René Raaijmakers
14 March 2008

Over krap drie weken, op woensdag 31 oktober, zetten ASML en Embedded Systems Institute (Esi) op de High Tech Campus met een symposium een streep onder Tangram. Esi‘s eerste grote researchproject met ASML is om meerdere redenen opvallend. Bovenal zijn er meerdere keiharde resultaten. Die zijn bovendien direct bruikbaar in de industriële praktijk – konden we dat maar over meer wetenschappelijk onderzoek schrijven.

Laten we maar meteen met een voorbeeld beginnen. Dankzij het Esi-project Tangram hebben eerstelijns service-engineers van ASML op hun laptop tegenwoordig een nieuwe diagnosetool waarmee ze in staat zijn om kapotte elektronicacomponenten of sensoren binnen luttele minuten op te sporen. Een forse winst, want in het verleden stonden lithografische machines daarvoor soms uren stil, in uitzonderlijke gevallen zelfs dagen.

Ook opvallend is de plaats waar het onderzoek zich afspeelde: in de dagelijkse hectiek bij ASML in Veldhoven. In de aanloopfase stelde de machinefabrikant dat ook als keiharde eis. Dat was even slikken voor Esi‘s toenmalig wetenschappelijk directeur Martin Rem. Esi stond in 2003 immers net in de steigers. Als dan meteen alle onderzoekers ’op locatie‘ gaan werken, is een instituut niet echt zichtbaar. ’Onze schrik was ook: blijven het onderzoekers of worden het ontwikkelaars bij ASML‘, zegt Frans Beenker van Esi.

Helemaal aan het begin was ook niet iedereen bij ASML een-twee-drie overtuigd of de universitaire wereld wel iets te bieden had. Als je promovendi vier jaar in stilte laat werken, dan heb je immers grote kans dat er aan het einde van het traject resultaten liggen waaraan je in de keiharde praktijk van de machinebouw niets hebt. Tammo van den Berg, hoofd softwareontwikkeling bij ASML, hamerde daarom op periodieke rapportage: ’Ik wilde een doelgericht project. Het moest inzoomen op industriële problemen en ik wilde om het jaar resultaten zien.‘

De bedoeling van de Esi-projecten is om zowel academia als de industrie vooruit te helpen, belicht de Eindhovense hoogleraar Koos Rooda de zaak vanuit zijn oogpunt. ’Je moet een evenwicht vinden. Wil je wat doen voor de industrie dan betekent het dat je proven technology moet toepassen. Je plakt er een klein beetje nieuwe dingen aan, maar niet te veel. Anders is het te veel theorie. Met Tangram meedoen betekende bij voorbaat dat we bereid moesten zijn om meer naar de toepassing te verschuiven. Ik ken ASML. Ik wist waaraan ik begon.‘ Rooda zegt tijdens het proces zelf niet meer voor verrassingen te hebben gestaan. ’ASML ontwikkelt buitengewoon snel technologie. Of verschuiven naar de toepassing wenselijk is? Als je dit zou doen en verder geen fundamenteel onderzoek, dan is dat zeer onwenselijk. Maar in mijn hele onderzoeksmandje is het in evenwicht‘, aldus de TUE‘er die met Tangram drie promoties aan zijn lijstje toevoegt.

 advertorial 

System engineering @ ASML, practices and challenges

During the first online session of the System Architecting Conference, on 25 January, Frank de Lange and Tom Castenmiller (ASML) will address the role of systems engineering and discuss the essences of the roadmapping process, the holistic system design and the product generation process. Register now for free.

ASML_tangram

De huidige ervaring onderstreept de effectiviteit van onderzoek doen in een industriële omgeving. ’Als je werkelijk wilt weten wat er loos is, dan moet je bij ASML zitten‘, zegt Beenker. ’Bij elk project hebben we opnieuw een discussie. Soms is het handiger om bij de klant te zitten. Maar soms is Esi als locatie handiger. Het hangt ook van de fase af. Bij sommige bedrijven worden researchers meegezogen in de waan van dag. Dat risico zit er altijd in. ASML is in staat geweest om onderzoekers vrij te houden, ook al zaten ze middenin de hectische ontwikkelomgeving.’

