Op bezoek bij ASML: fotolithografiesystemen voor high-end chips

Zonder machines van het Nederlandse ASML zou de productie van ultrafijne chipstructuren voor onder andere moderne smartphones en laptops onmogelijk zijn. We ontdekten ter plekke wat de nieuwe generatie fotolithografiesystemen kenmerkt en hoe het wereldwijde partnernetwerk van ASML technologische sprongen voorwaarts mogelijk maakt.

Grote huizen, grote auto’s, grote biceps – groter is beter. Maar niet in de chipindustrie: het oude credo ‘Wij hebben de grootste microchips!’ maakt dat duidelijk. Fotolithografie is een productiestap die de ondergrens van de haalbare chipstructuur bepaalt. Afgezien van ASML is er geen enkel ander bedrijf ter wereld dat fotolithografiesystemen voor extreem ultraviolet licht (EUV-lithografiesystemen) kan maken voor de massaproductie van de fijnste chipstructuren. Top-smartphones, high-end laptops, krachtige gaming-pc’s – al die apparaten bevatten al een paar jaar chips die zijn belicht met EUV-systemen van ASML.

ASML heeft een wereldwijd netwerk van productiepartners en klanten. Wederzijdse ondersteuning en, in sommige gevallen, tientallen jaren samenwerking hebben het mogelijk gemaakt om de meest geavanceerde lithografiesystemen ter wereld te ontwikkelen. Tijdens een bezoek aan het hoofdkantoor van ASML kwamen we daar meer over te weten.

De ASML-campus ligt in de high-tech regio Brainport Eindhoven. Daar zijn ook tal van andere techbedrijven te vinden, zoals Philips, dat ASML in 1984 mede oprichtte. Onze gastheer Marc Assinck, perswoordvoerder van ASML, heette ons welkom bij de receptie. We volgden hem naar het bezoekerscentrum, dat doet denken aan een technologiemuseum.

Dat bezoekerscentrum bestaat uit stations die onderdelen van het lithografiesysteem, de principes erachter en de historische ontwikkeling laten zien. Maar er zijn ook blokken hoogzuiver silicium te zien, waarvan spiegelgladde wafers worden gemaakt.

Siliciumblokken, spiegelgladde wafers en onderdelen van de lithografiesystemen sieren de vitrines in het bezoekerscentrum van ASML.

Wat meteen opvalt is een grote formule op de muur, het zogenaamde Rayleigh-criterium: CD = k₁ ∙ λ / NA. CD staat voor de minimale grootte van de structuur die kan worden belicht. De golflengte van het licht dat gebruikt wordt om de wafer te belichten is λ. De numerieke apertuur NA is een maat voor hoe goed een optisch systeem licht kan opvangen en focussen. Alle andere factoren zijn samengevoegd in k1. Die formule toont dus de belangrijkste ontwikkelingsdoelen van lithografiesystemen: kortere golflengtes van licht en grotere openingen van de optica maken fijnere chipstructuren mogelijk.

ASML heeft precies die twee dingen gedaan: EUV-systemen werken met licht van 13,5 nanometer, een grote sprong voorwaarts vergeleken met het licht van 193 nanometer dat voorheen werd gebruikt in het diepe ultravioletproces (DUV-proces). Om die sprong mogelijk te maken, heeft ASML grote delen van het systeem fundamenteel veranderd.

Ten eerste maakt de belichting van de wafers via EUV niet langer gebruik van laserlicht. In plaats daarvan transformeren laserpulsen in een vacuümkamer microscopisch kleine tindruppeltjes in plasma, wat ook wel ionisatie wordt genoemd. Een krachtige laser bestraalt 60.000 van die druppeltjes per seconde, waarbij elke druppel drie laserpulsen krijgt. De eerste puls transformeert de druppel in een platte soort pannenkoek, de tweede maakt die pannenkoek groter en de derde puls transformeert hem in plasma. De pannenkoekvorm is nodig voor de volledige ionisatie van alle tindeeltjes in de druppel. De straling die tijdens het ioniseren wordt geproduceerd heeft een golflengte van 13,5 nanometer.

Aan de andere kant gebruiken EUV-systemen geen lenzen om de bundels te focussen, omdat die de straling van die golflengte zouden absorberen. In plaats daarvan gebruikt ASML gebogen spiegels die speciaal voor dat doel zijn ontwikkeld door Carl Zeiss SMT. In de huidige High-NA-systemen zijn die spiegels zo glad dat hun oppervlakteruwheid slechts enkele tientallen picometers bedraagt en dus kleiner is dan de grootte van een atoom. In de naam High-NA zit nog een andere optie waar ASML gebruik van maakt: de hogere numerieke apertuur vergeleken met de eerste generatie EUV-systemen verbetert de resolutie van het lithografiesysteem aanzienlijk, maar vergt aanzienlijk grotere spiegels met een diameter van ongeveer een meter. De maskers met circuitpatronen worden ook ontworpen als spiegels in het EUV-proces.

Een High-NA-EUV systeem van ASML: modulair, 150 ton zwaar, groter dan een bus en vol componenten die met nanometerprecisie gemaakt zijn. Andere modules zoals de lasermodule en de koeleenheden bevinden zich onder het lithografiesysteem dat in een cleanroom werkt en nemen twee keer zoveel ruimte in als de machine op de foto.

Belangrijk op dit punt: het Rayleigh-criterium geldt voor een enkele belichting van de wafer. Als een wafer in plaats daarvan meerdere keren belicht wordt, kunnen ook fijnere structuren worden gecreëerd door overlappende effecten. Dat betekent dat krachtige en energiezuinige chips ook kunnen worden geproduceerd met DUV-machines. Meerdere belichtingen – ook bekend als multi-patterning – vergen echter aanzienlijk meer tijd dan enkelvoudige belichtingen en leiden tot aanzienlijk meer afgekeurde exemplaren. Dat beperkt de economische productie van chips met hoge prestaties, maar maakt het producerenvan kleine series nog steeds mogelijk. De huidige high-end chips kunnen echter niet meer worden gemaakt met oudere lithografiemachines.

Een microchip bestaat uit enkele tientallen of, afhankelijk van het type, zelfs rond de honderd lagen, Marc Assinck vergelijkt het met een lasagne. Slechts enkele van die lagen bevatten structuren waarvoor EUV-systemen nodig zijn om ze te produceren. Grotere structuren van andere lagen worden nog steeds geproduceerd met DUV-lithografie, wat in de nabije toekomst niet zal veranderen.

ASML is van plan om over een paar jaar 600 DUV- en 110 EUV-machines per jaar te produceren, waarvan 20 High-NA-EUV. DUV-machines van ASML concurreren met die van andere fabrikanten zoals Canon en Nikon. Ze zijn ook onderworpen aan minder strenge exportbeperkingen naar bijvoorbeeld China.

Het Rayleigh-criterium toont de twee belangrijkste factoren voor de miniaturisering van structuren bij het lithografieproces: de golflengte van de straling waarmee de wafer wordt belicht λ en de numerieke apertuur van de optica NA.

Fotolithografie is het proces waarbij wafers worden blootgesteld aan licht om microchips te maken. Heel eenvoudig gezegd werkt het als een uiterst precieze diaprojector: licht wordt via een masker met het circuitpatroon geprojecteerd op een fotolak die op een siliciumwafer wordt aangebracht.

Afhankelijk van het proces lost de volgende stap – ontwikkelen – de belichte of onbelichte delen van de lak op en legt het onderliggende materiaal bloot. De eigenlijke structuren van de chip worden gecreëerd door die gebieden te etsen.

Chipfabrikanten gebruiken geavanceerde EUV-fotolithografie (EUV: Extreem UltraViolet) voor de fijnste chipstructuren, terwijl DUV fotolithografie (DUV: Diep UltraViolet), dat al tientallen jaren bestaat, wordt gebruikt voor grovere structuren. Beide processen zijn nodig voor het produceren van een moderne high-end chip.

