ASML slacht monsters op weg naar 450-mm-platform

14 juni 2013 

Op High-Tech Systems 2013 gaf Doede Kuiper van ASML een presentatie over de ontwikkelingen bij zijn bedrijf op het gebied van 450 millimeter wafers. De grotere chipplakken brengen namelijk een aantal lastige mechatronische uitdagingen met zich mee. Precisie-eisen van vijftig picometer vergen het uiterste van de Veldhovense ingenieurs. Volgens Kuiper is het desondanks allemaal ’redelijk uitvoerbaar‘.

Rond grofweg de eeuwwisseling stapte een groot deel van de halfgeleiderindustrie over op wafers met een doorsnede van 300 millimeter. Ten opzichte van de eerdere 200 mm chipplakken leverde dat een oppervlaktewinst op van een factor 2,25. Op dit moment staan de chipfabrikanten aan de vooravond van de volgende transitie: die naar 450 millimeter wafers. Voor ASML, dat de lithografiemachines moet leveren, is dat een flinke technische kluif.

 

Doede Kuiper, hoofdverantwoordelijke voor de 450-mm-ontwikkelingen bij ASML: ’Er zijn heel wat bottlenecks, maar geen een waarvan ik denk dat we er niet voorbij kunnen komen.‘

Waarom willen bedrijven als Intel, Samsung en TSMC eigenlijk naar grotere siliciumplakken (zie ook kader)? Doede Kuiper, hoofdverantwoordelijke voor de 450-mm-ontwikkelingen bij ASML, geeft antwoord: ’In de halfgeleiderindustrie is er een continue drang om de kosten per transistor te verlagen. Apparaten zoals smartphones en tablets kunnen dan meer functionaliteit leveren voor dezelfde prijs. Er zijn drie mogelijkheden om dit te doen. Ten eerste kun je de details op een chip verkleinen. Dat is iets waar ASML continu aan werkt. Denk maar aan de EUV-machine die we op dit moment in ontwikkeling hebben. Ten tweede kun je de productdesigns verbeteren, bijvoorbeeld door transistoren te stapelen op een chip. Dat is meer de verantwoordelijkheid van onze klanten. De derde weg die je kunt bewandelen, is om te werken met grotere wafers. Zo kun je namelijk meer chips per uur produceren. De overhead is kleiner waardoor de winst kan oplopen tot wel dertig procent.‘

De kostenbesparing die in het vat zit, is interessant genoeg om de ontwikkeling van bijbehorende machines op te pakken, vindt Kuiper, die zich realiseert dat ASML flink wat technische hindernissen moet nemen. ’Als je de wafergrootte opschaalt, wordt alles in onze productiemachine groter, zwaarder en flexibeler. Als je ons bestaande systeem simpelweg op het kopieerapparaat zou leggen, zou het gewicht een factor drie omhoog gaan en het benodigde vermogen zelfs met een factor tien. Tegelijkertijd halveert de stijfheid en gaan de resonantiefrequenties omlaag, wat een negatief effect heeft op de nauwkeurigheid. Dat conflicteert met de lithografieroadmap die we volgen. Elke generatie mikken we juist op een hogere nauwkeurigheid van zo‘n dertig procent. De eisen zijn dus in tegenspraak met elkaar en wij moeten daar een oplossing voor vinden. En dat bovendien voor grofweg dezelfde prijs als dat we nu voor onze machines vragen.‘

Ook de thermische effecten vergen meer aandacht. ’Grotere wafers vragen nu eenmaal meer verwerkingstijd. Dat houdt in dat de drift veel groter is. Een nachtmerrie. We hebben het doorgerekend en om de juiste stabiliteit te hebben, moet de temperatuur constant blijven binnen een tiende van een millikelvin. Dat is bijna niet meer voor te stellen.‘

