Nauwkeurigere waferverwerking met die-by-die alignment

Remco van Doorn
Leestijd: 5 minuten

Door gebruik van slimme software en hightech hardware is de Liteq 500 stepper van Kulicke & Soffa een sterke schakel in advanced packaging. Alten, als ontwikkelpartner van Kulicke & Soffa, heeft hier de afgelopen jaren aan bijgedragen. Met de introductie van die-by-die alignment op de Liteq 500 kunnen zelfs relatief grote positieafwijkingen tot wel 100 μm van zogeheten dies tijdens productie gecorrigeerd worden tot het niveau van 500 nm dat ook bij normale wafer alignment gehaald kan worden.

Rekensystemen worden steeds sneller, kleiner en complexer. Systemen voor rijder-hulpsystemen, kunstmatige intelligentie, 5G-netwerken en Antenna-in-Package-oplossingen bestaan uit een complex netwerk van rekenkernen, geheugen, antenne en interfaces. In al deze systemen zijn diverse kleine onderdelen met elkaar verbonden. Door het kleiner worden van de beschikbare interface-ruimte lopen meer conventionele methodes zoals wire-bonding tegen de limieten aan. De volgende stap naar kleinere verbindingen kan gezet worden met lithografie-gebaseerde advanced packaging-technieken. In één van deze technieken worden dies, componenten zoals silicium-chips, met een bepaalde tussenruimte op een carrier geplaats. Deze carrier wafer, ook wel een reconstructed wafer genoemd, kan vervolgens op eenzelfde wijze als een ‘normale’ wafer door diverse productiestappen worden gehaald. Zo kunnen door middel van lithografie zogenaamde redistributielagen worden gemaakt, waarbij lagen van geleidende sporen uitwaaieren en zo een footprint creëren die groter is dan de component zelf. Wanneer dit op waferniveau gebeurt, wordt over Fan Out Wafer Level Packaging (FOWLP) gesproken.

Figuur 1: Illustratie van Fan Out Wafer Level Packaging (FOWLP): de footprint van een die, bijvoorbeeld een silicium-chip, in een reconstructed wafer van een expoxy compound, wordt vergroot door middel van redistributielagen die ervoor zorgen dat de connectie-elementen van de chip verder uit elkaar komen te liggen en er zo meer ruimte is voor de (relatief grote) soldeerballen. Het proces heeft meerdere lagen nodig die voldoende nauwkeurig boven op de die, en op andere lagen, geplaatst moeten worden voor een goed elektrisch contact.

Plaatsingsfouten

Wanneer er van losse componenten een nieuwe wafer gemaakt wordt, worden ook nieuwe plaatsingsfouten geïntroduceerd. Deze fouten zijn niet gelijk voor iedere component op de wafer en kunnen dus ook niet op waferniveau volledig gecorrigeerd worden De afwijkingen in positie en oriëntatie van de dies op een reconstructed wafer kunnen enkele ordegroottes groter zijn dan de gewenste nauwkeurigheid van het eindproduct. Bij een te grote afwijking is er het risico dat er geen continu elektrisch pad gevormd wordt, waardoor de verbindingen niet werken.

Er zijn diverse manieren om met deze afwijkingen om te gaan. Eén hiervan is het gebruikmaken van een externe machine voor het opmeten van de afwijkingen om vervolgens de posities op de lithografiemachine aan te passen. Het nadeel hiervan is dat er een tweede machine nodig is in het proces.

Een tweede mogelijkheid is om een extra reconstructed wafer van dummy dies te maken, waarmee een schatting gemaakt kan worden van systematische plaatsingsfouten, voornamelijk geïntroduceerd tijdens molding. De keerzijden hiervan zijn dat er een extra processtap nodig is en dat correcties op het niveau van individuele dies niet mogelijk zijn.

Ten derde kan de eerste laag die op de reconstructed wafer gemaakt wordt, worden voorzien van extra grote contactvlakken voor de chip zodat er een grotere kans is op goed elektrisch contact. Hierbij wordt echter wel ingeleverd op het aantal mogelijke interface-elementen op de chip en de minimale afstand die deze interfaces kunnen hebben.

Die-by-die alignment: een alternatief

Die-by-die alignment is een techniek waarbij iedere die onafhankelijk van elkaar wordt uitgelijnd. Met de toevoeging hiervan op de Liteq 500-machine is deze in staat om deze positieafwijkingen te corrigeren terwijl het de wafer verwerkt.

