Lithografie: het licht dat onze chips maakt
Stel je een stempel voor die niet inkt op papier drukt, maar een patroon van draadjes op een schijfje silicium, zo klein dat er miljarden per vierkante centimeter passen. Dat is in de kern wat lithografie is: een techniek waarbij licht wordt gebruikt om ultrakleine patronen op een oppervlak te "drukken". In de chipindustrie is het de belangrijkste stap in het maken van computerchips, de kleine schakelingen die in vrijwel elk elektronisch apparaat zitten, van smartphones tot auto's en AI-servers.
Het bijzondere is dat er wereldwijd eigenlijk maar één bedrijf is dat de meest geavanceerde versie van deze machines kan bouwen: het Nederlandse ASML uit Veldhoven. Zonder hun apparatuur zou er geen enkele geavanceerde chip ter wereld gemaakt kunnen worden, niet door Apple, niet door Nvidia, niet door welke chipfabriek dan ook. Dat maakt lithografie tot een van de meest strategisch belangrijke technologieën van dit moment, met grote gevolgen voor handel, geopolitiek en de toekomst van kunstmatige intelligentie.
Wat is het precies?
Een chip wordt gemaakt op een dunne, ronde plak silicium: de wafer. Op die wafer worden laag voor laag patronen aangebracht die samen de miljarden transistoren en verbindingen van een chip vormen. Lithografie is de stap waarin zo'n patroon wordt "getekend".
Dat gaat als volgt. Eerst wordt de wafer bedekt met een lichtgevoelige laag, de fotoresist, te vergelijken met de lichtgevoelige laag op ouderwetse fotorolletjes. Vervolgens wordt er licht doorheen een masker (ook wel reticle genoemd) geschenen: een soort sjabloon met het gewenste circuitpatroon. Waar het licht de fotoresist raakt, verandert de chemische structuur ervan. Daarna wordt de wafer ontwikkeld, net als een foto, waardoor delen van de resist oplossen en het onderliggende materiaal bloot komt te liggen. Dat blootgelegde materiaal kan vervolgens worden weggeëtst of juist worden voorzien van nieuw materiaal. Dit hele proces wordt tientallen tot meer dan honderd keer herhaald om alle lagen van een moderne chip op te bouwen.
Hoe fijner het patroon moet zijn, hoe korter de golflengte van het gebruikte licht moet zijn, ongeveer zoals je met een dikke stift geen fijne lijntjes kunt tekenen. Jarenlang gebruikte de industrie diepe ultraviolette (DUV) lichtbronnen met een golflengte van 193 nanometer, gecombineerd met trucjes zoals "immersielithografie" (een laagje water tussen lens en wafer) en meervoudige belichtingsstappen om toch extreem kleine structuren te maken. Sinds enkele jaren gebruikt de meest geavanceerde apparatuur extreem ultraviolet licht (EUV), met een golflengte van slechts 13,5 nanometer. Dat licht wordt bijna door alles geabsorbeerd, ook door gewoon glas, dus werkt de machine met spiegels in plaats van lenzen en moet het hele proces in een vacuüm plaatsvinden. Het EUV-licht zelf wordt opgewekt door piepkleine druppeltjes gesmolten tin tienduizenden keren per seconde met een krachtige laser te beschieten, waardoor een plasma ontstaat dat het gewenste licht uitstraalt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te omschrijven, ook al is de uitvoering ongelooflijk complex: steeds meer transistoren op eenzelfde oppervlak silicium krijgen. Kleinere transistoren betekenen chips die sneller rekenen, minder stroom verbruiken en meer functies in hetzelfde formaat kunnen combineren. Dit streven staat bekend als de wet van Moore, genoemd naar Intel-medeoprichter Gordon Moore, die in 1965 voorspelde dat het aantal transistoren op een chip ongeveer elke twee jaar zou verdubbelen.
Die vooruitgang ligt aan de basis van bijna alle technologische ontwikkeling van de afgelopen decennia: van de opkomst van de smartphone tot de huidige explosie van kunstmatige intelligentie, die draait op enorme hoeveelheden rekenkracht. Zonder steeds fijnere lithografie zouden chips niet krachtiger worden zonder ook groter, duurder of energieverslindender te worden. Tegelijk wordt het steeds moeilijker en kostbaarder om nog kleiner te gaan, wat de druk op deze techniek alleen maar groter maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
De belangrijkste doorbraak van de afgelopen jaren is de introductie van EUV-lithografie in de massaproductie, vanaf ongeveer 2019, met machines als de ASML NXE:3400 en de latere NXE:3600. TSMC, de Taiwanese chipreus, gebruikte deze techniek voor het eerst grootschalig voor zijn 7-nanometer- en later 5- en 3-nanometerprocessen, waarop onder meer de chips van Apple's iPhones en Macs worden gemaakt.
