Hoe brand ASML's productie bedreigde

Chipmachines afhankelijk van kritieke onderdelen

Titel

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.

Berliner Glas toen. Bron:Berliner Glas/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."

Berliner Glas nu. Bron: Berliner Glas/ASML

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.

Christophe Fouquet

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.

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 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.

Dit artikel kun je gratis lezen zonder adblocker

Alle content op Tweakers is gratis voor iedereen toegankelijk. Het enige dat we van je vragen is dat je de advertenties niet blokkeert, zodat we de inkomsten hebben om in Tweakers te blijven investeren. Je hoeft hierbij niet bang te zijn dat je privacy of veiligheid in het geding komt, want ons advertentiesysteem werkt volledig zonder thirdpartytracking.

Bekijk onze uitleg hoe je voor Tweakers een uitzondering kunt maken in je adblocker.

Ben je abonnee? Log dan in.

Reacties (27)

Wat ik nog mis in het artikel is wat deze EUV chucks nu zo speciaal maakt ten opzichte van de chucks die bij eerdere generaties (zoals de DUV machines) en machines van concurrenten worden gebruikt.

Zoals het artikel al aanstipt gebruiken de EUV chucks elektrostatische krachten. Oftewel, door middel van gebruik van hoge spanningen blijft de wafer een de chuck plakken. Bij niet-EUV machines gebruiken de chucks een stuk simpelere methode, namelijk een 'ouderwets' vacuüm. Helaas is die methode niet mogelijk bij de EUV machine omdat, in tegenstelling tot de DUV machines, het hele pad van de lichtbron tot de wafer een vacuüm is. En iets vastzuigen met een vacuüm werkt dan helaas ook niet (zie ook reviews: Extreem-ultravioletlithografie - Zin en onzin van euv-chipproductie).

En dit maakt het probleem voor ASML dus ook zo lastig. Voor chucks die een vacuüm gebruiken is er een stuk minder specialisme nodig (en zijn er vermoedelijk ook meerdere leveranciers). Deze speciale EUV chucks worden door niemand anders gebruikt of gemaakt omdat ze echt alleen nodig zijn in de EUV machine.

Deze specifieke chucks zullen inderdaad speciaal voor de EUV machines zijn. Maar dat is niet puur omdat ze gebruik maken van elektrostatische krachten. Bijvoorbeeld sommige plasma-etsmachines maken ook gebruik van elektrostatische chucks om de wafers in positie te houden.

Het Asianometry Youtube kanaal heeft verschillende video's over de machines van ASML gemaakt. Hier gaan ze best diep in op de techniek, optics en 0.55NA.

• How ASML Builds a $150 Million EUV Machine
• How Carl Zeiss Crafts Optics for a $150 Million EUV Machine
• What ASML Has Next After EUV

Och de foto's van NXT, 0,33 en 0,55 EUV's, illustreren de "ironie" van ASML perfect, voor "kleinere" chips heb je grotere systemen nodig.

De PAS kon je in een "huiskamer" kwijt.

Nouja een Stepper zoals de NXE is uiteraard een onderdeel van de chip keten. De fabriekshallen van TSMC hebben voetbalvelden aan cleanrooms voor de hele fabricage lijn. Dus het is niet een groot probleem in de productie.

Je kunt wel degelijk aan de grootte van de FAB zien voor welke "productie node" die gebruikt wordt. Bv de NXP fab (Voorheen Philips) in Nijmegen (200 mm). Voor EUV had oa Samsung FAB's, AT, XT, NXT DUV machines. Dit zijn allemaal (300 mm) wafers. Als voormalige ASML'er ben ik in verschillende FAB''s geweest, behalve de "cleanroom" heb je een "gray area" (onder de cleanroom) waar andere apparatuur voor chipmachines staan.

EUV's hebben bv een hele batterij aan laser generators staan in die grey area.

In theorie kun je EUV's in "normale" FAB's krijgen maar je moet bv veel "rerouten" (bv Foups), en een EUV is ook wat zwaarder. Erg duur, en dan kun je beter een nieuwe FAB bouwen.

VB van wat erin de "grey area" kan staan:

https://www.youtube.com/watch?v=NHSR6AHNiDs

[Reactie gewijzigd door obimk1 op 23 januari 2022 19:42]

Erg interessant artikel. Ik vind de productie ben chips een gaaf onderwerp. Graag lees ik hier meer over en dit zijn de soort artikelen waar ik graag voor terug kom!

