De economische noodzaak van snellere chips; De grens van het kunnen komt in zicht

Het maken van steeds snellere chips is een levensnoodzaak voor de halfgeleidersindustrie. Dat is niet alleen een kwestie van laboratoriumwerk: het ontwikkelen van productietechnieken is zo duur geworden dat die niet meer door een enkele producent te dragen. Vandaar dat de industrie, om het vege lijf voorlopig te redden, het eens moet worden over de keus voor één enkele techniek. Als directeur van het ULSI-laboratorium bij Hewlett-Packard weet de Nederlander Hans Stork daar alles van.

In de halfgeleiderssector is het duidelijk waar men heengaat, zo lijkt het. Chips moeten nog kleinere structuren bevatten en er moeten er meer tegelijkertijd kunnen worden geproduceerd. De wafers, plakken silicon, worden steeds groter zodat er meer chips uit kunnen worden gemaakt. Die chips bevatten steeds meer transistors. De contactdraadjes zijn nu 0,18 micron (micrometer) dik en dat moet verder naar beneden tot 0,15, en vervolgens 0,13 en 0,10. (1 micron is 0,000001 meter dus er gaan duizend microns in een millimeter)

“Die 0,10 micron is het enige wat we ons nog kunnen voorstellen”, zegt Hans Stork, directeur van het ULSI Research Lab bij Hewlett-Packard (H-P). “We weten niet hoe het daarna verder moet. Van 0,10 micron zeggen we al: We kunnen het maken maar passen er 1 miljard draadjes op een chip van 2 bij 2 centimeter die we ook nog economisch kunnen produceren? Dat is de grote vraag die de industrie bezighoudt.”

Stork (42) is belast met onderzoek naar de ontwikkeling en toepassing van halfgeleiders van het type Ultra Large Scale Integration (ULSI). Dat zijn de chips met tientallen miljoenen transistoren van de categorie system-on-a-chip. Het zijn in feite minicomputertjes. Stork staat aan het hoofd van een ploeg van ongeveer vijfenzeventig man, die op micronniveau werkt. De chips komen vooral terecht in computers maar steeds vaker krijgen ze ook andere toepassingen. Ze zijn nu ook al te vinden in fototoestellen, ijskasten, kattebakken en in andere apparaten die wij opdracht geven iets voor ons te regelen. “Tweederde van de mensen en middelen hier is gereserveerd voor de nieuwste generatie chips, die van 0,18 micron”, zegt Stork. “De rest houdt zich bezig met toepassingen.” Die toepassingen hebben volgens Stork op dit moment vooral betrekking op gebruik van de chips in digitale beeldopnames. Alles wat met beeld te maken heeft wordt in het bedrijf steeds belangrijker. Hij wijst bijvoorbeeld op de afdeling printers van H-P, die veertig procent aan de omzet bijdraagt.

Hans Storks loopbaan is naar eigen zeggen door toeval bepaald. “Ik was nooit van plan me hier te vestigen maar telkens als de keus kwam of ik hier moest blijven of terug naar Nederland gaan, koos ik voor Amerika”, zegt Stork, die voor hij in 1978 naar de VS kwam elektrotechniek in Delft studeerde met speciale aandacht voor halfgeleiders. “Ik kwam hier voor vier maanden, toen werden het er acht en daarna werd ik toegelaten op Stanford University. Ik haalde mijn doctorsgraad en kreeg een aantrekkelijke baan bij IBM. Toevallig liep ik een paar jaar later wat mensen van Hewlett-Packard tegen het lijf tijdens een conferentie en kort daarop belden ze me op om te vragen of ik hier directeur van het laboratorium wilde worden.” Inmiddels heeft Stork zelf opgroeiende kinderen en dat maakt de keus om in de VS te blijven steeds eenvoudiger. Storks vrouw komt ook uit Nederland zodat ooit nog eens teruggaan niet helemaal is uitgesloten.

Een aanbod in 1995 om na de baan bij IBM weer naar de westkust te komen nam hij gretig aan. Hewlett-Packard is in Palo Alto een buurman van Stanford University dus Stork wist precies waar hij terechtkwam. Stork, die oorspronkelijk uit Soest komt, houdt van de Bay area, het gebied rondom San Francisco en Silicon Valley. “Het is uniek hier”, zegt hij. “Hi-tech is life. Het lijkt wel of iedereen hier in de technologie werkt. Zoveel starters om je heen geeft een dynamisch gevoel en dat maakt het echt een bruisend gebied. Dat loopt ook over in het sociale en culturele leven.” Nadelen zijn er ook natuurlijk. Het leven is duur, het verkeer is druk en de spitsuren worden steeds langer. Stork: “Er zijn natuurlijk ook veel miljonairs. Je hebt de succesverhalen van de Yahoo's, de Marimba's en de Excite's. Ik vond dat al fascinerend toen ik hier studeerde.” Voorlopig bevalt het Stork uitstekend bij H-P.

