Jacht op krimpend mobieltje

Chipsmachinefabrikant ASML betaalt mee aan fundamenteel fysica-onderzoek

Joost Frenken, directeur van het net geopende nanotechnologie-onderzoekslab ARCNL. Foto Merlijn Doomernik

Joost Frenken heeft een iPhone 5. Op de chip in het hart daarvan liggen structuurtjes met afmetingen van 32 nanometer. Zo’n 100 siliciumatomen op een rijtje. In de iPhone 6 zijn de structuren nóg fijner: met details waarin slechts 60 atomen naast elkaar liggen – haast onvoorstelbaar.

Frenken denkt aan alweer kleinere schalen. „Dit is mijn droom”, zegt hij bij een plaatje van een glanzend rond oorknopje. „Over 30 jaar is dit onze mobiele telefoon, die draadloos spraak opvangt, die beelden naar een bril of contactlens stuurt en zijn energie haalt uit lichaamswarmte.”

Als directeur van het net opgerichte Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL) jaagt Frenken die droom na. Samen met ongeveer 100 nieuwe medewerkers, waarvan hij er nu wekelijks één aanneemt. Hun fundamenteel onderzoek moet die oorbel binnen bereik brengen.

Minstens zo belangrijk: het moet het bedrijf ASML concurrerend houden. Want ASML is de hoofdsponsor van het nieuwe lab. Het bedrijf financiert de helft van het ARCNL. Onderzoekfinanciers NWO/FOM en de twee Amsterdamse universiteiten hebben de andere helft bijgelegd en met 5 miljoen maakt de gemeente Amsterdam de totale investering van 100 miljoen euro compleet.

ASML is wereldleider op het gebied van chipfabricagemachines: de chips in iPhones (en talloze andere mobiele telefoons, laptops en computers) zijn gemaakt met machines uit Veldhoven. En inderdaad, ASML wil óók wereldleider blijven als mobieltjes krimpen tot oorbelformaat.

Daarom gaan de ARCNL-fysici materiaaloppervlakken onderzoeken, extreem ultraviolette lichtbundels, plasma’s.... „Maar we zullen niet aan de leiband van ASML lopen”, zegt Frenken. „Wij doen fundamenteel onderzoek, en daarin willen we op het hoogste niveau meedraaien.”

De R&D-labs van ASML staan in Veldhoven. De ontwikkelaars werken veel samen met de Technische Universiteit Eindhoven. Nu strekt ASML zijn armen uit naar het Science Park in Amsterdam, met de grootste concentratie bètaonderzoekers van Nederland.

ASML kwam in 1984 voort uit een joint venture met Philips. Grote bedrijven saneerden in die tijd hun laboratoria voor fundamenteel onderzoek – denk Philips Natlab. Keert het tij nu?

„Het is in elk geval geen toeval dat juist ASML dit doet. Veel meer dan andere bedrijven in Nederland investeert ASML in R&D en productinnovatie. En nu heeft het bedrijf behoefte aan meer fundamentele kennis.

„Misschien was ooit het idee dat de academische wereld dat type onderzoek helemaal moest overnemen. Maar tegelijk zijn bedrijven óók de academische wereld gaan adviseren om toepassingsgericht onderzoek te doen. Het heeft geleid tot onderzoeksbeleid waarin het kortetermijndenken overheerst. Mijn stelling is dus dat we in de jaren 90 met de bezuinigingen op die grote industriële laboratoria iets essentieels verloren. Collectief. Wereldwijd. Die labs hadden een voortrekkersrol.”

Maar ja, voor grote bedrijven leverden ze te weinig op?

„De labs van grote bedrijven – IBM, Bell Labs, Philips – hebben pareltjes voortgebracht. Nobelprijzen opgeleverd. Maar het is waar dat de ontdekkingen vaak niet werden vertaald naar producten voor het bedrijf.

„Althans, uiteindelijk wordt nagenoeg alle kennis benut. Alleen: het gaat hier om tijdschalen. We spreken van ‘valorisatie’ als kennis binnen pakweg tien jaar een concreet product levert. Als er 25 jaar tussen ontdekking en toepassing ligt, zien we het verband niet meer. Zelfs het bedrijfsleven zegt dan: oh, die kennis was er gewoon. En aandeelhouders willen al helemaal niet zo lang wachten.”

Wat betekent dat voor ARCNL? Op welke termijn denken jullie?

„Het wordt een balanceeract. Enerzijds willen we compromisloos fundamentele wetenschap bedrijven, en de kwaliteit daarvan tonen in toptijdschriften. Anderzijds moeten we onze onderwerpen strategisch kiezen om zo op de korte en op die wat langere termijn voor ASML van nut te zijn.

„ARCNL zal dus geen lab zijn waar duizend bloemen bloeien. Er is grote samenhang tussen de onderwerpen van onze onderzoeksgroepen, en die groepen moeten zonodig snel op vragen van ASML kunnen inspelen. We zullen bovendien geregeld mensen van ASML ontvangen om ons te voeden met kennis en feedback te geven op ons werk.”

Hoeveel onderzoeksvrijheid heb je zo?

„Ik heb ooit keyboards gespeeld in een symfonisch rockbandje. Jaren kwamen we de kelder niet uit. Maar toen kregen we publiek, soms ook kritiek, en dat was zoveel leuker.

„Zo zie ik ASML. Als onze fans. Als je altijd hetzelfde blijft doen, raken ze verveeld. Je moet je muzikaal ontwikkelen en de fans soms een beetje opvoeden. Maar als je helemaal de andere kant opgaat, raak je ze kwijt.”

En ASML heeft ‘nieuwe muziek’ nodig?

„Ja, theoretisch gezien is het niet mogelijk om structuren te maken die kleiner zijn dan de golflengte van het licht waarmee je tijdens het lithografische proces in de lichtgevoelige laag schrijft (in een volgende stap, tijdens het etsen, komen dan de structuren tevoorschijn, red.). Toch maken ze nu met licht van 193 nanometer structuren van 14 nanometer, meer dan tien keer zo klein. Dat lukt met technologisch kunst- en vliegwerk – zoals meervoudige belichting van materialen met speciale lichtgevoeligheid. Maar de mogelijkheden zijn nu wel uitgeput.”

Ze hebben toch al een nieuwe techniek – met extreem ultraviolet licht?

„Ja, met licht van 13,5 nanometer. Die apparaten staan bij klanten ‘warm te draaien’, maar er is nog veel aan te verbeteren. In termen van licht zijn het tempels van verlies.”

Tempels?

„Ze zijn reusachtig. Ze worden in brokken vervoerd, steeds één brok in een Boeing. Ze bevatten bijvoorbeeld een zware infraroodlaser om een plasma te maken, en een groot optisch systeem dat uit dat plasma het extreem ultraviolette licht van precies de juist golflengte afvangt en naar het belichtingsgedeelte van de machine – in vacuüm – leidt. In beide fases houd je van het oorspronkelijke licht maar een paar procent over.”

Dat gaan jullie verbeteren?

„De huidige, vaak door optimalisatie verkregen, technologie loopt deels op de fundamentele kennis vooruit. We weten niet waarom het werkt. Dat willen we allereerst begrijpen en met dat begrip kan ASML processen misschien beter inrichten en producten verbeteren. En op den duur moet je misschien aan een heel andere aanpak denken om structuren te maken. Zelforganisatie bijvoorbeeld: dus je kleddert moleculen op een oppervlak en die organiseren daarna zichzelf tot structuren. Dan zit je ineens middenin het langetermijn-onderzoek.”