Zo werkt die 'toverlantaarn' van ASML

ASML heeft succes met een nieuw type machine voor de productie van computerchips. Het bedrijf maakte een onverwachte omzetstijging bekend en noteerde zes bestellingen voor deze machines, die werken met extreem ultraviolet licht, kortweg EUV. Waarom is EUV zo revolutionair?

ASML's extreem ultraviolet lithografie machine.Beeld ASML

Om de chips te kunnen maken die onze smartphones, tablets en autonome auto's aandrijven, ontwikkelt chipmachinebouwer ASML technieken die rechtstreeks afstammen van de hogere kunsten: lithografie, fotografie, bouwkunde. Maar dan op nanoniveau, resulterend in bouwwerkjes van tientallen atomen groot.

In de zucht naar steeds snellere en zuiniger chips moeten deze bouwwerkjes - de transistors op de chip - steeds kleiner worden. Hierbij stuitte de industrie op een vervelende grens: het licht waarmee gewerkt wordt, is te grof voor de vereiste fijnschrijverij.

Wetend dat die grens eraan zat te komen, gingen wetenschappers al in de jaren negentig op zoek naar nieuw licht: extreem ultraviolet, kortweg EUV. Dit heeft een zeer korte golflengte van 13,5 nanometer, allang onzichtbaar voor het menselijk oog. Het schurkt aan tegen zachte röntgenstraling, is energierijk en de golflengte is zo kort dat het geschikt is om transistors van ongeveer 40 atomen groot te tekenen. Gewoon licht, of zelfs de ultraviolette variant van 193 nanometer, voldeed niet meer, al waren er trucs. Maar die leidden ertoe dat het meer tijd kost om een chip te maken. EUV lost dat probleem op.

Fysicus Joost Frenken is directeur Advanced Research Center for Nanolithography, dat in Amsterdam fundamenteel onderzoek doet naar de hier besproken technologie

Extreem fragiel licht

In theorie. Want er bestaat geen EUV-lamp. Zo'n 'lamp' moest worden uitgevonden. Maar er waren meer uitdagingen. Zo is EUV extreem fragiel. Zodra het in contact met de lucht komt, verdwijnt het als sneeuw voor de zon. Dat betekent dat je het ook niet door lenzen kunt jagen, zoals tot nu toe gebeurde in chipmachines. Een geweldig dilemma. Want hoe kun je zonder lenzen de grote bouwtekening van de chip verkleinen tot een nanometerprojectie? Om EUV te kunnen gebruiken, moest de complete architectuur van chipmachines overhoop.

De oplossing werd gevonden in spiegels. Net als de scheerspiegel in de badkamer kan deze licht focussen door het te reflecteren. Dan is geen lens nodig. Maar voor reflectie moet het licht een klein beetje de spiegel binnendringen, waar het elektronen in beweging zet. De weerspiegeling die we in de badkamer dagelijks zien, is in feite de echo door deze elektronen. Helaas: zelfs dat kleine beetje binnendringen is al genoeg om EUV uit te doven.

Spiegels

Ook dit probleem is opgelost. Met spiegels van laagjes silicium en molybdeen van telkens zo'n tien atomen dik. Door er ongeveer honderd van om en om te stapelen, ontstaat een spiegel die EUV weerkaatst en andere golflengtes juist uitdooft. De kunst is dat elk laagje op de goede golflengte resoneert, alsof een koor ontstaat waarbij alle zangers dezelfde toon aanslaan, en het volume toeneemt.

De beste van deze spiegels reflecteren zo'n 70 procent EUV. Dat is mooi, maar om tot een goede projectie te komen, zijn er meerdere nodig. Bij elke spiegel blijft 70 procent van de vorige 70 procent over. Tien spiegels verder en er resteert nog maar 3 procent van het kostbare EUV.

Druppeltjes tin en laserstralen

Nog zo'n kwestie is: hoe maak je dat EUV? De basis vormen haardikke druppeltjes tin, die uit een soort pennetje druppelen. Deze worden beschoten met een krachtige laserpuls. En anders dan prijsschieten op de kermis, moet elk schot raak zijn, omdat anders te weinig EUV ontstaat. De knal van het laserlicht verhit het tin tot 400 duizend graden Celsius. Hierdoor schudt het zijn elektronen af en blijven er hooggeladen tin-ionen over. In deze soep van elektronen en ionen ontstaat ook veel licht met een hoge energie, waaronder EUV.

Dat EUV zou geen lang leven beschoren zijn als de machine niet in een diep vacuüm getrokken is. Opnieuw betekent dit een uitdaging, want de spiegels die het EUV bundelen, zijn extreem gevoelig voor vervuiling. Door het beschieten van de miljoenen tindruppeltjes, vliegen overal restjes rommel rond. Om dat op te ruimen, wordt een klein beetje waterstof in het vacuüm gespoten, een van de weinige gassen die EUV weinig kwaad doen. Het waterstof hecht zich aan het puin en wordt afgevoerd voor het op de spiegels kan neerslaan.

Het mooie aan de machines van ASML is dat ze op compleet nieuwe technologieën gestoeld zijn, die het zeer kwetsbare chipbakproces met hoge snelheid uitvoeren. Vooral het terugdringen van storingen was een uitdaging. Elke onderbreking kost tijd en juist vanwege de kortere productietijd met EUV-machines is het voor chipfabrikanten als Samsung en Intel lonend te investeren in de apparaten die honderd miljoen euro kosten. Welke stap er na EUV komt, is onduidelijk. Maar EUV kan nog verbeterd, en fabrikanten kunnen er nog jaren mee voort.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden