Bij MESA werken tientallen onderzoekers binnen multidisciplinaire projecten aan de ontwikkeling van geavanceerde micro-elektronica en microsysteemtechnologie. Men ontwerpt en vervaardigt niet alleen geïntegreerde circuits (IC's), maar ook diverse microstructuren, zoals sensoren en actuatoren, al dan niet gecombineerd in een 'multichipmodule'. De toepassingen liggen behalve in de micro-elektronica op gebieden als micromechanica, micromagnetica en geïntegreerde optica. Daarbij worden tal van substraatmaterialen en allerlei sputter-, opdamp-, depositie- en etstechnieken gebruikt.
Patroongeneratie is bij dat onderzoek de 'kritische factor', zegt projectleider dr. C. Eijkel (EL). Dit is een fotolithografische techniek waarmee schakelingen en structuren op een chip kunnen worden aangebracht, direct op het 'substraat' (vaak een silicium wafer), of indirect op een moederplaat (masker) waarna ze via een belichtingsstap op meerdere substraten worden overgebracht. 'Een veredelde printer', noemt Eijkel het.
Bij de eerste methode (direct writing) wordt het gewenste patroon ingeschreven in een op het substraat aangebrachte lichtgevoelige polymeerlaagje. Dat laagje beschermt na belichting en ontwikkeling het patroon tegen de inwerking van het etsproces. Zo breng je tweedimensionale structuren aan. Bij de maskermethode, ideaal voor serieproduktie, schrijft men het patroon in op het masker, een doorzichtige negatief waarmee dan het lichtgevoelige laagje op een substraat kan worden belicht.
Nu werkt MESA nog met een in 1990 door Philips gedoneerde tweedehands patroongenerator. Die brengt het gewenste patroon met behulp van een lens, een flitser en rechthoekige instelbare gaatjes (tot 2,5 micrometer) aan op het masker. Het patroon wordt daarna via contact- of projectiebelichting met behulp van een wafer stepper in stapjes verkleind aangebracht op het substraat. Die werkwijze volstaat nog altijd voor 95 procent van de maskers, zegt Eijkel. 'Maar de machine is al 18 jaar oud, hij raakt wat versleten, en aanpassing is net zo duur als een nieuwe machine.'
De optie om voortaan maskers bij een externe leverancier te bestellen is niet overwogen. MESA maakt 750, in de toekomst mogelijk zelfs duizend maskers per jaar, en zulke aantallen kun je nauwelijks rendabel inkopen, aangezien de fabrikant daar ook een extra machine voor moet aanschaffen. Een zelfgemaakt masker kost verder 500 gulden, extern betaal je er twee tot zes keer zoveel voor. Ook de behoefte aan speciale 'wafer'-afmetingen, snelle levering en - in geval van 'direct writing' - constant bijsturen pleitten voor een produktiefaciliteit in eigen huis, aldus Eijkel.
Er zijn twee kandidaatsystemen op de markt. De eerste is een 'elektronenbundel patroongenerator' (e-beam pattern generator). Die heeft het voordeel van een superieure resolutie dankzij de minieme spotsize van de elektronenbundel, maar het nadeel dat hij erg duur is in aanschaf (vier à vijf miljoen gulden) en exploitatie. Bovendien is hij eigenlijk overbodig omdat hij slechts nodig is voor luttele procenten van de MESA-maskers.
De tweede en volgens Eijkel geschikste optie is een 'laserstraal-patroongenerator' (laser beam pattern generator). Hierbij wordt, het woord zegt het al, het gewenste patroon met een laser op het substraat of op een masker geschreven. 'Je hebt dus beide processen op één machine: twee voor de prijs van één', aldus Eijkel. 'Direct writing' is mogelijk door de grote resolutie (0,7 micrometer) en een verfijnd 'uitlijnsysteem' waardoor je op de 'wafer' meerdere patronen nauwkeurig over elkaar heen kunt schrijven.
De keuze is dus op de aanschaf van een laserstraal-patroongenerator gevallen. Dankzij de mogelijkheid van 'direct writing' kan deze de tien jaar oude 'wafer stepper' van MESA straks ontlasten. Tevens vormt hij een soort 'back-up' voor het geval die stepper het eerstdaags mocht begeven. Hopelijk maakt de nieuwe machine de stepper zelfs overbodig, zegt Eijkel. 'Moeilijke wafers kunnen we straks via direct writing met de laser maken. Eenvoudige wafers kun je met een gewone contactbelichter doen.'
Een groot voordeel is de vergeleken met de huidige machine veel grotere flexibiliteit in 'patroongeometrie'. Dankzij de spitse laserpunt (spotsize 0,7 micrometer) kan dit type patroongenerator ook gladde, vloeiende en ronde structuren maken. Dat is bijvoorbeeld van belang bij 't-splitsingen' in geïntegreerde optische componenten en IC's voor optische telecommunicatie of sensoren, en bij micromotoren in de micromechanica.
Voorts kan een laserstraal-patroongenerator allerlei soorten substraat-materialen, -vormen en -reliëfs aan. En dat sluit mooi aan bij de praktijk bij MESA, waar met een groot aantal structuren en materialen wordt gewerkt, bijvoorbeeld in het MicroTAS-project voor de ontwikkeling van chemische micro-analysesystemen (pompen, ventielen, mixers, reactiekamers).
Eijkel verwacht dat de nieuwe machine in de komende tien jaar 95 procent van de maskers zal kunnen maken. De kleine responstijd maakt het mogelijk om maskerontwerpen op korte termijn - binnen enkele dagen - aan te passen. Het systeem is verder zeer kosteneffectief. Het is de bedoeling om een robotfunctie in te bouwen voor het automatisch laden van maskerplaten, zodat het apparaat overdag 'direct writing' kan doen en 's nachts maskers kan maken. Zo lijkt een bijna volcontinue bezetting haalbaar.
De nieuwe patroongeneratiemachine is voor MESA een 'diepte-investering', stelt Eijkel. Met het nieuwe apparaat kan MESA haar microsysteemtechnologisch onderzoek op internationaal niveau continueren en zelfs uitbreiden met nieuwe wetenschappelijke en technologische mogelijkheden.
De grote vraag was echter de financiering, aldus Eijkel. 'De aanschaf van dure infrastructurele apparatuur zoals een patroongenerator of een scanning elektronenmicroscoop is steeds weer een probleem. Alle onderzoekers zijn er afhankelijk van, maar het is bijna onmogelijk om aanschaf via de eerste geldstroom of via een specifiek tweede geldstroomproject te organiseren. De UT zelf heeft natuurlijk wel een apparatenfonds, maar dan zit je met dure jaarlijkse aflossingen. Je moet dus wel extern zoeken. We zijn daarom dolblij dat STW deze aanschaf volledig wilde financieren.'
STW honoreerde de aanvraag van MESA in het kader van het investeringsprogramma NWO middelgroot. MESA krijgt ruim 1,4 miljoen gulden, ruim 1,3 miljoen voor de aanschaf van de machine, exclusief btw maar inclusief extra's als de uitlijnoptie en de ingebouwde robotfunctie voor het laden van maskerplaten, en daarnaast 100 duizend gulden voor aanpassing van huidige patroongeneratiesoftware en 25 duizend reiskosten. MESA investeert zelf nog eens 170 duizend gulden exclusief btw voor de aankoop.
MESA hoopt met de veelzijdige nieuwe machine ook de eigen derde-geldstroomactiviteiten te kunnen uitbouwen door het maken van maskers voor externe klanten, zoals andere universiteiten en de industrie (met name het midden- en kleinbedrijf). Wat betreft de industriële belangstelling voor microsysteemtechnologie is volgens Eijkel sprake van een 'doorbraak', sinds na 15 jaar van onderzoek nu de eerste produkten op de markt verschijnen, zoals chemische sensoren (ISFET's), druksensoren en inkjet-printkoppen.
Hoewel primair een instituut voor wetenschappelijk onderzoek, produceert MESA ook nu al maskers en chips voor derden. In 1994 was van de geproduceerde maskers 30 procent bestemd voor een industrieel project met de regionale industrie, 5 procent voor nationale en internationale bedrijven, 5 procent voor andere universiteiten en instellingen, en 10 procent voor andere UT-groepen (mn. de vakgroep Lage Temperaturen van TN).
Voor de derde-geldstroomactiviteiten - kennistransfer, apparatuurverhuur enontwikkelingsprojecten - is vorig jaar al de stichting Twente MicroProducts opgericht. Ook ondersteunt MESA startende bedrijven die een interessant produkt ontwikkelen op het gebied van IC- en microsysteemtechnologie, zoals recent microfilters en de 'microflown' (een hittemicrofoon).
A. Kooy (technische staf MESA) toont een masker bij de oude patroongenerator, die binnenkort plaats maakt voor de nieuwe machine.
