Innoveren in de cleanroom

Om internationaal mee te blijven spelen is innovatief onderzoek naar micro-elektronica en de productie daarvan essentieel. Professor Kees Beenakker: “Als we hier in Nederland niet oppassen, staan hier over dertig jaar de assemblagefbrieken en gebeurt de ontwikkeling elders.”

Imposante wolken witte damp slaan van een slang af die een tankwagen met vloeibare stikstof verbindt met een opslagtank van DIMES. Binnen het onderzoeksinstituut wordt stikstofplasma (geïoniseerd gas) gebruikt om microstructuren uit silicium te etsen. In een andere, geel verlichte cleanroom produceren onderzoekers in witte jassen nieuwe chipontwerpen volgens een meer klassiek procédé: het aanbrengen van een dun laagje fotomateriaal op plakjes silicium. De wafers zullen in een later stadium van een masker worden voorzien en daarna belicht. Op de plekken waar het fotomateriaal verdwijnt, kunnen later (onder invloed van zuren) transistoren en andere microstructuren worden uitgeëtst.

Direct aan dit lab voor micro- en nano-elektronisch onderzoek grenzen de kamers van de onderzoekers. Ze doen onderzoek naar uiteenlopende nieuwe technieken, zoals flexibele zonnecellen, miniatuurwindmeters en gedistribueerde zwermen van microsatellieten. Hier bevindt zich ook de kamer van professor Kees Beenakker, sinds 1 maart wetenschappelijk directeur van DIMES, het onderzoeksinstituut dat op 21 juni zijn twintigjarig bestaan vierde met een symposium.

Gigantische markt

Toen Beenakker in 1989 zijn entree aan het onderzoeksinstituut maakte, was ‘micro-elektronica een enorme hype’. Beenakker: “Alle universiteiten hadden geweldige apparatuur, maar de kunst was om ook daadwerkelijk een proceslijn draaiende te krijgen. Je moet daarvoor honderden processtappen naadloos op elkaar aan laten sluiten.” Die kunst wordt binnen DIMES zeer goed beheerst. Beenakker: “In de twintig jaar van zijn bestaan heeft DIMES vele spin-offs, patenten en wetenschappelijke doorbraken opgeleverd.” De meest recente wetenschappelijke doorbraak is de ontwikkeling van een glazen chip voor mobiele datacommunicatie die kristalheldere ontvangst garandeert en elektronisch kan afstemmen op verschillende radiofrequenties.

De tweeduizend vierkante meter aan cleanroom heeft een grote aantrekkingskracht op onderzoekers uit de wetenschap en het bedrijfsleven, zowel uit het binnen- als buitenland. Beenakker, in 2004 verantwoordelijk voor de oprichting van een Chinees-Delfts onderzoeksinstituut in Sjanghai, heeft internationale samenwerking hoog in het vaandel staan:

“In de jaren tachtig kwam ik als assembly manager voor Philips veel in het Verre Oosten. Mijn taak was om processen op te zetten voor chipfabricage. Ik raakte diep onder de indruk van de motivatie en werklust van de Chinezen en de gigantische ontwikkelingen op micro-elektronisch gebied. Je kunt twee dingen doen: of je sluit je daarvoor af, of je kiest ervoor om samen te werken. Ik kies voor het laatste. Niet alleen vanwege de gigantische markt die daar ligt, maar ook omdat je uit de enorme pool van studenten daar met behulp van beurzen van Nederlandse bedrijven de meest getalenteerde naar Nederland kunt halen. De meeste van hen blijven hier en gaan werken bij bedrijven zoals NXP, Philips en ASML. Of ze beginnen start-ups en creëren zo Nederlandse werkgelegenheid.”

Procesbeheersing is essentieel

Om internationaal mee te blijven spelen is innovatie volgens Beenakker van levensbelang: “De chipindustrie is vanaf het begin een globale industrie geweest. Immers, als je echt goedkoop wilt produceren, dan zul je langs de hele keten moeten optimaliseren, van chipontwerp tot waferproductie tot aan assemblage. Als we hier in Nederland niet oppassen, staan hier over dertig jaar de assemblagefabrieken en gebeurt de ontwikkeling elders.” Het onderzoek naar micro-elektronica binnen DIMES spitst zich daarom toe op innovatief onderzoek naar onder andere slimme microsystemen, ambient intelligence, nano-elektronica en hoogfrequente technologie voor communicatie. Beenakker: “Hoe meer informatie je over wilt dragen, hoe hoger de frequenties die je zult moeten gebruiken. We werken nu al met terahertz-frequenties, dus met golflengtes op moleculaire schaal. Een toepassing van die technologie zie je sinds half mei op Schiphol, waar de marechaussee een terahertz-camera gebruikt om door kleren heen te kunnen kijken. Fouilleren is daarmee onnodig geworden. Ons doel is dan om van die enorme kast een klein chipje te maken. Stel dat dat lukt, dan zijn er allerlei toepassingen denkbaar, bijvoorbeeld voor het controleren van de voedingskwaliteit. Een andere belangrijke trend is de ontwikkeling van chips die een interface kunnen vormen met de buitenwereld doordat ze bijvoorbeeld kunnen ruiken, zien of horen. Wij noemen dat het geven van armen, neuzen en benen aan de elektronica.”

Sommige aspecten blijven altijd van belang. Daar vallen volgens Beenakker het verlagen van het vermogen van elektronica onder (door er onder andere voor te zorgen dat het vermogen in transistoren zo min mogelijk wordt omgezet in warmte) en het verhogen van de betrouwbaarheid van elektronica. Beenakker: “Je wilt niet dat de elektronica in je auto kapot gaat doordat er tijdens de productie van een chip bijvoorbeeld een beetje lucht is ingeslopen. Goede procesbeheersing is daarom essentieel.”