Cto Martin van den Brink over de aanloop naar ASML's hegemonie met euv

"De geschiedenis van euv vertellen in anderhalf uur? Dat gaat nooit lukken. Onmogelijk." Martin van den Brink komt de boardroom van ASML binnenlopen, maar windt er geen doekjes om. De tijd is veel te kort om een kloppend verhaal te vertellen. En het verhaal moet kloppen. Het onderwerp ligt hem na aan het hart. De technisch topman had uiteraard gelijk, zoals hij zo vaak gelijk had bij ASML. We zitten op de bovenste verdieping van Gebouw 8, de 83 meter hoge donkere toren op het hoofdkantoor in Veldhoven.

Van den Brink neemt voor het interview plaats in een fauteuil en kijkt uit over het terrein van ASML, waar druk gebouwd wordt aan de grote cleanrooms voor de volgende generatie chipmachines, op basis van high-NA-euv. Dit is de toekomst van het bedrijf. High-NA-euv moet ASML's dominante positie met zijn chipmachines nog meer verankeren. Het bedrijf heeft die positie verworven door de juiste keuzes te maken op de juiste momenten, en te slagen bij het overwinnen van technische uitdagingen, waar anderen faalden. De sleutelfiguur bij het maken van die juiste keuzes? Martin van den Brink.

Van den Brink begon in 1984 bij ASML. Sinds 1994 is hij als technisch topman verantwoordelijk voor r&d en productontwikkeling. Hij heeft ASML's gehele ontwikkeling naar marktleider niet alleen meegemaakt, maar er ook vorm aan gegeven. Hij kijkt bij het vertellen van zijn verhaal uit over de toekomst van ASML. Aan de andere kant van de toren ligt het verleden. Begin maart is daar het iconische Gebouw 1 aan de Run 1000 gesloopt. Dit was het hoofdkantoor van 1986 tot 1997. Hoeveel toekomst Van den Brink zelf nog heeft bij ASML? Daarover wordt gespeculeerd. De 65-jarige cto werd eind april voorgedragen voor een bestuurstermijn van nog eens twee jaar, waar vier jaar gebruikelijk is. Zou hij over twee jaar stoppen? Hoe het ook zij, Van den Brink vond het een goed moment om zijn verhaal over euv te vertellen.

Dat verhaal gaat over de begindagen van ASML, de uitdagingen waar het bedrijf in de jaren negentig mee te maken had, de zoektocht naar de technieken van de toekomst voor chipmachines, en de uiteindelijke keuzes om voor lithografie op basis van extreem ultraviolet te gaan. Het verhaal voert langs zakelijke successen en tegenslagen, de natuurkundige principes die ten grondslag liggen aan de verschillende lithografiegeneraties, machines die gebouwd werden, maar nooit verschenen, en meer. Het verhaal is nog niet af. Euv is na een lang voortraject gearriveerd als techniek voor de chipmachines van vandaag en morgen, maar ook nog volop in ontwikkeling. Volledig of niet, de beginperiode van ASML's euv-reis is een verhaal op zich.

Hoe zat het ook alweer met ASML?

De enorme technologische sprongen van de afgelopen decennia vinden hun basis in de verkleining van chipstructuren. Die verkleining maakt dat chips sneller, zuiniger en goedkoper worden en is mogelijk door de ontwikkeling van chipmachines. Die werken op basis van lithografie, waarbij het ontwerp van de chip op een wafer wordt geprojecteerd. De golflengte van het gebruikte licht in combinatie met de numerieke apertuur van het lenssysteem, bepaalt hoe klein de te beschrijven chipstructuren kunnen zijn. De halfgeleiderindustrie heeft lang gebruikgemaakt van chipmachines op basis van deep ultraviolet met een golflengte van 193nm. ASML werkte lang aan machines op basis van extreme ultraviolet, met een golflengte van 13,5nm. Die enorme overstap is gelukt. ASML is de enige fabrikant wereldwijd die deze complexe machines kan maken. Ze worden ingezet door Intel, Samsung en TSMC voor high-end chips. ASML werkt momenteel aan een nieuwe generatie euv-machines met een hogere numerieke apertuur, 0,55 in plaats van 0,33, waarmee nog kleinere structuren op wafers aan te brengen zijn.

Meer lezen?

ASML campus in Veldhoven — ASML-campus in Veldhoven, met in het midden Gebouw 8 en rechtsboven in de toren de boardroom.

ASML loopt achter

Martin van den Brink: “Toen ik begon bij ASML was de grootste uitdaging dat we niet verkochten. Het heeft tot midden jaren negentig geduurd voordat we een beetje een balans kregen in de uitgaven en inkomsten. Voordat ik bij ASML begon, concurreerden bedrijven niet alleen op de producten, maar ook op de productiemiddelen. Dat wil zeggen dat grote chipbedrijven in die tijd zelf hun apparatuur, inclusief scanners, maakten. Toen ik kwam, vond net de omslag plaats. Bedrijven dachten: als we nu de apparatuur inkopen in plaats van zelf maken, maken we gebruik van de schaalgrootte. We gaan niet meer op de maakmethode concurreren, maar op het product. Er was begin jaren tachtig bij ons weinig geïnnoveerd omdat er als onderdeel van Philips weinig budget was. We waren onder andere bezig met de verkeerde wafer-grootte. Dat veranderde door de komst van de joint venture tussen Philips en ASM International in 1984. Toen kwam er ruimte om geld te besteden en dat leidde tot de eerste stepper voor 150mm-wafers die we maakten, in 1986. Toen ik kwam, ging het nog om 100mm-wafers. De optiek was toen afkomstig van een klein bedrijf in Parijs dat problemen had met de productie van de lenzen. Die productie hebben we voor de eerste stepper richting Zeiss geschoven, dat nog steeds onze partner is.”

“We liepen dus achter; ik denk tot midden jaren negentig. Vanaf toen begonnen we voorop te lopen en die voorsprong werd steeds overtuigender. Op subgebieden hadden we wel al een voorsprong, vooral op het gebied van alignment, maar daarbij was het niet altijd makkelijk om klanten te overtuigen dat je superieure technologie had. Het is altijd zo geweest dat we geprobeerd hebben om met superieure machines marktaandeel te winnen. Het aantal leveranciers van halfgeleiders was toen veel groter dan vandaag de dag. Je had hele grote spelers, zoals IBM, Motorola, Texas Instruments, Hitachi en Toshiba. Die hadden allemaal roadmaps die ze met leveranciers van chipmachines bespraken. Onze initiële klanten waren de kleine jongens. Voorbeelden daarvan zijn AMD, TSMC en Micron. Dat waren in vergelijking met de grote spelers nietszeggende bedrijven. Die hadden allemaal hetzelfde probleem als wij, dat ze niet bijster groeiden. We gingen nauw samenwerken met die kleine klanten. We begrepen dat het hun doel was om de productiviteit zodanig te vergroten dat ze een verschil op kosten konden maken in de markt. Daarom gingen wij onze machines enorm op kosten optimaliseren. Dat deden we vooral op cost-of-ownership, de ratio tussen de productiviteit en de kosten van de machine. Ik zeg altijd: je bent zo goed als je klant je toestaat. Wij hebben door die klanten die vochten om marktaandeel, de focus op kosten over moeten nemen. We haalden snellere stages, meer productiviteit en meer licht op tafel. In de jaren nul, toen we naar 300mm-wafers gingen, ontwikkelden we de dubbele stage, wat een enorme productiviteitstoename betekende.”

“Dat vergt wat van research & development en dat is in de begintijd lang een probleem geweest. De verhouding tussen omzet, winst en r&d was de eerste vijftien jaar problematisch. Na de beursgang in 1995 is het budget voor r&d, met het oog op de omzetgroei die we hebben kunnen realiseren, nog nauwelijks een serieus probleem geweest. De grootste uitdaging die we sinds die tijd hebben gehad, is dat we ondanks de groei onze effectiviteit behielden. Vandaag de dag is dat nog steeds een grote uitdaging. Je hebt zoveel mensen op r&d zitten dat het moeilijk is om het effectief te houden en tegelijkertijd te zorgen dat als je nieuwe technologie ontwikkelt, je dat doet in het tempo waarop je klant dat kan absorberen. Aan de ene kant is er bij verandering van technologie de vraag hoe het zit met de uitvoering: hoe snel kun je de machines maken? Aan de andere kant is er de vraag: hoe snel is de klant bereid om risico te nemen met zijn eigen productie om nieuwe technologie toe te passen? Die balans moest je behouden. Dat deden we door tijdens de ontwikkeling te proberen met klanten verplichtingen aan te gaan voordat we gingen leveren. Zodat we wisten: de klant is dan klaar en gaat het ook gebruiken.”

Alles begint met licht

“Als je kijkt naar optische lithografie, metrologie of zelfs naar e-beam: alles begint met de lichtbron. Dat klinkt flauw, maar dat is het verhaal. De ene lichtbron is de andere niet. Maar met het bedenken van het systeem is je lichtbron het centrale onderdeel. Toen ik bij ASML begon, had ik weinig verstand van optiek. Ik had een studie gedaan met de basis, maar echt begrijpen deed ik het niet. In die tijd was de kwiklamp de centrale bron van licht van chipmachines. Als ik het me goed herinner, zat er een 100W-lamp in. Ik zei tegen mijn baas: waarom doen we er geen 200W-lamp in? Dat doe ik thuis ook, dan krijg je twee keer zoveel licht. Ik heb toen geleerd dat het verdubbelen van het vermogen niet leidt tot twee keer zoveel licht. De grootte van de bron is minstens zo belangrijk als het vermogen. Als je die grootte moet aanpassen op de specifieke machine, dan is dat veel werk. Dan kom je bij Philips en zeg je: ik heb een andere kwiklamp nodig voor grotere productiviteit. Dan zegt die man: 'Maar dat is een lamp voor ASML, daar worden er tien van verkocht, dat doe ik niet.' Kwiklampen werden in volume gebruikt langs de weg en als je vroeg om tien lampen voor steppers, werd je uitgelachen. Spullen krijgen in kleine volumes is altijd een van onze uitdagingen geweest. Je moet met een partner werken die dat ondanks de geringe aantallen wel wil doen. Dat is eigenlijk nog steeds het verhaal.”

“De golflengte van de kwiklamp van toen was een combinatie van de g- en h-lijnen van kwik, rond de 436nm en 405nm. Door de dubbele golflengte, omdat het relatief breedbandig was, was de lens moeilijk om te maken. Door het middelen tussen twee afbeeldingen, maakte de lens wel betere afbeeldingen. We zijn daarna vrij snel overgegaan naar de g-lijn, waar iedereen gebruik van maakte. In de loop van de jaren tachtig hebben we geprobeerd ook een systeem op basis van de i-lijn te maken, 365nm. Dat klinkt eenvoudig. Je pakt een andere golflengte en je bent klaar. Maar als je de golflengte verkleint, neemt ook je fotonenergie toe. Dat betekent dat de robuustheid van de diverse glazen omhoog moet. Niet elke glassoort kan elke golflengte goed aan. Hoe kleiner de golflengte, hoe minder keuze je hebt uit de glassoorten. Naarmate die keuze afneemt, krijg je ook gelijk een probleem met de bandbreedtecorrectie van je lens. En dan krijg je weer een probleem met je bron, die niet alleen de juiste vorm en het juiste vermogen moet hebben, maar ook de juiste bandbreedte.”

“De reden waarom wij met Zeiss werken en ook Nikon en Canon lithografiemachines maakten, heeft zijn oorsprong in de fotobusiness. In de begintijd had die camera-industrie enige synergie met wat wij deden, maar er was een verschil in schaal wat foto-objectieven en lithografie betreft waardoor die synergie al vrij snel verdween. Wij waren voortdurend bezig met het verschuiven van grenzen, omdat we in een regime werkten waar niemand anders in werkte en dat was wat de lichtbron betreft net zo. We hebben wat die lichtbron betreft op een gegeven moment de push naar de i-lijn van 365nm gemaakt. De vraag was toen wat er daarna ging gebeuren."

Van kwik naar laser

'Hoe kleiner je golflengte, hoe beroerder het wordt' Rayleigh-vergelijking lithografie “De kleinste structuur die je kunt afbeelden in een systeem, is een functie van de openingshoek van de lens en de golflengte. De openingshoek van de lens is begrensd op negentig graden, of honderdtachtig graden, afhankelijk van hoe je die definieert. Meer dan een apertuur van 1 kun je niet maken. Dus de enige vrije schaal is je golflengte. Het was me toen al duidelijk: hoe kleiner je golflengte, hoe beter het wordt. Maar zoals ik al zei, hoe kleiner je golflengte, hoe beroerder het wordt. Want je fotonenergie neemt toe; er worden steeds minder materialen geschikt. Bij de g-lijn had je nog ongeveer vijftien glazen die je kon gebruiken, maar als je die golflengte gaat verkleinen, heb je de keuze uit minder materialen en moet je de bandbreedte weer kleiner maken. Toen we de stap naar de i-lijn onderzochten, 248nm, bleek er maar een materiaal geschikt. Dat was quartz.

“Wij vonden kryptonfluoridelasers, ofwel KrF-lasers, toen geschikt als lichtbron om 248nm te maken. Eind jaren negentig werden excimerlasers alleen wetenschappelijk gebruikt. Een van onze concurrenten, Silicon Valley Group, die we begin 2000 ingelijfd hebben, had een scanner met een kwiklamp voor rond de 248nm, maar die gaf veel minder licht. Dat onderzoeksprogramma werd gedreven door grote bedrijven die minder geïnteresseerd waren in productiviteit dan wij. Voor hen was dat blijkbaar geen probleem. Wij hebben nooit de kwiklamp op 248nm geprobeerd vanwege de geringe lichtopbrengst en dus lage productiviteit. Wij, en Nikon en Canon ook trouwens, hebben geprobeerd dat met excimerlasers te doen.”

Wat is een excimerlaser?

Een excimerlaser is een laser waarvan de werking berust op een mengsel van een edelgas zoals xenon (Xe), krypton (Kr) of argon (Ar) en een reactief halogeengas, zoals fluor (F). Onder hoge druk en elektrische stimulatie ontstaan aangeslagen pseudomoleculen, in het Engels excited dimer of excimer genoemd. Wanneer het molecuul terugvalt naar de grondtoestand, komt er een foton vrij. De golflengte van het zo ontstane ultraviolet licht wordt bepaald door de combinatie van een edelgas en halogeengas.

De grens van 193nm

“Met excimerlasers kun je over op argonfluoride, 193nm, maar daarna wordt het lastig. Als je kijkt naar vandaag, naar de systemen die op 193nm lopen, gaat dat met vrij grote hoeveelheden licht. Dat zijn systemen die rond 300 wafers per uur kunnen maken, een hoge productiviteit. Maar een aantal componenten heeft niet het eeuwige leven. We moeten regelmatig de quartzlenzen vervangen als het glas gedegenereerd is. Bij 193nm verloopt de degeneratie van het quartz sneller dan bij 248nm, bij vergelijkbaar vermogen. Als we verder naar beneden gaan, naar 157nm, dan kom je bij een fluoridelaser uit. In grote lijnen is dat dezelfde laser: ander gas erin, laten laseren en dan heb je de golflengte van 157nm. Een detail daarbij is dat de natuurlijke bandbreedte veel meer is dan we ons kunnen permitteren in de lens. Dat is bij de drie betreffende golflengtes van excimerlasers het geval. De kleuraberraties stonden niet toe dat we de volledige golflengte konden gebruiken.”

“Een van de drama’s met excimerlasers is ook dat we een line narrowing unit moeten gebruiken. Dat is een grating met een prisma, oftewel een kleurgevoelig optisch element. Dat maakt dat we een veel smallere golflengte krijgen. Dat maakt het opereren van een dergelijke laser een stuk moeilijker, maar dit kregen we uiteindelijk met onze leverancier in orde. We hadden bedacht dat een laser voor 157nm op fluoride, F₂, gebaseerd moest zijn. Het probleem is dat dit hoge eisen stelt aan de uniformiteit van het kristal van de lens. Een kleine variatie in de brekingsindex geeft je aberraties die je niet kunt corrigeren. Dat was al bij 248nm en 193nm, maar zeker bij 157nm. We hadden dus compleet nieuwe leveranciers voor het glas nodig, maar ook nieuwe leveranciers voor het ruwe materiaal dat in de fluoridelaser ging.”

