Chips zijn niet meer weg te denken uit onze maatschappij. Ze zitten in smartphones, televisies, camera’s, koelkasten, ovens, auto’s, elektrische fietsen, medische beeldapparatuur, zonnepaneelsystemen en creditcards. Nederland heeft door fors te investeren een voorsprong opgebouwd in hoogwaardige chiptechnologie. Universiteiten en kennisinstellingen spelen een cruciale rol met hun specialistische kennis en labs. Op de drie TU’s (Delft, Eindhoven, Twente) wordt onderzoek gedaan op fundamenteel niveau en worden innovaties getest. In Delft verrichten wetenschappers vooral fundamenteel onderzoek, gericht op het eerste bouwsteentje.
Volgens dr. Pieter Telleman en prof.dr. Kofi Makinwa zullen de toepassingen van chips alleen maar toenemen. Beiden werken op de TU Delft, Makinwa als hoofd van de afdeling micro-elektronica (faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica) en Telleman als hoofd van de campus cleanrooms. Richten zij zich op het ontwerp en de productie van chips, de faculteiten Mechanical Engineering en Technische Natuurwetenschappen houden zich bezig met de ontwikkeling van nieuwe materialen en productietechnieken voor de chipsindustrie. Dankzij dit samenspel is de universiteit een belangrijke speler op het wereldtoneel van chiptechnologie.
Onderzoekers in het Kavli Nanolab.
© Marieke de Lorijn
Chipproductie in cleanrooms
Op een chip kunnen tegenwoordig miljarden transistoren zitten. Ze worden eerst ontworpen van achter de computer. In de cleanroom wordt vervolgens met het chipontwerp een dunne ronde wafer van silicium, die is voorzien van een lichtgevoelig laagje, op de gewenste plekken belicht. Op de plekken waar het plastic filmpje door dit fotografisch proces verdwijnt, worden materialen zoals goud, aluminium of silicium in laagjes toegevoegd om de uiteindelijke functies van de chips te realiseren. In de cleanrooms van de TU Delft gebeurt deze opbouw met een nauwkeurigheid van eenduizendste millimeter, de grootte van een bacterie. Een enkele wafer levert tienduizenden chips op die in grootte variëren van 1 mm2 tot 1 cm2. De cleanrooms zijn stofvrij dankzij overdruk en luchtfilters. Ze moeten ook vrijwel trillingsvrij zijn en beschermd zijn tegen elektromagnetische straling om verstoringen van de productie te voorkomen.
Samenwerking in NanoLabNL
De TU Delft heeft twee cleanrooms voor het maken van chips. Het Kavli Nanolab is vooral voor fundamenteel onderzoek en het Else Kooi Lab is meer gericht op productontwikkeling. Telleman licht toe dat vanwege deze moderne laboratoria zowel academici als bedrijven uit binnen- en buitenland hier onderzoek en productontwikkeling doen. “Onder die bedrijven zitten bijvoorbeeld giganten als ASML maar ook start-ups van vaak oud-medewerkers van de TU Delft.
Onder de naam NanoLabNL werken we nauw samen met de cleanrooms van de universiteiten van Twente, Amsterdam, Groningen en Eindhoven. Omdat de bouw en het onderhoud van cleanrooms erg duur is,stemmen we af welke universiteit wat doet om samen tot een hoger plan te komen. Een probleem is dat ons onderzoek te afhankelijk is van de instroom van knappe koppen uit het buitenland. Dit conflicteert met ons streven om kennisveiligheid te garanderen.” Telleman benadrukt dat technologieontwikkeling essentieel is voor de economie van Nederland. “We worden helaas steeds meer geconfronteerd met schaarste op de arbeidsmarkt, mede door beperkingen op de instroom van niet- EU-kandidaten. Dit heeft invloed op ons vermogen om met onderzoek en innovatie belangrijke maatschappelijke problemen aan te pakken.”
Academici en bedrijven uit binnen- en buitenland doen onderzoek in de moderne Delftse cleanrooms
In ruimtes waar met fotolithografie wordt gewerkt, is het licht geel, omdat dat proces gevoelig is voor UV en blauw licht.
