Ik doe spreekbeurt over pc voor chemie, ik zoek nu welke chemische stoffen er in de pc zitten!

Antwoord

Beste Thomas,

In een computer zitten heel wat meer dan een moederbord, chips enz.   Om het verhaal begrijpbaar en niet te uitgebreid te houden, zal ik het houden op de computerchip (bepaalt hoe snel je pc werkt).  In mijn dagelijkse bezigheid werk ik op het meten van metalen en reinigen van metalen van het chipoppervlak, om zo de werking ervan te verbeteren. In een chip in de computer zitten zowat alle elementen die je in de tabel van Mendeljev kunt terugvinden. Ik heb een figuur toegevoegd van een chip, en op bijhorende tabel staan alle metalen omcirkeld die erin aanwezig zijn.  Daar zullen we stap voor stap door proberen te gaan.  Een computerchip wordt gemaakt op een silicium (Si) substraat, wat wij een wafer noemen. Misschien heb je ooit al van Silicon Valley gehoord? Daar is een grote bron aan Si materiaal, en is de amerikaanse chipindustrie begonnen (Intel, IBM, ...).  Momenteel komt dit Si van een strand in Australie, omdat dit zuiverder is. 

Om te begrijpen hoe en waarom de verschillende materialen worden gebruikt, moet je eerst een beetje weten over hoe een chip werkt.  Eigenlijk gaat het allemaal omtrent 1en en 0en. Als je bvb een letter typt, dan bestaat die eigenlijk uit een door de computer gekende combinatie van 1 en 0. En die 1 en 0 wordt gegenereerd door de chip die respectievelijk aan (1) en uit (0) gaat. Op de bijgevoegde figuur staat in het midden een chip/transistor. En op bijgevoegde link kun je zien hoe een transistor werkt. Je moet maar eens beide potentialen naar boven schuiven, dan kun je de stroom zien, wat gelijk staat aan 1. Dus door potentiaal aan en uit te zetten, krijg je een 1 en een 0. En hoe sneller dit kan gebeuren, hoe sneller je pc werkt. 

de industrie wordt gedreven door steeds snellere transistors te maken, denk maar aan pentium 1 van vroeger en de quadcore van nu. Om deze sneller te maken, worden er constant nieuwe materialen geintroduceerd. Het waarom van deze materialen zou ons te ver in de ingenieurswetenschappen leiden, maar ik zal een kort overzicht geven.

Vroeger was een chip opgebouwd uit Si (1954).  in eerste instantie werd er doping geintroduceerd, dit onder de vorm van As, P, In en B.  waardoor er een betere geleiding is van de electronen en een grotere stroom kan gevormd worden.  een ander materiaal dat gebruikt wordt is het oxide van Si, SiO2, wat een als een barriere kan gebruikt worden, hier kunnen geen elekronen door vloeien. 

in de 90's werden er nieuwe materialen geintroduceerd ter vervanging van dit SiO2; HfO2 en ZrO2 zijn daar de belangrijkste elementen van. Zie ook naar bijgevoegde figuur hierover. Ook enkele lanthaniden worden hiervoor gebruikt. 

Op dit moment wordt ook het substraat vervangen. Momenteel is alles gemaakt en gegroeid op Si, in de toekomst zal dit ook gebeuren op Ge, GaAs (Gallium arenside), Indium Phophide (InP). Deze materialen geleiden nog sneller de electronen, wat zorgt voor een snellere 1 en 0 vorming. 

Tenslotte moet deze chip nog ingepakt worden, tot de chip die in je pc zit. Daarvoor moet het mogelijk zijn de chip te connecteren naar een stopcontact als het ware. Daarvoor worden koperen (Cu) baantjes gemaakt (zie blauw op de figuur). Dit materiaal mag echter nt in het Si dringen, dit doodt je chip. Daarom wordt deze stap in een aparte fabriek uitgevoerd, waar enkel Cu baantjes gemaakt worden. 

Omdat Cu zo gevaarlijk is voor de chip, wordt ook dit materiaal vervangen, vroeger door aluminium, tergenwoordig wordt lood of ruthenium gebruikt. 

Zoals je dus kan zien worden zowat alle elementan van de tabel gebruikt, enkel en alleen al in een chip. En heb je hiermee al een mooi verhaal.

Ik heb je nu een verhaal verteld over de verschillende materialen die gebruikt worden in het maken van een chip.  Als je meer info wil mag je me altijd contacteren. De reden waarom je hier zelf niet veel over terugvindt, is omdat bedrijven geheim willen houden hoe ze hun chips maken. 

Als toemaatje heb ik ook nog een film toegevoegd van Intel dat je kan gebruiken tijdens je spreekbeurt.  Dit filmpje laat een Si wafer zien in het begin, waar verschillende chips opliggen die ingepakt zijn met Cu (Cu interconnects). daarna wordt er verder ingezoomd op de transistor die gemaakt is voor het inpakken.  Kijk daarbij ook eens naar de breedte van die transistor, 2000x kleiner dan een menselijk haar. Daarbij kun je ook zien dat het oude SiO2 vervangen is door meer recente materialen als Hafniumoxide en zirconiumoxide (de zogezegde high-k materialen : hebben een grotere capaciteit)

Over ram geheugens en de werking daarvan ben ik zelf niet zo goed op de hoogte. Als je nog meer info wil hieromtrent, dan kan je altijd bij imec terecht; zie bijgevoegde link. Imec is 's werelds grootste onderzoeksinstelling naar chips/halfgeleiders en is gevestigd in Vlaanderen (Leuven). De chips die binnen een aantal jaar in je pc zitten, zijn hier ontwikkeld. Wij werken samen met bedrijven als Intel, TSMC, Panasonic, Sony, Micron...  7 van de 10 grootste halfgeleiderbedrijven zitten mee in onze instelling. De chip die in je playstation zit, is hier ontwikkeld :). Maar ook de chip die in je lichaam ingeplant wordt, wordt momenteel hier ontwikkeld.    Kijk voor meer info op onze site en de bedrijfsfilm (zie bijgevoegde links).  Zelfs als scheikundige (mezelf) kan je hier mooi onderzoek komen doen. Als je meer info wil, contacteer gerust imec.  Wij geven ook rondleidingen aan scholen.

Veel succes met de spreekbeurt, je mag ze altijd doorsturen.

met vriendelijke groeten

Nick

nick.valckx@imec.be