'We hadden een compleet 157nm-systeem geleverd, maar deze is nooit effectief in productie geweest.'“We kwamen daarvoor uit bij Merck, een Duitse chemicaliënfabrikant. Die moest dat ruwe materiaal zodanig zuiver aanleveren dat het bruikbaar was. Ik kan me herinneren dat ik eind jaren negentig een bezoek bracht aan Merck en sprak met Duitse managers. Die waren geïnteresseerd in mijn verhaal waarom ik beter materiaal nodig had. Toen eenmaal duidelijk was hoeveel ik daarvan nodig had, was de interesse bijna helemaal weg. Het vooruit krijgen van de industrie met de lage volumes die we nodig hadden, was vrijwel onmogelijk, net als bij de kwiklamp. Uiteindelijk hebben we het wel voor elkaar gekregen. We hebben een chipmachine met een laser op basis van F₂ geleverd aan IBM. De machine stond klaar, maar toen we de glazen analyseerden kwamen we erachter dat er principiële dubbelbrekendheid in het materiaal zat. Dat maakte het materiaal eigenlijk niet geschikt om de resolutie te krijgen die je wilt. Dat hadden we pas in de gaten toen we al die stappen al hadden gezet. De dubbelbrekendheid zat verborgen in de onzuiverheden van het materiaal, maar dat zagen we pas aan het eind van de rit. We hadden een compleet 157nm-systeem geleverd aan de klant, maar deze is nooit effectief in productie geweest.”

“Niet alleen de lens, maar ook het masker zou een probleem zijn geweest. Ook maskers werden vanaf het gebruik van 365nm en 248nm van quartz gemaakt. Het grootste probleem was misschien wel de fotogevoelige lak. Bij de g-lijn is de resist een totaal andere dan bij de i-lijn, die weer anders is dan bij 248nm en 193nm. In al die scenario’s waren we afhankelijk van voldoende voortgang van de leveranciers om de goede fotogevoelige lak te genereren. Die leveranciers begonnen altijd heel laat met de ontwikkeling, want ze hadden helemaal geen behoefte aan nieuwe lak. Ze wilden gewoon hun bestaande lak blijven leveren. Het onderzoek naar nieuwe fotogevoelige lak kwam pas tot stand nadat wij al geleverd hadden aan de klant, die dan zoveel druk moest zetten op de lakleverancier dat die de goede lak ging definiëren. Het ging dus niet alleen om de stepper. Daarom is de timing van wanneer je omgaat naar een nieuwe generatie zo belangrijk.”

Wat is een masker?

In de halfgeleiderindustrie is het fotomasker of masker de plaat met lichtdoorlatende plekken voor een chippatroon. Door de belichting wordt dit maskerpatroon op lichtgevoelig materiaal, de resist, geprojecteerd. Zo kunnen de juiste chipstructuren worden geëtst. In de jaren zeventig werden maskers nog vlak boven de wafer geplaatst en de complete wafer werd in één keer belicht. Daarna kwam het masker steeds verder van de wafer, waarbij lenzen het beeld van de projectie verkleind op de wafer projecteerden. Bij latere chipproductie werden de structuren in verschillende lagen aangebracht via speciale maskers: reticles. De wafer wordt daarbij in stappen op de juiste plek gepositioneerd voor volledige belichting. Hier komt de naam stepper vandaan: step-and-repeat. De steppersystemen zijn opgevolgd door de step-and-scansystemen. Hierbij bewegen de reticle- en waferstages tegenovergesteld aan elkaar voor een hogere resolutie.

Onder water zetten

“Gelukkig was er immersielithografie toen de overstap van 193nm naar 157nm niet bleek te kunnen. Natuurlijk kun je de zaak onder water zetten bij 193nm-golflengte en zo de effectieve openingshoek van de lens met zo'n 50 procent vergroten. Dit effect merk je als je je ogen opent wanneer je onder water bent in een zwembad. Maar wij hadden problemen met dit onder water zetten; ik had er problemen mee. Hoe kon je een lens onder water zetten? Dat leek me zo’n rommel. Ik dacht: dat gaat nooit werken en dat gaat een klant niet accepteren. Dus we begonnen met 157nm, maar dat bleek ook een groot probleem. De concurrentie begon tegelijkertijd met water. Op enig moment kregen we een heldere ingeving. We kwamen tot de conclusie dat we door een specifiek vlak ontwerp van de lens, eigenlijk zonder verdere noemenswaardige wijzigingen, water tussen de lens en de wafer konden plaatsen, zonder dat daardoor grote aberraties geïntroduceerd werden.”

“Een tweede voordeel was dat we in die tijd van single stage naar double stage waren overgegaan. Dat staat los van de golflengte, maar is een innovatie op het gebied van nauwkeurigheid en productiviteit. De meting van de wafer vindt daarbij parallel plaats aan het belichten van de wafer. Het duurste en kostbaarste onderdeel van je stepper is de lens. Door twee stages klaar te zetten die je voortdurend heen en weer fietst, is die lens nooit ongebruikt. We hadden daarmee een enorme economische boost gegeven aan ons systeem. Dat betekende ook een sprong in ons marktaandeel.”

