René Raaijmakers
9 March 2007

ASML verstevigde de afgelopen jaren zijn leiderschap in technologie en markt. Daarmee verkeert het nu in een unieke positie. De sleuteltechnologie lithografie biedt het Veldhovense bedrijf een springplank naar talrijke nieuwe kansen. In het tweede deel van ons interview met ASML‘s directeur marketing en technologie Martin van den Brink praten we daarover. ’We moeten uitkijken dat er geen beeld ontstaat dat ASML nodig iets anders moet doen. Wat we zeker niet zullen nalaten, is de omzetkansen pakken die er zitten in litho.‘

’Vertel eens.‘ Het is het enige moment in het vraaggesprek dat Martin van den Brink even pauzeert, rustig achteroverleunt en een tegenvraag stelt. De vraag was of hij iets wilde vertellen over optical maskless lithography (OML).

Het onderwerp ligt een beetje gevoelig. Allereerst omdat de financiële wereld meeleest. Verder onderzocht ASML een tijdje de mogelijkheden om machines voor platte schermen te gaan maken. Daarbij hield het de pers op de hoogte, maar moest het dat feestje uiteindelijk afblazen. Die fout wil het bedrijf niet opnieuw maken. ASML wil vooral niet de indruk wekken dat er een beslissing is genomen om een OML-machine in productie te nemen.

In de wandelgangen is bekend dat ASML stevig inzet op OML. De grootte van het researchproject is onbekend, maar het gaat om een forse krachtsinspanning. De laatste keer dat het lithografiebedrijf met nieuws over OML kwam, was vorig jaar zomer. Toen maakte het bekend dat OML als R&D-project was goedgekeurd voor ondersteuning door Point-One, het innovatieprogramma van EZ dat de Nederlandse kennis in nanotechnologie en embedded systemen moet versterken.

Martin_van_den_Brink

Optische maskerloze lithografie is zowel technologisch als markttechnisch intrigerend. Een OML-machine projecteert een beeld op de wafer via een array van miljoenen microspiegels. Een computer stuurt de spiegeltjes aan en zo bouwt de machine het hele beeld pixel voor pixel op. De technologie staat in de belangstelling omdat er markt voor is. De naam zegt het al: OML maakt maskers overbodig. De maskerset die op dit moment voor de meest complexe chips nodig is, kost al snel miljoenen euro‘s. OML scheelt dus meteen een slok op een borrel: het bespaart een berg geld en weken aan maskerproductietijd. Het heeft in potentie mooie marktopeningen, zoals de mogelijkheid om kleinere series te maken. Voor complexe functies die nu nog worden vastgelegd in veldprogrammeerbare chips (FPGA‘s) zou OML in een aantal gevallen een goedkopere oplossing zijn. Het potentieel goedkopere silicium levert bovendien betere prestaties en daar willen sommige technologiebedrijven best voor betalen.

Delen van de maskerloze machineontwikkeling passen goed op de optische roadmap die ASML heeft uitgezet. Het bedrijf werkt momenteel bijvoorbeeld aan een nieuwe generatie waferscanners voor extreem ultraviolet licht (EUV). Daarvan moeten de eerste machines in 2009 productierijp zijn. Deze belichtingsmachines projecteren hun beeld in vacuüm op de wafer. Dat doen ze via peperdure spiegels die in staat zijn om de 13,5 nm straling te weerkaatsen via hun atoomscherpe multilaagstructuur. De maskers zijn op dit moment ook spiegels – met patronen. Microspiegelarrays die in staat zijn om 13,5 nm straling te weerkaatsen, zouden de dure EUV-maskers overbodig kunnen maken. Leuke bijkomstigheid: al het gedoe met maskers in en uit vacuüm brengen is niet meer nodig.

ASML werkt al jaren aan maskerloze lithografie. Aanvankelijk met de microspiegeltechnologie van het Zweedse Micronic Laser Systems, maar anderhalf jaar geleden kondigden de Veldhovenaren ook een samenwerking aan met Bell Labs. Uiteindelijk is het de bedoeling om arrays met microspiegels te maken die een oppervlakte hebben van 8 bij 8 vierkante micron. De digital micromirror devices die Texas Instruments voor tv en digitale bioscoopprojectoren maakt, voldoen hier niet. Die schakelen slechts ’aan‘ en ’uit‘ en dat is voor lithografie niet genoeg. Voor de belichting van chips is spelen met fasen en grijswaardes gewenst om de scherpte van het geprojecteerde beeld te kunnen vergroten.

Voor veel machineonderdelen is echter een compleet herontwerp nodig en de computer achter de projector moet fenomenale datastromen aansturen. Ook de lenzenkolom moet op de schop: een maskerloze machine moet tientallen keren kunnen verkleinen. Traditionele steppers en scanners werken met een 4x-verkleiningsstap.

Maar dat hoeven we ASML‘s marketing- en technologiedirecteur natuurlijk niet te vertellen. Als ik opper dat ASML zijn productpalet nodig moet verbreden en dat dit met maskerloze lithografie kan, grijpt Van den Brink in. ’Eén ding wil ik je meegeven over wat wel en niet nodig is. Wij roepen stoer dat we een omzet gaan halen van 5 miljard euro in 2010. Als we dat doen, dan zal het met name uit maskerlitho komen. Voor die 5 miljard euro omzet hebben we gewoon heel veel mensen nodig. We moeten uitkijken dat er geen beeld ontstaat dat ASML nodig iets anders moet doen. Wat we zeker niet zullen nalaten, is de omzetkansen pakken die er zitten in litho.‘

Van den Brink wijst erop dat de uitdagingen voor de bestaande lithografische machines op de korte termijn alle aandacht zullen vragen. Zowel de problemen met het platform voor double patterning als voor EUV noemt hij groot (zie deel 1 van het interview in de vorige Bits&Chips). ’Daar ben ik redelijk tense over. Als wij dat voor elkaar krijgen, dan hebben we weer iets moois gemaakt, maar daar hebben we wel iedereen voor nodig.‘

’Waarom geen OML?‘, vraagt ASML‘s technologiechef retorisch. ’Als ik hier met engineers voor OML aan tafel zit, en dat zit ik heel regelmatig, dan vinden ze OML nog ingewikkelder dan EUV. We zijn met sales langs onze klanten geweest. Daar zijn we mee gestopt. We hebben gezegd: laten we eerst zorgen dat we de basiselementen van OML in de vingers krijgen voordat we het echt gaan verkopen. Het is gewoon een heel moeilijk vak.‘

Denk je dat het een keer komt?

’Ja, ik denk het wel. Maar het probleem van maskerloos is de productiviteit.‘

Vijf wafers per uur of zo?

’Wat daar voor nodig is, daar word je helemaal gek van. Het kost een maskerschrijver vandaag de dag vijf uren om een masker te belichten. Die tijd heeft hij nodig om de informatie voor één laag vast te leggen. Een masker komt dus overeen met één die (één belichtingsveld met chips of één chip, RR), want bij OML schrijf je de informatie direct op het silicium. Een wafer heeft 150 tot 200 dies. Dus als je daarmee de doorvoer vergelijkt, dan heb je tweehonderd maal vijf is duizend uur nodig voor het belichten van een wafer. Met OML moet je er eventjes vijf in een uur doen. Dat betekent honderden dvd‘s per seconde schrijven. Ik heb er geen moeite mee om verklappen dat de hele data-afhandeling een probleem is.‘

De informatieverwerking is niet de enige uitdaging. De microspiegeltjes noemt Van den Brink ’een nachtmerrie‘ en ook de optiek is een probleem. ’We hebben weliswaar een kleiner belichtingsveld, maar de optiek die ervoor moet zorgen dat al die chipjes bij elkaar komen, is vrij complex. We dachten aanvankelijk dat de optiek veel simpeler zou zijn dan de lens van de 1700i die je hier aan de wand ziet hangen.‘ Hij wijst op de foto aan de muur van zijn kamer. ’Maar dat blijkt niet het geval te zijn. We hebben de research voor OML in drieën gesplitst: de spiegeltjes, de lens en het datapad. Dat is allemaal even ingewikkeld en pas op het moment dat we voldoende doorbraak hebben, zullen we zeggen: dat gaan we doen.‘

ASML gebouw

OML is een Point-One-project, hoe groot is het?

’Er loopt hier bijna niets onder het miljoen, als ik zo vrij mag zijn. Het zijn hele grote projecten. Het cruciale punt is: wanneer ga je echt voor producten? Dan zetten we er honderden mensen op en dan heb je ook prototypes nodig. Dat is het punt dat we eerst willen bereiken.‘

Van den Brink noemt OML een dilemma en een kans. ’OML zal nooit de hele zaak vervangen. Chipfabrikanten die weinig maskers nodig hebben, de geheugenfabrikanten, de Intels en AMD‘s, zullen met name bij maskergebaseerde lithografie blijven. In hoeverre OML wordt gebruikt voor logic en speciale applicaties hangt zeer af van de productiviteit. We mikken op een productiviteit van vijf wafers per uur. Dan hebben we een redelijke markt.‘

Van den Brink acht het niet realistisch dat OML ooit de huidige maskergebaseerde lithografie zal bedreigen. ’Daarvoor moeten we OML naar vijftig wafers per uur tillen. Pas dan kun je echt significant marktaandeel wegeten. Maar ik zou niet weten – en dat is het probleem – in hoeverre we die productiviteit kunnen rekken tegen een reducerende resolutie.‘

’Als we OML doorzetten, dan zullen we dat wel zeer synergetisch doen met de mainstream markt. Wij zullen machines voor OML en maskergebaseerde lithografie maken die zoveel mogelijk op elkaar lijken om de R&D-kosten zo klein mogelijk te houden. Ons probleem is dat we heel moeilijk kunnen voorspellen wat voor marktaandeel we in de toekomst creëren.‘

De marketing- en technologiechef denkt overigens niet dat het schrappen van de maskerkosten een grote impact zal hebben. ’Met OML ben je de maskerkosten kwijt en kun je sneller reageren op de markt, maar de ontwerptijd en -kosten van complexe chips zijn waarschijnlijk bepalend.‘

Om te onderstrepen dat OML het uiterste zal vragen van R&D brengt Van den Brink e-beam, lithografie met elektronenbundels, in herinnering. Toen hij eind jaren tachtig zijn eerste SPIE-lithografieconferenties bezocht, was e-beam de grote hype. Optische technici behoorden tot de underdog. ’Toen ik bij ASML begon, vormde e-beam de hoofdmoot op SPIE. Iedereen zat mij daar zielig aan te kijken, want beneden de 1 micron werkte optiek niet. Daarom waren bijna alle ogen gericht op e-beam. Maar dat heeft tot nu toe nooit gewerkt. De optiek was nooit goed genoeg. Daarnaast was het vechten tegen de bierkaai: als je een factor twee kleinere resolutie hebt, gaat je productiviteit een factor vier naar beneden. Vijf wafers per uur bij 65 nm betekent de helft bij 45 nm. Zo gaat mijn economische basis naar de knoppen. De kosten hou ik alleen in de hand als ik OML met technologie kan blijven voeden en overeind houden. Dat is tot nu toe niemand gelukt.‘

Krijgt lithografie met elektronenstralen ooit nog een kans?

’Er zijn mensen die denken dat het weer naar e-beam maskless gaat. Dat gaat niet werken, want de materiaal-, proces- en infrastructuurontwikkelingen voor chipfabricage zullen zich richten op de mainstream maskergebaseerde markt. Dat wil zeggen dat het grote voordeel van e-beam, de resolutie, niet kan worden uitgebuit, omdat in de rest van het proces de resolutie zich beperkt tot optische resolutielimieten.‘

Je kunt ook met arrays van elektronenbundels scannen, zoals Mapper in Delft doet.

’Ik kom wel eens in Delft en soms praat ik met ze. Vanuit het perspectief van ASML is maskerloos de marktkans. Met elektronen of fotonen, dat is een uitvoeringsverhaal. De kans voor Mapper is dezelfde als voor ons. De grote uitdaging is productiviteit halen.‘

’Maar de halfgeleiderwereld werkt op dit moment met fotonen. Daar is de hele procestechnologie op ingericht. Als je de golflengte gaat veranderen, dan heb je een heel andere machine nodig. Geen fotonenmachine, maar een elektronenmachine. Net als EUV heeft elektronenprojectie vacuüm nodig, maar zelfs ons EUV-platform is niet geschikt voor elektronen, om het simpele feit dat daarin magneten zitten voor de stages. Die brengen de elektronenstralen in de war. Je moet voor e-beam dus een compleet nieuwe infrastructuur ontwikkelen. Dat komt boven op de uitdagingen die ik al heb. Daarmee wordt het risico toch wel superhoog. Ik kan op dit moment nauwelijks onderbouwen waarom e-beam of OML zou werken. Maar vanwege de economie van de chipproductiewereld zijn wij veel kritischer over elektronen dan over fotonen als het gaat over direct write.‘

