Eerste verkoop zet Nearfield Instruments op pad naar volwassenheid

Nearfield Instruments sloot 2020 af met een hoogtepunt. De Rotterdamse TNO-spinoff heeft zijn eerste metrologiesysteem verscheept naar een niet nader genoemde klant. Zijn scanning probe-microscoop – de Quadra – is in staat om uitdagende 3d halfgeleiderstructuren door te meten en bovendien snel genoeg om te worden toegepast in de massaproductie van chips. Hoe heeft een kleine startup het gepresteerd om zich een plekje te verwerven in die uiterst competitieve markt?

Alexander Pil
9 februari

Tien jaar ontwikkelen, sleutelen en engineeren heeft het Nearfield Instruments gekost, maar in december maakte het Rotterdamse bedrijf dan toch bekend dat het zijn eerste machine heeft verkocht. Wie het high-end metrologiesysteem heeft afgenomen, mag oprichter en cto Hamed Sadeghian niet openbaar maken. De kans is echter groot dat het om Samsung gaat. Samen met investeringsfonds Innovation Industries stak de Koreaanse chipgigant in 2017 tien miljoen euro in NFI. Bij de tweede investeringsronde, in 2019, deed Samsung weer een duit in het zakje. ‘Het is een grote speler uit de halfgeleiderindustrie’, houdt Sadeghian zich op de vlakte.

De metrologiemachine van Nearfield Instruments is in elk geval bedoeld voor chipbedrijven zoals Samsung. Vaak is dat soort systemen optisch van aard, maar voor de meest geavanceerde chips zijn die inmiddels ontoereikend. De chipstructuren zijn volledig driedimensionaal, de details te klein en de kanaaltjes te smal en te diep. Er is dringend behoefte aan een oplossing omdat een paar misplaatste atomen al grote consequenties kunnen hebben voor het functioneren van de chip.

NFI’s Quadra is in de basis een atoomkrachtmicroscoop. Zo’n afm (atomic force microscope) produceert een reliëftekening van een oppervlak door het met een naald af te tasten. Dankzij de atomaire resolutie is de techniek zeer interessant om de meest moderne ic’s in beeld te brengen. Het principe is niet nieuw, zeker niet in de onderzoekswereld, maar lange tijd werd de afm als te langzaam beschouwd voor industriële toepassingen. Bovendien heeft een standaard afm veel moeite om driedimensionale structuren met een hoge aspectratio te meten. Van een productiesysteem kwam het daarom nooit. Tot nu, want NFI is het gelukt dat zijn afm-oplossing die 3d structuren wel goed in kaart brengt en de technologie ook snel genoeg is voor de hoge doorvoereisen van chipfabrikanten.

De Quadra van Nearfield Instruments is snel genoeg voor de hoge doorvoereisen van chipfabrikanten en nauwkeurig genoeg om de 3d nanostructuren op een chip in kaart te brengen.

Vier koppen

Om de gewenste snelheid te verwezenlijken en complexe nanostructuren te kunnen vangen, heeft NFI een compleet nieuw scanmechanisme ontwikkeld waarbij Sadeghian optimaal heeft gebruikgemaakt van het regelprincipe van advanced feedforward control. ‘Met die regellus kunnen we heel nauwkeurig de baan van de probe in het chipkanaaltje plannen, met een zeer kleine volgfout. Feitelijk is het niets meer dan een gedegen mechatronische architectuur’, zegt Sadeghian met gevoel voor understatement. ‘We hebben de meet- en controlbandbreedte vergroot en de scankoppen geminiaturiseerd zodat er veel koppen parallel kunnen werken. Het systeem bestaat uit veel functies die allemaal razendsnel en supernauwkeurig moeten werken. Over een 300 mm wafer kunnen we naar een meetpunt navigeren met een precisie van 500 nanometer. De stage heeft een resolutie van ongeveer 2 ångström. Ook de uitlijnsystemen moesten erg intelligent worden; ze moeten de hele wafer scannen, de markeerpunten herkennen, de coördinaten van de meetpunten voorbereiden en die doorgeven aan de scankoppen.’

Is er contact tussen de probe en het oppervlak? ‘Dat is bijna een filosofische vraag’, lacht Sadeghian. ‘De definitie van ‘contact’ is op subnanometerniveau heel vaag. Het gaat erom dat je de krachten goed regelt en minimaliseert zodat je het oppervlak niet vervormt of beschadigt. Dat is de kern van onze machine. We houden de interactiekracht op zo’n laag niveau, in de orde van piconewton, dat de probe geen deformatie veroorzaakt of het sample anderszins beschadigt.’