ASML, chipmachine, model onbekend

“Het opmeten van de wafer gebeurde naast de lens. Tot dan toe vond het opmeten op het belichtingsstation plaats. Met andere woorden: bij immersielithografie moest het opmeten dan door het water heen. Wij konden door double stage nat exposen en droog meten. Wij hebben parallel aan het voltooien van de 157nm-machine met een klein team in enkele maanden de zaak onder water gezet en waren daarmee de eerste. We waren misschien wel een of twee jaar voor Nikon in staat om klanten te tonen dat we immersielithografie konden realiseren. Dat heeft er vooral voor gezorgd dat we de resterende problemen hebben laten lopen en de focus volledig op immersie hebben gelegd.”

“We ontwikkelden 193nm dus verder in de wetenschap dat dit op zou houden. Maar alles houdt op: er is niks dat oneindig doorgaat bij mijn weten. Dat is geen nieuw gegeven. Het enige is: de grootste stappen maak je in golflengte. Als je van 365nm naar 248nm gaat, heb je het over een dikke 30 procent. De stap van 248nm naar 193nm is kleiner. Dat wisten we al toen we met 193nm 'We dachten dat dit het walhalla was'begonnen. De stap van 193nm naar 157nm is nog kleiner. De meeropbrengst nam al af. We waren dus blij met het water. Het water kan de apertuurgrens verhogen van 1 naar ongeveer 1,5. Dan heb je in een keer 50 procent meer, terwijl je toch dezelfde golflengte kunt gebruiken. We dachten dat dit het walhalla was. Maar als je daadwerkelijk gaat werken met water, krijg je te maken met defecten. We hadden in de begintijd te maken met duizenden defecten per wafer. De opbrengst van die eerste steppers was eigenlijk niet geschikt voor productie. Het heeft een behoorlijke tijd geduurd, tot de dag van vandaag, om de zaak defectvrij te krijgen.”

immersielithografie

Next litho

“We waren al in de jaren negentig bezig met de lithografietechnieken van de toekomst en in de industrie noemden we dat next litho. Onder die noemer vielen de vier technieken x-ray, soft x-ray, e-beam en ion-beam. De Amerikanen hernoemden soft x-ray al gauw euv vanwege marketingtechnische redenen. Met soft x-ray, oftewel euv, ga je naar 13,5nm, een factor tien omlaag. Dat schiet lekker op. We waren ons voortdurend bewust dat we de zaak daarvoor revolutionair moesten omgooien. De next-lithotechnieken zijn alle vier vacuümtechnieken. Het is onmogelijk ze in bestaande machines te gebruiken; die zijn zo lek als een zeef. Je moet een complete ketel bouwen die dicht is. Van tevoren was het ons duidelijk dat het een totale revolutie was.”

“In de begintijd gingen de halfgeleiderfabrikanten van een-op-eenlithografie naar reductielithografie, wat als groot voordeel had dat de maskers verkleind afgebeeld werden en dat de maskerfouten minder impact hadden op de afbeeldingskwaliteit. X-ray was een stap terug naar een-op-een, omdat niemand een idee had hoe je daar een goed afbeeldingssysteem van moest maken. Omdat x-ray ook niet door materiaal heen gaat, moesten dat stencilmaskers zijn. De stabiliteit van die maskers was een groot probleem. X-ray heeft het daarom nooit gered. IBM heeft een x-rayfaciliteit gehad, maar die techniek nooit gebruikt. X-ray is door ons nooit serieus genomen, maar de andere technieken wel.”

“Toen ik begon bij ASML, maakte Philips niet alleen optische lithografie, maar ook e-beamlithografie. Dat werd in die tijd gebruikt voor maskers. Maskers schrijven kan met een lagere productiviteit dan wafers. Toen ik binnenkwam en rondgeleid werd in 1984 keken mensen mij medelevend aan en zeiden ze: ‘Je gaat naar ASML toe, dat lijkt me niet goed.’ Ik vroeg: ‘Hoezo niet?’ Als antwoord kreeg ik: 'De stepper die we nu verkopen is 1,2 micron, die gaat nog naar 1 micron, maar alles onder de micron wordt e-beam.’ Dus zo lang ben ik al geconfronteerd met e-beam. Het is nooit volledig weggeweest. Zelfs de laatste jaren van euv zijn er nog mensen met e-beam bezig geweest, onder andere hier in Nederland bij Mapper. Inmiddels doen de mensen van Mapper met ons mee, niet om exposuresystemen, maar om metrologiesystemen te maken.”

“Mijn eerste conferentie waarbij euv ter sprake kwam, was eind jaren tachtig. Toen hadden we geeneens een 248nm-stepper. We praatten al over euv voordat we 248nm hadden, voor fluoride en voor immersie. Rond 2003 zijn we ad hoc op immersie overgestapt. Eind jaren negentig waren we dus al met euv bezig, maar nog niet met immersie. Mijn eerste kennismaking met euv was toen ik met mijn toenmalige collega Steef Wittekoek bij FOM-Rijnhuizen was, bij de groep van Marnix van der Wiel. Die werkte toen aan euv-coatings. Fred Bijkerk, inmiddels met pensioen, heeft zich vanaf die tijd systematisch beziggehouden met het creëren van multilagen die niet alleen zo hoog mogelijk reflectief zijn voor euv, maar ook robuust zijn. Die onderzoeksgroep is geëindigd bij de Universiteit Twente en bestaat nog steeds. Het is een belangrijke innovatiebron voor Zeiss om de volgende coatingsgeneraties te ontwikkelen om euv zo productief mogelijk te houden.”

