Samen ten strijde tegen steeds onzichtbaardere gevaren
‘Het voorkomen van brand doe je door de zuurstoftoevoer af te sluiten, de brandstof weg te halen of de ontsteking te voorkomen. Voor preventie van vervuiling – contaminatie – doen wij in feite hetzelfde. Wij onderzoeken het ontstaan van vervuiling en hoe je een materiaal, product of proces zo ontwerpt dat er geen vervuiling kan optreden, zodat je niet achteraf van alles moet veranderen als die vervuiling toch ontstaat. En lukt dat echt niet, dan zoeken we naar een oplossing om de effecten te minimaliseren’, vertelt Roland van Vliet van TNO. Het onderzoeksterrein wint door de voortschrijdende miniaturisering, tot nano-niveau, in steeds meer sectoren aan belang.
- Een perfect, schoon vacuüm bestaat niet.
- Omzet van TNO met onderzoek aan contamination control de laatste vijftien jaar vertienvoudigd.
- Toepassingen lopen uiteen van kernfusie tot medische technologie.
- Relevant voor oem’ers én moduleleveranciers.
- TNO loopt wereldwijd voorop.
Roland van Vliet is bij TNO in Delft director semicon equipment industry, een functiebenaming die slechts ten dele de lading dekt. Want de afgelopen vijftien jaar is het multidisciplinaire werk van TNO aan contamination control relevant geworden voor veel meer dan alleen de semicon. ‘Dit onderzoeksgebied richtte zich in eerste instantie op de ruimtevaart, juist omdat daar het doen van onderhoud nagenoeg onmogelijk is. Maar eind jaren negentig klopte de halfgeleiderindustrie bij ons aan, omdat door de steeds kleiner wordende chipstructuren de productieprocessen steeds gevoeliger werden voor vervuiling. Sindsdien is die industrie leading in ons werk. Veel ontwerpkennis die we voor deze sector genereren, passen we weer toe in de ruimtevaart. En ook op steeds meer andere terreinen, als kernfusie, solar, displays… Allemaal sectoren waar, door de miniaturisering, een vuildeeltje van een halve micrometer tegenwoordig wel een probleem is.’ Daardoor is de ‘omzet’ van TNO op dit onderzoeksterrein de laatste vijftien jaar vertienvoudigd, naar acht miljoen euro. Geld dat voor tachtig procent wordt verdiend met onderzoeksopdrachten voor bedrijven in die sectoren. Sinds vorig jaar is het onderzoek bijeengebracht in het International Center for Contamination Control (ICCC).
Niet met Jif
Zo wordt er werk gedaan dat relevant is voor ondernemingen als Applied Materials, dat aan chipfabrikanten de apparatuur levert waarmee zij hun productieproces nauwgezet kunnen volgen. ‘Het monitoren gebeurt met optica en ultrakortgolvig licht (duv, red.), waarmee heel kleine deeltjes zichtbaar kunnen worden gemaakt. Het productieproces gebeurt tegenwoordig soms al met extreem kortgolvig licht (euv, red.) in een vacuüm – maar een perfect vacuüm bestaat niet. Daar komt bij dat metalen of kunststoffen in vacuüm de neiging hebben te gaan uitdampen. Nu is het vervelende van dat kortgolvige licht – duv en euv – dat het kleine koolstof- of polymeerdeeltjes direct vastbakt aan de lens of de spiegel. Door een goed ontwerp kun je dat grotendeels voorkomen, maar niet helemaal. Dus heb je ook een systeem nodig om die lens of de spiegel te reinigen. Vergeet niet dat het hier gaat om een vuillaag van hooguit een paar atomen dik. Dus je kunt niet met Jif aan de gang.’ Voor dit probleem heeft het ICCC een proces ontwikkeld waarin met microgolfstraling een waterstof- of zuurstofplasma wordt gecreëerd dat alle vuil wegvreet. ‘En dat moet natuurlijk wel een proces zijn dat goed in de productielijn is in te bouwen en niet verstorend of vertragend werkt’, noemt Van Vliet nog een extra uitdaging.
Doorsijpelen
Delen van de kennis vinden ook hun weg naar de kernfusiereactor van ITER (een internationaal samenwerkingsproject om de haalbaarheid van kernfusie als energiebron aan te tonen). ‘Vervuiling in de reactorkamer is per definitie niet te voorkomen. Toch heb je systemen nodig om het fusieproces heel nauwkeurig te kunnen volgen en bij te sturen. Dat vergt dat je eerst heel goed leert begrijpen – door te simuleren en het proces op kleine schaal na te bootsen – hoe die vervuiling precies ontstaat. Zodat je daarna kunt werken aan het ontwerpen van een systeem waarin het vervuilen van de lens van je meetinstrument langzamer verloopt. En aan een systeem waarmee je kunt schoonmaken zonder dat het proces verstoord raakt.’
Chipproductielijnen en zeker kernfusiereactoren zijn natuurlijk behoorlijk exotische toepassingen, maar de microgolf-reinigingsmethodiek heeft ook al zijn weg gevonden naar de medische technologie. ‘Scalpels worden tot nog toe met stoom gereinigd, maar dat doodt alleen de bacteriën, niet de prionen (deeltjes uit eiwitten, red.) die ook ziektes van de ene op de andere patiënt kunnen overbrengen. We hebben nu een proces ontwikkeld, in feite een soort magnetron, waarin waterstof- of zuurstofgas door de microgolven wordt omgezet in een plasma dat ook die prionen wegvreet, bij lage temperaturen.’
