ASMPT Alsi klaar voor advanced packaging en hybrid bonding

Chips van harde materialen als siliciumcarbide en galliumnitride zijn veel beter en efficiënter te scheiden met laserseparatie dan met traditioneel zagen. Deze halfgeleiders zijn sterk in opkomst in sterkstroomtoepassingen als automotive-aandrijflijnen. Dat betekent een groeimarkt voor de laserseparatiesystemen van ASMPT-dochter Alsi in Beuningen.

Ultra-short pulse lasersnijder

In een gesprek met Patrick Huberts, van ASMPT Alsi, over de verdere ontwikkelingen in chip dicing (separatie), legt het hoofd business en marketing uit wat de verwachtingen zijn voor het nieuwste systeem, de ultra-short pulse (USP) lasersnijder. Deze maakt gebruik van lichtpulsen van een paar honderd femtoseconden. ‘De USP-laser wordt op dit moment met name ingezet voor displaydriver-ic’s, een groeimarkt waarin ASMPT Alsi marktleider is. Daar zie je dat telefoons steeds dunner en kleiner worden. Ook met de opkomst van de flipseries worden de krachten op die displaydrivers steeds hoger. Dat drijft de vraag naar een hogere die strength. De breeksterkte moet omhoog. Deze markteis kan alleen afgedekt worden met USP-laserseparatie van de silicium-dies, niet met mechanisch zagen.’

De belangrijkste trend voor lasersnijden is dat het silicium steeds dunner wordt en de toplagen bij advanced packaging in heterogene integratie en bij geheugenchips steeds complexer worden en het aantal lagen toeneemt. Huberts: ‘Maar de totale dikte van een package blijft gelijk. Dat betekent dus dat iedere laag dunner wordt. Dat maakt het complexer om te processen en te separeren. Ook de interconnects krimpen. Daardoor mogen nauwelijks nog bramen rondom de die blijven staan. Die zou de package beschadigen. Dat is met zagen niet te realiseren.’

Hybrid bonding

Hoewel de toekomst van hybrid bonding in advanced packaging nog onzeker is, ziet Huberts deze technologie wel als een belangrijke driver voor de toepassing van USP-laserseparatie. ‘Daar worden twee wafers op elkaar gezet en daarna verwarmd tot 275-300 graden Celcius. Ze binden aan elkaar via vanderwaalskrachten. Dan heb je dus feitelijk geen hoogteverschil meer. Daar zijn de eisen met betrekking tot bramen extreem. Laserablatie is daar dus een vereiste, maar zelfs dat heeft nog een vervolgstap nodig: plasma dicing, om de minimale braam die over blijft na laserablatie helemaal te verwijderen.’

Principal Process Engineer Kees Biesheuvel vult aan: ‘Er zijn vijf verschillende methoden voor separatie: mechanisch zagen, stealth dicing, nanoseconde laserseparatie, USP-laserseparatie en plasma dicing. USP-laserseparatie is bewezen superieur te zijn ten opzichte van de eerste drie in de resulterende die-sterkte, het verwijderen van metaal en het vermijden van chipping, delaminatie en bramen. Plasma dicing is vergelijkbaar in resultaat met USP-laserseparatie, en zelfs beter in het verwijderen van bramen, maar kan geen metaal verwijderen. De combinatie van beide is dus nodig voor separatie bij hybrid bonding’. Huberts beschrijft het proces als volgt:’ Eerst heb je het lasergroovingproces om de metaalstructuren en de low-k-laag te verwijderen tot op het silicium. Dan zijn er nog minimale bramen over. Deze worden in een vervolgstap verwijderd met plasma dicing waarbij de die volledig wordt gesepareerd. We doen dit in een partnership met KLA-SPTS in Engeland.’

‘Deze stappen zijn onderdeel van het gehele hybrid bonding-proces waar ASMPT een totaaloplossing voor heeft. Er gaat een coatingstap aan vooraf, waarbij de coating aangepast wordt aan de eisen die een plasma-ablatiestap oplegt. We hebben ook een plasmaresistente lasercoating moeten ontwikkelen. Die is typisch veel dikker dan wat we traditioneel nodig hebben voor laser-grooving. Normaal gaat het om 1-3 micron maximaal. Hier ga je al snel tot 8 micron. Dat heeft dan weer impact op het visionsysteem, dat de referentiepatronen moet kunnen herkennen om de laser nauwkeurig te kunnen positioneren.’

