鍵合就是將兩片表面清潔、原子級(jí)平整的同質(zhì)或異質(zhì)材料晶圓，經(jīng)表面清洗與活化處理，在一定條件下通過分子力/原子力鍵合成一體的技術(shù)，也是獲得復(fù)合材料的有效手段。晶圓鍵合機(jī)的基本原理是對(duì)鍵合材料施加外部條件（壓力、溫度和電壓等），以進(jìn)行不同材料和結(jié)構(gòu)的鍵合。鍵合質(zhì)量與成功率均與控制系統(tǒng)密切相關(guān)。
晶圓鍵合技術(shù)根據(jù)有/無中間層分為兩大類，根據(jù)作用機(jī)理又主要分為直接鍵合、陽極鍵合和黏合劑鍵合三大類。直接鍵合又稱融合鍵合或分子鍵合，是指經(jīng)過特殊處理的晶圓表面在室溫下接觸后，通過分子間作用力（如范德華力）形成初步鍵合，再經(jīng)高溫退火提高鍵合強(qiáng)度的工藝過程。由Iasky 等人于1985 年首次提出。這種鍵合方式不需要中間層材料（如黏結(jié)劑），就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的晶格匹配，廣泛應(yīng)用于 SOI（Silicon-On-Insulator，即絕緣襯底上的硅）材料和三維集成領(lǐng)域。與其他鍵合技術(shù)相比，直接鍵合的鍵合強(qiáng)度高、鍵合界面可靠、工藝流程精簡，適用于多種鍵合材料，具有較高的研究價(jià)值。
隨著人工智能（AI）和大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用對(duì)互連密度的要求越來越高，晶圓間（W2W）混合鍵合（HB）越來越受到關(guān)注；混合鍵合技術(shù)作為微電子封裝領(lǐng)域的新型連接技術(shù)，已經(jīng)助力實(shí)現(xiàn)了芯片堆疊封裝，該類芯片具有高性能、高密度和低功耗的特點(diǎn)。Chiplet（芯粒）晶圓混合鍵合技術(shù)常見的兩種互連方式有：（1）W2W：適合高良率的芯片，如CMOS、3D NAND；（2）Die to Wafer(D2W)芯片對(duì)晶圓：適合不同種類型芯片集成，如異構(gòu)集成。W2W鍵合良率更高的原因在于對(duì)準(zhǔn)和鍵合步驟是分開的，即在W2W 設(shè)備有一個(gè)單獨(dú)的腔室（chamber）來執(zhí)行對(duì)齊。
二、晶圓襯底對(duì)晶圓鍵合工藝的影響
W2W鍵合技術(shù)近年來已成為關(guān)鍵的器件尺寸縮放推動(dòng)因素。W2W鍵合的兩種常見應(yīng)用包括混合鍵合和熔融鍵合。在混合鍵合中，兩個(gè)器件（圖案化）晶圓通過混合界面連接在一起，該界面通常包含通過介電層的金屬鍵合焊盤。通過使用混合鍵合，兩個(gè)具有不同專門功能（如邏輯和存儲(chǔ)器）的器件晶圓可以分別制造，最后連接在一起以形成性能改進(jìn)的器件。在熔融鍵合中，器件晶圓直接鍵合到載體（未圖案化）晶圓上，無需中間層。此過程將器件堆疊翻轉(zhuǎn)倒置，并允許從背面訪問器件層以進(jìn)行額外工藝。利用熔融鍵合的技術(shù)，如背面供電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于滿足摩爾定律所概述的器件尺寸縮小要求至關(guān)重要。
