ArF- en KrF-droog, de gepimpte melkkoeien van ASML

ASML trapt op het gas in het high-end droge lithosegment. Canon is winnaar in i-line en zet zijn zinnen in frontend nu op KrF-droog. De Japanner zit steeds meer in de bloedige backend-lithografie, een vechtmarkt waarin ASML (nog) geen trek heeft.

René Raaijmakers

De media-aandacht voor oude-generatie chiplithografie staat in schril contrast met de perspublicaties over nieuwe technologie. Nu de wereldpolitiek zich met halfgeleiders bemoeit, is dat al helemaal het geval. De ontwikkelingen in volwassen chipgeneraties – ook wel nodes – staan echter niet stil. Ze zijn zelfs turbulent te noemen. Er is in ieder geval meer concurrentie. ASML is dan wel overtuigend marktleider in DUV en monopolist in EUV, Canon heeft in i-line (365 nm) het initiatief naar zich toe getrokken. Het is daar marktleider met een portfolio dat ook lithografie voor de backend afdekt.

In die snel opkomende markt strijden op dit moment een stuk of tien spelers om litho-oplossingen te leveren voor geavanceerde chipverpakkingen. Deze backend-systemen doen meestal resoluties van 1 tot 3 micrometer op fors grotere oppervlakken dan het afbeeldingsveld in frontend. Op zijn Corporate Strategy Conference zei Canon begin vorig jaar dat het fors zou gaan inzetten om zijn marktsucces in i-line te gaan evenaren in KrF.

We zien nu ook ASML versnellen in de oude nodes. Dat doen ze in Veldhoven in de eerste plaats om zoveel mogelijk waarde te leveren aan high-end klanten. Droge systemen met een ArF-bron (193 nm, tot 57 nm resolutie) of KrF-bron (248 nm, tot 80 nm resolutie) werden de afgelopen jaren overgebracht naar snelle machinearchitecturen die hun oorsprong vinden in de EUV-ontwikkeling. Daar, in de high-end, werd voor het eerst magnetische levitatie in waferstages toegepast in combinatie met veel nauwkeurigere interferrometrie voor de positionering van de wafer.

De voorloper, het luchtgelagerde XT-platform, zit met 250 300 mm-wafers per uur aan zijn max. Het NXT-maglev-platform verhoogt de doorvoer ruim boven de 300 wafers per uur en zit nog niet aan zijn maximum. Maglev was onontbeerlijk in vacuüm, maar ASML zette NXT enkele jaren later ook in om de snelheid en nauwkeurigheid te bereiken die gewenst was voor meervoudige belichtingen van enkele lagen met immersiesystemen (nat, ArFi). Nu levert het in het droge segment dus ook NXT. In 2020 verscheepte ASML zijn eerste droge ArF-systeem met de snellere technologie. Vorig jaar ging ook de eerste KrF-NXT-machine de deur uit.

Elke werkdag twee machines

Afgelopen november 2022 vertelde ASML op een bijeenkomst voor investeerders dat de toekomst er nog zonniger uitzag dan ze een jaar eerder hadden voorspeld. Voor DUV en EUV noteerde ASML hogere aantallen systemen voor 2025 en 2030, maar voor KrF- en ArF-droog was de bijstelling opzienbarend.

De groeiverwachting voor de komende jaren in ArF- en KrF-droog is zelfs spectaculair te noemen. In 2021 noteerde de machinebouwer nog een bandbreedte in de prognose voor zijn verkochte droge machines van tussen de 124 tot 189 systemen in 2025. Eind vorig jaar werd dat bijgesteld naar 180 tot 385.

Als ASML die laatste verwachting realiseert – niet uitgesloten gezien zijn reputatie in het verslaan van de eigen vooruitzichten – dan gaan er in 2025 in Veldhoven elke werkdag bijna twee droge machines de deur uit. Over ruim twee jaar. Uitgaande van 179 verkochte droge KrF- en ArF-systemen in 2022 zou dat dit jaar en de komende twee jaren een groei betekenen van 30 procent per jaar.

Twee drijvers voor droog

Waar komt het plotselinge optimisme vandaan en wat zijn ASML’s ambities in de oudere nodes? Dat vroeg High-Tech Systems magazine aan Jeroen de Groot, verantwoordelijk voor product marketing DUV, en Erik van Kouwen die bij ASML DUV productmanagement leidt en de roadmap trekt voor nieuwe productintroducties. Die roadmap gaat vooral over de verbetering en ontwikkeling van de overlay op immersie en droge systemen.

Jeroen de Groot over de bijgestelde verwachtingen: ‘In 2021 zagen we het eigenlijk ook al, maar daarvoor inderdaad minder.’ De groei in DUV-droog kent twee drijvers. In het geavanceerde segment vragen de grote fabrikanten van geheugens, logica en foundry’s meer snelheid. Simpel gesteld moeten de droge systemen daar EUV en immersie bijhouden. Daar geven de droge XT-systemen nu het stokje door aan droge NXT-systemen.

Daarnaast is er een groot marktsegment dat ASML met droge XT-platformen blijft bedienen. De Groot: ’Die tweede markt noemen we ook wel More than Moore specialty markten. Dan heb je het over vermogenselektronica, beeldsensoren, mature logic, analoog. Automotive is daar een grote aanjager. Voor die markt produceren klanten als Bosch, Infineon, Global Foundries, STM, en Texas Instruments.’

Deze chipfabrikanten investeerden lange tijd stapsgewijs, maar zetten nu nieuwe fabs neer. ‘Niet node-, maar veel meer capaciteitgedreven’, zegt De Groot. In een aantal van die segmenten is Canon redelijk sterk, beaamt hij.

Beter te matchen met immersie

Weer even terug naar de high-end. Als marktleider in DUV en monopolist in EUV heeft ASML een goed beeld van de behoefte in high-end semicon. Bij klanten als Intel, Samsung en TSMC gaat het om een hoge productiviteit, om doorvoer. Ze willen voor het aanleggen van de interconnectlagen in oudere nodes machines gebruiken die de snelheid van hun EUV- en DUV-immersiesystemen kunnen volgen.

Die laatste systemen levert ASML aan vrijwel de hele markt, dus kan het de groei uitstekend voorspellen. De Groot: ‘Daar is juist behoefte aan KrF op een NXT-platform, ook vanwege hun ervaring met dat platform bij immersielithografie. De natte en droge NTX-platforms hebben dezelfde set-up. Voordeel is ook dat KrF-lagen beter zijn te matchen met immersielagen. Als klanten door die hogere nauwkeurigheid de interconnectlagen kunnen aanleggen met een KrF-scanner (tot 80 nm) in plaats van een ArF-scanner (tot 57 nm) dan is dat goedkoper voor ze.’

In mature markten hoeft het niet supersnel

Voor de mature, meer conservatieve markten zijn supersnelle systemen niet de eerste keuze, zelfs niet voor nieuwe fabs. Meestal breiden chipfabrikanten hun installed base daar stap voor stap uit. Als ze nieuwe fabrieken neerzetten, dan willen ze dat doen met zo min mogelijk aanpassingen aan de productietechnologie om eerder vrijgegeven producten betrouwbaar te leveren – een belangrijke eis in bijvoorbeeld automotive. De Groot: ‘Die chips zijn ooit op XT-systemen of zelfs PAS-systemen gemaakt.’

NXT in een oude fabriek is als een Ferrari in een woonwijk. Het matcht niet met de infrastructuur, de automatisering en maskers. ‘Er zijn in die markt klanten die hun producten al twintig jaar maken. Zij zijn meestal ingericht op een grote productdiversiteit en kleine series. Daarvoor willen ze een flexibel platform. Doorvoer is niet hun eerste prioriteit. We zien daar wel een veel grotere groei dan iedereen voorspeld had. Dus groeit ook XT sneller en dus moeten we voor KrF nu twee platformen onderhouden.’

Typische XT-markten

Ook in geheel nieuwe fabrieken met oude-generatie-technologie valt de keuze vaak op XT-systemen. De Groot: ’Alleen als klanten een nieuwe technologie introduceren in hele grote volumes is NXT een optie.’

Maar platformkeuzes zijn afhankelijk van meerdere factoren. In power-ic’s is siliciumcarbide bijvoorbeeld een groeimarkt. SiC-wafers zijn op dit moment echter alleen in voorspelbare aantallen in 150 en 200 millimeter diameter te leveren. Dat diskwalificeert een duur 300 mm-high-throughput-platform. ‘Het is op dit moment typisch een XT-markt’, legt De Groot uit. ‘De powermarkt draait zelfs voor een heel groot deel nog op i-line, op onze PAS- of Canonsystemen.

De late introductie van NXT voor ArF- en KrF-droog heeft te maken met ASML’s prioriteiten die in engineering vooral bij immersie en EUV ligt. De Groot ontkent dat overigens: ‘Als we eerder waren geweest met KrF op NXT, dan weet ik niet of klanten daarop hadden kunnen inspelen. De processen, de wafertrack, de fabrieksautomatisering, alles moet naar een snelheid van 400 wafers per uur. Dat is niet iets wat je van de ene op andere dag voor elkaar krijgt.’

’Het is veel meer een natuurlijke groei. De eisen aan overlay in EUV en immersie nemen toe. Klanten willen hun proces goed onder controle houden tijdens de node-transities. Daarvoor heeft NXT-droog de juiste snelheid in ontwikkeling doorgemaakt. ArF-droog hebben we op NXT in 2020 geïntroduceerd met 300 wafers per uur. KrF gaat naar 400 wafers per uur. De eerste tien NXT-KrF-systemen, met als tussenstap 330 wafers per uur, staan al bij klanten.’

Wat verwachten die klanten?

