Achtergrond Eieren Bluebird komen uit 16 mei 2011 Na de afwijzing van de Hightech Topproject-aanvraag eind 2009 is het even stil geweest rondom Bluebird, maar het consortium heeft de handdoek nog niet in de ring gegooid. Penvoerder TNO en zijn partners spreken nu liever over een ecosysteem rondom 3D-integratie en richten zich op een aantal kritieke stappen richting massaproductie van gestapelde chips. Daarbij borduren ze voort op werk dat eerder onder de Bluebird-paraplu is gestart. Het had zo mooi kunnen zijn. Onder aanvoering van TNO staken Nederlandse machinebouwers enkele jaren geleden de koppen bij elkaar. De uitdaging was om een back-endmachine te ontwikkelen voor het snel stapelen van flinterdunne IC s. Driedimensionale verpakkingen met daarin gestapelde chips bestonden al lang, maar de assemblagetechnologie voor deze producten liep en loopt nog steeds - sterk achter. Chipfabrikanten staan te trappelen om een goede en goedkope machine voor 3D-integratie omdat ze daarmee meer functionaliteit in een kleine verpakking kunnen proppen (zie kader). Onder meer Alsi, ASMI, ASML, Assembléon, Besi, Imec, NXP en OTB sloten zich aan bij het Bluebirdinitiatief, zoals het project was gedoopt. Enige nadeel: er was geen industriële partij die de kar wilde trekken. Midden 2009 was daar de Hightech Topproject-regeling (HTTP). De crisismaatregel leek bij uitstek geschikt om het ambitieuze plan een vliegende start te geven. Het liep helaas anders. Het ministerie van EZ en subsidieorgaan Senternovem (inmiddels Agentschap NL) kozen niet voor Bluebird. Het subsidiepotje van honderd miljoen euro was niet bedoeld om werkgelegenheid te creëren, maar om bestaande banen te behouden, beargumenteerde EZ. Het leek de doodsteek voor de Nederlandse stapelmachine. Dat moet ik toch even nuanceren, zegt Ben van der Zon, wetenschappelijk manager van TNO s back-endgroep. Bluebird is destijds begonnen om 3D-integratie in Nederland op de kaart te zetten. Vanuit TNO meenden we dat we de industrie moesten kriebelen om dat aan de gang te krijgen. We zijn met allerlei partners gaan praten en het begon redelijk vorm te krijgen. Toen kwam de HTTP voorbij. Dat was een kans om funding te pakken en om het initiatief meer momentum te geven. Pas toen is de perceptie geboren dat het allemaal groot moest worden. Een tweede ASML werd het zelfs genoemd. Oorspronkelijk was dat nooit de bedoeling. We wilden alleen de Nederlandse halfgeleiderindustrie bij elkaar brengen om aan het 3D-probleem te werken. Bluebird rechtvaardigde wel een HTTP-toekenning, vindt Van der Zon. De HTTP op zich was een loterij zoals ieder subsidietraject dat min of meer is. Wij zijn helaas niet uitverkoren. Daar is niets mis mee. De meeste aanvragen vangen bot; Europees gezien slaagt er misschien dertig procent. We moesten weer terug naar hoe we waren begonnen. Natuurlijk hadden we wel heel veel geleerd over bijvoorbeeld de systeemintegratie en de architectuur zodat we wat concreter met de materie konden omgaan. Roel Wessels, nu vanuit Holland-Innovative interim-programmamanager van de Bluebird-activiteiten binnen TNO, vult aan: Ik was toentertijd vanuit Assembléon bij het project betrokken. Patrick de Jager (de toenmalige marktmanager High-End Equipment bij TNO en initiatiefnemer van Bluebird, AP) ging alle partijen af. TNO speelde de trekkersrol en dat vond ik heel moedig. Breedte was noodzakelijk omdat iedereen de stap pas kon zetten als de buurman ook meedeed. De HTTP had daarbij kunnen helpen. Nederland is echt uniek als je het hebt over machinebouwers in de halfgeleiderwereld. In alle processtappen zijn we aanwezig, maar zeker in die tijd hadden ze allemaal een redelijk korte roadmap. Door de crisis was het overleven op kwartaalbasis. Ik zat te klappen in het publiek, ik wilde meedoen op het podium, maar het ging om zaken die pas over vijf jaar gingen knallen. Dat kreeg ik heel moeilijk verkocht aan de directie van Assembléon. Dat gold ook voor onze collega s in de andere procesnodes. Pagina 1 van 5