Een tweede belangrijk voorbeeld is Samsung Foundry in Zuid-Korea, dat eveneens EUV inzet voor zijn geheugenchips en processoren, en dat in de afgelopen jaren investeerde in nieuwe fabrieken specifiek voor deze techniek.
Intel, lange tijd achterop geraakt bij het invoeren van EUV, heeft juist ingezet op de volgende generatie: High-NA EUV (met een grotere numerieke apertuur, NA, wat voor nog fijnere details zorgt). In 2024 kreeg de Intel-fabriek in Hillsboro, Oregon, een van de eerste exemplaren van ASML's nieuwe EXE:5000-systeem geleverd, bedoeld voor Intels 18A-productieproces.
Ook het Belgische onderzoeksinstituut imec in Leuven speelt een sleutelrol: het is een van de eerste plekken ter wereld waar High-NA EUV-prototypes worden getest, in nauwe samenwerking met ASML, chipmakers en materiaalleveranciers, nog vóórdat de techniek industrieel wordt ingezet.
Hoe ver is de techniek?
Gewone EUV-lithografie is inmiddels een bewezen, volwassen technologie die al jaren in massaproductie wordt gebruikt bij de meest geavanceerde chipfabrieken ter wereld. High-NA EUV, de volgende stap, bevindt zich nog in een vroege fase: de eerste systemen zijn sinds 2023-2024 uitgeleverd aan onderzoekspartners zoals imec en aan chipmakers als Intel, en worden gebruikt om het productieproces te testen en te verfijnen voordat grootschalige productie ermee start. Hoe snel en breed deze machines de komende jaren daadwerkelijk in massaproductie worden ingezet bij verschillende chipmakers, is op het moment van schrijven nog niet met zekerheid vast te stellen; dit hangt af van technische rijping én van de investeringsbeslissingen van individuele bedrijven.
De obstakels zijn aanzienlijk. Eén EUV-machine kost al gauw meer dan 150 miljoen euro, en een High-NA-systeem ligt daar nog fors boven; dat maakt de instapdrempel torenhoog en houdt concurrentie op dit vlak vrijwel onmogelijk. Daarnaast kampt de nieuwste generatie met technische uitdagingen zoals een kleiner belichtingsveld per stap (waardoor patronen soms in stukken "gestikt" moeten worden), hoge eisen aan foutloze maskers en beschermfolies (pellicles), en de noodzaak om voldoende wafers per uur te verwerken om economisch rendabel te zijn. Tot slot speelt geopolitiek een grote rol: de meest geavanceerde EUV- en High-NA-machines mogen, mede door exportbeperkingen vanuit Nederland, de Verenigde Staten en Japan, niet aan Chinese chipfabrikanten worden geleverd, wat wereldwijd voor spanningen zorgt in de halfgeleiderindustrie.
Wie werken eraan?
ASML in Veldhoven is wereldwijd de enige producent van EUV- en High-NA-EUV-lithografiemachines, en daarmee een onmisbare schakel in de gehele chipindustrie. Het bedrijf werkt daarbij nauw samen met toeleveranciers zoals Zeiss in Duitsland, dat de extreem precieze spiegeloptiek levert, en Cymer in de Verenigde Staten (onderdeel van ASML), dat de lichtbronnen ontwikkelt.
Aan de gebruikerskant staan de grote chipfabrikanten (foundries): TSMC in Taiwan, Samsung in Zuid-Korea en Intel in de Verenigde Staten zijn de belangrijkste partijen die deze machines daadwerkelijk inzetten om chips te produceren voor klanten als Apple, Nvidia, AMD en Qualcomm. Onafhankelijk onderzoeksinstituut imec in Leuven, België, vervult een unieke rol als neutrale testomgeving waar nieuwe generaties lithografietechniek vroegtijdig worden beproefd, in samenwerking met zowel machinebouwers als chipmakers.
Op landenniveau zijn Nederland (waar ASML gevestigd is), Taiwan, Zuid-Korea, de Verenigde Staten en Japan de centrale spelers in deze keten, terwijl landen als China grote investeringen doen om zelf geavanceerdere lithografietechniek te ontwikkelen, tot dusver zonder de allernieuwste EUV-generaties te kunnen evenaren.