Laten we even teruggaan naar het begin. ASML zal volgens Van den Brink vooral investeren in kansen in de lithografiemarkt. Het bedrijf onderstreepte dat onlangs met de acquisitie van Brion Technologies voor 203 miljoen euro. Daarmee haalde de machinefabrikant cruciale optische modelleringskennis in huis. Met Brions lithografische computermodellen kunnen fabrikanten het afbeeldingsproces voor de chipproductie simuleren en optimaliseren.

Als we beseffen welke positie ASML in de chipproductiemarkt inneemt, dan liggen hier intrigerende kansen. Het bedrijf heeft momenteel 61 procent van de markt voor lithografiemachines in handen. Dat wil niet zeggen dat 61 procent van alle IC‘s (totale jaarlijkse waarde ruwweg 200 miljard euro) met ASML‘s machines wordt gefabriceerd, maar wel de chips met de hoogste toegevoegde waarde en de hoogste winstmarges. Chipfabrikanten die ASML-machines gebruiken, hebben daardoor ook de grootste armslag wat betreft toekomstige investeringen. Door zijn markt- en technologisch leiderschap verkeert het Veldhovense bedrijf nu in de unieke positie om delen van het chipproces naar zijn hand te zetten en de leiding te nemen in technieken die de productie van IC‘s verbeteren.

De acquisitie van Brion Technologies lijkt de voorbode van een reeks aankondigingen die we de komende jaren van ASML op dit vlak zullen zien. Tijdens de presentatie van de jaarcijfers over 2006 liet ook topman Eric Meurice daarover al wat doorschemeren. Hij zwaaide met een plaatje (’ASML‘s vision – value expansion‘ – te downloaden van www.asml.com) waarop te zien is hoe ASML wil groeien naar 5 miljard euro omzet in 2010. De hoofdmoot zal komen uit de verkoop van waferscanners – dat wekt geen verbazing. Meurice‘ plaatje laat echter ook zien dat ASML volop groeimogelijkheden ziet in de fabprocessen vóór en ná de scanner.

Aan de voorkant werkt ASML onder meer met Cadence en dochter ASML Masktools aan ontwerpverificatie en aan technieken die de maskers en de belichtingstechnieken verbeteren. Maar op de powerpoint van Meurice was ook iets geheel nieuws te zien: ASML heeft plannen voor activiteiten aan de achterkant van de machine, namelijk met in-situ metrology. De grote vraag is: wat bedoelt het bedrijf hiermee? Werkt het aan een nieuwe machine om de belichte silicium plakken te controleren op het gewenste resultaat?

Is metrologie een markt waarop ASML wil uitbreiden? Op deze vraag heeft Van den Brink nog geen officieel commentaar. ’Het staat in een press release of we zeggen niets.‘ Maar hij legt graag uit waarom ASML‘s machines zo‘n bijzondere positie innemen in de totstandkoming van chips.

Van den Brink: ’Vroeger had chipontwerp en lithografie geen moer met elkaar te maken. Je had mensen die het ontwerp in een lay-out goten, de maskershops die er maskers van maakten en daarna kwam de waferfabriek. Nu de kritische lijnen veel kleiner worden dan de gebruikte golflengte, krijgen die werelden met elkaar te maken.‘

Dat proces loopt al langer. Het leidde eind jaren negentig al tot de overname van Masktool door ASML. Masktool is gespecialiseerd in het ontwerp van hulpstructuren op maskers, zoals optical proximity correction en scattering bars. Doel is steeds om de details af te beelden zoals ze zijn bedoeld.

