5 min

Silicium blijft verbazen: fully-customized chips ontwerpen en produceren

Silicium chiptechnologie biedt verrassende en nog grotendeels onbenutte mogelijkheden voor productinnovatie. Maar dergelijke speciale chips fabriceren veronderstelt een multidisciplinair team en een uitgekiend ontwikkelingstraject.

Vandaag worden de meeste chips ontworpen en geproduceerd met standaard CMOS-technologieën. Toch bieden volledig gecustomiseerde chips vaak verrassende mogelijkheden. Denk aan detectoren voor ultraviolet licht, beeldsensoren met allerlei filters, labs-op-een-chip met microfluïdische kanalen, chips met geïntegreerde fotonica-componenten enz.

Maar dergelijke speciale chips ontwikkelen lukt alleen met een brede, multidisciplinaire expertise. En om concepten en prototypes om te zetten in betrouwbare en op tijd afgeleverde producten die exact voldoen aan de klantenspecificaties heb je een ervaren en goed georganiseerd industrialisatieteam nodig. Haris Osman, bij imec verantwoordelijk voor de ontwikkeling van gecustomiseerde chips, legt uit.

Imec is op wereldschaal een van de belangrijkste laboratoria die grote elektronicabedrijven helpen met hun chipontwikkeling. Dat lukt ons omdat wij constant out of the box denken en voortdurend nieuwe materialen, technologieën en architecturen uittesten. In tegenstelling tot bijvoorbeeld universiteitslaboratoria verliezen wij daarbij nooit de mogelijkheden uit het oog om deze oplossingen betrouwbaar te produceren met technieken en instrumenten die ook gebruikt worden door de industrie.

Op die manier zijn onze wetenschappers erin geslaagd om hun kennis van talrijke domeinen te combineren met de beste manieren om oplossingen te industrialiseren. Door die gebundelde expertise kunnen wij onze partners helpen met fully-customized chips. 

Een belangrijke opdracht was diegene die ASML ons gaf: ASML bouwt de lithografiesystemen waarmee chipfabrikanten de complexe patronen van de hedendaagse chips op nanoschaal op de wafers aanbrengen. Lithografiesystemen van de volgende generatie gebruiken extreem ultraviolet licht (EUV) en bestaan uit meer dan 100.000 innovatieve en meestal unieke componenten. Daar zitten ook beeldsensoren bij die de dosis invallend EUV-licht meten. In 2011 slaagde ASML erin om het prototype van zo’n sensor te bouwen. Maar ze hadden niet de capaciteit om deze sensoren in de vereiste kwaliteit en hoeveelheden te produceren. Bij ASML stond imec bekend als een betrouwbare partner en dus kwamen zij bij ons aankloppen.

 

Ons werk voor ASML is maar één voorbeeld van een trend: steeds meer bedrijven willen speciale chips - dikwijls gaat het om sensoren - voor een specifieke toepassing. Als het om een volledig op maat ontwikkelde chip gaat, waarvoor een multidisciplinaire aanpak nodig is en die in een kleine, maar zeer betrouwbare oplage moet worden geproduceerd, dan is imec een van de enige plaatsen waar dit mogelijk is.

Grabbelen in de toolbox

Om sneller oplossingen voor te kunnen stellen en onze expertise te consolideren hebben wij een aantal platformen ontwikkeld. Het zijn veelzijdige en robuuste “toolboxen” met processen die nog voortdurend worden verfijnd en verbeterd. 

Om een specifieke oplossing voor een klant te ontwerpen combineren onze teams procesmodules uit die platformen om zo tot de beste oplossing te komen. Voorbeelden van dergelijke platformen zijn geavanceerde MEMS-processing, fotonica, microfluïdische technologie, en speciale beeldsensoren en filters.

Een recent voorbeeld van een unieke beeldvormingstoolbox die wij hebben ontwikkeld, is onze TDI CCD-in-CMOS technologie. TDI-beeldvorming (time-delay-and-integration) is een techniek waarbij een object of scène lijn per lijn wordt gescand, een techniek die gebruikt wordt voor bijvoorbeeld industriële inspectie, aardobservatie of andere toepassingen waarbij een object of scène lineair onder de beeldsensor beweegt. Wij hebben die TDI-beeldsensor gecombineerd met charge-coupled-device (CCD)-technologie, de beste en snelste manier om de pixels op te vangen en door te sturen. Maar traditioneel bestaat een volledig CCD-systeem uit een bord met meerdere chips, zoals een CCD-chip, een aansturing en een uitleeschip. Een klassiek voorbeeld dus van een configuratie die veel baat zou hebben bij een doorgedreven integratie op één chip.

Door te steunen op zijn expertise met beeldvorming kon imec een nieuwe oplossing ontwikkelen die CCD-pixels en CMOS-uitleescircuits combineert in één beeldsensor. Deze unieke technologie combineert het beste van twee werelden: de kwaliteitsvolle pixelcollectie en -overdracht van de CCD-technologie en de systeemintegratie, het lage vermogen en de snelle uitlezing die alleen CMOS kan bieden.

TDI imager made with imec's CCD-in-CMOS processTDI-beeldvorming op basis van het CCD-in-CMOS-proces van imec

Met deze nieuwe CCD-in-CMOS-capaciteit kunnen wij klanten nu compacte en supersnelle TDI-oplossingen bieden.

Een andere expertise – microfluïdische kanalen – hebben we gebruikt om een microfluïdische koelingschip te ontwikkelen om hoogpresterende chips te koelen.

In dit koelelement in silicium brengen wij microkanaaltjes aan van 32µm breed en meer dan 260µm lang. Door deze kanaaltjes wordt een koelvloeistof gepompt die meer dan 600W warmte per vierkante centimeter kan afvoeren en die de temperatuur van de eraan gekoppelde chip onder 100°C houdt.

Imec's silicon-based compact microchannel heat sink

Compact koelelement in silicium met microkanaaltjes van imec

Van idee tot prototype tot product

Bedrijven komen naar ons toe met uiteenlopende, maar technisch altijd uitdagende vragen waarvoor ze bij de standaard chipfabrieken geen oplossing kunnen vinden.

Onze klanten willen van ons vooral een antwoord op twee vragen. De eerste luidt: zijn wij in staat om een oplossing uit te werken die beantwoordt aan hun vaak zeer uitdagende vereisten? Vervolgens willen zij weten of wij hen uiteindelijk op tijd de werkende chips zullen kunnen leveren. Hun hele time-to-market staat of valt vaak met de onberispelijke werking van dat ene centraal onderdeel, dat dus op tijd moet klaar zijn. De druk kan soms hoog oplopen.

Daarom hebben wij een industrialisatieteam samengesteld, met mensen die hun sporen hebben verdiend in de industrie. Wanneer het prototype klaar is, neemt het team het proces in handen, om het verder te standaardiseren en een betrouwbare, voorspelbare productie mogelijk te maken. 

Dat hebben wij bijvoorbeeld gedaan voor FEI Company, een filiaal van Thermo Fisher Scientific. FEI, een marktleider in rasterelektronenmicroscopen (SEM), vroeg imec om een elektronendetector te maken die aan hun specifieke ontwerpen en specificaties zou beantwoorden en vooral supergevoelig zou zijn voor elektronen met lage energie. Imec levert aan FEI Company de dies, die zij vervolgens integreren in hun elektronenmicroscopen, zodat die hogere prestaties leveren en betrouwbaarder worden.

SEM microscope by FEI Company

Rasterelektronenmicroscoop van FEI Company

Talrijke disciplines, sterk engagement

Veel van onze partners zijn verticaal geïntegreerde bedrijven. Op hun domein zijn zij absolute topexperts, maar ze hebben niet altijd de mogelijkheden om een innovatief idee tot een volledig afgewerkt product te ontwikkelen. Met onze multidisciplinaire teams kunnen wij echt unieke oplossingen uitwerken, bijzondere technologische combinaties om heel specifieke problemen op te lossen.

Er is nog meer dat imec uniek maakt. Klanten vinden bijvoorbeeld alleen bij ons een geavanceerde 200mm én 300mm CMOS proeflijn (ook uitgerust voor MEMS-productie en 3D-integratie) die de verwerkingscapaciteit en kwaliteit van een foundry combineert met de flexibiliteit van een lab. Wij bieden klanten een installatie die perfect in staat is om veeleisende, op bestelling ontwikkelde chips betrouwbaar en op tijd in een kleine oplage te produceren.

 

Meer weten?

Over Haris Osman

Haris Osman heeft dertig jaar ervaring in de chipsindustrie. Voor hij in 2008  bij imec kwam, was hij aan de slag bij vooraanstaande chipbedrijven in Azië, verantwoordelijk voor de ontwikkeling, product engineering en yield management. Bij imec is Haris Osman verantwoordelijk voor het managen van het exploratorische onderzoek, de ontwikkeling op maat, en de productie in kleine volumes. Hij heeft daarvoor een aantal praktijken uit de industrie naar imecs R&D-omgeving overgebracht. Haris Osman is hoofd van twee imec-departementen: Derivative Technologies, met de focus op exploratorische onderzoek, en Specialty Components Development, waar de gecustomiseerde chips worden ontwikkeld.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies