Tussen beschermpak en topwetenschap

Perfectionisme loont: Een enkele huidschilfer kan voldoende zijn om tientallen microchips te beschadigen. (Afbeelding: Lucia Luca Hunziker / ETH Zürich)

Fabricage van microchips: Meestal dienen klassieke siliciumwafers als basis – zoals hier op de afbeelding glanzend groen schijnend (Afbeelding: Lucia Luca Hunziker / ETH Zürich)

In het felle kunstlicht en onder het monotone gezoem van een krachtige ventilator neemt Peter Rimpf een witte overall met capuchon, trekt laboratoriumschoenen aan en trekt handschoenen over zijn vingers. «Een enkele huidschil kan voldoende zijn om tientallen microchips te beschadigen», legt de bedrijfsleider van de cleanroom op de afdeling Biosystemen van ETH Zürich op de locatie Basel uit. Voordat onderzoekers de cleanroom mogen betreden, gaan ze door een overdruksluis, reinigen ze hun schoenzolen op een kleefmat en trekken ze zich om. Wie in de cleanroom aantekeningen moet maken, krijgt van Rimpf speciaal bewerkt papier dat geen schuursporen achterlaat. Vuil, pluisjes en stof moeten hier koste wat kost worden voorkomen.

Knobbelwerk in micro- en nanobereik

De Cleanroom Facility Basel bevindt zich in de kelder van het onderzoeks- en laboratoriumgebouw BSS van ETH op het Schällemätteli-terrein in Basel. De temperatuur in de cleanroom bedraagt constant 21 graden Celsius; de luchtvochtigheid ligt op 45 procent – schommelingen zijn ongewenst, niets mag hier de delicate werkzaamheden verstoren. In de Cleanroom Facility Basel worden microchips voor biotechnologisch onderzoek vervaardigd, daarnaast wordt gewerkt aan kleine sensoren of prototypes van nieuwe componenten voor halfgeleiders. Meestal werken de onderzoekers met klassieke siliciumwafers; dus schijven van zuiver, kristallijn silicium die iets groter zijn dan een cd en in het licht een regenboogkleurige glans vertonen. Hieruit worden hightech-microchips gemaakt. De uitrusting van de 360 vierkante meter grote cleanroom is ontworpen voor het nabewerken van zogenaamde CMOS-micro-elektronicachips. Op deze kunnen miljoenen kleine transistors worden ondergebracht. De meeste beeldsensoren in camera’s, smartphones en auto’s zijn tegenwoordig gebaseerd op CMOS-technologie.

Rimpf stapt in zijn overall uit de sluis een gang in, die de acht laboratoria van de cleanroom en meerdere technische ruimten met elkaar verbindt. In de laboratoria staan diverse apparaten voor het bewerken van wafers en microchips, evenals voor de nadere analyse. Twee laboratoria zijn onderverhuurd aan de Universiteit Basel, bovendien kunnen ook industriële partners de cleanroom gebruiken. In totaal kunnen hier ongeveer veertig personen gelijktijdig werken. Laboratoria en technische installaties zijn zo veel mogelijk van elkaar gescheiden om contaminaties tijdens het gebruik of onderhoud te voorkomen. Daarnaast heerst in alle laboratoria een overdruk, zodat zo min mogelijk deeltjes en stof van buiten naar binnen komen. «Een kubieke meter stadslucht bevat normaal gesproken miljoenen deeltjes», vertelt Rimpf. «Dankzij onze filtersystemen kunnen we het aantal terugbrengen tot enkele duizenden.» Daartoe wordt voortdurend verse lucht via filters uit het plafond in de ruimten geblazen. Per uur wordt 30.000 kubieke meter lucht verplaatst en gefilterd.

Rimpf betreedt de zogenaamde lithografiekamer, die met geel licht is verlicht. De lakken die hier op de wafers worden aangebracht, zijn lichtgevoelig en kunnen worden beschadigd door UV-straling. Onder een afzuigkap staat op een tafel ingebouwd een spuiter, waarmee epoxyharslakken micrometerdun op de wafers worden gespoten. «In tegenstelling tot in industriële cleanrooms zijn er bij ons slechts enkele gestandaardiseerde en geautomatiseerde processen», zegt Rimpf. «Hier wordt nog heel veel handmatig gewerkt.» Daarom vereist het werk veel ervaring en handvaardigheid. Na het spuiten wordt de wafer eerst op een hete plaat gelegd zodat de oplosmiddelen verdampen. Later worden de beoogde microstructuren in een grote kast, zo groot als een wasmachine, uitgehard met UV-licht. Vervolgens wordt de overtollige lak met oplosmiddelen afgespoeld. Zo ontstaan op de wafers structuren in micro- of nanometerbereik.

In een aangrenzend laboratorium staat een installatie voor het droog etsen van wafers. Met behulp van een plasma van geïoniseerd gas kunnen fijne structuren in het silicium worden geëtst, waaronder ook structuren met zeer steile wanden en scherpe randen. Hiermee kunnen de onderzoekers gericht kleine kanalen, inkepingen of elektrische structuren in de wafer verwerken. «Hoe kleiner de structuren op de wafers, des te krachtiger zijn later de chips», zegt Rimpf. De kleinste structuren die hier op de wafers worden aangebracht, zijn 500 nanometer klein, dus vele malen dunner dan de diameter van een enkel haar.

Veelzijdig en complex

Marina Marti werkt sinds een jaar in het operationele team van de Cleanroom Facility Basel. Ze is gediplomeerd chemisch laborant, was eerder werkzaam in een farmaceutisch bedrijf in de cleanroom en is gewend aan werken onder zeer schone omstandigheden. Ze heeft zich ten doel gesteld dat de onderzoekers in de cleanroom altijd optimale arbeidsomstandigheden aantreffen. Daarvoor moeten machines worden onderhouden, afval worden geleegd en vervangmateriaal zoals handschoenen, oplosmiddelen en fotolakken worden verstrekt. Dat ze de hele dag in de kelder werkt, stoort Marti niet. «Je went eraan», zegt ze. Bovendien gaat de tijd snel, omdat er vooral geconcentreerd wordt gewerkt. Voor kantoorwerkzaamheden is er bovendien een ruimte met daglicht voor de medewerkers.

Bij onderhoud en reparaties van de hightech-instrumenten werkt het operationele team nauw samen met fabrikanten in Zwitserland en het buitenland. «De verscheidenheid en complexiteit van de apparaten is indrukwekkend», zegt Marti. Met behulp van handleidingen van de apparaatfabrikanten, instructievideo’s en de ondersteuning van haar collega’s leert ze momenteel de bediening en het onderhoud van de verschillende instrumenten. «Ik leer elke dag iets nieuws – dat vind ik precies leuk aan mijn werk.» Sommige instrumenten kosten ver boven de 1 miljoen Zwitserse frank, bijvoorbeeld een rasterelektronenmicroscoop van de nieuwste generatie. Hiermee kunnen driedimensionale beelden worden gemaakt met een resolutie tot twintig nanometer, om de structuren op de wafers tot in het kleinste detail te analyseren. Defecten of verontreinigingen worden daarmee direct zichtbaar. «Het was een bijzonder moment om dit microscoop voor het eerst te bedienen», herinnert Marti zich.

Tegelijkertijd staat de cleanroomfaciliteit in Basel open voor alle studenten en medewerkers van de afdeling. Enige voorwaarde: ze moeten deelnemen aan een introductie en een veiligheidstraining en enige ervaring hebben met het werken in de cleanroom. Rimpf en zijn medewerkers geven de basiskennis, trainen de geïnteresseerden in de verschillende apparaten, introduceren hen in het veiligheidsconcept en sensibiliseren hen voor maatregelen om de infrastructuur zo schoon mogelijk te houden. «Velen waren nog nooit eerder in zo’n cleanroom geweest», zegt Rimpf. «Wij zijn hun eerste aanspreekpunt en helpen hen bij het realiseren van hun ideeën.» Zijn doel is om de volgende generatie micro- en nanotechnologie-experts te ondersteunen en te inspireren met zijn expertise.

Hersencellen op chips

Het karakter van de cleanroom als «gebruikersfaciliteit» is ook voor hem erg belangrijk, zegt Andreas Hierlemann, hoogleraar biosystemenengineering en vertegenwoordiger van de afdeling Biosystemen voor het leidinggeven en toezicht houden op de cleanroom. «De onderzoekers moeten basiskennis voor het werken in de cleanroom meebrengen, maar het is niet nodig om speciale apparaatexpertise te hebben om het te mogen gebruiken. Hier moet je ook dingen uitproberen durven.» Dit vormt ook de basis voor het onderwijs: masterstudenten biotechnologie gebruiken de cleanroom tijdens hun microtechniekpraktijk om eerste eigen structuren op siliciumwafers te ontwerpen en chips te fabriceren. «Dat is niet vanzelfsprekend», zegt Hierlemann. «Er zijn maar weinig universiteiten die hun masterstudenten in de cleanroom laten werken.»

