Cto Martin van den Brink over de obstakels naar ASML's euv-alleenheerschappij

In het vorige deel eindigden we al bij enkele uitdagingen die ASML tegenkwam bij het ontwikkelen van de euv-lichtbron, naast een miljardeninvestering die het bedrijf in 2012 kreeg van Intel, Samsung en TSMC. Dat laatste betrof een investering van 1,38 miljard euro voor de ontwikkeling van euv-lithografie en 450mm-wafers, in ruil voor ASML-aandelen zonder zeggenschap.

In hetzelfde jaar als de miljardeninvestering nam ASML Cymer over, een laserfabrikant uit San Diego. Dat was toen een van de grootste overnames in de geschiedenis van het bedrijf. Cymer is verantwoordelijk voor de excimerlaser die als lichtbron dient in duv-machines. Aanvankelijk nam Cymer ook de ontwikkeling van de euv-lichtbron voor laser-produced plasma op zich. Daar kwam in 2012 verandering in, toen Cymer werd overgenomen en 'ASML San Diego' werd opgericht.

ASML Martin van den Brink — Martin van den Brink met op de achtergrond het Rayleigh-criterion, de berekening die de maximale resolutie van lithografiesystemen dicteert

Cymer en de oprichting van ASML San Diego

Martin van den Brink: "De reden voor die overname was relatief eenvoudig. In het vorige deel vertelde ik al over de manier waarop wij complexe machines realiseren. We hakken een systeem op in stukjes. Dat noemen we system engineering, waarbij we de functionaliteit van de complete machine opdelen in deelfuncties. Zo kunnen we het werk verdelen over meerdere mensen, die dan parallel kunnen werken aan een product. Die manier van werken was alleen niet gebruikelijk voor Cymers excimerlaser, een eenvoudiger systeem in vergelijking met lithografiesystemen. De hele organisatie van Cymer was dus niet georganiseerd voor het ontwikkelen van grotere systemen, zoals de euv-lichtbron. Wij hadden daar al jarenlange ervaring mee. Ook de hoeveelheid geld voor de ontwikkeling speelde mee. Na de overname hadden we een stuk meer engineers op de lichtbron zitten."

"Uiteindelijk is de vraag wat we als ASML uitbesteden en wat we zelf doen. We hebben een heel systeem om dat te beoordelen. In principe werken wij het liefst met leveranciers, en dan vooral met leveranciers waarmee we samen technologie kunnen ontwikkelen die ook toepasbaar is voor andere applicaties. Zo is de leverancier niet alleen voor ons bezig, maar ook voor andere bedrijven. Op die manier kunnen we de middelen van onze totale ontwikkeling verdelen over onze leveranciers."

"Dat systeem werkt prima, zolang de capaciteiten ook toepasbaar zijn voor andere doeleinden. Dat element is in de loop der tijd verdwenen bij bepaalde leveranciers, zoals bij Zeiss. Toen we begonnen, maakte Zeiss ook complexe fotografische lenzen voor Hasselblad. Als je nu kijkt naar wat er nodig is voor euv-optiek, dan is vrijwel alle technologie uniek voor ASML. Alles dat zo’n leverancier dan investeert, moeten wij effectief financieren. Vandaar dat we later ook een aandeel in Zeiss hebben genomen."

"Dit was met Cymer nog meer het geval. We konden daar de euv-lichtbron wel ontwikkelen, maar die kan nergens anders in gebruikt worden. Dat is uniek voor ASML. Sterker nog: als we dat bij een leverancier zetten, dan hebben we daar relatief weinig controle over. Dan kan die technologie ook verkocht worden aan andere klanten. Dat was lang een argument van Cymer om zich juist niet beschikbaar te stellen voor een overname. Die had toen ook Canon en Nikon als klant. Op een gegeven moment gaven Canon en Nikon echter aan dat ze geen euv zouden toevoegen aan hun portfolio. Toen was het voor Cymer een andere propositie."

"Met de overname werden een aantal dingen opgelost. We hebben bijvoorbeeld veiliggesteld dat deze technologie binnen ons bedrijf blijft. De totale resourcebase is ook verbeterd. We maken inmiddels een veel grotere lichtbron. Na de overname hadden we binnen een paar jaar duizend man op de lichtbron zitten. Bij Cymer alleen, voor de overname, waren dat er 150."

Problemen met de lichtbron: CO₂-lasers met zelfontbranding

Die extra mankracht was nodig; de lichtbron bleek een lastig probleem om te tackelen. "De source liep toen gewoon nog niet goed betrouwbaar", vertelt Van den Brink. "We moesten het vermogen van de laser naar beneden schalen totdat deze naar behoren werkte. We haalden slechts 5 tot 10W. Met zulke lage vermogens kun je wel productie draaien, alleen zijn de kosten daarvan veel hoger, omdat je dan een duur euv-systeem hebt met een lage productiviteit. Het draait dus uiteindelijk om de productiviteit. Onze doelstelling was 100W vermogen tegen 2010. Dat hebben we niet gehaald."

ASML levert eerste NXE:3100-preproductiemachine aan Samsung — 2010: ASML levert de eerste NXE:3100-preproductiemachine aan Samsung. Het lichtbronvermogen is rond de 10W. De machine bereikte *first light* op kerstavond.

