‘We hebben de vraag naar duv onderschat’

ASML sloot het laatste kwartaal van 2020 af met een onverwacht hoge omzet in zijn duv-systemen en -upgrades. De bestellingen laten zien dat het werkpaard in de chiplithografie ook de komende jaren nog een ijzersterke positie heeft. In heel 2020 ontvingen ze in Veldhoven voor 7,3 miljard euro aan orders voor duv-machines.

René Raaijmakers
4 februari

De afgelopen jaren trok lithografie met extreem ultraviolet (euv) licht vrijwel alle aandacht. De technologie spreekt tot de verbeelding. Alleen al omdat ASML tot nu toe de enige leverancier is die euv-lithografie überhaupt onder de knie kreeg. Euv-lithografie definieert inmiddels de prestaties van de meest geavanceerde systemen op aarde, van Samsungs Galaxy en Apples Iphone tot servers in datacentra.

Daarmee is euv ook zeer strategisch. ‘s Werelds meest succesvolle halfgeleiderbedrijven maken er hun microprocessoren en ai-chips mee. Dat doen ze niet allemaal zelf, spelers als Apple, Nvidia en Qualcomm laten hun spullen maken door partijen die de kennis en het lef hebben om dit te doen. Want een euv-waferfab opzetten, is extreem moeilijk en vraagt diepe zakken. Tot nu toe spelen alleen Intel, Samsung en TSMC in deze league.

Naast dit drietal staat SK Hynix op het punt om in euv te investeren en verder is alleen van het Chinese Smic bekend dat het graag euv zou willen hebben. De regeringen van de Verenigde Staten en Nederland houden euv-machineleveringen aan China echter tegen – hoe strategisch wil je het hebben?

Minder eentonig

Met dat euv-geweld raakt de aandacht voor lithografie met diep-ultraviolet licht (duv) wat op de achtergrond. Dat is onterecht, want duv profiteert direct van een groeiende chipmarkt en daarnaast betekent elke order van een euv-machine ook bestellingen in duv. De cijfers laten zien dat duv een gezonde business is. ASML verkocht in 2020 voor 5,4 miljard euro aan duv-systemen, tegen 4,4 miljard euro omzet voor euv-machines. Die 5,4 miljard bestond voor bijna 4 miljard euro uit 68 immersiesystemen, de meest geavanceerde duv-machines.

Duv rechttoe rechtaan afzetten tegen euv is appels met peren vergelijken. Aan de euv-kant is het eenvoudig. ASML heeft op dit moment twee euv-systemen in de aanbieding die niet veel van elkaar verschillen. De een is wat sneller (170 wafers per uur) dan de ander (125 w/uur). De gemiddelde aanschafprijs van deze systemen was het afgelopen jaar 145 miljoen euro.
Binnen het duv-portfolio zijn de prijsverschillen aanzienlijk groter. De duurste duv-immersiesystemen gebruiken 193 nm licht uit een ArF-laser en beelden hun patronen af via een waterlaagje tussen lens en wafer. Die machines kosten tegen de 60 miljoen euro. De droge ArF-systemen vallen in een geheel andere prijsklasse, tegen de 20 miljoen euro. Daarna volgen de systemen die afbeelden met een KrF-laser. Deze machines liggen in een prijsrange van 8 tot 10 miljoen euro. I-line-machines vallen niet binnen de duv-categorie. Zij beelden patronen af met de i-spectraallijn uit een kwiklamp. Voor dat soort systemen rekent ASML tussen de 3 tot 5 miljoen euro.

Het duv-speelveld minder eentonig. In dit segment heeft ASML nog een bont gezelschap klanten. Daarnaast is het een interessante arena: de Veldhovense machinebouwer ondervindt zowel in immersie als in het droge segment enige concurrentie – zij het bescheiden. Het komt alleen Nikon tegen in het ‘natte’ immersiesegment. Wel speelt Canon in het prijsvechterssegment van de droge machines nog een aardige rol.

Het spel in de high-end lijkt gestreden. Canon heeft nooit het lef of de ambitie gehad om in euv wat te betekenen en Nikon heeft niet de middelen. Waar ASML over de hele wereld vestigingen heeft om de installatie van nieuwe systemen te begeleiden, kon zijn Japanse concurrent minder systemen installeren omdat zijn ingenieurs vanwege de covid-restricties veel minder snel konden bewegen. In de maanden april, mei en juni verkocht Nikon slechts drie systemen voor halfgeleiderlithografie, tegen zeven in hetzelfde kwartaal in 2019. Dezelfde tegenslag ondervindt Nikon in de lithomarkt voor platte schermen. Daarnaast draagt ook de daling in cameraverkopen bij aan de verliezen van de optiekspecialist.

Daarmee is het voor ASML winner takes all. Beide Japanners verdienen weliswaar nog een een redelijke boterham aan service en onderhoud. Bijvoorbeeld van Nikon staan er nog dagelijks drieduizend systemen chips te stampen, maar in Veldhoven zullen ze dit toch vooral zien als vergane glorie.

ASML heeft een monopolie in euv en is oppermachtig in de immersielithografie, het duv-segment met hoge prijzen en marges. Nikon verwacht in zijn boekjaar 2021 (maart 2020 tot maart 2021) slechts zeven van deze systemen te verkopen. ASML deed er 68 in heel 2020. Canon doet hier al lang niet meer mee. In 2005 en 2006 zette het nog een dappere inhaalpoging in, maar het verkocht in 2008 en 2009 slechts drie systemen. In de twee jaren daarna bleef de teller op nul steken, waarna de handdoek in de ring werd geworpen.

Als euv groeit, groeit duv

Terug naar de groeimogelijkheden voor duv. Ron Kool, die bij ASML leiding geeft aan de duv-business, wijst erop dat een transitie naar euv de vraag naar duv alleen maar zal stimuleren. Chipfabrikanten zetten euv in het begin van de chipfabricage in om de kleinste structuren aan te brengen: de transistoren en daarna ook de via’s (de contacten die source, gate en drain verbinden met de complexe bedrading in de lagen erboven) en eventueel een bedradingslaag. Daarna komen de ArF-immersiescanners, dan volgen droge ArF-systemen en vervolgens machines die nog de ‘oude’ KrF en i-line gebruiken. Zo krijgt groeit uiteindelijk de stack, de soms meer dan honderd interconnectielagen in een chip.

Kool: ‘Het gaat om de hele stack. Die is alleen maar aan het groeien en het aantal kritieke lagen neemt alleen maar toe.’ Ergo: als euv groeit, dan groeit duv net zo hard mee.

Deze grafiek geeft de aantallen verkochte immersiesystemen weer van ASML en Nikon per boekjaar. Cijfer over Nikons boekjaar 2021 (1 april tot 31 maart) is een voorlopige voorspelling en is vergeleken met ASML’s boekjaar 2020.

‘Duv doet de bulk van de lagen en dat zal nog wel even zo blijven’, benadrukte financiële man Roger Dassen bij de presentatie van de jaarresultaten voor analisten. ‘Dat is ook waarom we nog steeds uitgebreide r&d-programma’s hebben voor duv. In het algemeen zal duv ook in de toekomst een groter aandeel in onze business gaan vertegenwoordigen. Niet alleen voor geheugen, ook in allerlei toepassingen en markten die 90, 65, 45 en 28 nanometer gebruiken. Allemaal groeien ze als je de hoeveelheid wafers telt. Die trend hebben we een aantal jaren geleden onderschat.’

Kostenopbouw

Nikon zegt dat je voor 7 nm- en 5 nm-chips geen euv nodig hebt, maar dat lijkt toch vooral een marketingboodschap die uit nood is geboren. In principe klopt het. 7 nm- en zelfs 5 nm-details zijn ook te maken als je voor één laag meerdere immersiebelichtingen inzet. Er komen dus wat toeters en bellen bij kijken, maar in principe kun je dan met duv de structuren vormen die je ook met euv bereikt, al is duv per laag begrenst tot details van 32 nm.