Van der Zon knikt instemmend: De hele 3D-integratie vraagt een aantal processen die goed moeten worden geïndustrialiseerd. De ontwikkeling van de juiste processen verloopt langzaam. Voor de machinebouwers is het dus onduidelijk wat voor apparaat ze moeten bouwen. Ze willen pas instappen als het proces bevroren is. Dat is natuurlijk lastig. Ikzelf kom van Besi en kan Roels visie onderschrijven. Van kwartaal tot kwartaal overleven, daar draaide het om. Wessels gaat verder: Als ze aan lange termijn doen, dan is het core in het kwadraat. Het hoeft maar iets af te wijken van het onderwerp waarin ze willen excelleren, of het valt af. 3D stapelen is zoiets. In de som van de delen zit er echter een heel mooie businesscase. Dat was toen zo en dat is nog steeds zo. Met de HTTP had het kunnen gaan vliegen. Het was voor iedereen in het consortium een tegenvaller dat het niet doorging in die vorm. Eitjes Na het mislopen van de HTTP-steun was het tijd voor bezinning. De halfgeleiderindustrie zat in de zwaarste crisis ooit. Op financiering vanuit het bedrijfsleven hoefde Bluebird niet te rekenen. Daar kwam nog bij dat de commerciële introductie van 3D-technologie veel langer ging duren dan verwacht overigens niet ongebruikelijk in de chipwereld. Gevolg was dat de benodigde machines verder op de roadmap kwamen te liggen, en daarmee de investeringen. TNO en de Bluebird-partners moesten hun plannen bijstellen. Terug naar het oorspronkelijke idee. Om te beginnen, besloten ze decentraal te gaan werken in plaats van op één locatie. In zo n virtuele fabriek worden de wafers van bedrijf naar bedrijf getransporteerd. Het voordeel van deze aanpak is dat de investeringskosten behoorlijk teruglopen. Vanuit Bluebird waren er al projecten gestart voordat de HTTP in beeld kwam, vertelt Wessels. Daar zijn we mee verder gegaan. Iedereen had zijn eigen businesscase. Bluebird moest de som der delen worden; dat is in een bezinningsfase terechtgekomen. De grote strategische pijl was even weg, maar de deelprojecten liepen gewoon door. Gelukkig maar want anders had het betekend dat al die businesscases kunstmatig waren. Bluebird had een heleboel eitjes in de mand achtergelaten, verwoordt Van der Zon het beeldend. Belangrijke dingen waar we met de Nederlandse industrie aan kunnen bijdragen. We hebben daar een aantal onderwerpen uit gepakt. TNO stemde zijn interne onderzoeksgroepen af op twee hoofdthema s die de belangrijkste hindernissen zijn op weg naar 3Dtechnologie voor massaproductie. Om te beginnen, is dat de R&D rondom through-silicon vias (TSV s), de geïntegreerde verbindingskanalen tussen gestapelde chips. De tweede tak is de assemblage, het opstapelen zelf. Dat kan al wel, maar er is nog veel te winnen op de kosten. Door het langere tijdspad en de aangepaste strategie veranderde het takenpakket voor TNO. De huidige rol is veel logischer, vindt Wessels. In eerste instantie moest TNO veel meer zijn dan alleen een katalysator zodat er genoeg momentum werd gecreëerd. We moesten een blauwdruk neerleggen en zeggen: Beste mensen, als we het zo doen, hebben we met z n allen een fantastische kans. De huidige situatie past veel beter bij de natuurlijke rol van TNO. Van der Zon: TNO heeft de opdracht om de Nederlandse industrie te ondersteunen maar ook de opdracht om innovaties aan het rollen te krijgen. Dan moet je af en toe een wat prikkelendere jas aantrekken. Innovatie gebeurt immers nooit vanzelf, daar moet je aan trekken. De industrie had toen niet de middelen om op te staan en 3D in te voeren. ASML had er misschien budget voor, maar dat bedrijf is erg gefocust op lithografie. Applied Materials zou een betere kandidaat zijn omdat ze daar met hun machines bijna de hele halfgeleiderproductieketen omspannen. Ik heb ze echter nog niet kunnen betrappen op serieuze activiteiten in die richting. TNO kon toen wel het initiatief nemen. We hebben een schop tegen de bal gegeven en nu begint het te rollen. Self-assembly Het TNO-programma dat voortborduurt op Bluebird heeft drie pijlen op zijn boog om het probleem van goedkope TSVcreatie te ondervangen: met lasers, met een elektrochemisch proces en met een etstechniek. Op alle drie de methodes Pagina 2 van 5
