Van precisieverspanen doorgroeien naar complexe systemen
Dit jaar produceerde NTS de duizendste positioneerunit voor ASML’s Yieldstar-metrologieplatform. Een kijkje in de Hengelose keuken waar ze de main module sub-assembly fabriceren en in elkaar zetten.
Het patroon van een geïntegreerd circuit nauwkeurig op een wafer plaatsen, precies daar waar het hoort, elk microscopisch detail uitgelijnd, over de hele projectie van de chip. Als je het over de technische competitive edge hebt van ASML’s lithografie, dan hebben we hier met hoge waarschijnlijkheid de kern te pakken.
De voorsprong in positioneernauwkeurigheid was op verschillende momenten in de geschiedenis van ASML van cruciale betekenis. Ook in de jaren waarin het bedrijf de concurrentie nog niet de baas was. Zoals eind jaren tachtig, toen de lenzen van Canon nog beter waren dan die van Zeiss. De superieure alignment in de PAS2500 was toen in staat om die achterstand goeddeels te compenseren.
Zeiss verbeterde zijn technologie in de jaren negentig, maar kort na 2000 realiseerden de technici van ASML zich dat de gevraagde patroneernauwkeurigheid na pakweg 2010 niet alleen binnen zijn scanners was te realiseren. De overlay-eisen gingen richting nanometers en daarmee nam ook de invloed toe van waferprocessen die ASML niet in de hand had, zoals etsen, oxideren en opdampen. Met een handvol atoomlagen meer of minder heb je immers al meer dan een nanometer verschil.
Het idee ontstond om deze informatie uit het frontend-proces te halen en terug te koppelen aan de waferscanners. Het management zette enkele tientallen miljoenen per jaar opzij, bakende de boel af en zorgde ervoor dat een team ongestoord een instrument kon ontwikkelen dat lithografische machines van feedback kon voorzien. Zo werd in 2009 de Yieldstar geïntroduceerd, ASML’s eerste metrologie-instrument.
Multipatterning
De Yieldstar geeft terugkoppeling over de overlay-nauwkeurigheid en de lijndiktes en -hoogtes. Hij laat de scanner weten hoeveel de positie van een afgebeeld patroon afwijkt van de bedoelde positie. De Yieldstar doet die check over de hele wafer. Dat is een belangrijk detail, want sommige chemische processen zorgen aan de randen van de plak voor meer afwijkingen dan in het midden. De lithografie is in staat om dat met behulp van de juiste informatie te corrigeren. Deze terugkoppeling is vooral belangrijk bij multipatterning-lithografie, een proces waarbij de details in één laag op de chip worden samengesteld aan de hand van meerdere belichtingen.
ASML zegt dat het in overlay-metrologie ‘hevige concurrentie’ ondervindt (jaarverslag 2022), maar desondanks zijn de Yieldstars een weergaloos succes. Ze zijn intussen een essentieel onderdeel voor wat holistische lithografie is gaan heten: een aanpak waarmee ASML met metrologische gegevens en technieken als machine-learning het lithografieproces optimaliseert en de opbrengst helpt verhogen.
Chipfabrikanten zetten de Yieldstars in de hele chipfabriek in, maar ze zitten vooral in de wafertrack, het onderdeel dat de fotolak opbrengt en ontwikkelt. Na het belichten en ontwikkelen van de lak zijn de sporen voor de Yieldstar zichtbaar en zijn de critical dimensions (lijndiktes) en hoogte van de sporen in kaart te brengen.
Ultraprecisieverspanen
Vanwege zijn expertise in ultraprecisieverspanen selecteerde ASML het Hengelose bedrijf Norma voor de fabricage van de main module sub-assembly van de Yieldstar. Het was een van de weinige bedrijven wereldwijd die de gevraagde toleranties op industriële schaal kon verwezenlijken. NTS, dat later in 2016 Norma overnam, werd destijds ingeschakeld voor de assemblage. In Hengelo werden eerst de vijf meest kritische submodules gemaakt, in Eindhoven werd daarna de hele MMSA in elkaar gezet.
Dick Janssen, vanaf de start betrokken bij de industrialisatie van de MMSA en de huidige teamleider van de cleanroom bij Norma: ‘Het Yieldstar-systeem brengt een hele wafer met nanometer-nauwkeurigheid in kaart. Daarvoor is het nodig dat de XY-tafel met micron-nauwkeurigheid positioneert. Er zitten onderdelen in met een lengte van 660 millimeter die we op de micron nauwkeurig maken.’