Heb het altijd bijzonder gevonden hoe deze brand in het nieuws kwam. Toen bekend werd dat er 80 man aan het blussen is geweest, was al vrij snel duidelijk dat het niet om een klein kantine brandje ging. De vraag was niet of er impact op productie was, maar hoeveel.

Erg interessant artikel! Al ben ik niet veel wijzer geworden wat betreft details van die brand

Mooi om te lezen, je staat er normaal niet zo bij stil hoe dit allemaal in zijn werk gaat.

Het is niet de eerste keer dat een brand de productie van ASML treft. Eind 2018 brak een grote brand uit bij een toeleverancier van ASML. Destijds kostte dat ASML 300 miljoen euro.

Nieuwe generatie EUV gaat 300 mln kosten. Huidige is 150mln.
Intel heeft nieuwe generatie EUV al besteld en zelfs de opvolger die alleen nog op papier bestaat.

Deze high na worden dan natuurlijk ook ontwikkeld omdat er vraag naar is vanuit de klanten van ASML. Ben benieuwd hoeveel ontwikkelingskosten zo'n machine niet heeft

Bij Zeiss kost 1 0,55 ontwikkeling machine ongeveer al €300 miljoen, dus de commerciële 0,55 EUV zal meer kosten.

€300 miljoen is een zeer conservatieve schatting.

Het is niet alleen de machine, ook inclusief service, en bepaalde onderdelen.

[Reactie gewijzigd door obimk1 op 23 januari 2022 19:32]

Ik heb het meer over hoeveel het ontwikkelen van deze machine gekost zal hebben, onderzoekskosten et cetera

R&D van ASML is nu bijna 2.2 miljard per jaar. Andere partners van ASML hebben ook hun aandeel in R&D kosten.

Wat het totaal is over 20 jaar is moeilijk te zeggen, maar tussen 15 en 25 miljard lijkt niet onmogelijk.

Klopt.

Intel makes its first purchase order for ASML’s TWINSCAN EXE:5200 system, marking the next step on the path to EUV 0.55 NA (High-NA) introduction.

Dit is niet de opvolger van de 0,55 machine, dit is de opvolger van de 0,33 machine.

De EXE:5200 is de opvolger van de EXE:5000.
Daar ging de opmerking van lighting_ over.

EXE 5000 is de "low spec" versie van de EXE 5200


EXE 5000: 1.1 nm overlay en 160 WpH

EXE 5200: 0,8 nm overlay en 220 WpH

EXE 5000 en EXE 5200 zijn wat betreft optics bijna gelijk, maar de EXE5200 heeft een snellere stage en betere metrology.

EXE 5200 is wel een soort opvolger, maar het platform is hetzelfde. ASML heeft dit ook gedaan met hun DUV NXT machines.

[Reactie gewijzigd door obimk1 op 24 januari 2022 14:47]

Misschien moet je hier geen uitspraken over doen. Als je echt een voormalig asml'r bent. Zoals jou bekend zou moeten zijn.

[Reactie gewijzigd door Delta Elton op 23 januari 2022 21:46]

EUV is meer dan 20 jaar in ontwikkeling, als je zo zeker bent van je zaak AUB het typenummer van deze opvolger, dit moet ergens al bekend zijn. Ruim 20 jaar geleden heb ik de eerste presentaties over EUV gezien. En tot een paar maanden geleden waren bepaalde ontwikkelingen van de 0,55 machine ook nog onder NDA. En steek je vinger op als je vrienden hebt die voor ASML R&D afdeling werken, en die verschillende patenten op hun naam hebben.

Net zoals de NXE van 3100 naar 3300, 3350, 3400 en nu 3600 in productie is gegaan, gaat dit ook zo met de EXE. De EXE:5000 wordt nu geïntegreerd, de EXE:5200 is wel een vervolgstap die alleen nog maar op papier bestaat, maar wel al besteld is door Intel. Zie eerder gedeeld persbericht.

Het zijn 'kritieke onderdelen', niet 'kritische'.

Het mag allebei volgens Onze Taal en Taaladvies.
Met fun fact:

Het gebruik van kritisch in de natuurkundige betekenis hebben we te danken aan de natuurkundige Johannes Diderik van der Waals. ... Maar Van der Waals vertaalde 't Engelsche critical met opzet niet door kritiek, omdat dit verkeerdelijk als 'moeilijk te handhaven' zou kunnen worden opgevat.