De afgelopen jaren is er steeds meer aandacht voor de zogeheten semiconductor-industrie. In het Nederlands noemen we het halfgeleiders. De koersen van bedrijven in de halfgeleiderindustrie zijn het afgelopen jaar extreem gestegen. De nieuwsberichten over het tekort aan chips vliegen om je oren. De laatste tijd is ons duidelijk geworden dat de semiconductor-industrie extreem winstgevend kan zijn.

Van wat een chip precies is tot chip designers en machinemakers, het is best handig voor jonge beleggers om te snappen hoe deze groeiende industrie precies werkt. In deze industriespecial duiken we in het complexe productieproces van chips, de betrokken bedrijven en de geopolitieke issues die de industrie beïnvloeden.

Wat is een Chip?

Een chip is een stukje halfgeleider met daarop schakelingen die iets kunnen doen. Bijvoorbeeld berekenen, onthouden of versterken. Een elektronische schakeling, bijvoorbeeld een transistor op halfgeleidermateriaal zoals silicium. Deze schakeling kan door middel van stroom beinvloedt worden. Denk aan een rekenmachine: de invoer bestaat uit de getallen. Die gaan naar de chip, die de berekening uitvoert, die uitvoer wordt zichtbaar op het scherm. Onthouden is bijvoorbeeld een USB stick, daar zit een geheugenchip in. Maar ook versterken en verzwakken van signalen kan met chips bijvoorbeeld in een stroomomvormer. Chips zijn vaak, maar lang niet altijd, digitaal.

Overigens is niet alles in de halfgeleiderindustrie een chip. LEDs en veel LASERs zijn ook halfgeleiders.

De Geschiedenis van de Chip

Hoewel het eerste integrated circuit (IC) volgens mij ergens eind jaren 40 al bestond, gaan de credits vaak naar Kilby en Noyce voor de eerste IC dat op grote schaal te maken viel. Dit was eind jaren 50 / begin jaren 60. Noyce zou in 1968 ook samen met Gordon Moore in Californië het bedrijf Intel oprichten. Diezelfde Moore was een paar jaar eerder ook al opgevallen door zijn observatie dat er iedere 12 maanden een verdubbeling van het aantal schakelingen op een chip plaatsvindt. Dat was nooit bedoeld als een nauwkeurige voorspelling, maar bleek enorm accuraat te zijn. Het werd zelfs een drijfveer, als doel voor de industrie om te halen. Deze observatie is nu bekend als “Moore’s Law”.

De Industrie: Een Overzicht

De gehele productieketen bestaat uit diverse onderdelen waarbij de meeste bedrijven in de sector zich focussen op één bepaald onderdeel van het gehele productieproces. Elke stap wordt weer door een andere onderneming verzorgd. Hieronder een kort overzicht van de belangrijkste spelers en hun rol in de keten:

  • Chip design: Bedrijven die de lijntjes zo tekenen dat uiteindelijk met een chip iets nuttigs gedaan kan worden. Denk aan Qualcomm, Broadcom, AMD, Nvidia en NXP.
  • Chip manufacturing: Het omzetten van een chip design, of tekening in een tastbaar product. Het maken van de chip. Denk hierbij aan bedrijven als Intel, TSMC, Samsung, SMIC, GlobalFoundries, Micron en Texas Instruments, etcetera.
  • Chip manufacturing supplier: Dit zijn toeleveranciers voor de Intel's, TSMC's en de Samsung's. Denk hierbij aan bedrijven die machines maken zoals Tokyo Electron, ASMi en ASML maar ook aan bedrijven die de chemicaliën aanleveren zoals Dow Corning.
  • OEM (Original Equipment Manufacturer): Dit zijn de merken die in de winkel liggen. Apple, Dell, Hewlett-Packard maar ook Tesla, Ford, IBM en duizenden andere merken die chips gebruiken in hun producten.

De productie van halfgeleiders is een mondiale aangelegenheid. Kort overzicht hoe de keten werkt.

