FOM en industrie ontwikkelen multilaagsspiegels voor de chipindustrie; STW financierde de aanzet ‘Als je het goed doet, krijg je heel veel prachtige onderzoeksthema’s’ Door het ogenschijnlijk rustige FOM-gebouw te Nieuwegein lopen we naar de kamer van Fred Bijkerk. Zijn bureau staat voor het raam, een helder breedbeeldscherm beneemt bijna het uitzicht op een prachtig verkleurende boom. Links en rechts boekenplanken met ordners, brochures, mappen en daartussen opeens een vrolijke vlieger. Stapels printjes aan de rand van het bureau; hier wordt gewerkt. Eerder dit jaar kreeg Bijkerk de Valorisatieprijs van FOM en nu gaan we praten over de multilaagsspiegels voor lithografie-apparaten – de machines waarmee chipfabrikanten de vereiste microscopisch kleine structuren op computerchips aanbrengen - die FOM samen met de bedrijven Carl Zeiss en ASML en Russische collega’s van het ISAN instituut in een zogeheten Industrial Partnership Programme (IPP) verder ontwikkelen. Maar een industrieel partnership, ligt dat niet ver af van fundamenteel onderzoek der materie? Bijkerk rimpelt het voorhoofd. ‘Nee, integendeel, als de industrie merkt dat je spannende dingen doet met multilagen, gaat hier de telefoon bij een OIO (Onderzoeker In Opleiding-red) rinkelen. We krijgen dan een vraag uit de industrie. Enerzijds is het mooi dat je die vragen krijgt, maar anderzijds is er het gevaar dat je je vak verlaat. Het gaat erom zelf de regie te houden. Als je het goed doet, krijg je heel veel prachtige onderzoeksthema’s cadeau.’
Een van de twee door ASML en Zeiss gebouwde Alpha Demo Tools, prototype waferscanners welke werken met licht met een golflengte van 13,5 nanometer, in het Extreem Ultraviolet. Rijnhuizen leverde de helft van de EUV multilaagscoatingen voor deze apparatuur.
Betere chips met multilaags spiegels EUV – nieuwe generatie van computerchipfabricage Om de steeds kleinere structuren op computerchips te maken, zodat ze compacter, sneller en goedkoper kunnen worden, zijn fijne gereedschappen nodig. Chiponderdelen worden afgebeeld op een silicium substraat met licht van steeds kleinere golflengte, omdat met kleinere golflengtes een betere resolutie mogelijk is en dus kleinere structuren geschreven kunnen worden. Het afbeelden wordt gedaan met lithografie-apparatuur, die Extreem UVlicht (EUV) gebruikt met een golflengte van 13,5 nanometer. Gewone spiegels of lenzen zijn niet geschikt voor EUV-licht. Het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen heeft multilaagspiegels ontwikkeld, stapelingen van honderd laagjes van afwisselend molybdeen en silicium. Het Industrial Partnership Programme CP3E bouwt verder op eerdere samenwerking tussen Carl Zeiss en het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen en zal vijf jaar duren. ASML is nu ook partner. Het doel van het onderzoek is het karakteriseren en controleren van de stabiliteit van speciale multilaagspiegels voor EUV. Die spiegels vormen het hart van de
nieuwe lithografiemachines die ASML produceert.
Fred Bijkerk te midden van de dunne-film analyse-apparatuur.
Het idee komt van u? Korte knik, langzaam formulerend: ‘In 1989 diende ik het eerste onderzoeksvoorstel in bij STW voor het maken van zulke spiegels en een EUV lichtbron. Er waren toen al eerste papers over het principe uit Rusland en Japan. Wie ook zeker credits moet krijgen is Marnix van der Wiel. Hij deed fundamenteel werk in het zachte röntgengebied. Doordat die golflengte zo kort is, kun je daar hele kleine details mee afbeelden. Er was vrij snel daarna al vraag uit de industrie, maar we hebben ze wel moeten bellen ....’ En de onderzoeksaanvragen kwamen door de STW-jury? ‘De eerste was meteen raak. En de volgende eigenlijk ook.’ Bijkerk draait zich naar de computer en zoekt. ‘Ik moet nog een plaatje hebben van de eerste proefopstelling. Ah, daar is het.’
