Een cruciaal onderdeel van de lithografiemachine van Mapper werd gloeiend heet. De Delftse technici moesten terug naar de tekentafel. De nieuwe oplossing die ze daar ontwierpen bleek uiteindelijk, dankzij Mat-tech, gelukkig ook maakbaar. Daarmee heeft de chipproductiemachinefabrikant zo’n beetje alle fundamentele problemen opgelost en gaat de engineeringfase in.
Er staat al een bètamachine voor testwerk bij het research & technologie-instituut Leti in Grenoble, maar het echt geld verdienen met de resultaten van jarenlang ontwikkelen en investeren moet nog beginnen. Eind dit jaar, begin volgend jaar denkt Mapper de eerste commerciële maskerloze elektronenbundel lithografiemachine voor de productie van chips op de markt te brengen, zo is de inschatting bij Mapper. Want de afgelopen jaren heeft het Delftse bedrijf tal van ‘fundamentele problemen’ kunnen oplossen. Zo was het vastzetten van de wafers lastig: met vacuüm in vacuüm omgeving gaat niet werken. Evenmin haalbaar was een elektrostatische oplossing in een machine waarin het draait om met elektronen op silicium afbeeldingen van hele fijne chipstructuren aan te brengen. De oplossing werd gevonden in het waterclampen, gebruikmakend van de capillaire werking van vloeistof. Een ander heikel punt was lange tijd het tijdens de assemblage voorkomen van contaminatie van de 13.000(!) lenzen (nodig om de elektronenbundels goed te richten). De oplossing bleek uiteindelijk te liggen in het verrichten van dat montagewerk in een overdrukkast daardoor steeg de yield van 50 naar 90 procent.
900 graden Celsius
Weer een ander fundamenteel probleem was de warmteafvoer in de collimator (elektronen bron lens), dat deel van de machine waarin de grote, primaire, homogene elektronenbundel wordt gecreëerd. Vervolgens wordt deze opgedeeld in 13.000 kleinere bundels (beams) alvorens ze via de lenzen gefocust worden en op de wafer belanden. Dat warmteprobleem kwam op het bord designleader Willem Mook. ‘De collimator zorgt er voor dat de 13.000 bundels parallel op de wafer gericht worden. Om die verdeling tot stand te brengen moet er in die lens een stevig spanningsveld gecreëerd worden: de elektrode binnenin is goed voor 20 kilovolt. ‘Die wordt warm en dat effect wordt nog eens versterkt doordat lang niet alle elektronen door de collimator heen gaan, maar binnenin heen en weer blijven stuiteren. Binnen één uur liep de temperatuur op tot boven de 900 graden Celsius; zo heet dat onderdelen smolten’, verhaalt Mook.
Opnieuw tekenen
Na lang zoeken kwamen de Mapper-technici tot de conclusie dat ze terug naar de tekentafel moesten: het ontwerp van de warmteafvoer moest anders. ‘In eerste instantie hadden we het idee dat de collimator voldoende kon worden gekoeld door uitstraling naar een behuizing waar koud water doorheen stroomt. Maar dat bleek dus niet te functioneren. We kwamen tot de conclusie dat we met geleiding moesten werken’, aldus Mook. Dat betekende dat de ophanging van de collimator in de behuizing – drie koperen bladveren – vervangen moest worden door iets anders, zonder dat het de stabiliteit van het systeem in gevaar zou brengen. ‘We hadden juist gekozen voor slechts drie bladveren omdat je dan de benodigde stabiliteit krijgt; om dezelfde reden waarom een tafel met drie poten nooit wankelt. We moesten dus naar een stabiele ophanging die wel de warmte zou geleiden, maar niet de elektronen’, schetst Mooks collega en account support manager Hans Kersting.
Hoe te maken?
Na een lang iteratief ontwerpproces ontstond er een ophanging waarin de drie bladveren vervangen zijn door drie combinaties van aluminiumoxide plaatjes en koperen gatschanieren: ‘De gatscharnieren zorgen voor de stabiliteit, het koper voor de warmtegeleiding terwijl het aluminiumoxide wel de warmte maar niet de elektronen doorgeeft. Vervolgens was de vraag: hoe gaan we dat maken?’, aldus Mook. Uit eerdere ervaringen wisten de Mapper-mensen dat Mat-tech uit Son bij Eindhoven in staat was aluminiumoxide aan koper te solderen, met hun kennis en capaciteit van het hardsolderen in een oven bij hoge temperaturen. Kersting: ‘We hebben hen het probleem uitgelegd waarop zij zeiden: “Dat komt wel goed.”’
Niet eenvoudig
En het is ook goed gekomen, maar niet zonder slag of stoot, verhaalt Erik Brom, technical commercial director van Mat-tech Development & Testing, het onderdeel van Mat-tech dat onderzoek doet naar optimalisatie van soldeerprocessen en de gevonden oplossingen desgevraagd uitvoerig test. ‘Het ontwikkelen van een proces dat leidt tot een ophanging met voldoende warmteoverdracht, maar zonder elektrische geleiding is niet eenvoudig. Daar komt bij dat aluminiumoxide bij verhitting relatief weinig uitzet terwijl koper juist een hele hoge uitzettingscoëfficiënt heeft. Dat telde des te meer omdat het contactvlak tussen beide materialen betrekkelijk groot was. Wij werken in dit geval met temperaturen van zo’n 900 graden Celsius en dan zouden er gemakkelijk haarscheurtjes kunnen ontstaan waardoor toch elektriciteit kan weglekken.’
Aanpassen
Het hele procesontwikkeltraject bij Mat-tech besloeg een periode van enkele maanden waarin de werktuigbouwkundige, materiaalkundige en chemische experts uit Son regelmatig overleg hadden met de Mapper-engineers. Het eerste prototype dat Mat-tech opleverde voldeed nog niet volledig aan de vereisten. ‘Er bleek toch nog sprake van een zeer geringe elektrische geleiding. Daarop hebben we het soldeerproces aangepast. In onze oven heerst een vacuüm. Door op cruciale momenten in het proces de samenstelling en druk van de altijd aanwezige restgassen te veranderen kregen we wel het gewenste resultaat. Tegelijk hebben we ook ons kwaliteitscontrolesysteem aangepast zodat het meten van die geleiding daar nu onderdeel van uitmaakt.’
Engineeringfase
‘Het was een heel incrementeel proces waarin we steeds met onze kennis van de mechanica van de ophanging en hun kennis van het soldeerproces en materiaaleigenschappen tot deeloplossingen zijn gekomen’, blikt Willem Mook terug. Nu dit warmteafvoerprobleem is opgelost is hij designleader-af en moet hij op zoek naar andere uitdagingen binnen Mapper. Die zijn er ongetwijfeld nog genoeg, al zijn ze vanaf nu wel van een andere aard, maar Hans Kersting duidelijk: ‘De ontwerpfase is nu wel zo’n beetje afgerond. Alle fundamentele problemen zijn opgelost en we hebben een werkende machine met een commercieel interessante kwaliteit en capaciteit. We gaan nu de engineeringfase in om daarin de puntjes op de i te zetten.’
Terugverdienen
Dan ligt het voor de hand voor de productie van de ophanging weer bij Mat-tech aan te kloppen? Erik Brom: ‘Voor ontwikkelingswerk waarvan we later de productie mogen doen hanteren wij gereduceerde tarieven. We hebben in dit geval ook de IP van het soldeerproces mogen houden zodat we die kennis ook voor andere toepassingen kunnen gebruiken. Daarnaast gaan we ervanuit dat we een deel van onze ontwikkelingskosten straks in de productie kunnen terugverdienen. Het zal bij Mapper altijd om relatief kleine series gaan – één machine bevat zes ophangingen – en ook daarvoor zijn wij, met ons bedrijfsdeel Mat-tech Production, uitstekend ingericht hier.’
