NTS ziet legio mogelijkheden voor optische testers

NTS begeeft zich bij voorkeur in markten waar zeer specialistische kennis en kunde vereist zijn, door machines en modules te ontwikkelen en te bouwen die niemand anders maakt. Een goed voorbeeld zijn de testsystemen voor optische elementen die bij NTS Optel in Nijmegen worden bedacht. Daarmee ambieert het bedrijf ook een plek in de opkomende markt voor geïntegreerde fotonica.

Alexander Pil
13 juli

Zo’n tien jaar geleden ontwikkelde en bouwde NTS Optel zijn eerste inspectiesysteem voor diffractieve optische elementen. DOE’s zijn holografische componenten die een laserbundel splitsen en afbuigen en zo een lichtpatroon in de ruimte creëren. De populariteit van deze optische elementjes neemt hand over hand toe. Onder meer in mobiele telefoons en in auto’s worden ze veelvuldig gebruikt voor onder meer 3D sensing, afstandssensoren en patroonprojectoren. De markt groeit, de productieaantallen stijgen, maar voor grote oem’s loont het nog niet de moeite om in te zetten op testoplossingen. Een mooie kans voor NTS om deze nichemarkt te blijven bedienen met op maat gemaakte inspectiemachines.

Steeds meer fabrikanten stapelen DOE’s en laserdiodes tot compacte, actieve modules. Ook daarvoor heeft NTS een oplossing.

De testers van NTS zijn veelal variaties op een vast thema. Ze bestaan in de basis uit een laserbron waarmee de DOE wordt aangestraald, een waferstage, optiek die het afgebogen patroon stuurt, eventueel een projectiescherm, een hogeresolutiecamera en software voor de gegevensverwerking en de aansturing.

Een trend in de markt is dat de substraten groter worden. Van cd-formaat ging het al naar 200 millimeter wafers en inmiddels wordt er steeds vaker gesproken over 300 millimeter. ‘Dat is ook een logische stap in het cost down-proces dat de industrie doormaakt’, zegt Frank Ernst, businessdeveloper bij NTS Optel. Voorlopig blijft het echter bij praten. Grotere wafers brengen immers de nodige extra uitdagingen met zich mee, die zich vertalen in een hogere kostprijs voor een testsysteem. ‘Tot nu toe kiezen klanten ervoor om nog op 200 mm te blijven produceren.’ Maar Ernst verwacht dat het niet lang duurt voordat dat NTS zijn eerste 300 mm-systeem zal bouwen en verschepen.

Om de opbrengst van de testsystemen alvast te verhogen, sleutelt NTS continu aan de snelheid van de stage. ‘Optisch gezien, zitten we al tegen de limiet omdat je nu eenmaal een minimale testtijd nodig hebt’, weet Ernst. Twee derde van de tijd gaat daar nu aan op. De overige tijd is nodig om naar de volgende DOE-chip te switchen. ‘Dat indexen kan sneller; daar kunnen we nog wat winnen.’

Kopen of bouwen?

Wat voor grotere wafers geldt, geldt in zekere mate ook voor automatisering. Klanten tonen interesse in geautomatiseerde waferhandling, maar onder meer vanwege hogere kosten is het van een daadwerkelijke bestelling nog niet gekomen. ‘Op dit moment geven de meeste partijen er de voorkeur aan om de systemen met de hand te beladen’, vertelt Hugo Kok, optisch systeemarchitect bij NTS Optel. ‘De meting is relatief traag; het duurt ongeveer een uur voordat een hele wafer is doorgemeten. Dan is het al snel goedkoper om een operator in te zetten.’ In de eerste jaren dat NTS DOE-testers maakte, werd er vaker voor een geautomatiseerde oplossing gekozen. ‘Toen ging het vaak om kleinere wafers met relatief grote componenten. De meettijd was beduidend korter en dan is het de moeite waard’, legt Kok uit.

Met de algemene trend richting automatisering van productieprocessen verwacht Kok dat er binnenkort zeker aanvragen zullen binnenkomen. ‘Dan staan we voor de keuze: zelf ontwikkelen of inkopen?’, aldus Kok. Genoeg bedrijven die waferhandlers aanbieden, maar ‘die equipment front-end modules zijn duur en ingewikkeld’, weet Kok. ‘Het duurt wel even voordat je zo’n Efem aan je eigen systeem hebt gekoppeld. We staan ook achter in de rij, want we nemen ze niet in groten getale af. Dus de levertijd kan behoorlijk oplopen. Ik schat in dat we zo’n handler beter zelf kunnen ontwikkelen. Bijvoorbeeld op basis van een generieke Epson-robot. Daarmee hebben we al veel ervaring, dus dat ligt meer voor de hand.’ Zodra NTS een ondertekende opdracht op tafel heeft liggen, zal het die knoop doorhakken.

