Systeemengineering is de olie voor waardecreatie bij ASML

Bij ASML zorgen systeemengineers en -architecten ervoor dat de juiste technische keuzes worden gemaakt om maximaal waarde te creëren. In een tweeluik gaan Tom Castenmiller en Frank de Lange in op systeemengineering bij de lithogigant. In dit artikel gaat het over roadmapping en het proces om tot een holistische systeemdefinitie te komen.

René Raaijmakers
23 maart

Zonder de term te laten vallen, geeft het laatste jaarverslag van ASML een nette definitie van het vak om de meest geavanceerde lithografiesystemen ter wereld te ontwikkelen, te fabriceren en te commercialiseren. ‘Wij beheersen dit proces door een evenwicht te vinden tussen de behoeften van onze klanten, productmogelijkheden en technologische oplossingen.’

ASML heeft het hier over systeemengineering. Aan bovenstaande definitie mag je dan nog toevoegen dat systeemengineers (bij sommige bedrijven spreken ze van systeemarchitecten) dit doen met het doel om waarde te creëren. Waarde voor de klant, waarbij ASML’s systeemdenkers bij uitstek het vak verstaan om dit te vertalen in maximale waarde voor de eigen business.

Het marktsucces is overtuigend. Op 38-jarige leeftijd staat ASML nu op de 32e plaats in de lijst van ’s werelds meest waardevolle bedrijven, met een beurswaarde van 240 miljard (na een piek in 2021 van 360 miljard). Van de techbedrijven in dezelfde ranglijst staat het op de dertiende plaats. En als het om complexe hardware gaat, moet het alleen Apple, Tesla, Nvidia en Samsung boven zich dulden. ASML is meer waard dan chipfabrikant Intel en respectievelijk twee en vijf keer zo veel als ic-equipmentleveranciers Applied Materials en KLA.

Dit is misschien een lange aanloop voor een verhaal over systeemengineering en ook wat ruime aandacht voor iets wat voor veel technici gebakken lucht is. Toch noem ik het, want in de systeemengineering gaat het om de juiste technische keuzes voor het creëren van waarde. Uiteindelijk vertaalt zich dat in waarde voor aandeelhouders. Je kunt het ook zo zeggen: ASML’s ontwikkelorganisatie is voor de lithogigant wat de oliebronnen zijn voor Shell en BP.

Voor de duidelijkheid: binnen een uitvindmachine als ASML heb je in de research-, ontwikkel- en engineeringteams vele bloedgroepen, maar de systeemengineers zorgen dat er technische keuzes worden gemaakt, samen met een leger aan architecten, met als doel: businesssucces.

 advertorial 

Innovatieve tilhulp op basis van servopneumatiek

Zuidberg uit Ens ontwerpt en produceert diverse componenten voor landbouwvoertuigen. Voor een nieuwe assemblagelijn ontwikkelde engineers van Zuidberg zelf ergonomische balancers die als tilhulp fungeren. “We hebben niet alleen gekeken naar ergonomie, maar ook naar producthandling. Bovendien kunnen we de balancer helemaal naar wens instellen.” Lees de reportage: Zuidberg kiest voor servopneumatische balancer | Festo NL

Exotische technologie

Meteen maar het meest adembenemende voorbeeld. Vijftien jaar geleden (onthoud dat getal) kon ASML de economische haalbaarheid van de huidige allernieuwste technologie, euv, al gefundeerd onderbouwen. Euv had zijn fans, zoals bij Intel, maar voor veel materiaalleveranciers en apparatenbouwers was deze exotische technologie een brug te ver. Extreem ultraviolet was volgens een groot deel van de chipindustrie veel te duur en bovendien onhaalbaar door alle technische problemen. Canon en Nikon maakten een weloverwogen beslissing om dit pad niet te kiezen – ook dat is systeemengineering.

Systeemengineer Frank de Lange: ‘ASML is minder beperkt door regelgeving, omdat er bij de inzet van steppers en scanners niet direct mensenlevens op het spel staan.’

Technische problemen doken inderdaad op bij ASML. Zelfs in grote aantallen. Hier speelde ASML’s systeemengineeringaanpak een grote rol in het nemen van de juiste beslissingen om naar oplossingen te komen. Nu euv in zijn adolescentie zit, helpt de technologie het aantal kritieke lithografiemaskers in de chipfabricage met 40 procent te verminderen. Het aantal processtappen krimpt met bijna een derde in vergelijking met lithografie op basis van meerdere patronen. Het voordeel voor klanten is zoals ASML vijftien jaar geleden al voorspelde: aanzienlijk minder defecten, lagere kosten en een afgenomen productietijd.

In Veldhoven verwachten ze nu dat het gebruik van euv blijft toenemen en dat alle chipmakers met geavanceerde nodes tegen 2024 euv-machines gebruiken. Voor de komende jaren staat alweer een nieuw optisch ontwerp met een grotere numerieke apertuur klaar die 60 procent kleinere features mogelijk gaat maken. In 2024 gaan de eerste chipfabrikanten met procesontwikkeling beginnen en massafabricage zal naar verwachting rond 2025-2026 van start gaan.

Cultuur

Tom Castenmiller en Frank de Lange, beide senior managers systeemengineering, gaven het afgelopen jaar bij de internationale club voor systeemengineering Incose en bij de systeemarchitectuur-webinars van techmagazine Bits&Chips presentaties over systeemengineering bij ASML. Daarbij keken zo ook vooruit, lieten best practices zien en vroegen zich af of het tijd was voor een nieuw tijdperk, zeg maar Systems Engineering 2.0.

Meteen maar een paar disclaimers. Ik heb niet de illusie dat in een paar pagina’s de systeemengineeringcultuur bij ASML is te beschrijven – ik gebruik hier met opzet ‘cultuur’, want mensen zijn de grote gemene deler.

Ook is de systeemengineeringaanpak bij ASML weliswaar inspirerend, maar hij laat zich ook niet een-twee-drie vertalen naar andere technologiegedreven organisaties. De Lange wijst bijvoorbeeld op een groot voordeel voor ASML: in tegenstelling tot automotive, de bemande ruimtevaart of de medische industrie staan er bij de inzet van steppers en scanners niet direct mensenlevens op het spel. Daardoor is ASML minder beperkt door regelgeving dan pakweg Philips Healthcare of Lightyear, al moeten lithoscanners natuurlijk wel veilig zijn. Het is niet de reden dat ASML razendsnel kan ontwikkelen, maar minder administratieve hindernissen helpen wel om deadlines te halen.

Nog een voordeel. In tegenstelling tot satellietbouwers heeft ASML mee dat de eerste generatie van een machine niet foutloos hoeft te zijn – chipfabrikanten plaatsten zelfs nauwelijks werkende euv-machines in hun fabs. De reden was marketing. Zo konden ze de wereld laten zien dat ze vooropliepen.

Key drivers

Castenmiller en De Lange definiëren hun vak als ‘de taak om ervoor te zorgen dat ASML’s technici aan de juiste technische oplossingen en innovaties werken’. Daarbij telt vooral het resultaat in de chipfabriek. Het gaat sinds pakweg twintig jaar niet alleen meer om afbeelden maar om samenwerkende technieken om klanten te helpen een zo hoog mogelijke opbrengst te halen. Naast lithografie speelt daarbij nu ook metrologie en een hele suite aan softwaretooling (computational lithography) een rol. Castenmiller: ‘Voor het leveren van een node bij de klant houden we rekening met het hele fabricagesysteem en nemen daarin ASML’s hele zakelijke landschap mee.’

‘Voor het leveren van een node bij de klant houden we rekening met het hele fabricagesysteem en we nemen daarin ASML’s hele zakelijke landschap mee’, zegt Tom Castenmiller, systeemengineer bij ASML.

Systeemengineers gebruiken in het algemeen een lijst punten waarop ze moeten uitblinken, de zogeheten key drivers. Die staan centraal in het behalen van businesssucces. Voor ASML zijn dat de imaging en overlay (kwaliteit van de afbeelding), de productiviteit (doorvoer en beschikbaarheid van machines in fabs), time to market (een dag eerder in productie levert een klant al tientallen miljoenen op), field upgrades (bestaande machines productiever maken met nieuwe software of hardware), service en cost of goods. Deze laatste zijn vooral belangrijk in markten waar ASML concurrentie heeft, zoals in de oudere nodes (Canon en Nikon) en metrologie (KLA, Applied Materials en Nikon).

Drie processen

Bij ASML waakt de systeemengineeringafdeling grofweg over drie processen: het vastleggen van de langeretermijnplannen en het proces voor een holistische systeemdefinitie komen in dit artikel aan bod. Het laatste proces noemen ze binnen ASML ook wel het node solution process, het samenspel van afbeeldingsmachines, meetapparatuur en software om in de waferfabs de beste resultaten te leveren. Het productgeneratieproces wordt in een vervolgartikel besproken.