Die multipatterningtechnologie gaat wel ten koste van de opbrengst. ‘Onze klanten zien dat de elektrische eigenschappen bij eenmalige belichtingen met euv beter zijn dan met multipatterning’, zegt Kool. ‘Een hogere yield per wafer betekent ook weer een kostenbesparing en naarmate je gaat schalen, valt de hele kostenopbouw op een gegeven moment voordeliger uit voor euv.’

De parameters, de berekening en het omslagpunt kan voor iedere fabrikant verschillen. Wel is duidelijk dat de markt nog steeds aan het schuiven is. Na de grote drie logic-giganten kijken nu ook geheugenproducenten naar euv. Samsung gebruikt euv al voor zijn dramgeheugens en geeft hoog op over de kwaliteit van de drams die het in deze technologie maakt. Ook TSMC maakt er snelle GDDR-drams mee voor Rambus, maar dat is maar een fractie van zijn totale productie.

De opleving in de geheugenmarkt geeft spelers in deze markt investeringslust. Topman Peter Wennink verwacht dat ASML’s omzet voor geheugenfabricage dit jaar met 20 procent stijgt naar 3,3 miljard euro. ‘Hoewel dram vandaag de dag voornamelijk duv gebruikt, verwachten we toch een verhoging van onze euv-leveringen aan dram-klanten in de komende jaren.’

Hynix zet stap

Onlangs bleek dat het Hynix is die dit jaar de stap naar euv gaat maken. Het Koreaanse bedrijf maakte bekend dat het klaar is met de bouw van een nieuwe dram-fabriek voor 3,5 miljard dollar. Het gebouw is uitgerust met euv-pedestals, de funderingen met aansluitingen die nodig zijn om de dubbeldekkergrote machines uit Veldhoven te dragen. Hynix zegt in de tweede helft van dit jaar te kunnen starten met euv-productie.

Deze grafiek geeft de aantallen verkochte ArF-, KrF- en i-line-systemen weer van ASML, Canon en Nikon per boekjaar. De boekjaren van ASML en Canon lopen gelijk. Cijfer over Nikons boekjaar 2021 (1 april tot 31 maart) is een voorlopige voorspelling en is vergeleken met ASML’s en Canons boekjaar 2020.

De overstap van duv naar euv is een moeilijke afweging. Immersiemachines zijn meer dan de helft goedkoper dan euv-systemen, en ze zijn veel betrouwbaarder en productiever dan euv-machines. ASML en Nikon lopen een nek-aan-nekrace als het om snelheid in immersie gaat. Tot voor kort deden hun snelste systemen 275 wafers per uur. ASML zegt nu op kop te liggen met de verkoop afgelopen kwartaal van zijn eerste Twinscan 2050i die 295 wafers per uur haalt. ASML’s snelste euv-systeem haalt 170 wafers/uur en heeft een veel kortere mean time between interrupts. Het is buitengewoon moeilijk om de productietechnologie onder de knie te krijgen.

Pioniers Samsung en TSMC hebben daar maar liefst zes jaar over gedaan. Dat leek aan het begin van de euv-introductie een grote gok. Kool: ‘Maar kijk waar TSMC nu staat. Die investering heeft ze bepaald geen windeieren gelegd.’

Heel veel fabrikanten durfden het niet aan of vonden het te duur om de stap zo vroeg te maken. Het is veelzeggend dat Globalfoundries begin 2018 met veel bombarie aankondigde dat het met euv-productie zou starten, maar het hele project nog geen half jaar later afblies.

Extra zetje

De overstap naar euv zal zeker een extra zetje krijgen als ASML erin slaagt om betrouwbaardere, productievere machines te maken. Het verwacht dit jaar een euv-scanner (de Twinscan NXE:3600D) op de markt te brengen die aan die eisen voldoet. Daaraan hangt overigens wel weer een hoger prijskaartje.

Ook in de high-end duv gaat de ontwikkeling door. ASML leverde in het laatste kwartaal van 2020 een nieuw immersiesysteem, de Twinscan NXT:2050i. Het gaat om een nieuwe versie van het NXT-platform waarin op veel terreinen verbeteringen zijn aangebracht: reticlestage, waferstage en projectielens. De 2050i heeft een nog hogere doorvoer en geeft meer grip op de overlay. ASML-dochter Cymer ontwikkelde voor dit systeem een nieuwe laser waarmee de kleinste lijntjes minder rafelig zijn, alles om de yield te verhogen voor de chipproducenten die in de high-end toch bij duv willen blijven. Daarmee stelt ASML chipfabrikanten in staat om nog meer uit de technologie te persen waarmee ze al jaren vertrouwd zijn.

