Clean rooms, quantum- en slimme sensoren aan de TU Delft

De TU Delft werkt intensief aan nieuwe ontwikkelingen op het gebied van chips, onder meer voor de medische industrie. Modernere cleanrooms moeten zorgen voor een nog schoner en betrouwbaarder onderzoek en productie. Voortdurende nieuwe en betere ontwikkelingen brengen nieuw en beter onderzoek binnen handbereik.

Pieter Tellemans, directeur Cleanroom bij de TU Delft, benadrukt het belang van cleanrooms als stofvrije en sterk gecontroleerde ruimtes: “De cleanroom is een zeer schone ruimte. Daarnaast is het ook heel goed onder controle wat betreft temperatuur, luchtvochtigheid, trillingen en elektromagnetische straling van buitenaf die naar binnen komt.” Verschillende bedrijven maken gebruik van deze cleanrooms: “Het is voor een bedrijf praktisch onmogelijk om een ​​eigen laboratorium op te zetten vanwege de hoge kosten, maar sommige grotere bedrijven, zoals ASML, hebben wel de middelen om hun eigen faciliteiten te bouwen. Voor hen is dit ook interessanter, omdat hier vooral onderzoek wordt gedaan. Het is vaak niet gewenst om onderzoek en productie te combineren. In de productie heb je simpelweg een machine die stempelt en elke dag hetzelfde doet. Daar zit je niet alleen maar aan de knoppen te draaien, terwijl hier elke gebruiker bezig is met sleutelen om het beste resultaat te krijgen. Als ASML of andere bedrijven nog aan het experimenteren zijn, is dit een geweldige omgeving. En natuurlijk is er de interactie met omliggende afdelingen die ook van deze faciliteit gebruik maken. Het geeft dus iets meer flexibiliteit in wat kan en wat mogelijk is. “Het is een soort incubator waar het allemaal echt begint.”

Kwantum- en nanometers

Het onderzoek in de cleanrooms van de TU Delft kent meerdere toepassingen, waarbij de nadruk ligt op onderzoek en ontwikkeling op specifieke terreinen zoals de kwantumtechnologie, waarbij de complexiteit van het aansturen van elementaire deeltjes op een chip opvalt: “Dit is nanotechnologie. Een nanometer is een duizendste van een duizendste millimeter. Tellemans benadrukt de essentie van clean rooms om structuren te produceren met nanometerprecisie: “Omdat het begon met micro-elektronica. Nog maar zestig, zeventig jaar geleden. Met de eerste transistor.” Financiering komt vaak van de overheid, met recente steun van groeifondsen als Quantum Delta, gericht op quantumtechnologie: “De laatste tijd vooral groeifondsen. Nu hebben we Quantum Delta. Vandaar het groeifonds voor quantumtechnologie.”

Sensoren voor boeren bijvoorbeeld

In de wereld van sensortechnologie richt Sten Vollebregt, onderzoeker aan de TU Delft, zich op de ontwikkeling van geavanceerde sensoren. Het streeft ernaar slimmere sensoren te creëren die meer kunnen dan alleen gegevens lezen. Hun doel is om sensoren te ontwikkelen die slimmer, gevoeliger worden en effectiever werken. Met de toenemende vraag naar sensoren in diverse sectoren ontstaat er steeds meer behoefte aan autonome, compacte en robuuste sensoren. Om deze reden richt Vollebregt zich op het onderzoek naar nieuwe materialen die deze eigenschappen kunnen bieden en die menselijke zintuigen kunnen imiteren. Er wordt gebruik gemaakt van nanomaterialen zoals grafeen, maar ook van materialen die bestand zijn tegen extreme temperaturen. Een voorbeeld hiervan is de ‘elektronische neus’, waarbij grafeen wordt gebruikt om sensoren te ontwikkelen die veel minder energie verbruiken dan traditionele sensoren en tegelijkertijd een breed scala aan stoffen kunnen detecteren. Dit soort onderzoek wordt ook toegepast in projecten die boeren willen ondersteunen bij het opsporen van problemen zoals mijtinfecties bij kippen. Naast het gebruik van grafeen en andere nanomaterialen onderzoekt Vollebregt ook nieuwe mogelijkheden op het gebied van zonne-energiesensoren en fysiologische parameters. Deze sensoren zijn, net als de ‘Heart of Life’, aanzienlijk kleiner en minder gevoelig voor straling, waardoor ze ideaal zijn voor ruimte- en luchtvaarttoepassingen.

Chips zoals het menselijk lichaam.

Bi/Ond creëert inclusieve, gezondheidsveilige medicijnen die voor iedereen toegankelijk zijn. ‘Terwijl we aan iets heel anders werkten, hebben we per ongeluk een kunstbloedvat gemaakt. Wij gaan daarmee door. Biologen gebruiken momenteel twee instrumenten om nieuwe medicijnen te ontwikkelen, maar om echt effectief te zijn is er een derde instrument nodig. De resultaten die farmaceutische bedrijven behalen worden vaak beïnvloed door beslissingen die worden genomen op basis van niet-menselijke data. Daarom streven we ernaar dichter bij de menselijke ervaring te komen, vooral tijdens klinische onderzoeken. Dit kan door een computerchip te ontwikkelen waarmee biologen menselijke cellen en weefsels kunnen simuleren. Deze chip bootst het menselijk lichaam na, waardoor onderzoekers kunnen experimenteren in een omgeving die lijkt op het menselijk lichaam. Met een kunstbloedvat kan de chip zelfs de menselijke hartslag nabootsen, waardoor de cellen zich gedragen alsof ze in een menselijk lichaam functioneren. Deze chip is ontwikkeld in het Else Kooi Laboratorium van de TU Delft, waar een multidisciplinair team van ingenieurs en biologen van verschillende nationaliteiten werkt. Zo creëerden we een functioneel prototype waarmee indrukwekkende resultaten werden behaald. De focus ligt op het produceren van gepersonaliseerde medicijnen die aansluiten bij de individuele behoeften van patiënten. Door samen te werken met andere bedrijven en geavanceerde technologieën te gebruiken, streven we ernaar een verschil te maken in de farmaceutische industrie en de levens van mensen te verbeteren.”