probeert TNO met partners tot een proof of principle te komen. Op het eerste pad wandelt het met Alsi. Deze Beuningse machinebouwer heeft een systeem dat lasers gebruikt om wafers te snijden (zie Mechatronica Magazine 3, 2011). Die lasertechnologie leent zich ook prima om TSV s te maken. De ontwikkelingen zijn redelijk vergevorderd: voorzichtig wordt er al over machines gesproken. De tweede optie om TSV s te maken, is via electrochemical machining (ECM). Dat is een lastige weg omdat er in halfgeleiderfabrieken geen vergelijkbare methodes zijn. Chipbakkers zouden hun productielijn daarvoor misschien te drastisch op zijn kop moeten gooien. Wellicht blijkt ECM echter het goedkoopste alternatief. Reden genoeg voor TNO om die optie open te houden. De derde route naar goedkope TSV s is het Drie-proces. Dat staat voor deep reactive-ion etching, legt Van der Zon uit. Het idee is dat je met een ionenplasma tegen een oppervlakte schiet. Daarmee eet je een stukje van de laag af. Helaas kun je niet heel diep omdat het gat een V-profiel heeft. Ga je te diep, wordt het gat te groot en heb je de hele chip weggevreten. Tussendoor moet je dus steeds een passivatielaagje aanbrengen. Het is een tijdrovend proces maar we hebben ideeën om het sneller te doen. We zitten dicht tegen de publicatie van de eerste resultaten. Het grote voordeel van Drie is dat het heel goed aansluit bij de huidige processen in een halfgeleiderfabriek. In de inrichting van de fab hoeft niets te veranderen. Imec doet al jaren onderzoek aan 3D-integratie. Het Leuvense R&D-centrum focust op de verbetering van de processtappen. TNO legt de nadruk op de vertaling daarvan naar een industriële machine. Foto: Imec Het tweede hoofdthema heeft TNO Next generation assembly genoemd. Als je iets wilt assembleren, doe je dat klassiek met een robotje. Die pakt een onderdeel en zet het op de goede plaats. Zo gaat dat met auto s en ook met chipsystemen, zegt Van der Zon. Bij 3D-integratie moet je kunnen plaatsen met een nauwkeurigheid van een micron of beter. Er zijn machines die dat kunnen, maar die zijn te traag. Ze doen meerdere secondes over een plaatsing terwijl je vijf plaatsingen per seconde moet halen om het lucratief te maken. De uitdaging is om de hoge nauwkeurigheid met de hoge snelheid te combineren. De basiskennis daarvoor is in Nederland aanwezig, maar om al die blokjes samen te voegen, daarvoor moet je wel goed samen ontwikkelen. De gewenste snelheid en nauwkeurigheid is mechatronisch erg lastig. Van der Zon: Of je moet parallel gaan werken, maar dat betekent ook weer veel meer kosten. Sinds jaar en dag wordt er aan self-assembly gedacht. Kun je de chips niet ongeveer op de juiste plek deponeren en ze daarna bijvoorbeeld met ultrasoon geluid of door te blazen precies goed leggen? We doen daar verkennend onderzoek aan. Slagroom Imec was betrokken bij Bluebird. Zou het Leuvense onderzoekscentrum met zijn grote wereldwijde netwerk niet een meer geschikte kandidaat zijn om de kar te trekken? Imec is een procesonderzoeker, antwoordt Van der Zon. Ze proberen de TSV s nog kleiner en nog beter gevuld te krijgen. Ze zorgen dat er geen thermische stress in zit. Die processen proberen ze helder te krijgen. Imec maakt de IBM s van deze wereld enthousiast. Die willen dan dat proces gebruiken en als machinebouwers dat horen, durven ze wel te investeren. Wat Imec niet doet, is de vertaalslag van proces naar machine. Van der Zon: Daar zit de kracht van TNO. We snappen de processen, maar hebben ook verstand van de mechanisatie ervan. We kunnen in beide domeinen uit de voeten en ze ook met elkaar in verband brengen. Dat is onze meerwaarde en vanuit deze complementaire rol wisselen we kennis en resultaten met Imec uit. Pagina 3 van 5
Daarmee onderscheidt het Nederlandse initiatief zich van andere 3D-projecten in de wereld, zoals het programma All Silicon System Integration Dresden (Assid) rondom het Fraunhofer-instituut. Ze hebben het geluk gehad dat ze wel subsidie hebben gekregen. Voor zover ik dat kan beoordelen, is dat toch vooral procesonderzoek, aldus Van der Zon. Het zit wel iets dichter bij de markt dan het onderzoek van Imec. Ze proberen bijvoorbeeld of ze een processor kunnen integreren met een Mems-sensor. De focus ligt er niet op goed en goedkoop produceren. In Taiwan heb je het Industrial Technology Research Institute, het Itri, waar ze ook aan 3D sleutelen, gaat hij verder. Dat sluit prima aan bij wat wij doen; er zit totaal geen concurrerende overlap in. Ook daar gaat het puur om de processen. Wil Nederland een rol blijven spelen in dit