Een scherp hyperspectraal oog voor de chipproductie

Dr. Philipp Wollmann, Dr. Wulf Grählert, Oliver Throl en Livia Szathmáry (v.l.) richten samen het door BMWK geförderde bedrijf "DIVE imaging systems GmbH" op, dat een veelbelovende technologie, ontwikkeld aan het Fraunhofer IWS, commercialiseert. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS / Dr. Philipp Wollmann, Dr. Wulf Grählert, Oliver Throl en Livia Szathmáry (van links) richtten het door BMWK geförderde bedrijf "DIVE imaging systems GmbH" op om een veelbelovende technologie, ontwikkeld aan het Fraunhofer IWS, te commercialiseren. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

In het middelpunt staat een meetsysteem dat hyperspectrale sensortechnologie, kunstmatige intelligentie en speciale verlichtingsmethoden integreert tot een krachtig, zeer flexibel inspectiesysteem. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS / De focus ligt op een meetsysteem dat hyperspectrale sensor technologie, kunstmatige intelligentie en speciale verlichtingsmethoden combineert tot een krachtig, hoogflexibel inspectiesysteem. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

De oprichters denken niet alleen aan klanten uit de halfgeleiderindustrie. Op termijn wil het kwartet zijn innovatieve DIVE-technologie voor de inspectie en analyse van oppervlakken en lagen breed in verschillende sectoren introduceren. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS / De oprichters zien niet alleen klanten uit de halfgeleiderindustrie. In de toekomst is het de bedoeling dat het kwartet zijn innovatieve DIVE-technologie voor de inspectie en analyse van oppervlakken en lagen in een breed scala aan industrieën zal vestigen. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Een nauwkeurige vlakke analyse van hightech-lagen in de micro-elektronica, in batterijfabrieken of ook in de automobielsector komt binnen handbereik. Mogelijk gemaakt door een meetinstrument ontwikkeld aan het Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, dat hyperspectrale sensoriek, kunstmatige intelligentie en speciale verlichtingsmethoden integreert tot een krachtig, hoogflexibel inspectiesysteem. Een onderzoeksteam van het Dresdner instituut richt nu, mede gefinancierd door BMWK, samen met de »DIVE imaging systems GmbH« een bedrijf op dat deze veelbelovende technologie commercialiseert.

De focus van DIVE (kort voor »Digital Vision Experts«) ligt aanvankelijk vooral op de halfgeleiderindustrie. Hier willen de oprichters Dr. Philipp Wollmann, Dr. Wulf Grählert, Oliver Throl en Livia Szathmáry helpen om stabiele processen te waarborgen, de opbrengsten te verhogen en hulpbronnen te besparen. De keuze van de locatie was zeker niet toevallig: »Dresden is ideaal voor onze oprichting«, benadrukt Philipp Wollmann. »Hier zijn belangrijke actoren in de micro-elektronica geconcentreerd in een stedelijk gebied. Om onze technologie zo klantgericht mogelijk verder te ontwikkelen, hebben we in deze stad de kortste routes en kunnen we met de geleidelijke uitbreiding van het reeds bestaande netwerk ook andere partners identificeren.«

De oprichters denken daarbij niet alleen aan klanten uit de halfgeleiderindustrie. Op lange termijn wil het kwartet zijn innovatieve DIVE-technologie voor de inspectie en analyse van oppervlakken en lagen breed inzetten in verschillende sectoren. Van de vele scenario's zijn snelle vlakke metingen van laagdikte, het herkennen en lokaliseren van kleinste fabricagefouten of verontreinigingen slechts een klein deel van de mogelijkheden.

Het licht in 1000 kleuren verdeeld

Het DIVE-systeem verlicht met zichtbaar licht en onzichtbare infraroodstraling in frequenties tussen 0,4 en 2,5 micrometer (duizendsten van millimeter) die siliciumplaten (wafers), waaruit wereldwijd in de halfgeleiderfabrieken de microchips voor laptops, telefoons, auto's etc. worden vervaardigd. Een speciale zogenaamde hyperspectrale camera registreert daarbij het teruggekaatste licht. Terwijl het menselijke oog bijvoorbeeld slechts drie primaire kleuren – rood, groen, blauw – registreert, onderscheidt de hyperspectrale camera tot wel 1000 »kleuren« of golflengten van het licht. Vervolgens worden de hoogdimensionale ruwe data, die snel kunnen oplopen tot meerdere gigabytes, doorgestuurd naar een kunstmatige intelligentie (AI). Deze AI kan op basis van de »1000-kleuren-afbeelding« zowel mogelijke defecten of verontreinigingen herkennen als de kwaliteit van individuele chips of de gehele wafer beoordelen. Het DIVE-systeem kan bijvoorbeeld vaststellen of de coatingstap op de wafer gelukt is, hoe homogeen, dun, vlak of defectarm de laag is. Hierdoor kan worden gegarandeerd dat alleen foutloze wafers worden gebruikt in de daaropvolgende productieprocessen.

