Na litho richt ASML zich op chipmetrologie

ASML is een doorgewinterd hardwarebedrijf – gebouwd op fysica, gebouwd door fysici. Litho-apparatuur is nog steeds de belangrijkste inkomstenbron, goed voor 70 tot 80 procent van de omzet. Maar in de afgelopen twintig jaar heeft het bedrijf zeer ijverig computationele technologie en meetsystemen toegevoegd om zijn steppers en scanners te ondersteunen. Data en software hebben nu een grote invloed op ASML’s onderzoek en ontwikkeling. Met een beetje goede wil kun je stellen dat zonder metrologie, data, rekenwerk en correctielussen de nieuwste lithotechnologie geen enkele die zou kunnen produceren. Het is zeker zo dat chipfabrikanten zonder dit alles niet de opbrengsten zouden realiseren die nodig zijn voor een winstgevende halfgeleideractiviteit.

Het begon allemaal in 1999 met de acquisitie van Masktools, een bedrijf met slechts tien werknemers dat werkte aan technologie voor maskeroptimalisatie. De nieuwste aanwinst in deze jacht is Hermes Microvision (HMI), ten tijde van de 2,75 miljard euro acquisitie in 2016 een Taiwanese leverancier met 350 medewerkers van e-beam patroonverificatiesystemen. Volgens ASML heeft HMI nu het aantal mensen verdubbeld – mede dankzij de overname van de experts van het Delftse e-beam lithobedrijf Mapper, dat eind 2018 failliet ging.

Digitale technologie en gegevens worden steeds belangrijker om chips te produceren. Niet verrassend betekent dit business. Het potentieel is zo groot dat ASML het aanpakt met een speciale businesslijn: Applications. Deze activiteit omvat computationele lithografie, optische en e-beam metrologie, procesbesturingssoftware en elektronenbundelinspectie. Op de recente investeerdersdag van ASML wees Applications-baas Jim Koonmen erop dat hij verwacht dat zijn tak ‘tot 2025’ met een gemiddeld jaarlijks percentage van ongeveer 15 procent zal groeien.

Dat betekent dat ASML op weg is om meer dan de helft van zijn totale adresseerbare markt voor applicaties te winnen – naar schatting 5,5 miljard euro in 2025. Als de litho-gigant daarin slaagt, kan hij dat jaar rekenen op meer omzet met metrologie, tooling en datagerelateerde activiteiten dan de totale omzet in steppers en scanners was ongeveer tien jaar geleden.

Precisiechirurgie

ASML verbergt niet langer dat het met deze strategie de frontale aanval zoekt met KLA, tot nu toe de grootste metrologieleverancier in de halfgeleiderindustrie. Met de tooling en producten rond metrologie kan het Veldhovense bedrijf de algehele lithoprestaties aanzienlijk verbeteren. Computationele litho is in staat om de hele patroonvorming in de scanner te simuleren. Sensorgegevens, geavanceerde data-analyse en machine learning-algoritmen helpen allemaal de scannerinstellingen te optimaliseren voor een groter procesvenster: het hele chipproductieproces wordt minder kwetsbaar voor procesvariatie. Fab-processen zoals depositie en etsen kunnen variëren of zelfs buiten de lijntjes kleuren en de opbrengst in gevaar brengen, maar litho kan dit corrigeren en compenseren.

Verwerkte wafers worden gemeten en metrologie-instrumenten verzamelen gedetailleerde informatie overal in de fab: in het lithosysteem, maar ook tussen verschillende processtappen. In het verleden richtte ASML zich vooral op de chipdetails, nu houdt het bedrijf het hele productieproces in de gaten en neemt het feitelijk een groeiende verantwoordelijkheid voor het reilen en zeilen van de hele waferfabriek.

Litho is een zeer efficiënt proces voor het printen van lijnen en open ruimtes, maar bij het 32nm-knooppunt werd het onmogelijk om een werkende chip te maken in een enkele optische 193 nm laserscan. Om geavanceerde structuren te blijven verkleinen, hadden chipfabrikanten meer belichtingsstappen nodig in een proces dat double of triple patterning werd genoemd. Dit is een kritieke procedure waarbij lijnen worden afgedrukt en gesneden met een tweede of derde belichting om de benodigde schakelingen te maken.

Dit verhoogt de complexiteit. Meer belichtingen voor de meest kritieke lagen resulteren in nog hogere eisen aan de afstemming van patronen. Het probleem is dat na elke belichting de wafer elders in de fabriek talloze bewerkingen moet ondergaan om daarna opnieuw in de scanner te worden geladen, waardoor de foutkansen toenemen. ‘Door de wafers opnieuw te laden en opnieuw bloot te stellen, heb je te maken met onzekerheid’, legde ASML-cto Martin van den Brink vorig jaar op de Investor Day uit. Hij vergeleek het proces met precisiechirurgie waarbij zowel de grootte van het mes (kritieke dimensie) als zijn positie (overlay) belangrijk zijn.

‘Zoals alles in het leven wanneer je messen gaat gebruiken”, zei een grijnzende Van den Brink, ‘moet je alleen snijden waar je van plan bent te snijden en de goede delen niet beschadigen.’ Bij lithochirurgie stelt dit eisen aan de tolerantie voor de snede en voor de omgeving. ‘Als je de afmetingen naar beneden, heeft dat gevolgen voor het hele proces’, verduidelijkte Van den Brink. ‘Onze hele holistische benadering is gericht op het verlagen van de tolerantie van dit proces.’

Precisiechirurgie in chiplithografie is een blijvertje. Voor de meest geavanceerde processen zal EUV enige verlichting bieden, maar al snel is ook daar double patterning vereist om de halfgeleiderindustrie op gang te houden.

Foutenmarge

In die geavanceerde knooppunten zijn de randen van de lijnen op chips eigenlijk nooit recht. Met kleinere details heeft die ruwheid meer invloed op de vereiste overlay. Deze afstemming wordt steeds belangrijker nu de overlayspecificaties onder de grens van 2 nanometer schieten.

Overlay en de uniformiteit en precisie van het gedrukte patroon vormen wat litho-experts het edge placement error-budget (EPE) noemen. Dit is de patterning-foutmarge in geavanceerde knooppunten waar overlay en featuregrootte elkaar beïnvloeden. Het hele spel van details verkleinen en de opbrengst hoog houden, is gericht op het EPE-budget.

In een presentatie op de investeerdersdag van vorig jaar toonde Koonmen een historische grafiek die de groeiende invloed van ASML liet zien op fabprocessen die het EPE-budget bepalen. In 2005 was de productportfolio van het bedrijf – op dat moment voornamelijk bestaande uit scanners – gericht op de helft van het EPE-budget. Zeven jaar later, na toevoeging van computationele litho- en maskercorrectietechnologie met de acquisitie van Brion en de ontwikkeling van zijn optische metrologieplatform Yieldstar, kon ASML 75 procent van de EPE-parameters regelen. Volgend jaar, wanneer de chipindustrie verwacht het 5nm-knooppunt te bereiken, denkt het lithobedrijf zijn invloed op het EPE-budget uit te breiden tot 90 procent met geavanceerde scanneractoren, procesbesturingssoftware, HMI’s e-beam metrologie en inspectie, het gebruik van Yieldstar en e-beam voor het verzamelen van informatie na het etsen.

Zo’n pakket van producten dat in staat is om aan bijna alle EPE-vereisten van de klant te voldoen, is van grote waarde, benadrukte Koonmen: ‘De EPE is wat hun opbrengst echt beheerst. Dit bepaalt hun prestaties.’ Van den Brink voegde eraan toe: ‘De markttrends komen terug in onze producten en machine learning wordt een belangrijk onderdeel van de vooruitgang.’