Elke chipfabrikant kan zich terugvinden in ASML’s roadmap, maar de holistische systeemdefinitie – zeg maar de specifieke klantoplossing – is niet voor elke fab of ic-fabrikant hetzelfde. In tegenstelling tot de vroege jaren van de chipindustrie stellen verschillende ic-generaties en verschillende markten zoals dram- en nand-geheugens en microprocessoren allemaal hun eigen eisen. ‘Onze producten zijn afgestemd op kansen in de markt, maar het gaat soms ook over speciale verzoeken van klanten. Het moet allemaal samenwerken’, aldus Castenmiller.

Roadmapping

In het roadmappingproces kijken systeemengineers drie tot tien jaar vooruit. Vanwege de hoge investeringen in toekomstige systemen en chipfabrieken streven ze tegenwoordig zelfs naar (daar komt-ie) vijftien jaar. ‘Die investeringen zijn zo hoog dat je op tijd zichtbaarheid wilt hebben’, zegt Castenmiller. Nuchter merkt hij op dat een kristallen bol voor anderhalf decennium vrijwel onmogelijk is. ‘Maar we proberen het wel.’

Om in te zien dat anticiperen nodig is, hoef je slechts terug te kijken naar het recente verleden. Vijftien jaar geleden kwam immersielithografie net op stoom, tien jaar terug leverde ASML de eerste euv-machines voor procesontwikkeling en vijf jaar geleden kwam massaproductie met euv uit de startblokken.

In die vijftien jaar veranderde het machineportfolio van ASML fors. Het ontwikkelde optische metrologie voor een betere beheersing van de overlay en nam HMI over, een specialist in e-beam-inspectietechnologie. Daarmee werden de Veldhovenaren ook een serieuze speler in de metrologiemarkt voor ic’s.

Cruciale toeleveranciers die ASML’s innovatiesnelheid niet konden bijhouden, werden noodgedwongen opgekocht. Zo is ASML nu ook leverancier van lasers (Cymer) en glazen precisieonderdelen (Berliner Glas). Verder besloot het om ook de pellicles (een dun vlies dat het masker afschermt van stofjes) voor euv te gaan maken toen klanten aangaven dat ze ASML’s oorspronkelijke plan om het zonder te doen een slecht idee vonden en verder niemand in de industrie de handschoen oppakte.

Bij het maken van dit soort keuzes voeren de systeemengineers nogal intensieve gesprekken en hakken knopen door. Het is een turbulente omgeving waar veel meer bij komt kijken dan alleen de neuzen gelijkrichten van elfduizend technici en ervoor zorgen dat de 2,5 miljard euro aan r&d-uitgaven maximaal ten goede komt aan de business.

Zestig pagina’s

ASML’s roadmap beslaat zo’n zestig pagina’s. ‘Daarin staat wat de requirements van klanten zijn. Die moeten we dus te weten zien te komen’, zegt Castenmiller. ‘Bronnen zijn conferenties, klanten, maar ook projecten die we met universiteiten en r&d-instituten uitvoeren. ASML stemt de requirements twee keer per jaar af met klanten en intern in zogeheten litho solutions meetings.’

Het eerste blad van ASML’s roadmap met een overzicht van de eisen voor verschillende markten (bijvoorbeeld dram en microprocessoren) en parallel daaraan de geplande machines (litho of metrologie) met een beschrijving van de eisen voor elke node.

Binnen ASML werken verschillende afdelingen mee aan het opstellen van de requirements. Zo verdiept corporate marketing zich in effecten op de markt, kosten en de potentiële waarde van nieuwe producten. Een speciale taak is weggelegd voor een groep technische experts met veel kennis van devicetechnologie. ASML werft ze bij klanten, waar ze vaak jarenlange ervaring hebben met de werking van micro- en nanostructuren op ic’s. Castenmiller: ‘Allemaal seniors die hun netwerken bij klanten hebben en alles weten over wat erbij komt kijken en wat relevant is om de onderdelen op chips werkend te krijgen. Samen met hen bestuderen we de devices die eraan komen. Daarbij gebruiken we elk stukje informatie dat we kunnen krijgen.’

