Fotonische chips blijken inmiddels uitstekend geschikt voor datacommunicatie en sensoriek. Probleem is dat ze nog (veel) duurder zijn dan de klassieke elektronische chip. Dat heeft alles te maken met productietechnologie die in vergelijking met die in de semiconfabs zeer rudimentair is. Onder andere het testen gebeurt ‘gebrekkig’, met een yield van soms niet meer dan 25 procent. Om de uitval en kostprijs flink te verlagen wil het Fotonica Metrologie Consortium twee volautomatische metrologiemachines ontwikkelen en bouwen, met aan boord van dit samenwerkingsverband TNO en uitsluitend Nederlandse bedrijven. ‘Azië mag dan vooroplopen in de chipproductie, de Nederlandse hightech is wereldtop voor de benodigde machines.’
Het packagen en testen maakt 80 procent van de kosten van de PIC’s uit, weet Rogier Verberk (rechts), director semiconductor equipment van TNO in Delft. Links Gerard Rauwerda (Technolution), in het midden Marcel van Veen (IMS).
Een Nederlandse fabrikant van fotonische chips (ook wel Photonic Integrated Circuits, kortweg PIC’s genoemd) controleert handmatig en op zicht de geproduceerde wafers en gooit dan een ‘aanzienlijk deel, soms zelfs de helft’ van de PIC’s weg, weet Marcel van Veen, salesmanager van machinebouwer IMS in Almelo. De helft die overblijft wordt vervolgens verbonden met zijn omgeving – gepackaged in jargon – en vervolgens toegepast door de eindklant. Dan blijkt nóg eens een flink deel productiefouten te bevatten en verdwijnt ook dat in de afvalton. En, omdat dat testen dus handmatig en op zicht gebeurt, kan het goed zijn dat aan een deel van dat afval niks mankeert, zegt Gerard Rauwerda, als business developer werkzaam op de vestiging in Deventer van ICT-bedrijf Technolution. Vooral die tweede stap, waarin er dus al veel waarde wordt toegevoegd aan de PIC’s, is kostbaar. Het packagen en testen maakt 80 procent van de kosten van de PIC’s uit, weet Rogier Verberk, director semiconductor equipment van TNO in Delft.
Professionalisering PIC-productie
Om dit probleem aan te pakken hebben de drie organisaties die de mannen vertegenwoordigen zich verenigd in het Fotonica Metrologie Consortium, net als nog een groot aantal andere partijen. Het gesprek vindt plaats bij IMS, penvoerder van het samenwerkingsverband dat zo’n twee jaar geleden is opgericht om de huidige, soms slechts 25 procent yield van de PIC-productie fors omhoog te krijgen en de kosten flink te reduceren. Het is in feite inspanning die moet zorgen voor de verdere professionalisering van deze tak van de chipindustrie, meer in het spoor van het kwaliteitsniveau van de productie van de traditionele chips. Die worden bij bedrijven als TSMC en Samsung met miljarden geproduceerd, waarbij het testwerk volautomatisch uitgevoerd wordt. En dat meteen na elke stap, voordat de volgende, waarde toevoegende stap wordt gezet. In deze halfgeleidertak maakt het testen en packagen dan ook maar een fractie uit van de totale kosten van een IC.
