Interview
ASML slecht taalbarrières in mechatronische toren van Babel
26 februari 2008
ASML voert een nieuwe aanpak in om zijn ontwerpprocessen te stroomlijnen. De methodiek helpt specialisten en ontwerppartners om elkaar beter te verstaan en te begrijpen. Doede Kuiper geeft er op 6 maart op Hightech Mechatronica 2008 een keynotepresentatie over. In dit interview introduceert hij de materie en licht hij alvast een tipje van de sluier op.
Lithografie is altijd de bottleneck geweest in de chipproductie. Voor het aanbrengen van de patronen op geïntegreerde circuits zijn bovendien de duurste machines nodig. Wie chipfabrikanten daar snelheid en kostenbesparing kan bieden, heeft een belangrijk concurrentievoordeel. Productiviteit was het strategische wapen waarmee ASML de concurrentie de afgelopen decennia klopte. Niet dat het Veldhovense bedrijf de goedkoopste steppers en scanners maakt. De machinefabrikant versloeg de Japanse alleenheerschappij in de lithomarkt vooral met een lage total cost of ownership: met een ASML-machine is een vierkante centimeter chip goedkoper te fabriceren dan met een machine van Nikon of Canon. Dat is de drijvende kracht achter het huidige marktaandeel van 65 procent (2007).
Mechatronica legt de basis voor de combinatie van ultrahoge precisie met hoge productiesnelheden. In Bits&Chips noemde ASML’s hoofd marketing en technologie Martin van den Brink vorig jaar mechatronica het geheim van Veldhoven. ‘Onze mechatronici hebben in de afgelopen twintig jaar een mechatronicamomentum gecreëerd dat zijn weerga in de wereld niet kent’, aldus Van den Brink.
ASML’s mechatronicagroep staat sinds 2006 onder leiding van Doede Kuiper. Hij vertelt 6 maart aanstaande op Hightech Mechatronica 2008 hoe de Veldhovense machinebouwer een probleem aan het oplossen is waar ieder bedrijf mee worstelt dat geavanceerde mechatronische systemen ontwikkelt: hoe zorg je ervoor dat ontwerpdisciplines als mechatronica, elektronica en software goed op elkaar aansluiten en dat de vele specialisten elkaar goed begrijpen.
Als we Van den Brinks complimenten in het tweegesprek herhalen, ontvangt Kuiper ze van harte, maar hij relativeert ook: ‘Het is een samenspel. Snelheid alleen is niet voldoende. We moeten ook voldoende licht hebben. Het is een brede roadmap waarin veel elementen meespelen. De lens moet tegen het sterke laserlicht kunnen, de nanometerprecisie moet intact blijven, de sensoren hebben minder tijd om hun metingen te doen’, en zo kan Kuiper nog wel even doorgaan.
Vliegensvlug
Kuiper heeft zijn wortels in de werktuigbouw. Hij studeerde meet- en regeltechniek in Delft. Via zijn afstudeerwerk kwam hij bij het toenmalige Fokker terecht. Robotica was toen hip en hij startte in de tweede helft van de jaren tachtig bij de divisie Space met de ontwikkeling van de Europese Robotarm. Kuiper heeft er nog een foto van hangen op zijn kamer. ‘Hij wacht op lancering. Ik hoop dat het er ook echt van komt.’
Kuiper gebruikte bij Fokker destijds computermodellen om het dynamische en kinematische gedrag van de robotarm te voorspellen. ‘Er was geen budget om het gewoon te bouwen. Voor de helft kwamen de modellen uit een standaard simulatiepakket, de ander helft was eigen bouw.’ Na zes jaar worstelen met de robotarm vond de jonge ingenieur het welletjes. Hij trok naar Fokkers afdeling remote sensing. Maar op den duur verslapte ook daar zijn interesse. ‘Ik vond dat er te weinig markt voor was.’
Zo belandde hij tien jaar geleden bij AMSL. ‘Toen dacht ik: nou ga ik echt dingen maken die mensen gaan gebruiken.’ Maar zo snel ging het niet. Kuiper ging niet meteen producten maken, maar werd in 1996 betrokken bij prille researchoefeningen voor de Twinscan. In het voorontwikkeltraject van deze waferscanner werkte hij aan de reticle handler (die het masker op de mask stage legt). ‘Dat was echt mechatronica.’ Pas daarna ging hij productontwikkeling doen voor het Pas5500-platform, destijds ASML’s cash cow en voorloper van de Twinscan. Upgrades, nieuwe versies, dat soort zaken. Twee jaar geleden werd hij hoofd van de ontwikkelgroep voor mechatronica.
Intussen is het Twinscan-platform uitgegroeid tot melkkoe. Deze waferscanners zijn zeer geavanceerde robots. Ze nemen breekbare silicium plakken – als vlaaien zo groot - uit een chuck, brengen die naar de belichtingstafel en geven ze na de lithostap weer terug aan de procesmachines.
Die mechatronische acrobatiek is eigenlijk nog een eitje als we naar het belichtingsproces zelf kijken. Daar worden de echte grenzen verlegd als het gaat om precisie en snelheid. In de belichting scant het apparaat het origineel (masker) en de beelddrager (de fotolak op de wafer) synchroon door de laserbundel. De lenzenkolom verkleint het beeld viermaal, dus beweegt de mask stage het masker boven de lenzenkolom door de laserbundel met een scanbeweging die viermaal zo snel is als de waferstage die onder de lenskolom zit (met daarop de 300 mm siliciumplak).
Dat gaat vliegensvlug. Afhankelijk van het type neemt een Twinscan al snel 120 tot 160 plakken van 300 mm per uur voor zijn rekening. Met een belichtingsveld van 33 mm bij 26 mm komt dat neer op bijna drie belichtingen per seconde.
Zoals gezegd, met nanometerprecisie. De overlay, de mate waarbinnen het hele patroon van twee opeenvolgende belichtingen ten opzichte van elkaar verschoven mag zijn, is een vijfde van de critical dimension (CD, de kleinste details in de betreffende technologie). Voor chips met als kleinste lijntjes 65 nm mag de positiefout voor het totale patroon dus niet meer zijn dan 13 nm.
Bij de double patterning-technologie die ASML momenteel verfijnt voor 32 nm chips, zijn de eisen nog veel stringenter. Daar zijn twee lithostappen nodig voor het nanostructureren van één laag fotolak. De overlay mag voor deze twee opvolgende stappen slechts 2,2 nanometer zijn, ongeveer zeven atoomlengtes.
Gevraagd naar het meest spannende mechatronische onderdeel wijst Kuiper inderdaad op de waferstage, de tafel die deze precisie onder hoge scansnelheden moet verwezenlijken. In een Twinscan zitten twee van deze stages om het hele proces te versnellen. Tijdens het belichtingsproces meten interferometers de volgende plak op de andere stage alvast door, om de hoogte in kaart te brengen. Kuiper: ‘De handlers voor wafers en maskers hebben heel veel functionaliteit, maar de waferstage is het meest complex. De wafer- en reticle-stage hoeven slechts op en neer te scannen, maar dat moeten ze wel heel nauwkeurig doen en heel snel.’
De waferstage groeit intussen echter ook snel in functionaliteit. Sinds immersielithografie zijn intrede deed, heeft deze stage bijvoorbeeld allerlei extra controletoestanden gekregen om rekening te houden met het water tussen lens en wafer. Kuiper meent dat die uitbreiding in functionaliteit geen belemmering is in het bereiken van hoge nauwkeurigheden. ‘Maar ze maken het project wel extra moeilijk. Het is gewoon meer, maar het staat werken met nanometerprecisie niet in de weg.’
Racepaard
De wet van Moore dicteert de snelheid waarmee ASML nieuwe modules en machines moet ontwikkelen. Projecten duren bij de machinefabrikant ongeveer twee tot drie jaar, de looptijd tussen de start van de productontwikkeling en het tijdstip dat de nieuwe machine de deur uit moet. ‘Dat is heel kort. Vandaag de dag hebben we maar twee jaar om modules te ontwerpen en te maken als de retical-handler, de wafer-handler, de retical-stage en de waferstage. Daarna hebben we een jaar voor de systeemintegratie’, aldus Kuiper.
Door zijn kennismaking met verschillende ontwikkelstadia en platforms leerde hij de hartslag van de lithografische machinebouwindustrie voor chips aardig kennen. Kuiper over het stapsgewijze proces van mechatronisch verfijnen: ‘Als je een geheel nieuw platform in de lucht brengt, dan zie je in de eerste designfase de echte beperkingen niet. Je denkt dat je die weet, maar uiteindelijk zet je toch een ontwerp neer met bottlenecks. Altijd beperken een paar punten de prestaties. In het eerste prototype kom je daarachter en in de loop der tijd pak je steeds nieuwe punten aan.’
Ook tijdens de levensduur blijven ASML’s productontwikkelaars aan de productiemachines sleutelen. Zo zijn de H-drive-waferstages in de Twinscan in de loop der jaren stevig opgevoerd. ‘We hebben een heel nauwkeurige machine, waardoor we zeer precies kunnen meten waar de schoen wringt en hoe we het verder kunnen verfijnen. Een nieuw platform verslaat in het begin met enige moeite zijn volwassen evenknie, maar draagt wel de potentie in zich om een stap verder te komen. In één keer krijg je het niet allemaal goed. Daarvoor is het te complex. Als de eerste machine in het veld staat, heb je pakweg vijf jaar om te optimaliseren. Dan knijpen we er werkelijk alles uit.’
De Twinscan biedt intussen een spectaculaire productiviteit. Waar de Pas5500-stepper eind jaren negentig ruim honderd 200 mm siliciumplakken per uur verwerkte, haalde de Twinscan kort na zijn introductie al hetzelfde aantal 300 mm wafers per uur. Omdat 300 mm plakken ruim tweemaal groter zijn, betekende dat een ruime verdubbeling van de productiviteit. Intussen belicht de snelste Twinscan (de XT:1000) 165 wafers van 300 mm per uur. Dit racepaard is dus driemaal productiever dan de Pas5500. ‘Officieel werken we een jaar of zes aan de Twinscan. Uiteindelijk zal hij best tien jaar in productie blijven’, schat Kuiper.
Kuiper over de vraag wat ervoor heeft gezorgd dat de doorvoer zo spectaculair is gestegen: ‘Versnelling en snelheid. Door steeds krachtigere motoren, krachtigere versterkers en een steeds verdergaande reductie van de bewegende massa’s. Het is Newton in zijn meest pure vorm. F = m * a, kracht is massa maal versnelling. De stromen worden hoger, de kabels dikker, de vermogensdichtheid in de actuatoren gaat omhoog, de koeling is steeds extremer. Alles om maar meer vermogen uit de actuator te krijgen.’
Pseudocode
Doordat ASML chipfabrikanten helpt om ook de oudere systemen op te waarderen, blijven ze zeer lang in functie. Soms wel vijftien jaar. Pas nu bouwen chipfabrikanten hun productie met Pas5500-systemen af. ‘Ook al krijg je hem voor niets, zo’n machine kost geld in gebruik. Nieuwere machines zijn op een gegeven moment goedkoper door hun hogere productiviteit, ook al zijn ze duurder in aanschaf.’
Behalve de voortdurende drang tot optimalisatie is er de al genoemde continue verhoging in complexiteit. De machines moeten sneller, nauwkeuriger én ze krijgen meer functies. Dat stelt ook steeds hogere eisen aan de R&D, het ontwerpproces en de productontwikkeling. Kuiper: ‘Met de manier waarop we vroeger de zaak voortdurend bijstelden, krijgen we het niet meer voor elkaar.’
Het ontwikkelproces bij ASML heeft ook nog eens een sterk multidisciplinair karakter. Een extra complicerende factor is de toren van Babel waarmee elke grote machinebouwer worstelt: elke discipline heeft zijn eigen dialect door de sterke specialisatie. Mechanicaontwerpers, elektronicaspecialisten en softwaredesigners, allemaal hebben ze hun jargon, werkwijzes, technische speeltjes en computertools.
Om een betere samenwerking te krijgen en de efficiëntie in het ontwikkelproces te verhogen, voerde ASML in de tweede helft van 2006 een multidisciplinair referentiemodel in om een gezamenlijke vocabulaire te krijgen. Dit model leidden de Veldhovenaren af uit succesvolle praktijkervaringen. Vorig jaar namen ze de nieuwe werkwijze ook echt in gebruik.
Kuiper: ‘We hebben vorig jaar met name gekeken naar mechatronica- en softwareontwerp. Die twee hebben we op een strakkere manier kunnen koppelen. We hebben nu een meer geautomatiseerde manier om blokdiagrammen en parametersets te definiëren in mechatronica. Het voordeel is dat softwareontwerpers nu hetzelfde model gebruiken –een vergelijkbare aanpak willen we ook uitrollen naar elektronicaontwerp.’
‘Vroeger wisselden we in feite tekst of spreadsheets uit. De mechatronici hadden hun blokdiagrammen, maar die modellen kwamen niet overeen met de diagrammen van de softwareontwikkelaars. Die moesten de zaak printen, overtypen en volgens eigen interpretatie uitwerken. De softwaremensen moesten het dus eigenlijk opnieuw verzinnen. Dan hoopten ze maar dat het was wat wij bedoelden. Natuurlijk werd er gereviewd, maar dan nog slopen er veel fouten in. Wij proberen dat overtypwerk er nu uit te halen. De onduidelijkheden zijn nu weggenomen. Wij specificeren nu een pseudocode volgens een heldere structuur. Wij tekenen blokdiagrammen en die zijn voor onze software-engineers hetzelfde.’
