Chipmachinefabrikant ASML kijkt tien jaar vooruit

25 maart 2011

Opeenvolgende Nederlandse regeringen geven hoog op over het belang van innovatie voor de toekomst van de economie. Een voortrekker in dat opzicht is ASML in Veldhoven, dat lithografiemachines maakt voor de chipindustrie en daarmee internationaal toonaangevend is. ASML ontwikkelt en bouwt de reusachtige machines die chipfabrikanten als Intel, Samsung en TSMC gebruiken om siliciumwafers (wafers) te voorzien van minuscule, uiterst complexe elektronische schakelingen. Elke wafer bevat honderden tot duizenden chips die hun weg vinden naar computers, mobiele telefoons, tv’s en tal van andere elektronicaproducten.

Bij ASML wordt nu hard gewerkt aan de volgende generatie productiemachines, die chips met nog kleinere details mogelijk moet maken. Centraal in deze ontwikkeling staat de toepassing van extreem ultraviolet (EUV) lithografie, waarbij een andere lichtbron wordt gebruikt dan in de huidige machines.

Gordon Moore, medeoprichter van Intel, formuleerde in 1965 zijn beroemde ‘wet’ die stelt dat de transistordichtheid van een elektronische schakeling tegen zo laag mogelijke kosten ruwweg elk jaar verdubbelt. In 1975 stelde Moore dat bij tot een verdubbeling van het aantal transistors per twee jaar. Ruim 45 jaar later gaat de wet van Moore nog steeds op, al lijkt het einde telkens in zicht. Door de transistors, verbindingen en andere elementen steeds kleiner te maken, kan steeds meer functionaliteit en kracht op hetzelfde chipoppervlak worden samengebald. Tegelijk neemt het energieverbruik af.

De meest geavanceerde processors van Intel hebben nu lijntjes van 32 nanometer (nm) en 22 nm ligt vlak achter de horizon – al valt over Intels gebruik van het begrip ‘nanometer’ wel te twisten. Details van dit formaat zijn met de huidige generatie fabricageapparatuur, zoals de Twinscan NXT:1950i van ASML, nog zonder problemen te vervaardigen.

Over op EUV-lasers
Hoewel er andere kandidaten waren, heeft de chipindustrie na driftige discussies in meerderheid gekozen voor de EUV-technologie om verder te kunnen miniaturiseren. Die keuze raakt niet alleen ASML, maar alle partijen die bijdragen aan de infrastructuur. “De hele keten moet veranderen”, zegt communicatiemanager Jos Vreeker.

De chipfabricage is gebonden aan natuurkundige wetten. Smallere lijntjes maken is mogelijk door de golflengte van de lichtbron (een laser) te verkorten. De golflengte is in de afgelopen generaties al van 365 naar 193 nanometer gegaan. Bij EUV wordt een heel grote sprong gemaakt: naar 13,5 nm. Een nog niet geheel overwonnen probleem is overigens de zwakke lichtopbrengst van de huidige EUV-lasers.

Nadeel van de kortere golflengte is dat atomen en moleculen in de machine een deel van het licht zouden absorberen, dat daardoor nooit de wafer bereikt. Daarom moet het systeem in een heel schoon vacuüm werken. Er was veel research nodig om zulke vacuümkamers te ontwikkelen.

Een derde complicatie van EUV is dat de nu gangbare lenzen taboe zijn, want die zouden het licht grotendeels tegenhouden. In zijn nieuwe EUV-machine, de NXE:3100, gebruikt ASML alleen spiegels. Die spiegels, met een paar honderd lagen, moeten ongelooflijk vlak zijn. Uitvergroot tot de middellijn van de aarde is de grootste afwijking slechts 12,7 millimeter.

Belichten dwars door het chippatroon of masker (‘reticle’) heen kan in een EUV-machine evenmin: er zou niets doorheen komen. Het licht laten reflecteren via het reticle is de oplossing.

Samen met de kennisinstituten ontwikkelde ASML voor de EUV-generatie ook een nieuwe techniek om de siliciumwafers tijdens het belichten heen en weer te bewegen, op basis van magnetische levitatie (‘maglev’). Hetzelfde principe ligt ten grondslag aan zweeftreinen. De vinding bleek zo’n snelheidsverbetering op te leveren dat hij ook is doorgevoerd in de bestaande Twinscan NXT-productlijn. Die kan nu 175 in plaats van 150 wafers per uur produceren en binnenkort zelfs 200 wafers.

Voor tests en demonstraties heeft ASML al in 2006 twee ‘alfamodellen’ van de EUV-machine gebouwd en aan kennisinstituten geleverd. In november 2010 is de eerste pre-productiemachine van de NXE:3100 afgeleverd aan Samsung. Dit jaar zal ASML er nog vijf van afleveren, niet meer. Ze zijn nog niet geschikt voor massaproductie en kosten 60 miljoen euro per stuk – flink duurder dan de bestaande NXT-machines van circa 40 miljoen euro. Vervolgens moet in 2012 de eerste echte productiemachine, de NXE:3300, op de markt komen. Medio januari had ASML al negen bestellingen binnen.

Waarschijnlijk kan ASML met de EUV-technologie tot 2020 voort, al moeten de producten die vanaf 2015 op de markt komen nog wel worden ontwikkeld. Dat zou betekenen dat de wet van Moore dit decennium nog een keer of vier, vijf over de kop gaat.

Wat er na 2020 gebeurt, is volgens Vreeker nog een groot vraagteken. Mogelijk kan de levensduur van EUV worden gerekt tot ruim onder de 10 nanometer. Maar misschien is silicium dan niet meer geschikt als substraat. Het kan ook zijn dat DNA-chips of kwantumcomputers in beeld komen. Vreeker: “Daar wordt hard op gestudeerd door bedrijven en universiteiten. Maar dat wij daar een rol in gaan vervullen, staat als een paal boven water.”


- Horizontaal of verticaal -

Een groot verschil tussen ASML en zijn Japanse rivaal Nikon zit in het bedrijfsmodel. Bij de ontwikkeling en fabricage van zijn lithografiemachines doet Nikon in principe alles zelf (verticale integratie). In goede tijden heeft dat voordelen, want je houdt een groter deel van de inkomsten zelf. Maar in de magere jaren is Nikon kwetsbaarder.

ASML gaat juist prat op zijn ecosysteem en ziet zichzelf als de spin in een web van bedrijven en onderzoeksinstituten (horizontale integratie), die een groot deel van de ontwikkeling en fabricage voor hun rekening nemen. De opbouw van dat netwerk heeft 25 jaar geduurd. Woordvoerder Jos Vreeker: “Je wordt niet zomaar leverancier van ons. We zijn laatst negen maanden bezig geweest om een nieuwe leverancier te kwalificeren.”

Circa 90 procent van de kostprijs van een Twinscan-machine is afkomstig van externe leveranciers. Waarschijnlijk de belangrijkste partner is het Duitse bedrijf Zeiss SMT, dat de nodige lenzen en spiegels maakt. De lasers komen bij Cymer in San Diego (Californië) vandaan. Een groot deel van de onderdelen komt echter van Nederlandse bedrijven als VDL ETG, Neways en tientallen andere toeleveranciers. Daarnaast werkt ASML intensief samen met kennisinstituten als TNO en FOM. Een bijzondere rol speelt IMEC, een kennisinstituut bij de Universiteit van Leuven, dat onder andere chiptechnologie ontwikkelt in samenwerking met ASML’s klanten. Het IMEC beschikte bijvoorbeeld al in 2006 over de eerste EUV-ontwikkelingsmachine.

Er wordt volgens communicatiemanager Jos Vreeker goed op gelet dat externe leveranciers niet te afhankelijk worden van ASML en cyclische ontwikkelingen in verschillende branches tegen elkaar kunnen wegstrepen. Het streefcijfer is 25 procent van hun omzet, al mag dat tijdelijk wat afwijken. “Er is ons buitengewoon veel aan gelegen om ze gezond te houden. Want als ze omvallen, dan hangen we. Voor sommige onderdelen hebben we maar één of twee leveranciers. Nergens ter wereld heb je een tweede Zeiss.”

- ASML: Groot in het allerkleinste -

Het in 1984 opgerichte ASML is voortgekomen uit Philips, zoals zoveel high-techbedrijven in de regio Eindhoven. In 1992 was ASML praktisch failliet, maar dankzij geld van Philips en de overheid bleef het bedrijf overeind. Vanaf medio jaren negentig ging het dankzij nieuwe producten snel bergopwaarts. Vooral sinds het begin van deze eeuw is ASML sterk gegroeid en heeft het Aziatische concurrenten als Nikon en Canon (dat voor de modernste machines afhaakte) ingehaald.

De halfgeleiderindustrie, en daarmee ook ASML, heeft een sterk cyclisch karakter. De omzetgrafiek laat dan ook duizelingwekkende pieken en dalen zien. Tijdens de recente economische recessie bijvoorbeeld viel de verkoop terug van bijna 3 miljard euro (2008) naar 1,6 miljard euro (2009), om vervolgens in 2010 weer omhoog te schieten naar het recordbedrag van 4,5 miljard euro.

Bij de presentatie van de jaarcijfers op 19 januari toonde ASML zich ook voor 2011 optimistisch. Het bedrijf ziet een omzetpotentiel van meer dan 5 miljard euro, afgaande op de orderportefeuille (‘backlog’) van ruim 3,8 miljard euro en nog te verwachten orders in het eerste kwartaal. De mogelijke gevolgen van de aardbeving in Japan zijn daarin echter niet meegenomen.

Opmerkelijk is dat vrijwel de totale omzet van buitenlandse klanten komt, en dan nog hoofdzakelijk in Azië (85 procent) en de Verenigde Staten (11 procent). De resterende 4 procent komt uit Europa. NXP, de voormalige chipdivisie van Philips, zorgt amper voor klandizie.

Ook in de magere jaren blijft ASML veel investeren in onderzoek en ontwikkeling. Tussen 2007 en 2010 schommelden de R&D-uitgaven elk jaar rond de 500 miljoen euro. Dat moet ook wel, want zonder continue innovatie heeft ASML geen toekomst.

Communicatiemanager Jos Vreeker: “Klanten willen na de crisis weer de nieuwste technologie. We zorgen dat we een goedgevulde oorlogskas hebben en dat ons break-evenpunt laag is. In 2009 hebben we wel een aantal minder belangrijke projecten op de sudderbrander gezet.”

Ooit waren de rollen omgedraaid, maar nu is ASML met zijn lithografiemachines aanzienlijk groter dan de nummer twee Nikon terwijl Canon ver is teruggevallen. Cijfers van analisten over ASML’s marktaandeel lopen uiteen van 50 tot 70 procent. Medio vorig jaar noemde ook William Amalfitano, directeur van ASML’s Amerikaanse fabriek voor optische modules in Wilton (Connecticut), marktaandelen van 70 procent voor ASML, 29 procent voor Nikon en 4 procent voor Canon. En volgens ingewijden is die 70 procent nog pessimistisch geschat.

Toch praten ze op het hoofdkantoor in Veldhoven niet zo graag over marktaandelen. Al was het maar om toezichthouders zoals de Europese Commissie niet op het idee te brengen dat ASML door zijn dominante marktpositie een monopolist zou zijn die indirect de prijzen van computers kan opdrijven – een suggestie die in Veldhoven als flauwekul wordt afgedaan.

 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Laat de klantenservice je terugbellen!