Gerard Verbiest werkt aan nieuwe chiptechnieken met geluid. En samen met onderzoekers van ASML onderzoekt hij onder andere hoe je geluid kunt toepassen om in een chip te kijken. Het werkt, simpel gezegd, zoals medisch ultrageluid waarmee je een echo kunt maken van een ongeboren baby. “Maar wij kijken naar structuren die veel kleiner zijn dan een baby; de diameter van een hoofdhaar is 20 micrometer, en de nanostructuren in een chip zijn duizend keer kleiner dan een haar.”
Machines en machineonderdelen zijn Nederlands meest lucratieve exportproduct, en de belangrijkste bijdrage daaraan levert chipmachinefabrikant ASML, dat blijkt uit cijfers van het CBS uit 2023. Voor de toekomst van de computerchip kijkt het bedrijf dat machines bouwt die computerchips maken, soms al in een vroeg stadium mee met onderzoek. Associate Professor Gerard Verbiest doet chiponderzoek met geluidsgolven, samen met ASML.
Hij legt uit waarom dat belangrijk is. “ASML maakt machines die chips ‘printen’, en die chips bestaan uit allemaal laagjes op elkaar. Je wilt kunnen kijken of er geen foutjes in zitten. Als de laagjes niet exact op elkaar liggen, werkt de chip niet.” Tot nu toe gaat dat controleren op fouten met optische technieken. Maar omdat chips steeds kleiner worden, lukt dat niet meer. Verbiest: “Geluid biedt hier mogelijk een oplossing voor. Bovendien kun je met licht niet door ondoorzichtige materialen heen kijken – een type materiaal dat steeds meer wordt gebruikt in chips – en met geluid wel.” Samen met zijn PhD student Ruben Guis onderzoekt Gerard Verbiest deze veelbelovende, nieuwe techniek in zijn lab op faculteit ME (Mechanical Engineering). “Ik denk dat geluid een oplossing kan bieden voor een urgent probleem waar de chipindustrie nu tegenaan loopt: de grenzen van optische technieken. Ze kunnen met de huidige technieken niet veel verder komen en niet kleiner printen.”
Het moeilijkste wat er is
Dat de onderzoeker uitkwam bij chiponderzoek met geluid, is eigenlijk logisch als je zijn achtergrond hoort: “Mijn moeder gaf dwarsfluitles, we luisterden en speelden altijd muziek thuis. En mijn vader was biochemicus.” Zelf ging Verbiest natuurkunde studeren. “Mijn vader zei altijd: natuurkunde is het moeilijkste wat je kunt doen. Nou, toen ben ik dat maar gaan doen. Of ik het moeilijk vond? Haha, nee, niet echt.”
Hij studeerde af op theoretische natuurkunde en de snaartheorie in Leiden. “Wat ik jammer vond van die tak van de natuurkunde is dat het helemaal niets te maken heeft met praktische dingen hier op aarde, je kunt niets testen of maken. Ik wilde juist iets uitvinden, en ook daarmee werkelijk bijdragen aan relevante problemen.” Hij besloot over te stappen naar experimentele natuurkunde zodat hij in het lab kon gaan experimenteren. “Dat vond ik geweldig. Mijn eerste project ging overigens meteen over geluid creëren en gebruiken op een nanoschaal, nano-akoestiek, ik ben eigenlijk nooit meer van dat onderwerp afgeweken.”
Minder energieverbruik
Het leukste aan zijn werk vindt hij de voortdurende uitdaging. “We kunnen iets maken of oplossen wat tot nu toe nog niet begrepen is. Ik wil altijd weten hoe iets in elkaar steekt. Geregeld lukken de experimenten niet. Je denkt dat je iets begrijpt, en dan blijkt het niet te kloppen. Of de uitkomst van een experiment is heel anders dan je verwacht. Maar dat is juist de puzzel die ik wil oplossen. Al die kleine stappen samen zijn cruciaal in het verkrijgen van het begrip, van een uitvinding. Op een gegeven moment werkt alles.”
Maar wat hem ook aanspreekt, is dat dit onderzoek toepassing gaat vinden: “We lossen een werkelijk probleem op. Het doel is natuurlijk dat ASML deze techniek op een dag daadwerkelijk kan toepassen.”
Of we een betere wereld krijgen door zijn onderzoek, wil hij niet zeggen. “We krijgen hopelijk wel betere elektronica door mijn onderzoek. En of daarmee de wereld beter wordt of niet, dat hangt niet van mij af, maar van wat mensen vervolgens met die elektronica doen. Het kan wel. Als je betere chips maakt, kun je bijvoorbeeld elektronica ontwikkelen die minder energie verbruikt.”
Uniek in de wereld
Als wetenschapper houdt hij zich ook liever niet bezig met de geopolitieke zaken die spelen rondom chips. “We richten ons op wat we niet begrijpen, wat we leuk vinden, wat we willen uitzoeken. Hoe dat gebruikt kan worden, of misbruikt kan worden, daar hou ik me niet heel erg mee bezig. Dat vind ik meer een taak voor de politiek. Wat ik van de Chips Act vindt? Het plan om binnen Europa een eigen chipindustrie op te bouwen, biedt kansen aan universiteiten. Er ligt een mooie rol weggelegd om nog een stap verder te gaan dan wat we nu al doen. Als we goed onderzoek doen, kunnen we de concurrenten voor blijven.” De grootste concurrenten op zijn vakgebied zitten in Nederland zelf en de Verenigde Staten. “Ook daar kijken ze of ze met geluidsgolven structuren op nano-schaal beter zichtbaar kunnen maken. Maar het onderzoek zit wel anders in elkaar. Het concept wat ik hier probeer uit te werken, is tot nu toe uniek in de wereld.”
Waarom het belangrijk is om dit onderzoek samen te doen samen met onderzoekers van ASML, is omdat Verbiest van het bedrijf waardevolle aanvullingen krijgt, hoe de techniek eventueel in de praktijk geïmplementeerd kan worden bijvoorbeeld. “En of het interessant is om de ideeën die we hebben, te patenteren.” En over de vraag waarom hij dit in Delft wil doen, hoeft hij niet lang na te denken: “We hebben hier geweldige faciliteiten, en ik voel me helemaal thuis. Ik heb een geweldig leuke onderzoeksgroep. En ik heb hier de vrijheid om uit te zoeken wat ik graag wil uitzoeken – dat zou ik niet hebben als ik bij een bedrijf in dienst was. En misschien nog wel het belangrijkste: ik vind onderwijs geven echt heel leuk.” Verbiest geeft natuurkunde en lineaire dynamica aan de studenten Werktuigbouwkunde van de faculteit ME, en coördineert de bachelor eindprojecten op de afdeling Precision and Microsystems Engineering.
Op de vraag of hij met dat alles misschien tachtig uur werken per week haalt, moet hij weer lachen. “Geen idee, ik houd het niet bij, zou kunnen.” Toch heeft hij ook tijd om te voetballen, drie keer per week, en om met zijn kinderen te spelen en de natuur in te trekken. Als hij over zijn kinderen praat, lichten zijn ogen op. Mijn zoon van acht vraagt me nu al dingen zoals: ‘hoe kan ik een oppervlak uitrekenen?’ Of: ‘Wat is tijd eigenlijk?’ Leg dat maar eens uit!”
Orgels gevuld met water
Tot slot: wat zeg je op een verjaardag, als de buurvrouw vraagt wat je doet? “Ik luister ook naar planten, dat is wat makkelijker uit te leggen. Planten hebben van binnen een structuur net als een microchip. Als je een geluidsgolf erop af stuurt, kun je precies horen hoe de plant zich voelt. Planten zijn eigenlijk orgels gevuld met water. Je kunt horen of de plant dorst heeft, meer of minder water nodig heeft. Verbiest ontwikkelde een geluidssensor genaamd Plus-Plant, voluit de Plantenna Ultrasound Monitoring system. “Je kunt aan een plant zien dat hij te weinig water krijgt, maar als je wacht tot je dat aan de buitenkant ziet, ben je eigenlijk al te laat”, legde hij uit in een eerder interview met het FD.
“Bij een vochttekort rekt de waterkolom in een plant zich namelijk uit, en bij genoeg rek breekt die waterkolom net als een elastiek waardoor er een gasbelletje ontstaat dat een knisperend geluid maakt. Hoe dat klinkt, kunnen wij mensen niet horen, want het is net iets over 20 kilohertz. Dat is een beetje dezelfde frequentie als waarop vleermuizen en veel insecten luisteren.” Plantenna is het onderzoeksprogramma van de TU Delft, Wageningen Research and University, Twente University en de Eindhoven University samen. Verbiest: “Waarom ik dat onderzoek ging doen? Men wist dat planten geluid maken, maar niemand wist wat dat geluid betekende. Dus ik dacht: dat wil ik weten. De bedoeling is dat we hiermee in de toekomst de waterhuishouding in kassen kunnen optimaliseren en ook ziektes in een vroeg stadium kunnen detecteren.”