DOE-stacks

Voor een andere trend in DOE-land heeft NTS al wel systemen gebouwd en geleverd. Steeds meer fabrikanten stapelen DOE’s en laserdiodes tot compacte, actieve modules. Voor zowel de losse onderdelen als voor de complete stack ontwikkelt NTS inspectieoplossingen. ‘De uitdaging bij de losse componenten is dat de brandpuntsafstand slechts een paar millimeter is’, vertelt Kok. Dat maakt het heel lastig om de hele bundel – die toch al een grote uitreedhoek heeft – goed op te vangen. ‘Met zogenaamde relay-lenzen verleggen we de brandpuntsafstand, maar dat is vrij grote optiek dus het is niet eenvoudig om die in te bouwen.’

Gestapelde optische componentjes hebben een heel korte brandpuntsafstand. Daarom heeft NTS een speciale groothoeklens nodig om de hele uittredende bundel op te vangen.

Een complete DOE-stack heeft als voordeel dat hij vaak wordt gecombineerd met een laserdiode. De complexe lasermodule onder in NTS’ normale testopzet is daarmee overbodig. Toch wordt de meting niet eenvoudiger. ‘Je moet die modules namelijk goed elektrisch en thermisch verbinden om ze te kunnen testen’, legt Kok uit. ‘Elektrisch om de laserdiode te kunnen gebruiken, en thermisch om de warmte van de diode goed af te voeren.’

De thermische uitdaging heeft NTS opgelost met peltierelementen tegen de DOE-stacks. De elektrische uitdaging had meer voeten in de aarde. ‘De connectoren aan zo’n module zijn misschien maar een halve millimeter hoog en zitten dicht opeengepakt’, gaat Kok verder. ‘In overleg met de klant hebben we besloten om geen antwoord te zoeken op alle fijnmechanische uitdagingen die de kop opsteken als je het geautomatiseerd wilt oplossen. Het is dus een handmatig systeem geworden.’

NTS gebruikt een tray met zestien off-the-shelf connectoren waar de gebruiker met de hand zijn modules in prikt. Het nadeel van die commerciële stekkers is dat ze volgens de catalogus slechts geschikt zijn voor twintig cycli. Niet veel natuurlijk maar ze zijn ook niet ontworpen voor de toepassing waarvoor NTS ze wil inzetten. Kok: ‘We hebben ze echter getest en die connectoren gaan makkelijk duizend keer mee.’

Dat is een stap in de goede richting, maar niet genoeg voor de industriële praktijk. NTS heeft daarom een constructie bedacht waarbij het bord met de DOE-stacks via verende drukcontacten is verbonden met de rest van de benodigde elektronica. ‘Dat bovenste bord definiëren we als een consumable’, verduidelijkt Kok. ‘Na duizend cycli, dus zestienduizend projectoren, gooi je die weg en zet je er een nieuwe in.’

Het plaatsen van de modules in de tray is overigens een minutieus werkje. Handmatig is het bijna niet te doen om de benodigde nauwkeurigheid te kunnen garanderen. ‘In hun uiteindelijke toepassing worden ze vastgeschroefd, maar voor ons is dat geen werkbare oplossing’, stelt Kok. NTS heeft een speciaal deksel ontwikkeld dat de componenten met veren aandrukt. ‘Waarom een veer? Omdat de modules niet allemaal even hoog liggen. Een vlak is gedefinieerd door drie punten, dus zonder veerconstructie zou je er maar drie goed vastklemmen.’ Ook kun je niet te hard drukken omdat je ze anders beschadigt.

‘De uitlijning komt erg nauw; die veren moeten op exact de goede plaats duwen. We hebben een speling van een paar tienden van een millimeter. De pinconstructie die we hebben bedacht, zorgt ervoor dat de operator geen fout kan maken en de veren precies op de goede plek belanden’, besluit Kok.

Geïntegreerde fotonica

Grotere wafers, wellicht een eigen waferhandler, een nieuwe waferstage met meer vrijheidsgraden en heel veel maatwerk, de engineers van NTS hebben hun handen voorlopig vol aan de DOE-testers. En Frank Ernst heeft nog een andere markt op het oog: geïntegreerde fotonica. ‘Dat is een opkomende industrie waar wij met de ervaring van onze testers een grote rol kunnen spelen’, denkt Ernst. ‘Het gaat daar om kleine patronen op kleine chips, met lastige verbindingen. Onze systemen moeten daarvoor preciezer en sneller worden. Dat is onze volgende uitdaging.’

Automatische handling is voor deze sector niet meteen aan de orde omdat de aantallen klein zijn. ‘We weten echter uit de halfgeleiderwereld dat dat op een gegeven moment niet meer zal worden geaccepteerd’, zegt Ernst. ‘De eerlijkheid gebiedt te zeggen dat de markt voor geïntegreerde fotonica nog in de kinderschoenen staat, zeker als je het vergelijkt met de chipindustrie. Maar de eerste geïnteresseerde partijen hebben zich gemeld en het staat bij ons dus op de roadmap om optische testers op maat te ontwikkelen.’

Dit artikel is tot stand gekomen in samenwerking met NTS.