Fotojournalist van het ANP in Delftse cleanroom.

Nanoknutselen in de cleanroom van TU Delft

Gepubliceerd op zondag 7 april 2024

Met het Kavli NanoLab en Else Kooi Laboratorium beschikt de TU Delft over twee van de belangrijkste Nederlandse cleanrooms voor onderzoek naar nanochips. De onderzoekers werken meestal in beslotenheid maar op 20 maart was de pers uitgenodigd. Pieter Telleman, directeur van de Delftse cleanrooms: “Nanochips worden gebruikt in steeds meer toepassingen. De ontwikkelingen zijn bijna niet bij te benen. De volgende stap is deeltjes isoleren op atomair niveau op één chip.”

Lente in Delft. De merels fluiten, magnolia’s staan in bloei en studenten fietsen vandaag zonder jas naar college. Maar in de cleanroom van het Else Kooi Laboratorium is van al deze uitbundigheid niks te merken. In deze ultraschone, stofvrije ruimte dringt geen licht of geluid door. Temperatuur, trilling, luchtvochtigheid en elektromagnetische straling worden streng gecontroleerd en de lucht wordt om de paar seconden ververst voor een zo klinisch mogelijk binnenklimaat. Iedereen die naar binnen wil, moet een pak aan, ook journalisten. En niet zomaar een pak. Alles op en aan het vege lijf wordt hermetisch ingepakt en vastgeklikt. “Om te voorkomen dat je haar of huidschilfers achterlaat”, aldus Pieter Telleman, directeur van de Delftse cleanrooms. “Dat is nodig om structuren te maken met de precisie van nanometers.”

Stofzuigers en fietsen
Structuren op nanoschaal zijn gewild in de hele wereld. De snelle ontwikkeling van nanochips is het Dreh- und Angelpunkt in de technologische innovatie van vandaag. Samen met de razendsnelle ontwikkelingen in AI, het toenemende dataverkeer en de introductie van 5G- en 6G-netwerken zal de vraag naar geavanceerde chips verder toenemen, is de verwachting. Ook de EU wil meer chips ofwel ‘semiconductors’ produceren voor gebruik in bijvoorbeeld computers, auto’s, koelkasten, stofzuigers en fietsen. Om Europa concurrerender te laten zijn met Azië, werken de Europese cleanrooms samen. Ook de vijf leden van NanoLabNL zitten daarbij: AMOLF Amsterdam, TU Delft, TU Eindhoven, Universiteit Twente en Universiteit Groningen.

TU Delft stelt haar cleanrooms beschikbaar voor onderzoekers en studenten om nanostructuren te bouwen voor allerlei toepassingen, van biologie tot materiaalkunde en van voedingsmiddelentechnologie tot de medische sector. Te denken valt aan sensoren, nieuwe materialen, organen op chips en micro-elektronica. Het is absoluut precisiewerk en dat manifesteert zich bij de onderzoekers als opperste concentratie. Er wordt weinig gesproken en er is geen muziek. De onderzoekers zijn volledig gefocust op hun inspectieapparatuur. Meer dan vijftig nationaliteiten werken hier aan hun eigen onderzoek of voor multinationals als ASML en Microsoft of start-ups als QphoX en QuantWare. In totaal gaat het om dertig bedrijven in allerlei sectoren. Neem Catharina uit Kroatië. Zij werkt aan nanochips voor zonne-energie. Ze vertelt: “Dit materiaal is sensitief voor licht. De doorzichtige delen laten licht door, de donkere delen niet. Zo kunnen we allerlei patronen maken op dit siliciumschijfje.”

Financiering Nationaal Groeifonds
Telleman: “We gebruiken hier met name silicium-wafers, plaatjes die iets dunner zijn dan een millimeter. Op één wafer passen duizenden chips, die we allemaal simultaan kunnen bekijken. Met AI zal dat straks nog gemakkelijker worden. De apparaten die je hier ziet kosten een paar ton tot zes miljoen euro per stuk. Om de boel draaiende te houden moet er aardig wat geld in gestoken worden. Maar Nederland heeft cleanrooms nodig als we mee willen spelen op de internationale markt. Onze overheid draagt dus een groot deel van de financiering en we hebben geld gekregen voor de cleanrooms in Amsterdam, Delft, Eindhoven, Enschede en Groningen. Uit het Nationaal Groeifonds was er 150 miljoen euro beschikbaar maar het blijft spannend of er straks weer een nieuwe financiële injectie komt. Als er niet wordt geïnvesteerd, zal Nederland zijn koppositie in nanotechnologie, quantumtechnologie en fotonica kwijtraken.”

