01 晶圓鍵合發(fā)展背景 ? ? 在摩爾定律的引導(dǎo)下，集成電路行業(yè)一直高速發(fā)展，晶體管特征尺寸已經(jīng)從90nm向7nm邁進(jìn)。然而，由于隨著晶體管特征尺寸已日益接近物理極限，量子效應(yīng)和短溝道效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，內(nèi)部電子自發(fā)地通過(guò)源極和漏極，導(dǎo)致漏電流增加，進(jìn)而限制了晶體管的進(jìn)一步縮小。因此，按照摩爾定律的方式，通過(guò)縮小晶體管特征尺寸來(lái)提升集成電路性能、降低功耗變得越發(fā)困難。晶體管將會(huì)快速地接近約5nm的極限柵極長(zhǎng)度，因此探索新的溝道材料和器件結(jié)構(gòu)是推動(dòng)IC產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的兩條極為重要的路線(xiàn)。 3D、晶圓級(jí)等先進(jìn)封裝是超越摩爾一個(gè)至關(guān)重要的研究應(yīng)用方向。以3D集成封裝為例，垂直于晶圓或芯片平面方向上進(jìn)行堆疊，集成電路技術(shù)由二維平面向三維方向發(fā)展，該技術(shù)分段實(shí)現(xiàn)，首先實(shí)現(xiàn)幾層的3D堆疊，隨著時(shí)間的推移，堆疊芯片層數(shù)將會(huì)不斷增加。采用全新結(jié)構(gòu)的3D集成是推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)，諸如存儲(chǔ)器、邏輯器件、傳感器和處理器等不同類(lèi)型的器件和軟件的復(fù)雜集成，以及新材料和先進(jìn)的芯片堆疊技術(shù)，都要基于3D集成技術(shù)。另外，由于最新一代的光刻機(jī)的延遲交貨和功率限制的綜合影響，制造商無(wú)法進(jìn)一步縮小器件尺寸，垂直堆疊芯片設(shè)備（含三維集成技術(shù)）正成為大勢(shì)所趨。

芯片堆疊封裝存在著4項(xiàng)挑戰(zhàn)，分別為晶圓級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度、鍵合完整性、晶圓減薄與均勻性控制以及層內(nèi)（層間）互聯(lián)。隨著摩爾定律逼近材料與器件的物理極限，源于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）制造技術(shù)的晶圓級(jí)封裝鍵合技術(shù)逐漸進(jìn)入集成電路制造領(lǐng)域，成為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器、邏輯器件、射頻器件等部件的三維堆疊同質(zhì)/異質(zhì)集成，進(jìn)而提升器件性能和功能，降低系統(tǒng)功耗、尺寸與制造成本的重要技術(shù)途徑，對(duì)滿(mǎn)足集成電路高集密度、高功能密度和高性能集成的迫切需求，突破國(guó)內(nèi)自主可控平面集成能力不足的瓶頸，實(shí)現(xiàn)集成電路由平面集成向三維立體集成的跨越式發(fā)展有重要的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。因此，英特爾、三星、華為、高通、羅姆、臺(tái)積電等知名企業(yè)及眾多高校、科研院所均圍繞晶圓級(jí)封裝鍵合開(kāi)展了設(shè)備、器件、工藝的研究。

鍵合（Bonding）屬于后道封裝過(guò)程，分為晶圓-晶圓鍵合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圓鍵合（Die-to-Wafer，D2W）。鍵合主要指將兩片表面清潔、原子級(jí)平整的同質(zhì)或異質(zhì)半導(dǎo)體材料經(jīng)表面清洗和活化處理，在一定條件下直接結(jié)合，通過(guò)范德華力、分子力甚至原子力使兩片半導(dǎo)體材料成為一體的技術(shù)。W2W 是指通過(guò)化學(xué)或物理反應(yīng)將晶圓與晶圓、晶圓與玻璃基板或其他材料圓片永久結(jié)合起來(lái)的工藝。鍵合過(guò)程為，在外能量的作用下，兩個(gè)晶圓接合界面上的原子相互反應(yīng)形成共價(jià)鍵，從而使晶圓接合并達(dá)到一定的界面鍵合強(qiáng)度；D2W 指在劃片工藝之后，將從晶圓上切割的芯片黏貼在封裝基板（引線(xiàn)框架或印刷電路板）上。芯片鍵合工藝可分為傳統(tǒng)和先進(jìn)方法，傳統(tǒng)方法采用芯片鍵合（Die Bonding）和引線(xiàn)鍵合（Wire Bonding），先進(jìn)方法采用倒裝芯片鍵合（Flip Chip Bonding）、混合鍵合（Hybrid Bonding）等技術(shù)。鍵合、解鍵合市場(chǎng)發(fā)展較晚，是從第二代半導(dǎo)體磷化銦、砷化鎵開(kāi)始發(fā)展的，最先開(kāi)始使用鍵合/解鍵合的廠(chǎng)商是臺(tái)灣穩(wěn)懋，主要是做射頻器件、光通器件及激光器件時(shí)，會(huì)用到薄化工藝，后來(lái)逐漸發(fā)展到先進(jìn)封裝層面，目前重點(diǎn)是臺(tái)積電的應(yīng)用為主。鍵合廣泛應(yīng)用在芯片的減薄工藝，追求芯片越來(lái)越小、效率越來(lái)越高、成本越來(lái)越低是各個(gè)芯片廠(chǎng)商追求的趨勢(shì)。隨著碳化硅產(chǎn)業(yè)的起步和發(fā)展，目前鍵合/解鍵合工藝涵蓋了第一代、第二代、第三代半導(dǎo)體。

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(xiàn)鍵合wire bonding和貼片鍵合die bonding所區(qū)分。bonding可以被翻譯為接合，從直觀印象上更方便于理解這一工藝和過(guò)程。從鍵合方式上來(lái)分類(lèi)，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(wú)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(kāi)。從界面材料來(lái)講，分為帶中間層的膠鍵合，共晶鍵合，金屬熱壓鍵，無(wú)中間層的熔融鍵合(fusion bonding)和陽(yáng)極鍵合等。

以前晶圓鍵合業(yè)務(wù)主要面向封裝領(lǐng)域的客戶(hù)。如果一顆一顆晶圓去做封裝，效率會(huì)很低，如果用整一個(gè)晶圓片去做封裝，效率就會(huì)高很多。如今越來(lái)越多其他領(lǐng)域的公司也開(kāi)始用鍵合技術(shù)。當(dāng)芯片的集成度越來(lái)越高，成本也會(huì)越來(lái)越高。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)要同時(shí)兼顧技術(shù)和成本。如今各芯片企業(yè)不再追求更小的制程，而是將各種功能的芯片疊層起來(lái)，進(jìn)行3D封裝。實(shí)現(xiàn)3D封裝的首要因素是晶圓片要薄，薄的晶圓可以更容易實(shí)現(xiàn)TSV穿孔工藝，而且如果芯片疊起來(lái)過(guò)厚就不利于用在終端設(shè)備中。因此目前行業(yè)內(nèi)都在往50微米到100微米的級(jí)別靠攏，甚至有一些客戶(hù)在往更薄的級(jí)別努力。一個(gè)50微米厚度的12吋晶圓片像紙一樣薄，很難進(jìn)行后續(xù)的光刻、濕制程等工藝，為了節(jié)省成本，各企業(yè)都希望不要更換現(xiàn)有的設(shè)備。這樣就產(chǎn)生了臨時(shí)鍵合的需求。我們用一個(gè)載片托住這片晶圓，做完減薄后仍然在這片晶圓上進(jìn)行后續(xù)的所有工藝，最后再完整無(wú)損地將晶圓片和載片打開(kāi)，清洗后就可以進(jìn)行切片作業(yè)了。

圖1：2D、2.5D及3D封裝之間的差距（來(lái)源日月光公開(kāi)材料）

02 晶圓鍵工藝過(guò)程 ? ? （一）晶圓鍵合工藝過(guò)程及鍵合分類(lèi) ? ? ? 如圖2所示，晶圓鍵合工藝過(guò)程為：首先將待鍵合的一組晶圓進(jìn)行預(yù)處理、清洗、視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)而通過(guò)不同方法實(shí)現(xiàn)晶圓對(duì)的鍵合。晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而產(chǎn)生反應(yīng)形成共價(jià)鍵結(jié)合成一體，并使接合界面達(dá)到特定的鍵合強(qiáng)度，稱(chēng)之為永久性鍵合。若借助粘結(jié)劑將晶片接合，也可作為臨時(shí)鍵合，通過(guò)將器件晶圓固定在承載晶圓上，可為超薄器件晶圓提供足夠的機(jī)械支撐，保證器件晶圓能夠順利安全地完成后續(xù)工藝制程，如光刻、刻蝕、鈍化、濺射、電鍍和回流焊。