© Marieke de Lorijn
Dr. Gerard Verbiest doet chiponderzoek met geluidsgolven (foto ter illustratie, komt niet in het verhaal voor).
© TU Delft/Studio Wavy
Delft en quantumtechnologie
In Delft ligt de focus onder andere op quantumtechnologie. Wereldwijd – met Delft in de voorhoede – wordt gewerkt aan een quantumcomputer, waarvan de verwachting is dat hij zeer snel berekeningen kan uitvoeren. Dit kan handig zijn bij bijvoorbeeld ingewikkelde weersvoorspellingen of het berekenen van verkeersstromen. De chips van quantumcomputers werken niet met de gangbare transistoren maar gebruiken de quantumeigenschappen van elementaire deeltjes zoals atomen, elektronen of fotonen. Telleman vertelt dat Nederland mede dankzij investeringen van het Nationaal Groeifonds in Quantum Delta NL – een nationaal centrum dat in Delft is gevestigd – een wereldspeler is op het gebied van quantumtechnologie. “Er zijn al verschillende start-ups die het quantumeffect op een chip proberen te commercialiseren. Deze ontwikkeling vergt nogal wat. Zo’n chip functioneert vooralsnog alleen bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt van 0 graden Kelvin. Dat is -273 graden Celsius.”
Goedkoper, zuiniger en toegankelijker
Naast de quantumtechnologie gaat de ontwikkeling van chips met transistoren gewoon door, benadrukken Telleman en Makinwa. Als voorbeeld noemt Makinwa draadloze communicatie, waarvan de toepassingen alsmaar toenemen. “Denk aan wifi en bluetooth. Met nagenoeg dezelfde techniek kun je bijvoorbeeld radarsystemen voor auto’s maken. Nadeel is dat het energieverbruik van draadloze communicatie ook toeneemt. Dat bedraagt nu al enkele procenten van het mondiale energieverbruik. Wij proberen chipsystemen te bouwen die veel energiezuiniger zijn.”
Zelf houdt Makinwa zich vooral bezig met de ontwikkeling van microsensoren die fysieke en chemische eigenschappen van hun omgeving kunnen detecteren en meten. De toepassingen zijn legio. De industrie kan die bijvoorbeeld inzetten om productieprocessen te controleren, in auto’s kunnen dergelijke sensors de bandenspanning of het stroomverbruik van de batterij in de gaten houden en weerstations met microsensoren zijn in staat temperatuur, luchtdruk, vochtigheid en windsnelheden te meten. Makinwa, die in Ghana is geboren, zegt dat niet alleen westerse landen profiteren van draadloze communicatie en microsensoren. “Weerstations zijn uiteraard heel belangrijk voor ontwikkelingslanden. Ook mobiele telefonie – de huidige smartphones beschikken al over zo’n twintig sensoren – heeft daar een hoge vlucht genomen. In plaats van bedrading naar ieder huis hoef je nu alleen basisstations te plaatsen waardoor ook afgelegen dorpjes bereikbaar zijn.”
‘Dergelijke chips kun je gebruiken om nieuwe medicijnen goedkoper, sneller en dierproefvrij te testen’
Met de Estrellas Deep trench ICP etcher worden in het Kavli Nanolab through wafer vias gemaakt. Via’s zijn gaten van 50-100 micrometer breed, dwars door een 500 micrometer wafer (dunne plaat van silicium) heen.
© Marieke de Lorijn
Chips die het brein imiteren
In 2018 werd Innatera opgericht als een spin-off van de TU Delft. Het bedrijf is gespecialiseerd in het ontwikkelen en maken van neuromorfische chips. Directeur Sumeet Kumar promoveerde aan de TU Delft op het ontwerp van energie-efficiënte microprocessoren. Hij legt uit dat dergelijke chips de werking van het brein imiteren. “Dat doen ze zoals onze hersenen patronen herkennen. De architectuur van zo’n chip is totaal anders dan gangbaar. Onze chips functioneren niet alleen op basis van het binaire stelsel van nullen en enen maar ze manipuleren ook elektrische stroompjes. In vergelijking met standaard chips kunnen ze honderdmaal sneller data verwerken met slechts een-vijfhonderdste van het energieverbruik. Dit past in ons streven de wereld groener te maken.” De zogeheten Spiking Neural Processor is handig voor toepassingen als geluidsherkenning bij koptelefoons, radarsensoren in videodeurbellen en beeldherkenning bij veiligheidssystemen omdat hier vanwege de zeer kleine batterijen weinig energie voorhanden is.
