analyse

De mirakelmachine die onze vooruitgang moet veiligstellen

Deze EUV-machine van ASML kost al gauw zo’n 130 miljoen euro. Wereldwijd staan er een 100-tal bij chipfabrikanten. ©ASML

’s Werelds belangrijkste bedrijf ligt in Nederland, waar Jos Benschop met een team wetenschappers al jaren waanzinnige grenzen verlegt om computerchips almaar kleiner te maken. ‘Mijn baas verbiedt mij te speculeren over het einde van de vooruitgang.’ Welkom bij ASML.

De Schotse superbelegger James Anderson verdiende een fortuin door heel vroeg in te zetten op de bouwer van elektrische auto’s Tesla en was ook een vroege investeerder in Amazon. Jaarlijks spreekt hij met Jeff Bezos, de stichter van de e-commercereus. Maar vraag Anderson welk bedrijf nu echt het belangrijkste is, en de fondsbeheerder van Baillie Gifford komt zonder nadenken met een ietwat verrassende naam: ASML .

De Nederlandse fabrikant van hypergeavanceerde chipmachines speelt een sleutelrol in onze snel digitaliserende wereld. Nieuwe toepassingen zoals zelfrijdende auto’s en
artificiële intelligentie zijn alleen mogelijk als technologen erin slagen chips almaar performanter te maken. De torenhoge uitdaging daarbij is om de befaamde wet van Moore in stand te houden.

Die wet - in 1965 geformuleerd door Intel-medeoprichter Gordon Moore - stelt dat het aantal transistoren op een chip elke twee jaar verdubbelt. Het was eerder een economische observatie dan een fysische wetmatigheid, maar wel een die wetenschappers als Jos Benschop, senior technoloog bij ASML, voor huizenhoge uitdagingen plaatste. Om Moores voorspelde groeiritme gaande te houden verlegt de Nederlandse technologietrots al decennia de grenzen van het haalbare. De vaak voorspelde dood van de wet van Moore is dankzij die inspanningen tot nog toe voorbarig gebleken.

Meer nog, het eventuele einde van de wet is taboe bij ASML. ‘Mijn baas verbiedt me daarover te speculeren’, zegt Benschop glimlachend tijdens een interview op de uitgestrekte site van ASML in Veldhoven, nabij Eindhoven. Die stad staat bekend als de bakermat van Philips, waaruit ASML in de jaren 80 is voortgesproten in de vorm van een joint venture met ASMI, een andere chipmachinebouwer.

Wie de site vandaag bezoekt, staat deels op een bouwwerf. Daar is de onafgebroken uitvindersdrift - de teller staat op ruim 14.000 patenten - verantwoordelijk voor. Voor de productie van de allernieuwste ‘high-NA’-machines - die hier binnen een viertal jaar van de band moeten rollen - wordt een nieuwe fabriek gebouwd.

Paradepaardje

Die machines zijn nog groter en technisch veeleisender dan het huidige paradepaardje van ASML, de EUV-machines die hier sinds 2016 in massaproductie zijn en sinds 2019 op volle toeren draaien bij de chipfabrikanten. En dus verrijst een extra fabriekshal voor de high-NA, die een slordige 250 miljoen euro per stuk kost, bijna het dubbele van de huidige generatie.

De nieuwste generatie zou daarmee relatief snel volgen op de huidige EUV-chipmachine. Op die laatste begon Benschop al in 1997 te zwoegen. ‘Uiteindelijk duurde het tot 2019 vooraleer de eerste smartphone met een EUV-chip op de markt kwam’, zegt hij terwijl hij zijn toestel als bewijs toont.

‘Het bleek moeilijker dan gedacht. Telkens als je een probleem opgelost had, kwamen er verschillende nieuwe problemen bij. Alles wat we deden, was dan ook totaal nieuw en nooit eerder gedaan.’ Opvolger high-NA kan daarop voortbouwen, vooral dan op het revolutionaire EUV-licht dat ASML ontwikkelde voor zijn EUV-machine.

‘‘Star Wars’ in de chipfabriek’, zo omschrijft Benschop het proces achter dat bijzondere licht, dat niet voorkomt op aarde. ASML creëert het door met een laser op druppels tin te schieten, en dat 50.000 keer per seconde. Het resulterende EUV-licht, wat staat voor ‘extreem ultraviolet’, laat dankzij zijn uiterst kleine golflengte toe om minuscuul fijne lijntjes te printen op halfgeleidermateriaal. Hoe fijner de lijntjes, hoe meer schakelingen op een chip kunnen.

Een laser (rechtsonder) wekt EUV-licht op dat via verschillende spiegels een patroon verkleint en afdrukt op een ronde siliciumwafer (onderaan). ©ASML

Vingernagel

Hoe fijn? Kijk zeven seconden naar uw vingernagel. De groei van uw nagel in die tijd is de breedte van de lijntjes die een EUV-machine op een chip print. Zeven nanometer om precies te zijn, ofwel één tienduizendste van de dikte van een vel papier. Benschop preciseert dat het feitelijk geprinte lijntje eigenlijk 15 nanometer breed is, hoewel de industrie officieel de ‘node’ 7 nanometer gebruikt.

Om de complexiteit van de technologie enigszins vatbaar te maken voor bezoekers heeft ASML een experience center met een 3D-animatie van de binnenkant van een EUV-machine op ware schaal.

Die is vergelijkbaar met een forse bestelwagen - acht meter lang, vijf meter hoog. Binnenin gaat het door spiegels geleide EUV-licht door een ‘masker’ waarop het precieze printpatroon - de lijntjes - staat. Dat patroon wordt in verkleinde vorm geprint op een wafer - een siliciumschijf – en dat meerdere keren naast elkaar tot de schijf vol identieke patronen staat die nadien uitgezaagd worden.

Coryfeeën in de industrie beweerden dat EUV nooit zou werken.
Jos Benschop
Senior technoloog bij ASML

Een uiteindelijke chip bestaat uit een toren van wel 100 of meer laagjes met verschillende patronen, die al dan niet elektriciteit geleiden en zo via talloze eentjes en nulletjes - de taal van computers - datastromen weerspiegelen.

De ingesproken commentaar bij de 3D-presentatie vermeldt enkele van de extreme technologische eisen die gesteld worden om de machine te doen werken. Zo moet de wafer die onder het masker beweegt voldoende snel en accuraat bewegen bij het printen. Want time is money bij chipmachines: ze zijn zo duur dat ze een voldoende hoge productie moeten halen om chips op een economisch verantwoorde manier te produceren. Bij een EUV-machine gaat het al gauw om 500.000 chips per uur, rekent Benschop snel voor, met de verduidelijking dat die nadien nog heel wat behandelingen moeten ondergaan in de chipfabriek.

Het toont dat technologen niet alleen fysische grenzen moeten verleggen, maar ook rekening moeten houden met economische wetmatigheden. Meer nog, het economische weegt het meest door en stelt ook de grootste uitdagingen, verzekert Benschop.

Het is ook de reden dat EUV het uiteindelijk haalde, en niet de andere drie technologieën - waaronder röntgenstralen - die goed 20 jaar geleden in de running waren. ‘De alternatieven waren onvoldoende schaalbaar en lieten niet toe om almaar kleiner en sneller te werken’, zegt Benschop.

‘Uiteindelijk hebben we bij ASML vrij snel voor EUV gekozen en daaraan vastgehouden, ook al ging dat de eerste jaren gepaard met hoon en scepsis. Coryfeeën in de industrie beweerden dat het nooit zou werken. Ik bleek wat te optimistisch en dacht dat de EUV-machine al in 2006 inzetbaar zou zijn voor de massaproductie van chips, in plaats van 13 jaar later. Maar het is gelukt, en intussen is duidelijk dat de voortzetting van de wet van Moore zonder EUV onmogelijk was geweest.’

Om de EUV-machine mogelijk te maken moesten twee huizenhoge uitdagingen overwonnen worden. Lange tijd was de optiek - de spiegels die het licht sturen - de grootste kopzorg. Uiteindelijk kwam partner Zeiss, een Duitse optiekspecialist, met een doorbraak. Voor de tweede uitdaging - de laser - vond het eveneens Duitse Trumpf een oplossing.

Atoom

De spiegels geven een goed idee van de krankzinnige eisen die gesteld worden. De vereiste nauwkeurigheid van hun vorm is zo groot dat de spiegels tot op het niveau van een atoom gepolijst worden. Als je het zou omrekenen naar de oppervlakte van een gladgestreken Nederland zou een maximaal verschil van 0,1 millimeter getolereerd worden over dat hele gebied. Een bezoekende doctoraatsonderzoeker liet zich verwonderd ontvallen dat de gebruikte spiegels de gladste door mensen vervaardigde objecten in het universum moeten zijn, zegt een ASML-woordvoerder.

Wat zegt de wet van Moore?

De wet, die dateert uit 1965, stelt dat het aantal transistoren op een chip elke twee jaar verdubbelt. Om dat groeiritme aan te houden verlegt ASML al decennia technologische grenzen, waardoor de vaak voorspelde dood van de wet voorbarig is gebleken.

Welke grenzen moet ASML verleggen?

De technologen bekampen niet alleen fysische barrières, maar ook technische en economische. Die laatste zijn het uitdagendst: chipmachines zijn zo duur dat ze een voldoende hoge productie moeten halen om op een economisch verantwoorde manier chips te produceren.

Welke doorbraken realiseerde ASML?

Om almaar dunnere lijntjes te printen - momenteel een tienduizendste van de dikte van een vel papier - zijn spiegels nodig die tot op het niveau van een atoom gepolijst worden.

Soms waren de uitdagingen banaal, maar daarom niet minder moeilijk. ‘Een vervelend probleem was de spiegels schoon te houden als de laser de tindruppels raakt’, geeft Benschop als voorbeeld. Het gaat om meer dan zomaar de druppels te raken. Die vallen met een snelheid van 70 meter per seconde en moeten niet één maar twee keer exact in het midden geraakt worden. De eerste voltreffer maakt er een pannenkoek van, die vervolgens nog eens centraal geraakt moet worden. ‘Als het niet telkens in het midden zou moeten zijn, zou iedereen het kunnen’, lacht Benschop.

Voor opvolger high-NA ging de moeilijkheidsgraad opnieuw omhoog. Terwijl bij de EUV-machine de winst kwam van het verkleinen van de golflengte van het licht focust high-NA op de tweede dimensie die bepaalt hoe dun lijntjes geprint kunnen worden: de numerieke apertuur (NA), ofwel de openingshoek van de spiegels die het licht vangen. Door die hoek te vergroten wordt het beeld nog scherper. ASML ging hier meteen voor een stevige winst door de openingshoek zo’n 66 procent te vergroten, ‘de grootste stap ooit’ volgens Benschop.

Ongekend nauwkeurig

Opnieuw waren technologische doorbraken nodig. Met andermaal een wat onverwachte uitdaging: hoe weet je bij een afwijkende meting of de fout niet bij de meetapparatuur ligt? De vereiste spiegel - die een ‘wilde’ vorm heeft, een soort ellips met kromming - moet op atomair niveau gepolijst worden.

‘Om de gepolijste vorm te meten hebben we een ongekend nauwkeurig apparaat gebouwd, maar als je daarmee een fout meet, weet je nog niet of het aan de spiegel ligt of aan het meettoestel’, zegt Benschop. ‘Door de spiegel te draaien en opnieuw te meten, kunnen we uitsluitsel krijgen over de oorzaak van de fout. Maar het was niet eenvoudig: Zeiss, waar een heel team van ons was ondergebracht, zei dat het nog nooit zoiets complex had gebouwd.’

Bedrijven waarmee we samenwerken, zeggen dat ze nog nooit zoiets complex gebouwd hebben.
Jos Benschop
Senior technoloog bij ASML

De ontwikkeling van de nieuwste spiegel illustreert ook wat voor een bonte mix van wetenschappers en technologen ASML - met liefst 120 nationaliteiten onder zijn 30.000 werknemers - nodig heeft. Zo was gesofisticeerde wiskunde vereist voor de hologrammen waarmee de spiraalvormige spiegel in kaart gebracht wordt.

In een volgende stap gaat de aandacht naar een actueel thema: duurzaamheid. Eén EUV-machine verbruikt per jaar 9 gigawattuur aan stroom, meer dan wat zo’n 3.300 gezinnen jaarlijks verbruiken. Dat is een veelvoud van zijn voorganger, de DUV-machine. Voor Taiwan, waar de chipbakker TSMC een grote afnemer van EUV-machines is, wordt dat stilaan een nijpend probleem: het bedrijf is al goed voor 5 procent van het totale energieverbruik van het land.

9
gigawattuur
Eén EUV-machine verbruikt per jaar 9 gigawattuur aan stroom, meer dan wat zo’n 3.300 gezinnen jaarlijks verbruiken.

ASML stelt zich tot doel het energieverbruik van de EUV-machine tegen 2025 met 60 procent te doen afnemen. ‘Na alle middelen op het werken van de machine gezet te hebben, kunnen we nu inzetten op de perfectionering ervan, inclusief een efficiënter verbruik van energie en grondstoffen’, zegt een woordvoerder. Het gaat om aardig wat middelen: ASML investeerde sinds de eerste kiemen van EUV een slordige 16 miljard euro.

Al die investeringen hebben ertoe geleid dat de wet van Moore nog een decennium veilig is, sust Benschop. ‘Het is aan mijn opvolger om de volgende doorbraak te bedenken’, lacht hij.

Voor de befaamde wet gelden drie barrières uit drie verschillende hoeken: fysica, machinearchitectuur en economie. De fysische barrière - een atoom of een elektron is de grens, je kan geen halve hebben - zal volgens Benschop als laatste bereikt worden, zo rond 2045. ‘De economische is de uitdagendste, al is de kostprijs een bewegend doel. Wie had ooit gedacht dat we 1.000 euro zouden willen betalen voor een telefoon?’, wijst Benschop een tweede keer naar zijn telefoon, én naar de mogelijke rek voor technologen.

Lees verder

Advertentie
Advertentie
Advertentie

Gesponsorde inhoud

Gesponsorde inhoud