圖2：晶圓鍵合及后續(xù)工藝流程

具體的晶圓鍵合工藝可按照鍵合材料、鍵合手段、應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)，方法不盡相同，按照鍵合工藝對(duì)晶圓鍵合分類(lèi)（見(jiàn)表1）。晶圓級(jí)鍵合是半導(dǎo)體器件物理、材料物理化學(xué)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、高精度自動(dòng)控制等多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。晶圓鍵合工藝中晶圓尺寸的擴(kuò)大、芯片特征尺寸的縮小、異質(zhì)材料之間的熱失配及晶格失配等重要技術(shù)問(wèn)題還有待解決。

國(guó)外利用超高真空Ar快速原子束表面活化鍵合工藝實(shí)現(xiàn)了大面積、高強(qiáng)度的晶圓級(jí)鍵合，但我國(guó)在大面積、高強(qiáng)度晶圓級(jí)鍵合理論與工藝領(lǐng)域能力仍有待提高。晶圓鍵合及烘烤激活對(duì)晶圓表面溫度均勻性及翹曲變形有十分嚴(yán)格的要求。溫度均勻性取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)、加熱工藝以及晶圓自身的熱物理性能，翹曲變形則受溫度均勻性、外加機(jī)械力以及晶圓自身力學(xué)性能的影響。傳統(tǒng)的研究多采用實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)的方法，沒(méi)有將上述因素協(xié)同考慮，難以獲得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)，導(dǎo)致鍵合可靠性及器件良率大大下降。國(guó)際上的高水平研究團(tuán)隊(duì)通常結(jié)合先進(jìn)的數(shù)值仿真手段及多變量多目標(biāo)優(yōu)化方法，綜合考慮包含熱輻射、熱傳導(dǎo)在內(nèi)的熱場(chǎng)以及包含熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力在內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)之間的復(fù)雜耦合作用機(jī)理，開(kāi)展對(duì)晶圓鍵合和烘烤激活工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，從而大大提高鍵合品質(zhì)及器件良率。

表1晶圓鍵合工藝分類(lèi)及典型器件

從界面材料來(lái)講，晶圓鍵合又分為：（1）沒(méi)有中間層的晶圓鍵合，包括融熔鍵合、銅-銅混合鍵合和陽(yáng)極鍵合；（2）使用中間層的晶圓鍵合，中間層諸如玻璃漿料的絕緣體，或是在共晶鍵合和熱壓鍵合中采用的金屬，包括膠鍵合、共晶鍵合、金屬熱壓鍵合。如圖3：

圖3：根據(jù)界面材料的分類(lèi)

1、鍵合條件 ? ? 影響鍵合質(zhì)量的內(nèi)在因素是晶片表面的化學(xué)吸附狀態(tài)、平整度及粗糙度；外在因素主要是鍵合的溫度和時(shí)間。通常還需要加壓來(lái)克服表面起伏與增加表面原子間的成鍵密度，來(lái)達(dá)到提高鍵合強(qiáng)度的目的。決定鍵合成功與否的基本條件: (1)幾何條件:利用鍵合技術(shù)可以有效解訣晶格失配的問(wèn)題，要保證兩個(gè)鍵合晶片的表面平整度與彈性模量的差異要小。

(2)機(jī)械條件:鍵合所需的表面需要非常平滑，表面的粗糙度要求達(dá)到2nm以上，配合化學(xué)機(jī)械研磨(C雔}任)實(shí)現(xiàn)。

(3)物理?xiàng)l件:由于磊晶或長(zhǎng)晶的過(guò)程往往會(huì)有一些缺陷，如:晶界(grainboundaries) 大、晶格錯(cuò)位(dislocation)雙尖峰（spikes）等，這些也需使用CMP的方式去除。

(4)化學(xué)條件:兩個(gè)欲鍵合表面的潔凈度非常重要，鍵合時(shí)需注意去除表面金屬、有機(jī)物等雜質(zhì)。

(5)能量條件:在熱處理的過(guò)程中，溫度可能會(huì)造成表面殘余物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，鍵合過(guò)程中引入熱應(yīng)力導(dǎo)致形變等對(duì)器件不利的結(jié)果。

