ASML zit midden in de grootste transitie in zijn bestaan, dankzij een beslissing die in 2001 werd genomen. Het bedrijf uit Veldhoven is praktisch monopolist als bouwer van de machines waarmee Intel, Samsung, GlobalFoundries en TSMC chips produceren. In de afgelopen tien jaar waren dat machines die gebruikmaken van immersielithografie. Hierbij worden de patronen voor de chip op het waferoppervlak geprojecteerd door licht met een golflengte van 193nm. Een laagje water tussen lenzen en wafer biedt extra lichtbreking, waardoor kleinere structuren mogelijk zijn.
Aan het begin van het millennium onderzocht ASML al een alternatief, wat in 2006 leidde tot een prototype machine die op totaal andere leest is geschoeid. Deze machine maakt gebruik van extreem ultraviolet licht met een aanzienlijk kortere golflengte: 13,5nm. Met deze veel kleinere 'punt' kunnen veel dunnere lijntjes 'beschreven' worden en dat is precies waar het bij ASML om draait: shrinking. Het bedrijf maakt het produceren van chips met steeds kleinere structuren mogelijk, aangeduid in nanometers, waardoor de prestaties omhoog kunnen en het verbruik omlaag kan. ASML is daarmee de drijvende kracht achter de chipmarkt en het in stand houden van de beroemde Wet van Moore.
In de afgelopen tien jaar kwamen de grenzen van immersielithografie voor verdere verkleiningen langzaam in zicht. De euv-technologie was echter nog niet klaar; de euv-machines bleken veel moeilijker te maken dan gedacht. Ze bevatten een vacuümkamer waarin druppels tin worden beschenen door een laser en zo plasma met uv-licht doen ontstaan. Een reeks extreem gladde spiegels van Zeiss weerkaatst dat licht naar de wafer. Om dit alles te integreren in een machine die met grote snelheid wafers verwerkt, bleek een enorm huzarenstuk. Een plan B was er evenmin en ASML zag zich verwikkeld in een race tegen de klok.
Nu lijkt het toch te gaan lukken. ASML heeft in het afgelopen kwartaal zes bestellingen voor euv-machines ontvangen van chipfabrikanten, naast de twaalf bestellingen die er al waren. De chipmarkt heeft daarmee zijn vertrouwen uitgesproken in het tijdig gereedkomen van de machines voor massaproductie. Die moet eind 2018, begin 2019 van start gaan.
Nu de laatste fase van de overgang naar euv in zicht is, spraken we met Peter Wennink, ceo van ASML, over de oude en nieuwe uitdagingen voor zijn bedrijf.
Als 2016 het jaar was waarin klanten hun vertrouwen in euv omzetten in daadwerkelijke bestellingen en eind 2018 de machines ingezet worden voor de massaproductie van chips, wat wordt 2017 dan voor jaar?
Wennink: Het wordt een jaar waarin we het plan uitvoeren om twaalf euv-machines te produceren en leveren, waarin we nog verder opgeschoven zijn naar de normale eisen die klanten stellen aan volumeproductie en waarin een continue stroom aan bestellingen op gang is gekomen. In 2017 zullen we ook het eerste jaar van de samenwerking met Zeiss achter de rug hebben, waarin we een duidelijke roadmap hebben van de volgende generatie euv: High NA (NA staat voor numerieke apertuur. ASML heeft een belang in Carl Zeiss SMT genomen om de productie van optische systemen met hogere NA te kunnen garanderen, red.)
Als euv eenmaal voor massaproductie wordt ingezet, hoe zal dat dan de chipmarkt veranderen?
Wennink: Het wordt business as usual. Althans, wij en onze klanten kunnen dan ook wel 7nm-transistors maken met immersie. Technisch is dat mogelijk, met multiple patterning (het verscheidene keren belichten voor kleinere procedés, red.) en onze mogelijkheden om overlay en focus goed te kunnen beheren. Alleen de yield, de opbrengst, daarvan is ronduit slecht, zo slecht dat je je af kunt vragen of de bouw van een fabriek daarvoor nog kosteneffectief is. Samsung heeft ronduit gezegd: dat kan niet, het is niet economisch. TSMC zegt: het is te complex.
Wennink: Bij 7nm ga je bij zes kritische lagen naar 36 lithostappen en 64 metrologystappen. Dat betekent dat je kosten door het plafond gaan en je omzet per vierkante meter in die fabriek keldert. Wat euv gaat betekenen voor de chipmarkt, is dat we nog steeds die 7nm-transistor kunnen maken, maar dan allen in één afdruk. De eerste toepassing van euv op een bestaand transistorproduct geeft al dezelfde yield als multiple patterning. Dat gaat een enorme impact hebben.
Euv gaat de 7nm-, 5nm-
en 3nm-technologie kosteneffectief maken
Wat betekent dat voor de consument? Goedkopere chips?
