De magische machine waar China en de VS om vechten

Technologie Voor de wereldwijde chipproductie is de EUV-machine van ASML cruciaal – de VS en China vechten er om. Het bedrijf bouwt intussen nog complexere machines. Ze gaan 250 miljoen euro per stuk kosten.

De EUV-machine van ASML is zo groot als een dubbeldekker.
De EUV-machine van ASML is zo groot als een dubbeldekker. Illustratie Roland Blokhuizen

Achtenhalf miljard. Zoveel transistoren zitten er in de A13 bionic chip die Apple in de iPhone 11 schroeft. En de volgende iPhone-chip zal waarschijnlijk meer dan tien miljard van zulke schakelingen tellen, samengeperst op een stukje silicium van nog geen vierkante centimeter.

Het is te danken aan lithografietechnologie van onder meer het Nederlandse ASML dat de chipindustrie al decennia op steeds kleinere schaal kan werken. De huidige generatie chips wordt geschreven met lijntjes van 7 nanometer – één tienduizendste van een menselijke haar.

In de nabije toekomst worden schakelingen afgedrukt met lijntjes van 5 en 3 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter).

Extreem ultraviolet licht

Deze schaalverkleining wordt bereikt met de EUV-machine, die werkt met extreem ultraviolet licht. Het is een technologie waaraan ASML sinds de jaren negentig sleutelt. Een CO2-laser raakt in een vacuüm een druppeltje tin en genereert een straal licht met een golflengte van 13,5 nanometer. Veel kleiner dan de ‘diep UV’ lichtbron van 193 nanometer die de afgelopen vijftien jaar gebruikt werd.

Lithografie is het hart van de chipproductie. Een lichtstraal weerkaatst onder een hoek op een masker met daarop de blauwdruk van enkele chips. Het masker (132 bij 104 millimeter) wordt met lenzen vier keer verkleind en geprojecteerd op een wafer. Dat is een ronde schijf halfgeleidend materiaal met een doorsnede van 30 centimeter waarop een fotogevoelige laag is aangebracht. Op één wafer passen honderden processors of duizenden geheugenchips.

Na het belichten worden de onbelichte gedeeltes weggeëtst, krijgt de wafer een nieuw laagje (tot 20 nanometer dun) en wordt het volgende masker geprojecteerd. De wafer wordt ook behandeld met ionen, verhit en gepolijst. Laag voor laag, tientallen malen, groeit zo een geïntegreerd circuit van schakelingen, ofwel een chip. Tussen de behandelingen door wordt de wafer gemeten om de patronen op elkaar te laten vallen.

Als een hardloper die al sprintend een tekening maakt: pen in de ene hand, papier in de andere

Het lithografieproces voltrekt zich met een snelheid en complexiteit die lastig te bevatten is. Het is alsof een hardloper al sprintend een heel nauwkeurige tekening weet te maken – pen in de ene hand, papier in de andere.

Magnetische tafel

De waferstage, het karretje waarop de wafer ligt, zweeft boven een magnetische tafel en schiet pijlsnel heen en weer. Tegelijk beweegt ook de stapel lenzen die het masker projecteert. Elke beweging wordt gecorrigeerd, net als de temperatuurverschillen die de vorm van de lenzen kunnen beïnvloeden.

De wafer kan tussendoor een paar nanometers kromtrekken – meetapparatuur en geavanceerde software houden de patronen bij elke laag toch op elkaar.

Om niet nog meer bewegende delen te hebben, worden er strenge eisen gesteld aan de stijfheid van het gebouw waarin de lithografiemachines staan. De EUV-machine zelf is maatje dubbeldekker, maar de bijbehorende constructie beslaat drie verdiepingen: de ‘sub-fab’ en de ‘sub-sub-fab’ staan vol met ondersteunende apparatuur: rekken vol elektronica, de laser voor het EUV-licht, machines die de afhandeling van koelwater, gassen en chemische bestanddelen regelen.

Manufacturing magic

Hoe kleiner de chip, des te groter de fabriek die ze maakt. En hoe groter ook de fabriek die de spullen aanlevert voor de chipfabriek. ASML telt wereldwijd 25.000 medewerkers en het hoofdkantoor in Veldhoven dijt uit om de wedloop op de vierkante nanometer vol te houden.

ASML is de enige fabrikant die het EUV-proces rendabel kreeg en meer dan 170 wafers per uur kan belichten. De gangbare DUV-technologie kan weliswaar 275 wafers per uur behandelen, maar om op het allerkleinste niveau patronen te belichten zijn meer handelingen nodig. EUV doet in één keer waarvoor DUV drie handelingen nodig heeft. Dat maakt het aantrekkelijk om te investeren in machines van meer dan 100 miljoen euro.

Lees ook: ASML technisch directeur Martin van den Brink – Groeien op één miljardste meter

De hoop is dat de schaalverkleining volgens de Wet van Moore weer opgepakt wordt: tot voor kort verdubbelde elke twee jaar het aantal transistoren op hetzelfde oppervlakte, bij gelijkblijvende prijs. Die wetmatigheid van de voormalige Intel-topman Gordon Moore ging decennialang op. De laatste jaren vertraagde de ontwikkeling omdat EUV op zich liet wachten: de lichtbron was nog te zwak om voldoende wafers per uur te belichten.

Nu EUV krachtig genoeg is spreekt chipfabrikant Intel, een van de ASML-klanten, van pure „manufacturing magic”. Om deze magie te doorgronden ben je snel aangewezen op mensen die dicht bij ASML staan. Hoogleraar natuurkunde Joost Frenken is – in ieder geval ten dele – een buitenstaander: hij is directeur van het Advanced Research Center for Nano-Lithography. ARCNL is een instituut waar twee Amsterdamse universiteiten en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek fundamenteel onderzoek doen naar meettechnologie op nanoniveau. ASML betaalt de helft van het basisbudget van ARCNL.

Frenken: „Als je onder de motorkap kijkt van complexe technologie, zie je vaak wat voor rommeltje het is. Bij ASML is het andersom. Naarmate ik er meer van te zien krijg, raak ik meer onder de indruk. Achter elk ding waarvan ik dacht dat het ingewikkeld kan zijn, schuilt iets dat nog veel ingewikkelder blijkt te zijn.”

Het mooiste – en tegelijk pijnlijke – compliment voor ASML komt van de Amerikaanse overheid. Die vindt de EUV-machines uit Veldhoven zo uniek dat deze apparaten niet in China mogen belanden. Dat land probeert een eigen chipindustrie op te zetten, en dat kan niet zonder EUV.

Lees ook: interview met ASML-topman Peter Wennink over de exportvergunning.

Het uitblijven van de exportvergunning, onder druk van de VS, is een domper, maar weerhoudt ASML er niet van verder te gaan met de ontwikkeling van EUV. Zolang er vraag is naar meer chips, voor 5G, voor zelfrijdende auto’s, voor smartphones en datacentra, is er behoefte aan fijnmaziger techniek.

Heel veel specialismen

Op dit niveau van chipproductie gaan chemische kennis, optica, mechatronica, metrologie en lasertechniek hand in hand. Met zoveel specialismen is het onmogelijk om in je eentje een EUV-machine volledig te doorgronden, zegt Jan van Schoot. Hij is een van de systeemarchitecten van ASML die werken aan die nieuwe techniek, ‘High-NA’, de volgende serie EUV-machines die naar verwachting vanaf 2022 geleverd worden. Kosten van zo’n machine: 250 miljoen euro.

ASML gaat eerst samen met chipfabrikanten een productieproces ontwikkelen, zodat High NA voldoende wafers per uur belicht. De massaproductie begint na 2024.

Uitknijpfactor

Van Schoot legt uit dat er twee factoren zijn die de resolutie van het lithografieproces bepalen: de golflengte van het licht en de openingshoek van de lens. Daarnaast is er een aantal complicerende factoren die onder de wat mysterieuze noemer ‘k1’ worden samengevat. Van Schoot: „Dat noemen we de ‘uitknijpfactor’, een verzamelterm voor productieomstandigheden waarbij je de machine telkens meer aan de tand voelt.”

Verandering in golflengte – zoals bij de introductie van EUV – heeft gevolgen voor het hele productieproces, legt Van Schoot uit. „Daarom zitten de belangrijkste verbeteringen van de nieuwe EUV-machine in de openingshoek. Dat hebben wij zelf onder controle en vergt geen ingrijpende aanpassingen bij de chipfabriek.”

Lees ook een reportage over lenzenfabrikant Zeiss: Hier maken ze de toekomst

De optische systemen ontwikkelt ASML in samenwerking met de Duitse lenzenfabrikant Zeiss. „Vroeger bestelden we een lens en wachtten bij wijze van spreken tot de vrachtwagen voor kwam rijden. Nu zijn onze mechatronische kennis en de optische kennis van Zeiss nauw verweven.”

Tot op de atoom nauwkeurig

De grootste lens in het nieuwe systeem heeft een doorsnede van een meter en is tot op het atoom nauwkeurig gepolijst. De ontwikkeling van de meetapparatuur om dat gecontroleerd te doen, vergde jaren.

De nieuwe EUV-machine heeft meer effectieve lichtopbrengst omdat er minder lenzen in zitten. Een EUV-lens is in feite een spiegel, bestaande uit laagjes molybdeen en silicium. Elke spiegel absorbeert 70 procent van de geleverde lichtstralen. Minder spiegels betekent: meer licht, dus snellere belichting.

De resolutie wordt verbeterd door de openingshoek te vergroten. In vaktermen: een hogere nominale apertuur, vandaar ‘High NA’. De lensopening gaat van 0,33 naar 0,55. Van Schoot geeft het voorbeeld van een fotograaf die een object met meerdere lampen perfect uitlicht – om alle rimpels te benadrukken, of juist een strak plaatje te creëren. „Net als een lichtgevoelige lens van een spiegelreflexcamera heb je meer scherpte, maar ook een kleine focusdiepte.”

Messcherpe bundel

De High NA-systemen kunnen lijntjes maken van 3 nanometer en kleiner. Eén bijeffect is dat het gebied waar de lichtbundel messcherp op de fotolak valt, kleiner wordt. Daardoor luisteren vertekeningen in het waferoppervlak nog nauwer.

Een meer ingrijpend bijeffect: het masker, in feite een rechte spiegel, reflecteert slechter naarmate het licht schuiner invalt. ASML overwoog dat te compenseren door op één masker vier keer minder chippatronen te plaatsen. Maar omdat de wafer dan vaker moet bewegen om opnieuw belicht te worden, groeit de ‘dode tijd’: kostbare seconden tijdverlies.

Van Schoot verzon met Zeiss een oplossing: door een zogeheten anamorfe lens (een breedbeeldlens) te gebruiken, passen er toch meer patronen op het masker. Ook de acceleratie van de zwevende waferkarretjes wordt opgevoerd – ze versnellen met meer dan 10 g. Zo stijgt de doorvoer van wafers tot 200 per uur.

Chipfabrikanten hoeven niet hun hele fabriek te upgraden met breedbeeld EUV-machines à 250 miljoen euro. Die allerfijnste patronen worden doorgaans alleen gebruikt voor de onderste lagen van een chip. Daarna nemen minder geavanceerde lithografiemachines het stokje over.

Dat wisselen naar andere lithografie, met andere lenzen, vergt ook weer rekenwerk en correcties, zegt Jan van Schoot. Maar dat hoort er bij, als je bij ASML werkt: „Met elke oplossing creëren we nieuwe problemen.”