De halfgeleiderssector staat aan de vooravond van een belangrijke keuze. Welke techniek is de beste voor het economisch rendabel ontwikkelen en produceren van halfgeleiders? “We zitten tegen de grens aan van ons kunnen”, zegt Stork.Dat is voor een miljardenindustrie als die van de halfgeleiders een vaststelling die de zenuwen door de keel doen gieren. Stilstand in het onderzoek zou niet te overziene consequenties hebben. De wet van Moore uit 1965 zegt dat elke achttien maanden de snelheid van chips zich verdubbelt en tot nu toe is die wet altijd geldig gebleken. Zou daar nu een eind aan komen?

“Een pas op de plaats zou een ramp zijn voor de industrie”, zegt Stork. “Alleen al de chipfabrieken, de zogeheten fabs die overal ter wereld zijn verrezen, zijn een gigantische investering. Vijf jaar geleden werd er gezegd dat er maar een handjevol fabs zou komen. Het zijn er nu al tientallen die elk een tot anderhalf miljard dollar kosten om op te zetten.”

Hoe het verder moet met de ontwikkeling van halfgeleiders is het onderwerp van een 'workshop' van Sematech in november, waar alle groten uit de industrie aanwezig zullen zijn. Sematech (Semiconductor Manufacturing Technology) is het industrieconsortium waar alle grote Amerikaanse chipproducenten, zoals bijvoorbeeld Intel, IBM, H-P, Motorola, lid van zijn. Gezamenlijk zullen de deelnemers daar proberen te bepalen welke technieken bij het ontwerpen en fabriceren van halfgeleiders het best te verwezenlijken zijn en bovendien economisch haalbaar. Vanwege de enorme kosten is de industrie gedwongen een keuze te maken.

Stork: “De kosten zijn zo hoog geworden dat het steeds moeilijker wordt die te verantwoorden ten opzichte van de te verwachten omzet. Nu al wordt er steeds intensiever samengewerkt met de fabrikanten van apparatuur voor het maken van halfgeleiders. We willen zeker zijn dat iets werkt voor we er in investeren. Het werken in consortia maakt het mogelijk snel informatie te vergaren. Het delen van onderzoeks- en ontwikkelingskosten wordt steeds belangrijker.”

Hewlett-Packard bijvoorbeeld werkt samen met Intel om een nieuwe chiparchitectuur te ontwikkelen die aansluit op de X86-serie van Intel maar ook op de PA-Risc chips van H-P. Stork mag er verder niets over zeggen maar de technologie bouwt voort op Windows en Unix. De chips zullen vooral zijn bestemd voor zwaardere computers. Een andere afdeling van H-P, de afdeling geïntegreerde circuits heeft een samenwerkingsverband met een bedrijf uit Singapore. Het zijn voorbeelden van uiteenlopende soorten samenwerking. “Je kunt intensief samenwerken en de taken verdelen of je gaat af en toe om de tafel zitten”, aldus Stork.

Tijdens de Sematech-workshop komen er vijf technieken voor het maken van chips ter sprake. Chips bestaan uit een aaneenschakeling van miljoenen transistoren (schakelaars). Hoe meer schakelingen op een zo klein mogelijk oppervlak, hoe sneller de chip. De transistoren worden voornamelijk aan het oppervlak van de siliconenwafers gemaakt, de verbindingen worden in vier, vijf of zelfs zes lagen draadjes op elkaar, boven op het silicon gelegd. Het is uiteraard zaak dat de draadjes elkaar niet raken maar toch steeds kleiner en dunner worden zonder door te branden. De research richt zich in feite op het vinden van technieken om steeds kleinere schakelingen te maken. Op laboratoriumniveau weet men al lang hoe het moet, maar de vraag is of het in de praktijk zal werken. De formatie van transistorelementen en van de draadjes gebeurt met een fotografische verkleining van een 'groot' patroon (masker) op de wafer. Een masker is een glasplaat met een patroon van één laag van de te maken chipschakelingen. Het patroon voor de chiplaag is in chroom op het glas aangebracht. Het licht wordt door het glaspatroon en verkleind door lenzen op een fotolaklaag van de wafer 'geschoten'. Het gefotogafeerde patroon wordt daarna in de onderliggende laag geëtst. De geëtste lijnen worden tenslotte gevuld met een metaal, zoals koper of wolfraam.

De beeldscherpte (resolutie) wordt verbeterd door licht te gebruiken met een kortere golflengte. Rood licht is ongeveer 800 nanometer, blauw licht ongeveer 400 nm (1 nanometer = 0,1 micron). Diep ultraviolet heeft een golflengte van 248 nanometer (0,248 micrometer) en dat is het verst dat met licht gegaan kan worden.

Nog kortere golflengtes hebben andere vormen van straling. Er is elektronenstraling, de meest vertrouwde vorm op dit moment, en in de AT&T laboratoria is daar een variant op ontwikkeld die SCALPEL (Scalable Projection Electronbeam Lithograpy) heet. Nummer drie zijn 'harde' röntgenstralen, veel in gebruik bij IBM, Motorola en bij Japanse bedrijven. Nummer vier, 'zachte' röntgenstralen, ook wel EUV, of Extreem Ultra-Violet genoemd zijn populair bij Intel. Het vijfde alternatief is ionenstraling, dat volgens Stork vooral wordt gepropageerd door Siemens. “Het is de bedoeling van de workshop om een of twee voorkeuren aan te bevelen”, zegt Stork. “Persoonlijk denk ik dat de zachte en harde röntgenstralen hoog zullen scoren, met SCALPEL als een dark horse.”

De voorkeur van Stork wordt ingegeven door de ervaring met de verschillende technieken. Er zijn volgens Stork grote verschillen in de manipulatie van harde of zachte röntgenstralen. Er is veel meer ervaring in de chipindustrie met harde röntgenstralen. De nadelen zijn beter bekend en dat maakt het waarschijnlijker dat die tijdig kunnen worden ondervangen. Stork: “Alle vijf processen werken in het laboratorium. De vraag is welke het snelst en het meest economisch in een volwaardige productie kan worden ingezet. Het is voornamelijk een kwestie van geld en tijd.”

Het lijkt vreemd dat bedrijven onderling gaan afspreken met welke technologie ze hun producten gaan ontwerpen en ontwikkelen. Is dat niet in strijd met het principe van eerlijke concurrentie? Stork ziet dat niet. Volgens hem zijn de kosten om elk van deze alternatieven tot het stadium van productie te brengen te groot om door een enkel bedrijf te worden gedragen. “Bovendien”, zegt Stork, “heeft de industrie standaardisatie nodig om efficiënt te kunnen blijven. Dus je kan zelfs beredeneren dat afspraken op dit gebied meerdere bedrijven in de running houden en daarom concurrentiebevorderend werken.”

Het kan een spannende workshop worden want een duidelijke voorkeur is er nog niet. Stork en zijn collega's van H-P hebben een advies uitgebracht waarin wordt gevraagd om niet naar de verschillen tussen de vijf technieken maar naar de overeenkomsten te kijken. “Zodoende zou er iets meer tijd zijn voordat er een definitieve keuze hoeft te worden gemaakt, want deze heeft vergaande consequenties.” Alles is nog mogelijk: deelnemers kunnen dwarsliggen en er kan grote onenigheid ontstaan.

Een richtingenstrijd is echter wel het laatste waarop men zit te wachten want de tijd dringt. Stork acht het mogelijk dat niet de beste techniek uiteindelijk als winnaar uit de bus komt ten behoeve van een consensus. Over tien jaar kunnen we dan vaststellen dat net als met de standaard voor video en met besturingssystemen voor pc's is gebeurd - dat niet de beste maar de best ogende technologie de standaard is geworden.

Stork ziet in de huidige halfgeleidersindustrie een paar belangrijke verschuivingen, vooral ingegeven door de toepassingskant van de industrie. Tien tot twintig jaar geleden was veel onderzoek in halfgeleiders en technologievormen gericht op defensie en de grote industrie. Hi-tech was duur, het aantal producten was gering en de kosten lagen hoog. Er heeft nu een verschuiving naar de consumentensector plaatsgehad. “De enorme kosten van goed onderzoek vereisen ook marktpenetratie op consumentenniveau”, aldus Stork. “Consumenten zijn veel meer geïnteresseerd in prijs en mode dan bedrijven, die juist letten op kwaliteit en service. We moeten nu twee keer per jaar met een nieuwe generatie producten op de markt komen. Daardoor kun je voor je eindproduct ook niet meer jaren vooruit gaan plannen.”

Vorig jaar was een relatief zwak jaar voor de halfgeleidersindustrie, een knik in de opgaande lijn. Dat had volgens Stork overigens vooral te maken met prijs en niet met omzet. De omzet vertoont een constant stijgende lijn. Een andere oorzaak van de tijdelijk stagnerende groei is dat de elektronische industrie een lange productieketen heeft zodat elke schakel daarin een variabele is die mede de uitkomst bepaalt. Een foute groeiprognose in schakel 1 kan in schakel 20 enorme proporties aannemen omdat elke schakel voor de zekerheid een extra marge in de groeiprognose aanhoudt. Dat maakt de industrie in zijn geheel nogal wispelturig. De halfgeleidersindustrie vertoont dan ook een stijgende lijn die in golfbewegingen gaat. Dat ontlokte iemand de uitspraak: You can not avoid the waves, you can only try to surf them. Stork kan zich daar wat de halfgeleidersindustrie betreft goed in vinden.