Frits Klostermann (1933-2024), pioneer in precisiesystemen voor lithografie

Frits Klostermann ontwikkelde in de jaren zestig twee precisiesystemen voor lithografie. Ze vormden later de basis voor de eerste waferstepper.

In ASML-kringen is hij nauwelijks bekend, maar Frits Klostermann legde op het Philips Natuurkundig Laboratorium (Natlab) mede de basis voor de lithografie waar het bedrijf uit voort is gekomen. Niet alleen in technologisch opzicht, hij betrok vele onderzoekers en medewerkers van de werkplaats bij de ontwikkeling van een maskerschrijver en fotorepeteerapparaat voor chipcontactmaskers. Met zijn ervaring in het maskercentrum van het Natlab had hij een goed gevoel voor de wensen van vele Philips-divisies op lithografisch gebied. Mensen die deze vaardigheid combineren noemen we tegenwoordig systeemarchitect.

In de aan anarchie grenzende cultuur van het Natlab was Klostermanns rol als dirigent bijzonder. Onderzoekers konden in de jaren zestig in feite kiezen waar ze aan werkten. Als je op het lab iemand anders bij je project wilde betrekken, dan moest je een goed verhaal hebben. Iedereen besteedde zijn tijd aan de onderwerpen die hen het meest uitdaagden. Er was diplomatie en souplesse nodig om een apparaat samen te stellen waarin elektronica, software, optiek, pneumatisch en mechanische technologie samenkwam. ‘Klostermann zette door waar anderen het opgaven’, zegt oud-Natlabcollega Peter Wouters.

Klostermann was niet de makkelijkste. Hij kon zijn collega’s eindeloos doorzagen over technische details en oplossingskeuzes – in Veldhoven noemen ze dat tegenwoordig reviewen. Hoe dan ook, hij had het technische talent en de sociale vaardigheden om een apparaat te construeren met zowel hoge precisie als productiesnelheid.

Net als andere oud-Natlab-gedienden bleef Klostermann naar zijn oude werkplek verwijzen als een research-walhalla. Op het Natlab was iedereen zeer collegiaal, zei hij in 2017 nog tegen me. ‘Je kon altijd overal binnenlopen. Iedereen had overal tijd voor.’ Klostermann zette met assistenten de eerste cleanroom op het lab in elkaar. In zijn vrije tijd musiceerde hij als hoboïst met Natlab-collega’s.

Klostermann is overigens niet de uitvinder van het fotorepeteerapparaat. De David Mann-divisie van het bedrijf Geophysical Corporation of America (GCA) bracht deze lithografische instrumenten al in 1962 op de markt. Het Natlab kocht de machine in 1963. Klostermann bestudeert het instrument zeer grondig en bouwt uiteindelijk een eigen, sterk verbeterde versie.

Bouwstenen

Nadat Herman van Heek en Gijs Bouwhuis in 1971 de eerste schetsen van de waferstepper op papier zetten, had Van Heek de bouwstenen voor zijn machine voor het grijpen. Die had Klostermann in de jaren daarvoor met meesterconstructeur Ad Bouwer bedacht en gemaakt: waferstages met hydrostatische (olie)lagers en een focusseersysteem met luchtlagers. Het zorgde ervoor dat Van Heek binnen drie jaar – eind 1973 – een werkende stepper kon demonstreren.

Dyslexie

Klostermann was de jongste van een gezin dat afstamt van een Noord-Duitse, Oldenburgse familie. Die was vanaf het begin van de negentiende eeuw actief in Nederland met handel in manufacturen, leer en schoenfournituren. Hij ging vanaf 1939 naar de lagere school, maar dyslexie speelde hem parten. Rekenen, lezen: alles ging lastig. Maar hij groeide er overheen. Na de mulo-b ging hij naar de hts-werktuigbouw, waar hij in zijn praktijkjaar in Duitse en Engelse machinefabrieken werkte. Hij studeerde af met lof en de directeur van de hts adviseerde hem met klem om natuurkunde te gaan studeren in Delft.

