Een partnerschap om de EUV-droom te verwezenlijken

Al sinds het begin is ASML baanbrekend als het om technologie gaat. Ondanks de nodige scepsis uit de nodige hoeken, hield het bedrijf vast aan zijn overtuiging dat EUV-technologie de sleutel was tot toekomstbestendige lithografie. Een TNO-onderzoek gaf daartoe net dat extra zetje. Terwijl anderen een ander pad kozen, joeg ASML zijn droom na door de handen ineen te slaan met experts uit andere disciplines bij de ontwikkeling van de allereerste prototypes voor EUV-lithografie: de Alpha Demo Tools. Onder de voor dit meerjarige project geselecteerde partners bevonden zich Philips, Carl Zeiss en TNO.

Belangrijkste ontwikkelingen

Eén stuk hardware waar TNO voor het project aan werkte, was de ‘reticle handler’ – een robot voor het plaatsen van de fotomaskers (‘reticles’). Deze moest voldoen aan de extreem strenge eisen die EUV aan nauwkeurigheid en een schone omgeving stelt. TNO ontwikkelde een techniek om het masker te plaatsen met behulp van een ‘pre-alignment’ sensor uit de ruimtevaartindustrie. Deze maakt gebruik van algoritmen om de positie van satellieten te bepalen op basis van het patroon van de sterren, waardoor de EUV-scanner onvoorstelbaar nauwkeurig kan worden uitgelijnd. Deze technologie werkte zo goed dat deze sensoren nog altijd in de huidige EUV-systemen worden gebruikt.

Dit was slechts een van de componenten van het EUV-systeem waaraan TNO voor ASML heeft gewerkt. Er moest een ‘storage box’ – een vacuümomgeving met daarin het masker – worden gebouwd om te kunnen werken volgens de ongelooflijk strenge specificaties voor deeltjes en schone maskeromgeving. Deze keer maakte TNO gebruik van haar competenties op het gebied van verontreiniging en reinigingstechnologieën die zij in de ruimtevaart- en hightechindustrie heeft opgedaan.

Een nieuwe technologie zal altijd op nieuwe, nog niet onderzochte uitdagingen stuiten. Zo waren de conventionele ‘wafer chucks’ niet geschikt voor het vasthouden van de maskers, aangezien zij berusten op de houdkracht

van vacuüm en EUV-lithografie juist een vacuümomgeving vereist. TNO werkte samen met experts van Philips en Berliner Glas (nu ASML Berlijn) bij het ontwerpen van een elektrostatische klem die maskers of wafers met ongelooflijke precisie in een vacuümomgeving op hun plaats kan houden.

Een andere technologische innovatie in de EUV-scanner is de niveausensor, een apparaat dat door TNO en ASML is ontworpen voor het snel en nauwkeurig in kaart brengen van de topografie van de wafer. TNO is nog steeds betrokken bij de verdere ontwikkeling van de niveau- en uitlijningssensoren. Onlangs heeft ASML een concept ingevoerd voor een nieuw type spiegelaansturing (‘mirror control’) dat TNO heeft ontwikkeld voor lasersatellietcommunicatie. Ook hier werken beide partners samen aan het aanpassen van de spiegel om de optica voor de EUV-bron verder te verbeteren.

Andere innovaties van TNO die aan het succes van ASML’s EUV-lithografiesystemen hebben bijgedragen, zijn de dynamische ‘gas lock’, de nulsensor en de waferklemmen. TNO beschikt nu over eigen, zeer geavanceerde faciliteiten zoals EBL-II, waar ASML en haar klanten verontreiniging en reinigingsapparatuur kunnen meten, inspecteren en analyseren. Ook zijn er opstellingen om het effect van EUV-licht op materialen te onderzoeken. Dit bewijst nog maar eens de sterke band die in de loop der jaren is gegroeid, waarbij TNO ASML nog steeds met systeemverbeteringen kan ondersteunen.

Meten is weten

“Meten is weten” zijn de beroemde woorden die de natuurkundige Kelvin ooit sprak. Maar hoe kun je weten of je voldoet aan de specificaties voor een bepaalde technologie als deze nog moet worden bewezen? TNO ontwikkelde speciale meetapparatuur om deze gegevens te kwantificeren. In een later stadium bleek dat zeer nuttig, toen klanten de EUV-machines in de praktijk gingen gebruiken en TNO kon bewijzen dat ASML wat handling betreft verreweg de schoonste en snelste systemen leverde.

