Sinds de eerste pc is het aantal schakelingen op de chip ruim vijftigduizend keer zo groot geworden. Op de moderne Pentium 4-chip staan 125 miljoen schakelingen (transistoren) met een breedte van negentig nanometer. Dat ís al nano. Tussen wetenschap en industrie bestaat de stilzwijgende afspraak dat alles wat kleiner is dan honderd nanometer, wordt aangeduid met het modewoord nano.

Waarom moet alles dan nog kleiner? Eigenlijk is dat de schuld van Gordon Moore, de oprichter van chipsgigant Intel. Die voorspelde dat elke anderhalf jaar het aantal schakelingen op een chip zou verdubbelen. Wetenschap en industrie doen er alles aan om de voorspelling uit te laten komen door de schakelingen steeds kleiner te maken. Lukt dat niet, dan is de voortgang in de ontwikkeling van de computer er snel uit.

Kanaaltjes
De schakelingen op een chip worden gemaakt door met UV licht patronen te projecteren op de silicium drager. Deze patronen worden weggeëtst en er ontstaan kanaaltjes die na het opdampen van metalen of halfgeleiderverbindingen de functie van stroomdraden aannemen. Dit is de zogenaamde lithografische methode. De breedte van de structuren bepaalt de afmeting van de transistor. Op een Pentium 4 zijn dus structuren van negentig nanometer breed aangebracht. Hoewel de eigenlijke schakeling veel groter is noemt men dit vaak 90 nm transistoren. Deze traditionele manier van chip-fabricage heet de top-down benadering omdat er uit een groter geheel iets weggehaald wordt.

Om meer schakelingen op een chip te zetten zijn kleinere structuren nodig. Wereldwijd hebben de halfgeleiderindustrie en de wetenschap een zogenaamde roadmap gemaakt voor de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie. Dit jaar nog moeten volgens de afspraak transistoren van tachtig nanometer op de markt komen. In 2017 zal er een twintig nanometer transistor zijn. Wat er daarna zal gebeuren weet eigenlijk niemand.

Netjes etsen
Het probleem bij verkleinen is dat de breedte van de kanaaltjes evenredig is met de golflengte van het UV licht dat je gebruikt. Voor transistoren van negentig nanometer is licht met een golflengte van 248 of 193 nanometer nodig. Voor kleinere structuren is UV licht met kortere golflengten nodig die met trucs gemaakt moet worden. Tweede probleem is dat het projecteren van de patronen dat bij grotere structuren met lenzen wordt gedaan nu met nauwkeurige spiegels moet gebeuren. Bij transistoren van twintig nanometer of kleiner steken fundamentele problemen de kop op. Eén daarvan is dat een kanaaltje van twintig nanometer nog maar pakweg honderd siliciumatomen breed is. Volgens de quantummechanica kunnen electronen dan gaan tunnelen waardoor het verschil tussen de 'aan' en de 'uit' stand van de schakelaar vervaagt. Door de kanalen heel netjes te etsen kan het tunnelen worden beperkt.

Het IMEC in Leuven (België) is een onafhankelijk onderzoeksinstituut waar ontwerp, productie en verpakking van chips wordt bestudeerd. Het IMEC werkt aan nieuwe top-down technieken om de problemen het hoofd te bieden. Men zoekt onder andere naar schonere lithografische processen en naar nieuwe materialen. Onderzoeker Gustaaf Borghs van het IMEC: "De verbeteringen van de laatste tijd zitten hem vooral in de kleinere afmetingen en de betere prestaties bij hetzelfde vermogen. Het probleem waar we nu tegenaan lopen is de grote warmte die de chips afgeven als ze zo snel werken. Maar dat is oplosbaar door andere materialen, bijvoorbeeld aluminiumoxide, te gebruiken."

Kippengaas
Er zijn ook wetenschappers die van de andere kant uit werken: de bottom-up benadering. Het idee is dat een enkel molecuul als transistor kan dienen op de chip. Bij deze methode wordt materiaal toegevoegd in plaats van weggeëtst om een transistor te maken, vandaar de naam bottom-up.

Een voorbeeld is de chip met nanobuisjes op silicium, die vorig jaar aan de Stanford University in Berkeley (VS) is gemaakt. Nanobuisjes bestaan enkel uit koolstofatomen en zien eruit als opgerold kippengaas. Het probleem met nanobuisjes is dat ze niet altijd dezelfde eigenschappen hebben. Sommige zijn geleidend, andere zijn halfgeleiders, afhankelijk van de manier waarop de gaten van het kippengaas aan elkaar zitten. De Amerikaanse onderzoekers zochten naar een methode om de buisjes die ze maakten te scheiden naar geleidende eigenschappen. Door de buisjes op een silicium-chip te zetten en vervolgens een serie elektrische pulsen door de chip te sturen kon men achterhalen welke buisjes geleiders waren, en welke halfgeleiders. De halfgeleiders worden gebruikt voor de transistor. Door de selectie van buisjes te automatiseren hebben de onderzoekers meteen aangetoond dat met hun buisjes een chip gemaakt kan worden.

Bekerglas
In Nederland zijn de onderzoekskrachten op nanogebied gebundeld in NanoNed. Tot 2009 zal er €235 miljoen worden gestoken in nanotechnologie. Dr. Peter Hadley leidt het Bottom-up Electronics programma van NanoNed. Ziet hij al toepassingen voor deze strategie? "Veel mensen denken dat kleinere chips automatisch beter zijn. Maar chips moeten niet alleen kleiner maar ook goedkoper worden. Dat is het probleem waar we nu tegenaan lopen bij traditionele microprocessoren. In principe is het met bottom-up electronics wel haalbaar. Als je via een chemische route een bekerglas vol kan maken van een materiaal wat geschikt is voor een chip dan heb je wat. Maar de toepassing van de bottom-up benadering in transistoren heeft volgens mij nog een lange weg te gaan."

Aan de TU Delft wordt zowel de bottom-up als de top-down benadering gehanteerd voor het onderzoek aan nieuwe nanochips. Prof. Dr. Cees Dekker heeft een passie voor nanobuisjes en gebruikt ze ook om op chips te zetten. Hij doet dat vooral uit een wetenschappelijk oogpunt. "Ik ben van nature nieuwsgierig. Als je ooit iets wil doen met nanobuisjes moet je goed begrijpen hoe ze werken, hoe ze elektronen geleiden." Ondanks zijn voorkeur voor de buisjes gelooft hij niet in het commerciële belang ervan op het gebied van chips. "Nanobuisjes is een fantastisch systeem, dat meen ik echt. Maar de siliciumtechnologie is zo ver ontwikkeld en zo goedkoop dat je van goede huize moet komen wil je die kunnen verslaan. Daar ben ik wel pessimistisch over."

Ook volgens Borghs van het IMEC zijn chips gemaakt met lithografische technieken op dit moment veruit het beste: "Ze zijn goedkoop, reproduceerbaar in grote hoeveelheden en ze werken vooralsnog beter dan alle andere." Dekker uit Delft is overigens van mening dat de bottom-up benadering wel nuttig is. "Er zijn hele mooie toepassingen met nanobuisjes of andere moleculen op chips. Bijvoorbeeld het koppelen van elektrische signalen, de nanomechanica, hoogfrequente schakelaars of sensoren. Gebieden waar nu eigenlijk geen alternatief voor is."

Samenwerken
Moleculaire schakelingen voor de pc lijken dus verre toekomstmuziek. Hewlett Packard noemt 2012 als jaar waarin zij met een commerciële toepassing zal komen van de moleculaire schakelaar. Andere bedrijven wagen zich niet aan een voorspelling. Prof. Dr. Alan Rowan, kersverse nano-professor aan de Radboud Universiteit Nijmegen, denkt dat het veel langer zal duren dan 2012. Zijn groep gaat onder meer werken aan nano-electronics en gebruikt daarbij de bottom-up techniek. Ondanks Rowan's voorkeur als chemicus voor de opbouw van klein naar groot, denkt ook hij niet dat deze technieken snel tot commerciële producten zullen leiden. "De top-down methode is de basistechniek voor de komende vijftig, misschien wel honderd jaar. Wat ik zelf het mooiste vind is dat all in the middle de toekomst lijkt te zijn. Vroeger was het alleen chips, of alleen nanobuisjes of alleen self-assembly. Nu werkt iedereen samen. Je kunt het tegenwoordig niet meer alleen."

Dit artikel is (geredigeerd) gepubliceerd in Chemisch2Weekblad no. 10, 28 mei 2005, en in Mens en Molecule no. 5, juni 2005.