De eerste research-opstelling waarmee met Extreem Ultraviolet licht van een laser plasma en speciale multilaagsspiegels het principe van EUV lithografie kon worden aangetoond te Rijnhuizen.
Wijst: ‘De blauwe stippellijn is de laserbundel. Het afstellen van de EUV spiegels was een crime. Mijn collega’s hebben nachtenlang doorgewerkt om de plaatjes op tijd voor een congres aan te leveren. Ik was daar al naartoe gereisd, en kreeg de plaatjes per fax op de ochtend van de presentatie.’ Wanneer kwam de industrie erbij? ‘Sinds ’98 doet Carl Zeiss echt mee. Vanaf die tijd hebben ze veel onderzoek gesteund. We hebben zes contracten met ze gehad, ongeveer 1,5 miljoen euro per jaar. Voor Carl Zeiss was het nodig. Het was een logische stap om de hoogste resoluties in hun lithografiesystemen te halen. De vraag is nu: in welk jaar wordt het massaproductie?’ Welk jaar denkt u? Bedachtzaam: ‘2014, en de eerste zes machines zijn al verkocht aan de halfgeleiderindustrie’. Is er veel concurrentie op dit gebied? Knikt kort. ‘Japan, de VS en in Europa zelf. Dat is ook goed, wij kunnen niet alles doen. Concurrentie is ook prikkelend.’ Zijn er concurrerende methodes voor het maken van chips op nanoschaal? Rustig: ‘Als je massaproductie wilt, moet je toch optisch werken. In Twente doen ze bijvoorbeeld nano-imprint. Dat is een fantastische techniek, maar meer voor middelgrote series.’ Tijd om Eric Louis te bevragen. Hij is sinds jaar en dag Bijkerks collega en heeft alle successen mede mogelijk gemaakt; we wandelen de nog altijd stille gangen door naar diens kamer. Eerst stoppen we bij een paar machines. Eén ervan zit vol uitsteeksels: metertjes, slangen, draden. Bijkerk: ‘Dit is de analyse cluster, hiermee doen we de analyse van de spiegel-samples.’ De andere machine lijkt op een enorme kopieermachine, strak en glad glimmend. Bijkerk: ‘Dit is één van de drie opdampmachines. Je kunt aan de buitenkant natuurlijk niets zien, want alles gebeurt binnen in vacuüm.’ Net als in het gebouw eigenlijk; ogenschijnlijk rustig maar achter de kamerdeuren is de echte activiteit. Dat zien we ook als we bij Louis aankloppen. In zijn volle kamer staat voor het raam een bureau met computer, langs de wand ook boekenplanken, en twee tafels. Aan één van die tafels is net een hoekje vrij waar de interviewer kan zitten, de rest is overdekt met paperassen. Louis, een ontspannen prater met een voorliefde voor details, steekt meteen van wal: ‘In 1990 zijn we begonnen; we zeiden “We gaan demonstreren dat het kan.” Nu we 20 jaar verder zijn en er zoveel miljoenen en menskracht in gestoken is, kan je wel zeggen dat dat ambitieus was.‘
Eric Louis voor de UHV-opdampopstelling waarmee de ASML-Zeiss spiegelsubstraten van een multilaagcoating werden voorzien.
