Het nut van fotonica voor de telecom en de medtech is onomstreden. Maar wil de sector die toegevoegde waarde te gelde kunnen maken, dan moeten kwaliteit en capaciteit omhoog en de kosten omlaag. Daartoe moet het voorbeeld van de semicon worden gevolgd: van verticale integratie naar horizontale specialisatie. Als specialist in uitsluitend de productiestap van fotonische chips staat Smart Photonics daarvoor goed opgelijnd. Maar de stap naar grootschalige productie vergt nog veel (Europees) geld. Niet om – à la de semicon – een achterstand in te halen, maar om een voorsprong uit te bouwen, duidt Smart Photonics-ceo Johan Feenstra.
Smart Photonics-ceo Johan Feenstra
Op weg van lab naar fab, naar een omzet van 1 miljard plus
– ‘Het instellen van het Nationaal Groeifonds getuigt van visie.’
– Ook qua productiemachines heeft de semicon gestandaardiseerd.
– ‘We zitten al op een hoog niveau van automatisering.’
– Het realiseren van de ambitie van ‘global leading pure play foundry in 2030’ vergt nog meer geld.
Smart Photonics draait nu nog een zeer bescheiden omzet, maar in 2030 zou die meer dan 1 miljard euro moeten kunnen zijn. Immers, de wereldmarkt van fotonische chips (pics) zal tegen die tijd naar schatting 10 miljard euro groot zijn. Hiervan zal dan een stevig deel op conto komen van pure play foundry’s zoals Smart Photonics. Pics worden nu gemaakt door vooral Amerikaanse partijen als Lumentum, Coherent en Infinera: verticaal geïntegreerde partijen die ook waarde-voortbrengingsactiviteiten uitvoeren voor en na de pics-productie. Maar die zullen juist dat laatste gaan uitbesteden aan specialisten als Smart Photonics. Daar staat wel tegenover dat de grote halfgeleiderfoundry’s als TSMC, Samsung en UMC tegen die tijd ook hun oog op dat werk zouden kunnen laten vallen.
Geen vergelijkbare concurrentie
Al met al denkt Johan Feenstra dat er in 2030 wereldwijd vijf à zes partijen zullen zijn, die samen met Smart Photonics het foundrydeel van die 10 miljard gaan verdelen. Waaraan de ceo direct toevoegt dat dit feitelijk geen een-op-een vergelijkbare concurrenten zijn, want actief op die andere platforms: silicium en siliciumnitride. ‘Wij zijn wereldwijd de enige foundry die werkt aan het proces om indiumfosfide pics te maken, gecombineerd met een eigen set standaardcomponenten (in een process design kit (PDK), red.). Indiumfosfide is een materiaal waarmee behalve passieve ook actieve componenten te produceren zijn, die ook licht genereren. Het probleem van het toenemende energieverbruik door het snelgroeiende dataverkeer – in Nederland nu al 10 procent van de energieconsumptie – kan worden opgelost met ons type pics’, verzekert Feenstra.
Toekomstvisie
Het interview met hem vindt plaats in zijn bescheiden werkkamer, in het hart van een uitgestrekt oud-Philips-pand op de High Tech Campus in Eindhoven. Een werkomgeving met lange lage gangen, het plafond vol leidingen en kabels en gelardeerd met donkerblauwe deuren. Onderwerp van gesprek is de strategie van Smart Photonics, een bedrijf waarin inmiddels 48 miljoen euro Nederlands geld is geïnvesteerd en dat nog eens 75 miljoen tegemoet kan zien uit het Nationaal Groeifonds. ‘Er is vaak veel kritiek op de regering, maar het instellen van dat Groeifonds getuigt van visie, van inzicht in welke technologieën nodig zijn voor de economie van de toekomst.’