Zo sijpelt de kennis van het ICCC door naar allerlei sectoren. Weer terug naar de ruimtevaart waar het ooit allemaal begon, maar ook naar de display- en solarcelproductie waar bij het opdampen van atoomdunne lagen geen vuildeeltjes ingeklemd mogen raken. ‘Op zoek naar steeds hogere beeldresoluties en steeds hogere energieopbrengsten is de vuilgevoeligheid van die processen enorm toegenomen (zie de infographic, red.). Sterk uiteenlopende processen, maar de ontwerpmethodologie om vervuiling te voorkomen of de effecten ervan te minimaliseren is overal hetzelfde.’
Schone toeleverketen
Niet alleen is het werk van het ICCC voor steeds meer sectoren relevant, het raakt in die verschillende ketens het werk van steeds meer schakels. Ook de moduleleveranciers moeten productieprocessen ontwikkelen om contaminatie tegen te gaan. ‘Die vraag stellen oem’ers ons steeds vaker: ‘Help ons onze supply chain op dit punt op orde te brengen.’ Dan gaat het er niet alleen om dat je een schone module maakt die per zoveel handelingen niet meer dan zoveel vuildeeltjes produceert, maar ook dat je dat kunt aantonen. Grote oem’ers hebben nog wel de middelen om het onderzoek daarvoor te doen, maar toeleveranciers niet en juist die kunnen daarvoor dus bij ons terecht. Wij hebben de kennis, maar ook de apparatuur, bijvoorbeeld om het gedrag van euv-fotonen te volgen. Dan heb je het over een investering van al gauw vijf tot acht miljoen euro.’
Aanhoudende groei
De ‘omzet’ van TNO, nu onder de naam van het ICCC, is dus de afgelopen vijftien jaar vertienvoudigd en Van Vliet is ervan overtuigd dat die stevige groei aanhoudt. ‘Over vijf jaar zitten we op minstens het dubbele bedrag. Door de toenemende relevantie van contaminatievoorkoming, maar ook omdat we wereldwijd eigenlijk geen concurrentie hebben. Volgens marktonderzoek van volgt binnen Europa alleen Fraunhofer ons – op grote afstand. En in de VS is er de semiconbrancheorganisatie Sematech, die ook niet echt bij ons niveau in de buurt komt. Dat heeft alles te maken met het multidisciplinaire karakter van het onderzoeksterrein van contamination control. In ons center wordt nauw samengewerkt tussen de 120 medewerkers met zeer diverse achtergronden, zoals fysici, chemici, werktuigbouwkundigen en materiaaltechnologen. In het buitenland is de wetenschap veel meer verkokerd. Juist in Nederland zijn we gewend multidisciplinair te werken.’
ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)
Problemen en oplossingen delen
Bedrijven en onderzoeksinstellingen kunnen lid worden van het ICCC. Momenteel staan op de ledenlijst ESA (ruimtevaart), de semiconbedrijven Zeiss en Mapper, MIRDC (het Taiwanese Metal Industries Research & Development Centre), USIO (leverancier van euv-lasers) en – sinds kort – ASMI. Dit semiconbedrijf is actief aan de front-end van het chipproductieproces, waar wafers worden bewerkt, en aan de back-end, waar ic’s worden geassembleerd en verpakt.
Rudi Wilhelm, global engineering director van de multinational uit Almere, heeft een keihard commercieel doel met het lidmaatschap. Ook zijn bedrijf heeft te maken met de voortschrijdende miniaturisering. ‘Daardoor kunnen tegenwoordig vuildeeltjes van veertien nanometer klein al dodelijk zijn voor het functioneren van microprocessoren. Die kunnen ontstaan in ons front-end proces waar de wafers door opdamping worden voorzien van verschillende lagen. Dat opdampmateriaal komt niet alleen op de wafer terecht, maar ook op de reactorwanden. Op een gegeven moment is die laag zo dik dat er kleine deeltjes kunnen afbreken, die de microprocessoren kunnen ruïneren. Om dit te voorkomen wordt de reactorwand tijdig gereinigd. Dit resulteert echter in downtime. In onze sector draait alles om de kosten per wafer en dus is het cruciaal die downtime zo kort mogelijk te houden. Daar komt bij dat het schoonmaken gebeurt door dure, gekwalificeerde engineers en dat door het reinigen de wanden slijten waardoor reactoren eerder aan vervanging toe zijn. Dus zoeken wij bijvoorbeeld naar manieren om te zorgen dat het opdampmateriaal, ook als de laag dikker wordt, goed blijft hechten aan de wanden.’
Behalve deze vorm van contaminatie zijn er nog legio andere oorzaken van vervuiling, aldus Wilhelm. ‘Die vergen onderzoek en dat voeren we graag samen met TNO uit, waarbij we ook graag gebruik maken van de kennis van andere leden.’ Dat die uit soms heel andere sectoren afkomstig zijn, vindt Wilhelm een voordeel: ‘Er zullen genoeg overeenkomsten zitten tussen hun contaminatieproblematiek en de onze. Door samenwerking kun je tegen lagere kosten sneller stappen maken. Natuurlijk hebben zij niet met precies diezelfde depositieproblematiek te maken en dat is maar goed ook, want je wilt natuurlijk niet met directe concurrenten aan de slag.’ Wilhelm en zijn collega’s zullen de komende maanden derhalve met belangstelling aanschuiven bij de ledenmeetings van het ICCC. Deels om mede richting te geven aan het onderzoek binnen het center, maar ook om te leren van anderen. ‘En stuiten we zo op onderzoekstrajecten die alleen voor ons interessant zijn, dan leggen we die als opdracht bij TNO neer. Zoals TNO al jaren onderzoek voor ons doet.’
Deze publicatie stond in link 6 2015