Ivo de Jong van ASML zocht samen met promovendus Roel Boumen uit de groep van Rooda naar nieuwe testaanpakken en testvolgordes. Boumen promoveerde op 20 augustus en De Jong ligt op schema om begin volgend jaar te promoveren. Ze leverden resultaten die bij ASML bruikbaar zijn in test en integratie. ’Roel zat naast mij en wij voerden onze discussies op het whiteboard ernaast‘, verduidelijkt De Jong, die sinds 1996 betrokken is bij ASML‘s test- en integratieprojecten. ’Als Roel nieuwe testvolgordes bedacht, dan kon ik met mijn praktijkervaring vaak meteen zeggen of het zou werken.‘

Luud Engels, die voor Esi samen met Tom Brugman van ASML de dagelijkse leiding had over Tangram: ’Het is complexe materie en daar hoort een beleving bij. Je snuift dat beter op als je bij ASML bent.‘ Ook Engels onderkent het risico dat onderzoekers zich laten meezuigen. ’Voor je het weet zitten ze in de ontwikkeling. Maar dat was in dit geval een onterechte angst.‘ In de evaluatie tekende Engels het werken op locatie bij ASML op als een van de belangrijkste lessen.

Heren academici

In de eerste fase zorgde de projectleiding ervoor dat wetenschappers en ingenieurs aan elkaar konden wennen. Engels noemt dat een uitdaging op zich. ’Je krijgt dat er gratis bij‘, lacht hij. ’Elke academische partner brengt een mate van senioriteit mee. Zij werken al dertig jaar aan een probleem en dan krijgen ze te horen dat het in ASML‘s geval niet werkt. Voor sommige ego‘s is dat even slikken. Maar per saldo hadden we goed samenwerkende teams.‘

Iedereen brengt in de beginfase van een onderzoeksproject zijn eigen verwachtingen en achtergronden mee. Aio‘s hebben ook hun prioriteit: zij moeten na vier jaar een proefschrift afleveren. Om te voorkomen dat de academische en industriële wereld verschillende talen bleven spreken, moesten Luud Engels en Tom Brugman grenzen slechten. ’Ieder heeft een eigen beperkte blik op het probleem. De ingenieurs bij ASML en de aio‘s die van de universiteiten komen, spraken allesbehalve zelfde taal‘, zegt Engels. Daarom werd aan onderzoekers en hoogleraren gevraagd om in het eerste half jaar een aantal problemen bij ASML te bekijken en daarna een hypothese te geven. Over hoe hun benadering zou kunnen werken. Engels: ’Het heeft goed uitgepakt om de heren academici hun oplossingsrichting te laten formuleren. Daardoor leerden we elkaar beter te begrijpen.‘

Ook Tammo van den Berg is tevreden, maar onderstreept dat hij er geen spijt van heeft druk op de ketel te hebben gehouden. ’Ik ben in het begin naar de academische wereld heel kritisch geweest‘, zegt hij daar nu over. ’Mijn eis van jaarlijkse resultaten is me door de academici niet in dank afgenomen. Ik hoop dat ze daar nu wat genuanceerder over denken. De lat is hoger komen liggen. Voor mij is duidelijk: als je wetenschap succesvol wilt laten zijn, dan moet je de industrie als lab nemen.‘

Maar laten we nog even teruggaan naar de onderzoeksvraag. Tangram had als doel om de test- en integratiefase van ASML‘s waferscanners aanzienlijk efficiënter te maken. De kwaliteit moest omhoog, de doorlooptijd omlaag, u kent dat wel. Het project startte vier jaar geleden met 2,34 miljoen euro subsidie van EZ. Naast ASML en Esi deden de Radboud Universiteit Nijmegen, TU Delft, TU Eindhoven, UT, TNO-TPD, het NLR en het bedrijf Science&Technology mee.

Iedere hightech ingenieur kent test- en integratie als een moeilijk te vatten, onbestuurbaar en ongrijpbaar fenomeen – of hij nu bij Thales, Philips Medical, Océ of ASML werkt. Elke ervaren software-ingenieur heeft wel een horrorverhaal over het moment waarop hij de code perfect voor mekaar had, maar de machine toch geen krimp gaf. Of dat zijn systeem na maanden en maanden sleutelen de beoogde prestaties maar niet wilde halen.

Lijdensweg

Voor het ontwerpen en in elkaar zetten van zijn machines hanteert ASML het klassieke V-model. Alles begint met de linkerpoot van die V. Die stelt de ontwerpfase voor. De richting van de poot geeft al aan: het is de gemakkelijke weg omlaag. Het is het traject van machineconcept naar het ontwerp van monodisciplinaire modules. Ontwerpers brengen het machineconcept eerst terug tot behapbare brokken. Ze definiëren subsystemen zoals een lenzenkolom of een waferstage. Die ontrafelen ze vervolgens in monodisciplinaire modules zoals een interferometer of een motoraansturing. Elektronici, software-ingenieurs, werktuigbouwers en optische specialisten ontwerpen vervolgens die submodules.

Als de onderdelen er zijn, staan integratie-ingenieurs voor een formidabele klus: het hele zaakje moet in elkaar en het moet ook nog werken. Dat is de klim omhoog, de rechterpoot van de V. Ingenieurs testen in deze fase de monodisciplinaire modules en integreren ze tot werkende subsystemen. Zoals gezegd, een lijdensweg.

tangram ASML 2

Bij de start van Tangram zei Van den Berg al dat hij juist daar de grote winst zag. ’Specificeer beter, roept iedereen al twintig jaar. Daardoor richt alle aandacht zich op de linkerkant van het V-model, op codegeneratie, betere tools, formele verificatie, enzovoorts. Maar hoe je het ook wendt of keert, we houden die problemen. Met goed specificeren maken we soms de verkeerde dingen. Dus houden we in negen van de tien gevallen een testprobleem over. Daarom gaan we het niet met tools of specificaties oplossen, maar in test en integratie‘, aldus Van den Berg vier jaar geleden.

Trial and error

Tangram werd onderverdeeld in vier grote onderzoekslijnen die intern bekend stonden als de lines of attention. Drie van deze subprojecten waren uiteindelijk succesvol. Het onderzoek naar modelvorming voor diagnose en een project met TNO om de infrastructuur voor hardwarematige tests te verbeteren leveren nu al resultaten op binnen ASML. Ook het onderzoek naar nieuwe teststrategieën en –volgordes leverde kennis op die nu voor een deel wordt toegepast. Alleen de modelvorming voor testen bracht niets concreets op.

Het was Erik Schoemaker die vanuit ASML betrokken was bij het onderzoek naar de modellering van diagnosemethodes. Schoemaker was de ideale persoon om dit te begeleiden, want hij was zes jaar geleden samen met Ivo de Jong al betrokken bij ontwikkelingen om de betrouwbaarheid van Twinscan-waferscanners te verhogen. Bij de allereerste exemplaren is de betrouwbaarheid altijd belabberd. Ingenieurs mogen in hun handen knijpen als de eerste machines enkele uren blijven draaien. Maar een chipproductieomgeving eist honderden uren onafgebroken belichten. ’Anders dan bij consumentenelektronica of auto‘s zijn langdurige levensduurtests uitgesloten‘, zegt Schoemaker. ’Daarom is diagnostiek voor ons zo belangrijk. Wij proberen zoveel mogelijk informatie over het wel en wee van het systeem uit die machines te halen.‘

ASML stationeert hele teams bij chipfabrieken om machines in geval van nood weer snel aan de praat te krijgen. Het is belangrijk dat deze eerstelijns engineers effectief kunnen troubleshooten. Schoemaker: ’Onze machine produceren veel informatie over hun werking. Op een productieve dag is de tekst logfile gemakkelijk 10 megabyte. Het was ondoenlijk voor engineers om daar doorheen te worstelen.‘

