Chips die je met het blote oog niet ziet

Nanotechnologie gebruiken we tegenwoordig steeds vaker om nog snellere telefoons en computers te maken. Maar hoe klein is een nanometer, en hoe maak je chips op de nanometerschaal, terwijl je voorwerpen van een nanometer met het blote oog helemaal niet kunt zien? Allemaal vragen waar ik in deze blog antwoord op geef!

7 juni 2023

Nanotechnologie: misschien heb je er al wel eens van gehoord. We gebruiken het tegenwoordig voor verschillende ontwikkelingen op wetenschappelijk en technologisch gebied. Waar ik me specifiek mee bezig hou zijn chips. Die chips zitten normaal gesproken in je telefoon of in de computer, die tot een aantal jaar geleden nog vol zaten met microtechnologie. Maar we willen dat onze elektronica steeds sneller en meer kan.

We gebruiken onze telefoons voor steeds meer aspecten. Apps gebruiken ingewikkeldere algoritmes voor bijvoorbeeld TikTok, waardoor onze telefoons steeds trager worden. Dat willen we natuurlijk niet en daarom is er meer verkeer nodig op de chips. Voor meer verkeer hebben we grotere chips nodig – en dus een grotere telefoon – of kleinere componenten op de chips. En dat is waar nanotechnologie om de hoek komt kijken.

De nieuwste chips in de nieuwste telefoons bestaan uit componenten en lijntjes van enkele nanometers dik. Maar hoe klein is zo’n nanometer nou?

Een nanometer kun je vergelijken met een tennisbal. Een molecuul is ongeveer 1 nanometer groot. En als je dat molecuul in grootte vergelijkt met een tennisbal, is dat alsof je diezelfde tennisbal vergelijkt met de aarde!
Pixabay CC0

Fotograferen met elektronen

Hoe maak je dat soort chips dan, vraag je je misschien af! We kunnen niet met de hand lijntjes tekenen om van punt A naar punt B te gaan op de chip, dat wordt veel te onnauwkeurig. We gebruiken hier een speciaal proces voor dat elektronenstraallithografie heet. Dat is een hele mond vol, maar waar het eigenlijk op neer komt is: fotograferen met elektronen! Ik loop jullie stap voor stap door het proces heen.

We beginnen met een lege chip (stap 1), en daar brengen we een elektronengevoelige laag op: een polymeer (stap 2). Dit betekent dat als er elektronen op de laag terechtkomen, het polymeer reageert en de polymeerketens worden gebroken. We kunnen helemaal zelf kiezen wat voor vorm we willen maken als we met de elektronen schieten (stap 3).

Daarna gaan we naar de volgende stap in het fotografieproces: het ontwikkelen. Als we de chip in een ontwikkelvloeistof doen, lossen de delen van de elektronengevoelige laag die beschoten zijn met elektronen op in die vloeistof, terwijl de andere delen niet oplossen (stap 4).

Hierdoor komen er gaten in de elektronengevoelige laag precies op de plekken waar je dat wilt. Daarna leggen we een laagje metaal over de hele chip heen (stap 5). De rest van het polymeer is nog steeds wel gevoelig voor andere oplosmiddelen.

Dus zodra we de chip in zo’n oplosmiddel leggen, verdwijnt het polymeer en wordt het deel metaal meegenomen wat er bovenop ligt (stap 6). En zo blijft er alleen metaal over op de plekken waar je met je elektronenstraal geschoten hebt: een prachtige foto!

Kijken op de nanoschaal

Na het maken van zo’n chip willen we natuurlijk ook weten of het er uitziet zoals we het bedoeld hebben. Met het blote oog zien we niet zo veel als we naar de chip kijken. De grootste structuren zijn wel duidelijk zichtbaar, maar om te beoordelen hoe scherp de lijntjes echt zijn geworden, moeten we inzoomen.

Hiervoor gebruik ik eerst meestal een optische microscoop. Met een optische microscoop zoom je ongeveer 1000 keer in. Ter vergelijking, een goede smartphonecamera zoomt 5 keer in! Onder de microscoop zien we een stuk meer van onze chip, maar soms lukt het dan nog steeds niet om alles te bekijken wat we willen. Als je op nanoschaal wil kijken, heb je een groter apparaat nodig om dit in beeld te brengen: een elektronenmicroscoop.

Een elektronenmicroscoop stuurt elektronen op je chip af. Die botsen dan tegen je chip aan, en afhankelijk van de manier waarop ze reflecteren, maakt de machine een afbeelding van de chip. Je kijkt dus niet direct naar je chip, maar je kunt wel ontzettend ver inzoomen en daardoor veel detail in beeld krijgen.

Stukje van mijn chip onder de microscoop
Femke Witmans voor NEMO Kennislink

Kijk bijvoorbeeld naar de plaatjes: je ziet een stukje van mijn chip, heel erg ver ingezoomd en daarnaast een plaatje van een haar. Wat zit er nog veel detail in die haren van ons.