Euv-chipproductie is een feit, maar moet nu worden opgeschaald. Hoe gaat ASML ervoor zorgen dat zijn klanten net zo veel chips kunnen maken als zij willen?
Er klonken geruststellende woorden op ASML’s Investor Day, begin november in Veldhoven. De wet van Moore heeft nog minstens tien jaar tot zijn pensioen, de meest geavanceerde chips blijven betaalbaar en een keur van oude en nieuwe toepassingen staan te trappelen om de extra rekenkracht te benutten. Kortom: nog een decennium business as usual voor de halfgeleiderindustrie.
Met deze boodschap zet ASML definitief een punt achter een periode van knagende onzekerheid. Tien jaar geleden bereikten chipstructuren de resolutielimiet van standaard immersielithografie, maar beoogd opvolger euv was nog lang niet gereed voor de fab. Dankzij multipatterning konden nog nieuwe krimpslagen worden gemaakt, maar de houdbaarheid van deze oplossing was beperkt: de kosten zouden de pan uit rijzen door het snel toenemende aantal belichtingsstappen.
In eerste instantie hing de vraag in de lucht of de ingenieurs van ASML euv-litho überhaupt op de rails zouden krijgen. Herhaaldelijke vertragingen wakkerden de twijfel verder aan. ASML sprak eind 2014 de verlossende woorden, maar een einde aan de onzekerheid betekende dat niet. De of-vraag werd de wanneer-vraag, en het duurde tot halverwege dit jaar voordat er witte rook was. Toen begon TSMC in beperkte oplages ‘euv-chips’ te maken, op de voet gevolgd door Samsung.
Daarmee heeft het startschot geklonken voor de industrialisatiefase van euv. TSMC en Samsung zullen de komende jaren hun euv-productiecapaciteit gestaag uitbreiden. De verwachting is dat Intel en dram-fabrikanten binnen niet al te lange tijd aansluiten. Aan ASML de taak om ervoor te zorgen dat deze klanten de komende jaren kunnen beschikken over de capaciteit waar zij om vragen. Hoe de machinebouwer dat gaat aanpakken, was een van de speerpunten op de investeerdersdag.
Specs gaan omhoog
Formeel heeft ASML nog niet helemaal voldaan aan zijn eigen doelstellingen voor euv-lithografie. De doorvoer is met 125 wafers per uur op orde, maar de beschikbaarheid is dat niet: de machine moet nog steeds – gepland of ongepland – te vaak uit worden gezet voor reparatie of onderhoud. Met de circa duizend wafers die een typische machine per dag verwerkt (het eendagsrecord is overigens ruim het dubbele), kunnen chipmakers voorlopig echter uit de voeten omdat zij euv alleen voor de meest complexe lagen gebruiken. Voor andere dichte lagen blijft multipatterning de meest kosteneffectieve en veilige oplossing.
Ook al beschouwde hij het huidige ontwikkelingsniveau van euv-machines als ‘een doorbraak’, de vlag hing cto Martin van den Brink daarom nog niet uit. ‘De huidige rol van euv is om een explosie van multipatterning-lagen te voorkomen’, constateerde hij zuinigjes tijdens zijn presentatie. In de volgende generatie chips, 5 nanometer in foundrytermen, zal zelfs alweer euv-double patterning moeten worden toegepast.
ASML doet zijn best om de pijn te verzachten. Het lukt niet om het productiviteitstekort aan te vullen door extra machines te leveren, maar wel om de specs van de machines versneld te verbeteren. Vanaf begin volgend jaar krijgen de huidige productiemachines, de NXE:3400B’s, een upgrade naar 155 wafers per uur. Tegen 2020 volgt de introductie van de NXE:3400C, die 170 wafers per uur aankan en de ten doel gestelde beschikbaarheid van meer dan negentig procent bereikt. De productiviteitsverhoging is een combinatie van een sterkere lichtbron en betere optiek.
Het resultaat van deze versnelling is dat de productiviteit van een scanner in logic-productie in 2020 effectief 75 procent hoger uitkomt dan nu, en voor dram zelfs honderd procent hoger (het verschil komt door het wel of niet toepassen van een beschermend vliesje voor het masker, het pellicle). ASML verwacht hiermee zijn klanten in voldoende euv-capaciteit te voorzien.
High-na wordt gebackport
De volgende stap op ASML’s roadmap is de ontwikkeling van het EXE5000-platform. Dit is de gemeenschappelijke basis onder zowel de opvolger van de NXE:3400C, de NXE Next-machines (verwachte introductie eind 2021), als de volgende generatie euv-technologie die daarna weer komt, de zogeheten high-na-scanners, die een nog hogere resolutie halen.
Voor high-na dienen bijna alle belangrijke euv-componenten opnieuw te worden ontworpen, maar sommige daarvan kunnen ook de prestaties van de voorgaande generatie verbeteren. Via het EXE5000-platform profiteren ASML en klanten al in een eerder stadium van voor high-na ontwikkelde onderdelen, en worden de risico’s gereduceerd die de introductie van high-na met zich meebrengt.
NXE Next-scanners maken opnieuw een stap in doorvoer, naar meer dan 185 wafers per uur. Maar zelfs dan is de eindstreep nog niet in zicht, zei Van den Brink: ‘We willen met euv-lithografie uiteindelijk naar hetzelfde productiviteitsniveau als bij deep-uv-lithografie.’ De beste immersiemachines verwerken op dit moment zeker 275 wafers per uur en hoeven bijna nooit uit.
NXE Next zal worden ingezet om 3-nanometer-chips te produceren, maar net zoals de eerste generatie euv (met na = 0,33) de noodzaak van multipatterning inperkt voor 7- en 5-nanometer-chips, zo zal high-na (met na = 0,55) dat doen voor 3-nanometer-chips. En net zoals immersie- en euv-machines nog geruime tijd naast elkaar zullen worden gebruikt, zo zullen NXE Next en high-na een complementaire rol vervullen, terwijl voor duv ook nog plaats blijft.
Als de industrialisatiefase met succes wordt doorlopen, verwacht ASML in 2025 afhankelijk van de marktontwikkelingen 15 tot 24 miljard euro om te zetten, tegen ongeveer 11 miljard euro dit jaar. Nu komt echter nog minder dan een kwart van de omzet uit euv-machines, in 2025 zal dat meer dan driekwart zijn.