‘Als je kijkt naar het droge ArF-systeem NXT1470 dan waarderen ze met name de overlay (beter dan 4,5 nm). Samen met een betere resolutie (57 nm) vinden klanten dat nog belangrijker dan een hoge throughput, want het aantal ArF-lagen in devices bij onze klanten is niet zo hoog dat je daar een hele hoge doorvoer voor nodig hebt. Het is daar continu overlay matchen met immersie. De snelheid is voldoende.’

‘We zien foundry- en logicklanten minder KrF-lagen toepassen. Dan praat je over een stuk of tien lagen in de meest geavanceerde chips. Maar fabrikanten van 3D-nand-chips gebruiken meer KrF-lagen om meer geheugencapaciteit te krijgen. Die voegen dus echt meer nieuwe KrF-lagen toe.’

‘Maar in het algemeen zoeken klanten steeds naar de meest kosteneffectieve technologie. Elke processtap proberen ze zo goedkoop mogelijk te houden en vrijwel altijd zijn minder processtappen ook gunstig. In sommige gevallen betekent dat dat je meer KrF-lagen krijgt, in andere gevallen kun je met EUV of immersie meer in één laag onderbrengen, waarmee je KrF-stappen kunt overslaan. Dus dat wisselt nogal.’

Lage kosten en overlay wegen dus zwaarder in de systeemeisen van KrF en i-line dan resolutie. In tegenstelling tot ArF-immersie en EUV, waar zowel lijnbreedte, matching tussen lagen, en doorvoer zwaar wegen.

I-line en KrF-litho zien we nu wel meer doordringen in de geavanceerde backend, voor het samenstellen van complexe chipverpakkingen. Wordt dit ook een belangrijke markt voor ASML? ‘Dat ligt aan de lithocontent’, zegt De Groot. Hij omschrijft de backend lithomarkt als opportunistisch. In chipverpakken gespecialiseerde bedrijven gebruiken heel veel bestaande technologie, vaak tweedehands machines die eerder voor frontend gebruikt zijn. Ook zijn er intussen leveranciers die in één keer met i-line grotere velden belichten en zo de kosten verlagen. ‘Dat zit allemaal boven de micron, je praat over 2 tot 3 micron.’

Halen jullie überhaupt informatie op in de backend-markt?

Van Kouwen: ‘Ja, en die leggen we in onze bureaulade.’

Niet de markt waar ASML de ogen op richt?

De Groot: ‘Dat ligt eraan hoe de toekomst eruit gaat zien. We houden het in de gaten. Als daar in de toekomst meer resolutie nodig is, dan zou dat interessant kunnen zijn. Wij verkopen vooral veel i-line bij bestaande klanten waar we een compleet portfolio aanbieden.’

Canon groeide in de afgelopen tien jaar uit tot marktleider in i-line. Het heeft nu een heel portfolio met machines voor deze golflengte, waaronder steppers voor wafer level en daarnaast voor panel level packaging voor het belichten van grote vierkante substraten.

ASML had in de afgelopen twee decennia alle aandacht nodig voor immersie en EUV. Ook voor i-line-systemen gaat de aandacht vooral uit naar het bedienen van de high-end klanten. De machinebouwer heeft nu twee nieuwe i-line-systemen – er staat er maar eentje op de ASML-website (de XT400L met 230 wafers per uur). Van Kouwen: ‘Als ze het complete portfolio bij ASML kopen [van EUV naar i-line] dan is dat extra waardevol. Klanten zijn dan niet afhankelijk van een andere litho-supplier. Het geeft ze kostenvoordelen als ze de hele infrastructuur van hun fabs matchen met ASML-equipment.’

De Groot wijst daarnaast naar SiC als greenfield markt voor i-line. ‘Canon heeft natuurlijk een grote installed based voor i-line. Die klanten zullen zij goed blijven bedienen, maar voor ons kan siliciumcarbide marktopeningen bieden.’ Hij maakt zelfs een bruggetje naar backend. ‘Met de definitie van een nieuw i-line-platform ga je in ieder geval kijken of het interessant kan zijn, advanced packaging, al is dat best een lastige.’

In een markt met meer concurrentie gaan kosten zwaarder wegen in system engineering. Zeer diverse klanteisen zorgen daar bovendien voor een groot aantal technologische uitdagingen. De Groot: ‘Je ziet een groei in complexiteit. Je hebt te maken met verschillende type wafers, materialen, warpages en alignmenttechnieken.’

Van Kouwen: ‘De nieuwste nodes hebben nog steeds maar een beperkt aantal EUV- en immersielagen, de rest is DUV-droog. Het moet allemaal matchen en het aantal KrF-lagen is groot. Bij DUV-droog is er een veel groter speelveld met veel meer uitdagingen in de productontwikkeling. Er zijn heel veel verschillende applicaties met totaal andere uitdagingen. Het is veel diverser dan EUV-ontwikkeling. Daar gaat het om de grens steeds op te rekken.’ Met een grijns: ‘Eigenlijk vrij saai.’