Koploper machinebouw
Die optimalisatie van de productie is een doelstelling die goed bij de Nederlandse hightech past, betoogt Verberk. ‘Want Azië mag dan vooroplopen in de chipproductie, als het om de ontwikkeling en industrialisatie van de daarvoor benodigde productiemachines gaat is onze hightech juist een koploper.’ En machinebouw van topkwaliteit is nodig, want het testen van fotonische IC’s is nog een flink stuk lastiger dan het controleren van de traditionele, elektronische chips. Bij het testen van zo’n traditionele chip wordt namelijk een signaal door de IC gestuurd en komt dat goed bij de bestemming aan, dan is de chip in orde. Het versturen van het signaal verloopt elektrisch, waarvoor een probe op de ingang van de chip wordt geplaatst. ‘Erg nauwkeurig hoeft dat niet, binnen de micrometer is voldoende’, stelt Verberk. ‘Bij het testen van een PIC echter moet er een optisch signaal – licht – door de chip en dan luistert het plaatsen van de probe veel nauwer, met een nauwkeurigheid van minder dan 50 nanometer.’ En dat voor zes vrijheidsgraden, vertelt Van Veen. ‘Zowel over de x-, y- als z-as, maar ook qua rotatie moet het signaal binnen een tolerantie van 50 nanometer uitgelijnd worden.’ Extra complicerend is dat PIC’s ook elektronische verbindingen hebben die dus elektronisch getest moeten worden, voegt Rauwerda toe.
‘Actieve controle’
Het antwoord op deze complexe uitdaging duidt Verberk met ‘actieve controle’ van de beweging die voor het testen gemaakt moet worden. ‘Voor het testen van elektronische chips kun je toe met een hoognauwkeurige mechanische oplossing, om zeker te weten dat elke test op exact dezelfde manier binnen de tolerantie wordt uitgevoerd. Echter, voor PIC’s moet de testbeweging zelf op elk moment van de uitvoering actief gecontroleerd worden, om zo continu zeker te stellen dat de test op de juiste manier wordt uitgevoerd.’ En dat bij hoge snelheid. Daarom ontwikkelt het consortium niet alleen een metrologische machine voor dit testwerk, maar daarnaast ook nog een apparaat dat visueel en gebruikmakend van hoge-resolutie-camera’s complete wafers op onvolkomenheden kan checken. ‘Daarmee kan de PIC-fabrikant ook snel zien welke delen van een wafer wél in orde zijn’, aldus Van Veen.
Zwaartepunt in Oost-Nederland
Voor die twee apparaten is twee jaar geleden een consortium opgetuigd dat zijn zwaartepunt in het oosten van Nederland heeft. Want fysieke nabijheid van de deelnemers is in het gehele ontwikkeltraject van groot belang. Net als de kwaliteit van de onderlinge communicatie, en dan kun je maar beter allemaal Nederlands spreken, bevestigt Verberk. Zijn werkgever TNO heeft in de loop der jaren heel veel kennis vergaard van optische inspectietechnologieën en van de ontwikkeling en bouw van (snelle) metrologische machines. Niet toevallig is Nearfield Instruments een spin-off van de onderzoeksinstelling. IMS is dus penvoerder, want het bedrijf heeft een internationale naam en faam opgebouwd met machines met een hoognauwkeurige motion control, onder meer voor het assembleren van lensjes voor smartphone-camera’s. Technolution, als key supplier ook nauw betrokken bij de machines van Nearfield, heeft heel veel kennis van het besturen van dergelijke apparaten. ‘En wij hebben veel ervaring met het ontwikkelen van datamanagementsystemen’, schetst Rauwerda. ‘De instrumenten die we binnen dit consortium gaan ontwikkelen genereren heel veel data. Het managementsysteem is nodig om daar de juiste datastromen uit te halen, zodat er informatie van gemaakt kan worden die – al dan niet in-line – teruggekoppeld kan worden naar de productieprocessen in de lijn, waarmee die bijgesteld kunnen worden.’
Launching customer
Het werk van Technolution raakt aan dat van weer aan andere consortiumdeelnemer: het Eindhovense Nobleo Technology, dat de kunstmatige intelligentie met de machine learning-software ontwikkelt. Daarmee gaat het systeem leren het kaf van het koren te scheiden in die enorme datastroom over de kwaliteit van de PIC’s. Die datastroom moet genereerd gaan worden door de high-end camera die Settels Savenije, eveneens uit Eindhoven, gaat ontwikkelen. Verder zorgt Masévon uit Hardenberg voor de wafer handler, een hoognauwkeurige module die de wafer op exact de juiste plek op de stage legt. Het Enschedese WorkFloor gaat zorgen voor een onderdeel dat de bruikbaarheid van de analysedata controleert. Ook is betrokken het Zwolse Salland Engineering, een onderneming met veel ervaring met elektronisch testen die daarvoor high performance modules fabriceert. Ten slotte krijgen fotonica-integrator PITC uit Eindhoven en Lionix International uit Enschede, een PIC-fabrikant en in casu launching customer, een belangrijke rol in het praktisch testen van de twee metrologische apparaten.