Was dat een vervolg op de STW-projecten? Knikkend. ‘Het proof-of-principle laten zien is de grote kracht van het STW-voorstel geweest. In 1992 ben ik daarna zelf aan de multilagen gaan werken. Aanvankelijk veel onderzoek en optimalisatie en daarnaast deden we vanaf 2002 de ontwikkeling van echte grote spiegels. Het was voor de industrie nieuw om naar reflecterende oppervlakken te gaan in plaats van lenzen.’ Voor de multilagen? Enthousiast: ‘Precies. Dan heb je het in dit geval over zo’n 50 molybdeenlagen en 51 siliciumlagen. Een laag moet vlak aangroeien, dus we moesten uitzoeken met welke snelheid de laagjes aangroeien. Om het ruw groeien af te vlakken beschieten we de laag met ionen.’ Trekt een blauw boekje tussen de paperassen vandaan: ‘Dit hele proefschrift beschrijft het proces.’ Het is uniek dat jullie de laagjes ook corrigeren terwijl je ze maakt, toch? ‘Niet corrigeren maar controleren.’ Vertelt bijna vertrouwelijk: ‘In het begin was het nog Fingerspitsengefühl waardoor de spiegels zo goed waren. Toch is dat later niet goed genoeg. Dus je doet de besturing van het opdampproces met een computersysteem. Dat is een stukje technologieontwikkeling binnen het IPP.’ Het IPP met ASML en Carl Zeiss ‘Rond 1998 heeft Carl Zeiss wereldwijd onderzoek gedaan naar de kennis bij eventuele partners, waar FOM als beste uit kwam. Dat was ons eerste industriële onderzoekscontract dat uiteindelijk in het eerste IPP heeft geresulteerd. Nu er echt lithografiemachines moeten komen die productie moeten gaan leveren, die moeten werken onder veeleisende omstandigheden, moeten we een stap verder. Dat doen we nu in dit CP3E progamma.’ Onderzoeksvragen te beantwoorden In het IPP zijn een aantal onderzoeksvragen gedefinieerd. We gaan vooral naar de elementaire processen kijken die het verloop van de reflecterende eigenschappen bepalen van de spiegels. Tijdens het gebruik kunnen ze namelijk aan hoge intensiteit worden blootgesteld, en de energie van de fotonen in die bundels is ook heel hoog. Dat kan leiden tot diffusie van de atomen tussen de laagjes en chemische reacties. Naast zulke vragen op het gebied van de vaste stof-fysica zijn er ook vragen op het gebied van de optica, zoals bijvoorbeeld het ontwerpen van spiegels die ongewenste straling onderdrukken. In dit golflengtegebied is dat allemaal nieuw.
Kom je als wetenschapper niet in een spagaat, samenwerkend met industrie? ‘Ja en nee. Je wilt op een congres informatie uitwisselen met collega’s. Ik merk voor mezelf dat toepasbaar onderzoek enorm bevredigend is. Dat weegt op tegen het feit dat je soms beter wat terughoudend kunt zijn in het gegevens uitwisselen met collega’s. Trouwens, een à priori voorwaarde voor een IPP is dat de industrie ermee instemt dat het om fundamenteel onderzoek gaat. Binnen die randvoorwaarden kun je genoeg onderzoeken.’ Hoe zie je de verre toekomst? Lacht zachtjes. ‘Ik vind het leuk dat je dat vraagt. Je zou kunnen zeggen: “l'histoire se répète”. Als we in de komende vijf jaar dit gebied onderzocht hebben, komt er vraag naar een nieuw gebied. Om die toekomstige vraag te beantwoorden, loopt er al een nieuw STWproject binnen het Perspectiefprogramma Thin Film Nanomanufacturing. We zijn dus opnieuw met STW bezig voor de volgende generatie. Daarnaast is er vraag naar allerlei verfijningen aan de bestaande techniek, bijvoorbeeld verstelbare spiegels. Ook daar hebben we dankzij STW een begin mee kunnen maken. Weer echte fundamentele vragen, waar we hopelijk enige tijd voor krijgen. Al zijn die telefoontjes van de industrie naar onze OIO’s natuurlijk wel motiverend.’