在兩個(gè)晶圓鍵合在一起后，通常測量鍵合界面沿線的失準(zhǔn)以評(píng)估器件良率。在混合鍵合中，絕對(duì)失準(zhǔn)或總失真至關(guān)重要，因?yàn)镃u焊盤必須完美重疊以形成電路。在一些熔融鍵合應(yīng)用中，例如背面供電網(wǎng)絡(luò)，鍵合對(duì)會(huì)通過移除其中一個(gè)硅晶圓襯底進(jìn)行進(jìn)一步處理，以暴露背面的器件。在此類應(yīng)用中，額外的圖案化步驟提供了一定的能力來補(bǔ)償鍵合界面沿線的失準(zhǔn)，因此掃描儀校正后的殘留失真?zhèn)涫荜P(guān)注。這種鍵合后殘留失真與光刻步驟后的疊加直接相關(guān)。因此，了解鍵合相關(guān)失效的根本原因?qū)τ诟倪M(jìn)工藝控制和器件良率至關(guān)重要。
鍵合工藝仿真是研究鍵合相關(guān)失效的一種方法。實(shí)際上，硅晶圓的機(jī)械性能根據(jù)晶體取向而變化。鍵合后失效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示，鍵合后失效圖具有與硅機(jī)械性能相似的特征。因此，需要三維仿真模型來準(zhǔn)確評(píng)估鍵合后失效。
下圖顯示了用于仿真的晶圓鍵合工藝過程。
兩個(gè)晶圓最初以微小間隙放置。下晶圓通常由下卡盤保持平坦，而上晶圓倒置并由上卡盤保持。在鍵合過程開始時(shí)，機(jī)械力將上晶圓的中心向下推，直到上晶圓接觸下晶圓。由于范德華吸引力沿鍵合界面作用，兩個(gè)晶圓自發(fā)連接。在某個(gè)點(diǎn)，隨著鍵合向晶圓邊緣傳播，上晶圓從其卡盤上釋放。一旦兩個(gè)晶圓完全鍵合，下卡盤釋放鍵合的晶圓對(duì)，準(zhǔn)備進(jìn)行進(jìn)一步的器件處理。
本CASE重點(diǎn)關(guān)注以米勒指數(shù)表示的三種類型的硅取向面(100)、(110)和(111)。由于晶體結(jié)構(gòu)，硅晶圓的機(jī)械性能在平面內(nèi)是方向相關(guān)的。下圖顯示了三種硅晶圓類型的等效楊氏模量E和泊松比v。由于晶圓平面內(nèi)機(jī)械性能的變化，通常使用凹口來幫助指示晶體對(duì)準(zhǔn)方向。(100)晶圓的標(biāo)準(zhǔn)凹口位置沿[110]方向。保留四重對(duì)稱性的替代凹口位置是沿[100]方向。同樣，(110)晶圓的凹口位置可能沿[001]或[10]方向。另一方面，(111)晶圓在晶體平面中具有軸對(duì)稱機(jī)械性能，因此凹口位置不像其他晶圓那樣重要。在本CASE中，模擬的(111)晶圓的凹口位置沿[11]方向。
仿真在3D中進(jìn)行以捕捉硅的機(jī)械性能，根據(jù)硅的晶面，可以利用對(duì)稱性來減少3D模擬模型。例如，對(duì)于(100)硅，只需要模擬八分之一晶圓，因?yàn)樗豖軸和45°軸對(duì)稱。另一方面，(110)硅沿X軸和Y軸對(duì)稱，意味著至少必須模擬四分之一晶圓。本CASE使用有限元軟件模擬四分之一晶圓的晶圓鍵合動(dòng)力學(xué)，以詳細(xì)研究晶圓失效行為。
下圖顯示了一個(gè)典型的晶圓鍵合模擬結(jié)果。模擬中假設(shè)兩個(gè)晶圓都是完全平坦的。鍵合工藝后，鍵合晶圓從卡盤上釋放，鍵合后晶圓形狀具有約50μm的翹曲(a)。這種翹曲是由鍵合界面沿線的鍵合應(yīng)力引起的，這導(dǎo)致沿線總失準(zhǔn)高達(dá)約550 nm(b)。由于鍵合傳播，總矢量大多徑向向外。在鍵合步驟期間進(jìn)行簡單的工藝調(diào)整或在光刻步驟期間進(jìn)行掃描儀校正可以補(bǔ)償?shù)碗A全局失真指紋。例如，在應(yīng)用全局6項(xiàng)校正模型后，失真殘留小于約60 nm(c）。更重要的是，盡管鍵合工藝條件完全是軸對(duì)稱的，但四重對(duì)稱的失真指紋是明顯的。在晶圓邊緣附近，失真沿X和Y方向向外，但沿對(duì)角線方向向內(nèi)。這表明硅襯底在鍵合后失真指紋中起著重要作用。
下圖顯示了對(duì)于不同上晶圓硅襯底，鍵合過程中上晶圓高度（平面外位移）的變化。對(duì)于不同的晶圓晶體取向，鍵合傳播的差異很小。這是因?yàn)殒I合傳播動(dòng)力學(xué)主要由夾在兩個(gè)晶圓之間的空氣層的粘性阻尼力學(xué)驅(qū)動(dòng)。由于硅晶圓的板狀機(jī)械行為，晶圓平面內(nèi)角向晶圓高度變化也小于最大位移的10%。
下圖顯示了對(duì)于不同上下晶圓晶體取向組合，在相同鍵合條件下的鍵合后失真。由于鍵合過程中的局部變形，每個(gè)組合具有不同的鍵合后失真指紋。面內(nèi)位移對(duì)硅晶體結(jié)構(gòu)比面外位移更敏感。(100)和(110)晶圓顯示出強(qiáng)的四重失真對(duì)稱性，而(111)-(111)晶圓對(duì)大致是軸對(duì)稱的。模擬結(jié)果與圖中顯示的硅機(jī)械性能的觀察結(jié)果一致，符合預(yù)期。
下圖顯示了(100)[110]和(110)[10]硅晶圓不同鍵合組合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在定性上與模擬結(jié)果匹配，實(shí)驗(yàn)的兩種晶圓類型顯示出相似的四重對(duì)稱行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，當(dāng)頂部和底部晶圓具有不同晶體取向時(shí)，鍵合后失真更低，這與模擬結(jié)果一致。
由于較低的鍵合后失真直接提高了器件良率，某些晶圓組合可能通過具有兼容的局部變形變化而更有利。例如，最常見的硅晶圓類型，(100)[110]晶圓鍵合到另一個(gè)(100)[110]晶圓上，具有約60 nm 3σ鍵合后失真。另一方面，將(100)[110]上晶圓鍵合到(110)[10]下晶圓上導(dǎo)致約30 nm 3σ鍵合后失真。因此，通過仔細(xì)配對(duì)兩種不同晶體取向的晶圓，可以簡單地減少鍵合后失真。這可能在某些應(yīng)用中具有優(yōu)勢，其中其他制造工藝對(duì)硅襯底的晶體結(jié)構(gòu)不敏感。
然而，在翻轉(zhuǎn)配置中，將(110)[10]上晶圓鍵合到(100)[110]下晶圓上導(dǎo)致的鍵合后失真與(100)[110]-(100)[110]對(duì)相似，約為60 nm 3σ。原因在于鍵合過程中上下晶圓局部變形的差異。上晶圓被變形并動(dòng)態(tài)推入接觸，而下晶圓由下卡盤保持靜止。這種差異導(dǎo)致兩種不同硅晶圓類型的鍵合配置更有利。
在某些應(yīng)用中，硅晶圓類型的選擇由器件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)。例如，在晶圓鍵合應(yīng)用中常見的(100)[110]-(100)[110]晶圓對(duì)，在鍵合后失真殘留中產(chǎn)生強(qiáng)的四重對(duì)稱性。由于此指紋對(duì)于此晶圓對(duì)類型是相同的，因此更方便地使用鍵合工藝來減輕與局部機(jī)械變化相關(guān)的鍵合后失真。下圖(a)顯示了通過調(diào)整鍵合工藝條件來改善鍵合后失真的示例模擬。在此模擬中，外力施加變形到晶圓上，專門用于減輕硅晶體效應(yīng)。鍵合后6項(xiàng)失真殘留顯示比典型工藝改善了40%(b)。很明顯，通過鍵合工藝調(diào)整，邊緣附近的四重對(duì)稱指紋顯著減少。
在直接鍵合技術(shù)中，鍵合力控制主要依賴于表面預(yù)處理和退火工藝的優(yōu)化。親水化晶圓表面處理（如氧等離子體處理）可以增加表面羥基密度，提高初始鍵合強(qiáng)度。退火過程中的溫度梯度控制對(duì)于減少熱應(yīng)力較為重要，采用多階段退火工藝（如先在低溫下穩(wěn)定鍵合界面，再逐步升高溫度）有利于獲得更均勻的鍵合強(qiáng)度分布。
