‘Goede systeemengineering geeft balans en focus’

Schakelingen op processoren en geheugenchips zijn nog maar enkele nanometers breed en hoog. Het is voor halfgeleiderproducenten een enorme uitdaging om op deze schaal metingen en scans te doen. Nearfield Instruments brengt hier verandering in met een high-throughput metrologiesysteem. Tijdens de Precisiebeurs geven oprichter Hamed Sadeghian en Technolution-projectmanager Remco Jager een presentatie over de totstandkoming van de technologie.

Anton Hoexum is corporate writer bij Technolution. Tijdens de Precisiebeurs geven Hamed Sadeghian van Nearfield Instruments en Technolution-projectmanager Remco Jager een presentatie over de totstandkoming van de spm-metrologie.

1 november

Technologie om oppervlakken met zogeheten scanning probe microscopy (spm) op nanoschaal in beeld te brengen, bestaat al sinds 1986. Het werkt met minuscule cantilevers (scankoppen) die zijn voorzien van een punt die slechts een paar atomen groot is. Met die cantilever wordt het oppervlak van een wafer gescand. De krachten die hierbij optreden tussen de cantilever en het waferoppervlak zijn de input voor de meting.

Nearfield Instruments levert binnenkort zijn eerste commerciële metrologiesysteem af aan zijn launching customer.

De technologie was in potentie geweldig interessant voor de halfgeleiderindustrie, maar traditionele spm heeft een paar nadelen. Ten eerste is de scansnelheid laag en de punt van de scankop kan te snel breken. Het grootste nadeel is echter dat de kop het waferoppervlak beschadigt tijdens het scannen. Dat kan natuurlijk niet als je de kwaliteit van een processor wilt meten. De oplossing die Nearfield Instruments ontwikkelde met hulp van technologie-integrator Technolution heft die nadelen volledig op, zegt directeur en cto Hamed Sadeghian: ‘Wij scannen duizend keer zo snel en onze technologie is non-destructief. De wafer wordt niet aangetast door de scan.’

Sadeghian is al jaren volledig gefocust op dit project. Als hoofdonderzoeker bij TNO legde hij de basis voor de nieuwe technologie. De businesscase voor Nearfield Instruments (NFI) was in 2014 het afstudeeronderwerp van zijn mba-studie. In 2015 werd de toepasbaarheid van de technologie aangetoond met een geslaagd proof of concept. Een jaar later richtte Sadeghian samen met TNO-collega Roland van Vliet NFI op. Weer een jaar later, in 2017, haalde NFI een belangrijke financiering binnen. Inmiddels heeft zich een launching customer aangediend en werken er meer dan veertig mensen bij het bedrijf. Het eerste commerciële metrologiesysteem wordt binnenkort geleverd.

Sadeghian: ‘Onze launching customer zit erbovenop en stelt hoge eisen. Dat geeft druk, maar zorgt ook voor een extreem scherpe focus. Uiteindelijk is dat alleen maar goed. De ontwikkeling moet doorgaan en die focus moeten we vasthouden. Dat is een stevige uitdaging, niet alleen voor NFI, maar ook voor onze strategische partners.’

Sentech Precisiebeurs

Minimal viable product

Het succes en de snelle progressie van het project zijn opmerkelijk te noemen. De technologie is al extreem ingewikkeld en dan werkt NFI ook nog eens samen met meerdere partners. Hoe slaagt een jonge, groeiende startup erin om zo’n complex traject tot een succes te maken? Het antwoord ligt volgens Sadeghian vooral in de goede toepassing van systeemengineering.

‘Techneuten willen altijd het allerbeste, meest elegante product maken. Dat is wat ze het liefste doen. Ik zie het bij mijn collega’s, maar ook bij onze partners. Dat perfectionisme heeft een keerzijde: het kost tijd. Als je te veel tijd neemt, kom je te laat op de markt met je product en heeft je klant al gekozen voor een alternatieve oplossing. Het is veel beter om te bepalen wat de minimale prestatie is die je kunt bieden binnen een bepaalde deadline en een bepaald budget. Die afweging kunnen maken en daar balans en focus in brengen, dat is de kracht van een goede systeemengineer. Natuurlijk wil je uiteindelijk wel het best mogelijke product leveren. Daarom maak je een duidelijke roadmap: dit is wat we nu bouwen, en na de eerste levering zetten we deze vervolgstappen om uiteindelijk de ultieme oplossing te ontwikkelen. Maar we concentreren ons eerst op de ontwikkeling van het minimal viable product. Al onze systeemengineers zijn hierop gericht. We willen beslist niet te lang onder water blijven en daardoor de boot missen.’

