Het 'kleine' Mapper
Wie wel eens in Veldhoven bij ASML is geweest, weet dat het bedrijf veel weg heeft van een campus. Duizenden medewerkers uit allerlei windstreken krioelen over het omvangrijke terrein met grote gebouwen. Maar ASML is niet het enige Nederlandse bedrijf dat machines voor chipproductie maakt.
Ergens in een uithoek van een bedrijventerrein in Delft, onzichtbaar vanaf de straatkant en in de schaduw van het universiteitscomplex, werkt Mapper al sinds 2000 aan een alternatieve techniek voor de lithomachines uit Veldhoven. Lange tijd was het als de strijd van David tegen Goliath. Voor de ontwikkeling van chipmachines moeten de grenzen van de natuurkunde opgezocht worden. Daarvoor haalt ASML de knapste koppen uit de hele wereld naar Brabant en heeft het de steun van vrijwel de gehele chipsector.
Maar de in Delft ontwikkelde techniek heeft zo zijn eigen voordelen en Mapper denkt een toepassing te hebben gevonden die een doorbraak kan zijn: elke afzonderlijke chip uniek maken.
/i/2001448983.jpeg?f=imagenormal)
E-beam-lithografie: als een kathodestraalbuis
"ASML is snelheidsrecordhouder met hun machines voor chipproductie. Die positie hebben ze fantastisch opgebouwd", zegt Eduard Hoeberichts, Business Strategy Advisor bij Mapper. Hoeberichts kan het weten, hij heeft meer dan tien jaar bij ASML gewerkt. Maar de positie van de grote evenknie uit Veldhoven heeft volgens hem ook een keerzijde. "De shrink wordt zo duur dat je bij de machines de vergelijking met een Airbus A380 kunt maken. Er zijn maar weinig bedrijven die de kosten en omvang nog langer kunnen behappen en je ziet dat er een soort monopolie is ontstaan van een aantal bedrijven die de markt domineren: Intel, TSMC, GlobalFoundries en Samsung. Een fab van 5 miljard dollar kun je alleen uitbaten als je zoveel processors verkoopt als Intel, een klant als Apple hebt of geheugen levert."
Dit was het probleem waar Mapper een oplossing voor wilde ontwikkelen. Het bedrijf is in 2000 opgericht door hoogleraar Pieter Kruit en de studenten Marco Wieland en Bert Jan Kampherbeek, de huidige cto en ceo. Wat begon als een afstudeerproject over het verbeteren van chipmachines, eindigde als een spin-off van de TU Delft. Met hulp van Kruits kennis over elektronenoptica kwamen de drie uiteindelijk uit op een systeem op basis van electron-beam lithography.
Het idee achter deze vorm van lithografie is te vergelijken met de kathodestraalbuis van oude televisies. Gerichte bundels van elektronen beschrijven patronen op een fotogevoelige laag. Met een oplosmiddel kunnen de blootgestelde gebieden vervolgens verwijderd worden, waarna de onderliggende delen silicium met chemicaliën weg te etsen zijn. Een van de voordelen van deze techniek is dat er geen dure maskers nodig zijn, zoals bij immersielithografie.
Op papier is dat een elegante oplossing, maar de praktijk bleek weerbarstiger. "Het probleem met elektronen is dat ze niet van elkaar houden. Ze stoten elkaar af", vertelt Hoeberichts. "Je kunt heel kleine lijntjes schrijven met e-beam-lithografie en dat gebeurt ook al dertig jaar, maar het opschalen naar productie op hoog volume is de uitdaging van e-beamtechnologie."
In 2014 lukte het Mapper om voor een significante hoeveelheid e-beams te zorgen met zijn eerste machine, de FLX-1200. Het ging toen om 65.000 elektronenbundels, waarmee ongeveer een wafer per uur direct vanaf het geheugen beschreven kon worden. Dit wordt in de komende jaren opgeschaald naar 650.000 parallelle elektronenbundels en er kunnen dan tien wafers per uur van structuren voorzien worden.