De Liteq 500 is een modern lithografie-stepper-systeem voor backend-toepassingen. Het bevat de modules die je van een dergelijk systeem mag verwachten – UV-laser, lens, motion stage en metrologie – en breidt dit uit met camera’s en geavanceerde patroonherkenning. Het hart van de machine is een projectielens. De lens verzorgt een goede projectie van de reticle-patronen naar de wafer om hier het UV-gevoelig materiaal, photoresist geheten, lokaal van eigenschappen te laten veranderen.

Figuur 2: Schematische weergave van diverse modules van de Liteq 500 machine. Aan de linkerzijde de wafer handler en aan de rechterzijde de motionstage, met erboven een deel van het optisch pad (lens, reticle en Illuminator).

Naast het meten van plaatsingsfouten van de gehele wafer, is de Liteq 500 ook in staat om per die metingen te verrichten zonder gebruik van externe machines. Dit wordt gedaan door met een camera afbeeldingen te maken van een aantal markers op de dies zelf, terwijl met een nauwkeurige stage naar de verschillende markers wordt bewogen. Een voordeel bij gebruik van een camera is dat ook relatief grote hoekafwijkingen goed gemeten kunnen worden. De verkregen afbeeldingen worden gecorrigeerd met gekalibreerde waarden en hierna worden door middel van patroonherkenning en een complex fitter-algoritme diverse parameters bepaald. De belangrijkste parameters voor die-by-die alignment zijn hierbij de translaties in het plaatsingsvlak, de rotatie van de die in het plaatsingsvlak en de vergroting. Aan de hand van de uitkomsten van de fitter worden correctiewaarden berekend voor de wafer-positie en -oriëntatie en de variabele vergroting van de projectielens. Uiteindelijk wordt de wafer belicht met de aangepaste positie, rotatie en lens vergroting van iedere die. Het corrigeren van grote hoeken vergt een waferpositioneringssysteem met metrologie dat ondanks grote hoeken nauwkeurig kan werken. Dit kan voor andere lithografiesystemen een probleem zijn.

Aantoonbare verbetering

Het succes van die-by-die alignment van de Liteq 500 is niet alleen in de praktijk aangetoond bij klanten van Liteq, maar volgt ook uit experimenten die met het systeem zijn uitgevoerd. Deze experimenten leveren data over de nauwkeurigheid die behaald kan worden. In de experimentele set-up wordt gebruik gemaakt van een dummy wafer die naast normale wafer-markers ook de markers van dummy diesbevat. Op deze wijze is de wafer voorzien van 120 kleine en 70 grote gesimuleerde dies, ieder met vier markers. Om productieomstandigheden te simuleren hebben deze dummy dies een positieafwijking gekregen die overeenkomt met de verwachte plaatsingsnauwkeurigheid van echte dies. Deze wafers zijn behandeld met photoresist en met gebruik van die-by-die alignment belicht.

Met deze experimenten is aangetoond dat de positie- en rotatieafwijkingen teruggebracht kunnen worden naar nominale waardes voor wafers zonder dies. Plaatsingsafwijkingen met een startwaarde tussen 0 en ±50 micrometer zijn teruggebracht naar 500-600 nanometer, en rotaties van 0 tot ±10 milliradialen zijn teruggebracht tot 19-41 microradialen. Ter vergelijking: voor de gebruikte wafer is de maximale nauwkeurigheid wanneer deze alleen met wafer-level-uitlijning plaatsvindt in de orde van 50 micrometer. Door het toevoegen van die-by-die alignment wordt dus aan nauwkeurigheid veel gewonnen.

De Liteq 500-stepper van Kulicke & Soffa, waar Alten aan heeft bijgedragen, is een stap vooruit in een wereld waarin de vraag naar intelligente systemen verder groeit en de interface-ruimte op chips steeds kleiner wordt. Door de die-by-die alignment in deze systemen worden plaatsingsfouten van individuele dies vermindert naar wafer-nauwkeurigheid – zonder noodzaak voor additionele machines, zonder ruimteverlies op de wafer en zonder in te leveren op het aantal mogelijke interface-elementen op de chip. Hiermee is de Liteq 500 een verbindende schakel in de volgende generaties slimme systemen.

Remco van Doorn is consultant bij Alten Nederland.

Dit artikel kwam tot stand in nauwe samenwerking met Alten Nederland.