Nederlandse scale-up Nearfield vult het metrologie-gat in de mondiale chipindustrie

0

ASML mag er dan in geslaagd zijn technologie te ontwikkelen voor het produceren van nog snellere chips die nog energiezuiniger zijn, dat gaat wel gepaard met een nieuwe uitdaging. Het snel en betrouwbaar meten van de dimensionele parameters van de steeds complexere 3D-structuren die de chips vormen, bezorgt de metrologiewereld grote hoofdbrekens. Maar er is nu een new kid on the block die net zijn eerste, bijzondere in-line metrologiesysteem heeft verscheept. Een – jawel – Nederlandse scale-up, die ook graag Nederlands wil blijven. Is dit eindelijk die tweede oem-parel waar het Nederlandse semicon-ecosysteem al zolang naar uitkijkt?

In de QUADRA. In beeld de mini-scankoppen, de optische uitlijningssensor en de klant-wafer op de scantafel.

– ‘Samsung heeft een volle week lang ons prototype getest.’
– Inmiddels heeft Nearfield Instruments vijftig patenten verworven.
– ‘Geen enkele leverancier heeft voor eigen risico gewerkt.’
– ‘Samenwerken met een start-up vraagt een flexibele attitude.’
– ‘Ik wil mijn kind straks een baan kunnen laten zoeken in een mondiaal competitieve, hightech economie.’

‘Er is hier genoeg capaciteit voor een tweede semiconketen, naast ASML’

Rekenchips (logic chips), ook al beslaan ze maar een paar vierkante millimeter, bevatten tientallen miljarden transistors die zo snel mogelijk en met zo min mogelijk stroomverbruik een groot aantal berekeningen moeten kunnen uitvoeren. Geheugenchips (NAND, DRAM) moeten terabytes aan data kunnen opslaan, eveneens op een heel klein oppervlak. Daarom zijn de patroonlijnen van chips niet alleen veel smaller gemaakt (voor logic inmiddels nog maar 5 nanometer breed), integrated circuits zijn ook driedimensionaal geconstrueerd. De technologie voor het produceren daarvan heeft de diverse oem’ers (waaronder ASML) de nodige hoofdbrekens gekost. Het controleren van parameters van elke stap in het productieproces (lithografie, etsen, depositie, et cetera) om te voorkomen dat de chips defecten bevatten en niet zo snel en energiezuinig zijn als de ontwerper heeft bedoeld, was echter een probleem. Een Nederlandse scale-up, Nearfield Instruments, is in dit gat gedoken en heeft een oplossing ontwikkeld. Eind december is het eerste high-throughput atomic force scanning probe metrology-systeem, onder de naam QUADRA, verscheept naar een Zuid-Koreaanse klant.

Nóg complexere 3D-structuur
De huidige state-of the-art 3D FinFET logische chip, diept oprichter en cto Hamed Sadeghian het probleem waarmee de semiconketen kampte nog wat verder uit, bevat miljarden transistoren die bestaan uit een driedimensionale fin en een gate. In traditionele 2D-chips werd het elektrische spoor zo smal dat dat tot elektronische verstoringen leidde. Door het spoor als een driedimensionale fin te construeren, worden deze lekstromen verkleind. In de 3-nanometer chips, die volgens planning eind volgend jaar op de markt komen, wordt die ruimte nog geringer. Dus ontwikkelden de chip-ontwerpers de 3-nanometer gate-all-around nanowire-chip die juist dat interferentieprobleem oplost. Met wel een nóg complexere 3D-structuur tot gevolg. 3D-NAND geheugenchips kennen een vergelijkbare problematiek: door het dicht opeenpakken van de geheugeneenheden waaruit die zijn opgebouwd, gaan deze elkaar storen. De oplossing hier ligt in het stapelen van lagen, tot nu al 176 hoog. Daarin nagaan of aan de specificaties wordt voldaan en het controleren op fouten is een heuse uitdaging, zeker als dat ook nog eens heel snel moet. En dat moet, want de kosten moeten laag blijven.

Bestaande systemen ontoereikend
De technologie die tot nog toe in de semiconductor fabs voor metrologie gebruikt wordt, bestaat uit optische systemen van bedrijven als KLA en Applied Materials; ook worden elektronenmicroscopen gebruikt, CD-SEM’s (Critical Dimension Scanning Electron Microscopes) van bijvoorbeeld Hitachi en TEM’s (Transmission Electron Microscopes) van onder meer Thermo Fisher Scientific. De optische systemen hebben als nadeel dat ze onvoldoende resolutie bieden en dus niet aan de transistoren zelf kunnen meten en alleen een gemiddelde waarde opleveren. Daarnaast meten ze hooguit de helft van de twintig procesparameters die relevant zijn om na te gaan, aldus Sadeghian. En een TEM kan een wafer met een diameter van 300 millimeter maar op een handvol heel kleine oppervlaktes checken.

‘Wij zijn niet voor een aantoonbaar perfect functionerend apparaat gegaan’

De CD-SEM is vooral een 2D-imaging-technologie waarmee de diepe, zeer nauwe sleuven waarvan een hedendaagse chipstructuur er typisch miljarden bevat, niet tot op de bodem gemeten kunnen worden, zelfs niet als er hoge voltages worden gebruikt (met beschadiging van de fotogevoelige laag tot gevolg). Met de TEM kun je wel in de diepte kijken, maar slechts op een paar plaatsen en de wafer moet worden beschadigd, schetst de cto van de Rotterdamse scale-up, refererend aan publicaties van metrologiespecialist Benjamin Bunday (tot voor kort verbonden aan het Amerikaanse GlobalFoundries).

Dertig scan heads
De oplossing die hij, nog als engineer van TNO, met een team van zo’n twintig technici heeft ontwikkeld, is in staat een wafer op meerdere plaatsen tegelijk te inspecteren, zonder die te beschadigen en met een ‘subnanometer’ resolutie in 3D, claimt Sadeghian. ‘Onze nieuw ontwikkelde Feedforward Trajectory Planner (FFTP) beeldvorming maakt snelle, on-device, niet-destructieve metingen mogelijk. Dit is reeds geverifieerd door onze klanten in evaluatietesten. Deze metrologie kan worden gebruikt voor in-line procesbewaking op 3 nanometer en verder. Dit in combinatie met vele parallelle scankoppen zorgt voor een hoge doorvoercapaciteit, geschikt voor productie. Met als resultaat een hogere yield en dus lagere kosten per wafer. De oplossing – het high-throughput atomic force scanning probe metrology-systeem – is een ‘combinatie van mechatronica, advanced motion control en slimme “probe” technologie’, zo duidt hij. ‘Daarmee hebben we dit systeem helemaal opnieuw en fundamenteel anders ontworpen.’ Met in het hart de scan heads – vier stuks in de nu opgeleverde eerste generatie – die simultaan de 3D-structuur op de wafer op twintig parameters controleren. ‘De tweede generatie zal dertig scan heads bevatten en de derde generatie honderd’, verzekert hij, terwijl hij een kunststoffen demo-exemplaar uit een vitrine haalt en op tafel legt. Een complex ogend apparaatje dat gemakkelijk in de handpalm past. ‘Juist omdat we erin geslaagd zijn ze veel compacter te maken dan de bestaande heads, kunnen we er zoveel tegelijk hun werk laten doen.’

Markt meteen betrokken
Sadeghian startte zijn onderzoekswerk in 2011. Eerst alleen, maar al snel ondersteund door een groeiend team van TNO-collega’s en partijen uit de markt. ‘Ik heb Samsung en TSMC vanaf het begin erbij betrokken, om zeker te zijn dat ik een oplossing ontwikkelde die aansloot bij de behoeften in de markt.’ De positieve feedback sterkte hem in de overtuiging dat hij de technologie vanuit een eigen bedrijf zou kunnen vermarkten. Het ontbrak hem alleen aan een goed businessplan en dus geld. Daarom deed hij in 2014, naast zijn ontwikkelwerk, een MBA met dat businessplan als afstudeerscriptie. Op basis daarvan startte hij begin 2016, samen met compagnon en huidige coo Roland van Vliet, Nearfield Instruments. Vervolgens was het anderhalf jaar lang contacten opbouwen bij klanten en financiering vinden, tot in juni 2017 Samsung met een flink team en een koffer vol test-wafers op de stoep stond, voor een heavy due diligence. ‘Een volle week lang hebben ze ons prototype getest. Een paar maanden later kregen we te horen dat onze technologie die tests goed had doorstaan en dat ze, samen met Innovation Industries, 10 miljoen euro investeerden. Ja, dat was toch wel een opluchting.’

Snel resultaat
Zo konden Sadeghian en Van Vliet begin 2018 eindelijk echt van start met de industrialisatie. Tweeënhalf jaar later is de onderneming gegroeid tot 90 mensen van 22 nationaliteiten (jonge afstudeerders, maar ook de nodige seniors, afkomstig van bedrijven als ASML en grote system suppliers) en is het geïnvesteerde kapitaal van de initiële en ook nieuwe investeerders gegroeid tot ‘flink meer’ dan de 40 miljoen euro die de compagnons bij de start dachten nodig te hebben. Maar het resultaat is er ook naar: inmiddels heeft het bedrijf vijftig patenten verworven. En, veel belangrijker: in december is het eerste systeem op transport gezet. Op weg naar een klant waarvan de naam gemakkelijk te raden is, maar die niet genoemd mag worden vanwege een NDA.

In het hart van het metrologiesysteem van Nearfield controleren compacte scan heads de 3D-structuur op de wafer op twintig parameters. De onlangs opgeleverde QUADRA bevat vier heads. Het is de bedoeling dat de tweede generatie er dertig heeft en de derde generatie honderd. Illustratie: NFI

Minimal viable product
Dat Nearfield zo’n bijzonder resultaat heeft behaald in slechts tweeënhalf jaar, heeft in belangrijke mate te maken met een strategische keuze. ‘Wij zijn niet voor een aantoonbaar perfect functionerend apparaat gegaan met alle toeters en bellen, maar voor een minimal viable product. Een product waarmee de klant zijn probleem kan oplossen, ervaring kan opdoen en ons van feedback kan voorzien. De klant in deze markt wil ook zo snel mogelijk weten dat hij iets in handen krijgt waarmee hij zich kan onderscheiden. En dat kunnen wij leveren.’
Ontwikkelsnelheid is ook gemaakt doordat Nearfield heel veel heeft uitbesteed. Van het verscheepte apparaat – ongeveer twee meter breed, vier meter lang en tweeënhalve meter hoog – heeft Nearfield zelf de engineering en productie van een deel van de scan heads voor zijn rekening genomen plus de software waarmee de gebruiker de procesdata vergaart (Data die Nearfield graag ook in handen krijgt, voor upgrade‑ en servicedoeleinden, maar die de klant alleen binnen de muren van de eigen fab beschikbaar stelt. ‘Nee, niet online. Vandaar dat we nu in die fabriek een eigen vendor room hebben, met eigen engineers.’) Voorts is in de cleanroom in Rotterdam de integratie, validatie, factory acceptance test en kalibratie gedaan. Alle andere modulen zijn toegeleverd.

Tien ontwikkelpartners
Tien van de tientallen leveranciers zijn ‘ontwikkelpartners’, waaronder VHE dat besturingskasten en kabelbomen ontwikkelt en produceert, Technolution Advance (TNL) dat elektronische modules engineert en bouwt, en IDE (onderdeel van Aalberts Advanced Mechatronics) dat de ontwikkeling en productie van ‘kritische’ mechatronische modules voor zijn rekening neemt. ‘Geen enkele leverancier heeft voor eigen risico gewerkt, in ruil voor een aandeel in het succes op de markt. Ze zijn allemaal gewoon betaald, zodat wij niet gebonden zijn. Maar wij betrekken hen natuurlijk wel bij de high-volume productie. Nee, dat is niet vastgelegd in contracten. Wij gaan toch niet heel veel tijd en energie steken in de kennistransfer naar een toeleverancier om vervolgens voor de volumeproductie in zee te gaan met een partij die nog helemaal blanco is?’

