Hybrid bonding: marathon, geen sprint
‘Iedereen kan een machine maken, het draait uiteindelijk om een werkend productieproces.’ Deze opmerking van een senior procesdevelopment engineer bij Alsi in Beuningen schoot me te binnen toen ik overpeinsde waarom het maar niet opschoot met de acceptatie van hybrid bonding. De Alsi-engineer had het over een lasersnijder voor het separeren van chips op weerbarstige siliciumcarbide wafers. Maar een vlekkeloos proces draaiend krijgen, is natuurlijk het wezen van de chipproductie.
Is de machine ontworpen en het proces ontwikkeld bij de equipmentleverancier dan gaat er vaak nog een dik jaar overheen voor deze apparatuur in een waferfab loopt als een trein. In het geval van hybrid bonding, een geavanceerd proces om chips met elkaar te verbinden, lijkt de praktijk nog weerbarstiger.
Voor als je het nog niet wist, met hybrid bonding plaats je chips op wafers of wafers op wafers. Daarbij ontstaat een naadloze verbinding. Twee stukken halfgeleider versmelten tot een monolithisch geheel. De AI-industrie kijkt ernaar uit, vooral vanwege de aanzienlijke energiebesparingen. Het is assemblage, maar dan op frontend-niveau, zowel qua cleanroominvesteringen als precisie.
Op de afgelopen 3D & Systems Summit van Semi in Dresden drukte nestor Bill Chen van ASE me op het hart dat de industrie zich geen zorgen hoefde te maken. Over vijf jaar zouden jaarlijks vele honderden hybrid bonding-machines worden verscheept naar klanten, naar chipfabrikanten en naar chipassemblagebedrijven als ASE.
Van industrieveteraan Chen neem ik dat meteen aan, maar op dit moment breekt hybrid bonding nog niet echt door. Intel en TSMC kochten machines bij Besi, maar de voorspelde grote aantallen blijven uit. De kwartaalbesprekingen van leverancier Besi zijn al twee jaar doorspekt met vragen over de status van bestellingen en leveringen. Analisten zijn benieuwd wanneer de echt grote aantallen eindelijk loskomen.
Besi’s topman Richard Blickman verwacht dit halfjaar weer bestellingen, maar als substantiële aantallen uitblijven, dan zouden investeerders en aandeelhouders zich wel eens bekocht kunnen gaan voelen.
Al twee jaar gaat het over Besi’s leveringen aan Intel en TSMC. De grote geheugenfabrikanten experimenteren nog met hybrid bonding-machines, maar zij hebben het proces nog niet op de rit. Twee chips op elkaar plaatsen, zoals TSMC voor AMD doet, is één ding, maar een stapeling van twaalf of zestien DRAM’s is heel andere koek en daar zitten de grote aantallen voor hybrid bonding-machines.
Zo is hybrid bonding van een sprint uitgelopen in een marathon. De vertraagde volumeproductie bij geheugenfabrikanten zorgt voor een uitputtingsslag bij Besi. Het moet blijven innoveren om voorop te blijven lopen, terwijl de technologie nog geen grote inkomstenstromen oplevert.
Terwijl het twee jaar geleden nog om machines ging met een plaatsingsnauwkeurigheid van 200 nanometer, gaat het nu om 100 nm voor de 3 nm-generatie chips. De Nederlandse backend-specialist denkt eind 2025 prototype machines te leveren met 50 nm-precisie voor de 2 nm-generatie.
De hybrid bonding-marathon is om meerdere redenen geen gelopen race voor Besi. De grote volumes zitten in de geheugenchips, maar door de vertragingen in dat segment hebben concurrenten de kans om langszij te komen. Waarnemers schatten in dat het voor Besi niet vanzelfsprekend is om bij de marktleiders in high-bandwidth memory voor AI-versnellers binnen te komen. SK Hynix en Samsung hebben namelijk een uitgesproken voorkeur voor Koreaanse machinebouwers, zelfs ASMPT en Kulicke & Soffa doen er amper zaken.
Doordat hybrid bonding voor 3D-geheugenstacks maar niet volwassen wil worden, moet Besi bovendien investeren in de ontwikkeling van thermo-compression bonding om zijn klanten een alternatief te bieden.
Daarbij is het nog de vraag of 3D-hybrid-bonding-stacks van geheugenchips zullen worden geproduceerd door individuele chips te separeren en daarna een voor een te stapelen of door wafers te stapelen en de stacks daarna pas te separeren. Voor wafer-on-wafer levert Besi (nog) geen machines. De goede resultaten die YMTC boekte bij het produceren van NAND-geheugens met een wafer-on-wafer-proces laten zien dat deze manier van hybrid bonding een goede optie kan zijn.
Wafers op wafers stapelen is vele malen sneller dan chips op wafers plaatsen. Een wafer-on-wafer-proces haalt 25 tot 50 plaatsingen per uur. Afhankelijk van de grootte van de chips doet een hybrid bonding-machine van Besi er een uur over om een of twee wafers te vullen.