stukje van de halfgeleiderbusiness, dan zullen we onze kracht in productietechnologie en machinebouw verder moeten benutten. Daarmee kun je de slagroom op je taartje verdienen. Wessels benadrukt dat de rol van Europa anders is dan vroeger. De ontwikkeling gebeurt in Nederland, maar als het product is getekend, gaat er een fax naar China en wordt het daar geproduceerd. We hebben de ontwikkeling gedaan, maar de opbrengst gaat naar China. De Aziaten zien de Europese en Amerikaanse machinebouw nog steeds als superieur. Ze zullen beginnen met een ontwikkeling van hier. Daar moeten we onze voorsprong houden. Toekomst Wat is de toekomst van de opvolger van Bluebird? Wessels: De bezinningsfase na de HTTP is voorbij. We richten ons nu volledig op de bottlenecks die er zijn voor volumeproductie: TSV s en assemblage. We willen proofs of principle hebben op alle takken van de TSV-creatie. Daarna moeten we daar partners aan koppelen. In 2015 moeten machinebouwers het in productie hebben genomen. Dat betekent dat er over twee jaar een prototype moet staan. Voor de assemblage geldt zo n zelfde traject. Alleen self-assembly zal nog wat meer tijd vergen. We kijken nu voor welke toepassing de derde dimensie interessant is, vertelt Wessels. We weten niet hoe dat zich gaat ontwikkelen. Een nieuwe technologie komt immers niet zomaar binnen. We zijn met partijen aan het brainstormen. 3D is een middel. Niet voor alle toepassingen is het de ideale oplossing. Het is technology push: we hebben een oplossing en zoeken er een probleem bij. We zien ook mogelijkheden op andere terreinen. Zo is de TSV-technologie interessant in de solarbusiness en voor vastestofverlichting. En het onderzoek op het gebied van wafermanipulatie komt van pas bij projecten rond 450 mm wafers. Het idee om een productielijn voor gestapelde chips in Nederland op te zetten, hebben de partners laten varen. Nu gaat het erom dat we een doorbraak krijgen om een of meerdere machinebouwers enorm te laten groeien. Alsi zou zo n partij kunnen zijn, zegt Wessels. We hebben niet de ambitie om een machinelijn te maken waar aan de ene kant de wafers in gaan en aan de andere kant de gestapelde en ingepakte chips uit rollen. Hoewel we daar stiekem nog wel op hopen, natuurlijk. Alexander Pil Terug naar overzicht 3D-integratie de basics De chipindustrie volgt al decennia lang de ijzeren wil van de wet van Moore. Iedere achttien maanden moet de capaciteit van chips verdubbelen. Pessimisten denken dat deze wet binnenkort tegen natuurlijke grenzen aanloopt. Dat zal waarschijnlijk ooit gebeuren, maar ze hebben in het verleden al vaker geroepen dat het niet meer kleiner kon. Tot nu toe bleek dat altijd ten onrechte. ASML speelt een belangrijke rol in deze schalingsrace. Een andere optie om meer capaciteit in chips te realiseren, is door ze op elkaar te stapelen. Dat is compacter, zodat er meer functionaliteit in een kubieke centimeter past. Die 3D-integratie zorgt wel voor hoofdbrekens. Hoe kun je de afzonderlijke chips nauwkeurig en snel genoeg stapelen? Pagina 4 van 5
Ook ligt er een uitdaging voor het leggen van de elektrische verbindingen tussen de chips. Op dit moment doen veel fabrikanten dat door ze aan de zijkanten met een wirwar van fijne draadjes aan elkaar vast te stikken. Deze wirebonds zijn kwetsbaar en laten slechts een beperkt aantal verbindingen per millimeter toe. Daar willen bedrijven op den duur vanaf. Bovendien kan het veel efficiënter door directe verticale connecties te leggen. Through-silicon vias (TSV s) heten die dwarsverbindingen. TSV s zijn korter en dus sneller, gestapelde chips met TSV s kleiner en energieefficiënter. Verder zijn de productiekosten van gestapelde chips nog te hoog. Voor sommige toepassingen is dat geen hindernis. Ontwikkelaars van CMos-beeldsensoren hebben er bijvoorbeeld heel veel belang bij om zo veel mogelijk chipoppervlakte te gebruiken om hun beelden te vangen. In die markt wegen de hogere productiekosten ruimschoots op tegen de winst die kan worden behaald met de TSV-verbindingen naar de onderliggende elektronica. Voor een killer app als geheugens is dat nog niet het geval. Het prijskaartje is daar twee tot drie keer te hoog voor massaproductie. Mechatronica Magazine Deze pagina op internet: Pagina 5 van 5