De softwaremensen gaan dus met een structuur aan de slag die de mechatronica-afdeling heeft opgezet. ‘Die bestaat uit bouwblokken zoals regelfuncties, signaalverwerkende functies, regellussen en kinematische algoritmes. Gewoon beschrijvingen van hoe je van a naar b komt. De bouwblokken in de simulatietools die wij daarvoor gebruiken, zitten nu ook in de softwaregereedschappen. Wij rekenen het bouwwerk door op correctheid. Daarna bouwen de softwaremensen met dezelfde bouwblokken hun software. De hele structuur zetten we dus over. Dat scheelt een hoop fouten, omdat je ze in een vroeg stadium opspoort.’
Hebben jullie een systeem ontworpen of standaard tools gebruikt?
‘We hebben standaard tools aangepast. De afdelingen mechatronica, elektronica en software hebben hun specifieke gereedschappen die geoptimaliseerd zijn voor hun proces. Die tools praten niet zomaar met elkaar. De ontwerptools van onze mechatronici praten niet met de ontwikkelomgevingen voor elektronica en software. Wij proberen de interfaces tussen die disciplines te managen. Dat is iets wat ik in mijn lezing op Hightech Mechatronica zal laten zien en waarop de presentatie over de softwarearchitectuur in meer detail zal ingaan.’
Welke hobbels moesten jullie nemen?
‘De ene afdeling moest wennen aan de werkwijze van de andere en vice versa. Wij worstelden aanvankelijk met hoe je simulatiemodellen moet maken waar softwareontwikkelaars mee kunnen werken. Het was een moeilijk afstemproces om het mensen zo aan te leren dat het goed samenwerkt. Dat draait nu redelijk goed, maar we gaan daar nog mee verder. De volgende stap is om ook de functionaliteit van de elektronica op dezelfde manier op de software aan te sluiten. Dat is extra moeilijk, omdat er ook embedded-softwarefunctionaliteit in de elektronica zelf zit. Als we dat ook nog voor elkaar krijgen, dan hebben we echte data-integriteit van boven naar beneden en zouden er in principe geen fouten in het ontwerpproces mogen sluipen.’
Heb je al enig idee of het ook wat oplevert. Maken jullie nu al minder fouten?
‘We zijn nog aan het integreren, dus dat is een gemene vraag. Ik weet het nog niet, maar ik denk dat het heel goed is. Ik ondersteun het op elkaar aansluiten van die werelden van harte, maar we vinden nog genoeg fouten. Daar moeten we nog een stap in maken.’
Geef eens een voorbeeld van wat deze overstap zo moeilijk maakt.
‘We maken één ontwerp, maar daarvan maken we vervolgens verschillende testopstellingen en daarna vier prototypes. Die vier zijn niet helemaal identiek. Op een van de proto’s is bijvoorbeeld een sensor kapot of er is een draadje gebroken. De engineers weten dat, dus zetten ze een vinkje in de software, zodat het testsysteem dat specifieke probleem of die waarschuwing negeert. Dat afstemmen is handwerk. Maar als er dan een wekelijkse software-update komt, en alle machines nieuwe code krijgen, dan zijn de technici al hun vinkjes kwijt. Dat is nog niet geautomatiseerd. Het gaat niet over een tabel met tien dingetjes, maar soms over vele duizenden getallen. Op zich niet zo moeilijk - onze ingenieurs weten het wel, maar ze zijn wel weer een halve dag aan het zoeken na een software-upgrade. We moeten er dus nog voor zorgen dat elke proto zijn eigen configuratiefile krijgt. Als je er nieuwe software op zet, moet het gewoon altijd doordraaien.’
In zijn lezing op Hightech Mechatronica neemt Kuiper de waferstage voor het nieuwe generatie platform voor lithografie met extreem ultraviolet (EUV) licht als voorbeeld om over de nieuwe werkwijze te vertellen. ‘Ik ga vertellen over hoe we het ontwikkelproces hebben aangepakt, zowel in methodes als in middelen. De kern zit wel in onze aanpak. Het proces is eigenlijk belangrijker dan die tovertools.’