Als die precisie is gehaald, dan stelt de besturingssoftware van ASML het instrument vervolgens in staat om de optische metingen te doen en afwijkingen in het nanometergebied te detecteren. ‘Het systeem is zo gevoelig, dat de basisprecisie van een halve micron voor de onderdelen echt nodig is’, aldus Janssen.
Na de overname van Norma door NTS werd zowel de productie als de totale assemblage van de main module sub-assembly in Hengelo ondergebracht. De MMSA gaat uiteindelijk naar Taiwan, waar ASML de hele Yieldstar samenstelt en afregelt. Bij NTS liepen inmiddels ruim duizend van deze MMSA’s van de band. NTS maakt er gemiddeld twee per week, tijdens hoogtijdagen vier of vijf.
Meebewegen
Het zal niet verbazen dat een metrologie-instrument als Yieldstar moet meebewegen met de lithografische state of the art. Sinds de eerste volwassen Yieldstar 200 in 2009 van de band liep is de instrumentatie in stappen verder verfijnd. Daarbij gaat het om prestatieverbetering zoals de doorvoer, maar ook om de meetnauwkeurigheid, gegevensverwerking, lichtbron en sensoren.
Het metrologie-instrument heeft daardoor een groot aantal versies doorlopen, van de 200 tot 250, 300, 350 en 375 tot aan de 385. In 2021 werd de eerste Yieldstar 385 aan een klant geleverd voor de N3-node. Dit is het chipfabricageproces waarvoor multiple patterning met EUV-lithografie nodig is. De Yieldstar 385 is beter dan zijn voorgangers in staat om in-resist overlay te meten. Daarnaast is de bepaling van de focusdiepte nauwkeuriger. Jeremie Besson, global accountmanager voor ASML bij NTS: ‘Alle configuraties hebben te maken met prestatieverbeteringen van het systeem, zoals een hogere doorvoer en aangepast sensorsysteem.’
Bill of materials
Naast de technologische roadmap speelt verlaging van de productiekosten een belangrijke rol. ‘Als je een product zo lang in portefeuille hebt, dan moet je altijd een roadmap hebben om de kosten omlaag te brengen’, aldus Besson.
Al vrij snel, toen Yieldstar zo’n drie jaar in de markt stond, vroeg ASML om een forse slag te maken in het verlagen van kosten. De wens was om kritisch naar het maakproces en de bill of materials te kijken. Besson: ‘We zijn toen ook met ASML in de designfase gaan meekijken, om te zien wat daar wel en niet mogelijk was om een sterke kostenreductie te realiseren.’
Janssen daarover: ‘Daarvoor hebben we toen echt alles uit de kast getrokken. We zijn met een heel team en samen met ASML door alle modules gelopen. We hebben naar materiaalkosten gekeken. Bijvoorbeeld of we de specificaties konden verlichten zonder in te boeten op prestaties. We hebben toen voorstellen gedaan voor kostenreductie in de fabricage zonder enige concessie te doen aan de kwaliteit.’
De technici van NTS waren volgens Janssen goed in staat om samen met de ASML’ers het design opnieuw tegen het licht te houden. ‘We hadden intussen heel veel systeemkennis door onze opgedane ervaring in de assemblage- en het kwalificatieproces. ‘De hoge eisen van ASML stellen je als toeleverancier in staat om je op te werken naar een hoog niveau, legt Janssen uit. ‘ASML is een demanding costumer. Maar door hun kritische houding en de relatie die we hebben opgebouwd, hebben we onszelf wel tot een behoorlijk hoog niveau van mechatronica toeleveren kunnen opwerken.’
Kwalificatietooling
De combinatie van fysische en ontwerpkennis van ASML met de praktische kennis van een maakpartij kan tot hoge prestaties leiden. Als zo’n relatie evenwichtig is kun je als supplier tegengas geven. Janssen beaamt dat de ASML’ers dat ook op prijs stellen. ‘Als je goed kunt beargumenteren of iets wel of geen goed idee is, dan komen ze bij een nieuw ontwerp of nieuwe configuratie veel sneller naar je toe. In feite opereer je dan echt als partner, niet alleen als supplier.’
Het toenemende vertrouwen leidde er onder meer toe dat NTS alle kwalificatietooling voor de MMSA ging ontwikkelen en maken. ‘Natuurlijk test ASML dat, maar het geeft ook een extra dimensie voor onze eigen teams’, zegt Besson. ‘Zeker voor vakmensen is het gewoon heel erg leuk om ook in dat soort ontwikkelingen te duiken.’
Herontwerpen luchtlagers
In het hiervoor genoemde grote value-engineeringtraject slaagde NTS er uiteindelijk in om de totale maakkosten van de MMSA met een kwart te verlagen. Een van de voorbeelden in deze exercitie was het herontwerpen van de luchtlagers, onderdelen van zo’n vier centimeter hoog en breed en zes centimeter lang. Daarvan bevatte de MMSA twee verschillende types, totaal 24. ASML had dit onderdeel zelf gespecificeerd. Norma fabriceerde het volledig volgens de productbeschrijving (TPD).
Toen de technici van NTS Norma met ASML om de tafel gingen, hebben ze voorgesteld om het aantal luchtgaten en -kanalen terug te brengen en de diameters daarvan te verhogen. Een luchtlager bevat verschillende van dit soort zeer smalle kanalen. Hoe kleiner de kanalen, hoe moeilijker en duurder het is om ze te maken.
‘Het boren van kleine gaten kost heel veel tijd en we hebben toen voorgesteld, om de diameter van de interne kanalen te vergroten van 0,2 millimeter naar 0,3 millimeter’, zegt Janssen. ‘We hoefden daardoor maar zes gaatjes te boren in plaats van twaalf. Dat geeft je hetzelfde luchtverbruik en draagvermogen van het luchtlager, maar het is daardoor wel beter fabriceerbaar en het gaf aanzienlijke kostenbesparingen.’ In plaats van twee types (een linkse en rechtse variant) werd ook nog één maatvoering gekozen, wat ook een besparing meebracht.
Samenstellen
Een klein decennium terug was het een grote uitdaging om van precisieverspanen door te groeien naar het samenstellen van complexe systemen. ‘NTS heeft een grote stap gezet in het regisseren van de supplychain’, zegt Besson. ‘In Hengelo is de MMSA van de Yieldstar momenteel de meest complexe samenstelling, met in totaal vierduizend onderdelen. De hele logistiek is een heel delicaat proces. Geen enkel onderdeel mag te laat zijn of ontbreken, want als je tijdens de integratie één onderdeel mist, dan geeft dat een domino-effect van vertragingen in je cleanroom.’
Van twintig naar honderd per jaar
De locatie in Hengelo behoort volgens NTS intussen tot de grootste verspaningsfabrieken in Europa. Ruim een kwart van de productie in Hengelo is bestemd voor ASML-systemen. Daarvan gaat slechts een klein deel naar de Yieldstar. De assemblage gebeurt door een team van vijftien personen in de plaatselijke cleanroom.
Daarmee is NTS voor wat betreft Yieldstar goed in staat om mee te ademen met de markt. Het begon met twintig systemen per jaar, nu fabriceert de fabriek in Hengelo in de meeste weken twee MMSA’s, maar opschalen naar vier is mogelijk. ‘NTS Hengelo maakt zelf onderdelen, maar we krijgen ook van NTS Eindhoven en NTS Drachten toegeleverd. Daarnaast is er een hele supplychain van minder kritische onderdelen die soms zeer specialistische bewerkingen bevatten die we zelf niet in huis hebben. Dat moet allemaal richting Hengelo’, aldus Janssen. Besson: ‘In deze industrie is second-, third- en fourth-tier supplymanagement cruciaal. Voor Hengelo was het een doorbraak om dat op een hoger niveau te gaan integreren.’
Bijna onmogelijk
Een van de leuke aspecten, zegt Janssen, is om mee te draaien in een ecosysteem dat ‘het bijna onmogelijke waarmaakt.’ De specificaties, de nauwkeurigheid en het vakmanschap dat de onderdelen eisen, daar zegt hij plezier aan te beleven, iets dat hij herkent bij al zijn NTS-collega’s. Dat ASML een veeleisende klant is, maakt hun werk juist aantrekkelijk, zegt hij. ‘Ik doe zelf geen assemblage meer, maar het is bevredigend om ervoor te zorgen dat alles netjes op tijd en kwalitatief goed is, inclusief mensen opleiden en noem maar op. Want het is iedere keer wat anders met ASML’, lacht hij. ‘Ze vragen gewoon het maximale. Maar als je daarvoor openstaat, dan, breng je jezelf ook op een hoger niveau.’