Hoewel het in de volksmond UV-licht wordt genoemd, ligt het gebruikte extreme ultraviolet ver buiten het zichtbare bereik en op de grens van röntgenstraling.

Niets missen van het laatste processornieuws?

Schrijf je in voor onze gratis nieuwsbrief:

Een chipfabriek is een enorm ecosysteem, wat ook een dilemma vormt voor he produceren van chips. Aan de ene kant heb je de meest geavanceerde machines nodig, aan de andere kant moeten ze optimaal op elkaar zijn afgestemd. Elke uitwisseling van een machine vereist het aanpassen van andere machines. Dankzij het modulaire ontwerp van ASML-systemen kunnen klanten hun bestaande lithografiemachines eenvoudiger upgraden omdat alleen de betreffende modules hoeven te worden vervangen, legt Marc Assinck uit. Het modulaire ontwerp vereenvoudigt ook het onderhoud.

De hardware alleen is niet voldoende om de steeds fijnere structuren op de wafers nauwkeurig bloot te leggen, dat is alleen mogelijk met behulp van speciale ASML-software.

De patronen op het belichtingsmasker komen niet overeen met de patronen op de wafer. Hoe fijner de structuren, des te groter de afwijkingen. Daar zijn verschillende effecten voor verantwoordelijk, waaronder lichtdiffractie. Die buigt het licht aanzienlijk af van zijn rechte pad wanneer het kleine obstakels passeert, zoals de patronen op het masker.

Die verschillen moeten worden gecompenseerd zodat tijdens de belichting de gewenste structuren toch op de wafer ontstaan. In het verleden werden de patronen op het masker stap voor stap handmatig aangepast. In plaats daarvan worden de effecten van lichtdiffractie en andere storende factoren nu gesimuleerd met algoritmische computerondersteunde lithografiemodellen. Alle software daarvoor is volledig ontwikkeld door ASML, benadrukt Marc Assinck.

De omstandigheden binnen het lithografiesysteem moeten ook nauwlettend in de gaten worden gehouden en tijdens het gebruik voortdurend geoptimaliseerd worden. EUV-belichting vindt plaats in een vacuüm, de wafers en maskers zitten in speciale houders die zeer snel kunnen bewegen. De kleinste deeltjes, minimale afwijkingen in de grootte van de systeemcomponenten door temperatuurschommelingen – zelfs in het bereik van een paar duizendste van een graad – en vele andere verstoringen leiden tot belichtingsfouten.

ASML koopt bijna alle hardwarecomponenten voor zijn machines in bij een groot netwerk van productiepartners en ziet zichzelf vooral als systeemarchitect. De technische complexiteit en hoge kwaliteitsnormen vergen een langdurige en nauwe samenwerking gebaseerd op transparantie en vertrouwen. ‘Het is erger dan een huwelijk (…),’ grapt Marc Assinck, ‘Je kunt niet uit elkaar gaan, je zou allebei failliet gaan. Je moet die relatie gezond houden.’

Bij de meer dan duizend partners horen onder meer de laser voor het ioniseren van de tindruppels van TRUMPF en de optica van Carl Zeiss SMT. Het ontwikkelen van sommige componenten kan jaren duren en miljarden kosten. Om de ontwikkeling van EUV-technologie te financieren, hebben de belangrijkste kopers van deze machines – TSMC, Intel en Samsung – miljarden euro’s geïnvesteerd door aandelen van ASML te kopen. ASML heeft op zijn beurt nog steeds ongeveer een kwart van de aandelen in Carl Zeiss SMT. Onderdelen zoals wafer- en maskerhouders komen van ASML Berlin, dat sinds 2020 deel uitmaakt van het bedrijf en voorheen Berliner Glas heette.

Lithografiesystemen bestaan uit talloze op elkaar afgestemde componenten. De assemblage, kalibratie en eindtests van een lithografiemachine van de nieuwste generatie High-NA-EUV nemen maanden in beslag. Daarna wordt hij gedemonteerd, met verschillende vrachtvliegtuigen naar de klant vervoerd en weer gemonteerd. Een systeem dat al in gebruik is genomen, wordt echter ook verder geoptimaliseerd. Ongeveer één op de vier van de 44.000 medewerkers van ASML werkt in de klantenservice. Het gaat daarbij niet alleen om het oplossen van problemen. maar de medewerkers identificeren ook moeilijkheden en knelpunten in het proces en ontwikkelen oplossingen die ook gebruikt worden bij de systemen van andere klanten. Op die manier worden de machines voortdurend verder ontwikkeld.

Een High-NA-EUV-systeem kost momenteel 350 miljoen euro – bijna twee keer zoveel als een van de vorige EUV-generatie. Fabrieken hebben echter veel meer machines nodig om microchips te produceren. Marc Assinck benadrukt dat lithografie weliswaar de centrale stap in de chipproductie is, maar slechts een van de vele: ‘Veel mensen denken (…) dat je een machine van ASML koopt en dat die dan chips uitspuugt (…), maar dat is niet zo.’

In een chipfabriek zijn er tientallen of zelfs honderden verschillende machines die andere productiestappen uitvoeren. Die omvatten bijvoorbeeld het coaten van de wafers met fotolak, het ontwikkelen van de fotolak na belichting en het wegetsen van de gebieden die op die manier belicht zijn.

De wafers moeten ook in chips worden gesneden, op draagplaten worden gemonteerd en van koelkappen worden voorzien. Het fabricageproces van een microchip bestaat uit duizenden stappen en neemt enkele maanden in beslag.

Zowel de productiepartners als de klanten van ASML komen uit verschillende landen, bijvoorbeeld uit de VS, waar ASML als multinational ook vestigingen heeft. Niemand weet op dit moment in welke richting de handelsconflicten zich zullen ontwikkelen. Vooral de laatste maanden zijn een rollercoaster. Kunnen de Verenigde Staten bijvoorbeeld Taiwan onder druk zetten en dwingen te stoppen met het exporteren van chips naar Europa? Aangezien de machines voor het produceren van chips uit Europa komen, lijkt dat scenario op zijn zachtst gezegd onwaarschijnlijk.

Zou de EU bijvoorbeeld een exportverbod op EUV-systemen kunnen instellen als reactie op een onaangename verrassing uit de VS? Een mogelijke reactie van de VS zou een exportverbod zijn op onderdelen die ASML nodig heeft voor het produceren van lithografiemachines. Bij elke serieuze sanctie zou de partij die de sanctie oplegt ook in haar eigen voet schieten, aangezien de desbetreffende nationale vestigingen van het bedrijf dan ook getroffen worden.

ASML wil geen commentaar geven op geopolitieke kwesties. Toch is het duidelijk dat de high-end chips die gemaakt worden met EUV-systemen economische en militaire voordelen kunnen bieden aan de landen die ze bezitten.

Het ecosysteem van de chipfabricage is net zo kwetsbaar als de fabricageprocessen zelf. Het functioneert dankzij het netwerk van partners dat al tientallen jaren werd opgebouwd en onderhouden. Langetermijn-overeenkomsten en -planning, wederzijdse investeringen en gezamenlijke productontwikkeling creëren een gecontroleerde bedrijfsomgeving die mammoetprojecten zoals het ontwikkelen van lithografiesystemen überhaupt mogelijk maakt.

Net als veel andere technologische pioniers moet ASML risico’s nemen. Maar dat zijn berekende risico’s. Als die risico’s steeds moeilijker in te schatten worden door bijvoorbeeld handelsconflicten of andere politieke ontwikkelingen, kan dat meer betekenen dan alleen moeilijkheden op de korte termijn voor de hightechindustrie. En dus blijft het mondiale karakter van de chipindustrie zowel haar kracht als haar achilleshiel.

Niets missen van het laatste processornieuws?

Schrijf je in voor onze gratis nieuwsbrief:

Al met al blijkt dat ASML niet alleen een technologisch zwaargewicht is, maar ook een cruciale spil in een uiterst kwetsbaar mondiaal netwerk. Wie de toekomst van chips wil begrijpen, kan niet om dit Nederlandse bedrijf heen.