Een studiebeurs zat er niet in, want Klostermann had toen nog de Duitse nationaliteit. De hts-directeur regelde echter een renteloos voorschot bij het Noord-Brabants Studiefonds, waarna hij toch naar Delft kon. Na zijn afstuderen solliciteerde Klostermann op aanraden van zijn hoogleraar bij het Natlab.

Glinsterend juweeltje

Net aangekomen in Eindhoven kreeg de toen 29-jarige in 1962 de opdracht om een geïntegreerde schakeling te maken. Bij Philips produceerden ze toen al transistoren en weerstanden op basis van halfgeleiders, maar alles nog in losse onderdelen.

De directie van het lab werd destijds wakker geschud door de snelle vorderingen van de Amerikanen. Adjunct-directeur Piet Haaijman had van een recente reis naar de Verenigde Staten een geïntegreerd circuit meegenomen en had dat flintertje silicium in een permanente opstelling onder een microscoop gelegd. Iedereen kon de chip bewonderen.

Nadat hij het glinsterende juweeltje heeft gezien, krijgt Klostermann van zijn groepshoofd Leo Tummers te horen: ’Dit moeten wij ook kunnen.’ De jonge onderzoeker besluit daarop dat er een nieuw afbeeldingsapparaat nodig is om onderdelen als transistoren, weerstanden en condensatoren te integreren. Binnen een paar maanden bouwt hij met objectieven van de fotograaf op de hoek een eerste opstelling.

Ze stellen hem op het Natlab een aantal jaren aan als hoofd van het maskercentrum. Daardoor duurt het nog tot eind jaren zestig voor hij zijn Philips Photo Repeater kan realiseren, maar het levert hem een schat van ervaring. Het fotorepeteerapparaat is uiteindelijk een weergaloos succes binnen de productdivisies die de eerste ic’s maken. Ook ontwikkelt hij daarna de zogenaamde Optycograph, een machine die aangestuurd door een ponskaart-computer met een lichtpen maskers tekent.

Research exhibition

Klostermann en Bouwer demonstreren hun prototype zesvoudige repeteercamera eind mei 1967 op de research exhibition van het Natlab. Het apparaat kan 2 micron lijntjes projecteren op contactmaskers van 4,3 millimeter in het vierkant (in het centrum halen ze zelfs 1 micron). De fout in overlap – wat je zou kunnen vergelijken met overlay – bedraagt slechts 0,25 micrometer.

De chipfabriek van Elcoma in Nijmegen ontvangt in de zomer van 1967 al de eerste fotomaskers die ze op het Natlab maken met deze six barrel photorepeater. Snel daarna begint het lab al met de bouw van een tweede photorepeater die ze in januari 1968 installeren in Nijmegen. Later gaan er ook machines naar de Elcoma-vestigingen in Hamburg en Cannes.

In tegenstelling tot de apparatuur van het Amerikaanse bedrijf David Mann heeft de Philips Photorepeater geen last van kromtrekken doordat de geconditioneerde oliecirculatie van de stages niet alleen een perfecte smering is, maar ook de temperatuur stabiel houdt. De chipfabriek in Nijmegen gaat zelfs maskers maken voor Britse firma’s en het Amerikaanse Fairchild. Het maskercentrum verdient in die tijd geld als water met de repeteercamera.

In de zomer van 1969 vraagt de Natlabdirectie aan Klostermann of hij groepsleider wil worden van de groep die opneembuizen voor televisies ontwikkelt. Jarenlang werkt hij daar aan een miniversie van de beeldsensor Plumbicon voor draagbare videocamera’s, maar de opkomende CCD-technologie maakt het werk uiteindelijk overbodig. Daarna vraagt Klosterman in 1985 zelf aan zijn directie om de groep op te heffen.