Nearfield: schaalvergroting naar tientallen systemen per jaar en mogelijk beursgang

Nearfield Instruments maakt zich klaar voor een opschaling naar enkele tientallen metrologiesystemen per jaar. Als klap op de vuurpijl wil oprichter en ceo Hamed Sadeghian zijn bedrijf binnenkort naar de beurs brengen.

René Raaijmakers

Hamed Sadeghian wil Nearfield Instruments binnen een paar jaar naar de beurs brengen. Dat is een nogal gewaagde ambitie voor een bedrijf dat nog maar net zijn allereerste product afleverde en dat ook nog eens wordt gekweld door de uitdagingen van corona. Maar de stap toont ook Sadeghians vertrouwen in de markt en in snelle schaalvergroting. Hij verwacht dat Nearfield binnen enkele jaren zo’n vijftig tot zestig van zijn hoogwaardige Quadra-metrologiesystemen zal verschepen. Nog dit jaar wil het Rotterdamse bedrijf het aantal medewerkers wereldwijd uitbreiden van 110 naar 170.

Nearfield is actief op een bijzonder uitdagende markt, die van de chipmetrologie. Zijn machines inspecteren geïntegreerde schakelingen op deviceniveau op een schaal van ångstroms (een tiende van een nanometer). De meest voor de hand liggende klanten zijn Intel, Samsung, TSMC, Hynix en misschien nog een paar andere – de kolossen die momenteel de halfgeleidermarkt domineren en nog steeds Moore’s meedogenloze ritme volgen naar steeds kleinere details op chips.

Metrologie en inspectie voor high-end halfgeleiders mag dan een lucratieve business zijn, de markt wordt gedomineerd door gevestigde spelers. Een startup die zijn deel van de taart wil, kan hevige concurrentie verwachten. Deze turbulente arena wordt ook aangejaagd door de wet van Moore. Hoe past metrologie met atoomscherpe naaldjes in dit plaatje?

Exit

Op dit moment zou een beursgang duidelijk Sadeghians voorkeur hebben, als het gaat om een exit. ‘We willen Nearfield Instruments neerzetten als een volwassen, duurzaam bedrijf. Dit is een uitdagende doelstelling. Het leven kan morgen anders zijn, maar dit is ons uitgangspunt. Qua timing zou ik zeggen over een paar jaar.’

Tot nu toe heeft Nearfield 48,5 miljoen euro aan investeringen ontvangen. Gevraagd naar een overname door een van de bestaande leveranciers van metrologieapparatuur wijst Sadeghian de mogelijkheid beleefd van de hand. ‘Ik zeg niet dat het altijd verkeerd is’, legt hij uit. ‘Maar wij kunnen als technologieleider meer waarde toevoegen als een zelfstandig bedrijf, gezien ons potentieel en onze productroadmap. Klanten vertellen ons dat we ook op de lange termijn relevant kunnen blijven.’

Nearfield is al het hof gemaakt. ‘We hebben de technologie en een roadmap om verschillende producten op de markt te brengen. Met een snelle overname zal het potentieel niet volledig worden gekapitaliseerd, en dat zou jammer zijn.’

Sadeghian bouwde zijn vertrouwen de afgelopen tien jaar op door zijn nauwe samenwerking met top chipfabrikanten. Hij luisterde goed naar hen en liet hun zien hoe chipoppervlakken met hoge snelheid in kaart kunnen worden gebracht door ze fysiek te scannen met parallelle atoomscherpe naaldjes (‘probes’). Tot nu toe is Nearfield de enige die deze technologie in een high-end chipproductieomgeving kan aanbieden. Jarenlang hield zelfs niemand het voor mogelijk dat metrologie met gevoelige en kwetsbare atoomprobes zich zou bewijzen als een levensvatbare, betrouwbare en productiewaardige methode.

De schoonheid van afm

Sadeghian is van nature een ondernemer. Tijdens zijn studie werktuigbouwkunde aan de Technische Universiteit van Isfahan in Iran startte hij op 20-jarige leeftijd al een bedrijf dat apparatuur bouwde zoals hefplatforms, mengers en transportbanden. ‘Zwaar spul, niet per se hightech. Het was leuk ontwerpwerk, maar op een gegeven moment werd dat saai.’

Aangetrokken door het complexere werk besloot Sadeghian te promoveren. ‘Er waren een paar opties en uiteindelijk heb ik voor Nederland gekozen. Dit land is sterk in mechatronica en besturing. Ik was al bekend met ASML en wat Philips deed met optische koppen in cd- en dvd-spelers. Het project dat ik aan de universiteit van Delft aangeboden kreeg, was aantrekkelijk. Het multidisciplinaire aspect sprak me aan. Dat maakt het uitdagend en complex. Ook Europa en specifiek Nederland waren belangrijk voor me.’ Op 25-jarige leeftijd verkocht hij zijn bedrijf en ging hij naar Delft, waar hij zijn promotiewerk verdeelde tussen de afdelingen werktuigbouwkunde en elektronische instrumentatie.

Nadat hij zijn proefschrift cum laude had afgerond, ging Sadeghian aan de slag bij TNO. Daar begon hij met het opbouwen van een programma rond optomechatronische instrumentatie voor karakterisering op nanoschaal. ‘Het was duidelijk dat de karakterisering en failure analysis in de halfgeleiderproductie een knelpunt zou worden. De bestaande oplossingen met optiek en elektronenbundels zouden het over een paar jaar moeilijk krijgen. Er waren nieuwe metrologie- en inspectiemethodes nodig.’

Sadeghian startte het programma in zijn eentje. ‘TNO had geen achtergrond in scanning probe-microscopie, maar was wel goed thuis in optomechanica. Het was een goede combinatie, en ik vond het leuk.’ Kijkend naar verschillende opties kwam het atomaire-krachtprincipe bovendrijven als methode voor het op nanoschaal karakteriseren van chips. ‘We wisten dat de doorvoer extreem laag was en dat de klassieke manier van beeldvorming met atoomkrachtmicroscopie zijn beperkingen had. Voor toekomstige apparaten hadden we een beeldvormingsmethode nodig die snel was en structuren met grote hoogteverschillen kon meten. De uitdaging was om de schoonheid van afm te gebruiken en daar hoge doorvoer aan toe te voegen.’ Dit resulteerde in octrooien die later deel gingen uitmaken van Nearfields portefeuille van meer dan vijftig patenten.

Levensvatbare businesscase

Van 2011 tot 2015 werkte Sadeghian met een groeiend team om de tekortkomingen van afm voor halfgeleiderproductie weg te werken. Dat leidde uiteindelijk tot een proof of concept dat 300-mm-wafers kon scannen met parallelle scankoppen.

In deze eerste vier jaar had Sadeghian nog geen bedrijf voor ogen. Het doel was om metrologietechnologie te ontwikkelen om daarmee halfgeleiderfabrikanten en apparatuurbouwers te interesseren. ‘Ik ga altijd graag uit van de vraag. Er moet een pijn in de markt zijn. Vragen van klanten vormen de basis voor innovatie.’

Vanaf het allereerste begin voerde hij intensieve gesprekken met chipfabrikanten. ‘Welke doorvoer, nauwkeurigheid en resolutie moeten we halen? Op welke toepassing moeten we ons richten? De gesprekken resulteerden in een lijst van specificaties en eisen voor het systeem dat ik aan het ontwikkelen was.’

In het beginstadium was het niet eenvoudig om in contact te komen met de grote spelers in semicon. Maar Sadeghian merkte dat hij echt hun aandacht kreeg als hij de juiste problemen aankaartte. ‘Daar hadden zij ook belang bij. In deze industrie is het belangrijk om vertrouwen op te bouwen. Het is een lang traject om je klant te leren kennen en te laten zien dat je waarde wilt toevoegen.’

Gesprekken met fabrikanten van metrologie- en inspectieapparatuur waren eveneens leerzaam. ‘Die waren erg nuttig voor mij omdat ik de beperkingen van hun technologie en producten ging begrijpen. Zij werkten aan hetzelfde probleem. Dat was een bevestiging dat ik op het juiste spoor zat.’

Add-on

Het enige verschil was dat Sadeghian het probleem niet probeerde aan te pakken met licht of elektronen maar met scanning probes. ‘Ik heb hen benaderd om te vragen of ze geïnteresseerd waren in afm als add-on voor hun instrumenten. Omdat het niet tot hun kern behoorde, waren ze niet echt geïnteresseerd. Dat sterkte ons in de overtuiging dat we een speciale niche hadden gevonden.’

Ondertussen groeiden zijn r&d-projecten bij TNO in omvang en momentum. ‘We waren kennis aan het opbouwen die we konden gebruiken voor allerlei r&d-projecten, ook voor verschillende gebieden en toepassingen.’

Op een gegeven moment realiseerde Sadeghian zich dat er wellicht een levensvatbare businesscase zat in scanning probe-metrologie. ‘Ik weet nog dat ik met een van de apparatuurgiganten aan het praten was toen ik me realiseerde: wacht eens even, waarom beginnen we geen bedrijf in Nederland? Ik heb het idee bij TNO besproken met een paar collega’s en met Roland van Vliet (medeoprichter van Nearfield en nu verantwoordelijk voor operations, RR). We zeiden tegen elkaar: waarom zouden we het ip verkopen? We kunnen er een business, een bedrijf, van maken.’

Heel uniek

Nadenken over het opzetten van een bedrijf in een markt die wordt gedomineerd door miljardenbedrijven voelde aanvankelijk niet prettig. ‘In het begin had ik er geen vertrouwen in’, geeft Sadeghian toe. ‘Maar dan begint je hart te kloppen en zeg je: laat me het uitzoeken.’ Dus besloot hij zich serieus op de businesscase te richten door een parttime executive mba-programma in Leuven te volgen om aan een businessplan te werken en de haalbaarheid van een nieuw techbedrijf te onderzoeken. Dit betekende dat hij tot vrijdagmiddag bij TNO werkte en in het weekend aan zijn businessmaster.

Sadeghian zegt dat hij van die ervaring heeft genoten. Hij had een duidelijk doel voor ogen. ‘Elke cursus die ik volgde, elke opdracht die ik had, gebruikte ik om de haalbaarheid van mijn bedrijf te beoordelen. Een mba maakt je immers nog geen ondernemer of zakenman. De belangrijkste lessen die ik leerde, waren van de fouten die anderen maakten.’

Terwijl hij zijn mba deed, werkte Sadeghian ook aan een proof of principle voor een afm-metrologiesysteem. ‘In 2015, toen het proof of concept om volledige 300-mm-wafers te testen bijna klaar was, was mijn geld op. Het afmaken van de experimentele opstelling was duur. Maar ik zei tegen mezelf: dit ga ik niet verliezen.’ Dus stapte hij naar het bestuur van TNO en vroeg de toenmalige cfo Cis Marring en voorzitter Paul de Krom om het geld dat hij nodig had, bij elkaar 1,2 miljoen euro. ‘Ik zei: geef me 1,2 miljoen, dan breng ik 10 miljoen terug.’

Op dat moment had Sadeghian bij TNO al flink wat krediet opgebouwd. Hij leidde een groep van twintig onderzoekers, waarmee hij contractonderzoeksprojecten binnenhaalde. Dat leverde hem de geloofwaardigheid op om de financiering voor zijn proof of principle rond te krijgen. Na het afronden van zijn mba begon hij ook met het opbouwen van een goed geïnformeerde en ervaren adviesraad. ‘Met mensen in Nederland die dit eerder hadden gedaan, die wisten hoe je een bedrijf moest starten in hightech semiconapparatuur en die wisten hoe je daar fondsen voor kon werven.’ Samen met Van Vliet richtte hij in januari van 2016 officieel Nearfield Instruments op.

Bewijzen dat de technologie werkte, was destijds de grootste uitdaging, herinnert Sadeghian zich. ‘Bewijzen dat we daadwerkelijk nanostructuren konden meten met de juiste doorvoersnelheid zonder de wafers te beschadigen. Nadat we dit hadden laten zien, had ik er het volste vertrouwen in. Ik geloofde in het product en de technologie. Ik was ervan overtuigd dat dit zou werken. En dat we de problemen van deze industrie en dit marktsegment konden oplossen. We vervangen niet alles, maar we kunnen een significante waarde toevoegen aan één marktsegment en zijn in staat om een groot deel van dat segment in handen te krijgen. Dat deel van de markt hoeft niet per se extreem groot te zijn. Maar we kunnen zo’n niche wel domineren, een heel goed bedrijf opzetten en uniek, heel uniek zijn.’

Nearfield begon met het testen van wafers van de vier grootste chipfabrikanten, terwijl het de aandacht trok van investeerders. Samsung Venture Investment vroeg ingenieurs van Samsung Electronics om een technische due diligence uit te voeren. ‘Ze gebruikten Samsung Electronics om de levensvatbaarheid van onze apparatuur technisch te beoordelen. Verschillende ingenieurs uit Korea arriveerden in juni 2017 in Delft met koffers en wafers. We begonnen op maandag met alle tests en op vrijdag presenteerden we de resultaten aan hen en luisterden we naar wat zij hadden gezien. Daarna kregen we een term sheet voor een investering van Samsung Ventures en Innovation Industries. De 10 miljoen euro was daadwerkelijk binnengekomen.’

Hoog volume

Sadeghian benadrukt dat de apparatuur van Nearfield gericht is op high-end, hoogvolumechipproductie, niet op r&d. ‘We maken metrologieapparatuur die continu werkt in een waferfab. Voor r&d moet het nieuw zijn. Bij massaproductie draait alles om continuïteit, niet om verandering. Het gaat om voorspelbaarheid en het maximaliseren van de opbrengst.’

Het Quadra-systeem van Nearfield kan nauwe structuren meten van 200 à 250 nanometer diep. Dat is optisch of met elektronen niet mogelijk. ‘De behoefte aan lokale metingen is zeer groot’, merkt Sadeghian op. ‘Bij de procesbeheersing van halfgeleiders, dat wil zeggen metrologie en inspectie, zijn verschillende metingen nodig op waferniveau en op deviceniveau. Optica heeft de juiste resolutie, nauwkeurigheid en verwerkingscapaciteit om op waferniveau referentiestructuren te meten. Maar naarmate devices complexer worden, is er behoefte om het proces op deviceniveau te controleren.’

‘Een paar jaar geleden stelden ASML en STMicroelectronics in een SPIE-paper dat twee derde van de totale fouten in critical dimension-metrologie of overlay werden veroorzaakt door lokale effecten. Voor deze lokale metingen zijn er slechts twee technieken: scanning elektronenmicroscopie en scanning probes. Sem meet met zeer hoge resolutie in xy, in 2D, maar niet in de diepte, niet verticaal. Elektronen zijn bovendien destructief voor kwetsbare lagen. Dat is waar wij waarde toevoegen. We hebben een control loop ontworpen, een afm-beeldvormingsmodus, om de probe op een zeer gecontroleerde manier in diepe sleuven te laten doordringen om dichte, smalle en diepe structuren te meten, zonder destructief te zijn.’

Nearfield voert ‘actieve gesprekken met klanten’ over leveringen. ‘Je moet begrijpen dat er met elke klant bepaalde stappen en mijlpalen zijn voordat het tot een inkooporder leidt. Maar we zitten in het proces en verwachten over drie tot vier jaar vijftig tot zestig systemen te verschepen.’

Het bedrijf werkt er hard aan om zijn toeleverketen op poten te krijgen. Tot zijn partners behoren Aalberts, Capgemini, PI, Technolution, VDL ETG en VHE. De meeste van hen bedienen ook oem’s zoals ASML. Sadeghian moest er dus voor zorgen dat Nearfield niet van de prioriteitenlijstjes van de toeleveranciers zou verdwijnen. Specifiek gevraagd naar VDL ETG antwoordt hij: ‘Dit is een onderwerp dat ik vaak heb aangekaart bij het management, en ze hebben me verzekerd dat het niet zal gebeuren.’

Onder het oppervlak

De Quadra doet nu parallelle metingen met vier scankoppen. Sadeghian wijst erop dat hij een roadmap heeft voor systemen met dertig en honderd koppen. Voor dat laatste systeem – naar verwachting over tien jaar – zal de architectuur moeten veranderen.

Het Nearfield-team is ook bezig met de ontwikkeling van een nieuwe productlijn op basis van de huidige Quadra-architectuur. Dit nieuwe metrologiesysteem zal in staat zijn om structuren onder het chipoppervlak in beeld te brengen, ook met nanoprecisie. ‘Het is een ander instrument, maar we kunnen het bouwen op het bestaande Quadra-platform’, legt Sadeghian uit.

Kijkend naar roadmaps voor halfgeleiders en pratend met klanten zag Sadeghian al in een vroeg stadium de behoefte aan subsurface metrology-metingen onder het oppervlak. ‘Dit is market pull. De problemen zijn duidelijk. De oorsprong gaat terug tot de introductie van nieuwe materialen die in de chipindustrie worden gebruikt en de invloed van lokale effecten. Er zijn nogal wat metaallagen en optisch ondoorzichtige lagen die moeilijk doordringbaar zijn voor optiek en elektronen. Dus, hoe meet je op een niet-destructieve manier holtes en overlayfouten in niet-transparante lagen onder het oppervlak, bij voorkeur op deviceniveau? Dat was de vraag. Met akoestiek ben je in staat om ook devices te meten met een zeer hoge resolutie.’

Het meetprincipe is vergelijkbaar met een seismograaf. Een akoestische golf wordt gereflecteerd door de lagen van de chip en opgepikt door afm-probes die als sensoren fungeren. Sadeghian zegt dat de technologie ook geschikt zal blijven wanneer de overlay-eisen in de toekomst onder de nanometer zakken.

De beoogde klant heeft de wens geuit het akoestische systeem in 2022 te ontvangen. ‘De precieze levering hangt af van corona en de leveranciers, maar we zullen de machine zeker volgend jaar verschepen. Door het Quadra-platform te gebruiken, kunnen we dat versnellen. Toch is het erg krap. We hebben veel andere projecten, en Quadra moet hoge volumes halen. Het is lastig, maar die levering gaat ons lukken.’

Dit artikel is geschreven in nauwe samenwerking met Nearfield Instruments. Het interview is ook beschikbaar als een tweedelige podcast.