Chips tekenen zonder licht

Het Nederlandse bedrijf Mapper Lithography ontwikkelt een manier om chips te produceren met elektronenbundels. Na jarenlang experimenteren worden nu de eerste machines verkocht.

De elektronen-printkop beschrijft een relatief klein oppervlakte in vergelijking met conventionele lithografie. Maar de schrijfsnelheid neemt toe als het aantal lenzen wordt uitgebreid tot 13.000.
De elektronen-printkop beschrijft een relatief klein oppervlakte in vergelijking met conventionele lithografie. Maar de schrijfsnelheid neemt toe als het aantal lenzen wordt uitgebreid tot 13.000.

Ze zijn het gewend, bij Mapper. Elk verhaal over hun bedrijf begint met een uitleg over wat de grote concurrent ASML doet. Want dat bedrijf uit Veldhoven levert wereldwijd 70 procent van de machines waarmee chips geproduceerd worden.

“Vergeleken met ASML zijn wij Kleinduimpje”, zegt Marco Wieland, medeoprichter van Mapper. Maar wel een Kleinduimpje met de potentie om te groeien. Anders had de Taiwanese chipfabrikant TSMC nooit miljoenen euro’s betaald voor de eerste Mapper-machine.

Geheugenchips die in usb-sticks en flashdrives zitten, worden gemaakt met optische lithografie. Daarbij schijnt een bundel licht door een uitgesneden patroon (het zogeheten ‘masker’) op een lichtgevoelige laag die is aangebracht op een wafer van halfgeleidermateriaal. Na een etsbehandeling blijft er een patroon aan schakelingen over: transistoren die de basis vormen van de chip.

Een volledige chip kan uit wel veertig lagen bestaan, stap voor stap opgebouwd. Voor elke laag is een apart masker nodig en daardoor lopen de ontwikkelkosten van een nieuw chipontwerp vaak in de miljoenen euro’s, legt Marco Wieland uit. “Die investering is wel mogelijk bij geheugenchips, die in grote oplagen geproduceerd worden. Maar voor kleinere oplages is het aantrekkelijker om zonder masker te produceren.”

Bij de lithografiemethode van Mapper komt het patroon uit een computergeheugen en een elektronenbundel tekent dit plaatje telkens opnieuw op een elektronengevoelige laag. Normaal gesproken zou dat proces uren in beslag nemen, maar Mapper verzon een manier om de elektronenbundel op te splitsen in 13.000 verschillende stralen, door middel van een reeks piepkleine lenzen van 0,15 millimeter doorsnede.

Elk van die lensjes kan aan- of uitgezet worden, met microscopisch kleine schakelaars in een bovenliggende laag. De lenzen vormen een soort printkop, die over de wafer heen glijdt en het patroon tekent. De techniek is te vergelijken met het beeld van een ouderwetse tv met beeldkanon (kathodebuis). Daar tekent een elektronenbundel een patroon op de beeldbuis, in honderden beeldlijnen.

Saillant detail: de kleine lensjes van de Mapper-techniek zijn openingen in een soort chip die zelf weer met optische lithografie gemaakt is. Het middelpunt van het Mapper-procedé is met redelijk conventionele middelen gemaakt, erkent Wieland. “Eigenlijk is het lithografietechniek van jaren terug.”

Proof of concept

Hoewel Mapper in 2001 begon, duurde het tot 2007 totdat het eerste proof of concept geleverd werd. De eerste aanzet werd in de jaren negentig al gegeven door Pieter Kruit, de Delftse hoogleraar deeltjesoptica die zijn studenten vroeg om een systeem voor elektronenbundels te ontwerpen dat in commerciële lithografie toegepast zou kunnen worden.

Bert Jan Kampherbeek en Marco Wieland studeerden bij Kruit af en richtten daarna gezamenlijk hun eigen bedrijf op. Kruit heeft enkele van zijn patenten overgebracht naar Mapper. Het bedrijf is daarnaast mede gefinancierd door Arthur del Prado. Hij is de oprichter van chipmachinefabrikant ASM International, ook al een toonaangevend Nederlands bedrijf in de halfgeleiderindustrie.

Het is niet toevallig dat in Nederland zoveel bedrijven zich gespecialiseerd hebben in chiptechnologie. De processen hebben te maken met ultrafijne mechanica om de wafers te positioneren, kennis van chemie en optica. Die kennis heeft vaak zijn oorsprong in de laboratoria van Philips en in het geval van Mapper ook bij Fei, de Eindhovense fabrikant van elektronenmicroscopen.

Veel van de wetenschappers en bedrijven hebben mensen in dienst met een soortgelijke achtergrond. Er is bovendien sprake van regelmatige uitwisseling van personeel. Zo is Guido de Boer, die bij Mapper de ontwikkelingen leidt, jarenlang in dienst geweest bij ASML.

Dat Mapper wetenschappelijk gezien succesvol is, lijdt geen twijfel. Maar of het bedrijf ook een commercieel succes zal worden is nog de vraag. Momenteel heeft de chipindustrie ernstige problemen. Door de crisis investeren chipproducenten weinig in nieuwe apparatuur. Daar heeft ASML bijvoorbeeld onder te lijden.

Desondanks kon Mapper dit najaar de eerste orders noteren: eentje van de Taiwanese chipfabrikant TSMC en eentje van het Franse onderzoeksinstituut Leti. Het zijn de eerste machines, prototypes, die worden verkocht, compleet met personeel. Daarnaast ontving Mapper vorige maand een innovatiekrediet van 5 miljoen euro van SenterNovem, het agentschap van het ministerie van Economische Zaken.

Het succes van Mapper is sterk afhankelijk van de productiesnelheid die chipfabrikanten kunnen halen. Hoe meer chips er geproduceerd worden (gemeten in wafers per uur), des te goedkoper men kan werken en des te meer geld de chips opleveren.

Vooruitgang

Maskerloze lithografie is per definitie trager dan de optische methode, waarbij een lichtbron in één klap het patroon belicht. Toch denkt Mapper snel vooruitgang te boeken: “In de nabije toekomst breiden we het systeem uit tot 13.000 verschillende lenzen. Het huidige systeem telt 110 lenzen, omdat dat logaritmisch op de helft ligt tussen 1 en 13.000”, zegt Marco Wieland. Met zoveel lenzen wordt het werkzame oppervlakte van de elektronen-printkop groter.

Ook is het systeem sneller als de datadoorvoer verbetert. Het patroon wordt nu met optische kabels naar de elektronen-printkop verstuurd. De doorvoersnelheid van glasvezelkabels (nu 10 Gbit) groeit in de toekomst nog tot 40 Gbit en zelfs 100 Gbit per seconde. Omdat één patroon uit honderden terabytes bestaat, valt daar aanzienlijke tijdswinst te behalen. Voor de computerliefhebbers: het patroon ligt opgeslagen in een enorme hoeveelheid werkgeheugen. Harde schijven zijn te langzaam voor de klus.

Uiteindelijk denkt Mapper een doorvoersnelheid van tien tot twintig wafers per uur te halen. Dat is nog steeds wel langzamer dan de doorgifte die bijvoorbeeld ASML belooft: dat zou richting de 150 tot tweehonderd wafers per uur gaan. Maar, zegt Wieland van Mapper: “Onze machines nemen een stuk minder ruimte in beslag en zijn goedkoper.”

Door meerdere Mapper-systemen aan te schaffen, kan een fabrikant toch snel produceren, aldus Wieland. De doelgroep die Mapper voor ogen heeft, bestaat uit fabrikanten van chips die kleinere oplages maken en dus relatief veel aan maskers uitgeven. Met maskerloze lithografie zouden ze sneller nieuwe ontwerpen kunnen testen en geld besparen.

Echt concurrerend met ASML, dat veel lithografiesystemen levert voor geheugen- en processorchips, is Mapper voorlopig niet. Sterker nog: het jonge bedrijf denkt ooit overgenomen te worden door een groot bedrijf als ASML, dat Mappers machines kan maken.

Misschien ligt daar een mooie samenwerking in het verschiet. Elektronenbundels kunnen in theorie nog fijnmaziger werken dan de ultrafijne lijntjes van 32 nanometer (miljoenste millimeter) die ASML’s lithografiemethode op dit moment kan tekenen.

Tegen de tijd dat optische lithografie de grenzen van het onmogelijke bereikt, kan de elektronische printkop uit Delft wellicht uitkomst bieden.