De Amerikaanse startup Substrate maakte onlangs bekend aan een alternatieve technologie te werken voor het aanbrengen van patronen in lagen halfgeleidermateriaal voor computerchips. Op termijn wil het daarmee de concurrentie aangaan met ASML. Zes vragen over Substrate.

Wat is het nieuws?

Eind oktober schreven de media in de Verenigde Staten opgewonden over een jong bedrijf, Substrate genaamd. Deze startup had bekendgemaakt te werken aan een alternatieve techniek voor de lithografiemachines van ASML. Dat Nederlandse bedrijf heeft zo’n beetje de hele markt in handen van deze machines, die een centrale rol innemen in het proces van het maken van allerhande chips. Zo’n machine beeldt fijnzinnige patronen – meestal transistoren en aanverwante componentjes – af op halfgeleidermateriaal en dat in elk laagje van een chip. Substrate, dat is gevestigd in San Francisco, wil met zijn lithografiemachine het chipfabricageproces veel goedkoper maken.

Hoe pakt Substrate het aan?

Om steeds kleinere details te kunnen aanbrengen in halfgeleidermaterialen, moet de golflengte van het gebruikte licht omlaag. ASML nam hiertoe jaren terug de route van extreme ultraviolet (EUV), dat het bedrijf na vereende krachtinspanningen en een enorm lange adem (het traject duurde wel vijftien jaar) eindelijk voor elkaar kreeg. Sinds 2018 verkoopt het machines die met EUV werken, en de nieuwste versies daarvan worden gebruikt voor de meest geavanceerde chips. 

De lichtbron in deze EUV-machines (neem eens een kijkje onder de motorkap van een ASML-machine) werkt op een bijzondere manier. Vijftigduizend keer per seconde wordt een minuscuul druppeltje tin met een extreem krachtige laser kapotgeschoten, een proces waarbij licht vrijkomt van de gewenste golflengte. In een EUV-machine wordt het licht van deze krachtige bron geleid naar plakken silicium die door de machine zoeven.

Substrate produceert het benodigde licht van korte golflengte op een heel andere manier: met röntgenstraling. Die heeft een golflengte van minder dan vier nanometer, wat korter is dan de 13,5 nanometer die het licht in de nieuwste ASML-machine heeft.

Het bedrijf is al even bezig. Na een beginfase waarin oprichter James Proud samenwerkte met zijn broer, heeft het bedrijf inmiddels vijftig medewerkers in dienst, zo schreef The New York Times in een bedrijfsprofiel ($). Ook heeft Substrate inmiddels naar eigen zeggen honderd miljoen dollar aan investeringsgeld opgehaald.

Het resultaat van vijftien jaar onderzoeks- en ontwikkelingswerk: de extreme ultraviolet lichtbron in de ASML-machine. Te zien zijn de bron van de tindruppeltjes en de grote spiegel die het licht bundelt. Illustratie: ASML

Hoe gaat Substrate het precies doen?

Hoe precies is een goede vraag, want alle ins en outs heeft het bedrijf daarover niet bekendgemaakt. Maar het persbericht op de eigen website licht wel een tipje van sluier op. Voor het maken van het krachtige licht (de röntgenstraling dus) gebruikt Substrate een deeltjesversneller, een zogeheten free electron laser (vrije elektronenlaser). Hierin worden steeds groepjes elektronen versneld door middel van krachtige elektrische velden. Zo wordt de snelheid van die elektronenpulsen opgevoerd tot bijna de lichtsnelheid. Wanneer dan deze hoogenergetische elektronen door een rijtje tegengestelde magneetvelden worden geleid, komt daarbij energie vrij in de vorm van superhelder licht van korte golflengte, röntgenstraling dus. Deze lichtpulsen verplaatsen zich via een – eveneens – nieuw ontwikkeld optisch systeem naar de siliciumschijf, waar ze met behulp van een masker de gewenste patronen schrijven.

Waarom is dit nieuws van belang?

Het laat zien dat de halfgeleiderwereld in beweging is. Door globalisering is een situatie ontstaan met wederzijdse afhankelijkheden tussen een klein aantal landen op verschillende continenten. Zo wordt het merendeel van de complexe chips gemaakt bij TSMC in Taiwan, terwijl aan de andere kant de fabrikanten van ingewikkelde chips niet zonder de machines van ASML in Veldhoven kunnen. 