Die waarde heeft fotonica nog niet bewezen. Maar dat komt vanzelf, mits de sector dezelfde transformatie doorloopt als de semicon een paar decennia geleden, duidt Feenstra. ‘Oorspronkelijk was dat ook een sterk verticaal geïntegreerde industrie. Bedrijven als Philips, Samsung en Intel deden alles in eigen huis: het chipdesign, de ontwikkeling van de designsoftware, het maken van de chips en het packagen ervan, het ontwerpen van de embedded software… Maar omdat de klant aandrong op nieuwe toepassingen, moest de innovatiesnelheid omhoog. Dat vroeg om specialisten die zich helemaal toelegden op één zo’n stap. Daardoor kwamen snel nieuwe toepassingen in beeld. Dat stimuleerde de vraag, wat weer de financiële ruimte bood voor verdere innovatie, wat weer nieuwe toepassingen mogelijk maakte. En zo door. Ja, zonder die transformatie van verticale integratie naar horizontale specialisatie had de semicon de Wet van Moore nooit zo lang kunnen volhouden.’
Alleen standaardcomponenten
Een andere succesfactor was standaardisatie. Momenteel wordt ongeveer 75 procent van de chipproductie uitgevoerd door pure play foundry’s als TSMC en UMC, fabs die voor elke klant elektronische chips produceren, maar het ontwerp (en al die andere stappen) aan de klant of andere spelers overlaten. Op voorwaarde dat ze in dat chipontwerp alleen de standaardcomponenten opnemen die de fab in haar PDK heeft. Dat is tegenwoordig nog maar zelden een beperking, daar die PDK’s intussen duizenden componenten bevatten.
Smart Photonics hoopt de komende jaren in de voetstappen te kunnen treden die de semicon een halve eeuw eerder heeft gezet, vertelt Feenstra. Immers, de scale-up heeft zich gespecialiseerd als fotonische pure play foundry en beschikt over een PDK met op dit moment zo’n vijftig standaard bouwblokken; in de fotonica reeds voldoende voor complexe, multifunctionele pics. Dit zijn componenten als lasers (de bron van infrarood licht), versterkers (van het licht), modulators (die dat licht razendsnel schakelen en zo de nullen en enen creëren waaruit de data bestaan) en de golfgeleiders (die genoemde componenten onderling verbinden).
Nieuwe bouwblokken
Dat aantal van vijftig gaat de komende jaren snel groeien. Want soms vraagt de functie van de pic ook andere bouwblokken dan waarin de PDK van Smart Photonics voorziet. In dat geval start een proces van nauwe samenwerking met de (eind)klant – ‘een goede mix van push en pull’ – waarin er nieuwe bouwblokken worden ontwikkeld. ‘Wij hanteren de customer intimacy-waardestrategie. Door heel veel kennis te vergaren van onze markt, kunnen wij díe modules in onze PDK opnemen waarvan we weten dat we de investering in de ontwikkeling ervan kunnen terugverdienen met productiewerk voor andere klanten.’ Klantnamen wil hij overigens niet noemen, behalve die van de reeds alom gecommuniceerde Nederlandse scale-ups Photon First en Effect Photonics. ‘Juist de grote partijen houden liever geheim voor welke toepassingen ze met ons werken aan nieuwe pics’, verklaart hij.
Nu is het in de fotonicaproductie niet zo dat de standaard bouwblokken op voorraad worden geproduceerd. De klant bepaalt hoe bouwblokken worden gecombineerd en de productie van die configuratie vindt plaats in één complex productieproces. Een proces dat veel weg heeft van het lithografische proces waarmee elektronische IC’s worden gemaakt. Waarin atoomdunne geleidende of isolerende laagjes materiaal op een wafer worden gedeponeerd en belicht.
Alle semiconfabs gebruiken daarvoor dezelfde machines van fabrikanten als Applied Materials, Tokyo Electron, ASMI en natuurlijk ASML. Ook qua productiemachines heeft de semicon dus gestandaardiseerd. Zonder dat had ASML nooit de ruime afzetmarkt gehad waarvan het nu zo optimaal profiteert. Ook de fotonica maakt van die apparatuur gebruik. In het lab van Smart Photonics op de TU Eindhoven-campus staat onder meer een oude waferstepper van ASML, vertelt Feenstra.
Operational excellence
Het grote verschil zit ’m in de precieze instellingen van al die tools, de exacte samenstelling van de depositiematerialen en de ‘indirecte’ gassen om die materialen te transporteren. Precies met die gedetailleerde proceskennis denkt Smart Photonics zich de positie te kunnen verwerven van een wereldwijd opererende, leidende pure play foundry.
Operational excellence is nu de grootste uitdaging voor Smart Photonics
Waarmee het gesprek komt op de grootste uitdaging waar Smart Photonics voor staat: operational excellence. Ofwel, het snel en betrouwbaar maken van dat productieproces. Om de stap van lab naar fab te zetten. Om de productie op te schalen van de huidige vijfduizend 3 inch wafers per jaar naar op termijn honderdduizend 4 inch wafers per jaar. ‘Bij bijvoorbeeld TSMC is het gehele productieproces geautomatiseerd. Op de werkvloer daar zie je hooguit servicemensen of een engineer die een instelling aanpast. Maar de semicon is wel al vijftig jaar langer bezig dan de fotonica-industrie.’
Link Magazine organiseerde in 2017 een rondetafelbijeenkomst over hoe de Nederlandse fotonica de kansen kan verzilveren. deelnemers waren: Gert-Jan Vaessen BOM, Ton Backx (Institute for Photonic Integration, Photon Delta), Pim Kat Technobis, Erik Teunissen Berenschot, Patrick de Jager Director New Business ASML, Robert Feelders cfo Smart Photonics en Ewit Roos Photon Delta
Handwerk automatiseren
In de cleanroom, een stuk verderop aan de ‘Philips-gang’, waar Smart Photonics momenteel zijn fab opbouwt, vindt ook nog handwerk plaats. ‘We zitten al op een hoog niveau van automatisering’, verzekert Feenstra. Zo plaatsen robots de wafers in de cassette van de depositietool, halen die er ook weer uit en plaatsen die in de cassette voor de volgende processtap. ‘Cassette to cassette, noemen we dat. Maar er gebeurt ook nog handwerk, voor die processtappen waarvoor de automatisering nog moet worden geïmplementeerd. Willen wij onze rol als pure play foundry kunnen pakken, dan moeten wij dus ook zorgen voor een geautomatiseerde maakinfrastructuur voor deze industrie.’
‘Als onze opzet slaagt, bouwt Europa met fotonica een voorsprong uit’
Smart Photonics hoopt die infrastructuur de komende jaren, samen met leveranciers van de benodigde software en hardware, voor elkaar te krijgen en die opschalingsstap te kunnen zetten. In 2017 organiseerde Link Magazine een rondetafelbijeenkomst over hoe de Nederlandse fotonica de kansen kan verzilveren. In het verslag schetst de toenmalige cfo Robert Feelders hoe Smart Photonics bezig was de eigen ‘industrialisatieroadmap af te werken’. Sindsdien zijn er zes jaar verstreken, maar vergt dat ‘afwerken’ nog steeds alle aandacht. ‘Sinds 2017 is er heel veel gebeurd. Maar er moet nog veel meer gebeuren. Want we zijn hier, samen met het ecosysteem rond PhotonDelta, wel een heel nieuwe industrie aan het bouwen. De EU wil met haar European Chips Act vooral de achterstand inhalen die we in de semicon hebben opgelopen. Als onze opzet slaagt, bouwt Europa met fotonica juist een voorsprong uit.’
Meer financiering nodig
Aldus Johan Feenstra die erop rekent dat ook Smart Photonics financiering tegemoet kan zien uit de 43 miljard euro waarmee de uitvoering van de Europese wet wordt ondersteund. Want het realiseren van die ambitie van ‘global leading pure play foundry in 2030’ vergt nog meer geld dan de 48 plus 75 miljoen euro die tot nog toe door – strikt Nederlandse partijen – geïnvesteerd is of gaat worden. Komt die financiering er niet, dan ziet hij nog een andere route. ‘Het productieproces kan worden gedraaid op standaard halfgeleiderapparatuur en dus op termijn ook worden gedaan in bestaande, afgeschreven chipfabrieken’, aldus Feenstra. Zonder verder uit te wijden over de implicaties daarvan.
Van Friesland via Groningen en de VS naar Eindhoven
‘Bij het schaatsen kun je tegenwoordig alleen succesvol zijn als je je specialiseert in een bepaalde afstand. Ook in de fotonica-industrie moeten bedrijven zich specialiseren in één onderdeel van de keten om onderscheidend te blijven.’ De vergelijking klinkt wat gezocht, maar laat zich verklaren. ‘Ja, ik ben een fanatiek schaatser’, geeft de geboren Fries Johan Feenstra toe. In Friesland woont hij allang niet meer. Studeren deed hij aan de Rijkuniversiteit Groningen, zijn promotieonderzoek naar de toepassing van microgolven voor de microscopie voltooide hij in de VS en zijn eerste baan vond hij in Eindhoven bij Philips. Daar sleutelde hij aan een innovatieve displaytechnologie. Toen zijn werkgever daar niet verder mee wilde, bracht hij het onder in zijn eigen bedrijf Liquavista. Deze onderneming verkocht hij ‘twee keer’, vertelt hij op zijn LinkedIn-pagina: eerst aan Samsung, later aan Amazon. Eind 2018 koos Amazon ervoor te investeren in softwareplatforms, ten koste van de hardware en trok de stekker uit de start-up. Wat Feenstra de ruimte bood om begin 2019 over te stappen naar Smart Photonics, een bedrijf dat hij, als lid van de raad van advies, reeds van binnenuit kende.
Inconsistenties zichtbaar maken en ervan leren
Bram Smolenaars: Op elke doos heeft hij zo’n locatiesensor geplakt en vervolgens de software geschreven om ze realtime te kunnen volgen. ‘Al gauw zag ik dat het werkelijke proces niet altijd synchroon liep met wat het MES liet zien.. Foto Bart van Overbeeke
Smart Photonics is onderweg van lab naar fab. Hiervoor is tevens een zeer gedetailleerd inzicht nodig in welke stappen in het huidige productieproces hoe precies gezet worden. Om vervolgens gericht verbeteringen te kunnen doorvoeren. Met die analysevraag ging Bram Smolenaars begin 2022 aan de slag. Hij deed zijn onderzoek in het kader van zijn afstuderen van de master Manufacturing Systems Engineering aan de TU Eindhoven. ‘Het MES-systeem maakte niet goed zichtbaar wat er precies gebeurt op de werkvloer. Operators voerden bijvoorbeeld verschillende handmatige stappen uit om pas daarna in één keer al die acties als uitgevoerd door te voeren in het MES. Het simuleren van flows, om die te optimaliseren, heeft dan geen zin’, vertelde Smolenaars in een eerder gesprek met Link Magazine.
Nu had Smolenaars tijdens een stage aan het MIT in Boston veel ervaring opgedaan met locatiesensoren. Die kennis heeft hij bij Smart Photonics benut voor het bouwen van zijn Real-Time Location System (RTLS). De wafers gaan door het proces in batches van 3 tot 25 stuks, in speciale dozen. Op elke doos heeft hij zo’n locatiesensor geplakt en vervolgens de software geschreven om ze realtime te kunnen volgen. ‘Al gauw zag ik dat het werkelijke proces niet altijd synchroon liep met wat het MES liet zien. Voor die afwijkingen ben ik de werkvloer opgegaan. Bijvoorbeeld als ik in RTLS zag dat een doos een bepaalde controlestap had overgeslagen. Navraag leerde dan dat een operator de ervaring had dat die stap op dat moment niet nodig was. Of een doos was uit het proces gehaald en bleek op het bureau van een van de medewerkers te staan, omdat die nog wat wilde uitzoeken.’
Dit soort handelingen kan leiden tot uitval zonder dat de oorzaak uit het MES duidelijk wordt. Of resulteren in productieverlies omdat naar een batch moet worden gezocht. ‘Mijn systeem en onderzoek maken inconsistenties en de oorzaak ervan zichtbaar’, aldus Smolenaars. ‘Die kunnen dan worden gecommuniceerd, zodat iedereen ervan kan leren.’ Een voorwaarde om te kunnen opschalen.
Voor zijn RTLS en de afstudeerscriptie heeft Smolenaars een 9 gekregen. Inmiddels werkt hij bij Smart Photonics aan het verder ontwikkelen van zijn applicatie. Hij doet dat samen met gespecialiseerde leveranciers van de benodigde hardware en software. ‘Dat is ook een valkuil bij het opschalen: het wiel zelf gaan uitvinden, terwijl dat al bestaat.’