Een dag na de rondleiding meldt Het Financieele Dagblad dat het Nationaal Groeifonds voorlopig dicht gaat en het onduidelijk is wanneer het weer opengaat. Minister Micky Adriaansens van Economische Zaken heeft besloten tot deze ‘pauzestand’ nadat de Tweede Kamer zich had gekeerd tegen een oproep om het fonds juist overeind te houden. Het lot van het fonds lijkt in handen te liggen van de vier formerende partijen, PVV, NSC, VVD en BBB. Voor de Nederlandse cleanrooms heeft dat overigens pas over een paar jaar consequenties. Telleman: “Zoals het er nu voorstaat hebben we middelen tot 2028.”

Ultrageluid
Vanwege de hoge kosten van een cleanroom is het voor bedrijven bijna niet te doen om er zelf een in de lucht te houden. Het bedrijfsleven draagt dus financieel bij en lift mee met de universiteiten. Telleman: “Vooral in de quantumtechnologie zien we start-ups momenteel groeien als kool. Het liefst zetten zij hun eigen apparatuur neer, zodat ze controle houden over wie welke processen draait. Maar we kunnen niet alles dichtgooien en afsluiten. Dat zou ten koste gaan van het onderzoek en dat willen we niet. De universiteit is een open omgeving en dat moet zo blijven.”

Kwaliteitscontroles tijdens de chipproductie zijn essentieel. In het Nanoacoustics Lab vertelt Associate Professor Gerard Verbiest over zijn onderzoek naar kwaliteitscontrole met geluid. Het concept dat wordt uitgewerkt is volgens Verbiest uniek in de wereld. Samen met onderzoekers van ASML bestudeert hij hoe geluid toegepast kan worden om in een ultrakleine chip te kijken. De onderzoeker: “Bij het nog kleiner worden van chips lopen we tegen grenzen aan. We willen kunnen zien of er geen foutjes in zitten. Als de laagjes niet exact op elkaar liggen, werkt de chip niet. Tot nu toe ging dat controleren op fouten met optische technieken, met licht dus. Daarmee kan de industrie niet veel verder komen en niet kleiner printen. Om er toch naar te kunnen kijken, en de chips te kunnen controleren, ontwikkelen we deze nieuwe ultrageluid-technologie.”

Honderd femtoseconde
Verbiest legt uit hoe hij korte lichtpulsjes gebruikt van honderd femtoseconde. (Dat is tien biljoenste van een seconde, TV) De pulsjes worden geabsorbeerd door een klein metaalfilmpje dat uitzet door thermische expansie. Het pulsje gaat door de oppervlakte van het materiaal de sample in en wordt weerkaatst. Verbiest: “Het pulsje dat terugkomt detecteren we met een tweede korte lichtpuls. Dat is mooi maar we willen in drie dimensies een chip visualiseren. Daarvoor combineren we deze technologie met een atomaire krachtmicroscoop, waarmee we op nanoschaal kunnen visualiseren. De grootste uitdaging is vervolgens hoe we deze twee technieken weer gaan combineren om er een 3D-beeld van te maken. Dat moet uiteindelijk tot betere elektronica leiden.”

Onderzoek op hoog niveau dus. Wat is de volgende stap? Telleman: “Chips worden kleiner en kleiner en in steeds meer toepassingen gebruikt. Nu praten we over dimensies van tien nanometer per transistor maar men is bezig met het isoleren van deeltjes op atomair niveau op één chip. Je kunt die deeltjes bepaalde eigenschappen meegeven. De kleinste deeltjes op een chip controleren voor quantumfotonica, quantumencryptie, quantumcomputers en quantuminternet is de volgende stap. Als we daar AI aan toevoegen, mag je aannemen dat het hard gaat. De snelheid van de ontwikkelingen is bijna niet meer bij te benen.”