Startproject met Duitse chipgigant Infineon

De wafers worden in de halfgeleiderfabrieken al op vele eigenschappen gecontroleerd tijdens de vele productieprocessen tot het uiteindelijke microchip. De analyse van de gehele waferoppervlakte verloopt echter relatief traag en wordt daarom in veel gevallen steekproefsgewijs uitgevoerd.

Hierop richt DIVE zich: samen met de halfgeleiderfabrikant Infineon ontwikkelt het team aanvankelijk een hyperspectralsysteem voor laboratoria buiten de cleanroom en in de volgende fase een systeem dat in zo'n cleanroom kan worden ingezet. Op lange termijn plant DIVE een inline-oplossing die direct in de cleanroominstallaties kan worden geïntegreerd. Daarmee wordt zelfs een realtime-analyse mogelijk bij veel processtappen.

Het vierspelerteam verwacht gezien het grote potentieel van deze technologie een snelle groei. Want de oprichters van het Fraunhofer IWS beschikken over meerdere unieke kenmerken: tot deze behoren het volledige systeemconcept inclusief monsterverlichting, evenals de veeleisende software voor systeembesturing en voor de AI-gestuurde gegevensanalyse. DIVE zal de ontworpen apparaten, systemen en later volledige installatiedelen zelf produceren in een eigen productielijn. Daarnaast zal het team diensten, technische ondersteuning en klantgerichte ontwikkelingen aanbieden. Belangrijke ondersteuning krijgt de oprichting van het Bundesministerium für Wirtschaft und Klima (BMWK), dat in het kader van een EXIST-onderzoeksoverschrijving een 18 maanden durende subsidie van 1,2 miljoen euro verstrekt.

Nieuwe blik op oude boeken mogelijk

Na de oprichting zal het Fraunhofer IWS de hyperspectrale technologie ook in verschillende richtingen verder ontwikkelen. Op de onderzoeksagenda staan bijvoorbeeld concepten die gebruik maken van een laser voor het belichten van monsters of hyperspectrale systemen die drastisch worden geminiaturiseerd. Daarnaast willen de onderzoekers met behulp van algoritmen veel meer informatie uit ruwe data halen. Vanuit deze benaderingen kunnen in de toekomst vele andere economische en maatschappelijke toepassingsscenario's ontstaan, zoals de verdere ontwikkeling van hyperspectrale technieken voor bibliotheken, om waardevolle, zeer gevoelige culturele goederen in een openbaar toegankelijke digitale vorm over te zetten. Op deze manier zouden in de toekomst digitale tweelingen kunnen ontstaan die naast de klassieke beeld- en tekstinformatie een groot aantal andere gegevens kunnen bewaren, zoals papierdiktes en -soorten, de leeftijd van het document of de gebruikte kleurpigmenten.

Juist deze kennisoverdracht naar de praktijk staat bij het Dresdner instituut steeds weer centraal. Topwetenschappelijke resultaten snel en klantgericht in de economische praktijk brengen, behoort tot de Fraunhofer-DNA. »We brengen hier concreet een technologieportfolio over dat al meer dan tien jaar ontwikkeld wordt aan het Fraunhofer IWS en dat een enorm potentieel heeft«, vat Philipp Wollmann samen. »We zullen de halfgeleiderindustrie in Duitsland en Europa helpen om wafers bijzonder efficiënt te verwerken, met hoge kwaliteit en opbrengst. Daarmee ondersteunen we ook de doelstellingen van de EU om het aandeel Europese micro-elektronica op de wereldmarkt aanzienlijk te vergroten. Aan de andere kant zorgen we hiermee ook voor werkgelegenheid en waardecreatie in de regio.«