  • Machine's: Applied Materials, KLA-Tencor, ASML en ASM International (ASMI)
  • Grondstoffen: DuPont (Dow Chemical samengevoegd) en Tokyo Ohka Kogyo
  • Software: Synopsys en Mentor Graphics
  • Design en productie: Intel, Micron en Texas Instruments
  • Alleen design: Broadcom, Qualcomm en Nvidia
  • Alleen productie: TSMC, SMIC en GlobalFoundries

Wat hierbij opvalt: de Nederlandse bedrijven staan vooral aan het begin van de keten en heeft geen enkele relatie met de eindklant. Dit is naar mijn idee ook de reden waarom bijna niemand uit Nederland deze bedrijven kent. Wat best gek is, ASML staat in de top 20 van grootste bedrijven in de wereld!

Hoe Wordt Een Chip Gemaakt?

Computerchips maken is niet eenvoudig. Onderstaande de hoofdstappen van een chip:

  1. Design: De tekening ziet eruit als een doolhof. Het is een aaneenschakeling van “poorten” of “gates”. Sommige kennen we wel zoals AND en OR. Maar ook XOR, XAND en veel complexere gates zijn mogelijk. Het lijkt op het programmeren van software, behalve dat het hardware is: de functie kan niet veranderd worden na productie.
  2. Fabrikage: Het proces “from sand to gold”, vrij letterlijk. Het begint met uiterst puur zand en eindigt met gouden draadjes aan de uiteinden te zetten voor de Externet communicatie. Het klinkt natuurlijk ook leuk omdat je er zoveel geld mee kan verdienen. Een fabriek kan van enkele miljarden tot tientallen miljarden kosten en is soms in een half jaar tot een jaar terugverdiend. Uiteraard ligt het er wel aan op welk moment in de cyclus de fabriek volledig operationeel draait. Een volledige productielijn kan snel zijn waarde verliezen over jaren.
  3. Verpakking: Het pure silicium moet nu in een keramische verpakking komen met van die typische processor pootjes eraan. Het Nederlandse bedrijf BEsi houdt zich hier bijvoorbeeld mee bezig.
  4. Original equipment manufacturer (OEM): Apple duwt de chips dan in Macbooks en iPhones en Sony in de Playstations. Maar ook Miele koopt een chip in voor de wasmachines.
  5. Silicium smelten: Silicium (oftewel, puur zand, 99.9999999%) smelten en een enkel kristal van maken.
  6. Wafers slicen: Lange staaf van 300mm doorsnee, slicen in “wafers” - soort pannenkoek van kristal zand.
  7. Polijsten: Polijsten, ultraplat: ter grootte van Nederland, dan is de hoogste berg vele malen kleiner dan een zandkorrel.
  8. Photoresist toevoegen: Toevoegen van photoresist, belichten, develop (baking, rinsing and such) en etch.
  9. Herhaling: Herhaling, dan krijg je een stapeling van laagjes. Soms wel meer dan 30.
  10. Dicing: Grote wafers in individuele chipjes opknippen (dicing).
  11. Packaging: Packaging.

Wat simpel en elegant lijkt op grote schaal, is van enorme impact als je het uitvergroot. Een kleine trilling ziet eruit als een aardbeving. Temperatuurverschillen van milliKelvin of duizendste van een graad zorgen ervoor dat de ene kant van de wafer kleiner is dan de andere kant. Zelfs een minimaal verschil kan van grote invloed zijn als je over nanometers praat. Dat maakt het zo moeilijk.

In de simpelste vorm schijn je met een lamp op een negatief (of positief) en ets je de schaduw weg. De rest is allemaal compensatie voor invloeden van buitenaf. Machines die zweven in de lucht, luchtdruk die constant gehouden moet worden, temperatuur controle maar ook als er een vuiltje is, hoe voorkom je dat? Maar ook, hoe ga je daarmee om?

De afgelopen 2 decennia gebruikte we een laser om alle lijntjes recht te houden. Vroeger was dat gewoon een kwiklamp met een filter. Voor Extreem Ultraviolet Lithografie (EUV) is een laser niet meer mogelijk en is er een apparaat vele malen groter dan de eerste machines. Alleen al voor het licht te maken!

Dit hele process duurt maanden. Als je er na 3 maanden productie achter komt dat er in het begin iets fout ging, ben je 3 maanden productie kwijt. Daarom wordt er ook zoveel gemeten in het hele process. Bedrijven zoals KLA-Tencor maken microscopen of SEM’s die op atoomniveau kunnen kijken hoe de chip eruit ziet.

