Eerste Liteq-leveringen in steeds concurrerendere back-end-lithomarkt

Kulicke & Soffa heeft zijn eerste Liteq-systemen voor back-end lithografie verscheept. Een aan een Aziatische klant en een aan I3 Microsystems, een Amerikaanse leverancier van high-performance microsystemen. Daarmee mengt K&S zich nadrukkelijk in wat weleens een bloedige concurrentiestrijd kan worden.

René Raaijmakers

De eerste verkopen van Kulicke & Soffa’s Liteq 500A-systemen zijn een broodnodige opsteker voor de leverancier van back-end apparatuur. Na de aankoop van de Nederlandse startup Liteq in de zomer van 2017 heeft K&S vier jaar moeten wachten op de eerste orders. Best lang, gezien de aanvankelijk hooggespannen verwachtingen. Het bedrijf, dat zijn oorsprong heeft in de VS en nu is gevestigd in Singapore, zegt tegen Mechatronica&Machinebouw dat zijn commitment blijvend is. ‘Onze investering in een 180 vierkante meter cleanroom in Eindhoven laat dat zien’, aldus een woordvoerder.

K&S is marktleider op het gebied van wirebonders, stikmachines die de contactpads op chips draad voor draad verbinden met de buitenwereld. Maar in dit speelveld loopt de innovatie op zijn einde. Complexe ic’s hebben zoveel verbindingen met de buitenwereld dat bedraden niet langer rendabel is. Het omslagpunt ligt ongeveer bij het 28 nm-knooppunt. De eenvoudigste chips van deze generatie kunnen nog worden bedraad; nieuwere generaties vereisen technieken zoals fan-outs en interposers.

De komende jaren gaan de echte investeringen naar de meer geavanceerde apparatuur voor de lithogebaseerde mid- en back-end processen van marktleiders als Intel, Samsung en TSMC. Na het More Moore-pad van krimp op chips te hebben gevolgd, bouwen de belangrijkste spelers nu de infrastructuur op die nodig is voor hun More than Moore-strategie, waarbij systemen van chips uit verschillende procesnodes worden geassembleerd in geavanceerde pakketten.

Slimme strategie

Al sinds de introductie van de allereerste Pentium investeert Intel fors in geavanceerde verpakkingen. Ook Samsung en TSMC zien systemen met vele chips in één behuizing nu als de natuurlijke uitbreiding van hun kernactiviteiten. Alle drie hebben ze de diepe zakken voor de benodigde miljardeninvesteringen. Net als in de front-end productie gaat het ook hier om uiterst nauwkeurige processen in steeds schonere omgevingen.

Het is dan ook niet verwonderlijk dat K&S in Liteq een uitgelezen kans zag om de markt voor geavanceerde back-end interconnectietechnologieën te betreden. Een van de technieken die daar wordt gebruikt, is fan-out wafer-level packaging, waarbij contacten via een lithografisch ontworpen netwerk uitwaaieren over een substraat dat boven of onder de chip is aangebracht. Door het silicium in een mal te plaatsen en er gestructureerde metaallagen op aan te brengen, ontstaat een groter oppervlak voor de soldeerbolletjes om de verbinding tussen de siliciumchip en de printplaat tot stand te brengen.

Bedrijven die zich met dergelijke processen bezighouden, ontwikkelen allemaal hun eigen recepten en verpakkingen. Standaardisering is vrijwel afwezig in de back-end. Dat is ook de reden waarom de arena van de litho-apparatuur nog open ligt.

Als startup paste Liteq een slimme strategie toe door zich bij de ontwikkeling van zijn stepper te concentreren op het lichtpad, waarbij het zo veel mogelijk standaard onderdelen kocht. Door te kiezen voor een 355 nm Nd:YAG-laserbron in plaats van de g-, h- en i-lijn van kwiklampen die gebruikelijk zijn in de back-endmarkt, kon het Eindhovense bedrijf een veel goedkopere belichter en lens voor de antenne ontwerpen. Dit resulteerde in een aanzienlijk betere cost of ownership voor klanten. K&S zegt dat zijn Liteq-machines nog steeds twee keer meer waarde bieden dan de i-line-steppers van marktleider Veeco (voorheen Ultratech).

Integratie op paneelniveau

Blijkbaar was het voor K&S uiterst moeilijk om te concurreren met de installed base van Veeco bij osat-bedrijven (outsourced semiconductor assembly and test) zoals het Amerikaanse Amkor en het Taiwanese ASE. Maar er is ook een nieuwe uitdaging. De toenemende investeringen in back- en mid-end hebben verschillende nieuwe spelers aangetrokken.

De drempel om back-end lithografie te ontwikkelen, is veel lager dan in de front-end. Bedrijven werken meestal met afbeeldingstechnieken uit de jaren tachtig en negentig. Vandaar dat verschillende spelers, waaronder ook enkele Chinese bedrijven, zich nu op deze markt storten.

