混合鍵合，未來的主角！_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。04-25 16:25
晶圓鍵合是近十幾年快速發展起來的新興半導體加工技術，在MEMS，CIS和存儲芯片等領域有着重要的應用，得到越來越多的關注。
在信息的海洋中，晶圓鍵合的存在感相比光刻技術顯得異常稀薄，但是當我們拿出一台手機，他的圖像傳感器，重力加速傳感器，麥克風，4G和5G射頻前端，以及部分NAND，都或多或少應用到了晶圓鍵合的技術。可以説，晶圓鍵合技術為我們的信息化生活做出了重要的貢獻。
晶圓鍵合(wafer bonding)，從名字上就可以同傳統封裝中應用到的引線鍵合wire bonding和貼片鍵合die bonding所區分。日語中，bonding被翻譯為接合，從直觀印象上更方便於理解這一工藝和過程。
從鍵合方式上來分類，晶圓鍵合可以分為永久鍵合和臨時鍵合。區別也顧名思義，永久鍵合後無需再解鍵合(debonding)，而臨時鍵合還需要解鍵合，將接合在一起的晶圓重新打開。
從界面材料來講，分為帶中間層的膠鍵合，共晶鍵合，金屬熱壓鍵，無中間層的熔融鍵合(fusion bonding)和陽極鍵合等。
鍵合的目的也各不相同，比如為器件提供氣密保護，在MEMS和SAW中一定的應用場景；又例如為減薄晶圓提供機械支撐或是層轉移，比如IGBT和BSI中的應用就是基於該目的；目前最新也最重要的應用還是晶體管的三維互聯，HBM，3D NAND以及正在研發中的互補型場效應晶體管CFET和背部供電網絡BPN等，近年來興起的混合鍵合(hybrid bonding)便是着眼於這項應用的工藝，該工藝因為同時包含了熔融鍵合和金屬鍵合的特點而得名。
早期的晶圓鍵合對於套刻精度的控制要求並不高，鍵合後在10微米以內即可。但是自BSI開始後的套刻精度要求就到達了1.5微米的水平，而對於3D NAND和高端BSI的應用，更是達到了300納米以下甚至150納米的要求！隨着鍵合技術的發展和向前道工藝的滲透，筆者大膽推測，未來可能會達到數十納米套刻精度的要求。
舊酒新瓶裝
如先前所述，鍵合的本質是接合，其利用各種不同的物理和化學方式接合兩種界面的原理，早在人類切出第一片晶圓前就已經被發現和應用了。無論是藉助高分子化合物的膠鍵合，還是利用焊接原理的共晶鍵合，甚至是通過超光滑表面之間的範德華力相互吸引的熔融鍵合，其基本原理在晶圓鍵合誕生前就早已為人所知了。但晶圓鍵合真正的大規模工業應用，則是從最近十幾年才開始。
1969年，Wallis和Pomerantz第一次描述了在500℃下使用電場將硅經驗和蘇打玻璃晶圓鍵合在一起，即我們今天所知道的陽極鍵合。
1986年，IBM和東芝在研究中發現了熔融鍵合，當硅晶圓被鏡面拋光後，即使在室温下不借助其他粘合介質也可通過範德華力互相吸引發生鍵合，這也是硅-硅直接鍵合的開端。之後的數年裏，用於SOI，MEMS以及III-V族化合物的熔融鍵合技術被相繼發表。90年代後，使用等離子處理晶圓表面的常温鍵合+低温退火和高真空下的無需退火的熔融鍵合技術也相繼被開發出來。
2016年，索尼首次利用銅-二氧化硅混合鍵合生產圖像傳感器。這一始於80年代中期的構想，在經歷了十數年的研究後終於成為了現實，為產業界所接受。
通過晶圓鍵合的方式實現的三維互聯的方式有許多，但如同上圖中(a)所式的熔融鍵合方案和(d)所示的混合鍵合方案，更適合先進的CMOS工藝。
金屬熱壓鍵合(c)需要使用極高的壓力(10-100kN)，甚至類似陽極鍵合還會使用高壓電場，對於CMOS的工藝兼容性其實不是那麼得友好，容易破壞其前道的金屬圖形，因此僅需要常温鍵合+低温退火的熔融鍵合和混合鍵合(d)便因其與CMOS良好的工藝兼容性，得到了越來越多的青睞。
熔融鍵合也並非生來就如此温和，從早期需要1000℃高温進行數小時退火的工藝條件，發展到只需要常壓等離子表面活化後常温鍵合之後，在不足400℃的條件下退火，甚至在超高真空下使用等離子表面活化後無需退火，為其強大的CMOS工藝兼容性提供了保障。而不借助TSV直接使用銅觸點進行互聯的混合鍵合，將上下晶圓間的互聯距離縮小到了最短，進一步提升了電學性能。
正是因為得益於熔融鍵合和混合鍵合的快速發展，掃除了晶圓鍵合走向CMOS互聯工藝的最大障礙。
熔融鍵合：從SOI到BSI
熔融鍵合通常是以硅-硅或硅-二氧化硅為鍵合界面，經過適當的表面處理後進行接合的工藝。筆者看到過一種説法，只要表面足夠光滑和平整，則萬物皆可bond，因此磷化銦和鈮酸鋰這樣特殊的襯底也可以同硅晶圓進行熔融鍵合！
熔融鍵合早期相對為人所知的應用是用於SOI絕緣體上硅的生產。作為一種光學和電學性能豐富的襯底材料，SOI的製備自然也是比常規的硅片複雜的。裸硅片和熱氧片在熔融鍵合後通過背面減薄的方式，是早期的SOI片的主要製備方式，但是受制於其成本高，生產速度慢，均一性不佳，使得其應用場景相對受限。之後，法國的Soitec開發的SmartCut®技術使得成本，生產速度和均一性指標得到了飛躍性提升，裸硅片作為供體晶圓在熔融鍵合後，通過氫離子注入後自動斷裂，分離供體晶圓，在表面拋光後可重複使用。
