Hyper-NA na high-NA? ASML-topman Van den Brink twijfelt

De ontwikkeling van de nieuwe generatie euv-technologie verloopt veel soepeler dan welke eerdere lithografische transitie dan ook, vertelt ASML-cto Martin van den Brink. Maar komt er nog iets na? Zelf heeft hij er een hard hoofd in.

Paul van Gerven

Alles piept en kraakt bij ASML. Het afgelopen jaar verhoogde het bedrijf tot tweemaal toe zijn productiedoelen: inmiddels wil het in 2025 zo’n 600 duv- en 90 euv-scanners verschepen, tegen een kleine 200 respectievelijk 35 vorig jaar. In een doorsnee week beginnen er honderden mensen aan hun nieuwe baan. Leveringsproblemen zijn aan de orde van de dag door het aanhoudende chiptekort. En dan hebben we het nog niet eens over tegenslagen als de brand in de Berlijnse vestiging begin dit jaar, die de productie van euv-waferklemmen enige tijd lam legde.

Toch zit Martin van den Brink prima in zijn vel. Voor het eerst in lange tijd heeft de technisch topman geen problemen die als een molensteen om zijn nek hangen. Euv-scanners zijn weliswaar nog niet op het productiviteitsniveau dat klanten graag zouden zien, maar ze vormen al enkele jaren een onmisbare schakel in het productieproces van ’s werelds grootste chipfabrikanten. Een hele opluchting, na een worsteling die een decennium langer duurde dan gepland.

Ook de ontwikkeling van nieuwe generatie euv-machines, de inmiddels welbekende high-NA-systemen, verloopt voorspoedig. ‘Ik ben vanmiddag nog op de vloer geweest. Dat ding is een hoogtepunt uit mijn carrière’, vertelt Van den Brink op zijn werkkamer, waar langs de lange wand een kleine historie aan lithografische attributen staat opgesteld. Met ‘de vloer’ doelt hij op de cleanroom waar de eerste high-NA-scanner inmiddels vorm begint te krijgen. Ergens volgend jaar moet de machine klaar zijn, en volgens Van den Brink gaat dat lukken, al kunnen leveringsproblemen de timing nog verstoren.

Van den Brink blijkt zich zelfs al een aardig beeld te hebben gevormd van de technische koers die zijn bedrijf na high-NA gaat varen. Het zal waarschijnlijk zijn laatste strategische kunstje voor ASML zijn, want de verwachting is dat de met het bedrijf vergroeide topman in 2024 met pensioen gaat.

Nee, wat er in zijn nadagen op Van den Brinks bordje ligt, is allemaal behapbaar – business as usual bijna, voor zover dat kan in een bedrijf dat ’s werelds meest complexe productiemachines in elkaar schroeft. Alleen zijn bureaustoel, die krijgt Van den Brink maar niet zoals hij wil. ‘Moet je kijken wat een klotestoel. Je kunt er veel te veel aan instellen’, moppert hij als hij plaatsneemt voor het interview, demonstratief morrelend aan de armleuning.

Achter de rug

Toen Van den Brink vijf jaar geleden met het bezoek sprak, was hij ook al in een goed humeur. In een periode dat er nog hard aan moest worden getrokken om euv op de rit te krijgen, had Van den Brink zijn plan voor high-NA erdoor gekregen. Het management en de raad van commissarissen gingen akkoord met de benodigde miljardeninvesteringen, en ook optiekpartner Zeiss ging na het nodige massagewerk door de bocht. ‘Eerst wilden ze niet’, zegt Van den Brink.

‘Ik dacht destijds dat high-NA wel eens de laatste NA zou kunnen zijn. Het businessrisico was dat het te laat zou komen en de resterende krimproadmap te kort zou zijn om de investeringen terug te verdienen. Dus ik vond dat we niet konden wachten tot euv werkte.’

‘Al die transitieperiodes zijn drama’s, gevechten met jezelf. Als je het verkloot, loopt de zaak in de soep. Zeker nu de organisatie zo groot is geworden, voel je dat enorm. Je bent heel erg paranoïde. Heb je een winning proposition? Kun je dit voor elkaar krijgen?’ Het bedrijf kreeg hij uiteindelijk mee, maar Van den Brink had nog één ding over het hoofd gezien. ‘In mijn arrogantie dacht ik in 2017 nog dat ik de klanten mee zou krijgen, maar dat viel verdomme nog niet mee.’