Opmerkelijk is het succes van Onto Innovation, het bedrijf dat twee jaar geleden werd opgericht als een joint venture tussen Nanometrics en Rudolph Technologies. Rudolph trad eind 2012 al toe tot de back-end-lithomarkt. Met zijn Jetstep-systeem boekt het nu grote successen. Afgelopen januari maakte Onto bekend dat het een kleine 100 miljoen dollar aan orders had ontvangen voor zijn Jetstep X500-lithosystemen. Het levert ze dit en volgend jaar. Klanten zullen de steppers inzetten voor back-end processen op grote vierkante platen.

Met de integratie op paneelniveau worden platen van wel 500 bij 500 millimeter belicht in een lithografisch proces. Met een belichtingsveld van 250 bij 250 millimeter in de Jetstep zijn vier belichtingen voldoende voor een paneel. Daarna wordt de tegel door verschillende chemische processen geleid. Het grotere belichtingsveld en de grotere vormfactor moeten kostenvoordelen tot 30 procent opleveren.

In tegenstelling tot de processen op waferniveau is de integratie op paneelniveau overigens nog niet zo geaccepteerd binnen de back-end assemblage. Het gaat uiteindelijk om de opbrengst. Met de introductie van processen op grotere oppervlakken is er potentieel wel kostenverlaging te behalen, maar de kans op uitval is ook groter. De eerste paneel-fabriekslijnen zullen moeten uitwijzen in hoeverre deze strategie succesvol is.

Vragenuurtje

De orders voor Onto zijn een teken dat integratie op paneelniveau aan populariteit wint. In het vragenuurtje met analisten over de jaarresultaten van 2021 zei ceo Michael Plisinski dat de 100 miljoen aan orders voor litho verspreid zijn over vier tot vijf klanten.

Het Amerikaanse bedrijf heeft nog een troef in handen. Het levert naast zijn lithomachines ook de metrologie en software om de opbrengst te helpen verhogen, iets wat op paneelniveau het verschil kan maken. Onto leverde onlangs zijn derde zogeheten Stepfast-oplossing aan een fabrikant van panel level fan-out-technologie die verpakkingen maakt voor 5G-chipsystemen.

Dat samenspel van litho en metrologie met een regelsysteem is te vergelijken met de holistische oplossing die ASML levert om de opbrengst in front-end fabs te verhogen. De lithogigant focust daarbij op het verbeteren van de edge placement error, het verschil tussen de beoogde en de daadwerkelijke afdruk op de microchip. De analogie hiervoor in de back-end is de die-placement error.

Interessant is ook de bewegingen die Canon maakt. Vorig jaar lanceerde het Japanse bedrijf de FPA-8000IW, een lithografiesysteem dat is ontworpen om de productie met grote panelen te ondersteunen. Deze i-line-stepper biedt een breed belichtingsveld, zoals de Jetstep van Onto, maar met een patroonresolutie van slechts 1 micron, veel beter dan de 3 micron van Onto. De FPA-8000IW werkt met 515 bij 510 mm kunststof substraten.

K&S Liteq heeft nog geen activiteiten aangekondigd op het gebied van integratie op paneelniveau en wil daarover op dit moment geen mededelingen doen. Het lijkt zich nu te concentreren op flexibiliteit, nauwkeurigheid en de verwerking van verschillende wafers.

Voor I3 Microsystems heeft Liteq zijn stepper aangepast om naast 200 en 300 mm wafers ook 100 en 150 mm wafers te belichten. De Liteq-systemen zijn ook in staat om sterk gebogen (warped) wafers vlak te maken en te belichten. De machine die aan de r&d-divisie van I3 is geleverd, kan een focusdiepte van 16 micrometer bereiken.

Versnipperde markt

De grote vraag is: hoeveel ruimte is er in de back-end-lithomarkt? Hoeveel spelers zullen in staat zijn voldoende vooruitgang te boeken om te blijven investeren? Zullen we op korte termijn uitvallers en consolidatie zien?

Wat dat betreft, lijkt de back-end-lithomarkt op de front-end-lithomachinemarkt van begin jaren tachtig, toen ASML startte en in dat segment een tiental spelers actief was. Met de lage instapdrempel, high-end installed bases in opbouw en volop beschikbare technologie om structuren rond de micron af te beelden, kan het nog lang duren voordat de bestaande spelers een sterke positie hebben ingenomen.

Maar het is ook duidelijk dat de investeringen in deze markt toenemen en we een More than Moore-tijdperk ingaan dat nog vele decennia aan toekomst heeft. Als de lessen van ASML hier van toepassing zijn, dan zullen investeringen en marktcommitment zich uiteindelijk uitbetalen.

Op dit moment is de markt echter nog sterk versnipperd met een gebrek aan standaardisatie. De partij die de leiding kan nemen om dit op te lossen, zou weleens als winnaar uit de bus kunnen komen. Maar als de huidige wetten op het gebied van back-end apparatuur ook voor back-end litho gelden, dan gaan we nog een lange en bloedige strijd tegemoet.

Binnenkort publiceert Mechatronica&Machinebouw een interview over K&S’ Liteq-strategie met VP of corporate strategy , Tong Liang Cheam.