Een waferscanner legt zijn data per lot van vijfentwintig wafers vast. Schoemaker: ’Wat er mis gaat is in de error logging te vinden. De root error helpt om aan te wijzen waar het precies mis ging in de machine. Maar doordat we veel zaken parallel draaien, is die foutmelding voor mensen niet te vinden.‘ Een kapotte sensor van enkele euro‘s in de motion control van de waferstages kan bijvoorbeeld een harde stop veroorzaken. ’Dan gaan meteen de ankers uit, omdat je wilt voorkomen dat er wafers van tienduizenden euro‘s beschadigd raken. Bij zo‘n harde stop worden er enkele registers uit een FPGA in de logfile gezet. Daaraan kun je dan in principe zien welke sensor stuk is‘, aldus Schoemaker.

Het probleem was dat eerstelijns engineers het exacte onderdeel niet konden lokaliseren. De machine weer aan de gang krijgen was een zaak van trial and error: ze wisselden de printplaten tot ze de juiste te pakken hadden. ’Vele uren downtime was vrij normaal in dit soort situaties. Je moet borden op voorraad hebben en in de communicatie met Veldhoven gaat veel tijd verloren‘, zegt Schoemaker. ’Bovendien vertrouw je het board dat je eruit hebt gehaald niet meer. Al die elektronica ging voor controle terug.‘

Met hulp van Delftse onderzoekers heeft ASML een model gemaakt van de Twinscan-hardware. Dat deden ze met behulp van Lydia, een programmeertaal om logische digitale hardware te modelleren. Schoemaker: ’Als je daar de dumpfile in stopt, zoekt het model naar de meest waarschijnlijke foutoorzaak. Service-engineers hebben die tool nu op hun laptop. Ze krijgen er bovendien de waarschijnlijkheid bij en ze zien op een plaatje welk onderdeel stuk is. Binnen enkele minuten. Dat zijn dramatische verbeteringen.‘ Jurryt Pietersma, een aio uit de groep van de hoogleraar Arjan van Gemund op de TU Delft, promoveert nu op de theorieën achter modelgebaseerde diagnose.

Tangram concentreerde zich voor modelgebaseerde diagnose op de waferhandling. ’Liefst wil je de machine helemaal modelleren, maar dat zal voorlopig niet gebeuren‘, zegt Schoemaker. Hij vind het wel jammer dat we nog niet zijn toegekomen aan het automatisch genereren van diagnostische modellen. ’Nu ontwerpen we eerst de machine en maken aan de hand van de hardware daarna pas het diagnostische model. Maar in feite hebben we onze hardware al beschreven in VHDL, Cad-files, UML-diagrammen of andere formaten. We missen de context tussen al die verschillende deelontwerpen nog. We moeten een diagnostisch model nu dus uit het design afleiden. Met de hand, in Lydia. Dat is eigenlijk een dubbele investering.‘

ASML past de diagnosetechnologie intussen ook toe in de nieuwe EUV-systemen. Daar is de afstelling van de vijf spiegels een hele toer. Door de vacuümomgeving zijn deze holle spiegels volledig aan het oog onttrokken. Als de EUV-lichtbundel door een spiegel met een fout in de positie-informatie niet doorkomt valt er nauwelijks na te gaan welke spiegel het is.

Dat wetenschappelijk-toegepast onderzoek niet valt te plannen, laten de ervaringen met modelgebaseerd testen zien. Deze onderzoekslijn kwam als enige van de vier niet uit de verf. Tom Burgman van ASML: ’Het idee is elegant. Ik sta er nog steeds achter en we zijn er niet voor niets aan begonnen. Voor de toekomst zie ik het nog steeds als een noodzakelijke stap om testen op een hoger volwassenheidsniveau te krijgen.‘