Concurrentie

De belangrijkste concurrent voor dicing is het Japanse Disco. Traditioneel dominant in het zaagsegment hebben zij ook oplossingen voor laserseparatie. Het is een markt met een beperkt aantal spelers waarin iedereen elkaar kent. Huberts: ‘Iedereen krijgt dezelfde samples van de klant om te laten zien wat hij kan. Wij krijgen er één en Disco krijgt hetzelfde sample. Het zijn heel lange trajecten. De kwalificaties kunnen wel een of twee jaar duren. Maar wij onderscheiden ons door een aantal zaken. Om te beginnen hebben we hier een heel sterk process development-team, voor het ontwikkelen van de noodzakelijke nieuwe recepten en processen.’

Bij laserseparatie het geheim van de smid in het proces. De machine ontwerpen is belangrijk, maar een procesflow ontwikkelen op een machine is de grootste uitdaging. ‘Wij hebben in die procesontwikkeling een nauwe samenwerking met de klant en KLA-SPTS. Ook onze klanten zien dat we ons daarin echt onderscheiden.’

Biesheuvel merkt dat Disco hier meer problemen mee heeft. ‘De Nederlandse mentaliteit, opener en directer, wordt erg gewaardeerd door de klanten. Het is niet altijd makkelijk. Zeker in Azië moet je de relatie eerst opbouwen. In Japan is men erg terughoudend met delen van informatie. Ik durf ook tegen de klant te zeggen ‘wat je nou vraagt, is gewoon onzin’. Dan hebben we een beter voorstel en dat is men in Azië niet zo gewend. Als je die relatie dan hebt opgebouwd en bent in-gedesignd heb je ook een samenwerking voor een hele lange tijd.’

Kritieke modules

Naast het uitwerken van het proces en de figuurlijke chemie met de klant spelen de optiek en de waferstage een cruciale rol in de ASMPT Alsi-machine. Om te beginnen zijn de ultrasnelle laserpulsen in het ultravioletbereik van groot belang voor de prestaties van het systeem. Ultrasnelle laserpulsen kunnen zeer nauwkeurig het materiaal bewerken zonder veel warmte te genereren. Het microscopische ‘puin’ dat daarbij ontstaat komt gedeeltelijk ongewenst terug als bramen en een zogenaamde recast-laag. Door gebruik te maken van 10 picoseconden en kortere UV-pulsen in plaats van de enkele nanoseconden (in de huidige laserseparatiesystemen) worden deze bijwerkingen significant beperkt. De verwarmingszone door de bundel is bij ultrakorte pulsen in het UV veel kleiner, waardoor er effectief meer vermogen in het eigenlijke ablatieproces gaat zitten.

De Ultra-short pulse-laser wordt ingekocht bij een van de bekende grote laserleveranciers, met specificaties toegespitst op het laserseparatieproces. Deze vereist namelijk een uitstekende kwaliteit en hoge energie van de bundel. Is daaraan voldaan, dan kan de bundel worden opgesplitst in meerdere bundels. Het opsplitsen van de laserbundel naar een multibeam wordt gedaan door een DOE, een diffractief optisch element. Deze gepatenteerde module onderscheidt de oplossing van ASMPT Alsi van de concurrentie. Biesheuvel: ‘Door de DOE hebben we heel veel flexibiliteit. We kunnen in één cassette in onze machine acht verschillende DOE's monteren. In één recept kun je deze gewoon continu blijven uitwisselen voor verschillende patronen voor elke verschillende proces pass van de wafer. We kunnen tot honderd verschillende spots genereren en in elke spot ook nog de energie differentiëren. De concurrentie moet commerciële bundelsplitsers gebruiken die helemaal niet flexibel in toepassing zijn.’

De nauwkeurigheid van het proces vereist een andere kritieke module, de waferstage, waarvoor de basis ooit is gelegd bij ASML en die mede is ontwikkeld met CCM in Nuenen. Biesheuvel: ‘Onze 300-mm waferstage staat een nauwkeurigheid van 1,5 micron toe, twee keer zo goed als bij de concurrentie. Met een inlinecamera kunnen we ook de beweging realtime monitoren en on the fly kalibreren. De concurrentie kan dat niet. Die moet iedere paar process passes een aparte offsetkalibratie doen of een offsetcorrectie uitvoeren.’

Uitdagingen voor systeem-engineering

De uitdaging voor de systeem-engineering zijn voor ASMPT Alsi vergelijkbaar met die van andere producenten van hightech equipment: een complex samenspel en systeemontwerp van mechatronica, optica, software en bij ASMPT Alsi vooral ook chemie, dat uiteindelijk tot een volledig betrouwbaar apparaat in een uitdagende omgeving moet leiden. Huberts wijst erop dat remote toegang tot het apparaat niet toegestaan wordt door de klant. ‘Bovendien willen steeds meer klanten in 2030 overgaan op een lights-out factory, waar geen operators meer rondlopen. Ook hier gaat het om predictive maintenance: kun je voorspellen wanneer er onderhoud nodig is, zie je aankomen dat onderdelen degraderen of aan vervanging toe zijn. En je moet in een steeds schonere omgeving werken, een hogere cleanroomklasse. Zeker in advanced packaging zie je dat onze producten van backend steeds meer naar een mid-end-omgeving gaan.’

Ook processimulatie speelt een belangrijke rol, met name in de interactie met nieuwe klanten. Biesheuvel: ‘Na het eerste contact krijgen we wafers opgestuurd. Geen plakken met confidentiële structuren, maar wel met een vergelijkbare opbouw. Vaak hebben we dan de uiteindelijke DOE die het optimale proces zou leveren niet beschikbaar. Op de fabricage van zo’n DOE zit een redelijke doorlooptijd. Het proces dat we op korte termijn kunnen realiseren heeft vanzelfsprekend een lagere productiviteit. Dat geven we netjes aan: dit is wat we gerealiseerd hebben met de middelen die we ter beschikking hadden. We vertellen dan dat onze simulaties aantonen dat we met een nieuwe DOE de gewenste productiviteit wél kunnen realiseren. Meestal gaat de klant daarin mee, checkt zijn hele proces met de beschikbare technologie en gaat dan voor de bestelling met de nieuwe DOE. Onze groep process development engineers is, naast fundamenteel onderzoek, het meeste bezig met dit samplen van materiaal voor klanten.’

Samenwerking en toekomst

Van het totale aantal van honderd medewerkers in Beuningen is ongeveer tweederde bezig met r&d. ASMPT Alsi heeft de ambitie om dit nog verder te laten groeien. De nadruk ligt op de chemie van de coatings, de mechatronica van met name de stage, de optica van de optische module en de software. Deze houdt het systeem draaiende en biedt aan de klant ook een interface voor de controle van de process flow die apparaatonafhankelijk is.

Een architectenboard stuurt de systeemarchitectuur aan. Daarin zijn alle groepen vertegenwoordigd. Huberts: ‘Maar we maken waar nodig ook gebruik van onze partners. We hebben veel samenwerkingen op allerlei gebieden, zoals optica, lasers en vision. Bijvoorbeeld met Demcon, MI partners, Sioux en NTS. We werken in feite met alle bekende partijen in Nederland. Voor optica kijken we vooral naar Duitsland. De uiteindelijke assemblage, het testen en de verzending naar klanten van commerciële producten gebeurt volledig vanuit Singapore’

‘In een bestaande markt waar al een process of reference bestaat gaan we niet inbreken, ‘concludeert Huberts. ‘Complexe topstructuren, dat is de kern van onze procesontwikkeling, en uiteindelijk gaat een groot gedeelte van de industrie die kant op, logica, high-performance computing, AI, memory. Hybrid bonding zal daar een belangrijke driver zijn. Nu is dit nog een redelijk onbekend gebied. Als je daar nu heel veel in investeert, samen met het ecosysteem hier in Nederland, en process of reference wordt, dan ben je binnen.’