’De mensen uit de wereld van de electronic design automation schuiven noodgedwongen onze kant op. Van oudsher hebben ze heel weinig voeling met de chipproductie, maar nu hebben ze informatie nodig uit het fabricageproces. Niet voor niets is design for manufacturing een buzzword in de chipindustrie. Het gaat om productieoptimalisaties in het design voordat de ontwerpen naar de fabriek gaan.‘

De manier van maskers maken en de instelling van de stepper beginnen een relatie te krijgen. ’De belichting beïnvloedt direct de invloed die maskerhulpstructuren hebben op de projectie. We kunnen bijvoorbeeld door belichting met een niet-uniforme pupil de projectie beïnvloeden. Dat noemen wij source-master-optimalisatie. Dat gebeurt nu op substructuren en wij willen dat gaan doen op hele chips. Klanten die maskers ontwerpen, kunnen het dan op maat maken voor de afstellingen van de stepper.‘

Het geldt ook andersom. ’Als ik eenmaal een lopend productieproces heb, dan kan ik met de knoppen van de stepper – er zitten er zo‘n honderd op – het beeld voor de kritische structuren afstemmen. Dat is met name voor de geheugenchips belangrijk. Deze knoppen willen we steeds meer dynamisch bijstellen, want tijdens het productieproces warmt bijvoorbeeld de lens op. Je moet het voortdurend in de gaten houden. Dat is de relatie die we met de EDA-leveranciers moeten gaan hebben. Wij maken aan hen de randvoorwaarden duidelijk. Wij geven ze informatie over de trucs die we in de belichting kunnen toepassen en klanten kunnen zich dan werpen op DFM.‘

’Maar metrologie is je vraag.‘ Nog voordat ik de kans krijg om de vraag te herhalen, stelt Van den Brink hem zelf weer. ’Willen wij aan de achterkant een concurrent worden van KLA Tencor? Daar wil ik geen ja of nee op zeggen, maar vanwege de complexiteit is er behoefte om niet alleen verantwoordelijkheid te nemen voor de lithografiemachine, maar ook voor het eindresultaat. Dus wij zullen klanten niet alleen zoveel plakken per uur moeten leveren, maar ook een feedback loop in het systeem moeten opnemen om te zorgen dat die dingen op een goede manier worden geprint.‘

Moet je daar nieuwe apparatuur voor maken?

’Daar maken we apparatuur voor. Vandaag doen we dat in onze machine en wellicht komen er tijden dat we dat, laat ik zeggen, niet in de machine doen maar daarbuiten. Het kortetermijndoel is dat we op de plak ook kunnen vaststellen wat we belichten en de stepper kunnen bijstellen waar nodig.‘

Horen we er snel meer over?

’Ja, dat zou goed kunnen. Maar waar het om gaat, is dat we niet alleen een goede overlay, een goede productiviteit en een goede CD-controle leveren, maar dat we dat ook vaststellen. Dat is belangrijk, omdat wij in de fabriek nu al de enigen zijn die heel gedetailleerde veranderingen op wafers kunnen corrigeren. De meeste apparatuur in de chipfabriek past zijn specifieke proces op de hele wafer toe. De kosten gaan daar dus per wafer. Bij lithografie is dat juist niet het geval. Daar gaan de kostenstappen per belichtingsveld, per die. Dat betekent dus dat je ook per die kunt variëren. Dus kan ik veranderingen op de wafer aanbrengen en daarmee fouten corrigeren. Wij zitten daar in een unieke positie en dat is het stuk dat we proberen uit te buiten zodat we met voldoende productiviteit de CD en overlay beter in de hand hebben.‘

’Hoe dat gaat aflopen, is nog moeilijk te voorspellen. We kunnen dat ook nog in verschillende vormen doen. Dat hoeft niet noodzakelijkerwijze met eigen metrologie (ASML‘s apparaten hebben een interface met de machines van KLA, RR). We zullen daar een open structuur in moeten hebben.‘

Kun je nog iets zeggen over het einde van de schaling op chips?

’Daar kan ik over praten, maar het helpt niets. Sommigen noemen 2015, maar er zijn inmiddels bedrijven die stoer doen met de vondst van nieuwe materialen en transistoreigenschappen om het weer te rekken en verder te krimpen. Als er één vijand is, dan is het de economie. Als het klanten meer gaat kosten om dezelfde chip te maken met lagere resoluties, dan zijn we echt de pineut. Dat is vandaag de dag een reëler probleem dan het einde aan de fysische schaling.‘

Dit is deel 2 van het interview met Martin van den Brink. Lees het eerste deel hier.