De Quadra is overigens geen inspectietool waarmee chipfabrikanten hun hele wafer kunnen aftasten, benadrukt Sadeghian. ‘Het draait om sampling, typisch twintig tot honderd locaties per wafer’, legt de geboren Iraniër uit. Sadeghian vindt het lastig om een uitspraak te doen over hoe snel zijn machine is. ‘Dat ligt aan de applicatie. Meet je bijvoorbeeld de lijnruwheid na een lithografiestap of de diepte van een profiel na een etsproces? In het eerste geval zitten we op een doorvoer van vijftig tot zestig wafers per uur.’

NFI heeft architecten aangesteld voor elke kpi. Zo krijgen alle features een boost zonder dat het systeem uit balans raakt.

Voor sampling is dat voldoende, maar uiteraard zouden klanten graag zien dat het meetsysteem nog sneller is. ‘Er ligt een roadmap klaar richting hogere productiviteit waarbij we uiteindelijk alle wafers die uit de scanner komen ook kunnen doormeten’, vertelt Sadeghian. Om dat einddoel te halen, denkt NFI nog drie generaties nodig te hebben. De Quadra-machine heeft vier scankoppen, maar het onderliggende platform is voorbereid om te worden uitgebreid tot dertig koppen. ‘We verwachten de tweede generatie in 2024 gereed te hebben. De derde generatie staat op de planning voor vijf tot zes jaar.’ Dat schema hangt samen met een andere ontwikkeling die Sadeghian en de zijnen zijn gestart (zie kader onderaan).

Industrialisatie

De geschiedenis van Nearfield gaat terug tot 2011. Bij TNO schetsen Sadeghian en Roland van Vliet – nu de coo van het bedrijf – de eerste versie van de architectuur op papier en zetten ze alle markteisen op een rij. De ontwikkeling kan van start. In 2015 is de proof of concept klaar. Er staat een prototype waarmee de onderzoekers wafers kunnen testen voor potentiële klanten, om ze te laten zien wat de meerwaarde is van het systeem.

‘In 2016 deden we al veel wafertests voor een groot aantal bekende chipfabrikanten’, vertelt Sadeghian. Het was Samsung dat een zware technische delegatie stuurde en een uitgebreid due diligence-onderzoek uitvoerde. NFI slaagde voor de test, want een jaar later ontving het een grote investering van onder meer Samsung Venture Investment. Daarmee kon het bedrijf echt grote stappen zetten.

Inmiddels heeft Nearfield Instruments 81 medewerkers op de loonlijst staan. Ongeveer de helft daarvan is pas in de afgelopen anderhalf jaar in dienst getreden. ‘Dat was een uitdaging’, geeft Sadeghian gelijk toe. ‘Met een veeleisende klant die het product zo snel mogelijk wilde hebben, en dan het bedrijf laten groeien, de juiste mensen aannemen met de goede startersmentaliteit, cleanroomfaciliteiten uitbouwen: het was lastig maar het is ons gelukt. We hebben veel baat gehad van onze samenwerking met verschillende hightech toeleveranciers.’ Onder meer Altran, Technolution en Aalberts-onderdeel Integrated Dynamics Engineering (IDE) zijn nauw betrokken bij de ontwikkeling en industrialisatie.

De Quadra heeft vier scankoppen, maar het onderliggende platform is voorbereid om te worden uitgebreid tot dertig koppen.

Dat laatste was cruciaal. ‘We wisten al vroeg dat we de architectuur van het prototype niet konden hergebruiken voor de productiemachine’, zegt Sadeghian. Het ontwerp moest immers aan heel andere eisen voldoen en dat vroeg om een aantal drastische aanpassingen. ‘Om het systeem klaar te maken voor productieomgevingen moest het om te beginnen een stuk betrouwbaarder worden. Ook de uptime moest omhoog en we moesten de machine sneller en makkelijker kunnen onderhouden en servicen.’

Bij een productierijpe machine draait het niet alleen om de performance, maar spelen er nog veel meer kpi’s. ‘We hebben meerdere architecten aangesteld voor elke kpi: cost of ownership, doorvoer, betrouwbaarheid et cetera’, vertelt Sadeghian. ‘Zo krijgen alle features een boost zonder dat het systeem uit balans raakt. Ook elke module heeft een eigen architect die de overall prestaties van dat onderdeel in de gaten houdt.’ Sadeghian zelf is eindverantwoordelijk voor de algehele architectuur.

Minimal viable product

Met de eerste betalende klant is Nearfield Instruments in een nieuwe levensfase beland. Welke lessen heeft Sadeghian geleerd op zijn weg van onderzoek bij TNO tot een productierijpe machine? ‘Om te beginnen, als je moet falen, faal dan snel’, antwoordt hij gelijk. ‘Blijf niet te lang wachten met je ideeën en ontwikkelingen, maar test ze zo snel mogelijk in de praktijk. Hoe later je ontdekt dat iets niet werkt of een concept niet goed functioneert, hoe duurder het is om het te herstellen.’ Sadeghian geeft zonder schroom toe dat hij zelf meer dan eens in die val is gelopen.

Gelinkt daaraan is de tweede tip van Sadeghian: ‘Als je een nieuw product ontwikkelt, is het van levensbelang om goed op één lijn te zitten met je klanten. Je moet precies weten wat hun wensen zijn en hoe je dat moet vertalen naar systeemrequirements’, aldus Sadeghian. ‘Daarbij moet je er wel op letten dat het systeem niet te duur wordt en je een goede marge overhoudt. Definieer een minimal viable product. Ik ben er faliekant op tegen om de tool maar steeds te blijven verbeteren waardoor die uiteindelijk niet de markt haalt. Zorg in plaats daarvan dat je zo snel mogelijk iets kunt opleveren zodat klanten kunnen ervaren wat de meerwaarde is en gebruikers je kunnen vertellen wat er nog beter kan. Met onze eerste klant hebben we gezamenlijke evaluatiemomenten afgesproken. Daar zullen problemen komen bovendrijven die wij dan kunnen oplossen.’

Zoals eerder gememoreerd, heeft NFI veel profijt gehad van zijn outsourcemodel. Onder meer de waferhandler, de positioneerstage, de optische uitlijning en de actieve vibratie-isolatie zijn ontworpen en gebouwd door gecertificeerde partners. ‘Mijn advies is om zo veel mogelijk buiten de deur te leggen’, zegt Sadeghian. ‘Let er wel op dat je de kern in huis houdt. Twee modules hebben we volledig intern gehouden omdat ze de core van de machine betreffen. Ook de architectuur moet je echt zelf doen. Ik geloof er niet in dat je dat kunt outsourcen. Niet met deze complexiteit, niet in deze markt. Dat zou een vergissing zijn. Sommige bedrijven hebben het geprobeerd, maar uiteindelijk bleek het resultaat een one-off-oplossing, een eenmalig systeem dat geen rekening houdt met de roadmap.’ Ook de software doet NFI grotendeels in eigen beheer, met steun van Altran. ‘De algoritmes en dataverwerking zijn zo specifiek dat het moeilijk is om dat uit handen te geven’, heeft Sadeghian ervaren. De partners maken de modules en kwalificeren ze op basis van afgesproken testspecificaties. In Rotterdam neemt NFI de integratie, kalibratie en fat voor zijn rekening.

Opschalen

Outsourcen kost geld, en juist de financiering blijkt voor veel starters het grootste struikelblok. Hoe heeft Nearfield Instruments het op dat terrein klaargespeeld? Sadeghian: ‘Dat was een enorme uitdaging, vooral in de beginjaren. Ontwikkelingen in de halfgeleidermarkt zijn duur en risicovol. Er zijn maar weinig investeerders die dat aandurven. Je moet dan een mitigatieplan hebben. Beperk het gevoel dat investeren in jouw idee superriskant is. Je kunt allerlei mooie verhalen ophangen en beloftes doen over hoe realistisch en geweldig jouw idee is, maar pas als een klant zegt dat hij het ook wil kopen, heb je bewijs. Het helpt om te focussen op een minimal viable product, op een eerste systeem dat je ook daadwerkelijk kunt verkopen.’

Behalve met de eerste koper heeft NFI contact met vrijwel alle grote chipfabrikanten.

En het helpt helemaal als je ook een betalende klant hebt, zoals Nearfield Instruments onlangs lukte. ‘Dan heb je ineens een compleet andere boodschap richting investeerders’, beseft Sadeghian. ‘We hebben een plan klaarliggen hoe we nu snel kunnen opschalen.’ Behalve met de eerste koper heeft NFI contact met vrijwel alle grote chipfabrikanten. ‘Ze hebben allemaal serieuze interesse getoond, hoewel we natuurlijk niet met iedereen even ver in de gesprekken zijn. De meeste wilden eerst zien dat onze oplossing echt werkt.’ Nu de eerste Quadra is verscheept, is daaraan voldaan en staan alle seinen op groen voor Nearfield Instruments.