De machine laat in feite één dikke bundel elektronen op een plak silicium met daarin 65.000 gaatjes schijnen. Een tweede schijf met evenzoveel gaatjes daaronder, de blanker, kan de bundels in- en uitschakelen. Dat gebeurt met schakelaars die bediend worden met lichtpulsen die op hun beurt afkomstig zijn van glasvezels. Die glasvezels zijn verbonden met een computer, de pattern streamer. Dit systeem bevat het patroon zoals dat op de wafer geprojecteerd moet worden. In de computer is dit patroon als bitmap opgeslagen.
Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.
Schrijven van nanolijntjes
Een aanzienlijk deel van de machine wordt in beslag genomen door de pattern streamer. Dit systeem moet dan ook flink wat rekenkracht hebben. Het moet onder andere rekening houden met afwijkingen van de bundels en de waferbewegingen, en op basis daarvan realtime correcties aanbrengen aan de bitmap. Voor 65.000 bundels wordt 3 terapixel per seconde verwerkt door de machine. Om dit rekenwerk aan te kunnen bevat het systeem rekken met fpga's.
/i/2001448993.png?f=imagenormal)
Een rek bevat vier borden met hdd's en ram voor de opslag van de patronen en twaalf borden met elk twaalf fpga's. Elke fpga stuurt 250 bundels van elektronen aan. Om de helft van de 65.000 bundels per stap aan te sturen zijn er elf rekken. In twee stappen is zo een volledige belichting te maken. Vóór die uiteindelijke belichting is er nog een laatste stap. Onder de blanker zit namelijk een onderdeel met reeksen van elektrostatische lenzen. Deze zorgen voor focus en lichte afbuigingen van 2µm ten opzichte van de bewegingen van de wafer eronder. Door de minuscule bewegingen van de bundels en wafer wordt het oppervlak beschreven met nanolijntjes. De 65.000 bundels kunnen zo een oppervlak van 26x33mm belichten, met een nauwkeurigheid van 3,5nm.
/i/2001448985.jpeg?f=imagenormal)
Links de FLX-1200 van Mapper
Met een doorvoersnelheid van enkele wafers per uur, is de machine niet vergelijkbaar met conventionele optische lithografie. Ter vergelijking: ASML heeft een doelstelling van 1500 wafers per dag met zijn euv-machines, oftewel meer dan 62 wafers per uur. "Maar er zijn toepassingen waar onze machine juist heel geschikt voor is. Denk aan per wafer/chip-diversificatie, large field image sensors, het uitbreiden van 200mm-productieprocessen voor rf- en g5-applicaties, of het gebruik in r&d-omgeving met veel grotere flexibiliteit om nieuwe structuren te printen en tijd voor ontwikkelcycli te verbeteren. Dat kan veel goedkoper en sneller met e-beamlithografie omdat je maskerloos werkt", zegt Hoeberichts. "Daarnaast kunnen we 200mm- en 300mm-wafers gebruiken, waardoor ook de bestaande fabs economisch kunnen gaan shrinken, omdat we ook een stuk goedkoper zijn dan de veel duurdere machines van ASML en Nikon."
Unieke chips voor veiligheid
Recent is daar het idee van unieke chips bijgekomen. De pattern streamer van de e-beam-machine kan niet alleen de bitmaps van het te beschrijven patroon aanpassen ter correctie, maar ook voor geheel nieuwe patronen, was de gedachte. Het systeem haalt daarbij de te printen patronen direct uit het geheugen. Hoeberichts: "We hoeven bijna geen aanpassingen te verrichten. Voor securitydoeleinden moeten we wel de datapaden beveiligen." De litho-machine kan namelijk patronen op chips schrijven die als sleutels kunnen dienen, maar zij kan ook configuraties van interconnects, gates en metal-lijnen telkens iets wijzigen.
Hierbij werkt Mapper exclusief samen met de technologie-integrator Technolution en Irdeto, leverancier van beveiligde platformen voor media, financiële diensten, internet-of-things en automotive. De bedoeling is niet om de gehele chip anders te maken. Hoeberichts: "Het gaat maar om een heel klein gedeelte van de chip, minder dan 2 procent, op een enkele laag. Je kunt met onze techniek bijvoorbeeld elke chip een andere code meegeven. Dan bereik je wat tot nu toe niet mogelijk was: ultieme diversiteit." Het met e-beamlithografie geprinte patroon kan als sleutel dienen, direct op de chip.
De machines van Mapper moeten daarvoor geïntegreerd worden in het standaard-lithoprocedé voor chipproductie, iets wat het bedrijf uit Delft toch al van plan was, aangezien de e-beamtechniek compatibel is met immersielithografie. "Mapper werkt er al vijf jaar aan om de machines gereed te maken voor combinatie met bestaande fabs." Ook kan de techniek meeschalen naar kleinere nodes. "De huidige machine werkt met nodes onder de 90nm, 65nm, 28nm, 20nm tot aan in theorie 14nm, maar er zit rek in. Ga maar na: de golflengte van een elektron is 0,7nm. De golflengte van euv zoals ASML gebruikt is 13,5nm", vertelt Hoeberichts.
Het gebruik van Mappers e-beamtechniek om iedere chip te beschrijven met een unieke code, sleutel en gediversifieerd crypto-algoritme heeft voordelen op gebied van beveiliging. Zo biedt dit bescherming tegen side-channel-aanvallen en helpt het met bescherming tegen het klonen van chips. Dat dit een valide risico is, weet Irdeto als geen ander. Het bedrijf, waarvan de naam is afgeleid van Ingenieur Den Toonder, bestrijdt al vanaf begin jaren negentig piraterij van betaal-tv met smartcards. "Het probleem met hardwarematige beveiliging is dat je voor een paar duizend dollar chips kunt laten analyseren, bijvoorbeeld onder een microscoop. In potentie open je daarmee informatie die impact heeft op een miljoenenindustrie, omdat de aanval relatief goedkoop toepasbaar is op alle soortgelijke chips", vertelt Werner Strydom hoofd Innovatie & Technologie bij Irdeto. "Een unieke code, sleutel en crypto-algoritme kunnen de chip moeilijker te hacken maken omdat de sleutel in ieder geval niet via de software lekt, maar belangrijker is dat als je de sleutel en crypto-algoritme eenmaal hebt, je die van de andere chips nog niet hebt. Het loont dus niet om investeringen te doen in chip-hacks."

Irdeto denkt aan identiteitsmanagement en beveiligingstoepassingen in combinatie met zijn DivFII-crypto-algoritmes voor media, automotive en internet-of-things. Wat deze laatste categorie betreft ziet het bedrijf mogelijkheden voor bijvoorbeeld beveiligingscamera's, sensoren en wearable-technieken. DivFII zou voor sterke symmetrische cryptografie zorgen in combinatie met unieke codes die in hardware zijn vastgelegd.
Daarnaast denken de drie bedrijven aan mogelijkheden met identificatie en authenticatie, door de unieke koppeling van software en de specifieke individuele chip. Tenslotte is de verwachting dat de techniek in te zetten is tegen het klonen en reverse engineeren van chips. Het blootleggen van details van een chip hoeft niet automatisch gevolgen te hebben voor de hele reeks van een chipgeneratie, en het zorgt hoe dan ook voor watermerken: namaakchips zijn te herleiden tot de bronchip die reverse engineered is.
Hoe dit alles vorm moet krijgen valt nog te bezien. Dit jaar moet er een eerste proof-of-concept ontwikkeld worden en het doel is om het in 2020 klaar te hebben voor volumeproductie. Mapper, Irdeto en Technolution claimen dat de meerkosten voor chips, een belangrijke factor voor succes, beperkt blijven. "Het gaat maar om een klein deel van de chip en denk aan de gordel in de auto, die zorgt ook voor wat extra kosten, maar dat heb je ervoor over", aldus Strydom.
Mapper ziet het als een nieuwe mogelijkheid om zijn e-beam-machines als aanvulling op de immersie- en euv-lithografie in te zetten, nu de kans dat ze als vervanging voor die technieken ingezet gaan worden verkeken is. "We verwachten te groeien van 270 medewerkers naar 300 man", zegt Hoeberichts hoopvol, terwijl hij langs de ruimte loopt waar aan de FLX-1200-machine gesleuteld wordt. "Ergens zijn we nog een start-up, al zijn we al zestien jaar bezig en hebben we 300 miljoen euro aan investeringen ontvangen. Die volharding is misschien de Nederlandse engineersmentaliteit", lacht hij. "Dat hebben de start-ups in Silicon Valley niet."