Wat houdt modelgebaseerd testen voor machinefabrikanten in? Het idee is om voor elke module die ASML maakt een test te genereren. Doet ie het, of doet ie het niet? De grens is niet altijd scherp. Soms valt moeilijk te definiëren wat fout is. Het genereren van de tests gaat bij elke machinefabrikant nog met de hand. ’Er zijn niet of nauwelijks methodes‘, zegt Beenker van Esi. ’ASML kijkt in tests vooral naar de requirements: zijn die wel of niet gehaald. Technici schrijven die tests vaak uit. Gewoon in een tekstdocument, de testspecificatie.‘ Deze aanpak verschilt ook sterk per bedrijf. Sommigen nemen de testspecificatie mee in de ontwerp, anderen geven het in zijn geheel aan de testgroep. Bij ASML wisselt het per module.

Bij een wijziging van de module wijzigt ook de test, en dus de testspecificatie. Modelgebaseerd testen automatiseert de generatie van deze tests in theorie. ’Je drukt op de knop en je hebt een testspec, dat was het idee‘, zegt Beenker. ’Wijzigt de module? Dan druk je weer op de knop en je hebt een nieuwe test.‘

Binnen Tangram werd ervoor gekozen om Torx als toolset te gebruiken voor modelgebaseerd testen. De modules en onderdelen moeten worden gemodelleerd in Lotos of Promela om gebruik te kunnen maken van Torx. Torx gebruikt de onderliggende toestandsdiagrammen om tests te genereren en de uitkomsten te toetsen. ’Je schrijft het in statediagrammen en het systeem genereert op basis daarvan testinvoer‘, zegt Brugman. ’Testingenieurs definiëren dan of een falende test een geldige overgang is.‘ ASML paste het op softwarecomponenten toe, maar het was zelfs voor relatief eenvoudige componenten toch te complex om te modelleren of de informatie om het model te maken was niet voorhanden. ’Het was voor software-ingenieurs gemakkelijker om het zelf uit te schrijven dan het in een model te vatten. Terwijl we eigenlijk een veel groter deel willen doortesten en dat ook volledig geautomatiseerd.‘

Brugman zegt dat dit deel niet uit de verf kwam door de beperkte semantiek die Torx ondersteunt. ’De problemen die Torx aan kan, zijn beperkt. Het is vooral een knoppenpracticum. Beschrijvingen als ’je doet een kwartje in de automaat en er valt een koffiekopje uit‘ zijn relatief simpel. Maar continuïteit zoals temperatuurverloop zit er nog niet in.‘ Ook de benodigde rekenkracht laat nog te wensen over. Brugman: ’We hadden al veel computerkracht nodig om een kleine component door te rekenen. Het was te complex om op te schalen.‘

Testen zou op een hoger abstractieniveau moeten komen liggen. ’Net zoals je uit UML C-code genereert, het een beetje aanpast en het is klaar. Zo zou je ook tests op een hoger abstractieniveau willen vastleggen. Het systeem beschrijven, dan automatisch de input genereren en de feedback analyseren‘, zegt Brugman.

Waarom is dat niet gelukt met Torx? Brugman: ’Je kunt er slechts specifieke type problemen mee modelleren. We wisten van die beperktheid. De opdracht was ook om het uit te breiden, bijvoorbeeld door tijdsaspecten in te brengen en temperatuur als functie mee te nemen. Maar als de temperatuur verandert, hoe test je dat? In Torx lukte dat niet. Temperatuur, luchtdruk waren niet op te schrijven in een formalisme dat de tool Torx ondersteunt.‘

ASML wil uit productiviteitsoverwegingen meer gebruikmaken van modelgebaseerd ontwerpen. Het op een hoger niveau genereren van tests in of na de ontwerpfase zou daar logischerwijs op aansluiten. ’Uit UML kun je code genereren. Dat is niet heilig, het heeft nadelen, maar hetzelfde concept moet je aan de rechterkant van het V-model ook kunnen toepassen‘, zegt Brugman. ’Dit soort stappen is nodig om testen volwassen te maken. De vraag is alleen of Torx de juiste weg is. Het levert wiskundig bewijs, maar voor ons is het wellicht niet de juiste methode.‘