為了達(dá)到良好的鍵合質(zhì)量，通常需要對(duì)欲鍵合的晶片進(jìn)行前期準(zhǔn)備，主要通過(guò)表面處理、預(yù)鍵合及熱處理三個(gè)過(guò)程。

2、鍵合界面的性質(zhì) ? ? (1）鍵合界面的位錯(cuò)和空洞。 除了硅硅直接鍵合這種同質(zhì)材料鍵合之外，大部分都是通過(guò)異質(zhì)材料進(jìn)行鍵合。而由于兩個(gè)鍵合的材料不同，晶片之間必然存在著熱失配及晶格失配等問(wèn)題。鍵合界面將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，為了應(yīng)力弛豫，界面處會(huì)形成一定的位錯(cuò)，會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能。此外，晶片表面會(huì)有一定的雜質(zhì)、多孔層結(jié)構(gòu)和空洞。這些雜質(zhì)和多孔層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生可能是由于表面未清洗潔凈及界面附近的原子重組造成的，空洞是晶片在退火時(shí)產(chǎn)生的氣泡引起的。

(2)鍵合界面的電學(xué)和光學(xué)特性。

鍵合晶片的界面狀態(tài)會(huì)影響晶片的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，通過(guò)I-籚特性及PL譜等測(cè)試手段來(lái)分析界面處的鍵合情況，有助于更好的了解界面的性質(zhì)變化，從而改進(jìn)方法來(lái)提高界面的電學(xué)和光學(xué)性能。

(3)鍵合界面的表面懸掛鍵和鍵合能。

對(duì)于晶片來(lái)說(shuō)，晶片內(nèi)部與晶片表面的原子有不同的排列方式。當(dāng)表面某處的原子排列出現(xiàn)中斷時(shí)，表面處就會(huì)產(chǎn)生額外的能量此時(shí)中斷處附近的原子如果仍以?xún)?nèi)部結(jié)構(gòu)的形式排列，系統(tǒng)的自由能會(huì)明顯增加。為了恢復(fù)穩(wěn)定的排列方式，表面處的原子會(huì)進(jìn)行一定的調(diào)整來(lái)降低附加的自由能。實(shí)現(xiàn)調(diào)整的方式主要有兩種:通過(guò)晶片表面自行調(diào)整和借由外界條件調(diào)整。

對(duì)于自行調(diào)整方式，由于晶片內(nèi)部受力與晶片表面受力的情況顯著不同，表面的晶格常數(shù)會(huì)隨之發(fā)生改變。改變后晶片表面的原子與內(nèi)部原子的排列形成不同的排列方式。如重構(gòu)、臺(tái)階化等。以這種方式排列之后表面會(huì)形成本征表面態(tài)。

通過(guò)外界條件的調(diào)整方式，晶片表面原子之間存在不飽和鍵，易吸附外來(lái)的雜質(zhì)。吸附雜質(zhì)的同時(shí)還進(jìn)行電子交換，原有的表面太發(fā)生變化形成非本征表面態(tài)。通過(guò)以上兩種調(diào)整方式都可以達(dá)到減低表面能的目的，從而使晶片內(nèi)外系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

晶片的表面懸掛鍵越多，表面能越大，鍵合時(shí)兩個(gè)晶片之間的原子越容易相互作用。而鍵合界面處隨著原子的不斷相互作用形成越來(lái)越多的共價(jià)鍵，鍵合晶片的界面越牢固，鍵合強(qiáng)度越大。 ? ? 3、晶圓鍵合的難度 ? 3D堆疊、晶圓級(jí)等先進(jìn)封裝方案可以采用多種形式，具體取決于所需的互連密度。圖像傳感器和高密度存儲(chǔ)器可能需要將一個(gè)芯片直接堆疊在另一個(gè)芯片上，并通過(guò)硅通孔連接，而系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)可能會(huì)將多個(gè)傳感器及其控制邏輯放在一個(gè)重新分配的層上。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題不是如何物理地包含單個(gè)模塊，而是如何集成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。盡管如此，從相對(duì)低密度的扇出型晶圓級(jí)封裝到高密度芯片堆疊的所有形式的三維集成都存在一些具有挑戰(zhàn)性的組裝問(wèn)題。 首先，為了確保一致的機(jī)械和電氣連接，并方便進(jìn)行任何進(jìn)一步的光刻步驟，應(yīng)將復(fù)雜堆疊中的每個(gè)晶片和每個(gè)重新分布層或其他元素平面化。這可以通過(guò)拋光、在現(xiàn)有形貌的頂部沉積電介質(zhì)或鍵合膠或同時(shí)在兩者之上實(shí)現(xiàn)。

