Vermogenselektronica op het scherpst van de snede

De nauwkeurigheidseisen bij ASML zijn hoog, extreem hoog. Tijdens de online Comsol Conference liet vermogenselektronicus Jeroen van Duivenbode zien dat hij met zijn Veldhovense collega’s alles in het werk moet stellen om de targets te halen. ‘Het kleinste lekstroompje kan al een deeltje opleveren dat funest is voor de chip.’

Om de dwingende wet van Moore te kunnen blijven volgen, moet ASML steeds kritischer naar alle technologie in zijn machines kijken. Mogelijke fouten kunnen overal vandaan komen, dus de engineers moeten stilaan echt op alle slakken zout leggen. Alleen dan lukt het om de details met nanometerprecisie op de chip af te beelden.

Een van de vele domeinen waar ASML alles uit de kast moet halen, is de vermogenselektronica. Dat vakgebied is zeker geen bijzaak voor de Veldhovense wafermachines. De bewegingen van bijvoorbeeld de stages in het systeem gaan gepaard met flinke vermogens. ‘Het piekvermogen voor de waferstage is vergelijkbaar met het vermogen in een stevige personenauto’, weet Jeroen van Duivenbode, specialist in vermogenselektronica bij ASML en fellow aan de TU Eindhoven. ‘Waar de elektronica voor die stagebewegingen vroeger in een schoenendoos paste, staan er nu vele kubieke meters vermogenselektronica naast onze machines.’

ASML heeft ook hoogspanning nodig om de wafer en de reticle elektrostatisch te clampen aan hun stages en het gebruikt vermogenselektronica in zijn nieuwe tak voor multi-beam elektro-optische microscopie. ‘Een aantal jaar geleden zijn we begonnen om uit te zoeken hoe fouten in de vermogenselektronica doorwerken in het uiteindelijke systeem’, vertelt Van Duivenbode. ‘We hebben veel gesimuleerd, onder meer met behulp van Comsol Multiphysics, en ijverig gerekend. Uiteindelijk heeft dat ertoe geleid dat we veranderingen in de producten hebben moeten aanbrengen om de roadmap en het ritme van Moore vol te houden.’

Lekstromen

Wat is nou eigenlijk vermogenselektronica? Wanneer kun je spreken van hoogspanning? De industrie heeft daar geen standaard voor; verschillende normen en instanties hebben een andere mening en geven andere definities. Van Duivenbode: ‘De overeenstemming is dat de hoge spanningen die gepaard gaan met vermogenselektronica altijd gevaarlijk zijn voor de mens, in die zin dat je het niet moet aanraken.’

Een andere overeenkomst is dat elektronici voor de beschrijving van hoogspanningscircuits niet meer uit de voeten kunnen met de elektriciteitswetten van Kirchhoff. Je kunt een schakeling simpelweg niet meer zien als een verzameling weerstanden, condensatoren en spoelen, verbonden met een netwerk perfect geleidende kabels. ‘De spanningen hangen af van de locatie en de geometrie’, verduidelijkt Van Duivenbode. ‘Ook de geschiedenis speelt mee omdat lading zich kan hebben opgebouwd.’

Een andere uitdaging in vermogenselektronica zijn lekstromen, en die kunnen funest zijn voor ASML. Via een lekstroom kan lading zich ophopen op een condensatorplaat. Dat geeft een spanning en als die maar hoog genoeg oploopt, ontstaat er een elektrostatische ontlading waarbij er een deeltje kan vrijkomen. ‘Als die op de chip terechtkomt, kun je hem weggooien’, zegt Van Duivenbode. De opgebouwde lading veroorzaakt ook een elektrisch veld dat een kracht kan uitoefenen. Als die kracht zich vertaalt in wrijving, kunnen er opnieuw potentieel schadelijke deeltjes in het systeem komen.

Helaas zijn er in de vermogenselektronica heel veel manieren waarop lading kan weglekken. In zijn presentatie tijdens de online Comsol Conference 2020 half oktober laat Van Duivenbode een overzicht zien van dertig bronnen en effecten. ‘En dat zijn ze nog niet eens allemaal’, zegt hij erbij. ‘De fysica heeft er geen boodschap aan of zo’n effect je bedoeling is of dat het alleen storend werkt.’

Om te voldoen aan de extreem hoge nauwkeurigheidseisen in ASML-machines is het zaak om al deze lekstromen onder controle te houden. In zijn voordracht behandelt Van Duivenbode er twee: koude veldemissie en Townsend-ontlading.

Koude veldemissie

Ralph Fowler en Lothar Nordheim beschreven het mechanisme van koude veldemissie voor het eerst. Ze onderzochten verschillende metalen en constateerden dat de energie die nodig is om een elektron uit het materiaal los te trekken (de zogenaamde uittreepotentiaal of werkfunctie) afhankelijk is van de veldsterkte waaraan het metaal wordt blootgesteld. ‘De curves in hun grafieken zijn enorm steil. Dat betekent dat een kleine verandering in de veldsterkte een heel groot verschil in de lekstroom veroorzaakt’, legt Van Duivenbode uit.

Het effect treedt op bij zeer hoge veldsterkte, in de orde van 10⁹ V/m. Dat zulke hoge waarden optreden, heeft Van Duivenbode gesimuleerd met Comsol Multiphysics. ‘We hebben gerekend aan een opstelling met twee condensatorplaten onder hoogspanning’, vertelt hij. ‘Je kunt het veld daartussen verstoren door objecten te introduceren. Een geleidende bol die op het oppervlak ligt, heeft bovenop een ongeveer vier keer sterker veld. Als je dat bolletje op een geleidende staaf zet, blijkt dat de veldsterkte bovenop omgekeerd evenredig is met de straal van de bol. Dus als je de straal verkleint tot een scherpe punt, schiet de veldsterkte omhoog en kom je op het niveau waarop koude veldemissie optreedt.’

Zoals gezegd, kunnen de deeltjes die via koude veldemissie losraken schadelijk zijn voor de chips die ASML-machines maken. Wat gebeurt er als zo’n deeltje zich heeft losgemaakt? Van Duivenbode: ‘We hebben gekeken naar een bol met straal r die boven het oppervlakte hangt, een versimpelde representatie van zo’n losgeraakt deeltje. Met Comsol hebben we berekend dat de lading boven op die bol 6,58 keer groter is dan de oppervlaktelading op een cirkel met dezelfde straal. Dat houdt in dat er een significante kracht is die dat deeltje afstoot.’

Er zijn echter drie krachten in het spel: adhesie, elektrostatica en gravitatie, respectievelijk evenredig met r, r² en r³. Dat wil zeggen dat voor kleine deeltjes de adhesiekracht de dominante factor is. En grote deeltjes blijven op het oppervlak liggen door de zwaartekracht. Daartussen kan de afstotende elektrostatische kracht voor lift-off zorgen, als het veld tenminste groot genoeg is.

‘We hebben dat proefondervindelijk vastgesteld met peperkorrels die ik uit de bedrijfskantine had meegenomen’, vertelt Van Duivenbode. ‘Die heb ik tussen twee elektrodes gelegd en daar 2,5 kV op gezet. De korrels worden inderdaad afgestoten en vliegen omhoog tegen de andere elektrode aan. Daar krijgen ze de tegengestelde lading en worden ze weer afgestoten.’

Townsend-ontlading

De tweede lekstroom die Van Duivenbode bespreekt, is Townsend-ontlading. De Ier John Townsend identificeerde het naar hem genoemde effect in 1897. Het idee is dat als er tussen twee geladen platen een ioniserend event plaatsvindt, bijvoorbeeld door koude veldemissie of door kosmische straling, er een elektron vrijkomt dat versnelt richting de anode. Als dat elektron hard genoeg gaat, kan het in het gas voor nieuwe ionisaties zorgen en zo een kettingreactie teweegbrengen.

De Duitse onderzoeker Friedrich Paschen deed metingen aan de doorslagspanning. Hij ontdekte dat die een functie is van de druk en de afstand tussen de platen. ‘We hebben dat bij ASML gesimuleerd in Comsol’, vertelt Van Duivenbode. ‘Inderdaad zagen we dat een ontsnapt elektron een lawine veroorzaakt en honderdduizenden elektronen bij de anode aankomen. Tenminste, bij een druk van 500 pascal en een afstand van 1 centimeter. Bij een lagere druk – of een kleinere afstand – loopt dat aantal sterk terug. Bij 5 Pa vliegt het elektron ongehinderd door. Ook bij hogere druk zie je geen lawine. Het elektron botst te vaak en kan niet voldoende snelheid opbouwen om veel ionisaties te veroorzaken.’

Om het effect helemaal goed te beschrijven en compleet te maken, moesten Van Duivenbode en zijn collega’s ook de vindingen van de Nederlandse natuurkundigen Gilles Holst en Ekko Oosterhuis van Philips meenemen. Zij scherpten het beeld van Townsend aan door zich te realiseren dat er bij een ionisatie ook een positief ion overblijft dat naar de kathode schiet. Als dat ion de kathode raakt, ontstaan er mogelijk weer nieuwe elektronen die het ontladingsevent in stand houden. ‘Een lawine van lawines’, aldus Van Duivenbode. ‘Opnieuw met Comsol hebben we dat allemaal goed in kaart kunnen brengen, ook voor niet-homogene velden.’

Tot in de puntjes

‘Vermogenselektronica en hoge spanningen zijn zeer nuttig voor ASML, zelfs onvervangbaar’, aldus Van Duivenbode. ‘Maar je moet altijd rekening houden met allerlei lekmechanismes. Die moeten we managen om fouten te voorkomen en de levensduur te verhogen. Eindige-elementenberekeningen zoals we die doen in Comsol zijn onmisbaar in de analyse van statische en dynamische velden, waarbij de uitdaging is om ook om te gaan met niet-lineaire lekeffecten.’

En Van Duivenbode kan nog wel even vooruit. ‘Van die dertig types lekstromen hebben we nog lang niet alles tot in puntjes uitgediept. Omdat we steeds de grens opzoeken en verschuiven, moeten we het ook steeds nauwkeuriger doen. Het is een blijvend gevecht om al die effecten onder controle te houden en tot goede oplossingen te komen.’