Beste ecosysteem
Overigens klikte het niet met elke ontwikkelpartner. ‘Van enkelen hebben we afscheid genomen omdat ze ons teveel zagen als het ASML waarvoor ze ook werkten. Maar wij zijn geen ASML. Wij zijn een start-up met niet zulke hele diepe zakken, met niet alle processen en documenten volledig uitgewerkt. Samenwerken met een start-up vraagt een flexibele attitude.’ Desondanks zit Nearfield wat hem betreft in Nederland in het ‘beste ecosysteem’ voor het type hoogcomplexe machines voor de semicon dat de scale-up nu op de markt brengt. Een ecosysteem dat zijn mechatronische kern heeft rond ASML in Eindhoven. Om daar nog wat meer middenin te zitten, opende Nearfield in september een tweede vestiging op de High Tech Campus.

In Nederland houden
De wat uitdagend geformuleerde slotvraag wanneer hij zijn bedrijf aan de KLA’s of de AMAT’s van deze wereld verkoopt, raakt bij Hamed Sadeghian duidelijk een gevoelige snaar. ‘Die kloppen nu al aan! Maar we verkopen niet. Niet omdat ik dan geen eigen baas meer ben, maar omdat we het hier in Europa, in Nederland willen houden’, aldus Sadeghian, van Iraanse afkomst en inmiddels vijftien jaar woonachtig en werkzaam in ons land. ‘Waarom zouden alle grote techbedrijven Amerikaans moeten zijn?’, vraagt hij retorisch. ‘Europa heeft alle capaciteiten in huis voor de ontwikkeling en bouw van advanced metrology equipment. Er is hier genoeg capaciteit voor een tweede semiconketen, naast ASML. Daar komt bij, ik woon en werk hier met veel genoegen. Mijn kind gaat hier naar school. Die wil ik straks een baan kunnen laten zoeken in een mondiaal competitieve, hightech economie.’
En daar wil hij van harte aan bijdragen, met een snel groeiende oem’er: ‘We hebben meerdere metrologieproductlijnen in ontwikkeling. In 2022 denk ik dat we een personeelsbestand hebben van tweehonderd mensen. Arbeidsmarktkrapte? We zijn toch ook in tweeënhalf jaar van twee naar negentig personen gegaan.’

America First
Het interview met de Nearfield-cto vindt plaats in de week waarin de Amerikaanse politiek het coronanieuws even overschaduwt. Die actualiteit dringt zich aan het eind van het gesprek op: ‘De VS mag dan een America First-politiek aanhangen, maar dat is geen duurzame strategie. In deze sector, met zijn hoogcomplexe technologie, kun je alleen competitief blijven als je samenwerkt met andere sterke spelers op de wereld. Isoleer je jezelf, dan raak je achterop. Dan kun je je positie alleen nog maar bevechten met militaire middelen.’

Potentie systeem vergt partnerships
Afgelopen najaar heeft Nearfield Instruments met Memorandums of Understanding het strategisch partnership geformaliseerd met onder meer VHE Industrial Automation en Technolution Advance (TNL). Joop Essing, managing director van VHE, gaat voor een langdurig en transparant partnership, vertelt hij: ‘We willen innovatieve, hightech klanten als Nearfield graag helpen succesvol te zijn in hun markten. Met hun ambitie stuwen zij ons naar een hoger niveau. Ik ben er trots op dat zij ons als strategisch partner gekozen hebben.’
Jan van der Wel, oprichter en ceo van Technolution, is trots dat zijn bedrijf succesvol is gebleken in het ontwerpen en bouwen van de controle- en highspeed data-acquisitiesystemen. ‘We hebben daartoe nauw met Nearfield samengewerkt om de complexe elektromechanische puzzel te leggen. Het metrologiesysteem heeft veel potentie en dat onderstreept het belang van partnerships voor de industrialisatie en de wereldwijde support en service aan klanten.’

theo kneepkens

KLA vindt progressie Nearfield ‘bemoedigend’

Theo Kneepkens, senior vice president global operations bij KLA, volgt Nearfield al enige jaren met belangstelling. ‘Vanuit KLA kan ik zeggen dat wij atomic force microscopie vooral als een research tool zien, niet zozeer als inline productie tool. Maar het is bemoedigend om te zien dat het Nearfield Instruments gelukt is een parallel meetproces met meerdere koppen te ontwikkelen’, reageert hij vanuit Singapore.

 

 

Share.

Reageer

CAPTCHA Image

Reload Image

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.