Fifty-fifty financiering
Behalve met hun specialistische kennis en ervaring dragen al deze partijen ook financieel bij. Voor het traject dat twee jaar geleden van start is gegaan en in 2024 moet uitmonden in twee bèta-tools is in totaal 27 miljoen euro beschikbaar. De helft komt bij de deelnemers vandaan, 5 miljoen euro is afkomstig uit OP Oost, het operationeel programma van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling in Overijssel en Gelderland. Verder komt nog 8,5 miljoen uit het Nationaal Groeifonds, als financiering die verkregen is doordat het werk van dit consortium is meegenomen in het investeringsprogramma Nxtgen Hightech. ‘PhotonDelta heeft ook geld uit die pot gekregen, maar daar ligt de focus op de productie van PIC’s. Daarmee zijn beide initiatieven complementair aan elkaar’, hecht Verberk eraan te benadrukken.
Link magazine editie juni 2022 | jaargang 24 thema: Hoe slaan we de brug tussen de software- en de hardware-engineers? Lees Link digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl’
Grote series, 24/7
Elders in Europa zijn er instrumentenbouwers met reeds een positie in de PIC-metrologie. Moeten, in het licht van de mondiale strijd om de semicon-hegemonie, de Europese sterktes niet juist gebundeld worden? ‘Die partijen elders’, beargumenteert Verberk, ’zijn vooral sterk in het ontwikkelen en bouwen van custom made testsystemen voor lage volumes, voor bijvoorbeeld universitaire laboratoria. Wij willen juist tot machines komen die 24/7 grote series PIC’s volautomatisch en hoognauwkeurig kunnen testen. En die breed inzetbaar zijn. Niet alleen voor het testen van PIC’s gebaseerd op de indiumfosfide-technologie, maar ook die op de siliciumnitride- en siliciumtechnologie. Zo willen we de PIC-productie uiteindelijk dichter bij het niveau van professionalisering en standaardisering van de productie van elektronische IC’s brengen.’
PIC’s en IC’s zijn complementair
Er wordt nog wel eens gedacht dat PIC’s de traditionele IC’s zullen gaan vervangen. Maar ze zullen complementair zijn aan elkaar, maken Gerard Rauwerda, Rogier Verberk en Marcel van Veen duidelijk. ‘Geheugenchips blijven bijvoorbeeld altijd elektronische IC’s, want licht kan nu eenmaal niet stilstaan’, duidt Verberk.
In de datacenters daarentegen zullen veel van de IC’s vervangen gaan worden door PIC’s, vanwege hun snelheid, geringe energieverbruik en navenant lage warmteproductie. Onder meer door alle streamingvideo’s die we met zijn allen dagelijks bekijken verduizendvoudigt elke tien jaar de hoeveelheid data die datacentra verwerken. Die groei kan alleen maar doorzetten met PIC’s, aldus Van Veen. ‘PIC’s kunnen de verzendsnelheid dusdanig verhogen dat de groei van data opgevangen kan worden.’ En het scheelt heel veel energie, tientallen procenten, schat hij. Ook zullen de PIC’s hun weg vinden in allerhande van optische sensoren, zoals de lidar-chip die in de moderne auto’s de radarfunctie vervult. ‘Maar denk ook aan allerlei sensoren waarmee bijvoorbeeld de onderhoudsstatus van vliegtuigen en bruggen gevolgd kan worden’, illustreert Rauwerda.
