aangezien alle onderdelen waaruit een chip bestaat – transistors, schakelaars en koperdraadbanen – steeds kleiner worden, zijn die lagen gewoon niet meer nauwkeurig genoeg.

Het probleem oplossen met inkjet-expertise

Ja, je leest het goed – inkjet. Het is geen verrassing dat we op dit gebied ontzettend veel kennis hebben. Heel simpel gezegd hebben we dezelfde technologie die inkt zo mooi op papier spuit deskundig aangepast om het oppervlak van een chip perfect op te vullen. Het werkt als volgt:

Scannen: Eerst wordt er een soort kaart van het oppervlak van de siliciumwafer gemaakt, waarbij de oneffenheden met absolute precisie worden vastgelegd.

Spuiten en vullen: Vervolgens berekent het apparaat, met behulp van de door Canon zelf ontwikkelde inkjet-spuitmondjes, precies hoeveel van een speciale vloeistof er nodig is om de lage plekken op te vullen – de microscopisch kleine ‘kuiltjes’, zeg maar.

Drukken: Tot slot wordt er een platte plaat op de vloeistof gedrukt, zodat de openingen helemaal worden opgevuld. Vervolgens wordt het met behulp van UV-licht omgezet in een stevige hars.

Als de plaat wordt opgetild, is het oppervlak helemaal vlak. Eigenlijk doet die beschrijving gewoon geen recht aan hoe vlak het resultaat is dat deze technologie – adaptieve planarisatie op basis van inkjet – bereikt. Het maximale hoogteverschil op het oppervlak is minder dan 5 nanometer. Als je bedenkt dat een menselijke haar ongeveer 80.000 tot 100.000 nanometer dik is, dan is dat echt ongelooflijk glad.

Maar ja, nanometers zijn misschien niet de makkelijkste eenheid om dit in beeld te brengen, dus laten we het eens anders bekijken. Neem het gladste oppervlak dat je je kunt voorstellen, bijvoorbeeld het scherm van je telefoon, en stel je voor dat het tien mijl breed is, zodat je eroverheen zou kunnen lopen. Je zou ontdekken dat het in werkelijkheid vol zit met heuvels en dalen die zo hoog zijn als huizen en zo diep als rivieren (om daar in het echt een idee van te krijgen, zouden we een superkrachtige microscoop nodig hebben). Stel dat we deze nieuwe technologie zouden gebruiken om de dalen op te vullen en het geheel vervolgens met een gigantische plaat glad te strijken, dan zou de grootste oneffenheid die je zou tegenkomen zo dun zijn als een creditcard.

Vlak, gestapeld en grensverleggend

Door die oneffenheden zo grondig weg te werken, hebben onze wetenschappers een doorbraak bereikt waardoor chipfabrikanten lagen met schakelingen steeds hoger op elkaar kunnen stapelen. Zo ontstaan er architecturen die driedimensionaler zijn dan ooit, zonder dat ze breder worden, waardoor ze nog steeds passen in de technologie die we kennen en waarderen. En dit stroomlijnt het proces, waardoor het ook sneller en goedkoper kan.

Dus, terwijl het grote geheel dat de krantenkoppen haalt, is: 'superkrachtige processors voor de AI, telefoons en supercomputers van de toekomst', zou dit allemaal niet kunnen bestaan zonder een wereld waarin we op zelfs de kleinste details letten. Wij geloven erin dat we onze expertise voortdurend onder de loep moeten nemen en manieren moeten vinden om die in te zetten bij het oplossen van de verborgen problemen achter ’s werelds meest complexe infrastructuren. En daardoor zijn wij vaak de stille kracht achter een aantal van de meest geavanceerde technologieën die je elke dag weer gebruikt.

Je zou zelfs kunnen zeggen dat we de weg naar de toekomst effenen.