Een menselijke haar heeft een dikte van 50.000 tot 100.000 nanometers. Chips worden gemaakt op enkele nanometers. Kan je het voorstellen?

Verschillende Soorten Chips

De meeste mensen denken misschien dat alle chips hetzelfde zijn maar niks is minder waar, er zijn vele soorten chips.

Elke chip heeft weer zijn eigen functie en wordt op zijn eigen manier geproduceerd. Bijvoorbeeld memory vs logic en high-tech vs low-tech.

  • Memory: heel veel van hetzelfde
  • Logic: iedere laag is anders

Overzicht van de Hele Keten

  • Fabriekinkoop: ingots of wafers, high-tech chemicaliën
  • Machines:
    • track (Tokyo ELectron, Sokudo)
    • Waferstepper (ASML, Canon, Nikon, Ultratech)
    • laser/lichtbron (cymer, gigaphoton)
    • Etch (LAM, hitachi)
    • Chemical vapor deposition
    • Complexe fab automation system
    • Metrologie / statistic process control
  • Na de laatste belichting
  • Dicing (DISCO)
  • Packaging
  • Naar de OEM (bv Apple, Nokia, Philips), of nog een tussenstap

Chips worden in allerlei industrieën gebruikt, tegenwoordig kan je wel zeggen overal. Loop maar een rondje in je huis, het zit vol met chips. In de meeste apparaten zit er wel meerdere.

  • Auto: niet alleen electrische maar fossiele en vrachtwagens zitten vol met techniek
  • Telecom: 4G/5G, routers, switches
  • Computers: chips, geheugen
  • Huishoudelijk apparaten: magnetron, tv, klok, wasmachine
  • In het verkeer: verkeerslichten, trein wissels, matrixborden
  • Passen: bankpas, OV-chipkaart, credit card

De Sleutelspelers in de Chipindustrie

De markt voor WFE-apparatuur is sterk geconsolideerd. Voor vrijwel elke stap in het productieproces zijn er maar één of twee dominante leveranciers. Hieronder een overzicht van de belangrijkste spelers:

Stap in het productieproces Marktleider Marktaandeel (ongeveer)
Laagjes bouwen Applied Materials 50%
Fotolak aanbrengen Tokyo Electron 90%
Patronen projecteren ASML 90% (in lithografie)
Snijden, reinigen en polijsten Lam Research 40% (in etsen)
Kwaliteitscontrole KLA 55%

De Rol van Nederland in de Chipindustrie

Nederland produceert zelf amper chips, maar is wel de kraamkamer geweest van de wereldwijde chipindustrie. Zonder ASML, ASMI en BESI zou de chipindustrie zoals die nu bestaat er niet zijn en de technologische vooruitgang er anders uitzien. Dat is geen toeval, maar het resultaat van decennia aan technologische samenwerking, risico en specialisatie.

Zo begon ASML als spin-off van Philips. Het Eindhovense conglomeraat stootte de chipmachinemaker in 1984 af, in een 50/50 samenwerkingsverband met ASMI. Philips stond ook al aan de wieg van TSMC. Dat verhaal begon in 1987 als een samenwerking tussen de Eindhovenaren en de Taiwanese overheid.

Ook ASMI en BESI hebben wortels in dit ecosysteem. ASMI, inmiddels de zesde speler wereldwijd in chipapparatuur, is marktleider in atomic layer deposition (ALD). BESI richt zich op zijn beurt op het allerlaatste deel van het proces (in jargon: back-end): het verpakken van de chip (na stap 5).

Waar Gaat de Chipindustrie Naar Toe?

Er is een grote economische strijd gaande tussen de oude wereldmachten zoals Europa en Verenigde Staten, en de opkomende zoals China. De Verenigde Staten hebben lange tijd niet voldoende aandacht gehad voor de dominante positie die ze China gaven door alle productie daarheen te verplaatsen. Nu willen de Verenigde Staten voorkomen dat China van “goedkope arbeid” naar “marktleider” gaat. Daar zijn ze flink laat mee.

labels:

Zie ook: