Smartphones worden steeds sneller, laptops steeds lichter, computers steeds krachtiger. Dat is mede te danken aan een bedrijf uit Brabant: ASML ontwikkelt technologie waarmee steeds krachtigere chips kunnen worden geproduceerd.

Wat is een chip?

Chips zijn de ‘hersenen’ van computers en smartphones, maar ze zitten ook in tal van andere apparaten: van wasmachines tot auto’s. Een chip is een stukje silicium waarop een grote hoeveelheid heel kleine elektronische schakelingen (transistors) zitten. De transistors bevatten informatie die in zijn simpelste vorm bestaat uit nullen en enen: een transistor staat ‘aan’ of ‘uit’.

De chip, in vaktermen een ‘geïntegreerde schakeling’ of ‘integrated circuit’, is aan het einde van de jaren 50 uitgevonden. De eerste chip bestond uit één transistor en nog een paar onderdelen. Tegenwoordig gaan er miljarden transistors op een enkele chip. Zonder de uitvinding van de chip was een computer nog steeds zo groot als een complete kamer geweest, en hadden smartphones, tablets en het internet niet bestaan.

Hoe maak je een chip?

Chips moeten steeds kleiner worden en de grenzen van de technologie schuiven daarvoor op. Chips worden in die tijd gemaakt door het patroon voor de elektrische schakelingen via een contactafdruk aan te brengen op het basismateriaal, silicium. Daarbij ontstaan vaak beschadigingen. De Philips-machine werkt anders: het patroon wordt op het silicium aangebracht door middel van projectie.

Wat doet ASML?

Als een van de weinige bedrijven ter wereld maakt ASML machines waarmee chips kunnen worden gemaakt. Het bedrijf is gevestigd in Veldhoven. Het maakt geen producten die consumenten gebruiken en zelfs geen onderdelen daarvan, maar levert de apparatuur waarmee die onderdelen kunnen worden gemaakt. Daarbij gaat het - in het geval van het nieuwste type chipmachines - om heel grote, buitengewoon ingewikkelde apparaten die meer dan 100 miljoen euro per stuk kosten.

Belangrijk is vooral dat de machines van ASML steeds kleinere transistors kunnen maken. Deze transistors zijn de belangrijkste bouwstenen van een chip. Hoe kleiner ze zijn, hoe meer er op een chip passen. Moore bedacht in 1965 deze vuistregel: het aantal transistors in een chip verdubbelt grofweg elke 2 jaar. Decennialang heeft de Wet van Moore standgehouden, maar inmiddels dreigt er een einde aan te komen: alle technologische mogelijkheden om transistoren kleiner te maken lijken zo’n beetje uitgeput. Voor ASML is het de grote uitdaging om iets te verzinnen waardoor de ontwikkeling toch kan worden voortgezet.

Uiteindelijk belanden chips die zijn gemaakt met machines van ASML in smartphones en computers, maar ook in auto’s, vliegtuigen en huishoudelijke apparaten die dagelijks worden gebruikt door mensen overal ter wereld. De meerderheid van de chips in deze apparaten is gemaakt met een machine van ASML.

Hoe is ASML ontstaan?

ASML komt voort uit Philips, de gloeilampen- en elektronicafabrikant die onlosmakelijk is verbonden met Eindhoven - de stad waar Veldhoven tegenaan ligt. Het bedrijf gaat op zoek naar een partner om de risico’s mee te delen. In 1984 richten Philips en ASM International samen ASM Lithography op, kortweg ASML. Twee jaar later komt de eerste wafer stepper op de markt, een jaar later gevolgd door een nieuw model, met betere lenzen van de bekende Duitse lenzenmaker Carl Zeiss.

Om de technologie van zijn machines te verbeteren is zoveel geld nodig dat het moeilijk terug te verdienen is met de verkoop van de machines. In 1992 heeft ASML een noodlening van tientallen miljoenen guldens nodig van moederbedrijf Philips. Dat zit zelf in grote problemen, is met een grootscheepse reorganisatie bezig en heeft net een miljardenlening moeten afsluiten. Toch komt het geld er. Aan het einde van hetzelfde jaar vindt ASML de weg omhoog, met een grote order van de chipmaker Taiwan Semiconductor voor een fabriek in Taipei. Een paar jaar later wordt ook Samsung klant. ASML verkoopt steeds meer chipmachines. In 1995 volgt een mijlpaal: ASML wordt zelfstandig en gaat naar de beurs. 60% van de aandelen wordt genoteerd aan de Amerikaanse technologiebeurs Nasdaq, de overige 40% gaat naar de Amsterdamse aandelenbeurs.

De beursgang levert ASML zelfstandigheid op, en veel geld. Dat geld wordt ingezet voor onderzoek naar manieren om chipmachines verder te verbeteren. ASML gaat werken aan een techniek genaamd immersielithografie. Daarbij zorgt een laagje water onder de lens voor een nog dunner lichtstraaltje, waarmee de lijntjes op een chip nog dichter op elkaar kunnen worden geprint. ASML weet hier als eerste succes mee te boeken. Zijn twee overgebleven concurrenten, de Japanse bedrijven Nikon en Canon, laat ASML achter zich.

Hoe zorgt ASML dat chips ook in de toekomst steeds sneller worden?

ASML heeft volledig ingezet op een nieuwe generatie chipmachines, die werkt met EUV-technologie (extreem ultraviolet licht, met een heel korte golflengte). Dit type licht maakt het in theorie mogelijk om nog nauwkeuriger te werken, maar de praktische toepassing is problematisch. Zo heeft EUV-licht het probleem dat het verdwijnt in de lucht, en ook door lenzen volledig wordt geabsorbeerd. De nieuwe machines werken dus met een vacuüm, en met spiegels in plaats van lenzen.

De machines wegen 180.000 kilo en bestaan uit zo’n 100.000 onderdelen, die allemaal met grote nauwkeurigheid gemonteerd moeten worden. Het apparaat moet bovendien perfect schoon blijven: het kleinste vuiltje zorgt voor fouten in de chips.

De EUV-machines maken het mogelijk om lijntjes te printen van 7 nanometer dik (in een millimeter gaat een miljoen nanometer). In de toekomst moet dat verder worden teruggebracht, tot 1,5 nanometer. De chipmaker heeft vestigingen over de hele wereld, maar het onderzoek en de productie blijven in Nederland. Dat heeft vooral te maken met de intensieve manier waarop ASML samenwerkt met zijn zeer gespecialiseerde, high tech toeleveranciers. Dat soort bedrijven zijn volop gevestigd in Eindhoven, op wat wel de ‘slimste vierkante kilometer van Nederland’ wordt genoemd. ASML is een belangrijke speler: het bedrijf geeft miljarden uit aan onderzoek.

De belangrijkste partner van ASML zit iets verder weg: de Duitse lenzenfabrikant Zeiss maakt al sinds 1983 de lenzen en spiegels voor de machines van ASML. Door de jaren heen is de samenwerking steeds intensiever geworden, doordat de lenzen steeds gespecialiseerder en moeilijker te maken werden. Inmiddels zijn de twee bedrijven volledig van elkaar afhankelijk: als ASML zou verhuizen, moet Zeiss mee.

Een andere reden dat ASML in Nederland wil blijft is het belastingklimaat. Een belastingregeling, die bedoeld is om innovatie aan te moedigen, de zogeheten innovatiebox, pakt voor het bedrijf zeer voordelig uit. Het bedrijf betaalt hierdoor al jaren een lagere belasting over de winst.

Dat de machines van ASML kant-en-klare computerchips produceren is een veelgehoorde misvatting. Een lithografiemachine is eigenlijk een zeer geavanceerde diaprojector die tientallen keren wordt gebruikt in het chipfabricageproces. De ASML-machine beeldt met belichting zeer gedetailleerde patronen af op een fotogevoelige laklaag, die daarna dient als een ‘stencil’. En dit laag voor laag voor laag. Een plak silicium, waarop al stapelend een chip wordt gebouwd, komt in het fabricageproces tientallen keren terug in de ASML-machine.

In 1984 begon het jonge ASML nog met een machine waar zichtbaar licht de afbeeldingen op de siliciumplakken maakte. Om fijnere structuren af te kunnen beelden, gebruikten nieuwere machines licht van kortere golflengten. Maar er is nóg een knop om aan te draaien om scherper beeld te krijgen: de lensopening of aperture. De eerste staat in Veldhoven en wordt in samenwerking met het Belgische halfgeleideronderzoekinstituut imec beschikbaar gesteld aan klanten.

Onder de motorkap van een ASML-machine voltrekken zich vijf cruciale stappen in de productie van chips. Zo’n twintig jaar geleden stond ASML voor een dilemma. Het moest de overstap maken naar extreem ultraviolet (EUV)-licht, maar hoe produceer je dat? Ingenieurs bedachten een nogal exotische manier: schiet een minuscuul tindruppeltje met een extreem krachtige laser aan flarden en er komt euv-licht vrij. Maar van een idee komen tot een lichtbron in een machine die het altijd doet is andere koek. Het kostte ASML-ingenieurs een kleine twintig jaar.

Een ASML-machine verplaatst een origineel beeld - verkleind - naar een grote plak silicium. Vroeger ging dat met zichtbaar licht en zaten er lenzen in de machines. Met het verre uv-licht werkte dat niet meer; lenzen absorberen uv-licht. Nu kaatst de lichtbundel heen en weer tussen een aantal extreem glad gepolijste spiegels.

Dit platform bevat het ‘reticle’ (de ‘dia’) waarop het chippatroon staat dat honderden keren naast elkaar op de fotogevoelige laag van de plak silicium wordt geprojecteerd. Een lichtbundel weerkaatst op het reticle, waarna het via verschillende spiegels op de siliciumplak valt. Vroeger ging het stapsgewijs (ASML bouwde toen wafer steppers) van chip naar chip, nu gaat dat al scannend volcontinu.

Een plak silicium die de machine binnenkomt, wordt eerst doorgemeten om te weten waar de chips-in-wording zitten en wat het hoogteprofiel van deze plak is. Daarna kan de siliciumplak worden belicht. Beide stappen kosten tijd. Een ASML-ingenieur kwam op het idee die stappen parallel uit te voeren. Sindsdien heten de machines ‘Twinscan’ en hebben ze twee stages aan boord: terwijl de ene plak wordt doorgemeten, wordt ernaast de andere belicht.

Een plak silicium die een ASML-machine in gaat, moet eerst door een luchtsluis. Het belichten van de plak moet in vacuüm gebeuren, wederom een gevolg van de - onvermijdelijke - keuze voor uv-licht. Bij atmosferische druk absorberen de gasmoleculen al veel uv-licht.

In het kort

  • Chips zijn de 'hersenen' van allerlei soorten apparaten: van smartphones en computers tot wasmachines en auto's.
  • Chips zijn uitgevonden in de jaren 50. Door de jaren heen zijn ze steeds kleiner en sneller geworden.
  • ASML, dat voortkomt uit Philips en is gevestigd in het Brabantse Veldhoven, maakt de machines waarmee andere bedrijven, zoals Samsung en Intel, chips maken. ASML is de belangrijkste maker van chipmachines ter wereld.
  • ASML moet zorgen voor de technologie die het mogelijk maakt dat chips ook in de toekomst steeds sneller worden. ASML’s nieuwste machine is een bakbeest van veertien meter lang. Het ruim 350 miljoen euro kostende gevaarte is onmisbaar voor het maken van de meest geavanceerde computerchips.

labels:

Zie ook: