Wordt Nederland wereldmacht met supersnelle chips?
Bron: Het Financieele Dagblad
Nederland investeert honderden miljoenen euro’s om uit te groeien tot wereldkampioen op het gebied van fotonica. De voortekenen zijn gunstig, maar de risico’s zijn groot.
In het kort
- Fotonische chips zijn sneller en zuiniger dan elektronische chips. Logisch dus dat heel de wereld investeert in deze nieuwe technologie.
- Nederland heeft met zijn hightech ecosystemen rond Eindhoven en Enschede goede papieren om een leidende positie te veroveren.
- De overheid en investeerders stellen de komende jaren honderden miljoenen euro’s beschikbaar om deze industrie te stimuleren.
- Maar de markt is nog klein en het is nog maar de vraag of de Nederlandse varianten van deze chips door de markt worden omarmd.
De Nederlandse overheid, investeerders en bedrijven als ASML en NXP steken honderden miljoenen in een nieuwe chipindustrie. Chips die licht in plaats van elektriciteit gebruiken om informatie over te brengen, beloven apparaten kleiner, sneller en energiezuiniger te maken. Nederland moet een wereldmacht worden in deze fotonische chips. De markt lijkt klaar om de technologie te omarmen. Maar de risico’s zijn groot.
Nederland koploper
Nederland loopt voorop in de nog jonge industrie voor fotonische chips. Nederlandse wetenschappers behoren tot de wereldtop en er zijn relatief veel start-ups actief. Na jaren van onderzoek en ontwikkeling is de technologie ver genoeg voor toepassing in de praktijk.
De vraag naar deze chips, die helpen apparaten sneller, kleiner en energiezuiniger te maken, neemt toe. Nu moet de productie omhoog.
Honderden miljoenen
Er worden honderden miljoenen euro’s geïnvesteerd in de opbouw van deze nieuwe chipindustrie. Het Eindhovense Smart Photonics haalde in een nieuwe investeringsronde €100 mln op, onder meer met leningen bij gevestigde chipbedrijven ASML en NXP. New Origin, een nieuwe spin-off van de Universiteit Twente, kreeg eerder dit jaar ook €100 mln toegezegd van investeerders voor de bouw van een nieuwe fabriek.
De meeste fotonica-bedrijven zitten rond de universiteiten in Eindhoven en Enschede. De regio’s zijn elk gespecialiseerd in een ander type chip. Het onderscheid zit in de verschillende grondstoffen waarvan de chips zijn gemaakt, die verschillende toepassingen mogelijk maken.
Internationale concurrentie
Ook andere landen trekken veel geld uit voor de ontwikkeling van een fotonische chipindustrie, waaronder China en de Verenigde Staten.
Lukt het Nederland op tijd de productie op te schalen? Is er straks wel een markt voor de technologieën waar Nederlandse wetenschappers en start-ups zich in specialiseren? Of trekt deze industrie, net als bij de elektronische chips gebeurde, alsnog naar andere regio’s in de wereld?
‘De TSMC van de fotonische chips’
Bij Smart Photonics in Eindhoven denken ze groot. Wat ceo Johan Feenstra voor ogen staat is niets minder dan ‘de TSMC van de fotonische chipindustrie’ worden. Het in Taiwan gevestigde TSMC is heer en meester in de productie van de halfgeleiders die onze telefoons, computers, datacenters en auto’s aansturen. De nieuwste, de beste en de snelste chips komen van dat bedrijf, dat er vorig jaar een omzet van bijna €70 mrd mee haalde.
Smart Photonics is op dit moment het grootste bedrijf in Europa dat fotonische chips, die informatie overdragen via licht in plaats van elektronen, op bestelling kan maken. Maar de markt voor dit nieuwe type chips is nog klein. En Smart Photonics, waar zo’n 160 mensen werken, daarmee ook. Omzetcijfers wil het bedrijf niet prijsgeven.
Als het aan Smart Photonics, zijn investeerders én de Nederlandse overheid ligt, wordt er de komende jaren een enorme groeispurt gemaakt. De vraag naar fotonische chips zal naar verwachting groeien, omdat er steeds meer toepassingen voor worden bedacht. En de hoop is dat die dan voornamelijk in Nederland worden gemaakt.
De deze week aangekondigde investering van €100 mln, onder meer afkomstig van ASML, NXP en VDL Groep, moet daarbij helpen. Smart Photonics kan daarmee de fabriek uitbreiden en de productie verder professionaliseren.
Johan Feenstra wil van Smart Photonics de TSMC van de fotonische industrie maken. Foto: Jurgen van Hoof
‘De TSMC van de fotonische chips’
Bij Smart Photonics in Eindhoven denken ze groot. Wat ceo Johan Feenstra voor ogen staat is niets minder dan ‘de TSMC van de fotonische chipindustrie’ worden. Het in Taiwan gevestigde TSMC is heer en meester in de productie van de halfgeleiders die onze telefoons, computers, datacenters en auto’s aansturen. De nieuwste, de beste en de snelste chips komen van dat bedrijf, dat er vorig jaar een omzet van bijna €70 mrd mee haalde.
Smart Photonics is op dit moment het grootste bedrijf in Europa dat fotonische chips, die informatie overdragen via licht in plaats van elektronen, op bestelling kan maken. Maar de markt voor dit nieuwe type chips is nog klein. En Smart Photonics, waar zo’n 160 mensen werken, daarmee ook. Omzetcijfers wil het bedrijf niet prijsgeven.
Op naar massaproductie
Smart Photonics maakte de afgelopen jaren fotonische chips in kleine oplages, vooral voor bedrijven die experimenteerden of nieuwe producten bedachten met deze technologie. Het bedrijf kon daarom toe met soms tientallen jaren oude apparaten van bijvoorbeeld chipmachinemaker ASML. Maar de tijd dringt: het bedrijf moet opschalen om te voorkomen dat het wordt ingehaald door de concurrentie.
Fotonische chips zijn al heel lang in ontwikkeling, maar de technologie is nu pas klaar voor productie op industriële schaal. Verwachte toepassingen zijn onder meer in allerlei soorten sensoren, de telecomindustrie en auto’s. Grote apparaten, zoals röntgensystemen of radars, kunnen er veel kleiner door worden, wat nieuwe toepassingen mogelijk maakt. Het energieverbruik van datacenters kan met fotonische chips drastisch omlaag.
Hoe werkt een fotonische chip?
Een fotonische chip van Smart Photonics werkt als een soort zender en ontvanger van licht. Een laser creëert het licht. Vervolgens bewerkt een modulator het licht tot informatiepulsen.
Een versterker maakt het lichtsignaal krachtiger voordat het de chip verlaat.
Het licht gaat draadloos of via een glasvezelkabel door naar een ontvangende chip die het lichtsignaal detecteert. Fotodetectoren zetten in een module het licht om in een elektronisch signaal.
Een praktijkvoorbeeld van een apparaat met een fotonische chip: een lichtsensor (lidar) in een auto scant de omgeving met een laserlichtstraal. Het retour(licht)signaal geeft exacte informatie over de afstand en de snelheid. De ontvanger geeft razendsnel het signaal door, zodat de auto automatisch afremt.
Cruciaal voor economie van de toekomst
De technologie wordt door overheden in de hele wereld gezien als cruciaal voor de economie van de toekomst. Ook door Nederland, dat alleen al via het Nationaal Groeifonds €470 mln uittrekt om de nu nog kleine fotonische halfgeleiderindustrie te stimuleren.
Op wetenschappelijk gebied en ook in het aantal start-ups en scale-ups in de fotonica loopt Nederland wereldwijd in de voorhoede. Maar een herhaling van het scenario van de elektronische chipindustrie moet voorkomen worden: ook daar liepen Nederland en Europa in onderzoek en ontwikkeling voorop, maar verdwenen de productie en de meeste banen uiteindelijk naar elders. Daarom zet Nederland fors in op de nieuwe industrie.
Verschil tussen elektronische en fotonische chips
Een traditionele elektronische chip gebruikt elektronen om informatie over te dragen.
Een fotonische chip werkt op basis van lichtsignalen (fotonen zijn lichtdeeltjes).
Vloeiende lijnen in een fotonische chip in plaats van hoeken: lichtsignalen kunnen geen hoek van 45 graden passeren.
Hierdoor kan een fotonische chip meer data sneller transporteren. Een fotonische chip is ook energiezuiniger en gebruikt een klein deel van de energie van een elektronische chip.
Het tien jaar oude Smart Photonics speelt daarin een centrale rol. Bedrijven die fotonische chips ontwerpen of producten die zulke chips bevatten, zitten graag in de buurt van een fabriek. Daar kunnen ze hun ontwerpen testen en doorontwikkelen. Zo groeit om de fabriek heen een ecosysteem van fotonicabedrijven, is de gedachte.
In 2020 kreeg Smart Photonics als relatief onbekende scale-up €20 mln van de Nederlandse overheid om zo een Chinese investeerder buiten de deur te houden. Die investering was ongebruikelijk en risicovol. Maar fotonische halfgeleiders gelden als zo’n belangrijke technologie, dat het ministerie van Economische Zaken wilde voorkomen dat Nederlandse kennis naar China zou weglekken.
1. De basis
De basis van een fotonische chip van Smart Photonics is een dunne plak indiumfosfide (een wafer). Op de wafer wordt als eerste een dunne laag halfgeleidend materiaal (oxidatielaag) aangebracht. In deze laag worden de lasers en versterkers in de chip gemaakt.
2. Coating
De wafer wordt vervolgens gecoat met een lichtgevoelige laag, een ‘fotoresist’ genoemd. In totaal worden er zo’n twintig verschillende lagen aangebracht op de wafer.
3. Lithografie
Er wordt licht geprojecteerd door een patroonmasker van fijne lijntjes. Dit patroon wordt afgedrukt in de wafer wanneer onder meer de resistlaag wordt blootgesteld aan licht. Zo wordt in de wafer een structuur van golfgeleiders-lagen gemaakt, die licht geleiden met een minimaal energieverlies.
4. Etsen
Door verschillende gassen toe te voegen, worden overgebleven materialen in de dunne bovenlagen weggeëtst. Hierdoor ontstaan lijntjes in de chip waar het licht doorheen loopt. Het lithografie- en het etsproces worden laag voor laag meerdere malen herhaald.
5. Gemetalliseerd
De wafer wordt onder meer geïoniseerd, een chemisch opdampproces waarbij een dunne laag materiaal op een oxidatieondergrond wordt aangebracht. Hierdoor krijgt deze laag elektrische en geleidende eigenschappen.
6. Polijsten en snijden
De chips zijn nu klaar en worden uit de wafer gesneden. Er kunnen honderd tot duizenden chips uit een wafer gemaakt worden. Het totale productieproces duurt drie tot vijf maanden.
De nieuwe investeringsronde is een stap vooruit voor Smart Photonics. Maar de realiteit is ook: er is snel veel meer geld nodig. Het bedrijf kan op de bestaande locatie nog een paar jaar vooruit. Maar áls de vraag naar fotonische chips in een serieuze versnelling komt — Feenstra verwacht dat moment ‘binnen drie tot vijf jaar’ — moet Smart Photonics kunnen leveren. Een nieuwe, veel grotere fabriek is dan nodig. Dan gaat het niet meer om investeringen van tientallen miljoenen maar om honderden miljoenen euro’s.
Wedden we op het juiste paard?
