Dit zijn de 7 uitvindingen waarmee ASML-machines nóg complexere chips kunnen maken

Hoe verpulver je een pannenkoek? Dat was de vraag die Dion Engels bezighield, onderzoeker van het Amsterdamse Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL).

De pannenkoek in kwestie is de geplette tindruppel die in ASML’s lithografiemachines vijftigduizend keer per seconde tot ontploffing wordt gebracht. Zo ontstaat een plasma dat EUV-licht uitstraalt: extreem-ultraviolette straling die zeer gedetailleerde chippatronen projecteert op een silicium schijf of wafer.

Hoe meer transistors op elkaar gepropt kunnen worden, hoe krachtiger de chip. Dankzij EUV-machines liggen op de meest geavanceerde processors voor telefoons of AI-datacenters de lijntjes van het chipontwerp nog maar enkele tientallen nanometers uit elkaar – een miljoenste van een millimeter.

ASML werkte samen met het Amerikaanse lab van Cymer twintig jaar aan de EUV-techniek en ontdekte dat je meer EUV-licht genereert door een tindruppel te verpulveren. Het resultaat: de machines die geavanceerde chips van Nvidia, Apple, Samsung of Intel produceren, werken straks een stukje efficiënter.

Veel fundamenteel denkwerk voor de ASML-systemen vindt plaats op het Science Park in Amsterdam-Oost. ARCNL werd tien jaar geleden opgericht als een samenwerkingsverband met de Universiteit van Amsterdam. De aanjager was ASML’s technisch directeur en co-president Martin van den Brink, die vorig jaar met pensioen ging. Het bedrijf betaalt een derde van het ARCNL-budget (zo’n 4 miljoen euro per jaar), zodat tachtig wetenschappers de bouwstenen van lithografie kunnen onderzoeken.

De nadruk ligt op EUV, de techniek die ASML als enige chipmachinebouwer beheerst. Inmiddels leveren die systemen miljarden euro’s omzet op, maar in 2015 worstelde ASML om de dure machines (de nieuwste versie kost bijna 400 miljoen) betrouwbaar en rendabel te laten draaien. De opdracht voor ARCNL was om de techniek te verbeteren én alternatieve methodes te onderzoeken, voor het geval EUV zou falen.

Wim van der Zande is sinds 2022 directeur van ARCNL en werkte daarvoor op ASML’s onderzoeksafdeling. De academici werken samen met ASML-onderzoekers in Veldhoven en San Diego, en met technische universiteiten in Nederland en daarbuiten. „Het is een heel ecosysteem”, vertelt Van der Zande.

ARCNL doet onderzoek op terreinen die voor ASML relevant zijn, en het bedrijf krijgt als eerste de mogelijkheid om nieuwe ideeën te beoordelen. De samenwerking doet denken aan NatLab. Dit voormalige laboratorium van Philips deed beroemde uitvindingen als de cd-speler en legde ook de basis voor ASML’s lithografietechniek. NatLab verrichtte baanbrekend onderzoek, ook als daarvoor geen directe commerciële toepassing was, en werd uiteindelijk door Philips wegbezuinigd.

De wetenschappers van ARCNL zijn doordrongen van ASML’s belangrijkste uitdaging: economische haalbaarheid. Machines die voor chipfabrikanten geen geld opleveren, worden immers niet verkocht. ASML steekt jaarlijks ruim 4 miljard euro in onderzoek, veel meer dan andere Nederlandse bedrijven, en zou ARCNL dus in eigen beheer kunnen nemen. Maar dat zou afbreuk doen aan de academische ambities.

Het bedrijfsleven kijkt naar de kortere termijn en kan een project opeens stopzetten

Van der Zande: „Als wetenschapper kun je jarenlang aan één onderzoek werken, maar het bedrijfsleven kijkt naar de kortere termijn en kan een project opeens stopzetten.” Toch gaat zo’n driekwart van de ARCNL-onderzoekers na hun promotie aan de slag bij ASML.

De Wet van Moore, genoemd naar Intel-oprichter Gordon Moore, voorspelt dat het aantal transistors op een chip elke twee jaar verdubbelt. Chipfabrikanten proppen inmiddels tientallen miljarden minuscule schakelaars op de oppervlakte van een duimnagel.

Het tempo waarin de chiponderdelen fysiek kleiner worden neemt af omdat ontwerpen de hoogte ingaan: fabrikanten plakken onderdelen van chips op elkaar en verzinnen manieren om transistors slimmer in te delen, bijvoorbeeld met stroomtoevoer vanaf de onderkant.

Dat is de nieuwe realiteit, zegt Jos Benschop, die ASML’s onderzoeksafdeling leidt. „Decennialang kromp elke nieuwe node [chipgeneratie] tot 70 procent in de lengte en de breedte. Dat is nu zo’n 20 procent.”

Lees ook

Lees ook: Duizend miljard transistoren: zo wordt de chip van de toekomst gemaakt

Maar de dichtheid blijft toenemen. De meest geavanceerde EUV-machine kan lijntjes afdrukken die op 8 nanometer van elkaar liggen, een afstand van 32 siliciumatomen. Als chiplijnen zo dicht op elkaar komen, liggen quantumeffecten op de loer – elektronen die onvoorspelbaar gedrag vertonen.

Zo’n vaart loopt het niet, zegt Benschop, die al sinds eind jaren negentig aan EUV werkt: „Op basis van het oorspronkelijke krimptempo zouden we rond 2065 op het niveau komen van een kwart nanometer – de afstand tussen twee siliciumatomen. Waarschijnlijk bereiken we dat punt midden in de volgende eeuw.” De komende decennia kan ASML dus door met schaalverkleinen, zo efficiënt mogelijk. Maar hoe?

1High en Hyper

Net als een kopieerapparaat heeft een lithografiemachine een lichtbron en lenzen of spiegels die een afbeelding projecteren. De kleinst mogelijke dimensie die je kunt afbeelden hangt af van de golflengte van het licht en de openingshoek van de lens (numerieke apertuur of NA).

Omdat een nieuwe lichtbron aanpassingen vergt in de hele chipindustrie, verandert ASML altijd eerst de optieken in de eigen machine. De huidige EUV-systemen hebben een openingshoek van 0,33 NA, de nieuwe High-NA-machine biedt 0,55 NA. Daarvoor moest ASML’s partner Zeiss veel grotere spiegels gebruiken, tot ruim een meter doorsnede. Zeiss moest ook complexe meetapparatuur ontwikkelen die afwijkingen tot op de atoom nauwkeurig registreert.

Lees ook

Lees ook: Bij Zeiss maken ze de toekomst

ASML en Zeiss onderzoeken nu de opvolger, Hyper-NA, met een apertuur van 0,75. De Hyper-NA spiegels hoeven niet per se nóg groter te worden. Jos Benschop schetst op zijn whiteboard: „Je zou de laatste spiegel ook dichter op de wafer kunnen plaatsen, dan heb je hetzelfde effect. Het nadeel is dat er dan meer licht terugkaatst – dat heb je met spiegels.”

Er is ook een voordeel: een ruimere openingshoek kan meer licht verwerken, zoals je een fles met een wijde hals sneller leeggiet dan een met een nauwe hals. Hyper-NA zou lijntjes dus niet alleen scherper, maar ook sneller kunnen afdrukken.

2Meer power, minder pizza

Door de zware laser is de EUV-machine een stroomvreter vergeleken met voorgangers. Rond 2015 wist ASML met veel vermogen (1,5 megawatt) amper 100 watt aan EUV-licht te creëren. De machines die nu draaien, leveren zo’n 500 watt, en er zijn plannen om naar 1.000 watt aan EUV-licht op te schalen.

Daardoor wordt het systeem stapsgewijs efficiënter: per belichte wafer verbruikt EUV in 2033 ongeveer 80 procent minder energie dan in 2018, verwacht ASML.

De lichtbron heeft iets weg van een supersnelle bokswedstrijd. De laser deelt eerst een klein tikje uit aan een vallende tindruppel, om er een platte vorm van te maken, en dan komt de knock-out die de explosie veroorzaakt en EUV-licht creëert. Dat proces speelt zich vijftigduizend keer per seconde af; binnenkort wordt dat opgevoerd naar zestigduizend.

ASML noemt de geplette tindruppel een ‘pannenkoek’ maar het is eerder een pizza, met een dikke rand aan de zijkant. Bij de ontploffing blijft veel tin onbenut. Verpulveren en verspreiden werkt beter. Door een extra lasertik ontstaat een wolk microdruppels, die daarna in een plasma wordt omgezet.