Rond april 2018 viel alles op zijn plek. Het laatste euv-lek was boven en niet lang daarna volgden de eerste orders voor high-NA-machines. Sindsdien verlopen de voorbereidingen voor weer zo’n drama van een transitieperiode al met al vrij soepeltjes. Deze is ‘veel makkelijker’ dan welke eerdere lithografische transitie dan ook, bekent de cto.

‘Waarom zeg ik dat? Ten eerste, omdat we inmiddels goed begrijpen wat fotonen doen. Vandaag de dag hebben we nog issues met de stabiliteit van het systeem bij de korte golflengtes en de productiviteit is niet zoals we die willen. Maar de grote fysische problemen die we moeten begrijpen en opruimen – die hebben we voor een groot deel achter de rug.’

Bovendien is ASML bij elke lithotransitie afhankelijk van innovaties van buiten. ‘De resist verandert, het masker verandert, je krijgt andere defecten. Dat werkt allemaal door in de infrastructuur. Voor high-NA is de infrastructuurwijziging beduidend minder. Het risico is dus echt veel kleiner.’

Wanhopig

Verreweg de grootste uitdaging bij high-NA, zegt Van den Brink, was de constructie van de metrologietool voor de tot op 20 picometer glad gepoetste spiegeloptiek. High-NA-spiegels zijn twee keer zo groot als hun voorgangers en moeten worden doorgemeten in een vacuümketel die zo groot is dat je ‘er een half bedrijf in kunt vestigen.’ Deze ketel staat vanzelfsprekend bij Zeiss.

‘Het probleem is dat je een nauwkeurigheid nodig hebt die je niet kunt testen. Je weet nooit zeker of je nauwkeurig genoeg bent. Je kunt hooguit allerlei tests doen zodat je denkt dat hij werkt. En zo ver zijn we: we denken dat hij werkt. Maar de waarheid komt pas op tafel als we volgend jaar de eerste lens krijgen.’

Mocht er toch iets mis blijken, dan liggen er noodscenario’s klaar. ‘We hebben backups. Maar die lens gaat werken, want als hij niet werkt, hebben we genoeg vrijheidsgraden om het op te lossen. We kunnen binnen grenzen het oppervlak nog aanpassen en indien nodig individuele spiegels verwisselen.’ Een euv-lens bestaat uit meerdere spiegels, en daarnaast zijn er nog enkele nodig om het licht uit de bron te bundelen. ASML houdt het exacte aantal spiegels nog geheim.

Daarnaast wil Van den Brink de complexiteit van een systeem dat nog groter is dan een stadsbus niet onderschatten. ‘Het is een monsterlijke machine. Vroeger had een machine een paar honderd kilowatt nodig. Voor euv is het 1,5 megawatt, gedomineerd door de lichtbron. Voor high-NA is de lichtbron hetzelfde, maar hebben we 0,5 megawatt nodig voor de stages. We gebruiken waterkoeling voor de koperdraden, dat soort extremen. We pushen heel veel engineering.’

Al met al ziet Van den Brink geen showstoppers, alleen zorgen leverproblemen voor onzekerheid in de planning. ‘De timing blijft wel een beetje een probleem. Zeker met de leverproblemen van de afgelopen periode valt dat gewoon niet mee. In de nieuwe machine zitten nogal wat onderdelen die we ook in andere systemen gebruiken, en de boterham van vandaag heeft voorrang op de boterham van morgen. Het blijft wat timing betreft een crisisproject, maar ik durf wel te zeggen dat we eind volgend jaar een heel eind zijn.’

De planning is om in de loop van 2023 de eerste machine af te hebben. Die blijft in Veldhoven staan, waar ASML en Imec een gezamenlijk high-NA-onderzoekslab zijn gestart. In 2024 is het de bedoeling dat klanten hun eigen machine voor r&d-krijgen. Het jaar daarop, ten slotte, moeten de eerste productiemachines worden uitgeleverd.

Het zou ASML’s klanten grotendeels de lastige periode besparen die werd veroorzaakt door de vertragingen bij de ontwikkeling van euv. ‘Ze worden wanhopig, zo simpel is het’, zei Van den Brink in 2017, doelend op de aankondigingen van halfgeleiderfabrikanten om euv in productie te gaan nemen. Het aantal chiplagen dat met twee of meer 193-nm-(immersie)belichtingsstappen moest worden gepatroneerd, groeide klanten dermate boven het hoofd dat ze de toen nog ondermaatse productiviteit van euv voor lief namen.

Hoewel ook nu al multipatterning wordt toegepast in euv – niet per se uit lithografische noodzaak, overigens – zal high-NA wel aardig op tijd komen. ‘Klanten zijn niet wanhopig. Maar, to be fair, als high-NA nu klaar zou zijn, zouden ze het gebruiken.’

Beheersbaar

Naast high-NA in goede banen leiden is ASML’s prioriteit de komende jaren een verdere kostenreductie voor euv en high-NA, een klus waar overigens nog zeker tien jaar werk in zit, denkt Van den Brink. ‘Zolang de performance nog niet op het niveau van 193-nm-lithografie zit, valt er nog heel wat te verbeteren. Op transmissie kunnen we nog veel winst boeken, mogelijk een factor twee. En we halen nog niet elke nanometer resolutie uit de optiek. Met 193-nanometerscanners zitten we op de limiet dankzij manipulatie van het belichtingssysteem. Euv-scanners hebben nog niet dezelfde sophistication.’

Ook zal ASML nog meer inzetten op holistische lithografie. Met deze suite van metrologische en computationele technieken kunnen chipmakers hun processen binnen de vereiste bandbreedtes houden. Dat drukt het aantal defecten, wat net als een productiviteitsverhoging kostenverlagend werkt.

De vraag die de halve halfgeleiderwereld echter op de lippen brandt, is of er ná high-NA nog iets komt. Een nieuwe stap in golflengte, zoals eerder door Van den Brink geopperd, is in elk geval geen optie, onthulde ASML-vicepresident Technology Jos Benschop vorig jaar op de SPIE Advanced Lithography-conferentie. Dat heeft alles te maken met hoeken: de efficiëntie waarmee euv-spiegels licht reflecteren, is sterk afhankelijk van de invalshoek. Door een stap in golflengte zou het hoekaanbod dusdanig veranderen dat de lenzen simpelweg te groot zouden moeten worden om ervoor te compenseren.

Dit fenomeen speelt ook op bij een verhoging van de lensopening (numerical aperture, NA). Zit er dan nog een verdere verhoging van de NA in? Dat is ASML aan het onderzoeken, vertelt Van den Brink. Maar zelf denkt hij niet dat hyper-NA levensvatbaar zal blijken. “We werken eraan, maar dat wil niet zeggen dat het er komt. Ik dacht jaren geleden al dat high-NA de laatste NA zou zijn en dat denk ik nog steeds.’

Voor ‘standaard’ euv is de NA 0,33, voor high-NA is hij 0,55 en voor hyper-NA zou hij ‘boven de 0,7, misschien 0,75’ uitkomen. ‘Theoretisch kan het. Technologisch kan het. Maar hoeveel ruimte is er in de markt voor nog grotere lenzen? Kunnen we die machines straks verkopen? Ik was paranoïde over high-NA en over hyper-NA ben ik dat nog meer. Als de kosten van hyper-NA even hard stijgen als we hebben gezien bij high-NA, dan begint het economisch een probleem te worden. Al is dat ook een technologisch probleem en daar gaan we mee aan de slag.’

De insteek van het lopende researchprogramma is dan ook om met slimme oplossingen te komen die hyper-NA beheersbaar houden wat betreft kosten en produceerbaarheid. Van den Brink wil niet nog grotere monsters hoeven bouwen, zegt hij, gebarend naar een miniatuurversie van de metrologieketel in zijn verzameling langs de wand, maar ook doelend op componenten van de machines zelf. ‘We zijn echt bezig met fundamentele veranderingen in maak- en ontwerptechnieken om ervoor te zorgen dat het, als we het gaan doen, omzetbaar is.’

‘Dat is dus anders dan high-NA. Daar geloofden we in en we gingen dat koste wat kost realiseren. Nu gaan wel veel meer op de kostenconstraint inzetten, ook omdat we zien dat in de toekomst de shrink speed afneemt. Dankzij systeemintegratie blijft het de moeite waard om nieuwe chipgeneraties te produceren – daar zit de bottleneck niet. Dat is het goede nieuws. Maar de vraag is: hoe klein zijn de structuren die we ons economisch nog kunnen permitteren?’