Investeren is nooit zonder risico’s. Al helemaal niet in een industrie die nog in de kinderschoenen staat. Op dit moment worden fotonische chips nog op verschillende manieren ontworpen en gemaakt. Anders dan in de elektronische chipindustrie is er geen dominante technologie. Het is de vraag of die er uiteindelijk wel komt, en zo ja, of Nederland dan op de juiste paarden heeft gewed.
Bij Smart Photonics hebben de chips als basisgrondstof indiumfosfide. Het belangrijke voordeel van dit materiaal is dat deze halfgeleiders zelf licht kunnen genereren. Nederland telt een tweede, iets kleiner cluster fotonicabedrijven, geconcentreerd rond de Universiteit Twente. Chips uit die regio hebben siliciumnitride als basis en als onderscheidende eigenschap dat ze kunnen werken met zichtbaar licht.
Dat in een voormalig Philipsgebouw op de High Tech Campus chips worden gemaakt, is van buiten te zien aan het gele licht dat door grote ramen schijnt. Normaal, wit licht bevat UV-stralen en kan het productieproces beïnvloeden.
Tot voor kort gebruikte Smart Photonics voor een aantal van de honderden productiestappen apparatuur van de TU Eindhoven. De wafers moesten daarheen worden vervoerd.
Het is een recept voor problemen in een industrie waar wordt gewerkt op duizendsten van millimeters en waar de kleinste stofjes tot verstoringen en fouten kunnen leiden.
De eerste fotonische halfgeleiders zijn inmiddels op de nieuwe productielijn geproduceerd. Daarmee wordt de capaciteit opvoeren makkelijker, verwacht Feenstra. ‘Het is nu een kwestie van dupliceren.’
Om de kosten zo laag mogelijk te houden, is het zaak zo veel mogelijk goede chips van een wafer te halen. Het doel is uiteindelijk minimaal 95% zonder fouten. Daar zit Smart Photonics nog niet, geeft Feenstra toe.
‘Het is een beetje een kip-eiverhaal. Voor een hogere stabiliteit en om aan te kunnen tonen dat je die haalt, moet je meer produceren. Maar om meer opdrachten te krijgen, moet je laten zien dat je productieproces stabiel genoeg is.’
Maar een derde variant, fotonische chips op basis van dezelfde grondstof als gangbare chips (silicium), is in Nederland niet vertegenwoordigd. En dáár wordt wereldwijd het meeste geld in gestoken. Het productieproces van die chips verschilt minder van de productie van elektronische halfgeleiders. De fabrieken voor hogere volumes zijn al gebouwd, en dat maakt deze chips nu goedkoper dan de ‘Nederlandse’ varianten. Omdat ze in gebruik veel licht verliezen en niet zelf licht kunnen genereren, zijn ze echter minder geschikt voor toepassingen die met de andere technologieën wél mogelijk zijn.
Guus Rijnders, professor aan de Universiteit Twente, is daarom niet zo bang dat de Nederlandse technologieën uit de markt geblazen worden door het populairdere silicium. ‘De chips die in Twente worden ontworpen, zijn bijvoorbeeld heel geschikt voor virtualrealitybrillen of medische sensoren. De chips uit Eindhoven zijn perfect voor datacentra. Uiteindelijk zul je ook combinaties zien van verschillende soorten fotonische chips in één apparaat.’
Dat bekende chipproducenten nu inzetten op de fotonische siliciumchips, is volgens hem juist een kans voor Nederland. ‘Omdat de productie van onze soorten fotonische chips zo anders is, staan grote bedrijven daar niet voor te trappelen. Maar als de vraag naar die chips toeneemt en we hebben hier al wél een industrie, dan willen ze allicht de op dat moment benodigde honderden miljoenen euro’s investeren om de productie op de te schalen. Maar dan moet je al wel wat hebben. Doe je nu niks, dan weet je zeker dat je straks niet meer meespeelt.’
Hele wereld aast op nieuwe markt
Stel dát de markt voor fotonische chips binnen een paar jaar ontploft, dan staat Nederland er in principe goed voor. ‘Uniek voor Nederland is dat we hier álles hebben. Van ontwerp tot productie, testen en verpakken, tot bedrijven die producten maken met fotonische chips erin’, legde PhotonDelta-directeur Ewit Roos uit aan Koning Willem-Alexander. Die liet zich eerder dit jaar in Eindhoven informeren over de nieuwe industrie. PhotonDelta is het Nederlandse samenwerkingsverband van bedrijven en kennisinstellingen in de fotonica.
Maar de vraag is of het Nederland lukt die positie te gelde te maken. Ook andere landen, buiten én binnen Europa, ruiken in deze industrie kansen.
Fotonische chips kunnen worden gemaakt van drie verschillende soorten grondstoffen, met elk andere eigenschappen. Bij twee van de drie types fotonische chips staat Nederland in de wereldtop voor aantallen wetenschappelijke publicaties.
Dat is een indicatie dat er veel unieke kennis is waar bedrijvigheid op kan worden gebouwd.
Het productieproces van elektronische chips is zeer gespecialiseerd en met fotonische chips gaat het ook die kant op. Verschillende bedrijven leggen zich toe op bijvoorbeeld het ontwerp, de productie of de afwerking van chips.
In Nederland zijn bedrijfjes actief op alle onderdelen. Omdat er wel veel samenwerking nodig is, kan dat een voordeel zijn voor het Nederlandse ecosysteem.
De industrie heeft politiek het tij mee. In coronatijd is het belang van de chipindustrie voor de wereldeconomie voor iedereen duidelijk geworden. Overheden zijn nog veel meer dan vóór de chiptekorten bereid de portemonnee te trekken om deze industrie aan zich te binden. Fotonische chips worden ook gezien als een belangrijk front in de wereldwijde strijd om technologische dominantie. De Verenigde Staten, China en Zuid-Korea trekken al jaren miljarden uit voor onderzoek en opbouw van deze industrie.
De Nederlandse overheid steekt via het Nationaal Groeifonds, investeringsvehikel InvestNL en lokale investeringsmaatschappijen honderden miljoenen euro’s in de sector. Bijzonder, want Nederland was lang zeer terughoudend om industriepolitiek te bedrijven. De markt moest het maar oplossen.
Het is ook spannend, bekende Michiel Sweers aan de koning. Hij was tot voor kort directeur Kennis en Innovatie bij het ministerie van Economische Zaken. ‘Want als je keuzes maakt, kun je ook de verkeerde keuzes maken.’ Het doel is niet om de hele fotonische industrie in Nederland te krijgen. ‘Maar we willen wel een deel’, aldus Sweers. ‘Het is zoeken waar we als Nederland dan het verschil kunnen maken.’
Koning Willem-Alexander op bezoek bij innovatiecentrum Holst Centre in Eindhoven, waar hij werd bijgepraat over de fotonica-industrie. Foto: Bram Saeys
€43 mrd
De Europese Unie heeft €43 mrd opzij gezet om de productie van chips in Europa ruim te verdubbelen. De fotonica-industrie kon aanvankelijk geen aanspraak maken op deze gelden, maar na een succesvolle lobby valt de technologie nu ook onder de European Chip Act.
De vraag is hoeveel van dat Europese geld in Nederland zal landen. Andere lidstaten — waaronder Spanje en Frankrijk — timmeren op fotonicagebied eveneens aan de weg. Landen die nog achterlopen, zien in die miljoenenregen juist een kans om een achterstand in te halen.
‘Het is onzin om de inspanningen over 27 landen te verdelen’, zei Nilufar Bulut van PhotonDelta tijdens het koninklijk bezoek. ‘Die willen misschien hetzelfde als wij. Maar er zijn een paar landen die met de technologie voorop lopen.’ PhotonDelta pleit er in Brussel voor om de Europese fotonica-inspanningen te concentreren in de landen die nu al een relatief sterke positie hebben. ‘Want uiteindelijk profiteert heel Europa daarvan.’