Wennink: De grootste impact ís op de consument, want als het niet economisch is, dan komen die producten er niet. Je kunt de massa daar helemaal niet mee bereiken. Zo kan ik als econoom, want ik ben maar een gewone accountant, een bijdrage leveren aan dit bedrijf. Moore's Law is een empirical law of economics. Euv gaat de 7nm-, 5nm- en 3nm-technologie kosteneffectief maken, waardoor al die fantastische applicaties waar we over nadenken, bereikbaar worden. Denk aan autonoom rijden, big data, kunstmatige intelligentie en augmented reality.
Je ziet dat Samsung en Intel langer doen met nodes, dat ze met refreshes komen van chipgeneraties. Dat gaat dus ook veranderen?
Wennink: Die nodes zijn langer omdat we gewoon vier, vijf jaar te laat zijn met euv. Multiple patterning is een tussenoplossing om de gang naar euv te overbruggen. Double patterning gaat nog. Ga je echter naar triple, quadruple of quintuple patterning, dan heb je niet alleen meer kosten, maar ook meer tijd nodig om de yield te bereiken waarmee je het aandurft om het aan je klant te verkopen. De ontwikkeltijden van 14nm en 10nm zijn langer doordat het veel moeilijker is geworden om op een acceptabele yield te komen. De Intel-ceo heeft gezegd te hopen dat Intel de tick-tock-cadans terugkrijgt als het met euv aan de gang gaat.
Euv zou volgens de oorspronkelijke plannen bij 22nm ingezet worden. De kosten zijn dus al flink hoger voor de chipfabrikanten.
Wennink: Maar het bewijst de kracht van Moore's Law, want de innovatie is niet gestopt. In het perfecte geval heb je elke twee jaar een halvering van de kosten. Nou ja, laat het eens in de drie jaar zijn. Dat is nog steeds erg goed.
Als ASML tien jaar geleden had geweten dat er nog zoveel rek in immersielithografie zat, hadden we dan nu op hetzelfde punt gestaan met euv?
Wennink: Absoluut, want we zijn aan het einde gekomen van wat we nog kunnen doen. Het komt precies op tijd. Is het nu volledig productierijp? Nee, want we moeten meer doen aan de consistentie van de systemen, maar is het eind 2018, 2019 productierijp? Wij denken van wel en dan is het precies op tijd voor de 7nm-node. Het is by design dat het dan klaar is, want euv is laat, maar nu lopen we echt tegen een muur aan. We hadden het liever twee, drie jaar eerder gehad, want dat zou onze klanten geholpen hebben. Je kunt je afvragen waarom een grote processorfabrikant steeds zijn 10nm-productie vooruitschuift, tot een jaar later dan hij heeft gezegd. Dat ze echt gaan rampen, dat is pas nu.
Hoe lang kan immersie nog mee?
Wennink: Zolang we horizon hebben, gaat immersie mee. Het zijn alleen de kritische lagen waar euv wordt gebruikt. Naarmate euv betrouwbaarder wordt en hogere productiviteiten laat zien, van 125 wafers per uur naar 185 wafers per uur, gaat het meer lagen kannibaliseren van de immersieproducten, maar de mid-critical lagen zullen weer gekannibaliseerd worden door immersie. Je moet ook niet vergeten dat het aantal lagen groeit; met elke node neemt het met tien procent toe.
Euv kan tot het einde van het volgende decennium mee of de komende vijftien jaar
Maar euv, hoe lang kan dat straks mee?
Wennink: Ik denk dat euv twee nodes meekan met de huidige .33 NA en daarom hebben we High NA nodig; dat gaat naar boven de .5. Dan heb je ook weer twee tot drie nodes. Euv kan tot het einde van het volgende decennium mee of de komende vijftien jaar. We hebben klanten die laten roadmaps zien tot 1,5nm.
Er komen dus nieuwe euv-generaties, maar ook daarbij loop je op een gegeven moment tegen grenzen aan. Welke alternatieven onderzoekt ASML?
Wennink: We hebben altijd horizons gehad van meer dan vijftien jaar. Wij denken dat we voorbij 2030 met euv werken en of dat dan met double patterning is, High NA of een volgende generatie High NA, dat weet ik niet. Het is voor de meeste bedrijven al een uitdaging om na te denken over hun productroadmap voor de komende drie jaar. Toen ik hier begon, werd me verteld dat de shrink nog zeker vijftien jaar doorging en dat is nu nog steeds het geval. Het stopt als we geen ideeën meer hebben, maar voorlopig hebben we nog veel ideeën over.
Zijn er voorbeelden te geven van veelbelovende terreinen, anders dan euv?
Wennink: We hebben natuurlijk e-beam gehad, maar zodra je met lithografie naar 1,5nm kan, welke alternatieven zijn er dan? Self-assembly heeft weer zijn eigen problemen; defecten zijn een groot probleem. Lithografie is de meest logische keuze, omdat je de infrastructuur ervoor hebt. Je kunt wel naar iets kijken wat je niet kent, maar voordat een industrie van 400 miljard dollar daar vertrouwen in legt, terwijl er iets is wat je kent en wat de kostendoelstellingen realiseert…
Wennink: De grootste concurrent van ASML is ASML zelf. We zijn paranoïde op dat punt, want we kijken naar alles, maar de grootste paranoia zit in onze eigen executie. Als we dat goed doen, dan blijft dit gewoon doorgaan.