Zijn eigen onderzoeksgroep ontwikkelt microchips om medicijnen te testen. Zulke «advanced in vitro»-systemen kunnen bepaalde dierproeven vervangen. Hierlemann en zijn team ontwikkelen daarvoor speciale microchips, die ze met hart- of hersencellen laten groeien. Het materiaal hiervoor komt van bepaalde menselijke stamcellen die in het laboratorium zijn gekweekt. Met behulp van deze chips kunnen elektrische signalen worden gemeten of de cellen worden gestimuleerd met elektrische impulsen. Omdat de signalen kenmerkend zijn voor bepaalde ziekten, is het bijvoorbeeld mogelijk om de elektrische activiteit van gezonde en zieke hersencellen met elkaar te vergelijken en de werking van nieuw ontwikkelde medicijnen op dergelijke chips te testen. Hierlemanns onderzoeksgroep is afhankelijk van een goed uitgeruste cleanroom. «Ongeveer de helft van mijn groep werkt regelmatig in de cleanroom, hij is essentieel voor ons onderzoek.»

Van idee tot chip

Naast de cleanroom in Basel huisvest de ETH nog twee andere cleanrooms in Zürich. Het FIRST Lab op de campus Hönggerberg beschikt over 400 vierkante meter cleanroomruimte en instrumenten die vooral gericht zijn op groepen uit de vakgebieden natuurkunde, elektrotechniek en materiaalkunde. Op de ETH-locatie Zentrum bevindt zich met de FIRST-CLA een kleinere zus met 250 vierkante meter cleanroomruimte, die speciaal is uitgerust voor de behoeften van onderzoekers in de mechanica en procesingenieurstechniek. «Zonder deze cleanrooms zouden ongeveer tien groepen een nieuwe locatie voor hun onderzoek moeten zoeken», zegt Giacomo Scalari, hoogleraar kwantum-elektronica en coördinator van het FIRST Lab. «Voor veel ETH-onderzoekers zijn ze onmisbaar.»

Scalaris groep ontwikkelt nieuwe halfgeleiderlasers, zoals die worden gebruikt in de telecommunicatie of voor gezichtsherkenning in smartphones. Afhankelijk van de halfgeleider die in de chips wordt verwerkt, zenden dergelijke lasers een andere golflengte uit. Zijn negen promovendi brengen ongeveer veertig procent van hun tijd door in het FIRST Lab, vertelt hij. «Ze komen binnen met een idee en een ontwerp en gaan weer naar buiten met een prototype van een chip. Daarna testen ze deze in het laboratorium, optimaliseren ze het ontwerp en gaan opnieuw de cleanroom in.»

Meerdere pogingen zijn vaak nodig voordat de uiteindelijke microchip aan de gewenste eisen voldoet. Soms duurt dit proces meerdere maanden. Vaak worden de apparaten daarbij aangepast met ondersteuning van technici van de fabrikanten, zodat de productie van bepaalde microchipontwerpen überhaupt mogelijk wordt. De uitrusting van de cleanrooms wordt daarbij continu verder ontwikkeld. Dat zijn kantoor en de laboratoria van mijn groep slechts vijf minuten lopen van het FIRST Lab verwijderd zijn, is een groot voordeel: «Door die nabijheid kunnen we nieuwe ideeën meteen uitvoeren en testen. Dat is uiterst efficiënt.»

Tegelijkertijd heeft de cleanroom een «cafeteria-effect», aldus Scalari. Men komt in gesprek met collega’s die aan andere onderzoeksvragen werken. «Deze uitwisseling is zeer waardevol. Dankzij een goed advies win je soms maanden.» Net als Hierlemann benadrukt ook Scalari de belangrijke rol van de infrastructuur voor het onderwijs en de aantrekkelijkheid voor afgestudeerden op de arbeidsmarkt. «Onze studenten weten hoe je zo’n microtechnologische infrastructuur bedient. Dat wordt enorm gewaardeerd door de industrie.» De meeste van zijn afgestudeerden vonden meteen een baan in de opto-elektronische industrie. Anderen richtten eigen spin-offs op, waaronder Versics en SCALE Lasers.

Fascinatie voor teamwork

Terug in de cleanroom in Basel. In de sluis, die de gecontroleerde en grotendeels stofvrije ruimte scheidt van de vuile buitenwereld, trekt Rimpf zijn overall en handschoenen uit. Twintig jaar geleden stond de technicus voor het eerst in een cleanroom, toen hij begon te werken bij ABB in de microtechnologie.

Zijn fascinatie voor precisie en het daarvoor benodigde teamwork is tot op heden onverminderd. «Hoe kleiner en complexer de structuren, des te meer verschillende vakkennis nodig is», zegt hij. «Dat gaat niet alleen; daarvoor moeten mensen samenwerken.»