ASML Gebouw 1, het oude hoofdkantoor in Veldhoven

Elektronen, ionen en extreem ultraviolet

“In de Verenigde Staten had je in de jaren tachtig onderzoeksgroepen rond AT&T Bell Laboratories en Lawrence Livermore National Laboratory en in Japan en Nederland had je groepen die bezig waren met euv. We waren in die tijd niet aan het pushen op euv. We hadden geen idee. In het midden van de jaren negentig werden we onafhankelijk van Philips en kwamen we op afstand van Philips Research te staan. We vonden dat we het heft in eigen handen moesten nemen. We hebben toen onze eerste researchmanager in dienst genomen, Jos Benschop. Hij is in 1997 binnengekomen. We hebben hem niet specifiek op euv gezet, maar op wat de volgende generatie lithografie moest worden. Zijn aanstelling volgde op een vergadering in 1995 met het bestuur over hoe we de toekomst in zouden gaan. Toen is een roadmap voor tien jaar opgesteld en daar stonden de opties in: x-ray, e-beam, ion-beam en euv.”

“X-ray is dus nooit een serieuze optie geweest. De drie resterende technieken draaien om elektronen, ionen en extreem ultraviolet. We werkten met AT&T Bell Laboratories, Applied Materials, Zeiss en de TU Delft om te onderzoeken of we projectie met e-beam op de rit konden zetten. Met IMS in Wenen werkten we aan de lithografietechniek op basis van ionen. Vandaag de dag maakt dat bedrijf multibeam maskerschrijvers. De ontwikkeling van euv zat bij Lawrence Livermore National Laboratory, de Amerikaanse defensie-labs die na het eind van de koude oorlog om werk verlegen zaten, en Intel. Intel was er in 1997 een consortium mee gestart in Amerika, onder de naam EUV LLC. Dat was een samenwerking tussen Intel, AMD en Motorola, en later ook IBM en andere bedrijven. Die zetten een paar honderd miljoen dollar aan onderzoeksgeld apart voor de ontwikkeling van euv bij de National Laboratories. Ze nodigden leveranciers zoals ASML uit en die moesten de uiteindelijke industrialisatie voor hun rekening nemen. Wij hebben in die tijd onderhandeld met de Amerikaanse overheid om de overgang van de technologie van dat onderzoeksproject naar ASML tot stand te brengen. Dat is gelukt, samen met Silicon Valley Group, die we later overgenomen hebben. De Japanners hebben dat stadium nooit bereikt.”

ASML, werken aan een stepper, jaartal onbekend, waarschijnlijk eind jaren tachtig, begin jaren negentig

“Tegelijk met die overgang van de technologie van Lawrence Livermore National Laboratory hebben we een onderzoeksproject opgezet bij Philips Research. In dit project probeerden we met zo min mogelijk geld een prototype in een vacuüm te maken. Dat was rond 2000. Het is niet zo dat we toen voor euv kozen, want we deden nog drie dingen tegelijkertijd. We wisten ook dat we nooit de spierballen zouden hebben om dat allemaal tot een einde te brengen. Rond 2000 had argonfluoride ook nog nauwelijks geaccepteerde productie en immersie was nog niet in zicht.”

“Dat euv het moest worden, werd wel redelijk snel duidelijk. De keuze was makkelijk en eenvoudig. Mijn algoritme was altijd: wat je vandaag en morgen levert, heeft voorrang boven wat er overmorgen is. Je moet je toekomst zeker stellen en genoeg geld verdienen om er zeker van te zijn dat je genoeg geld in de toekomst kunt stoppen. We wisten dat we nooit drie dingen over de streep konden trekken. Ion-beam viel snel af. Ionen zijn veel zwaarder dan elektronen en hebben dezelfde lading. Om die te bewegen heb je meer kracht nodig. Je kunt geen magnetische lens maken voor ionen. Die zijn niet krachtig genoeg en moeten heel groot worden. Het masker moest een stencil-achtige constructie zijn. Dat zagen we niet zitten en we hebben daar daarom nooit veel geld in gestoken.”

“De joint venture met AT&T Bell Laboratories, toentertijd Lucent, en AMAT voor e-beam zijn we vrij snel gestopt, omdat we niet inzagen hoe we productiviteit konden realiseren. Dat geldt voor elk systeem op basis van geladen deeltjes. De elementen die de imaging verzorgen, de ionen of elektronen, stoten elkaar af. Dat noemen ze space charge. Als je de productiviteit wilt verhogen, moet je veel elektronen naar beneden sturen. Maar als die dan niet dicht bij elkaar kunnen komen, moet je ze om de beurt wegsturen en daalt je productiviteit weer. Al die individuele kolommen op elkaar afstemmen, zagen wij als een yieldprobleem. Je kunt de productiviteit niet halen als de resolutie kleiner wordt. We zijn om die redenen gestopt met ion-beam en e-beam.”

Euv: als het echt niet anders kan

“Je houdt dan alleen euv over als mogelijkheid. Niet omdat het de beste is, maar omdat je niet weet hoe het anders moet. Tegelijkertijd is de complexiteit van euv enorm. Je zorgt er daarom maar beter voor dat je alleen met euv begint als het echt niet anders kan. Op die manier gingen we vrij snel om naar euv, maar bleven we primair inzetten op immersie.”