其次，硅、金屬互連以及諸如鍵合膠之類(lèi)的輔助材料可能具有非常不同的熱膨脹系數(shù)。組裝過(guò)程必須控制應(yīng)力和翹曲，以確保最終封裝中的可靠連接。例如，封裝設(shè)計(jì)可能包含可適應(yīng)工藝引起的應(yīng)力的順應(yīng)性材料。或者，它可以通過(guò)限制高溫處理來(lái)減少應(yīng)力。例如，與需要高溫的鍵合膠相比，可以在室溫下施加和固化的鍵合膠對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)力較小。

最后，組裝涉及單個(gè)晶片、由單個(gè)晶片重構(gòu)的晶片以及帶有暴露的硅通孔的薄晶片的精確處理和對(duì)準(zhǔn)。處理步驟可能涉及晶片的正面和背面。例如，在完整的封裝中，芯片可能會(huì)停留在TSV的頂部并通過(guò)TSV連接到再分布層，而有源層會(huì)面對(duì)面或面對(duì)面地結(jié)合到另一個(gè)芯片。

確切的工藝步驟各不相同，但是通常必須將晶圓臨時(shí)鍵合到一個(gè)或多個(gè)臨時(shí)載體襯底上，后面再解離，晶圓的翻轉(zhuǎn)很常見(jiàn)。在將晶片轉(zhuǎn)移到背面接觸的載體上以進(jìn)行進(jìn)一步的正面處理之前，正面接觸載體的晶圓允許減薄和其他背面處理。 （二）臨時(shí)鍵合與鍵合工藝 ? ? ? 晶圓鍵合是指通過(guò)一系列物理過(guò)程將兩個(gè)或多個(gè)基板或晶片相互連接和化學(xué)過(guò)程。晶片鍵合用于各種技術(shù)，包括MEMS器件制造、三維集成封裝等先進(jìn)的封裝技術(shù)，以及IC制造環(huán)節(jié)，在晶圓鍵合中有兩種主要的鍵合，臨時(shí)鍵合和永久鍵合，兩者都是在促進(jìn)三維集成的技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

隨著半導(dǎo)體晶圓制程對(duì)縮小特征尺寸和引入全尺寸三維集成需求的高漲，晶圓正朝著大尺寸、多芯片堆疊和超薄化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高端芯片的高性能系統(tǒng)集成、多功能化和成本效益。晶圓減薄（低于100 μm）的目的主要是為了滿(mǎn)足TSV制造和多片晶圓堆疊鍵合總厚度受限的需求。采用大尺寸晶圓能夠有效提高芯片制造的效率和成本效益。然而，大尺寸薄化晶圓的柔性和易脆性使其很容易發(fā)生翹曲和破損。為降低減薄工藝中的碎片率，提高芯片制造的良率、加工精度和封裝精度，通常采用臨時(shí)鍵合及解鍵合(Temporary Bonding and De-bonding)技術(shù)，在背面減薄前，采用臨時(shí)鍵合的方式將晶圓轉(zhuǎn)移到載片上為其提供強(qiáng)度支撐，完成背面減薄及其他雙面工藝后進(jìn)行解鍵合。該技術(shù)在硅基TSV 互連工藝和3D 堆疊集成封裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1、臨時(shí)鍵合及解鍵合原理 ? ? 晶圓與鍵合載片鍵合后，鍵合載片可以為晶圓提供機(jī)械支撐；在減薄拋光工藝完成后，通過(guò)解鍵合將晶圓與鍵合載片分離，該過(guò)程稱(chēng)為臨時(shí)鍵合及解鍵合技術(shù)。采用熱壓臨時(shí)鍵合，首先要使得鍵合介質(zhì)（液態(tài)蠟或者液態(tài)膠）通過(guò)旋涂或噴涂方式在晶圓和載片表面均勻涂覆，然后在高溫、真空、外力的鍵合腔室內(nèi)疊放完成鍵合。鍵合層要牢固可靠，不允許有分離、松動(dòng)、氣泡、鏤空等現(xiàn)象存在。 解鍵合技術(shù)根據(jù)不同的鍵合介質(zhì)，劃分為UV光照射(適配UV 干膜)、機(jī)械剝離(適配垂直剝離膠)、激光剝離(適配光敏膠)和熱解滑移(適配熱熔膠)4 種類(lèi)型。UV 光照射解鍵合、機(jī)械剝離解鍵合、激光剝離解鍵合會(huì)產(chǎn)生較大的作用力和污染，不適用于軟脆易碎的InP 晶圓。而熱解滑移解鍵合原理是將晶圓吸附在解鍵合載片上，使用可加熱真空工作臺(tái)加熱并吸附載片與晶圓，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)鍵合介質(zhì)黏稠度的同時(shí)將鍵合載片延水平方向滑移出晶圓。較適用于脆性的InP 晶圓。