Vliegtuigen

ASML startte ruim een jaar geleden met het systeemdesign van wat zijn 450-mm-machine moet worden. ’Inmiddels hebben we het concept aardig op papier staan‘, vertelt Kuiper. ’We hebben alle modules gedefinieerd, inclusief een lijst met specificaties. Het fotomasker blijft hetzelfde, dus daar hoeven we niets aan te doen. De waferhandlers moeten wel een slag groter. We hebben daarvoor dus langere robotarmen nodig. Die staan nu in de steigers zodat ze twee generaties meekunnen. Ook de waferstage en de wafertafel moeten we groter uitvoeren. De tafel is een flink brok precisiemechanica. Het ontwerp is relatief simpel maar om hem ook nanonauwkeurigheid te geven, zullen we zeker nog een aantal productie-uitdagingen moeten overwinnen.‘

De grotere wafers hebben ook hun weerslag op de meer basale onderdelen van de lithomachine. Zo moeten alle kabels en de slangen voor bijvoorbeeld de airconditioning worden verlengd. ’Dat is nog behoorlijk wat werk‘, benadrukt Kuiper.

Al met al zou de machine in alle richtingen met een factor van ongeveer 1,5 moeten groeien. In grondoppervlak is dat niet zo‘n groot probleem, hoewel chipproducenten straks minder machines op hun fabrieksvloer kwijt kunnen (of een grotere fabriek moeten bouwen). In de hoogte is de uitdaging groter. Door de gebruikelijke cleanroomhoogte is er slechts ruimte voor een 1,25 grotere machine. Die discrepantie zal ASML moeten fiksen. Net als dat het een oplossing moet vinden voor het vervoer van de machines. Ze dreigen namelijk zo groot te worden dat ze nauwelijks nog in de gebruikelijke transportvliegtuigen passen.

Buiten de deur

Kuiper ontkent niet dat het een flinke klus wordt om de machine te realiseren. ’Daarom moeten we slim ontwikkelen. We beknibbelen niet op de performance maar proberen de inspanning te minimaliseren. Dat doen we op twee manieren: door onderdelen en modules van bestaande machines te hergebruiken en door zo veel mogelijk uit te besteden.‘

ASML doet het stap voor stap: eerst EUV op 300 millimeter, dan EUV op 450 millimeter en daarna pas immersie op 450 millimeter.

ASML profiteert hierbij van zijn keuze om de EUV-scanner waar het zo‘n zes jaar geleden aan begon, al ’450-ready‘ te maken. ’We zagen toen al dat de twee platforms in de toekomst parallel zouden gaan lopen. Omdat je liever niet twee platforms tegelijk wilt ontwikkelen en onderhouden, hebben we het EUV-platform zo opgezet dat het in grote lijnen klaar is om 450 mm wafers te verwerken. Daardoor kunnen we ongeveer drie kwart van de componenten en modules hergebruiken voor de toekomstige grote EUV-scanner.‘

Voor de immersielijn - natte lithografie - zijn de cijfers iets minder gunstig. Kuiper verwacht dat ASML voor die familie ongeveer een derde kan hergebruiken. Voor de resterende delen hoeven de Veldhovenaren niet helemaal van scratch te beginnen. Een herontwerp van bestaande modules zal in veel gevallen al voldoende zijn. ’Het aantal nieuwe onderdelen dat we moeten ontwerpen, is relatief klein‘, aldus Kuiper.

Door de systemen modulair op te zetten, maakt ASML het voor zichzelf makkelijk om de ontwikkeling van (sub)modules buiten de deur te leggen. Voor de waferhandler werkt het bijvoorbeeld samen met onder meer Aalberts, CCM, Philips en VDL. Ook de basismodules van de waferstage komen uit de koker van Philips Innovation Services en VDL. ’Dat zijn partijen waar we al langer mee samenwerken‘, zegt Kuiper. ’De positioneermodules doen we wel in huis, maar het ontwerp en de productie van andere zaken besteden we uit aan partijen zoals Asys en Demcon. Ook op het elektronicagebied proberen we zo veel mogelijk te hergebruiken. Voor nieuwe designs werken we weer samen met bestaande partners zoals Benchmark, Neways en Prodrive.‘

