Singulus presenteert Blu-ray- en HD DVD-mastering aan de wereld

René Raaijmakers

Singulus Mastering introduceerde vorige maand zijn Crystalline-masteringmachine. Daarmee liet de fabrikant een verbluffend staaltje productontwikkeling zien. In anderhalf jaar tijd werd een vrijwel compleet nieuwe machinearchitectuur neergezet. Wat niet van de plank te verkrijgen was, ontwikkelde het bedrijf van scratch. Philips Optical Media & Technology ontwikkelde een thermofysisch laserschrijfproces – voor mastering compleet nieuw. CCM verzorgde de mechatronica voor nanometerprecies schrijven en ontwierp en passant volledig nieuwe regelelektronica. Promexx nam de hogere machinebesturingsniveaus op de schop en schreef de complete software opnieuw in een C#-omgeving.

Een maandje voordat Singulus Mastering zijn nieuwe masteringmachine Crystalline op de Media-Tech Expo in Long Beach introduceert schuift Mechatronica Magazine aan bij directeur Guido Dalessi en technologiebaas Jelm Franse. De CEO en CTO glunderen. Ze hebben de eerste grote hobbel achter de rug. De ontwikkelklus is geklaard en ze weten dat ze de deadline voor introductie in de VS gaan halen. De marketing ligt op schema, verkoopmanagers beschikken over gelikte powerpoints. Kortom, het feest kan binnen.

In ruim anderhalf jaar tijd ontwikkelde Singulus Mastering een compleet nieuwe machine voor derde generatie optische dataopslag. Het hele project kende slechts een uitloop van een maand en nog een paar maanden vanwege een verandering van de specificaties. Al met al een supersnel R&D-traject, maar zo geven Franse en Dalessi ruiterlijk toe, wat de markt betreft is het toch rijkelijk laat. Maar nu staat er ook wat: een machine die zowel masters voor Blu-ray als HD DVD-schijfjes kan maken. En voor dvd, als klanten dat willen. Sony is al op de markt met een machine voor Blu-ray-mastering, maar Sony ondersteunt geen HD DVD- en dvd-mastering met deze machine.

Singulus Mastering is geen groentje in de cd-wereld. De Eindhovenaren kochten in 2002 OMP uit Best en voegde daar twee jaar later het voormalige ODME Mastering uit Eindhoven, voortgekomen uit Philips, aan toe. Dat resulteerde in Singulus Mastering. ’De twee organisaties waar dit bedrijf uit bestaat, waren de nummers een en twee in termen van marktaandeel‘, aldus Dalessi. ’Bij elkaar vertegenwoordigen ze 70 procent van de markt voor cd- en dvd-masteringsystemen.‘

Ook Guido Dalessi en Jelm Franse zijn geen onbekenden in de optische dataopslag. Dalessi werkt sinds 1997 als verkoopmanager voor OMP in Azië en het Midden-Oosten. Bij de acquisitie van OMP door Singulus kreeg hij de leiding over de wereldwijde verkooporganisatie en sinds een jaar is hij directeur. De wortels van Franse in de R&D voor optische opslag gaan nog verder terug. Hij werkte vanaf 1984 op Philips Natlab aan precisiedraaibanken voor optische componenten voor cd-fabricage en groeide sindsdien steeds meer in het mechatronicavak. Hij deed ervaring op in de VS bij het defensielab Lawrence Livermore en werkte daarna als groepsleider, afdelingshoofd en vicepresident bij Philips CFT. Na een tussenstop als innovatiemanager bij Philips Lighting kwam hij bij Singulus terecht. ’Hier ben ik weer met echt leuke technologie en leuke apparatuur bezig‘, lacht hij.

Vijf maal hoger

In 2005 stond Singulus Mastering voor een forse uitdaging. Er moest een machine komen voor derde generatie optische schijven met een vijf maal hogere opslagdichtheid dan dvd. Bij de opstap van cd naar dvd was de capaciteit al ruim zes maal vergroot van 800 Mbyte naar 5 Gbyte. De standaarden HD DVD en Blu-ray leggen de lat opnieuw drie tot vijf maal hoger tot capaciteiten van respectievelijk 15 en 25 Gbyte per laag.

Die eis betekent met hoge precisie foutloos nanometerdetails schrijven. Een masteringmachine moet honderden miljarden putjes van 150 tot 200 nanometer breed schrijven op sporen met een steek van 320 nm. De spoorsteek – de afstand tussen de centra van twee naast elkaar liggende sporen – mag niet meer variëren dan 3 nm.

Over een Blu-ray-master doet de machine dik een uur. ’Het is vreselijke nauwkeurige beweging‘, zegt Franse. ’Bij iedere omwenteling mogen we niet meer dan 3 nm van het pad afwijken. Dat is een kunst apart. Je zou kunnen zeggen dat we in de regio Eindhoven drie kunstvormen in de precisietechnologie beoefenen. ASML versnelt en beweegt snel en belicht met nanometerprecisie, Fei brengt details onder de nanometer in beeld en staat daarbij perfect stil en wij doen honderden miljarden keren hetzelfde kunstje bij een heel langzame translatie van micrometers per seconde, gesynchroniseerd met een zo snel mogelijke rotatie anderzijds.‘

Singulus kon niet leveren

Veel technische onderdelen van het masteringproces kon Singulus uit vorige generaties machines kopiëren. Zo waren de technische principes voor de voorbereiding van de glasplaat en de metallisatiestappen bijna een op een over te nemen. Het vormgeven van de putjes was andere koek. Voor cd en dvd werd dat gedaan door met een laser in fotolak te schrijven, maar voor 200 nm features lukte het aanvankelijk maar niet een geschikt schrijf- en fotolakproces te ontwikkelen. ’We konden naar een kortere golflengte van 266 nm en hebben daar ook een apparaat mee gebouwd‘, vertelt Franse. ’Maar het apparaat is zeer complex en ultraviolet licht van 266 nanometer tast alles aan.‘

Het gebruik van lasers met kortere golflengten (266 nm) en immersietechnieken onderzocht Singulus al in 2004 en 2005 maar het bleek om diverse redenen niet praktisch haalbaar voor een industriële oplossing. Franse: ’Wel konden we ermee experimenteren voor het ontwikkelen van de Blu-ray- en HD DVD-formats.‘

Maar toen in 2005 de formats waren gedefinieerd en de markt klaar was voor de eerste experimenten met HD DVD en Blu-ray had Singulus nog steeds geen productiemachine. Er was enkel een Blu-ray-masteringmachine van Sony beschikbaar. ’Het was ons niet gelukt een industriële oplossing te ontwikkelen, en de markt vroeg er al om. Ook was het duidelijk dat toekomst van Singulus Mastering valt of staat met het kunnen bedienen van die behoefte‘, herinnert Dalessi zich deze spannende periode.

Rigoureus andere oplossing

De oplossing kwam van Philips Optical Media & Technology. OM&T-specialisten bedachten een rigoureus andere oplossing voor het schrijfproces. De Philips-dochter ontwikkelde een proces op basis van faseverandering. Het idee is om met laserlicht materiaal snel te verwarmen en af te koelen en daardoor de structuur van materiaal te transformeren zodanig dat het getransformeerde materiaal anders aanetst dan niet-getransformeerd materiaal, waardoor zeer kleine details te schrijven zijn. Dat werd bereikt met een laag zinksulfidekwarts (ZnSSiO2) op een laagje silicium.

Het werkt als volgt. De laserbeamrecorder focust een spot van een diodelaser met een golflengte van 405 nm door de transparante laag ZnSSiO2 op het silicium. Het silicium stijgt in temperatuur, waarbij het warmtefront zich uitbreidt naar de bovenliggende laag zinksulfidekwarts. Dat materiaal ondergaat door de snelle verhitting tot 900 graden Celsius en de snelle afkoeling daarna een faseverandering, waarbij de kristalstructuur deels andere eigenschappen krijgt.

In het centrum van de lichtpot is de temperatuur hoger dan aan de randen, dus is met de juiste warmtedosering een materiaalverandering op een kleiner oppervlak dan de laserspot te bewerkstelligen. Door na belichten met een speciale etstechniek alleen het niet van toestand veranderde materiaal weg te nemen, ontstaat een profiel. Na de etsbewerking kan dan net als in het verleden met sputteren een laagje nikkel of koper worden opgebracht waaruit met een aantal elektroformingstappen een nikkel of chroom moederstempel is te groeien.