Strategic board

De afdeling systeemengineering definieert wat ASML technisch uit de kast moet trekken. ‘Dan gaat het zowel om de huidige als toekomstige mogelijkheden’, verduidelijkt Castenmiller. ‘Want in onze roadmap dienen beide samen te komen om te zien hoe snel we het kunnen leveren.’

De tweede fase in roadmapping is het technology solution process. ‘Dit is een bottom-upproces waarbij we allerlei nieuwe technologieën bekijken die we kunnen gebruiken.’ Ook hierbij zijn weer talloze groepen binnen ASML betrokken, waaronder ook Research en verschillende kennisclusters binnen de organisatie Development & Engineering.

De requirements en de technologische oplossingen komen samen in het holistic solution definition-proces. Systeemengineering is daar leidend en kiest de beste oplossing voor een node of klantspecifieke vraag. De resultaten gaan naar de strategic board, die ten slotte beslist wat er wel en niet in ASML’s productportfolio wordt opgenomen. Bij groen licht gaat een idee naar de betreffende businessline en die start de productgeneratie.

Castenmiller: ‘Het gaat niet altijd zo. Het komt ook voor dat de businesslines nieuwe producten bedenken, waarna systeemengineering kijkt hoe het in het geheel past. Het is uiteindelijk een iteratief proces waarbij iedereen bijdraagt aan de totale oplossing.’

Leiderschap

Roadmapping is strategisch voor ASML en het hogere management beslist over de uiteindelijke inhoud. Maar wat is er essentieel in het roadmappingproces? Castenmiller wijst op technisch leiderschap en een sterke visie. ‘We stellen de halfgeleiderroadmap op samen met onze klanten. Daarmee hebben we zeer nauwe banden en het vormen van zo’n langetermijnstrategie doen we samen. We praten met iedereen, maar je moet zelf ook visie hebben’, zegt Castenmiller. ‘Daar maakt onze cto Martin van den Brink het verschil.’

Dat leiderschap is ook op een andere manier zichtbaar. Om de tijdige lancering van de sleuteltechnologie litho te garanderen, heeft ASML – vaak noodgedwongen – de rol als dirigent op zich genomen. Want je kunt wel een lithomachine verschepen, maar als de fotolak, metrologie en infrastructuur niet op tijd gereed zijn, kunnen chipfabrikanten er niks mee. Alles moet tegelijk beschikbaar komen. In het geval van euv moest ASML zelf oplossingen bedenken om showstoppers te voorkomen (euv-pellicles) of bedrijven overnemen om de snelheid erin te houden (euv-bron bij Cymer).

Puzzel

Het holistisch systeemdefinitieproces moet uiteindelijk tot een eindoplossing komen, waarbij alle ASML-technologie optimaal tot zijn recht komt. ‘Dat betekent balanceren in specs, technologische opties en de acceptatie bij klanten’, vertelt Castenmiller. Daar spelen de device-experts weer een cruciale rol, want ASML dient te begrijpen wat het effect is van zijn machines in het ic-productieproces. ‘De informatie van het device-expertteam moeten we vertalen naar de scannerdesigners. Want die praten een totaal andere taal. Bij die vertaalslag moet je kijken naar wat kritisch is en welke invloed onze producten hebben op de specificaties. Voor die vertaalslag hebben we een aparte groep engineers.’

Maar ook na de vertaalslag van device naar lithografie is ASML er nog niet. ‘We moeten ook weten en begrijpen hoe de klant werkt en ook daar hebben we een dedicated groep systeemengineers voor, de field-systeemengineers. Die zijn erg close met klanten en weten exact hoe ze werken en wat er wel en niet succesvol kan zijn bij een specifieke klant.’

Dan komt langzaam maar zeker de eindoplossing in zicht. Systeemengineering zoekt met de roadmapopties een balans in hardware- en softwareoplossingen met betrekking tot lead time (de tijd die het kost om de apparatuur te verschepen), prestaties, complexiteit en kosten voor ASML en de klant. Castenmiller: ‘Het is een grote puzzel. Hoeveel metrologie hebben we nodig? Hoe vaak moeten we feedbacken? Hebben we wellicht feedforward-metingen nodig? Het moet allemaal naadloos samenwerken en het eindresultaat moet zijn dat de devices zijn geoptimaliseerd tegen de laagste kosten.’

Dit is het eerste deel van een tweeluik over systeemengineering bij ASML. In het tweede deel aandacht voor het productgeneratieproces.