Elke grote technologische sprong begint met een machine die alles verandert. De stoommachine zette de industriële revolutie in beweging. De digitale revolutie staat vandaag op de drempel van een nieuwe fase. Artificiële intelligentie ontwikkelt zich in een ongezien tempo, maar de echte motor bevindt zich dieper: in de chips die haar aandrijven, en in de lithografiemachines waarmee de allerkleinste patroontjes op die chips worden geprint. De meest geavanceerde chipmachine ter wereld staat nu klaar in Leuven om onze toekomst vorm te geven.
Af en toe verschijnt er een technologie die de mensheid een nieuwe hefboom schenkt om zichzelf vooruit te duwen. Nadat de mens het wiel had uitgevonden, spande hij een os voor een kar om goederen, gewassen en mensen te vervoeren. Eeuwen later werd de spierkracht van mens en dier vervangen door de stoommachine. De eerste versie van een stoommachine dateert van 1705, maar pas zestig jaar later maakte James Watt er een economisch rendabel toestel van. Nog eens zestig jaar daarna kwam de industriële revolutie echt op gang. De stoommachine dreef textielfabrieken, mijnbouw en transport aan. In 1835 reed de eerste stoomlocomotief op het Europese vasteland van Brussel naar Mechelen.
Nieuwe technologische ontwikkelingen veranderen niet alleen de manier waarop we onszelf vooruitduwen, maar ook de wijze waarop we ideeën uitwisselen. Nadat Johannes Gutenberg rond 1450 op het idee kwam om individuele letters in metaal te gieten, konden teksten sneller dan ooit gedrukt worden. Een eeuw later schaalde Christoffel Plantijn dat drukproces op tot een industriële activiteit avant la lettre. Vanuit zijn drukkerij in Antwerpen verspreidde hij wetenschappelijke traktaten, meertalige bijbels, atlassen en woordenboeken over heel Europa en ver daarbuiten. Daarmee legde hij niet alleen de basis voor een snelle en betrouwbare verspreiding van kennis, maar hielp hij ook een internationaal netwerk van geleerden, handelaars en ambachtslui te vormen. Die culturele en intellectuele dynamiek droeg — indirect maar wezenlijk — bij aan de maatschappelijke en economische bloei van de Lage Landen.
Welke machine staat vandaag symbool voor vooruitgang?
Vandaag lijken we opnieuw een kantelpunt te beleven waarin technologische ontwikkelingen zich in sneltempo op elkaar stapelen en onze samenleving dooreenschudden. De manier waarop we informatie verwerken, verandert drastisch door de razendsnelle opkomst van artificiële intelligentie. Nooit eerder veroverde een technologie zo snel de wereld, zo leert de meest recente imec.digimeter. Ook in Vlaanderen schiet het aantal gewoontegebruikers van generatieve AI-tools in recordtempo de hoogte in: van 18 procent in 2023 naar 43 procent twee jaar later. Een meerderheid van deze Vlamingen geeft aan AI-tools te gebruiken om taken te volbrengen die ze normaal niet zouden kunnen, zoals vertalen, ontwerpen of programmeren.
Als we vandaag één machine zouden moeten aanwijzen die symbool staat voor deze stroomversnelling, welke zou dat dan kunnen zijn? Misschien zijn we geneigd te denken aan de servers in datacenters waarop de nieuwste AI-modellen worden getraind? Of misschien denken we spontaan aan de smartphones en laptops waarop we deze AI-toepassingen laten draaien?
Maar dat zijn slechts de bovenste lagen van een dieperliggend technologisch fundament. De rekenkracht in deze toestellen is fenomenaal toegenomen omdat de chips erin steeds krachtiger worden. Een moderne smartphone bevat miljarden transistoren. Daardoor is het toestel in onze broekzak vandaag miljoenen keren krachtiger dan de Apollo‑computer die de eerste mens op de maan bracht. Die voortdurende, exponentiële toename in rekenkracht berust op één fundamenteel principe: meer transistoren op een kleinere oppervlakte. Om dat te bereiken moeten chipmakers structuren miniaturiseren tot op nanoschaal met tientallen uiterst verfijnde chemische en fysische processen. Een van die processen bepaalt de limiet van wat natuurkundig mogelijk is: lithografie.