De lijst van partners die een bijdrage leveren aan de ASML-machines is ellenlang. Tijdens zijn presentatie noemt Kuiper er nog een aantal bij naam. Zo is IDE - sinds 2008 onderdeel van Aalberts Industries - verantwoordelijk voor de luchtlagering tussen het frame en de buitenwereld. Agilent en Heidenhain leveren encoderoplossingen aan de Veldhovense machinebouwer.

Haalbaar?

ASML heeft berekend dat het in het horizontale vlak een nauwkeurigheid moet halen van slechts vijftig picometer. Verticaal gaat het om een precisie van een halve nanometer. ’Voor alle effecten die je kunt bedenken, moet je doorrekenen wat hun weerslag is op de nauwkeurigheid. Zit je boven de vijftig picometer, dan moet je of het design verbeteren of in onderhandeling met systeemengineering voor ruimere specs.‘

Is het niet te veel gevraagd dat de 450-mm-machine moet werken met atomaire precisie? ’Uiteraard vallen we tijdens de ontwikkeling terug op onze ervaring. We kunnen inmiddels redelijk goed inschatten wat wel zal werken en wat niet zo‘n goed idee is. Die lessen uit het verleden passen we expliciet toe in het nieuwe ontwerp. Bovendien proberen we monsters te voorkomen. We doen geen compromissen als het gaat om de prestaties en hebben dus zeer scherpe specificaties. Onze ingenieurs gaan daarmee aan de slag. Als hun oplossing niet haalbaar is, te complex wordt of simpelweg te veel kost, moeten we zo‘n monster doden.‘

’Natuurlijk zijn er technische hindernissen, maar die overwinnen we een voor een. We zijn al veel verder dan sommige mensen tien jaar geleden voor mogelijk hielden. En we gaan nog altijd vooruit. Het is goed dat we de hindernissen identificeren en erkennen. Dan kunnen we ze aanvallen en oplossen. Er zijn heel wat bottlenecks, maar geen een waarvan ik denk dat we er niet voorbij kunnen komen.‘

Kuiper verwacht dat ASML ergens tussen 2018 en 2020 zijn eerste massaproductiesysteem voor 450 mm wafers op de markt heeft. Is dat haalbaar als je bekijkt hoe groot de stapel werk nog is? ’Het is een mooie uitdaging‘, vindt Kuiper. ’We liggen nog steeds op schema. Het is lastig te voorspellen wat de toekomst gaat brengen. We zitten nog in de ramp-up. Ook onze toeleveranciers zijn aan het opstarten en hun teams aan het versterken. Ik zie geen onmogelijke barrières; het is allemaal redelijk uitvoerbaar.‘

De reden dat ASML ondanks de ambitieuze deadline en de puist engineering nog in de ramp-up zit, is dat het op dit moment nog voorrang geeft aan de EUV-ontwikkelingen. ’Het is niet slim om dat allemaal te mixen. We doen het stap voor stap. Eerst EUV op 300 millimeter, dan EUV op 450 millimeter en daarna pas immersie op 450 millimeter.‘ Ze kunnen nog even vooruit in Veldhoven.

AGENDA

Events

Dutch Machine Learning Conference

13 maart

's-Hertogenbosch

High-Tech Systems

11 april

Eindhoven

Trainingen

Metrology and calibration of mechatronic systems

13 februari - 15 februari

Eindhoven

Time management in innovation

14 maart - 4 april

Eindhoven

Techwatch

Techwatch | bv | Novio Tech Campus | Transistorweg 7-H | 6534 AT Nijmegen
T. +31 (0)24 - 350 3532 | info@techwatch.nl

Copyright ©  2019 Mechatronica&Machinebouw - All Rights Reserved

×