Alsi mikt op marktleiderschap wafersnijmachines

Dit voorjaar viert Alsi uit Beuningen zijn tiende verjaardag. Behalve het jubileum is er nog meer goed nieuws. Het concept om wafers te snijden met lasers begint steeds beter aan te slaan en langzaam de oude zaagsystemen te verdringen. Voor 2011 verwacht de Philips-spin-off de omzet uit vorig jaar te vervijfvoudigen. Het orderboek is al goed gevuld. Daarmee zet het de aanval in op het marktleiderschap.

Alexander Pil
5 april 2011

Een van de laatste stappen in het chipproductieproces is dicing, het separeren van de afzonderlijke dies op een wafer. Vroeger gebeurde dat met een zaagmachine, maar die aanpak heeft een aantal belangrijke nadelen. Zeker bij kleinere componenten zorgt de zaag voor veel materiaalverlies. Ook is de kans redelijk groot dat het zaagblad de IC‘s beschadigt. Philips Semiconductors in Nijmegen ontwikkelde eind jaren negentig een snel, zuinig en schoon alternatief: laser-dicing. De laserstraal wordt opgesplitst in een ’kam‘ van parallelle bundels. Een wafertafel beweegt in een rechte lijn onder die meervoudige bundel door. Zo kan het systeem in één snijgang een diepe snede maken, terwijl de warmteontwikkeling per bundel beperkt blijft.

In 2001 stapte het ontwikkelteam onder de Philips-paraplu vandaan en ging het zelfstandig verder als Advanced Laser Separation International (Alsi). ’Het snijden met lasers was destijds niet buiten Philips bekend‘, vertelt directeur Peter Chall van het Beuningse bedrijf. ’Inmiddels gaat de hele industrie daarnaartoe. We hadden dus de goede visie, maar hadden ons wel enigszins verkeken op de acceptatie en kwalificatie van de technologie.‘

Begin 2004 leverde Alsi zijn eerste prototype op aan medeontwikkelaar Osram. De focus lag op kleinere componenten zoals diodes, leds en versterkers en switches voor mobiele telefoons, en op wafers van 4 en 6 inch. In die segmenten valt met de smallere lasersnede immers naar verhouding de meeste winst te halen. Chall: ’Nu komen er andere technologische aspecten om de hoek kijken waar lasersnijden van kan profiteren. Je ziet steeds meer fabrikanten ervoor kiezen om dies te stapelen. Dat werkt niet als je twintig chips van een halve millimeter op elkaar legt. Ze moeten dus overstappen naar dies van 50 micrometer dik en die kun je nauwelijks nog mechanisch zagen.‘

Een tweede belangrijke trend waarmee Alsi zijn voordeel kan doen, is het gebruik van lage-k-materialen. Om doorslag in chips te voorkomen, grijpen fabrikanten steeds vaker naar dit alternatief. ’Veel lage-k-materialen zijn enigszins poreus omdat dat de diëlektrische constante verhoogt‘, legt Chall uit. ’Een zaag moet je echter met water koelen. Dat water zuigt zich in de holtes en verprutst de betrouwbaarheid van de chips. Omdat de industrie steeds kleinere halfgeleiderstructuren gebruikt en dus steeds meer overstapt naar lage-k, is een zaag steeds vaker geen optie meer, zeker in de chipgeneraties van 65 nanometer en kleiner.‘

Alsi is een kopstaartbedrijf: de conceptontwikkeling en de marketing doet het zelf, engineering en productie besteedt het uit.

Disco

Alsi heeft de ambitie om uit te groeien tot wereldmarktleider. Op dit moment ondervinden Chall en co. vooral concurrentie van de oude zaagmachinebouwers waarvan Disco verreweg de grootste is. Dat Japanse bedrijf heeft zijn zaagsysteem voorzien van lasertechnologie en kan daarmee 12 inch wafers inclusief lage-k-materialen snijden.

Waar zit het voordeel van de Alsi-oplossing? De meervoudige laserbundel, aldus Chall. ’De eerste poging was om twee lijntjes te maken met de laser en de zaag daartussen te laten lopen. Het blad gaat echter wiebelen waardoor hij toch buiten de lijntjes komt en de dies beschadigt. Dus moet je alles tussen die buitenste lijntjes weglaseren. Zo doet Disco dat nu‘, legt Chall uit. ’Het probleem is dat zo‘n baantje typisch zestig micrometer breed is. Dat betekent dat je er ongeveer vijf keer overheen moet voordat het materiaal genoeg is bewerkt om er met de zaag overheen te kunnen. Zelfs als ze de bundel defocusseren om een bredere lijn te krijgen, duurt het nog altijd te lang. Alsi snijdt met vijf tot tien laserbundels tegelijk. Door ze niet achter elkaar te laten lopen maar iets gedraaid, kun je het hele vlak in één passage bewerken. Door de hoek te variëren, kun je zelfs de breedte van het spoor instellen.‘

De Alsi-machine haalt nu een groefbreedte van ongeveer vijftig tot zestig micrometer. Chall: ’In DRams zitten lage-k-materialen, maar die zijn zo dun dat wij er in één keer doorheen kunnen snijden. Je hoeft dus niet eerst het lage-k weg te halen en dan te zagen. Er zijn voorspellingen dat binnen een paar jaar de helft van alle wafers dunner is dan honderd micrometer. Daar ligt dus een enorme kans voor ons.‘

Vliegend tapijt

Voor de crisis liep de verkoop van Alsi heel aardig, hoewel het nog om een beperkt aantal machines per jaar ging. De neergang in de halfgeleiderindustrie kwam in Beuningen hard aan. In 2009 verkocht het bedrijf slechts een enkele machine. In die tijd sleutelde Alsi wel door aan een machine die ook met 12 inch wafers overweg kan. Een investering van vijf tot zes miljoen, schat Chall.

De grootste technische uitdaging bij de opschaling naar 12 inch lag in de waferstage. Deze moet als een vliegend tapijt over een ultradunne luchtlaag met hoge nauwkeurigheid (binnen één micrometer) worden aangedreven. Het Duitse IMMS levert daarvoor de planaire motor waarbij de vaste magneten zich in de stage bevinden en de elektrische spoelen in de ondergrond. Vanwege de benodigde stijfheid van de stage volstond het niet om aluminium te gebruiken zoals Alsi bij eerdere machines had gedaan. Het moest met staal. Nadeel was dat de constructie hierdoor 90 kg woog. Die massa moet met een snelheid van 500 mm/s worden bewogen met een precisie van één micrometer en aan het eind van de slag binnen 0,1 s kunnen keren.

Verder besloot Alsi voor de besturing over te schakelen op communicatie via Ethercat en realtime processing met hulp van CCM‘s Saxcs-filosofie. Chall: ’Ethercat biedt de flexibiliteit om aanvullende modules in de machine bij te schakelen en de besturing via een industriële Linux-pc te verzorgen in plaats van met een speciale processorkaart. Saxcs stelt ontwikkelaars in staat om met modelgebaseerde ontwerpgereedschappen zoals Matlab/Simulink regelingen in veel kortere tijd dan voorheen en flexibeler te realiseren.‘

Halverwege 2010 ging de eerste 12-inchmachine op transport richting IBM. Het merendeel van de machines die Alsi dit jaar levert, kan nu overweg met de grotere wafers.

Om de crisis te overbruggen, zocht Alsi samen met TNO ook steun bij de Kenniswerkersregeling. De aanvraag werd goedgekeurd. Alsi stopte zestien man in het KWR-project, TNO nog eens vier. ’In dat project onderzochten we dicing en TSV‘s in het kader van het Bluebird-initiatief. Zonder de KWR hadden we die ontwikkeling sterk moeten afremmen. Niet stoppen maar afremmen‘, benadrukt Chall. ’Dat had betekend dat we misschien een jaar later in de markt waren geweest, waardoor we flink marktaandeel zouden hebben verloren. Door de KWR konden we op volle kracht doorgaan. Bovendien hebben we een zeer goede relatie met TNO opgebouwd. Daar werken nu vijftien man aan Alsi-projecten.‘ Zonder de KWR en de Point-One-subsidies voor Aliss (zie kader) en het 12-inch-project was Alsi veel te laat met het 12-inchplatform op de markt verschenen. Die achterstand zou het wellicht nooit meer te boven zijn gekomen.

Halverwege 2010 ging de eerste 12-inchmachine op transport richting IBM. ’In 2010 kwamen we weer op het niveau van voor de crisis‘, zegt Chall trots. ’In het vierde kwartaal ging de vraag ineens hard omhoog. Dit jaar verwachten we een veelvoud aan machines op te leveren, het merendeel voor 12 inch. De beperkende factor is de opschaling in de fabriek bij VDL ETG in Almelo.‘

Vijftien man erbij

Van meet af aan heeft Alsi ervoor gekozen zich als kopstaartbedrijf te positioneren: de conceptontwikkeling en de marketing doet het zelf, engineering en productie besteedt het uit. Chall: ’Vanaf het begin hebben we financiering gekregen van de overheid en van onze aandeelhouders Deutsche Bank, ING, Oppenheim en Philips. Met dat geld ga je natuurlijk geen kennis van machineontwikkeling opbouwen als je daarvoor experts in de buurt hebt zitten. Je moet het geld investeren in die zaken waarin je je kunt onderscheiden. In onze sector zit dat niet in machineontwikkeling. Disco doet dat immers al jaren. Intern hebben we de focus gelegd op de procesontwikkeling en ons multiple beam-proces. Hoe is de interactie tussen het laserlicht en het halfgeleidermateriaal? Welke golflengte is handig? Hoe lang moeten de pulsen zijn?‘

Alsi bouwde een partnernetwerk op. De machineontwikkeling is in handen van CCM. In Beuningen zitten alleen mensen die de proceseisen kunnen vertalen naar requirements voor de machine. Ook VDL ETG is vanaf het begin volledig betrokken geweest bij de ontwikkeling. Chall: ’Zo weet je vooraf of het concept voor een redelijke prijs maakbaar is.‘

Het inhuren van zo veel externe kennis is niet goedkoop. ’Al die kosten betalen we zelf‘, zegt Chall. ’Eerst kwam dat budget nog van subsidies en eigen kapitaal. Op dit moment is onze cashpositie zo sterk dat we alles zelf kunnen financieren. Bij elke bestelling krijgen we namelijk een aanbetaling van dertig procent.‘ Een machine kost – afhankelijk van de configuratie – ongeveer een miljoen euro.

Chall spreekt de intentie uit om ieder jaar te verdubbelen in aantal opgeleverde machines. Alsi zou dan al snel de kaap van honderd miljoen euro omzet kunnen ronden. ’Dit jaar willen we ongeveer vijftien mensen aannemen. Ook voor de volgende jaren is dat de bedoeling‘, zegt Chall. ’Alle grote halfgeleiderfabrikanten hebben de weg naar Beuningen gevonden.‘