’We wisten bij voorbaat dat Torx sterk was gelimiteerd. Qua praktische haalbaarheid bij ASML hadden we een aantal stappen te maken‘, zegt Beenker. ’Het was een continue discussie waar we de modellen vandaan moesten halen en of ze de moeite waard waren. Dat is niet gemakkelijk verlopen. We hebben ook geprobeerd om uit tests modellen te genereren. Ook daar hebben we ons op verkeken.‘

Kloof

Met Tangram heeft Esi laten zien een brugfunctie te kunnen vervullen. De benadering om in elke onderzoekslijn een man van ASML naast een universitaire onderzoeker te zetten pakte in ieder geval goed uit. ’Het voorkwam dat het alleen academisch zou kloppen‘, zegt Engels daarover. Maar hij is stellig over de waarde van een wetenschappelijke aanpak. ’Wij als ASML moeten academici blijven opzoeken. We doen dat tegenwoordig steeds vaker met dagen waarop we hoogleraren uitnodigen om onze probleemgebieden te zien. Jos Benschop (hoofd R&D bij ASML, RR) heeft een paar weken geleden nog een handvol profs van de TUE gebrainstormd en daar zijn serieuze uitdagingen genoteerd. Er zitten onderwerpen bij die potentie hebben.‘

tangram ASML 3

Van den Berg hamert erop om waakzaam te blijven. ’De kloof tussen wetenschap en industrie overbruggen is ongelofelijk moeilijk. Er blijft veel op plank liggen en er is weinig op korte termijn toepasbaar. Daar hebben wij wel behoefte aan: snel toepasbaar maken. Als je dit soort intensieve trajecten niet meemaakt, dan trapt elk nieuw universitair onderzoek in dezelfde valkuil.‘

De TUE-hoogleraar Rooda kan met ongeveer tien publicaties in gezaghebbende tijdschriften en tien conferentiepapers ook tevreden terugkijken. ’Er zijn drie jonge mensen gepromoveerd, waarvan er op dit moment al een bij ASML is komen werken‘, zegt hij. De Eindhovense hoogleraar zegt met een plezierig gevoel terug te denken aan de periode Tangram, maar oppert ook dat er meer in had gezeten. ’Dit is een van eerste grote projecten binnen Esi. Dat instituut moet nog leren, de industrie moet leren en de wetenschap ook.‘ Rooda pleit voor wat meer bezinning aan het begin. ’Wat langer nadenken over waar je precies naar op jacht bent. Met meer incubatietijd krijg je de probleemdefinitie scherper.‘

Ondanks het intensieve contact constateert Rooda dat Tangram ook een project bleef met eigen eilanden. ’Ik kon mijn drie promovendi wel zo aansturen dat ze met elkaar communiceerden, maar over de andere promovendi had ik niets te zeggen.‘ Ook Engels signaleert dat de oorspronkelijke ambitie om synergie te krijgen tussen verschillende lines of attention uiteindelijk niet is verwezenlijkt. ’Dat is er eerlijk gezegd nog niet uitgekomen‘, aldus Engels.

Dat het onderzoek naar modellering voor diagnose, hardwaretesten en testvolgordes voor ASML geld gaat opleveren is een no-brainer. ’Maar dat weet je nooit aan de voorkant‘, zegt Engels. ’Een project als testvolgordes zien wij binnen de industrie als een doorbraak. Maar als je daar met academici over praat, dan zit er wetenschappelijk weinig nieuws in. Ook al komen daar twee proefschriften uit. Tangram draaide juist om het toepassen van wetenschap en dat is zeker geslaagd.‘

In ieder geval staat het onderwerp test en integratie bij ASML op de agenda. De machinefabrikant richtte er speciaal een nieuwe afdeling Integratie, Test en Prototype-engineering voor op. Tammo van den Berg geeft daar nu de leiding aan. Hij heeft de opdracht om de ervaring die vooral in de softwareafdeling is opgedaan met integratie- en testengineering meer multidisciplinair te maken.