Sample houder met chip.
© TU Delft/Studio Wavy
Omvormers voor quantuminternet
QphoX is een van de bedrijven die gebruikmaakt van de cleanrooms van de TU Delft, in dit geval het Kavli Nanolab. Deze Delftse spin-off ontwikkelt en bouwt quantum- omvormers. Deze omvormers kunnen quantuminformatie in de vorm van microgolven (waarmee quantum-computers werken), omzetten naar lichtgolven. Optische signalen kunnen in glasfiber veel grotere afstanden overbruggen dan microgolven. Volgens directeur en mede-oprichter Simon Gröblacher, tevens hoogleraar quantumfysica aan de TU Delft, is dit een flinke uitdaging omdat de frequenties van beide domeinen maar liefst een factor 100 duizend verschillen. “Wij proberen dit op te lossen met een mechanische oscillator – een omvormer – als een intermediair tussen microgolven en optische frequenties. Hiervoor ontwikkelen we speciale chips die deze overdracht mogelijk maken. Het doel is dat quantumcomputers via een optisch netwerk met elkaar kunnen communiceren. Onze techniek maakt de weg vrij naar een toekomstig quantuminternet. We hebben hiervoor al een modem ontwikkeld waarin onze chips zijn verwerkt.”
Bio-elektronica
Een ander bijzonder aandachtsgebied binnen de afdeling micro-elektronica is de bio-elektronica. Doel is om de elektrische signalen die het menselijk lichaam aansturen, op te pikken, te verwerken en te reproduceren. Storingen in die signaaloverdracht, zoals bij een dwarslaesie, de ziekte van Parkinson of epilepsie, zouden dan met de hulp van chips kunnen worden verholpen. Makinwa: “Binnen de bio-elektronica zijn we ook bezig met organen-op-eenchip. In het hart van zo’n chip zit een kunstmatig orgaantje van bijvoorbeeld hart-, lever-, long- of niercellen in een vloeistof. Dergelijke chips kun je gebruiken om nieuwe medicijnen goedkoper en sneller te testen en ook nog zonder dierproeven. Het is ook mogelijk om met cellen – bijvoorbeeld tumorcellen – van een specifieke patiënt zo’n orgaan-op-een-chip te maken en te kijken welk medicijn daarop het beste werkt. Dan heb je personalised medicine.”
Adaptieve AI-chips
De chipontwikkeling gaat razendsnel en kent volgens Telleman en Makinwa nog vele uitdagingen. Zij noemen bijvoorbeeld de komst van heterogene chips waarop verschillende systemen worden geïntegreerd, zoals micro-elektronica, micro- optica en quantumtechnologie. Of AI-chips met adaptieve neurale netwerken die al lerend reageren op hun omgeving.
Of de toepassing van nieuwe materialen naast silicium, zoals polymeren met andere functionaliteiten. Deze zijn in tegenstelling tot silicium flexibel te maken zodat ze bijvoorbeeld als biocompatibele sensoren in spieren of de bloedbaan allerlei waarden kunnen meten. Telleman: “Om onderzoek en ontwikkeling mogelijk te maken, is veel geld nodig. Gelukkig is vorig jaar de European Chips Act in werking getreden waarmee de EU probeert een eigen chipsindustrie op te bouwen. Daarvoor is 15,8 miljard euro uitgetrokken tot 2030. Afgaande op recente geluiden, maak ik me wel zorgen of Nederland zal blijven investeren in chiptechnologie om onze vooraanstaande positie op het wereldtoneel te behouden.”
‘Ik maak me zorgen of Nederland blijft investeren in chiptechnologie’