Fotolithografie is de kunst om met behulp van licht een groot aantal minuscule patronen tegelijk aan te brengen op een lichtgevoelig materiaal. Hoe kleiner de golflengte van dat licht, hoe fijner het penseel waarmee we die patronen kunnen schilderen. En precies omdat dat penseel steeds fijner moet worden, groeit ook de complexiteit van de machine achter dat lithografieproces. De lithografiemachine zet zo als het ware een meetlat op onze technologische vooruitgang: hoe fijnere penseelstreken ze mogelijk maakt, hoe meer transistoren je kan aanbrengen op dezelfde oppervlakte en hoe krachtiger de volgende generatie chips kan worden. De machine die daar vandaag voor gebruikt wordt is zo groot als een stadsbus, zit boordevol grensverleggende technologie en is misschien wel de meest complexe machine die de mensheid ooit heeft gebouwd. Als we één machine moeten aanduiden die symbool staat voor onze hedendaagse technologische vooruitgang, dan moet het wel deze zijn.
Schilderen met extreem ultraviolet licht
Sinds enkele jaren kunnen de chips in onze smartphones niet gemaakt worden zonder EUV‑lithografie. EUV staat voor extreem ultraviolet en verwijst naar de ultrakorte golflengte van het licht (13,5 nanometer) waarmee de fijnste patronen op een chip worden geprojecteerd. Alleen al de creatie van dat licht is iets dat lange tijd onmogelijk leek. EUV‑licht komt van nature niet op aarde voor — het zou meteen door de atmosfeer geabsorbeerd worden — en ontstaat normaal enkel in de buitenste lagen van de zon.
Toch slaagden wetenschappers erin om die extreme omstandigheden op aarde na te bootsen. Per seconde worden 100.000 druppeltjes vloeibaar tin afgevuurd in een vacuümkamer. Wanneer een uiterst krachtige laser elk druppeltje meermaals op exact de juiste plek weet te raken, vormt zich een plasma dat precies genoeg EUV‑lichtflitsen uitzendt.
De creatie van het licht is nog maar het begin. Omdat EUV‑licht door vrijwel elk materiaal wordt geabsorbeerd, zijn gewone lenzen nutteloos. Om het licht toch te kunnen richten en focussen, werden speciale spiegels ontworpen uit tientallen afwisselende lagen molybdeen en silicium en glad gepolijst tot bijna atomaire precisie.
De EUV‑lithografiemachine werd een optelsom van honderden technologieën die elk op zich al grensverleggend zijn, maar de grootste uitdaging bestond erin om ze samen te brengen in één werkend systeem. Hoe houd je een prachtig gepolijste spiegel schoon terwijl je vlak ernaast een tindruppeltje laat exploderen? Hoe voorkom je dat die tindruppel een deel EUV-licht terugkaatst en zo je laser vernielt?
Het was het Nederlandse bedrijf ASML dat er als eerste en als enigste in slaagde om al deze technologieën samen te integreren in één machine. In de zomer van 2006, na tien jaar onderzoek en ontwikkeling, arriveerde de eerste demotool van ASML in de cleanroom van imec. Sinds 2019 werkt de eerste EUV‑lithografiemachine stabiel genoeg om chips op industriële schaal te belichten. Sindsdien vormt de EUV-lithografiemachine de onzichtbare motor onder alle geavanceerde chips — en daarmee onder elke moderne AI‑toepassing.
De EUV-lithografiemachine is opgebouwd uit exreem krachtige lasers, perfect gladde spiegels en andere grensverleggende technologie.
The next big thing: high NA EUV
Imec heeft een toekomstplan voor chiptechnologie uitgestippeld dat tot in 2040 reikt. In deze roadmap wordt de introductie van nieuwe materialen, nieuwe transistorarchitecturen, nieuwe interconnectietechnologie én de volgende generatie lithografie netjes op elkaar afgestemd. Samen moeten deze innovaties de chipindustrie de komende jaren richting het ångström‑tijdperk helpen bewegen. Een ångström is nog eens tien keer kleiner dan een nanometer en bevindt zich op de schaal van atoomafstanden. Willen we de deur naar dat ångström‑tijdperk openen, dan zullen we dus ook een nieuw penseel moeten creëren dat nog nóg fijnere patroontjes kan aanbrengen.
Maar hoe ontwikkel je nog een fijner penseel nadat je eerst al een soort mini‑zon hebt nagebouwd om chips te kunnen belichten met EUV‑licht? De golflengte van EUV‑licht (13,5 nanometer) vormt een grens die nog moeilijk te verleggen valt. Er bestaat momenteel geen enkel realistisch pad naar een industriële lithografiemachine die werkt met nóg korter licht. In het Rayleigh‑criterium, dat de ultieme grenzen bepaalt, staat wel nog een andere factor die we kunnen tweaken: de zogenaamde numerieke apertuur (NA). Hoe kleiner de verhouding golflengte/NA, hoe fijner het penseel waarmee we kunnen schilderen. De NA geeft aan hoeveel diffractie‑ordes door de spiegels worden opgevangen en dus hoe scherp het licht op de siliciumschijf kan worden gefocust. Hoe hoger deze NA is, hoe scherper en contrastrijker de details.
Een fijner penseel vraagt dus om een hogere NA, maar dat betekent dat je de optica van de EUV-lithografiemachine volledig moet herdenken. In de praktijk wil dat zeggen: een volledig nieuw optisch systeem bouwen met spiegels die twee keer groter en tien keer zwaarder zijn dan de huidige EUV‑spiegels. Deze spiegels wegen honderden kilo’s en worden door het Duitse bedrijf ZEISS maandenlang gepolijst tot op atomaire precisie, om de hogere NA (0,55 in plaats van 0,33) mogelijk te maken. De high NA EUV-tool die daar het resultaat van is, is letterlijk the next big thing: de machine is zo groot als een dubbeldekker en weegt zo’n 150 ton.
Deze kolos stelde ingenieurs voor een nieuwe reeks uitdagingen. De spiegels alleen volstonden niet om de resolutie ook effectief op de chip te realiseren. Tijdens de belichting hangt alles immers ook af van de manier waarop het lichtgevoelig materiaal reageert. En na de belichting volgen andere stappen, waarbij elk gebruikt materiaal en elk chemisch proces invloed kan hebben op het eindresultaat. Dus moest niet alleen de optica worden heruitgevonden, maar ook de volledige keten erachter. Materialen en inspectieprocessen moesten worden opgetrokken naar een nieuw prestatieniveau.
De voorbije jaren werd die volledige keten verder op punt gesteld in het gezamenlijke High NA EUV‑lab van ASML en imec in Veldhoven. In de zomer van 2024 kon imec voor het eerst aantonen dat de theoretische resolutiemogelijkheden van high NA EUV lithografie effectief behaald werden op een chip. Een wereldrecord.
In maart 2025 sloot imec een nieuwe strategische samenwerking met ASML, die inhoudt dat de allernieuwste chipmachines van ASML, inclusief de High NA EUV tool, in de cleanroom van imec zullen worden geïnstalleerd. Nu is de high NA EUV machine klaar om haar nest in Veldhoven te verlaten en naar Leuven te verhuizen. Daar zal deze machine de volgende fase inluiden: van een experimenteel demonstratie‑instrument naar een onderzoeks‑ en ontwikkeltool die de chipindustrie naar het ångström‑tijdperk moet gidsen.
De eerste module van de high NA EUV-machine werd in maart 2026 van Veldhoven naar Leuven getransporteerd.
Wie schildert, gebruikt vaak een brede borstel voor de grote vlakken en spaart het allerfijnste penseel voor de kleinste details. Zo gaat het ook met lithografie: voor veel chiplagen blijven de bestaande machines het ideale werkpaard, maar voor de meest veeleisende laagjes biedt High NA EUV nieuwe mogelijkheden. Waar huidige EUV‑tools kritieke patronen soms in meerdere belichtingsstappen moeten opbouwen, kan High NA EUV de allerfijnste structuren in één enkele penseelstreek aanbrengen. Dat verlaagt het aantal stappen, vermindert fouten, verlaagt de totale CO2-voetafdruk en versnelt de ontwikkeling van nieuwe chiparchitecturen. Chipdesigners herwinnen er hun creatieve vrijheid door: de hogere resolutie laat patronen toe met vloeiende lijnen in plaats van enkel hoekige vormen. Dat kan leiden tot compactere chips en kortere elektrische verbindingen.
Elk penseel, hoe fijn ook, heeft een atelier nodig om tot zijn recht te komen. Ook een lithografiemachine staat nooit op zichzelf: een patroon komt pas tot leven wanneer het lichtgevoelige materiaal correct reageert, de etsstappen optimaal verlopen en alle processen naadloos op elkaar aansluiten. Het atelier errond — het ecosysteem van materialen, processen en metrologie — is dus minstens even bepalend als de machine zelf.
Precies dat ecosysteem heeft imec uitgebouwd. In het chiplabo van de wereld komen internationale chipfabrikanten, materiaal‑ en toestelleveranciers en chipdesigners samen om nieuwe materialen te testen, processtappen te verfijnen, defecten te verminderen en ontwerprichtlijnen bij te sturen. De unieke infrastructuur die al in Leuven aanwezig is, wordt nog verder uitgebreid in het kader van de EU Chips Act: meer dan honderd nieuwe chipmachines worden geïnstalleerd, die samen de NanoIC‑pilootlijn vormen. Niet alleen grote bedrijven, maar ook universiteiten, start‑ups en lokale spelers krijgen er toegang tot de modernste chipinfrastructuur ter wereld om nieuwe ideeën te testen en nieuwe toepassingen te ontwikkelen.
Beeld vanuit de imec-toren: een kraanbestuurder zet de eerste module van de high NA EUV-tool zorgvuldig af aan het sas voor de cleanroom.
Een venster op nog onbekende doorbraken
Wie het penseel beheerst waarmee we op atomaire schaal kunnen tekenen, bepaalt mee hoe onze digitale, medische en wetenschappelijke vooruitgang er de komende decennia zal uitzien. De komst van een nieuwe generatie lithografietechnologie verschuift daarom niet alleen de grenzen van wat er technisch op een chip kan, maar ook welke nieuwe, wetenschappelijke doorbraken binnen bereik komen.
Neem de wereld van biosensoren. Daar draait vooruitgang om de precisie waarmee we structuren kunnen maken die zich op het niveau van moleculen afspelen. Een voorbeeld daarvan zijn nanoporiën — minuscuul kleine openingen van enkele nanometers in een flinterdun membraan. Wanneer je een molecule, zoals een DNA‑streng, door zo’n porie trekt, verandert de elektrische stroom die erdoor loopt. Op basis van die stroomvariaties kan bijvoorbeeld de sequentie van de baseparen in het DNA geanalyseerd worden. Voor DNA-analyse werkt dat al verrassend goed. Maar voor eiwitten – de piepkleine machines die bepalen wat er werkelijk in ons lichaam gebeurt – is dat proces vele malen complexer.
Om miljoenen verschillende eiwitten in parallel te analyseren, moet je duizenden, misschien wel honderdduizenden nanoporiën tegelijk kunnen inzetten die bovendien allemaal precies dezelfde diameter hebben. Chipproductiemethodes blijken dé manier om die sprong te maken naar betaalbare en uiterst stabiele nanoporiën. Dankzij EUV‑lithografie wordt het mogelijk om op een betrouwbare manier een groot aantal solid state nanoporiën tegelijk te fabriceren. Zo is imec erin geslaagd om gaatjes van 10 nanometer met uitzonderlijke uniformiteit aan te brengen op een siliciumschijf.
Ook kwantumchips vragen structuren die extreem klein én uitzonderlijk uniform zijn. Wereldwijd onderzoeken wetenschappers hoe lithografie die stabiliteit kan helpen bereiken door patronen op een siliciumschijf te definiëren. Met andere woorden: hoe nauwkeuriger we kunnen tekenen op atomaire schaal, hoe dichter we bij een opschaalbare, siliciumgebaseerde kwantumcomputer komen.
Daarom is deze nieuwe generatie lithografie zoveel meer dan een technologische upgrade. Ze is een hefboomtechnologie: een fundament dat de volgende golf AI‑chips creëert, maar tegelijk ook een nieuwe generatie extreem precieze medische sensoren mogelijk maakt en zelfs de ontwikkeling van de kwantumcomputer vooruit kan helpen duwen.
Toen James Watt de stoommachine stabiel en betrouwbaar maakte, werd ze de motor van de industriële revolutie. De stoommachine veranderde op zichzelf niet van de ene op de andere dag de wereld, maar werd de hefboom waarop nieuwe industrieën konden ontstaan. De volgende generatie lithografiemachines kan precies deze rol spelen: ze kan in uiteenlopende domeinen nieuwe doorbraken ontgrendelen en toepassingen mogelijk maken die we ons vandaag amper kunnen voorstellen.