‘Klanten gaan over op euv als ze niet verder kunnen krimpen met duv of als het een duidelijk kostenvoordeel heeft’, aldus Kool. ‘Ze maken hun keuze op basis van yield, kosten en doorlooptijd. Ik denk dat euv ook voor geheugenfabrikanten onontkoombaar is als ze competitief willen blijven. In geheugens vormen kosten absoluut een factor. Euv heeft daar vanaf specifieke resoluties meer kostenvoordeel. Met duv kunnen geheugenfabrikanten ook scalen, maar op een bepaald moment wordt multipatterning heel ingewikkeld. De overlay moet excellent zijn, maar dan nog zijn de eigenschappen van euv-chips beter.’

Aan 3D nand-fabricage komt op dit moment alleen nog duv te pas, maar in de dram-markt beginnen fabrikanten te switchen. Al geldt hier natuurlijk dezelfde wetmatigheid als in logic: duv blijft een groot aantal lagen belichten.

Veerkracht Canon

In groeiende markten profiteren gewoonlijk alle spelers. Canon, een litholeverancier die geen euv en geen immersiesystemen aanbiedt, verwacht dit jaar 134 droge systemen te verkopen (ArF-, KrF- en i-line), tegen respectievelijk 84 en 122 in 2019 en 2020. Voor zijn hele chiplithografie business verwacht het Japanse bedrijf dit jaar een omzetstijging van 36 procent. De toenemende aantallen laten de veerkracht zien van Canon in het droge segment. ASML verkocht in het afgelopen jaar in het segment ArF-droog, KrF en i-line 159 machines, tegen 122 voor Canon.

ASML heeft een droge KrF-scanner aangekondigd die ruim 300 wafers/uur aankan, maar gaat daarvan pas in de tweede helft van 2022 de eerste systemen leveren. ASML zegt daarmee een betere propositie te hebben dan Nikon dat een KrF-scanner heeft met een doorvoer van 230 w/uur. Het Brabantse bedrijf claimt namelijk dat het daarmee lagere kosten per wafer biedt en een kleiner vloeroppervlak, een belangrijke parameter in geavanceerde chipfabrieken.

Je zou ook kunnen zeggen, ASML heeft niet opgelet, of wellicht aannemelijker: Veldhoven heeft andere prioriteiten. De snelste KrF-scanner die ASML op zijn website heeft staan, doet 240 w/uur.

Heeft ASML hier ruimte geboden voor Canon? ‘Ik zal niet ontkennen dat de competitie in dat segment steviger is’, zegt Kool. ‘Maar je moet het in context zien. ASML is altijd goed geweest in performance. De overlay is daar belangrijk. Dat is een enorm belangrijke parameter voor de opbrengst, de yield. Daar hebben wij een voorsprong en we hebben niet stilgezeten. Ons XT-platform heeft met 250 wafers per uur zijn maximale capaciteit ongeveer bereikt. Daarom gaan we nu alle droge lithosystemen naar het NXT-platform migreren. Het gaat om timing. Je wilt klaar zijn als klanten het nodig hebben. Bij NXT heeft de focus altijd gelegen op functionaliteit, op een zo goed presterende machine qua nauwkeurigheid. Nu gaan we NXT ook inzetten in een segment waar kosten en prijs een grotere rol spelen. Voor klanten is het een heel simpele rekensom. Ze kijken naar wafers per uur en delen dat op de kosten van het systeem. Dan moet je bij de NXT beter uitkomen dan met de XT, maar het is een uitdaging om die stap te maken.’

*Tijdens de online versie van High-Tech Systems 2021 op 25 maart geeft ASML-systeemengineer Bart Paarhuis een keynotepresentatie over de hardware- en software-innovaties in het Veldhovense duv-portfolio.