ASML stapt in de EUV-scanner over naar belichten in vacuüm. Daarin zijn de H-drive-stages uit de Twinscan niet meer te gebruiken, omdat ze met luchtlagers werken. Het EUV-platform heeft daarvoor een magnetische oplossing: een vlakke magneettafel van twee vierkante meter waarop de waferstages vrij zweven en bewegen. In de tweede helft van 2005 deed ASML er de eerste studies naar en intussen zit de nieuwe technologie in de eerste EUV-machines waarmee Imec in Leuven en het researchcentrum CNSE in Albany experimenteren.
Bij de ontwikkeling van de magnetische waferstages zijn zo’n honderdvijftig mensen betrokken. Kuiper: ‘De oorspronkelijke aanleiding was om een vacuümcompatibel concept te vinden. In potentie is het ook een mooier concept, omdat het grootste deel van de motoren helemaal geïntegreerd is. Je ziet niets meer. In plaats van een hoop stangen en bewegende toestanden is het gewoon een groot plat bed met twee grote stages die eroverheen zweven. Het is allemaal nog compacter en de helft lichter, dus dat is mooi meegenomen.’
Dus in potentie ook twee keer sneller?
‘Dat is wel de bedoeling. Dat betekent dat we het behalve voor EUV ook voor de andere platformen uitrollen.’
Is er al een Twinscan met een magnetische stage?
‘We zijn nu aan het integreren, dus er zijn prototypes, maar het is nog niet op de markt.’
Jullie ontwerpen de magnetische motoren zelf?
‘Ze worden door en voor ons ontworpen. Helemaal dedicated. We werken met verschillende bedrijven in de regio en met een toeleverancier uit Zwitserland. Spoelen en magneten zijn steeds meer geïntegreerd in de machineonderdelen om de massa zo klein mogelijk te houden.’
Jullie traditionele mechatronicapartner Philips Applied Technologies (voorheen Philips CFT) kondigde twee jaar geleden zijn inverted planar maglev-technologie aan waarbij de magneten boven een bed van magneetspoelen zweven. Zien we dit al snel terug in ASML’s machines?
‘Dan moet je toch wel aan vijf jaar plus denken. Het leuke van zo’n omgedraaid concept van vliegende magneten en vaste spoelen is dat er geen stroomdraden aan het bewegende onderdeel zitten. Daarmee is het heel licht uit te voeren. Maar er moeten wel degelijk fysieke verbindingen naar de waferstage. Er is waterkoeling nodig voor de temperatuurhuishouding. Onze positiemodule zit bijvoorbeeld helemaal vol met sensoren en die hebben energie nodig, dus zijn er toch stroomdraden nodig. Het gaat om meer dan alleen magneten. Voordat we het huidige concept verlaten, moeten we een hoop zaken uitzoeken. Maar in termen van roadmap is het wel een van de kandidaten om nog een volgende stap te maken. Voor het nieuwe EUV-platform hebben we een planaire waferstage waarbij de positioneermodule over een magneetplaat zweeft. De spoelen zitten op de positioneermodule.’
Wat is de rol van ontwikkelpartners en toeleveranciers in dit verhaal?
‘Ik ga nog niet alles verklappen. De essentie is dat we in korte tijd iets zeer complex met veel mensen moeten neerzetten. We hebben twee jaar om een module productiewaardig op te leveren. Onze ontwikkelpartners CCM, Philips Apptech en TNO draaien vanaf het begin mee. Na een kwartaal, maximaal een half jaar komen er andere toeleveranciers bij. Simultaan. Dat maakt een project een hele intensieve aangelegenheid. Het is een hele bijenkorf.’
‘Het is niet alleen een proto bouwen en klaar is Kees. Het betekent een proto bouwen en zorgen dat de toeleveranciers mee kunnen draaien. Ze leveren voor vier testopstellingen, vier prototypes en zo verder. Dat zijn vrij grote en luxe aangelegenheden. Het is veel hardware. Toeleveranciers kijken meteen hoe ze hun tooling aan moeten passen. Dat moet allemaal parallel. Concurrent engineering, de modekreet van een aantal jaren geleden, dat doen wij hier niet alleen met de afdelingen, maar ook met onze partners en toeleveranciers.’
Doede Kuiper geeft op 6 maart op Hightech Mechatronica 2008 de aftrap met een keynotepresentatie over het ontwikkelproces voor nieuwe generatie scanners bij ASML. Hierna zoomt zijn collega Wouter Tabingh Suermondt op de materie in met een presentatie over het referentiemodel waarmee bij ASML een grote groep van ontwikkelaars een gezamenlijk beeld van een kennisdomein deelt. Tabingh Suermondt vertelt ook hoe uniformiteit over disciplines de weg effent richting Model-Driven Engineering (MDE) van embedded systemen.