Met de nieuwste machines van ASML kunnen computerchips worden gemaakt met details die niet groter zijn dan een handvol nanometers. Geen geringe prestatie als je bedenkt dat er een miljoen nanometers in een millimeter passen. De elektrische circuits op zo’n chip worden gemaakt door middel van lithografie: hierbij wordt een patroon geëtst op een schijf van silicium met behulp van ultraviolet licht. Omdat voor een chip meerdere van die patronen over elkaar gelegd moeten worden, komt de positionering van de siliciumschijf (beter bekend als wafer) nogal nauw.

Zelfs de geringste vervorming van de wafers is al problematisch, legt promovendus Stefanos Andreou uit. “Die wafers zijn op zich best stijf, maar doordat ze met grote snelheid worden bewogen, zullen ze door de g-krachten toch een beetje vervormen. Als we die vervorming kunnen meten, kunnen ze bij ASML proberen daarvoor op één of andere manier te compenseren om zo nog kleinere chips te kunnen maken.” De Cyprioot wijdde daarom zijn promotie aan een speciale sensor, gebaseerd op een glasvezel, die vervormingen van ongeveer een nanometer per meter kan meten.

Glasvezel

De gedachte achter deze supernauwkeurige sensor is dat afwijkingen in de frequentie van laserlicht bijzonder nauwkeurig te meten zijn - een principe dat wordt toegepast in zogeheten Fibre Bragg Gratings - een soort glasvezels die zodanig zijn bewerkt dat ze ondoorzichtig zijn voor een heel specifieke kleur (ofwel frequentie) licht. Deze zogeheten resonantiefrequentie is afhankelijk van de mate waarin de vezel wordt uitgerekt.

Daardoor kan zo’n Fibre Bragg Grating (FBG), aangebracht op de bewegende onderdelen in de chipmachine, gebruikt worden als maat voor de vervorming van de wafer, vertelt Andreou. Met hulp van masterstudent Roel van der Zon, inmiddels zelf promovendus in Valencia, testte hij een meetsysteem op basis van zo’n FBG-sensor in het lab. “In de praktijk zou ASML wel tientallen van zulke sensors nodig hebben, maar dat is geen probleem: ze zijn goedkoop te produceren en wegen bijna niets.”

De promovendus benadrukt dat de door hen behaalde nauwkeurigheid van vijf nanometer per meter betekent dat in de sensor zelf - die een paar centimeter lang is - een vervorming van enkele tientallen picometers kan worden gemeten. “Dat is minder dan de doorsnede van een atoom!” Om die onwaarschijnlijke nauwkeurigheid te behalen, moesten wel eerst een aantal problemen worden opgelost.

Temperatuur

Ten eerste waren er geavanceerde stabilisatietechnieken nodig om ervoor te zorgen dat het gebruikte laserlicht - afkomstig van een fotonische chip die is gemaakt door Smart Photonics, een spin-off van de onderzoeksgroep Photonic Integration waar hij zijn onderzoek uitvoerde - exact de juiste frequentie had. Maar misschien wel de grootste uitdaging was het feit dat de resonantiefrequentie van de sensor niet alleen afhankelijk is van de vervorming, maar ook van de temperatuur. “Dat is eigenlijk een veel groter effect”, legt Andreou uit. “Als de temperatuur een duizendste graad verandert, zorgt dat voor een afwijking in de meting die overeen komt met tien nanometer vervorming per meter.”

Om voor de onvermijdelijke temperatuurschommelingen te compenseren, splitste Andreou het laserlicht dat voor de meting wordt gebruikt in twee componenten: “Voor elk van die componenten, of polarisatietoestanden, heeft de fiber een verschillende temperatuurafhankelijkheid van de resonantiefrequentie.” Dat maakt het mogelijk om het effect van de temperatuur weg te strepen en dus heel nauwkeurig de vervorming te bepalen. Zelfs zo’n tien keer nauwkeuriger dan voorheen mogelijk was, volgens de promovendus. “En het moet nog beter kunnen, als het systeem volledig geoptimaliseerd is.”

Zelf houdt de Cyprioot zich daarmee niet meer mee bezig; hij werkt inmiddels als postdoc aan de TU Delft. “Maar er is een vervolgproject met ASML, dat ook een deel van de apparatuur heeft geleverd voor mijn project. Er wordt dus voortgebouwd op mijn werk.”