熔融鍵合更為人熟知的應用，則是用於BSI背照式圖像傳感器的生產。初期的BSI通過作為機械支撐的無圖形晶圓與CMOS晶圓熔融鍵合後，將CMOS背面減薄進行pixel陣列的製作。隨着對圖像信號處理的需求的發展，將圖像處理的邏輯晶圓同CMOS晶圓進行面對面的熔融鍵合，並以TSV進行互聯來實現成為了新的製作方式。當混合鍵合的技術成熟後，BSI也進入了高密度互聯的時代，這便是後話。
除此之外，筆者在一些論文中也見到過使用熔融鍵合，將micro LED以及MEMS之類的芯片與CMOS進行互聯的案例。包括IMEC的CFET技術路線中，也有使用熔融鍵合來製作三維晶體管的應用，隨着半導體三維時代的到來，熔融鍵合的潛力不可估量。
混合鍵合：新時代名片
説到混合鍵合最典型的應用，毫無疑問就是長江存儲的Xtacking®了。通過不同的工藝，先後製作Memory晶圓和CMOS晶圓，在後道製程中構建兩者的觸點。通過混合鍵合，這些觸點被鏈接導通，Memory和CMOS就在垂直方向實現了互聯。
按照Frauebhofer研究所的説法，混合鍵合的優勢有三：
更短的互聯距離：不僅不需要用引線互相聯通，也無需用TSV穿過整個CMOS層，僅僅通過連接後道的銅觸點就可以實現互聯更高的互聯密度：銅觸點的面積非常小，相比直徑百微米的錫球和TSV，混合鍵合工藝中的銅觸點的pitch size甚至都不足10微米，無疑可以實現更高的互聯密度更低的成本：毫無疑問，針對每顆DIE單獨進行互聯需要更多的時間，通過晶圓鍵合可以實現大面積高密度的互聯，對產能的提升的貢獻是飛躍性的！自然，生產成本也可以得以降低
除了先前提到的BSI，諸如micro LED和CMOS進行混合鍵合的案例也是存在的。最新的研究中，甚至有將micro LED在小尺寸晶圓上製作完成後，分切成獨立的DIE重新粘接到一張12寸晶圓上與CMOS 12寸晶圓進行混合鍵合互聯的做法，可見其工藝兼容性是非常優秀的。這也是混合鍵合的另一大優勢，不同技術節點的CMOS也可以通過銅觸點進行互聯，工藝選擇的靈活性也獲得了飛躍性的提升！
當然，混合鍵合併非完美無缺，比如無法從最初階段就知道失效DIE，只有在完成集成，減薄和劃片以及通過測試後才能分辨，因此會使成品DIE的良率受到較大影響。其次，鍵合界面需要超高的平整度，晶圓的內部應力也需要管控以減小晶圓翹曲，這些都對後道工藝控制提出了苛刻的要求。相比傳統封裝技術，混合鍵合所需的ISO3以上的潔淨等級相比傳統封測廠的ISO5的潔淨度要求高了許多，對廠務和環境的管控都提出了很高的要求。
工藝的實現需要依託材料和設備的支持，雖然是後道工藝，但是這其中的玩家卻是少之又少，其中來自德國的蘇斯(Karl Suss)和奧地利的EVG(EV Group)獨佔鰲頭，日本的佳能和三菱雖然也有特別門類的鍵合設備，但無論是市佔率還是技術水平都無法與這兩位頂級玩家相提並論。國內目前唯一系統性介紹晶圓鍵合的資料是《晶圓鍵合手冊》，蘇斯和EVG的設備在其中出鏡率相當之高，被反覆提及，其知名度和領先地位不言而喻。
蘇斯和EVG的產品線重合度較高，雙方几乎同時涵蓋了所有類型的鍵合工藝，除了鍵合機外，還包括用於晶圓對準的對準機和雙面光刻機，以及檢測鍵合精度的量測機台也都有涉足，但實則各有千秋。在國內鍵合機市場，相較於EVG，蘇斯在高校和研究院所的口碑和市佔率更好，但工業應用中EVG則更勝一籌。特別是國內的先進BSI產線，EVG的全自動熔融鍵合機GeminiFB幾乎達到了100%的市場份額！
目前國產的鍵合機依舊以低端為主，上海S公司研製生產的鍵合機雖然滲透了膠鍵合和金屬鍵合的市場，但是尚未進入熔融鍵合的主陣地。而另一家主攻鍵合機的國內企業是H公司，同S公司一樣，H公司是一家以光刻子系統為人所知的企業，其200nm的對準精度尚無法同EVG上一代產品比肩，但也是本土企業的一大突破！此外，還有數家半導體設備製造公司正在開發新的鍵合設備，畢竟到去年位為止，CIS行業的增長已經持續了10年，市場空間相當廣闊！儘管2022年CIS市場迎來了10年來首次下跌，但是隨着安防和智慧城市的需求不斷增加，CIS的市場足夠龐大，也容得下蘇斯和EVG之外的玩家。
寫在最後
過去十年，推進摩爾定律的腳步逐漸放緩，越開越多的半導體公司尋求先進封裝來帶動芯片性能的提升，異構集成便是其中一解，而晶圓鍵合工藝為其提供了高效的實現路徑，成為有力的候選工藝！
當2022年英特爾和IMEC公佈未來的晶體管發展路線，1nm以後進入CFET時代後，筆者就深信熔融鍵合和混合鍵合將會從後道走向前道，和high NA以及hyper NA EUV光刻機一同引領下一個15年的半導體行業發展之路！