“Zoals bij alle voorgaande technieken, was het de vraag hoe we kennis in huis haalden. Bij immersielithografie moesten we water in het systeem brengen en dat vroeg om kennis over water en waterhuishouding. Die kennis hadden we niet. Hetzelfde geldt voor de i-lijn en excimerlasers. Elke keer werden we gedwongen om iets te maken dat er niet was. Toen we begonnen met 193nm konden we 100mW uit een excimerlaser krijgen. We hadden 100W nodig, maar dat bestond gewoon niet. Het volume van de problemen bij euv was weer een stap groter. We haalden onze kennis van de alliantie 'Elke keer werden we gedwongen om iets te maken dat er niet was'met EUV LLC en de groep van Philips Research. We hebben met TNO projecten opgezet en we hebben onze tijd genomen om de dingen uit te zoeken. Zeiss speelde ook een grote rol. De banden met Zeiss zijn altijd warm geweest. Soms zo warm dat de vonken er vanaf sprongen. Die samenwerking is buitengewoon essentieel geweest. We hebben elkaar een hoop geleerd.”

“De keuze voor 13,5nm als golflengte is gebaseerd op de beschikbaarheid van geschikte materialen, silicium en molybdeen, waarmee we een reflectief oppervlak van zo'n 70 procent konden behalen. Maar uiteindelijk draait het weer om je lichtbron. Zo was het ook bij de kwiklamp en de excimerlasers. Bij de keuze voor euv geef je op dat je in een atmosferische omgeving kunt werken, want dat moet in een vacuüm. Het tweede is dat je niet met lenzen, maar met reflectieve optiek aan de slag moet. Je hebt dus reflectie en een oppervlak nodig. Een situatie creëren waarbij je een hoeveelheid euv-licht reflecteert met een oppervlak is niet eenvoudig. We wisten van FOM-Rijnhuizen dat een coating van vijftig lagen je een theoretische reflectie kan geven van tussen de 60 en 70 procent. Dat was op het randje van acceptabel. Want vervolgens moet je uitrekenen hoeveel spiegels je nodig hebt. Je bent per oppervlak 40 procent kwijt. Met tien spiegels heb je een totale systeemtransmissie van ongeveer niets. Het is een gok geweest. We dachten dat we het met dit materiaal en op deze golflengte konden doen. Je begint met de vraag: hoe krijg ik het licht op de wafer? Elke keer opnieuw.”

“Bij Lawrence Livermore National Laboratory hadden ze xenon als gas, waar ze met een excimerlaser op schoten om plasma voor euv te creëren. Ze werkten samen met de militaire industrie. Een groot defensiebedrijf in Los Angeles wilde wel een dergelijke lichtbron bouwen, voor tien miljoen euro per stuk. Ik zei: ‘Dat kan ik me helemaal niet 'Het was met de fiets in de regen rijden zonder spatlappen'permitteren.’ We gingen toen naar Philips Research in Aken. Daar maakten ze geen laserplasmabron, maar een grote ontladingslamp. De bron voor zogenoemde discharge-produced plasma was niet de beste, maar die konden we betalen. Met roterende wielen draaiden we warme vloeibare tin rond en tussen die wielen triggerden we vonken voor het tin-plasma dat euv-straling uitzendt. Dat gaf zoveel rommel. Het was met de fiets in de regen rijden zonder spatlappen. We hebben twee alfamachines met die bron uit Aken aan de State University of New York in Albany en aan imec geleverd. Die waren daar erg blij mee. Dat zijn instituten die geen chips maken. Het bleek echter geen schaalbare techniek."

ASML euv alpha-demotool — ASML's euv alpha-demotool

Met een laser op pannenkoeken schieten

“Toen kwamen we toch weer uit bij lpp, laser-produced plasma. Midden jaren nul had Cymer een druppelgenerator uitgevonden die werkte. Die generator is nog steeds een van de achillespezen van onze machine. Je schiet druppeltjes tin weg uit een nozzle met een frequentie van, vandaag de dag, 50kHz, en een druppelgrootte van 30 micron. Daar ga je vervolgens met een laser op schieten. De generator is een ingewikkeld ding. Die werkt met een zeer hoge druk, van 250kbar. Die doorbraak, in combinatie met het hebben van een CO₂-laser, stelde ons in 2005 in staat licht te genereren. Tegen 2006 waren we overtuigd genoeg om onze eerste overeenkomst te tekenen voor de levering van een machine die honderd wafers per uur kon produceren, met een van onze grote klanten. Dat moest in 2010 gebeuren”

“Maar we waren er nog niet. We probeerden het vermogen van de laser te verhogen, maar elke keer liep het mis. We konden een paar watt maken, voor korte tijd. Dat komt omdat CO₂-lasers tot die tijd als continue lasers werden gebruikt. Wat wij nodig hadden, was een laser die werkte op basis van pulsen, op een zo hoog mogelijk vermogen. Het probleem was dat de laser op een gegeven moment uit zichzelf spontaan ging laseren. Als die dat doet en het druppeltje staat er niet voor, dan is de laser zijn energie kwijt. De oorzaak lag bij onze oplossing om de druppel zelf als trigger te gebruiken om te laseren. Dat leek ons een eenvoudige oplossing en bracht in die tijd euforie. Maar achteraf bleek dat we fundamenteel fout zaten: het werkte niet. Een dergelijk optisch systeem is uiteindelijk ongeveer 150 meter lang. De lichtsnelheid is zodanig dat de hoeveelheid round trips in de holte van de laser simpelweg onvoldoende is om tot voldoende vermogen te komen.”