Thermisch schrijfproces

Op basis van dit revolutionaire thermische schrijfproces werd met een team van vijftien tot twintig mensen in anderhalf jaar een complexe machine ontwikkeld. ’De ontwikkeling van een machine die alle processtappen ook nog eens in serie kan repliceren, is een grote uitdaging‘, zegt Franse. De ontwikkeling werd ook nog eens gedaan in samenwerking met een groot aantal partners en toeleveranciers, waaronder AAE, CCM, Philips OM&T en Promexx. Allemaal leverden ze cruciale bijdragen.

Franse noemt het traject ’enorm intensief‘. ’Het hele project kende vele ups en downs. Wij en onze partners kwamen elkaar veelvuldig tegen en we waren sterk afhankelijk van elkaar. Het commitment waarmee onze partners problemen oplosten overtrof mijn verwachting‘, zegt de technologiebaas. ’Er werd niet met vingers naar anderen gewezen, ieder sprong bij waar nodig.‘

Ook bij financiële kwesties waarbij de kortetermijnbelangen niet in lijn lagen met het toekomstperspectief, overheerste volgens Franse bij managers van de partners de wil om er samen uit te komen. Als kritische succesfactoren noemt hij: ’Elkaar kennen op alle betrokken niveaus, respect voor elkaars kennis en kunde en elkaar vertrouwen. Mensen konden er van op aan dat ze onderlinge afspraken nakwamen.‘

Ook wijst hij erop dat het helpt als je dezelfde taal spreekt en dezelfde belangen hebt. Daarmee doelt Franse niet alleen op het Nederlands, maar ook op het uitwisselen van vakinhoudelijk taal, wat in het geval van de Crystalline onder meer het werken in een Simulink-omgeving was. ’Alle regelaars werden ontwikkeld in een controleomgeving van The Mathworks zoals we die ook gebruiken voor de simulaties in de designfase van de apparatuur.‘ Als laatste hielpen ook de korte fysieke afstanden tussen de betrokken bedrijven. ’We konden elkaar snel spreken om face to face issues te adresseren‘, aldus Franse.

Time to market

De time to market was essentieel. Zoals gezegd was naar een masteringmachine voor Blu-ray en HD-DVD eind 2005 al vraag. In een groot deel van dat jaar had Singulus de knoop echter nog niet doorgehakt om er vol voor te gaan en op basis van OM&T‘s phase change proces een compleet nieuwe masteringmachines te ontwikkelen en bouwen.

Wel brainstormden het Singulus-team in de tweede helft van 2005 al met CCM over de mechatronische concepten die nodig waren om een nieuwe machine de vereiste hoge nauwkeurigheid te geven. Ook werkte Singulus met Philips O&MT aan het verbeteren van het thermische masteringproces. Eind 2005 werd het echte startschot pas gegeven. ’Terwijl nog zeer veel onduidelijk was moesten we verreikende keuzes maken ten aanzien van de besturingsarchitectuur en de bewegingsmodules‘, zegt Franse.

Singulus richtte zich vanaf dat moment op zijn kerncompetences, zoals de functionaliteit voor de laserbeamrecorder, het recordingproces, de machinearchitectuur en de systeemintegratie. CCM kreeg de verantwoording voor de hardware en de motion-controlsoftware voor de machine en een aantal cruciale mechatronische modules van de laserbeamrecorder (zie ook kader).

Projectplanningen, voortgangsmeetings en teamactiviteiten

CCM werkte vanaf de aanvang deels on-site bij Singulus en nam integraal deel aan de projectplanningen, voortgangsmeetings en teamactiviteiten. Daarnaast deed CCM ook werk op eigen locatie in Nuenen. De softwareontwikkeling waar Promexx aan bijdraagt, gebeurde in huis bij Singulus.

Technici van Singulus werkten gedurende 2006 veel bij Philips O&MT, maar tegen het einde van vorig jaar hielpen Philips-medewerkers ook bij Singulus met de implementatie van het thermische proces. Tijdens het traject hielden Singulus en O&MT wekelijkse voortgangsmeetings en maandelijks stak het management de koppen bij elkaar. ’Natuurlijk zijn er verbeterpunten‘, zegt Franse. ’Vooral voor wat betreft de communicatie over optredende problemen. Tijdens de integratie is de afstemming van groot belang. In dat stadium lopen mensen een grote kans dat ze op elkaar moeten wachten als anderen hun kunstje niet op tijd af hebben.‘

Eerste prototype

De eerste prototypemachine was vorig jaar november gepland. Dat werd december, wat in de machinebouw best een mooie prestatie mag heten. ’De procesontwikkeling liep in 2006 goed‘, zegt Franse. ’Tijdens een review in het derde kwartaal van 2006 zijn de specificaties echter door productmanagement bijgesteld om in verband met de behoefte in de markt sneller te kunnen recorden. Daardoor werd de doorlooptijd van de procesontwikkeling met nogmaals vier maanden verlengd. Ons primaire doel was om de machine in mei 2007 op de Media-Tech Expo in Long Beach, Californië commercieel te introduceren. Dat is gelukt.‘

Een maand voor de Media-Tech draaide het eerste prototype. Op dit moment worden zes Crystalline-masteringmachines in serie gebouwd om nog dit jaar aan klanten te kunnen leveren.

Parallel toeleverketen opstarten

De vroege betrokkenheid van AAE uit Helmond zorgde voor het parallel opstarten van de toeleverketen naast de machineontwikkeling. ’Zij waren al bij de bouw van de protomachines betrokken‘, vertelt Dalessi. ’Ze gingen meedraaien op een moment dat de ontwikkeling nog onvoldoende ver was om alles te kunnen overzien. Daardoor kregen we beiden, al bouwend, meer zicht op wat we later in serie moesten gaan maken. Die situatie kwam de time to market ten goede.‘

Vanaf Kerstmis is de toeleverketen gaan draaien. Alles behalve het mechatronische deel werd door AAE in Helmond gedaan. Franse is heel tevreden over deze partner. ’Je zult steeds vaker van ze horen. AAE werkt op een no-nonsense manier. Ze vragen wat nodig is en leveren dat. In het eerste stadium dat we met ze samenwerkten kwamen ze al met suggesties voor verbetering. Heel gericht.‘

In de aanloop naar het project sprak Singulus ook met andere toeleveranciers. Waarom uiteindelijk AAE werd gekozen? Franse: ’Sommige andere toeleveranciers waren tijdens de selectieprocedure meer op het proces van samenwerken gericht dan op de inhoudelijke kant. Ze legden de nadruk op hoe ze projectmatig tot resultaat zouden komen. AAE was heel concreet op inhoud. Op zaken waar het ons om ging. Ook in de uitvoering. Ze werken hier gewoon bij ons op de vloer.‘

Filosoferend over de relatie die hij heeft met toeleveranciers, zegt Franse: ’Je moet een bedrijf hebben dat bij je past. Sommige zijn te groot voor ons. Daar stellen we als relatief kleine klant niet veel voor. Andere toeleveranciers worden in het keurslijf van grote OEM‘s gedwongen. Dat is minder flexibel dan hoe wij werken.‘

Singulus evalueerde elke drie maanden de voortgang op managementniveau. Tijdens die bijeenkomst werd ook de financiële situatie besproken. Daarbij kwamen financiële afspraken over projectbijdragen aan de orde in de vorm van urenvergoeding, maar er werden ook overeenkomsten getroffen over resultaatverplichting, inclusief levering van hardware en functionele softwaremodules. ’Het ging om het afleveren van werkende producten‘, zegt Franse.

In het geval van de laserbeamrecorder ging het bijvoorbeeld over investeringen die CCM moest doen om geavanceerde interfacekaarten te ontwikkelen voor snelle regeltaken in het schrijfproces (zie ook kaders). Franse: ’Zij hebben dat gedaan in het vertrouwen dat dergelijke motionkennis en elektronica ook breder inzetbaar zou zijn.‘

Met Philips OM&T maakte Singulus ook resultaatafhankelijke financiële afspraken. De procesontwikkeling werd deels gefinancierd door directe betaling bij het behalen van mijlpalen. ’Maar deels ook door risicodeling, waarbij Singulus zich verplichtte om per geleverde machine een bedrag aan OM&T te betalen‘, aldus Dalessi. ’We hadden alle drie voldoende vertrouwen in ons eigen kunnen om het avontuur aan te durven en ons risicodragend te verbinden aan het tijdpad naar marktintroductie medio 2007, hoewel dit enorm kort was gegeven de enorme uitdagingen, zowel mechatronisch als procestechnisch.‘