"Uiteindelijk waren er een aantal uitdagingen met euv. De lichtbron was een grote, maar het polijsten van de spiegels bijvoorbeeld ook. Toen we begonnen, zagen we daar het meeste tegen op. Dat bleek achteraf mee te vallen. Het tweede was het feit dat er in een vacuümsysteem hele andere zaken spelen dan in een atmosferisch systeem, op het gebied van thermische huishouding en het schoonhouden van de optiek, zodat je geen stabiliteit en transmissie verliest. Al die dingen waren problemen, maar uiteindelijk bleven we het langste hangen op de lichtbron."

"De lichtbron bestaat uit een laser waarmee je op een druppeltje tin schiet, dat vervolgens euv-plasma produceert. Dat licht wordt met een collectorspiegel opgevangen, waarna het de machine in gaat. Er zijn dus drie componenten: de laser, het euv-plasma en de collectorspiegel. Het eerste probleem daarbij was dat een CO₂-laser eigenlijk niet bedoeld is voor pulsbedrijf. Om het vermogen op te hogen, moet je tegelijkertijd de gain van de laser ophogen. Als je dat doet, dan kan die spontaan ontbranden. Dan wordt de laser afgevuurd, terwijl het tindruppeltje nog niet op de juiste plaats is. Zo krijg je geen euv-plasma, maar ben je wel het vermogen kwijt. Het ophogen van het vermogen, zonder dat je zelfontbranding krijgt, was het grootste probleem in het begin. Daar ging een groot deel van de tijd in zitten."

Euv-lichtbron Cymer — Cymers euv-lichtbron voor euv

"Ik vertelde in het vorige deel al over de oplossing die we hiervoor dachten te hebben. We gebruikten de druppeltjes als een soort spiegel voor het lasersysteem, maar daarbij hebben we een denkfout gemaakt. De lengte tussen de twee resonantiespiegels van de CO₂-lasers is ongeveer 200 meter groot. Als je rekent met de snelheid van het licht en hoe kort de laserpuls moet zijn om het tin te ontbranden, dan kregen we onvoldoende roundtrips om het vermogen van de laser te krijgen. Dat was een principiële showstopper. Dat hebben we opgelost door te stoppen met het gebruik van de druppel als spiegeltje. We hebben daar weer een normale laser van gemaakt die we met een seedlaser triggeren."

"Daarmee kregen we wel weer te maken met hetzelfde probleem dat we in eerste instantie hadden, in de eerste helft van de jaren 2000. Daarbij werd het gereflecteerde licht van het druppeltje opnieuw versterkt, waardoor de optiek aan de kant van de laser kapot ging. We moesten dat oplossen door het terugkerende licht tegen te houden voordat het tot hoge vermogens leidde en schade aan het systeem kon aanrichten. Dat moest dan gebeuren op snelheden die kloppen met de snelheid van het licht en de lengte van het optische pad. We hebben daar een soort optische diode voor gemaakt, waarmee we voorbijkomend gereflecteerd licht direct stoppen. Je kunt dat zien als een soort optische sluiter die snel dichtgaat voordat deze de kwetsbare optiek bereikt. Dat hebben we tussen 2016 en 2017 voor het eerst gedemonstreerd."

Druppelposities en infrarood

"Het tweede probleem was dat je het druppeltje natuurlijk goed moet positioneren. Daar kwamen geen fundamentele problemen bij kijken, maar wel praktische. Je moet meten waar het druppeltje precies uithangt om de timing van de laser goed te krijgen. Dat klinkt eenvoudig, maar je spreekt hier over een spiegel met een doorsnede van een halve meter en een druppeltje van 30 micron. Dat heeft nogal een signaalruisprobleem."

"Het was dan ook niet vanzelfsprekend om die metingen goed te kunnen doen, want het moest in drie dimensies goed gebeuren. Dat druppeltje zit ergens in de ruimte en je moet dan precies op het juiste moment laseren. Dat terwijl die laser, met een vermogen van 30kW, alle kanten op springt. Niets is stabiel bij zulke hoge vermogens. Het gegenereerde licht wordt daarnaast voor een deel geabsorbeerd door de optiek. Die warmt op en beweegt daardoor. Dat was een belangrijk vraagstuk."

"Een ander element rond de bron is het infrarood. Je gaat met 30kW infrarood de lichtbron in en daar moet dan rond de 250W aan euv-plasma uitkomen. Dan heb je dus een enorme achtergrond van infraroodlicht. De optische systemen kunnen daar niet tegen. We hadden daarom de spiegels niet reflectief gemaakt voor infrarood door een extra grating op de spiegel te zetten. Die stuurt het infrarood diffractief een andere kant op."

"We hadden dat probleem rond 2011 en 2012, maar we zijn nog altijd bezig met het verbeteren van de coating en de grating om de efficiëntie te verbeteren. Die efficiëntie, het stroomverbruik in verhouding met hoeveel euv-plasma eruit komt, is de afgelopen tien jaar enorm verbeterd en zal in de toekomst verder verbeteren. Mensen klagen over het energiegebruik van euv. Daar doen we erg ons best voor, maar fraai zal het niet worden. Het blijft altijd een dikke megawatt die erin gaat. Het is dus een kwestie van hoeveel euv-vermogen we uit die megawatt elektrisch vermogen weten te persen."