Bij NFI ligt de focus op het hart van de machine en de architectuur; de rest outsourcet het aan partners, zoals Technolution.

De systeemengineer kijkt naar de gewenste eindspecificaties, deelt het product op in functionele modules en stelt een budget op voor alle aspecten. Dan gaat het niet alleen over functionaliteiten en interfaces, maar bijvoorbeeld ook over de beschikbare ruimte in de machine, de restwarmte die een module mag produceren of de minimale doorvoersnelheid van data. Vervolgens wordt het werk verdeeld.

‘Bij NFI doen we liefst alleen waar we goed in zijn: de elementen die het hart van de machine en de architectuur vormen en die niemand anders kan doen. De rest outsourcen we aan onze partners. Daarbij hanteren we een strakke indeling in modules en glasheldere afspraken over functionaliteiten en interfaces.’

Daarnaast is het essentieel om risico’s vroeg in kaart te brengen en waar nodig te ondervangen. Sadeghian hamert op vroege integratie. ‘Een ontwikkeltraject zoals dit heeft waarschijnlijk wel duizend risico’s. Daarvan zijn er misschien tien die echt grote impact hebben wanneer ze zich voordoen. Als een module problemen gaat geven, wil je dat vroeg weten. If it’s going to fail, let it fail soon. Daarom moet je altijd snel beginnen met integratie van modules. Breng die belangrijkste risico’s in kaart, ontwerp testsituaties, integreer de vereiste onderdelen en begin met testen. Hoe eerder je weet waar de problemen zitten, des te meer tijd heb je om ze te herstellen en des te lager je kosten.’

Prioriteiten veranderen

Een bepaalde onzekerheid over de eindresultaten blijft onvermijdelijk bij de ontwikkeling van nieuwe technologie met een startup. Partners moeten hiermee kunnen omgaan. Wat is er nodig voor een efficiënte samenwerking? Sadeghian: ‘Ten eerste: technische competentie. We werken op de grens van wat mogelijk is, dus iedereen moet heel goed weten waar hij mee bezig is. Ten tweede: een partner moet begrijpen hoe systeemengineering werkt. Dus niet alleen weten hoe zijn eigen module in elkaar zit, maar ook hoe die module past binnen het grote geheel. En ook: beseffen wat de uitdagingen zijn voor de ontwikkelaars van de andere modules. Je hoeft geen expert te zijn voor alle onderdelen, maar je moet wel weten wat de gevolgen zijn voor de verschillende modules als er dingen veranderen in de specs of de interfaces.’

Hamed Sadeghian, cto van Nearfield Instruments: ‘Als startup heb je nog niet alle processen uitgewerkt. Specificaties en eisen werk je al doende uit en de prioriteiten veranderen per week.’

‘Als laatste is het voor ons ook heel belangrijk dat een partner begrijpt hoe het is om te werken met een startup en zich flexibel opstelt. Als startup heb je nog niet alle processen uitgewerkt. Specificaties en eisen werk je al doende uit en de prioriteiten veranderen per week – soms zelfs per dag. Daar moet je tegen kunnen als partner.’

Driedimensionale scans

De eerste versie van het metrologiesysteem, die binnen afzienbare termijn zal worden geleverd, werkt met vier scankoppen die gelijktijdig het waferoppervlak scannen. De plannen voor systemen met dertig en zelfs honderd scankoppen zijn al uitgewerkt en goedgekeurd. Sadeghian is erg blij met de resultaten tot nu toe.

‘Een metrologiesysteem met vier scankoppen is echt een minimal viable product, maar het is een heel goed begin. Met deze technologie ontsluiten we eindelijk het potentieel van spm. We zijn erin geslaagd om de beweging van de punt van de cantilever controleerbaar en reproduceerbaar te maken, zodat we het oppervlak van de wafer niet raken en toch een exact beeld van de topologie krijgen. We begrijpen hoe de interactie op nanoschaal eruitziet en we kunnen de krachten nauwkeurig en met hoge snelheid meten, zonder beschadigingen van de wafer.’

De spm-metrologie is dus nog volop in ontwikkeling, maar Sadeghian werkt alweer aan nieuwe producten. Het volgende product van NFI maakt gebruik van sub-surface-technologie om op dezelfde nanoschaal driedimensionale, non-destructieve scans te maken. Sadeghian: ‘We maken gebruik van de elasticiteit en de akoestische eigenschappen van materialen. Door een sample bloot te stellen aan geluid met ultrahoge frequenties gaat het bewegen. Die bewegingen meten we met een sonde die fungeert als een ultragevoelige antenne, waarmee we als het ware in het materiaal kunnen kijken. En ja, we gaan het sub-surface-product met dezelfde partners, waaronder Technolution, ontwikkelen. Never change a winning team.