晶圓鍵合是近十幾年快速發(fā)展起來的新興半導(dǎo)體加工技術(shù)，在MEMS，CIS和存儲(chǔ)芯片等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，得到越來越多的關(guān)注。

　　在信息的海洋中，晶圓鍵合的存在感相比光刻技術(shù)顯得異常稀薄，但是當(dāng)我們拿出一臺(tái)手機(jī)，他的圖像傳感器，重力加速傳感器，麥克風(fēng)，4G和5G射頻前端，以及部分NAND，都或多或少應(yīng)用到了晶圓鍵合的技術(shù)。可以說，晶圓鍵合技術(shù)為我們的信息化生活做出了重要的貢獻(xiàn)。

　　鍵合=接合

　　晶圓鍵合(wafer bonding)，從名字上就可以同傳統(tǒng)封裝中應(yīng)用到的引線鍵合wire bonding和貼片鍵合die bonding所區(qū)分。日語中，bonding被翻譯為接合，從直觀印象上更方便于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(shí)鍵合。區(qū)別也顧名思義，永久鍵合后無需再解鍵合(debonding)，而臨時(shí)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(hù)，在MEMS和SAW中一定的應(yīng)用場(chǎng)景；又例如為減薄晶圓提供機(jī)械支撐或是層轉(zhuǎn)移，比如IGBT和BSI中的應(yīng)用就是基于該目的；目前最新也最重要的應(yīng)用還是晶體管的三維互聯(lián)，HBM，3D NAND以及正在研發(fā)中的互補(bǔ)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管CFET和背部供電網(wǎng)絡(luò)BPN等，近年來興起的混合鍵合(hybrid bonding)便是著眼于這項(xiàng)應(yīng)用的工藝，該工藝因?yàn)橥瑫r(shí)包含了熔融鍵合和金屬鍵合的特點(diǎn)而得名。

　　早期的晶圓鍵合對(duì)于套刻精度的控制要求并不高，鍵合后在10微米以內(nèi)即可。但是自BSI開始后的套刻精度要求就到達(dá)了1.5微米的水平，而對(duì)于3D NAND和高端BSI的應(yīng)用，更是達(dá)到了300納米以下甚至150納米的要求！隨著鍵合技術(shù)的發(fā)展和向前道工藝的滲透，筆者大膽推測(cè)，未來可能會(huì)達(dá)到數(shù)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(zhì)是接合，其利用各種不同的物理和化學(xué)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(jīng)被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用了。無論是借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范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(guī)模工業(yè)應(yīng)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(chǎng)將硅經(jīng)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)了熔融鍵合，當(dāng)硅晶圓被鏡面拋光后，即使在室溫下不借助其他粘合介質(zhì)也可通過范德華力互相吸引發(fā)生鍵合，這也是硅-硅直接鍵合的開端。之后的數(shù)年里，用于SOI，MEMS以及III-V族化合物的熔融鍵合技術(shù)被相繼發(fā)表。90年代后，使用等離子處理晶圓表面的常溫鍵合+低溫退火和高真空下的無需退火的熔融鍵合技術(shù)也相繼被開發(fā)出來。

　　2016年，索尼首次利用銅-二氧化硅混合鍵合生產(chǎn)圖像傳感器。這一始于80年代中期的構(gòu)想，在經(jīng)歷了十?dāng)?shù)年的研究后終于成為了現(xiàn)實(shí)，為產(chǎn)業(yè)界所接受。

　　通過晶圓鍵合的方式實(shí)現(xiàn)的三維互聯(lián)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(jìn)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(huì)使用高壓電場(chǎng)，對(duì)于CMOS的工藝兼容性其實(shí)不是那么得友好，容易破壞其前道的金屬圖形，因此僅需要常溫鍵合+低溫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。

　　熔融鍵合也并非生來就如此溫和，從早期需要1000℃高溫進(jìn)行數(shù)小時(shí)退火的工藝條件，發(fā)展到只需要常壓等離子表面活化后常溫鍵合之后，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后無需退火，為其強(qiáng)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(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)的混合鍵合，將上下晶圓間的互聯(lián)距離縮小到了最短，進(jìn)一步提升了電學(xué)性能。

　　正是因?yàn)榈靡嬗谌廴阪I合和混合鍵合的快速發(fā)展，掃除了晶圓鍵合走向CMOS互聯(lián)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(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗筮M(jìn)行接合的工藝。筆者看到過一種說法，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(jìn)行熔融鍵合！

　　熔融鍵合早期相對(duì)為人所知的應(yīng)用是用于SOI絕緣體上硅的生產(chǎn)。作為一種光學(xué)和電學(xué)性能豐富的襯底材料，SOI的制備自然也是比常規(guī)的硅片復(fù)雜的。裸硅片和熱氧片在熔融鍵合后通過背面減薄的方式，是早期的SOI片的主要制備方式，但是受制于其成本高，生產(chǎn)速度慢，均一性不佳，使得其應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)受限。之后，法國的Soitec開發(fā)的SmartCut?技術(shù)使得成本，生產(chǎn)速度和均一性指標(biāo)得到了飛躍性提升，裸硅片作為供體晶圓在熔融鍵合后，通過氫離子注入后自動(dòng)斷裂，分離供體晶圓，在表面拋光后可重復(fù)使用。

　　熔融鍵合更為人熟知的應(yīng)用，則是用于BSI背照式圖像傳感器的生產(chǎn)。初期的BSI通過作為機(jī)械支撐的無圖形晶圓與CMOS晶圓熔融鍵合后，將CMOS背面減薄進(jìn)行pixel陣列的制作。隨著對(duì)圖像信號(hào)處理的需求的發(fā)展，將圖像處理的邏輯晶圓同CMOS晶圓進(jìn)行面對(duì)面的熔融鍵合，并以TSV進(jìn)行互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)成為了新的制作方式。當(dāng)混合鍵合的技術(shù)成熟后，BSI也進(jìn)入了高密度互聯(lián)的時(shí)代，這便是后話。

　　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(jìn)行互聯(lián)的案例。包括IMEC的CFET技術(shù)路線中，也有使用熔融鍵合來制作三維晶體管的應(yīng)用，隨著半導(dǎo)體三維時(shí)代的到來，熔融鍵合的潛力不可估量。

　　混合鍵合：新時(shí)代名片

　　說到混合鍵合最典型的應(yīng)用，毫無疑問就是長江存儲(chǔ)的Xtacking?了。通過不同的工藝，先后制作Memory晶圓和CMOS晶圓，在后道制程中構(gòu)建兩者的觸點(diǎn)。通過混合鍵合，這些觸點(diǎn)被鏈接導(dǎo)通，Memory和CMOS就在垂直方向?qū)崿F(xiàn)了互聯(lián)。

　　Source: 長江存儲(chǔ)官網(wǎng)

　　按照Frauebhofer研究所的說法，混合鍵合的優(yōu)勢(shì)有三：

• 　　更短的互聯(lián)距離：不僅不需要用引線互相聯(lián)通，也無需用TSV穿過整個(gè)CMOS層，僅僅通過連接后道的銅觸點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)

• 　　更高的互聯(lián)密度：銅觸點(diǎn)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(diǎn)的pitch size甚至都不足10微米，無疑可以實(shí)現(xiàn)更高的互聯(lián)密度

• 　　更低的成本：毫無疑問，針對(duì)每顆DIE單獨(dú)進(jìn)行互聯(lián)需要更多的時(shí)間，通過晶圓鍵合可以實(shí)現(xiàn)大面積高密度的互聯(lián)，對(duì)產(chǎn)能的提升的貢獻(xiàn)是飛躍性的！自然，生產(chǎn)成本也可以得以降低

　　除了先前提到的BSI，諸如micro LED和CMOS進(jìn)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在小尺寸晶圓上制作完成后，分切成獨(dú)立的DIE重新粘接到一張12寸晶圓上與CMOS 12寸晶圓進(jìn)行混合鍵合互聯(lián)的做法，可見其工藝兼容性是非常優(yōu)秀的。這也是混合鍵合的另一大優(yōu)勢(shì)，不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的CMOS也可以通過銅觸點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)，工藝選擇的靈活性也獲得了飛躍性的提升！

　　當(dāng)然，混合鍵合并非完美無缺，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(cè)試后才能分辨，因此會(huì)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(nèi)部應(yīng)力也需要管控以減小晶圓翹曲，這些都對(duì)后道工藝控制提出了苛刻的要求。相比傳統(tǒng)封裝技術(shù)，混合鍵合所需的ISO3以上的潔凈等級(jí)相比傳統(tǒng)封測(cè)廠的ISO5的潔凈度要求高了許多，對(duì)廠務(wù)和環(huán)境的管控都提出了很高的要求。

　　頂級(jí)玩家

　　工藝的實(shí)現(xiàn)需要依托材料和設(shè)備的支持，雖然是后道工藝，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(dú)占鰲頭，日本的佳能和三菱雖然也有特別門類的鍵合設(shè)備，但無論是市占率還是技術(shù)水平都無法與這兩位頂級(jí)玩家相提并論。國內(nèi)目前唯一系統(tǒng)性介紹晶圓鍵合的資料是《晶圓鍵合手冊(cè)》，蘇斯和EVG的設(shè)備在其中出鏡率相當(dāng)之高，被反復(fù)提及，其知名度和領(lǐng)先地位不言而喻。

　　蘇斯和EVG的產(chǎn)品線重合度較高，雙方幾乎同時(shí)涵蓋了所有類型的鍵合工藝，除了鍵合機(jī)外，還包括用于晶圓對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)機(jī)和雙面光刻機(jī)，以及檢測(cè)鍵合精度的量測(cè)機(jī)臺(tái)也都有涉足，但實(shí)則各有千秋。在國內(nèi)鍵合機(jī)市場(chǎng)，相較于EVG，蘇斯在高校和研究院所的口碑和市占率更好，但工業(yè)應(yīng)用中EVG則更勝一籌。特別是國內(nèi)的先進(jìn)BSI產(chǎn)線，EVG的全自動(dòng)熔融鍵合機(jī)GeminiFB幾乎達(dá)到了100%的市場(chǎng)份額！

　　目前國產(chǎn)的鍵合機(jī)依舊以低端為主，上海S公司研制生產(chǎn)的鍵合機(jī)雖然滲透了膠鍵合和金屬鍵合的市場(chǎng)，但是尚未進(jìn)入熔融鍵合的主陣地。而另一家主攻鍵合機(jī)的國內(nèi)企業(yè)是H公司，同S公司一樣，H公司是一家以光刻子系統(tǒng)為人所知的企業(yè)，其200nm的對(duì)準(zhǔn)精度尚無法同EVG上一代產(chǎn)品比肩，但也是本土企業(yè)的一大突破！此外，還有數(shù)家半導(dǎo)體設(shè)備制造公司正在開發(fā)新的鍵合設(shè)備，畢竟到去年位為止，CIS行業(yè)的增長已經(jīng)持續(xù)了10年，市場(chǎng)空間相當(dāng)廣闊！盡管2022年CIS市場(chǎng)迎來了10年來首次下跌，但是隨著安防和智慧城市的需求不斷增加，CIS的市場(chǎng)足夠龐大，也容得下蘇斯和EVG之外的玩家。

　　寫在最后

　　過去十年，推進(jìn)摩爾定律的腳步逐漸放緩，越開越多的半導(dǎo)體公司尋求先進(jìn)封裝來帶動(dòng)芯片性能的提升，異構(gòu)集成便是其中一解，而晶圓鍵合工藝為其提供了高效的實(shí)現(xiàn)路徑，成為有力的候選工藝！

　　當(dāng)2022年英特爾和IMEC公布未來的晶體管發(fā)展路線，1nm以后進(jìn)入CFET時(shí)代后，筆者就深信熔融鍵合和混合鍵合將會(huì)從后道走向前道，和high NA以及hyper NA EUV光刻機(jī)一同引領(lǐng)下一個(gè)15年的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展之路！

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