Om de laser, afkomstig van het Duitse bedrijf Trumpf, efficiënter te benutten wil ASML voor die eerste twee tikken een vastestoflaser gebruiken. Die verbruikt minder energie, zodat de laser meer vermogen overhoudt voor de genadeklap. ARCNL had voorgesteld om ook voor de grote klap een vastestoflaser te gebruiken – dat zou nog veel meer energie besparen.

3Strakke spekkoek

Veel van het EUV-licht wordt in het optische systeem geabsorbeerd. Elke spiegel weerkaatst zo’n 70 procent, waardoor er na tien spiegels weinig licht overblijft. Een High-NA-optiek heeft minder spiegels, dus een betere opbrengst. Maar met nog minder spiegels wordt het lastig lensfouten te corrigeren.

Bij de TU Twente sleutelen ze aan de spiegelende coating, die bestaat uit een stapel afwisselende laagjes molybdeen en silicium. Het ene materiaal reflecteert, het andere is doorzichtig. In totaal liggen er zo’n zeventig ‘multilagen’ op elkaar, die elk iets minder dan 3 procent weerkaatsen. „Zo halen we tegenwoordig tot 71 procent reflectie, dicht bij het theoretisch haalbare van 75 procent”, zegt hoogleraar Marcelo Ackermann. Hij leidt de XUV Optics groep die met Zeiss en ASML werkt aan de recepten voor de coating. Dit lab bouwt voort op het EUV-onderzoek dat professor Fred Bijkerk begin jaren negentig startte bij het FOM instituut in Nieuwegein.

Het sommetje lijkt simpel: de weerkaatsende laag moet zo dik zijn als de helft van de golflengte. De kunst zit ’m in de exacte samenstelling en het netjes op elkaar leggen van laagjes van slechts 10 nanometer dik. Dat gebeurt met een methode die Ackermann ‘magnetronsputteren’ noemt. Vergeleken met de allereerste EUV-spiegels zijn de lagen van de spekkoek nu veel strakker van elkaar gescheiden en dat komt de lichtopbrengst ten goede.

Zijn lab vond, samen met ARCNL, ook een oplossing voor de blaasjes die op EUV-spiegels groeiden. Die ontstonden zodra ASML het EUV-vermogen opvoerde. De truc was om een extra materiaal toe te voegen. Welk materiaal? „Dat is ons geheime recept”, zegt Ackermann.

4Kortere golflengte

In 1984, toen ASML begon, gebruikten lithografiemachines kwiklampen met een golflengte van 365 of 436 nanometer. Daarna volgde laserlicht met 248 en 193 nanometer en rond 2019 maakte de chipwereld de sprong naar 13,5 nanometer. ASML rekent er niet op, maar je zou die golflengte kunnen verkorten, om nog kleinere details te projecteren. De wetenschap sleutelt aan golflengtes van 6,7 nanometer en 4,4 nanometer. Daar zijn elementen te vinden die de juiste combinatie van transparantie en reflectie bieden voor de EUV-spiegels – voor 6,7 nanometer zijn dat lantaan en boor. Nadeel: op kortere golflengtes is de reflectie minder goed.

Om licht van 6,7 nanometer te creëren bouwt ARCNL een onderzoeksopstelling die niet met tin maar met gadolinium werkt. Een kortere golflengte is echter geen wondermiddel. De energie wordt over minder fotonen verdeeld en daardoor groeit de kans op fouten als je lijntjes op nanometerniveau wilt afdrukken. In vaktermen: stochastische ruis. „Alles bij elkaar opgeteld acht ik de kans klein dat we naar een kleinere golflengte gaan”, zegt Benschop.

5Groter, sneller masker

High-NA-machines gebruiken spiegels die het masker – de blauwdruk met de chippatronen – in de lengte en de breedte verschillend vergroten. Daardoor duurt het langer om een schijf met chippatronen ‘vol’ te drukken. „Alsof je een muur schildert met een penseel in plaats van een kwast”, aldus Benschop. ASML compenseert dat door de snelheid te verhogen. De maskerhouder, die boven in de lithografiemachine heen en weer schiet zoals de scanner van je kopieerapparaat, versnelt nu met 32 G. Dat is 32 keer de zwaartekracht – dat mag van Benschop nog wel een paar keer sneller, zolang de machine het niet begeeft.

Lees ook

Lees ook: Met High-NA bouwt ASML het grootste kopieerapparaat ter wereld

De ontwerpen voor AI-chips, die honderden miljarden transistors en tientallen processorkernen bevatten, zijn zo groot dat ze bij High-NA niet meer op één masker passen. De losse delen van het ontwerp worden afzonderlijk geprojecteerd en moeten naadloos aan elkaar geplakt worden. Dat werkt, maar handig is het niet. ASML zou, als chipfabrikanten dat willen, kunnen overstappen naar een grotere maat masker en zo weer kunnen ‘schilderen met een kwast’. Dan moeten partijen als Intel en TSMC het voortouw nemen en toeleveranciers in de maskerindustrie over de streep trekken.

6Meer meten met EUV

EUV-licht kan nanostructuren schrijven, maar ze ook meten. Achter een gesloten gordijn, met een veiligheidsbril op, werkt hoogleraar Stefan Witte bij ARCNL aan deze toepassing van het Nobelprijswinnende onderzoek van de Franse natuurkundige Anne L’Hullier. Zij ontdekte dat ultrakorte lichtpulsen, net als een muziekinstrument, boventonen genereren als ze met andere materialen in aanraking komen. Dat verschijnsel kun je gebruiken om de kwaliteit van chippatronen te controleren, nog tijdens de productie.

Lees ook

Lees ook: Anne L’Hullier: Muziek is m’n geliefde metafoor

ARCNL-onderzoeker Peter Kraus toont de testopstelling die registreert hoe chipmaterialen EUV-licht verstrooien, onder verschillende hoeken. „We kunnen structuren waarnemen van 5 tot 10 nanometer”, zegt Kraus. Zulke kleine details zien de gangbare optische metrologiesystemen niet.

Een andere methode waaraan ARCNL werkt is foto-akoestiek: korte lichtpulsen genereren geluidsgolven, die door chiplagen heen ‘kijken’. Die informatie wordt belangrijker naarmate chipstructuren blijven krimpen, en tegelijk groeien in de derde dimensie.

7De alternatieve bron

Als back-up voor EUV met tindruppels deed ASML rond 2015 onderzoek naar de vrije-elektronenlaser, die elektronen met magneten beïnvloedt en licht van elke golflengte kan creëren. Zo’n free electron laser of FEL is krachtig genoeg voor wel tien of twintig lithografiemachines tegelijk. Je moet zoveel energie wel filteren, anders gaan de EUV-spiegels eraan.

De FEL lijkt efficiënt, de praktijk is weerbarstig. Een deeltjesversneller beslaat een heel gebouw en past dus niet in een chipfabriek. Als er onderhoud gepleegd moet worden aan de lichtbron, liggen meerdere productielijnen plat. Eén zo’n zware lichtbron is ook niet handig als een chipfabrikant maar één of twee extra machines nodig heeft.

ASML bestudeerde de FEL serieus, ook met Amerikaanse en Japanse onderzoekers, maar trok de stekker eruit. Toch meldt de Amerikaanse start-up Xlight dat het in 2028 een FEL-prototype aan een ASML-machine wil koppelen.

Jos Benschop is ervan overtuigd dat ‘laser produced plasma’ het meest kosteneffectief is om EUV-licht te genereren, zeker als de lichtbron nog efficiënter wordt. Maar in China zijn de kosten minder belangrijk. Dat land mag geen EUV-machines importeren en beschouwt de vrije-elektronenlaser als een mogelijke lichtbron voor een geavanceerde lithografiemachine van eigen bodem.

Het Chinese techbedrijf Huawei probeert ook EUV-licht met een plasmabron te creëren, melden Chinese techsites. De vorderingen zijn onduidelijk, maar China heeft één voordeel: het hoeft niet meer te bewijzen dat de techniek werkt – dat deed ASML al.

„Voorop lopen is ingewikkelder”, zei Martin van den Brink in 2015 in een gesprek met NRC. „We begonnen als volger op lithografiegebied. Je zag iemand voor je rijden en dacht: als ik die achterlichten volg, ga ik in ieder geval de goede kant op. Zodra je je concurrenten inhaalt, moet je zelf je richting bepalen.”

Delen





Mail de redactie