陽極鍵合的力學(xué)控制更為復(fù)雜，涉及電場、溫度和機(jī)械壓力的協(xié)同作用。鍵合電壓的施加方式和速率直接影響界面離子的遷移行為，進(jìn)而影響鍵合強(qiáng)度和均勻性。新型的動(dòng)態(tài)電壓控制策略，即在鍵合過程中根據(jù)電流響應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整電壓參數(shù)，能夠顯著提高鍵合界面的質(zhì)量一致性。
黏合劑鍵合的力學(xué)控制重點(diǎn)在于中間層材料的選擇和固化工藝的優(yōu)化。聚合物材料的流變特性決定了其在鍵合壓力下的填充行為，而固化動(dòng)力學(xué)則影響最終的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。通過添加納米填料（如SiO2納米顆粒）可以調(diào)節(jié)黏合劑的機(jī)械性能，實(shí)現(xiàn)鍵合強(qiáng)度的精確調(diào)控。此外，紫外光輔助固化等新型工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下的高強(qiáng)度鍵合。
鍵合力的控制通常不是通過單一方法實(shí)現(xiàn)的，而是貫穿于鍵合前的表面處理、鍵合工藝參數(shù)選擇以及鍵合后處理整個(gè)流程。不同的鍵合技術(shù)（如直接鍵合、陽極鍵合、共晶鍵合等）其控制方法和側(cè)重點(diǎn)也不同。鍵合力的控制本質(zhì)上是“鍵合強(qiáng)度”與“工藝帶來的負(fù)面影響”（如熱應(yīng)力、缺陷、成本）之間的權(quán)衡。
鍵合力測量技術(shù)主要包括拉伸/剪切測試、四點(diǎn)彎曲測試、納米壓痕技術(shù)和裂紋開口位移法等。拉伸測試簡單直接，但可能引入額外的應(yīng)力集中。四點(diǎn)彎曲測試更適合評(píng)估脆性材料體系的界面強(qiáng)度，獲得斷裂韌性參數(shù)。納米壓痕技術(shù)作為一種局部測量方法，能夠提供微區(qū)鍵合性能的分布信息，對(duì)工藝開發(fā)具有重要指導(dǎo)價(jià)值。裂紋開口位移法是最常用的檢測方法，即半導(dǎo)體晶圓經(jīng)過鍵合后或高溫退火后，使用刀片勻速插入兩個(gè)晶圓鍵合界面中，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。將裂紋長度代入相關(guān)理論公式后，能夠計(jì)算出晶圓鍵合力。
晶圓鍵合力控制面臨的主要挑戰(zhàn)包括：異質(zhì)材料集成中的熱失配應(yīng)力問題、超薄晶圓鍵合過程中的變形控制，以及界面缺陷對(duì)器件性能的影響等。特別是對(duì)于第三代半導(dǎo)體材料（如 SiC、GaN）的鍵合，由于較高的工藝溫度要求，傳統(tǒng)的鍵合技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。此外，隨著芯片堆疊層數(shù)的增加，以及鍵合互連密度的提高，對(duì)于界面的電學(xué)性能要求也日益嚴(yán)格。開發(fā)同時(shí)滿足高機(jī)械強(qiáng)度和高電學(xué)性能的鍵合技術(shù)，將成為重要的研究方向。同時(shí)，晶圓封裝技術(shù)的發(fā)展也將推動(dòng)低溫、低應(yīng)力鍵合工藝的創(chuàng)新。
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