Grensverleggend ASML wil volledig kunnen simuleren

27 november 2018

Op jacht naar kleiner, meer, sneller en goedkoper

Een bedrijf dat gedwongen is de grenzen van het mogelijke steeds verder te verleggen, zal daarvoor alle middelen moeten aanwenden. Simulatie en analyse zijn onontbeerlijke tools bij het voortbrengen van een volgende generatie machines. Fred Huizinga is groepsleider Mechanical Analysis bij ASML. Hij voorziet voor ASML een transitie naar Simulation Driven Design, en spreekt graag en onderhoudend over dit onderwerp.

Door Rob Sman

Wij maakten kennis met Huizinga tijdens een Comsol Day, georganiseerd op de campus van de TU Eindhoven. Comsol, bekend van de gelijknamige software voor simulatie van multi-fysische processen, organiseert regelmatig deze zeer leerzame evenementen. Huizinga verzorgde daar een presentatie met als titel ‘Evolution towards Evolution Driven Design at ASML’, waaruit hieronder enkele belangrijke punten zijn samengevat, aangevuld met informatie uit het gesprek dat wij naderhand met Huizinga hadden.

De uitdaging voor ASML bestaat eruit te blijven voldoen aan de Wet van Moore. Deze ‘wet’ die eigenlijk geen wet is maar een ervaringsregel wordt over het algemeen, maar niet volledig juist, geciteerd als “het aantal transistors op een chip verdubbelt elke twee jaar”. Om prestaties en energieverbruik te optimaliseren, worden de componenten op de chip en hun onderlinge afstand dan ook steeds kleiner. Het steeds hogere prestatieniveau is een vraag uit de markt, waar vooral high-end smartphones en gameconsoles een voortrekkersrol spelen. Een vergelijking tussen de eerste Cray-supercomputer uit 1976 en een recente iPhone laat zien dat de laatste minimaal zes keer zo krachtig is, en dat je voor de prijs van de Cray vijftigduizend iPhones kunt kopen. Dat laatste feit illustreert ook de Wet van Moore iets juister, omdat daarin ook de dalende kosten genoemd worden.

Complexiteit en precisie
De huidige stand der techniek is dat de minimale afstand (CD, critical distance) tussen componenten in de chip 14 nanometer is. Om dat te handhaven moeten natuurlijk de opeenvolgende belichtingen van de chip zeer nauwkeurig samenvallen, wat wordt uitgedrukt in de zogeheten overlay die bij de nieuwste machines 4 nanometer bedraagt. Om iets zo klein op de wafer te kunnen projecteren, is licht met diezelfde of kortere golflengte dan de CD nodig. Nu is dat 13,5 nanometer, wat Extreem Ultraviolet (EUV) genoemd wordt. De complexiteit en precisie van de vereiste technieken wordt duidelijk door het volgende: EUV komt niet zomaar uit een lamp of laser: het wordt opgewekt door zeer kleine druppeltjes vloeibare tin met behulp van een sterke laser in plasmafase te brengen. Voor het traject van lichtbron naar masker naar wafer zijn spiegels noodzakelijk, want glazen lenzen absorberen het EUV-licht. De spiegels zijn op 50 picometer nauwkeurig gepolijst. Een picometer is een duizendste nanometer! Daarbij moet een en ander ook nog uitgevoerd worden in een vacuüm. Voeg daarbij dat de machine zowel aardbevingen moet kunnen overleven als dat bepaalde componenten worden beïnvloed door de variërende aantrekkingskracht van de maan, die vervormingen in de orde van grootte van 1 nanometer kan veroorzaken. Dat laatste lijkt mee te vallen, maar om de machine als geheel de eerdergenoemde specificaties te laten halen, moeten de modules waaruit hij is opgebouwd nóg nauwkeuriger zijn.

Terwijl de ‘huidige stand der techniek’ pas nu op bredere schaal invoering vindt, moet natuurlijk ook al gedacht worden aan de volgende generatie, waarin alles nóg kleiner, méér en sneller moet zijn. Dat zal een hele grote opgave zijn, aangezien de grenzen van wat natuurkundig mogelijk wordt geacht in zicht beginnen te komen.

Een blik in het complexe binnenste van de Twinscan NXE:3400, met de stralengang van het EUV-licht duidelijk herkenbaar aangegeven.

Kennis en ervaring uitwisselen
Huizinga vertelt over zijn werkzaamheden als Competence Owner Mechanical Analysis bij ASML: “Ik geef leiding aan een team van ruim zestig personen, die vooral ‘de moeilijke’ dingen doen die niemand anders voor ons kan doen. De zestien nationaliteiten waaruit de groep bestaat illustreert wel hoe moeilijk het is daar de juiste mensen voor te krijgen. Mijn groep bestaat uit Mechanical-analisten, maar het is van het grootste belang kennis en ervaring uit te wisselen met analisten uit andere domeinen zoals Fluid Dynamics en Electrical. Mijn taak als Competence Owner Mechanical Analysis biedt mij die bredere kijk en ik stimuleer die contacten tussen verschillende groepen. Ook wordt er waar nodig kennis opgedaan, veelal door deelname aan trainingen en conferenties van Nafems. Uiteraard wordt er ook samengewerkt met universiteiten.”

Wat is het belang van dat overleg tussen de groepen? “Wij willen vooral komen tot standaardisatie van zowel de tools als de werkmethodes. Er worden nu al veel verschillende pakketten gebruikt, maar als je niet oppast kan het zomaar gebeuren dat een nieuwe werknemer zijn ‘eigen’ tools gaat gebruiken omdat hij die nu eenmaal het beste kent. De werkmethodes moeten ervoor zorgen dat voor gelijkaardige problemen een beproefde aanpak voorhanden is, waardoor ook de resultaten zich beter met elkaar laten vergelijken. Ons streven is ook een managementsysteem te implementeren voor zowel desimulatiedata als de processen.”

Simulation Driven Design
Simulatie (CAE) bevindt zich in het ontwikkelingstraject vaak in een late fase, en is traditioneel een controle (evaluatie) achteraf van het ontwerp in CAD. De resultaten kunnen indien nodig natuurlijk nog wel in aanpassingen van het ontwerp worden vertaald; een proces dat zo vaak als nodig is, kan worden herhaald om het ontwerp aan de criteria te laten voldoen voordat het ontwerp gebouwd wordt. ASML gaat die traditionele aanpak echter verlaten en implementeert Simulation Driven Design (SDD), waarbij CAE en CAD geïntegreerd worden (Concurrent Design), waardoor de criteria eenvoudiger de basis worden voor het ontwerp. Hiermee wordt uiteraard de kans dat het ontwerp direct juist is verhoogd, en zou in ieder geval het aantal iteraties moeten worden teruggedrongen. Bij Generative Design, wat de volgende stap kan zijn, gaat dit nog een stap verder en bepaalt en optimaliseert het CAD/CAE-systeem de geometrie zelf aan de hand van criteria. De voortschrijdende ontwikkeling van 3D-printen zorgt daarbij voor een enorme vrijheid in vormgeving, omdat vrijwel niets meer onmaakbaar is. Het implementeren van SDD vergt ook andere competenties van de engineers, maar ook van het bedrijf, dat op alle niveaus deze overgang volledig zal moeten ondersteunen om het een succes te laten zijn.

Uiteindelijk zal SDD een tussenstap moeten zijn in de overgang naar Model Based System Engineering (MBSE), waarbij een volledige machine gesimuleerd kan worden; een digitaal prototype. Juist dan is het van belang dat verschillende fysische processen in één simulatie kunnen worden ondergebracht. Uiteraard zal MBSE veel vergen van zowel de hardware als de software, en de mensen die ermee werken.

Tienduizend cores
Rekencapaciteit wordt ook als online service aangeboden. Maakt ASML daar voor zware taken ook gebruik van? “Gelet op de gevoeligheid van de informatie houden wij een en ander liever binnenshuis. We beschikken over een cluster van meer dan tienduizend cores, waar onze vestigingen wereldwijd gebruik van kunnen maken. Het gebrek aan gekwalificeerde analisten vormt op dit moment een groter probleem dan de beschikbare rekencapaciteit. Wel maken wij op dit moment gebruik van vertrouwde externe partijen om simulaties voor ons uit te voeren. Met name als de opdracht nauwkeurig geformuleerd kan worden. Om eventueel de resultaten te kunnen controleren, vragen wij wel ook alle modellen op. Aan de andere kant geven we ook niet-experts tools waarmee zij veel voorkomende ‘standaard-simulaties’ uit kunnen voeren; in verschillende softwarepakketten, waaronder Comsol, kun je apps bouwen die dat mogelijk maken. En dan zijn er nog de eerdergenoemde trainingen, waarmee we meer engineers CAE-competent willen maken.” Huizinga toont als voorbeeld van de al in gebruik zijnde apps een toepassing voor het berekenen van een luchtlager.

De ontwikkelingen op het gebied van chip-productie zijn nog niet ten einde; de eerste proefmodellen van de volgende generatie machines worden nu al beproefd. De steeds veeleisender specificaties maken ook steeds meer geavanceerde tools nodig om ze te realiseren. Uiteindelijk zal de machine data kunnen uitwisselen met het digitale prototype. Dat digitale model is een exacte weergave van de fysieke machine en wordt daarom de Digital Twin (tweeling) genoemd. Hiermee kan bijvoorbeeld zo goed als real time de actuele status van de machine worden geanalyseerd, en aan de hand daarvan kunnen direct processen worden bijgesteld, of naderhand het ontwerp worden aangepast. Ook hier speelt de eis multi-fysische processen te kunnen monitoren een belangrijke rol.

De bron van het EUV-licht, dat wordt opgewekt door druppeltjes vloeibare tin met een laser in plasmatoestand te brengen.

Tot slot
Het door ASML geplande traject voor het verbeteren van het engineeringsproces is op zichzelf niet uniek. MBSE, Generative Design en Digital Twin zijn steeds vaker gehoorde termen, die allemaal kaderen in Industry 4.0, de Vierde Industriële Revolutie: die van de gedigitaliseerde, communicerende en intelligente processen.

Dat is allemaal nog niet overal gemeengoed, maar de revolutie is wel degelijk gaande. Wie aan de top wil blijven, kan zich er niet aan onttrekken. In het geval van ASML ook zeker niet, omdat de doorontwikkeling van de machines domweg schreeuwt om de best beschikbare tools en methodes.

Comments are closed.