Begin 2021 bundelden twaalf bedrijven uit Oost-, Midden- en Zuid-Nederland hun competenties op het vlak van fotonica in het consortium MEKOPP. Samen ontwikkelen ze twee nieuwe metrologiesystemen: de Photonic Test Prober (PTP), om fotonische chips te testen op functionaliteit, en de Photonic Visual Inspection Tool (PVIT), om stappen in het productieproces van die chips optisch te kunnen inspecteren. Beide systemen komen dit jaar op de markt.
• 'De Photonische Test Prober ligt dicht bij onze kerncompetentie: het hoogwaardig aansluiten en manipuleren van onderdelen.'
• 'De relatief hoge kosten vormen een horde voor het maken van fotonische chips.'
• 'Het is essentieel fouten of beschadigingen zo goed mogelijk te detecteren in het proces.'
• 'Elektronische chips lopen tegen de grenzen van schaalbaarheid aan. Daar liggen kansen voor fotonica.'
• 'Het is onze ambitie om kleine producenten in staat te stellen met een beperkte investering toch tot een geautomatiseerde oplossing te komen.'
Drie jaar geleden kwam IMS in contact met het Nederlandse ecosysteem rond fotonica. Daar bleek grote behoefte aan equipment voor het controleren en inspecteren van de productie van PIC's (Photonic Integrated Circuits). 'Om die productie mogelijk te maken, maar ook om op de juiste manier te kunnen opschalen. Zo is het idee voor de twee meetsystemen ontstaan', vertelt Marc Beusenberg, r&d-directeur bij IMS in Almelo. Dit bedrijf ontwikkelt en produceert hoogwaardige geautomatiseerde productiesystemen voor hoognauwkeurige processen in de medische sector, de automotive, de elektronica en de semicon. 'De Photonische Test Prober ligt dicht bij onze kerncompetentie: het hoogwaardig aansluiten en manipuleren van onderdelen. Om stappen in het productieproces van chips vanuit wafers optisch te kunnen inspecteren, hebben we binnen MEKOPP daarnaast de Photonic Visual Inspection Tool ontwikkeld.'
'Als je de productie wilt opschalen, moet elke stap perfect worden uitgevoerd'
Hoewel geïntegreerde fotonica niet nieuw is, wordt deze technologie nog nauwelijks toegepast voor hoge volumes. 'De relatief hoge kosten vormen een horde voor het maken van fotonische chips. Daarom richten veel initiatieven zich op standaardisatie, om onder meer te komen tot multiproject waferruns, waarbij meerdere klanten op één run kunnen meeliften en de kosten delen', stelt Ronald Dekker, cto bij LioniX, de Enschedese wereldmarktleider in op maat gemaakte microsysteem- en fotonicaoplossingen. 'De laatste jaren neemt de interesse toe, nu geïntegreerde fotonica een volwassen technologie is, bewijst dat het werkt en dat je er mooie dingen mee kunt doen.'
Sterk schaalbaar
De grote belofte van PIC's is dat ze veel sneller zijn dan de huidige chips, omdat ze gebruikmaken van licht in plaats van elektriciteit. 'Daarnaast is de technologie sterk schaalbaar. Waar je bij conventionele optica met allerlei losse componenten iets moet samenbouwen, kun je met geïntegreerde optica op een wafer tientallen, honderden of soms duizenden chips hebben en maak je honderd systemen tegelijkertijd, zonder veel extra effort', zegt Dekker. 'Een belangrijk voordeel als je een markt wilt bedienen of een applicatie hebt waar hoge volumes nodig zijn. En dan is het essentieel fouten of beschadigingen zo goed mogelijk te detecteren in het proces, en ook bepaalde functionaliteiten tijdens het productieproces te testen.'
Fotonica gaat ook nieuwe maatschappelijk relevante applicaties opleveren. 'Energiebesparing bij online dataverbruik en telecom is de grootste driver voor fotonische toepassingen. Andere toepassingsgebieden zijn quantum computing, sensing, cryptografie en rekenwerk in het medisch domein. En ook op het gebied van licht ontstaan nieuwe lasertoepassingen voor detectie', schetst Rik Wetzels, systeemengineer bij Nobleo Technology in Eindhoven, dat is gespecialiseerd in robotica en de algoritmiek en machine learning daaromheen. 'Onze scanner kan in heel korte tijd snel veel stukjes wafer inspecteren. Dankzij de enorme rekenkracht in grafische kaarten is het mogelijk heel grote hoeveelheden data efficiënt te verwerken.'
Complex proces
Producten maken uit PIC's is erg complex, onder meer omdat glasvezels op een haardikte nauwkeurig aan de chip moeten worden gezet, er elektrische verbindingen moeten komen om signalen aan te sturen en warmte moet worden afgevoerd. 'Het productieproces van PIC's op wafers bestaat uit tientallen, soms honderden stappen. Als je de productie wilt opschalen, moet elke stap perfect worden uitgevoerd', aldus Wetzels. 'Zo'n hoge mate van controle en nauwkeurig checken kan eigenlijk alleen door automatisering, als een fabrikant als LioniX alle kleine foutjes in de gaten kan houden, het maakproces kan conditioneren en de productie kan schalen zonder dat je aan het eind alles moet scrappen.'
'Voor fotonica hebben we goede kaarten'
Beide nieuwe meetsystemen moeten helpen die hogere output te realiseren. Daartoe integreert IMS alle systeemelementen van de MEKOPP-partners en bouwt de systemen op. 'Zelf maken we onder meer het mechatronische systeem, dat ervoor zorgt dat wafers met de juiste snelheid en nauwkeurigheid onder de stilstaande camera door bewegen. Verder maken we de totale besturing en zetten de systemen namens het consortium in de markt', verklaart Beusenberg. Medio dit jaar komt de eerste commerciële versie van de PVIT beschikbaar, genaamd Helios; de marktversie van de PTP – de Sirius – wordt eind dit jaar gelanceerd.
Versnipperde markt
Omdat de markt voor fotonica nog versnipperd is – met toepassingen in bijvoorbeeld telecom, computing, satellietcommunicatie, biosensing, augmented reality en LIDAR-systemen in de automotive – is er niet altijd sprake van grote volumes. 'Bestaande testtechnologieën richten zich op één specifieke applicatie, bijvoorbeeld datacentra. Dan is te rechtvaardigen om een systeem van zeg een half miljoen euro neer te zetten om iedere maand honderdduizend units te testen. Over jaren uitgesmeerd, praat je dan over dubbeltjes per unit voor het testen', illustreert Dekker. 'Bij applicaties waarmee wij te maken hebben, zijn chips steeds heel anders. Om honderd chips te testen moet je je systeem opnieuw configureren of heb je andere randapparatuur nodig. Je moet dus superflexibel zijn, maar het mag niet 10 miljoen euro kosten.'
De uitdaging is dan ook om langzaam standaardisatie door te voeren en klanten te overtuigen van het belang van testen. 'Elektronische chips lopen tegen de grenzen van schaalbaarheid aan. Daar liggen kansen voor fotonica. In veel markten kijken bedrijven dan ook wat deze technologie voor hen kan betekenen', zegt Beusenberg. 'Energie wordt steeds kritieker, ook vanwege de AI-hype die nog veel meer dataverwerking vereist.'
Ook voor kleine series
Belangrijke feature van de ontwikkelde machines is dat op basis van machine learning voorbeelden van design in kleine series efficiënt in te leren zijn. 'Het is onze ambitie om kleine producenten in staat te stellen met een beperkte investering toch tot een geautomatiseerde oplossing te komen en die te integreren in hun bestaande workflow', vertelt Wetzels. 'Dit door het hele proces van handmatige inspectie eerst te standaardiseren, dan geleidelijk te automatiseren en op termijn de operator uit te faseren zodanig dat je de kwaliteit van de inspectie nog steeds in de hand hebt.'
Alle reden dus voor de bv Nederland om vol in te zetten op fotonica. Wetzels: 'Laten we in dit soort nieuwe industrieën waarvan we veel verwachten en waarin we expertise hebben, in elk geval een poging wagen de toekomstige werkgelegenheid daarvoor te borgen. Voor fotonica hebben we goede kaarten. Ons consortium is een heel mooi voorbeeld van hoe je sterktes in Nederland kunt clusteren om zo de goede dingen te doen.'
MEKOPP-consortium
Nederland heeft een leidende positie in de ontwikkeling van machines voor de halfgeleiderindustrie, de productie van PIC's en de ontwikkeling van producten op basis van die PIC's. In het consortium MEKOPP (Metrology Equipment for critical scale up of PIC Production) komen deze competenties samen met als doel wereldwijd marktleiderschap op het gebied van metrologieapparatuur te verwerven. Buiten IMS, Nobleo Technology en LioniX International zijn ook Settels Savenije, Technolution, TNO, PITC, Workfloor, Salland Engineering, Universiteit Twente, Technische Universiteit Eindhoven en Berenschot direct betrokken bij de ontwikkeling van de Photonic Test Prober en de Photonic Visual Inspection Tool.