Energie-efficiëntie

Ook de TU Delft werkt aan een oplossing op het gebied van energie-efficiëntie voor zendmasten. “Door de huidige analoge systemen, zoals de transistor, in kleine fragmenten op te splitsen en deze digitaal te besturen, kunnen we de energie-efficiëntie verbeteren zonder de netwerkprestaties in gevaar te brengen. Deze aanpak heeft al tot concrete resultaten geleid, mede dankzij onze samenwerking met industriële partners in Nederland en Europa. Ons team blijft zich inzetten voor de ontwikkeling van innovatieve oplossingen die het energieverbruik van mobiele netwerken drastisch verminderen. Met publicaties over de hele wereld en een sterke positie binnen de sector zijn we goed gepositioneerd om deze veranderingen in de toekomst door te voeren.”

Microprocessor

Innatera werkt aan de ontwikkeling van de meest energiezuinige, op het brein geïnspireerde microprocessor die de rekenkracht dichter bij de sensor brengt. Sumeet Kumar, CEO van Innatera, zei: “Met de groei van het aantal verbonden apparaten, elk uitgerust met meerdere sensoren, wordt het duidelijk dat de huidige aanpak van gegevensverwerking inefficiënt en duur is. De oplossing is om de verwerking naar de sensor zelf te verplaatsen, maar dit brengt nieuwe uitdagingen met zich mee, vooral op het gebied van energieverbruik. Onze op het brein geïnspireerde microprocessor biedt een revolutionaire oplossing voor dit probleem. Door biologische processen na te bootsen, kunnen we de sensorintelligentie dramatisch verbeteren en tegelijkertijd het energieverbruik verminderen. Met deze aanpak kunnen we sensorgegevens in realtime verwerken en analyseren, waardoor de prestaties van het apparaat worden verbeterd en de levensduur van de batterij wordt verlengd. Het is bewezen dat onze technologie 500 keer minder energie verbruikt en 100 keer sneller is dan bestaande chips op de markt. Dit is geen loze bewering, maar een resultaat dat wordt bevestigd door zes generaties siliciumchips. We hebben in samenwerking met industriële partners een indrukwekkende reeks demonstraties uitgevoerd, die hebben geleid tot de ontwikkeling van een reeks microprocessors die geschikt zijn voor massaproductie. “Ons doel is om deze technologie beschikbaar te maken voor een breed scala aan toepassingen, vooral in de consumentenelektronica.”

Nano-akoestiek laboratorium

Traditionele optische technieken zijn niet langer voldoende om steeds kleinere chips te inspecteren. Gerard Verbiest van het Nanoakoestiek Laboratorium legt uit dat het met behulp van ultrasone technologie, in combinatie met korte lichtpulsen, mogelijk is om nieuwe materialen en 3D-chipstructuren te onderzoeken. Hij beschrijft hoe deze technologieën werken: “We gebruiken hele korte lichtpulsen van ongeveer 150 seconden, die worden geabsorbeerd door een klein metaalfilmpje en geluidsgolven genereren. Deze geluidsgolven gaan door het monster heen en worden gereflecteerd, waarna ze met een tweede lichtpuls worden gedetecteerd.” Verbiest legt ook uit hoe een atomic force microscoop wordt gebruikt om chipoppervlakken met nanometerresolutie te meten. Een uitdaging bij het integreren van deze technologieën is hun verschillende aard. Verbiest legt uit: “Dit zijn twee technieken die qua integratie niet met elkaar compatibel zijn.” Om dit probleem aan te pakken, implementeerde het team een ​​derde techniek: confocale microscopie. De mogelijkheden van deze technologieën zijn veelbelovend, vooral voor de chipindustrie. Verbiest legt uit dat het terugdringen van fouten in het chipproductieproces cruciaal is voor grote bedrijven als ASML, die streven naar hogere opbrengsten. Hij zegt dat de technologie uiteindelijk kan leiden tot grotere efficiëntie en de mogelijkheid om nog kleinere chips te produceren. “Commerciële toepassingen van deze technologieën laten nog minstens vier of vijf jaar op zich wachten, maar de snelheid waarmee resultaten worden bereikt zal de uiteindelijke implementatie ervan beïnvloeden. De signaal-ruisverhouding blijft een belangrijke succesfactor. Er is grote behoefte aan een krachtig signaal om technologieën op industriële schaal toe te passen. “Dit onderzoek naar nieuwe chipinspectietechnologieën is een cruciale stap in de evolutie van de chipindustrie, met het potentieel om de efficiëntie te verhogen en de productiekosten te verlagen.”