“In 2010, toen we hadden moeten leveren, hebben we het hele concept omgegooid. In feite prepulsen we het druppeltje daarbij, door er een vliegende pannenkoek van te maken. Dan wordt die groter en wordt die makkelijker om te raken. In het vorige concept gebeurde dat raken automatisch, maar nu moesten we de laser sturen. Met de grotere pannenkoek hadden we meer tin om tegenaan te schieten. We gebruikten een krachtiger bron met meer vermogen. Door optische gates, akoestische modulators, tussen de pulsen te zetten, voorkwamen we dat de laser uit zichzelf ging laseren. Dat balanceren van de vermogens is nog altijd een subtiel spel. We hebben het over vermogens tussen de 20 en 30kW. Lasers van 5kW snijden door staal heen; wij hebben een veelvoud daarvan. We hebben 1MW aan elektrisch vermogen nodig om 30kW uit de laser te krijgen. Die gaat naar pakweg 250W euv en dan blijft er uiteindelijk, door de reflectiviteit van zo'n 70 procent van spiegels, een paar watt over op de wafer.”

ASML euv tin laser

Geen 450mm-wafers, wel euv

“De euv-ontwikkeling werd niet geraakt door de kredietcrisis van 2008. De eerste tien jaar van ASML was het een worsteling om met geld te doen wat je wilde doen. Daarna ging het niet zozeer om geld, maar ‘hoeveel mensen kun je bij elkaar krijgen en effectief werken’. Dat was ook zo in 2008. We hebben toen nauwelijks het budget verminderd, ook omdat we vrij snel na de crisis het gevoel kregen dat de markt omhoog ging. Dat is ook gebeurd. Eind 2009 was de vraag alweer hoger dan we konden produceren.”

“In 2012 was de industrie erg bezig met 450mm-wafers. Dat was een techniek waar we niet in geloofden. Als je kijkt naar chipproductie, dan geldt voor een aantal productiestappen dat hoe groter de wafer is, hoe goedkoper het proces. Maar de lithografiekosten schalen niet met de wafergrootte, maar met het totaal te belichten oppervlak. We zijn altijd erg kritisch geweest over het voordeel voor de kosten en we hebben dat nooit willen doen. Intel was wel overtuigd. Wij zijn toen met Samsung en TSMC om tafel gaan zitten en hebben, na toestemming van Intel, gezegd: ‘Jullie mogen meedoen, en als jullie niet willen, gaan we het met alleen Intel doen.' De andere klanten zeiden: ‘Dat willen we doen, maar we stellen als eis dat jullie niet alleen geld besteden aan 450mm, maar ook aan euv.’ Intel was toen akkoord gegaan."

"We besteedden toen al meer dan 600 miljoen euro aan r&d en met dat investeringsprogramma hebben we gezegd dat we dat over de 1 miljard euro zouden tillen. Ik geloof dat het in totaal om 1,5 miljard euro ging, die we vrij konden besteden aan deze onderwerpen. Als tegenprestatie kregen Intel, Samsung en TSMC aandelen in ASML, overigens zonder zeggenschap. Daar hebben ze later vele miljarden aan verdiend. Vrij snel na de start werd het duidelijk dat onze klanten zich niet wilden vastleggen op 450mm, met als resultaat dat het totale bedrag aan euv besteed kon worden. Het was vooraf tricky. Wil je wel dat klanten aandeelhouder zijn in je bedrijf? Wil je wel zo ver met je klanten in zee gaan? Achteraf was het een gouden greep voor iedereen. We gaan de historie in als het bedrijf dat het minste besteed heeft aan 450mm én we hebben in onze toekomst geïnvesteerd. Dat was een enorme boost voor onze capaciteit.”

Epiloog

De investeringen van Intel, Samsung en TSMC in 2012 stelde ASML in staat de ontwikkeling van euv te intensiveren. Het zou nog tot 2017 duren voor chipfabrikanten met bestellingen van euv-machines definitief hun vertrouwen uitspraken in de techniek. Ook in de jaren erna moest ASML nog flink sleutelen om de productiviteit en betrouwbaarheid op peil te krijgen. Ceo Peter Wennink gaf begin 2007 tegenover Tweakers toe dat het bedrijf vier tot vijf jaar te laat was met euv. Het bedrijf kan inmiddels de vruchten plukken van de lange worsteling. In 2021 waren de euv-systemen verantwoordelijk voor 46 procent van ASML's jaaromzet van 18,6 miljard euro. Het bedrijf leverde vorig jaar 42 euv-chipmachines, goed voor een omzet van 6,3 miljard euro. In 2020 ging het nog om 31 euv-machines en dat resulteerde in een omzet van 4,5 miljard euro. Over de ontwikkeling van de euv-technologie na pakweg 2010, de cruciale periode om de machines geschikt te maken voor productie, vertelt Martin van den Brink in een volgend artikel.

Hoe ASML de macht greep met euv

Inleiding

Hoe zat het ook alweer met ASML?

ASML loopt achter

Alles begint met licht

Van kwik naar laser

Wat is een excimerlaser?

De grens van 193nm

Wat is een masker?

Onder water zetten

Next litho

Elektronen, ionen en extreem ultraviolet

Euv: als het echt niet anders kan

Met een laser op pannenkoeken schieten

Geen 450mm-wafers, wel euv

Epiloog

Lees meer

Hoe wordt jouw cpu of gpu gemaakt?

'Exportregels China zijn te overzien'

Van tekort naar overschot aan chips

Hoe ASML de macht greep met euv - Deel 2

Interview met financiële topman ASML

ASML's toekomstplannen

Extreem-ultravioletlithografie

Als nanometers te groot worden

Het nattevingerwerk van nanometers

Interview ASML-ceo Peter Wennink

Klein, kleiner, kleinst: de weg naar 5nm-chips

Reacties (44)

Sorteer op:

Weergave: