Opdelen, overzicht houden, keuzes maken en afstemmen

Systeemengineers en -architecten zorgen bij ASML voor de juiste technische keuzes met als doel maximale waardecreatie. In dit tweede deel van een uitgebreide reportage gaat het over de productgeneratie, het daadwerkelijk ontwikkelen, assembleren en integreren van de systeemdelen. De centrale thema’s zijn opdelen, overzicht houden, keuzes maken en afstemmen.

René Raaijmakers

Je zou denken dat ASML’s productgeneratieproces (PGP) begint met nanometerbudgetten en supersonische versnellingen. Maar nee. Zoiets basaals als logistiek is allesbepalend als systeemengineers in Veldhoven starten met een wit vel papier voor een nieuwe machine.

Op dit moment vervoert ASML elk euv-systeem met drie Boeing 747-vrachtvliegtuigen naar klanten. Hoe zal dat rond 2025 gaan, met de high-na-systemen? De Twinscan EXE:5000 en EXE:5200 die voor begin volgend jaar op de planning staan, zijn weer een maatje groter en dat betekent dat het productteam in Veldhoven opnieuw alle transportopties op tafel legt. De beslissingen hierover zijn al genomen, klanten bereiden zich voor, details zijn nog niet gedeeld.

Het is dus nog even gissen welk formaat volgt op de dubbeldekkergrote NXE’s. Zijn er straks vijf of zes 747’s nodig voor elk EXE-systeem? Is Zeiss de optiek voor deze generatie demonteerbaar aan het maken voor vervoer? Of schakelt ASML over naar een droomscenario met drop shipments waarbij het zijn modulaire systemen pas in waferfabs in elkaar zet? In dat geval vertrekken de systeemmodules vanaf de productie/assemblagelocaties rechtstreeks naar klanten in Azië en de VS. De euv-bronlaser uit Ditzingen, de lenzen uit Oberkochen, de reticle handlers uit Wilton en de frames met waferstages en elektronica uit Veldhoven.

Het kan niet anders of de drop shipment-optie intrigeert ASML’s systeemdenkers. In potentie levert het een kortere time-to-market op en een reductie van het kerosineverbruik is mooi meegenomen. Duurzaamheid is immers van toenemend belang in het verhaal naar aandeelhouders.

Lead times

Naast de fit met vervoermiddelen bepaalt de omvang van de Twinscans direct de grootte van de peperdure chipfabrieken. Dus moet de machinevoetafdruk zo beperkt mogelijk zijn. Pas als afmetingen en aansluitingen bekend zijn, kan de industrie verder met haar planning.

De optiek is technologisch gezien de dirigent van het ontwikkelorkest. De projectielenzen van Zeiss vormen het hart van ASML’s lithosystemen en zijn allesbepalend. Omvang en vorm dicteren de rest van de architectuur. ‘Voor euv was het realiseren van dit lensdesign de eerste en meest belangrijke activiteit’, zegt Frank de Lange, senior manager systeemengineering bij ASML. ‘Pas toen de concepten voor de euv-lens klaar waren, konden we scenario’s voor de systeemarchitectuur gaan maken.’

Na de lens volgen de andere aspecten. De Lange: ‘Sommige delen zoals lenselementen of machineframes hebben heel lange lead times. Soms is er speciale fabricage of testapparatuur nodig.’ Een voorbeeld zijn de omvangrijke testsystemen die Zeiss gebruikt om zijn spiegels met atomaire precisie na te meten. ‘Ook die activiteiten wil je zo snel mogelijk starten gedurende de systeemdesignfase’, zegt De Lange. ‘Een waferhandler zit minder op het kritische pad dan een lenselement. Het is een kwestie van choose your battles.’

De Lange noemt nog een voorbeeld uit de ontwikkeling van euv. ‘Gebaseerd op de gekozen lensconcepten kwamen er behoorlijk hoge requirements uit voor de versnelling van de reticlestage in de systemen. Dat resulteerde in een nieuw concept met heel uitdagende technologie. We besloten destijds om daarvoor een prototype te bouwen.’ Voor een ander subsysteem dat minder hoefde te veranderen, werd beslist om het bestaande design uit de NXE aan te houden in het EXE-systeem. ‘Daar werd niet veel designwerk voor gedaan want het was minder kritisch.’

Hele wereld

Als we uitzoomen, dan draait het in het productgeneratieproces om de productontwikkeling en alles wat nodig is om een duv- of euv-scanner of metrologiesysteem te bestellen, bouwen, verschepen, installeren, onderhouden en verwijderen. ‘Al hebben we niet zo veel ervaring met de laatste stap want zo’n beetje alle systemen die we hebben gebouwd, doen het nog steeds’, stelt De Lange. In feite is ook de Lithocruiser-software voor procesoptimalisatie een ASML-product, maar in dit artikel houden we het bij hardware.

Waar ASML zo’n beetje de hele wereld betrekt bij zijn productroadmap, is het productgeneratieproces vooral een aangelegenheid van ASML intern en designpartners als Zeiss, Trumpf en VDL ETG. Ook volgen ze in Veldhoven de designvoortgang bij dochters en kleinere externe leveranciers.

Jan en alleman bemoeit zich ermee. Naast transport zijn dat allerlei disciplines die niet direct te maken hebben met de ontwikkeling: representanten van de fabrieken, inkoop, customersupport, financiële experts, ze spelen allemaal in het PGP-orkest. Ook een afdeling als het project management office, dat waakt over zaken als best practices, het vergaren van statistische informatie en het creëren van documentatie, handleidingen en trainingsmateriaal.

Drie rollen

Naast de hiervoor genoemde disciplines zijn er drie hoofdrollen te onderscheiden in het productteam dat het productgeneratieproces voor één machinetype leidt. Dat zijn de product development manager (de feitelijke leider van de betreffende systeemontwikkeling), de productmanager (verantwoordelijk voor marketing) en de productsysteemengineer (samen met zijn team systeemengineers en systeemarchitecten verantwoordelijk voor het systeemdesign).

In hoofdlijnen moet dat productteam omgaan met drie beperkingen: specificaties (onder meer gedicteerd door de wet van Moore), de time to market en het beschikbare budget om de machine te realiseren. Daarbij valt wel op te merken dat ASML een nogal bijzondere positie inneemt. In elke andere technologiegedreven markt is er sprake van concurrentie, maar doordat het Veldhovense bedrijf het absolute leiderschap in chiplithografie heeft verworven, zijn de triple constraints voor de Brabantse machinebouwer behoorlijk rekbaar gebleken – maar ook weer niet oneindig. Kijk maar naar de jarenlange vertraging die euv opliep en de 2 miljard die ASML jaarlijks uitkeert aan aandeelhouders en die het bedrijf dus niet in innovatie steekt.

Modules

Vanaf een afstand bekeken, is de functie van een lithografische scanner behoorlijk stabiel gebleven over de afgelopen decennia. De machines bestaan nog steeds uit onder meer een lichtbron, optiek en waferstage. Deze modules zijn wel ingewikkelder geworden. De lamp in een i-line-machine is in de nieuwste systemen verdrongen door een zeer complexe euv-bron.

Door die gelijkvormigheid is het mogelijk om de functionele architectuur van het systeem te hergebruiken. Modulariteit staat daarbij centraal.

Dit is onder meer handig als het gaat om afspraken over eigenaarschap. De machinedecompositie is ook zodanig dat alle functionaliteit voor een subsysteem vastligt en er geen overlap is met andere subsystemen. ‘Samenwerking tussen de subsystemen is natuurlijk nodig’, weet De Lange. ‘Er zijn functies of omstandigheden waarbij meerdere subsystemen moeten samenwerken, zoals het verplaatsen van een wafer van de waferhandler naar de waferstage. Een van de partijen is dan altijd eigenaar van die overkoepelende functie maar moet wel afstemmen met de anderen over het design van die overkoepelende functie.’

Modulariteit zorgt ervoor dat projecten zo onafhankelijk mogelijk kunnen draaien maar brengt daarnaast nog vele andere voordelen. Het maakt samenwerking met partners makkelijker, het is goed voor fabriceerbaarheid en onderhoud en, last but not least, het maakt systeemupgrades makkelijker – met de groeiende installed base een almaar uitdijend deel van ASML’s business.

Iteratief proces

Het PGP begint met een initiële systeemarchitectuur die het systeemengineeringteam definieert in nauwe samenwerking met de architecten van de subsystemen. Uit de systeemeigenschappen volgen de eigenschappen voor de functies. De teams beginnen met designs, maken budgetten en kijken naar de belangrijkste aspecten. ‘Daar waar de onzekerheden of risico’s groot zijn en de modellen niet voldoende zekerheid bieden, moeten we heel gedetailleerde designs of zelfs proto’s maken.’

Terwijl engineers de ontwerpen aanscherpen, delen de teams de kennis ‘naar boven en beneden’. De Lange: ‘Dit geeft vanzelfsprekend behoorlijk wat discussie. Er zijn veel mensen bij betrokken en de grote uitdaging is om de neuzen in dezelfde richting te krijgen en het tempo hoog te houden.’ Waar nodig komen aanpassingen in het ontwerp. Zelfs de specs kunnen onderweg nog veranderen. ‘Dit iteratieve proces gaat maar door en door, terwijl het systeemdesign groeit.’

Het proces van ruwe architectuur naar productiewaardig systeem is een avontuur dat steeds spannender wordt. De snelheid moet erin blijven, maar op het moment dat schetsen veranderen in prototypes of bestellingen nemen ook de risico’s toe. ‘Zolang je met modellen speelt, is er nog niet veel aan de hand, maar als je de systeemarchitectuur of het lensconcept verandert en je zou materiaalorders voor gedetailleerde frames of glas moeten veranderen, dan wordt het pijnlijk. Toch moet je wel verder, want als je te laat start, dan verlies je tijd. Niets doen is geen optie.’

Het probleem kan ook uit een andere hoek komen. Denk aan een technisch issue of een supplier die niet op tijd kan leveren. ‘Dat is onlangs nog gebeurd. Een toeleverancier liet weten dat ze een belangrijk onderdeel van de waferstage niet binnen de overeengekomen tijd konden leveren. Op korte termijn heb je een integratieprobleem en op de lange termijn moet je nadenken over een alternatief.’

Om taaie knopen door te hakken, zijn er de vermaarde vieruursessies. ‘Zo aan het einde van de dag willen mensen naar huis’, vertelt De Lange. ‘Dat voorkomt dat de meeting uitloopt.’ De vieruursessies hebben het doel om belangrijke besluiten te nemen. Allerlei problemen kunnen op tafel komen: aanhoudende meningsverschillen in teams, problemen bij toeleveranciers of een systeemengineer met een blijvend dilemma.

Al dit soort gevallen kunnen aanleiding zijn om een vieruursessie te starten. Alle belangrijke stakeholders uit het productteam zijn dan aanwezig en alle aspecten komen op tafel. Het vraagt dus een zeer goede voorbereiding van de persoon die de vieruursessie aanvraagt. ‘Als je dit goed doet, dan heb je een discussie met alle stakeholders en kun je tot een gebalanceerd besluit komen.’

Weinig woorden

Voor de toekomst van systeemengineering bij ASML heeft De Lange weinig woorden nodig. ‘We hebben een groeiende organisatie, groeiende complexiteit en snelle jobrotatie. Dat betekent dat we veel kennis met velen moeten delen. Dus de toegang tot het systeemdesign moet makkelijk zijn. Over de baseline moet geen discussie zijn en die moet voor alle betrokkenen beschikbaar zijn. We moeten ook meer aan systeemmodellering doen en data, designtools en mensen aan elkaar knopen om een single source of truth te hebben voor de designbaseline.’

‘Ons dna blijft hetzelfde; het draait om de kunst complexe systeemontwikkeling beheersbaar te houden.’ Mensen blijven daarin volgens De Lange de belangrijkste succesfactor en die zullen grondige kennis moeten hebben van systemen, maar ook van systemen die bestaan uit meerdere systemen (system of systems).

Geavanceerde tools zoals voor modelgebaseerde systeemengineering (mbse), requirementsengineering en product lifecycle management spelen een rol. Maar deze gereedschappen zijn toch vooral ondersteunend, om informatie te delen, te verhelderen en om mensen beter met elkaar te laten communiceren. ‘We praten veel over mbse, maar ik zou graag willen dat het evolueert naar modelondersteunde systeemengineering’, aldus De Lange. ‘Dat doet meer recht aan de cruciale positie van de mens in ons systeemengineeringwerk.’