Maar door geopolitieke veranderingen willen de grotere landen zelfvoorzienender worden, en minder afhankelijk van bedrijven in andere landen. Zo wil Europa zelf complexe chips kunnen produceren (hoewel het nog wel even zal duren voor het zover is), en willen de VS de afhankelijkheid van ASML afbouwen. In dat plaatje past de aanpak van Substrate. Lithografie is een onmisbare sleuteltechnologie en de VS willen het weer zelf kunnen. Te meer daar het halverwege vorige eeuw Amerikaanse wetenschappers en ingenieurs waren die de eerste stappen zetten op het gebied van halfgeleiders. Maar ‘in het afgelopen decennium zijn de VS de leidende positie in de productie van halfgeleiders kwijtgeraakt’, schrijft het bedrijf zelf op zijn website.

Gaat het lukken om hiermee een lithografiemachine te bouwen?

Dat is nog maar zeer de vraag. Ook ASML deed jaren terug onderzoek naar lithografie met röntgenstraling uit een elektronenversneller, schrijft NRC ($), maar stopte dat onderzoek toen EUV geschikter bleek. Substrate toont nu op zijn website weliswaar goed uitziende elektronenmicroscoopplaatjes van fijne structuren, die suggereren dat de kwaliteit van patronen schrijven vergelijkbaar is met de ASML-machine, maar vertelt er niet bij hoe de resultaten precies tot stand zijn gekomen. En ook al zou het bedrijf het werken met zijn krachtige lichtbron helemaal onder controle hebben, dan is het nog een enorme stap om van dat punt te komen tot een lithografiemachine die betrouwbaar genoeg is om aan chipmakers te worden verkocht. Ter illustratie: ASML deed er jaren over om van een werkende plasma-lichtbron te komen tot de uiteindelijke EUV-machine waarop chipmakers kunnen bouwen. Substrate moet dat pad nog helemaal bewandelen: een betrouwbare machine bouwen, en daarmee het vertrouwen van klanten winnen dat die voldoet in een fabriek die vele miljarden kost. Het bedrijf bevindt zich in het eerste basiskamp, zei de halfgeleiderexpert John Kelly in The New York Times over Substrate. ‘Het heeft nog een lange weg te gaan om de top van de Everest te bereiken.’

Dat het de Amerikanen menens is, blijkt wel uit het feit dat er nog meer bedrijven werken aan deeltjesversnellers voor lithografietoepassingen. Inversion Semiconductor ontwikkelt in San Francisco de, naar eigen zeggen, kleinste deeltjesversneller ter wereld. Daarmee zou zowel het momenteel voor lithografie gebruikte licht van 13,5 nanometer te maken zijn als de kortere golflengten die nodig zijn om fijnere structuurtjes te schrijven. Inversion heeft op zijn website een video staan die het beste uitlegt hoe een vrije elektronenlaser werkt.  
Dan is er xLight uit Palo Alto, dat een vrije elektronenlaser ontwikkelt helemaal op basis van bestaande, bewezen technologie. Dat maakt het systeem makkelijker te onderhouden, schrijft het bedrijf op de eigen website. In een lithografiemachine zouden wel twee van die identieke versnellers komen te zitten, wat vragen oproept over de betrouwbaarheid. Is eentje niet betrouwbaar genoeg?
Ten slotte is er Tau Systems, gevestigd in Austin (Texas), dat eveneens elektronen versnelt tot bijna de lichtsnelheid, om ze vervolgens door een alternerend magneetveld te leiden. Dat levert EUV- en röntgenstraling op die uitstekend geschikt is ‘voor de volgende generatie lithografiemachines’, aldus het bedrijf op zijn website. 

Het Amerikaanse bedrijf Tau Systems maakte onlangs bekend dat het voor het eerst een elektronenbundel heeft geproduceerd met zijn commercieel verkrijgbare laser-gebaseerde deeltjesversneller. De foto illustreert onbedoeld ook dat de gebruikte technologie nog niet erg rijp is. Foto: Tau Systems

Mocht het Substrate – of één van de andere bedrijven – lukken, wat betekent dat dan?

Dan zouden de VS weer een eigen lithografietechniek hebben, wat strategisch voordeel oplevert. Het zou voor dat land de afhankelijkheid van buitenlandse bedrijven verminderen. Maar het zal nog lang duren voor het zover is, áls het al lukt. Substrate schermt zelf met het jaar 2028 waarin de eerste fabriek moet draaien, maar dat lijkt niet realistisch. Producenten van chips hebben alleen al jaren nodig om nieuwe chipfabrieken te bouwen; en dat is dan nog op basis van bestaande fabricagetechnieken. Substrate doet iets helemaal nieuws.

 

Openingsbeeld: een siliciumplak met daarop honderden chips. De plak komt niet voor in dit verhaal. Foto: Shutterstock