VS steken 150 miljoen in een alternatieve lichtbron voor chipmachines die ASML bewust links liet liggen

De Amerikaanse overheid investeert 150 miljoen dollar in xLight, een start-up die een alternatieve lichtbron ontwikkelt voor EUV-chipmachines zoals ASML die bouwt.

Met deze technologie wil VS weer vooroplopen in de nieuwe generatie lithografiemachines, schreef onderzoeksinstituut NIST eerder deze week op zijn website. De investering valt onder de Chips and Science Act, een subsidieprogramma van ruim 50 miljard dollar dat de vorige Amerikaanse regering heeft opgetuigd.

Handelsminister Howard Lutnick is hoopvol over de kans van slagen: „Amerika heeft de koppositie in geavanceerde technologie te lang aan anderen overgelaten. Onder president Trump is die tijd voorbij”, reageert hij op de NIST-site. Trump wilde het subsidieprogramma afschaffen, maar lijkt op die beslissing te zijn teruggekomen.

Lithografiesystemen zijn complexe kopieerapparaten die op grote schaal chips produceren. Marktleider ASML gebruikt voor zijn meest geavanceerde machines extreem ultraviolet licht (EUV). Dat wordt gegenereerd door met een laserstraal 50.000 keer per seconde een druppeltje tin eerst plat te slaan en vervolgens te laten exploderen. Het is een ingewikkeld proces dat veel stroom kost.

Dat kan zuiniger, denkt xLight. De alternatieve lichtbron is een vrije elektronenlaser of FEL. Het is een deeltjesversneller, een lang buizenstelsel waarin elektronen met magneten worden beïnvloed en zo genoeg licht creëren voor wel tien of twintig lithografiemachines tegelijk. Dat zou voordeliger zijn en minder energie verbruiken dan de lichtbron die ASML gebruikt – voor elke machine één.

Zwaar rekenwerk

EUV-licht heeft een golflengte van 13,5 nanometer (miljoenste millimeter) en kan fijnere lijntjes ‘tekenen’ dan de wat oudere diep-ultraviolettechniek. Daardoor passen meer transistors op een vierkante centimeter, en worden chips krachtiger en efficiënter. Dat is belangrijk voor het zware rekenwerk dat komt kijken bij AI-modellen.  

De VS, bakermat van de chipindustrie, verloren in de jaren negentig de concurrentieslag in lithografiesystemen van Japan en Nederland. ASML nam de laatste Amerikaanse speler, SVG, in 2001 over.  

Nu is Amerika voor de productie van AI-chips aangewezen op chipfabrieken van het Taiwanese TSMC en Nederlandse lithografiesystemen. Die afhankelijkheid willen de VS verminderen door zelf weer hoogwaardige techniek te gaan ontwikkelen. Het kostte ASML, vooralsnog de enige fabrikant van EUV-machines, ruim vijftien jaar om de systemen te industrialiseren en betrouwbaar genoeg te krijgen voor commerciële chipproductie. De lichtbron was daarbij altijd het grootste struikelblok: die leverde te weinig vermogen en was niet betrouwbaar genoeg om 24 uur per dag in een chipfabriek te functioneren.

ASML’s lichtbron is afkomstig van Cymer, een bedrijf uit San Diego. In 2013 nam ASML Cymer over. In die tijd onderzocht ASML ook de FEL-techniek, als reserveplan voor het geval de tindruppeltjes niet zouden werken. Technisch directeur Martin van den Brink trok in 2015 de stekker uit dat onderzoek, zodra hij zeker was dat EUV ging slagen. Het duurde daarna nog tot 2019 voordat Samsung en TSMC met de massaproductie van chips met EUV begonnen. Ook de Chinese firma SMIC bestelde zo’n machine, maar exportbeperkingen stonden levering in de weg.

Dubbele lichtfabriek

Een elektronenversneller zoals xLight die bouwt, heeft de omvang van ongeveer een voetbalveld. Daarvoor moet een aparte ‘lichtfabriek’ worden gebouwd, naast de reguliere chipfabriek. Het plan is met twee deeltjesversnellers naast elkaar te werken, zodat het systeem te onderhouden is zonder de chipproductie te stoppen.

Een eerste prototype moet in 2028 gereed zijn voor gebruik, bij onderzoeksinstituut Albany Nanotech in de staat New York. Daar komt ook een exemplaar van ASML’s meest recente EUV-systeem te staan, de zogeheten HighNA-machine. Eén zo’n apparaat kost 400 miljoen euro.

„De huidige lichttechnologie heeft zijn limiet bereikt”, vertelde Nicholas Kelez aan nieuwssite Axios.  Maar in een eerder gesprek met NRC gaf ASML’s onderzoeksdirecteur Jos Benschap aan dat hij verwacht dat de lichtbron met de tindruppeltjes het meest kosteneffectief blijft om EUV-licht te genereren. Het kan nog efficiënter, door de frequentie van de laserklappen op te voeren naar 60.000 keer per seconde en de tindruppels niet alleen plat te slaan, maar ook te verpulveren.

Terugkeer van Gelsinger

Een belangrijke pleitbezorger van xLight is Pat Gelsinger, de voormalige topman van chipmaker Intel. Hij moest eind vorig jaar weg bij het Amerikaanse bedrijf, nadat de door hem beloofde inhaalslag was uitgebleven. Intel verloor terrein ten opzichte van de Aziatische concurrenten TSMC en Samsung, omdat het langer wachtte met de inzet van EUV-machines. Hoewel Intel een belangrijke rol speelde bij de eerste EUV-prototypes, vond het de overstap te risicovol.

Onder Gelsinger rekende Intel op miljardensubsidies om extra fabrieken te bouwen, maar klanten bleven uit en veel uitbreidingen zijn gepauzeerd. Om te voorkomen dat Intel zou omvallen, nam de Amerikaanse overheid na Gelsingers vertrek een aandeel van 10 procent in de chipmaker, voor 8,9 miljard dollar (8,2 miljard euro). Zo hoopt Trump te voorkomen dat Amerika straks geen nationale chipfabrikant heeft die geavanceerde chips kan produceren.

Amerika wil zelf ook alle gereedschappen voor chipproductie kunnen maken. Lithografie is daarbij het belangrijkste, maar ook meest gecompliceerde element. Maar met alleen een lichtbron bouw je geen lithografiesysteem; EUV-machines hebben speciale spiegels en nauwkeurig bewegende delen die met nanometerprecisie werken.

De Amerikaanse start-up Substrate legt de lat nog hoger dan xLight: het ontwikkelt een lichtbron met röntgenstralen en denkt zowel lithografiemachines als eigen chipfabrieken te gaan bouwen. Voor 2028 zouden die moeten draaien. Substrates ambities zijn ongeloofwaardig; zelfs marktleider TSMC doet jaren over bouwen en opstarten van een nieuwe fabriek, ook als die gebruikmaakt van gangbare techniek. Toch steekt het Founders Fund van serie-ondernemer Peter Thiel 100 miljoen dollar in de start-up.