Hoe brand ASML's productie bedreigde

Kort voor middernacht op zondag 2 januari verschijnt er rook uit een pand van een high-techfirma aan de Waldkraiburger Straße in Berlijn. De brandweer rukt met groot materieel uit en rond tachtig brandweerlieden slagen er maandagochtend in de ontstane brand meester te worden. Hoewel het in de wijk naar verbrand kunststof ruikt, zijn er volgens de brandweer geen schadelijke stoffen vrijgekomen. Ook zijn er geen slachtoffers gevallen. Op dat moment is nog niet duidelijk dat er wel iets anders potentieel in gevaar is: de groei van de wereldwijde chipproductie.

Dat realiseert Peter Wennink zich wel als hij die maandagochtend op de hoogte wordt gebracht van de brand. Wennink is ceo van ASML en hij wordt gebeld omdat de brand plaatsvond bij ASML Berlijn. "Ik schrok me dood", vertelde Peter Wennink bij de bekendmaking van de jaarcijfers, afgelopen woensdag. "We zijn net het jaar begonnen en ik krijg een belletje dat de fabriek in brand staat. Dat is het laatste wat je wilt horen. Op dat moment weet je ook nog niet wat de consequenties zullen zijn. Toen ik de foto's zag, dacht ik: 'dit gaat een grote impact hebben'."

De getroffen ASML-locatie betreft Berliner Glas, een bedrijf dat in de jaren vijftig van de vorige eeuw opgericht is en toen onder andere glasplaatjes voor microscopen maakte. In de jaren zeventig specialiseerde Berliner Glas zich in precisie-optica voor onder andere lcd-productie en kopieermachines en in de jaren negentig volgden de eerste projecten voor de halfgeleiderindustrie. Hoewel Berliner Glas met zijn optische systemen daarna ook uitbreidt naar de medische sector, ruimtevaart en amoled-productie, is het de expertise op het gebied van onderdelen voor chipmachines, die ASML in 2020 doen besluiten alle aandelen van het Duitse bedrijf over te nemen. ASML was al voor 45 procent van de omzet van het Duitse bedrijf verantwoordelijk. Overige divisies zijn sindsdien afgestoten en ASML Berlin heeft op dit moment 1279 medewerkers die na de overname bezig zijn met productie en research & development voor ASML.

Die overname maakt duidelijk hoe belangrijk de onderdelen zijn die Berliner Glas kan leveren. ASML heeft een enorm ecosysteem van leveranciers om zich heen opgezet. Het bedrijf is in feite een systeembouwer die voor componenten afhankelijk is van derden. En sommige daarvan zijn als enige ter wereld in staat die onderdelen te produceren. Dat geldt met name voor de euv-machines, waarmee ASML in feite monopolist is. Op de vraag of er geen concurrentie te verwachten is, bijvoorbeeld vanuit China, antwoordde Wennink woensdag dan ook: "Ik zeg niet dat het niet kan, de natuurkundige wetten zijn in China dezelfde als hier. Maar de synergie van al die honderden bedrijven, dat wordt moeilijk om te repliceren. Je moet naar al die plekken waar ze die enorm complexe dingen doen die niemand anders op deze planeet kan doen."

Wennink bracht het als een kracht, maar begin januari werd duidelijk dat die afhankelijkheid ook een achilleshiel van ASML is. Want wat als het nu echt goed mis was in de fabriek in Berlijn? Al snel werd duidelijk dat sommige machines onbruikbaar waren geworden door de brand. Voor andere was dat nog onzeker. Op het oog konden deze ongedeerd zijn, maar onderzoek moest uitwijzen wat de eventuele gevolgen van water en rook waren. Dergelijke complexe machines moeten volledig vrij van verontreiniging zijn.

Bijna een week na de brand maakte ASML bekend dat productie van componenten voor duv-machines was verstoord, maar door snel en adequaat handelen van het personeel, was deze alweer in gang gezet. Duv staat voor deep ultraviolet light en hierbij gaat het om de volwassen lithografietechniek, die nog altijd zeer belangrijk is voor ASML. Zo leverde het bedrijf vorig jaar 81 duv-machines op basis van ArF-immersielithografie, tegenover 68 een jaar eerder.

Somberder waren de berichten voor de euv-machines. Dit is de nieuwe generatie van lithografiemachines, die gebruikmaken van extreem ultraviolet licht met een golflengte van 13,5nm in plaats van 193nm. Chipfabrikanten zijn in toenemende mate afhankelijk van deze machines, waar ASML de enige leverancier ter wereld voor is. TSMC heeft ze nodig om de huidige en toekomstige AMD- en Apple-chips te maken, Intel moet ze hebben om zijn grootse toekomstplannen waar te kunnen maken. Sinds vorig jaar zetten ook dram-fabrikanten euv-machines in voor hun productie en de verwachting is dat deze sterk gaat groeien. ASML meldde 7 januari dat het bezig was om te bepalen 'hoe de potentiële impact op deze euv-klanten geminimaliseerd kon worden'.

Die mededeling maakte heel wat partijen zenuwachtig. Want ASML zou nu juist veel meer euv-machines moeten leveren in 2022 en daarna. De wereld schreeuwt om meer chips, maar de halfgeleidersector kan die niet genoeg leveren, wat in tal van sectoren tot grote problemen leidt. Als ASML niet op tijd genoeg euv-machines kan leveren, zouden tekorten aan high-end chips wel eens langer kunnen duren dan verwacht.

Of dat het geval was, hing af van de verstoring van de productie van een enkel onderdeel: een wafer clamp, oftewel een chuck. Het deel van de Duitse fabriek dat deze modules produceerde, was het zwaarst getroffen. We vroegen Christophe Fouquet, executive vice president, business line euv bij ASML, om wat voor onderdeel dit gaat en waarom het zo belangrijk voor het bedrijf is. Fouquet: "Wafer clamps zijn de modules die de wafer vasthouden. We hebben er twee per systeem. Ze zijn erg complex en zijn speciaal voor onze tool ontworpen. Ze zijn gemaakt van keramisch materiaal. De garantie op de levering van afdoende hoeveelheden, was de motivatie om Berliner Glas over te nemen. We zien de module als kritisch voor onze roadmap." De clamps annex chucks moeten de wafers met uiterste precisie op hun plek en plat houden, ondanks de bewegingen en omstandigheden in de machine. Daarbij moeten ze eventuele vervormingen rechttrekken, de wafer op een bepaalde temperatuur houden en in staat zijn deze snel los te laten, zonder het materiaal te beschadigen of te vervuilen.

Het duurt in totaal 52 weken om een wafer clamp te maken. Hoe zat het met de modules die al in productie waren? "Sommige machines in de productielijn voor wafer clamps waren beschadigd door de brand. Gelukkig was er na de analyse goed nieuws. Een deel van het materiaal wat in verwerking was, was niet beschadigd. Dat betekent dat wat we in gang gezet hadden, nog steeds tot output kan leiden. Een deel van de productiesystemen is dus wel beschadigd, maar we denken dat we die snel genoeg kunnen vervangen om de impact op de productie van euv-machines te kunnen managen. We zijn deels redundant om snel te kunnen herstellen. Het brandbeveiligingssysteem werkte gelukkig ook goed. Alle afdelingen werden snel afgesloten en het deel waar de brand woedde, bleef erg beperkt."

ASML Zeiss electrostatic chuck, bron: Berliner Glas

Chucks in lithografiemachines

Om de wafer te belichten in een lithografiemachine moet deze worden vastgehouden. De wafer beweegt zeer snel om steeds een ander stukje aan uv-licht blootgesteld te krijgen. Bovendien moet een wafer uiterst precies vastgehouden worden: de belichting van meerdere stappen in het proces moet immers met enorme precisie plaatsvinden. De chucks van Berliner Glas maken voor euv-machines gebruik van een keramische plaat die de wafer extreem vlak houdt. De chuck zelf is extreem vlak met maximale hoogteverschillen over de hele chuck van slechts 100nm. Met behulp van elektrostatische krachten, opgewekt door een spanningspotentiaal van ongeveer 3000V, wordt de wafer 'vastgezogen'. De chuck is gemaakt van materiaal dat niet uitzet bij warmte en is voorzien van honderden pinnetjes om het contact met de wafer te minimaliseren.

Vorig jaar leverde ASML 43 euv-systemen. Voor dit jaar is het doel om er 55 te leveren. Met twee wafer clamps per systeem gaat het niet om heel veel modules. Heeft ASML geen voorraad liggen? Fouquet: "We hebben een gelimiteerde voorraad. De productielijn is behoorlijk lang en ongeveer halverwege ging het mis, dus alles na dit punt kan nog output worden. Maar we hebben er meer nodig dan alleen voor nieuwe machines. We hebben ook modules nodig voor onderhoud bij klanten, want dit is een onderdeel dat om de zoveel tijd vervangen moet worden bij klanten. We denken er op dit moment genoeg te hebben en als de productielijnen hersteld zijn, gaan we er meer produceren."

De productie van de wafer clamps is nog niet op gang gekomen en ASML maakt nog geen verwachting bekend wanneer dat moet gebeuren. Financieel topman bij het bedrijf Roger Dassen liet bij een toelichting wel doorschemeren hoe ASML om denkt te kunnen gaan met eventuele tekorten. ASML wil klanten versneld van euv-machines voorzien, door een deel van het testwerk op locatie in plaats van in Veldhoven te verrichten. Van 6 van de 55 in 2022 te leveren systemen, verwacht ASML pas uiteindelijke goedkeuring van de klant in 2023. Die hoeven dus dit jaar niet geheel werkend opgeleverd te worden. "Dat is de buffer die we nodig hebben om de impact van de brand te managen", aldus Dassen.

Een euv-machine heeft zo'n honderdduizend onderdelen en vele zijn kritisch. Inmiddels werkt ASML aan de opvolger van de huidige generatie euv-machines. Deze werken op basis van high-na euv. Die systemen werken met een NA van 0,55, waar de huidige euv-systemen een NA van 0,33 hebben. NA staat voor numerieke apertuur of de openingshoek van het objectief. Hoe groter deze waarde, hoe kleiner de structuren die op de wafers kunnen worden geprojecteerd. De opvolgers moeten voorkomen dat chipfabrikanten met de huidige euv-machines multipatterning moeten gaan toepassen. Hierbij belichten de machines wafers meerdere keren om tot de kleinere structuren te kunnen komen, maar dit doen ze liever niet vanwege de hogere kosten die hiermee gepaard gaan, onder andere omdat ze meer dure maskers moeten inzetten.

NXT vs 0,33 NA vs 0,55 NA euv ASML

De komende machines zijn nog een slag groter dan de huidige euv-systemen. Ze zijn zo groot als een flinke bus en ASML moest er aanzienlijk ruimere cleanrooms voor bouwen. Neemt het risico op productieproblemen niet toe bij nog grotere en complexe machines? Fouquet: "Het aantal onderdelen van een high-na euv-machine is ongeveer hetzelfde. De modules zijn ook erg vergelijkbaar, met Zeiss ASML spiegel uitzondering van de optics. Bij de overstap van duv naar euv was de lichtbron de grootste wijziging. De progressie van die bron bepaalde de snelheid waarmee we euv naar de markt konden brengen. Bij high-na euv is die bron dezelfde. Ook hoe we wafers en reticles (maskers, red.) binnen de machine bewegen, verandert niet fundamenteel."

"Wat wel wijzigt zijn de optics. Die moesten we opnieuw ontwerpen om de hogere apertuur te kunnen bereiken. We zijn van een symmetrische naar een anamorfische spiegel gegaan. Daarom moesten we ook een zeer complex meetsysteem met Zeiss ontwikkelen. Het klopt dat de high-na machine veel groter is, maar dat komt door de veel grotere spiegel. Het ontwikkelen hiervan was het grootste risico maar we hebben daar vorig jaar een belangrijke mijlpaal bij behaald. Om je een idee te geven: we hebben nu tachtig spiegels bij Zeiss in productie." Zeiss lijkt zich bij de keuze voor anamorfische optica geïnspireerd te hebben op de filmindustrie, waar het gebruik van anamorfische lenzen voor een uitgerekt beeld zorgt. Voor high-na euv-litografie maakt het kleinere hoeken voor het projecteren op de wafer in de uitgerekte richting mogelijk, zodat de resolutie kan toenemen.

Meetsysteem voor spiegels van ASML's 0,55 NA euv-machine bij Zeiss

De nieuw ontwikkelde spiegels komen in een testmachine voor high-na euv waar ASML aan werkt, de Twinscan EXE:5000. Zodra deze gereed en in Veldhoven getest is, levert het bedrijf deze aan klanten. Dit moet aan het eind van 2023 gebeuren. Goedkoop is de research & developmentmachine niet: hij kost 270 miljoen euro. Eind 2024, begin 2025 moet een verbeterde versie voor massaproductie verschijnen. Dit wordt de Twinscan EX: 5200 die 'veel meer dan 300 miljoen euro' gaat kosten. Die moet dan ook een doorvoer van 220 wafers per uur bieden. Ter vergelijking: bij de EXE: 5000 is dat nog 150wph en bij het huidige euv-topmodel, de op 0,33 NA gebaseerde NXE: 3600D, is dat 160wph. ASML wil de high-na machines mede opbouwen op basis van vier vooraf geteste modules, voor de reticle, optica, wafer en lichtbron. Dit, en de grote overeenkomsten met de huidige euv-generatie, moet het risico op problemen verkleinen. Maar zoals gezien zit een ongelukje in een klein hoekje, en kan dat potentieel grote gevolgen hebben.

Titel

Chucks in lithografiemachines

Lees meer

'Exportregels China zijn te overzien'

Interview met financiële topman ASML

ASML's toekomstplannen

Extreem-ultravioletlithografie

Interview ASML-ceo Peter Wennink

Reacties (27)

Sorteer op:

Weergave: