Chipteknologi

Mikrochips er blevet en nøgleteknologi i det digitale samfund. Danmark har brug for stærke forskningsmiljøer og storskala renrum til chipproduktion for at kunne udvikle fremtidens nano- og mikrochips.

For at udvikle og fremstille chips skal man arbejde med maskiner, der er ultra præcise på nanoskalaniveau og i et miljø fri for støv og forurening. DTU´s renrum spiller i den forbindelse en central rolle som innovationsfacilitet. — Fremstilling af mikrochips stiller høje krav til et partikelfrit miljø. Det Nationale Center for Nanofabrikation og – karakterisering på DTU er en af de største universitetsejede renrumsfaciliteter i Europa.

I en tid, hvor digitalisering betyder mere og mere for samfundsudviklingen, og hvor vi er afhængige af stabilitet i en lang række kritiske funktioner, er der en ganske lille ting, som er blevet helt essentielt for os, nemlig mikrochippen.

Der er fortsat behov for udvikling af de teknologier, der anvendes i forbindelse med chipproduktion. Der er også behov for fortsat forskning, innovation og uddannelse på området.

Verden bliver mere og mere digital, og chippen er den digitale verdens råstof. I takt med, at store dele af verden i stigende grad baserer sig på eksistensen og en fortsat levering af mikro- og nanochips, bliver chipteknologi en vigtig ingrediens. Vores energisystemer, sundhedsvæsen, kommunikationssystemer, betalingsformer, industri, produktion og service er i vid udstrækning baseret på it, der anvender chips.

I de senere år er der opstået mangel på chips til industrien. Man taler om en chipkrise. Den krise kan DTU ikke afhjælpe, men i kraft af universitetets unikke faciliteter kan DTU være med til at forske, uddanne ingeniører og udvikle nye prototyper og løsninger på chipudfordringen.

Danmarks rolle som chipproducent

Den store produktion af masseproducerede chips til f.eks. mobiltelefoner og computere foregår primært i Asien og USA. Chipfabrikker til masseproduktion koster milliarder af dollars, da fabrikationen er så omfattende og krævende. I Europa og ikke mindst i Danmark er der mere fokus på fremstilling af specialudviklede chips til nicheområder som f.eks. styring af cirkulationspumper fra Grundfos, Optiske chips til analyse af øjensygdomme eller særlige sensorer til måling af drikkevandskvalitet.

Her har DTU´s renrum ofte spillet en central rolle som innovationsfacilitet.

DTU og chipteknologi

Faciliteter, der lever op til disse ekstremt høje standarder, findes normalt kun i industrien og store organisationer – men som noget unikt findes de også på DTU i Det Nationale Center for Nanofabrikation og – karakterisering, som er en af de største universitetsejede renrumsfaciliteter i Europa.

DTU Nanolab råder over avanceret teknisk udstyr og er et af de få universiteter med et ISO 9001-certificeret kvalitetsstyringssystem for et renrum. Ved hjælp af DTU Nanolabs faciliteter kan man gå fra forskning direkte til industriel produktion. DTU er åben for virksomheder, som kan udvikle, prototype og modne deres produkter i vores facilitet.

Robotdrevet wafer-håndtering garanterer høj gennemstrømning og dermed hurtig skalering til små serieproduktioner.

Eller tag vores avancerede Dyb UV-stepper, som er udstyr, der kun er tilgængeligt ved nogle ganske få universiteter verden over. En af dem er EPFL i Schweiz, en af vores partnere i EuroTech Universities Alliance.

Hvad er en mikrochip?

En mikrochip er en samling af elektroniske kredsløb på et lille fladt stykke silicium. Disse elektriske kredsløb indeholder transistorer. Transistorer er små elektriske kontakter, som styres ved andre små elektriske kontakter – andre transistorer. Når mange transistorer er forbundet med hinanden og kan tænde og slukke hurtig nok, kan man bygge en computerchip eller mikroprocessor.

For at lave sådan en transistor, skaber man små mønstre på en siliciumskive og tilføjer og fjerner materialer, så der opstår en multilagsstruktur. Derefter skaber man elektriske forbindelser med en tynd stribe af metal til de forskellige dele af strukturen.

Man anvender silicium på grund af de elektriske egenskaber, men også fordi der er nok af det, og det er billigt. Det udvindes fra almindeligt sand, som består af siliciumdioxid. Ved at smelte sandet, fjerne ilten og rense det grundig, får man ren silicium.

Silicium kan optræde som halvleder, hvis materialets elektriske egenskaber ændres med små mængder af andre grundstoffer (typisk bor eller fosfor). I nogle tilfælde vil silicium så opføre sig som en elektrisk leder og i andre tilfælde som en isolator. Om det er det ene, eller det andet kan man styre elektrisk. Dermed kan man tænde og slukke for elektrisk strøm med (en anden) elektrisk strøm.

Mikrochip til f.eks. mobiltelefoner eller computere følger en udvikling, hvor de bliver mindre og mindre og kan yde mere og mere.

Ved at gøre transistorerne mindre, kan man producere rigtig mange af dem uden at bruge flere materialer. Dermed bliver prisen per transistor billigere. Jo flere transistorer der er på samme areal, jo større er regnekraften pr. mikrochip, og jo mere kan strømforbruget optimeres.

Men udviklingen betyder samtidig, at de maskiner, der anvendes til fremstillingen af mikro- og nanochip, bliver betydeligt mere komplicerede. Det kræver ekstrem præcision, når vi kommer op på milliarder af transistorer per kvadratcentimeter.

Hvordan laver man mikrochips?

Arealet, der skal bruges til en enkelt transistor, er formindsket mange tusind gange i løbet af de seneste 35 år. Nu kan vi lave chips med enorm regnekraft, som indeholder mange milliarder transistorer.

Strukturerne er blevet så fine, at vi er nede i atomare dimensioner. Derfor er det blevet kompliceret at bygge en chipfabrik. Vi skal have maskiner, som kan styre strukturer, der er få hundrede atomer store, og vi skal tilføje materialer med en tykkelse på ganske få atomlag. Det stiller også krav om at der ikke må være rystelser i de lokaler, hvor der bliver produceret chips, og til de temperaturudsving maskinerne udsættes for.

Transistorerne på en moderne mikrochip er ca. 10 nanometer (en nanometer er en milliardtedel meter). Det er meget svært at forstille sig, men med bogstaver på 50 nanometer kunne man trykke hele bibelen ca. 2.000 gange på overfladen af et riskorn.

Når man skal lægge flere lag oven på hindanden, skal de enkelte lag ramme meget præcist. Den allermindste rystelse gør det umuligt. Og temperaturen skal være stabil. Hvis bare temperaturen stiger én grad celsius, bliver chips på 1 centimeter ca. 50 nanometer større, og dermed vil det næste lag ramme skævt.