Dit leidde organisch tot een nieuw competentiedomein binnen het project, verontreinigingsbeheersing, waarmee TNO ASML en haar leveranciers (zoals Carl Zeiss) tot op de dag van vandaag ondersteunt. Deeltjes, moleculaire verontreiniging, gasstromen die van invloed zijn op deeltjestransport en thermisch beheer, plasma-effecten - het veld is nog steeds in beweging.

Immersietechnologie

ASML werkte niet alleen aan de introductie van EUV-lithografie, maar hielp klanten ook verder door innovaties in DUV. Om ervoor te zorgen dat ze de Wet van Moore konden volgen, introduceerde het bedrijf DUV-immersielithografie. Bij deze techniek wordt een vloeibaar medium tussen de uiteindelijke lens en de wafer toegevoegd om de brekingsindex te verhogen, waardoor de resolutie van de fotolithografie verbetert en er veel kleinere details op de chip kunnen worden aangebracht.

Destijds was het probleem de vloeistof binnen de immersiekap (‘immersion hood’) te houden en te stabiliseren. Het antwoord lag in de tweefasenstroming, een ander domein waarin TNO veel kennis had opgedaan via haar lopende R&D-projecten in de olie- en gasindustrie. Uiteraard bracht het ontwikkelen van een tweefasenstromingssysteem op zo’n kleine schaal nieuwe uitdagingen met zich mee. TNO’s kennis van microfluïdica zorgde ervoor dat het toch lukte. Bovendien betekende de ontwikkeling van immersietechnologie dat ASML en haar klanten meer tijd kregen om EUV-lithografie te ontwikkelen.

ASML en TNO blijven samen nieuwe systemen voor immersielithografie ontwikkelen om aan de vraag vanuit de industrie te voldoen: een optimaal lithografisch proces voor de verschillende lagen op de chips. Na bijna twintig jaar met ASML aan immersietechnologie te hebben gewerkt, heeft TNO de kennis ook toegepast op andere gebieden, zoals microkoeling. De volgende stap is het gebruiken van de verworven kennis voor het koelen van chips in datacenters om energie te besparen en de levensduur van chips te verlengen.

De industrie vooruit helpen

Net als TNO zoekt ASML bij elke nieuwe technologie of elk nieuw idee ook nieuwe samenwerkingsnetwerken, en het bedrijf is daarbij niet bang om kennis uit te wisselen. Tijdens het EUV-project groeide bij beide partijen het besef dat het geleerde ook buiten de lithografie toegepast zou kunnen worden ten behoeve van andere sectoren. TNO heeft haar horizon door de samenwerking met ASML enorm verbreed, niet alleen vanuit technologisch perspectief. Ook in praktische zin heeft TNO veel geleerd op het gebied van systeem-engineering en over de halfgeleiderindustrie in het algemeen. Mede dankzij ASML’s bereidheid om haar kennis te delen, steunt TNO nu verschillende fabrikanten van chips en apparatuur over de hele wereld, maar altijd met het belang van het Nederlandse bedrijfsleven in het achterhoofd.

TNO vervulde een belangrijke rol tijdens de eerste jaren van de ontwikkeling van EUV-lithografie, zodat de grote droom kon worden gerealiseerd. Ook nu ASML is uitgegroeid tot de wereldmarktleider die het vandaag de dag is, blijft TNO het bedrijf ondersteuning bieden op terreinen als optica en verontreinigingsbeheer. En wanneer twee technologieën – zoals akoestiek en optica - gecombineerd moeten worden om nieuwe, innovatieve toepassingen te ontwikkelen, is TNO als geen ander in staat een multidisciplinair team samen te stellen om die klus te klaren.

De samenwerking tussen ASML en TNO, die eind jaren negentig begon, is nog lang niet ten einde. Integendeel: deze is nog net zo krachtig als aan het begin van dit traject. De voortdurende innovatiedrang van ASML is voor TNO een stimulans om te blijven verrassen met ideeën waar ASML nog niet aan heeft gedacht, of met combinaties van technologieën die in de industrie nog niet eerder zijn gecombineerd. En ASML weet dat het, wanneer een uitdaging niet op monodisciplinair niveau kan worden opgelost, altijd een beroep kan doen op TNO voor een (meer) multidisciplinaire oplossing.

Andersom is de kennis en expertise die TNO door haar lange samenwerking met ASML heeft opgedaan, van vitaal belang voor haar ambities om Nederlandse partijen in andere delen van de halfgeleiderwaardeketen vooruit te helpen. Door elkaar te blijven stimuleren, kunnen TNO en ASML hun positie handhaven als belangrijke aanjagers van het economische ecosysteem in Nederland en de wereldwijde halfgeleiderindustrie.