2、臨時(shí)鍵合工藝技術(shù) ? ? 臨時(shí)鍵合主要包括3 個(gè)步驟：鍵合介質(zhì)涂覆、前烘固化、晶圓與鍵合載片對(duì)準(zhǔn)，以及真空熱壓。 如圖4（a）、（b）所示，在臨時(shí)鍵合工藝過(guò)程中，常見(jiàn)的技術(shù)要點(diǎn)是排除鍵合層的中心及邊緣產(chǎn)生氣泡。該氣泡引起的鍵合層厚度不均勻或鏤空現(xiàn)象直接導(dǎo)致該區(qū)域在減薄時(shí)因局部失去支撐而碎裂；或因邊緣鍵合層密封不足，使減薄廢料滲入，導(dǎo)致晶圓表面沾污無(wú)法祛除。所以如何優(yōu)化鍵合工藝，避免氣泡的出現(xiàn)是該步驟最大的難點(diǎn)所在。首先，涂覆鍵合介質(zhì)時(shí)，先低轉(zhuǎn)速勻開(kāi)靜置，目的是讓肉眼可見(jiàn)的氣泡自然破裂，然后再高速旋開(kāi)，從而制備滿(mǎn)足一定厚度且均勻的鍵合介質(zhì)層；其次，在前烘固化時(shí)應(yīng)提供一定負(fù)壓的真空，目的是讓肉眼不可見(jiàn)的氣泡通過(guò)真空利用氣壓差使其破裂避免在烘烤時(shí)鼓包，特別注意的是，該負(fù)壓不能過(guò)強(qiáng)，否則鍵合介質(zhì)中大量的揮發(fā)性稀釋劑會(huì)劇烈揮發(fā)產(chǎn)生更多更大的泡沫組織，如圖4 （c）所示；最后，在真空熱壓過(guò)程中，需要通過(guò)調(diào)節(jié)工藝過(guò)程中“溫度—真空—壓力”3 個(gè)共同作用，誘導(dǎo)空隙氣泡移動(dòng)到晶圓邊緣排除。溫度過(guò)低，蠟層黏稠度大流動(dòng)性差，氣泡空隙無(wú)法移動(dòng)到晶圓邊緣順利排除；溫度過(guò)高，蠟層黏稠度低流動(dòng)性佳，蠟層在壓力作用下擠壓溢出，導(dǎo)致厚度偏薄，甚至載片會(huì)因?yàn)橄瀸舆^(guò)薄壓壞晶圓表面僅僅幾微米的芯片。如圖4（d）所示，通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化，以某型號(hào)帶銦凸點(diǎn)的InGaAs 焦平面探測(cè)器為例，成功實(shí)現(xiàn)了100 mm InP 晶圓的臨時(shí)鍵合，并且鍵合層組織致密，無(wú)氣泡。

圖4：鍵合層中心和邊緣出現(xiàn)氣泡 其另一技術(shù)要點(diǎn)是控制鍵合片的翹曲度（WARP）。翹曲度過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響減薄過(guò)程中的全局平坦化工藝效果，也會(huì)導(dǎo)致解鍵合過(guò)程因受力不均產(chǎn)生更大的碎裂風(fēng)險(xiǎn)。影響翹曲度WARP的主要因素有3 點(diǎn)：（1）晶圓與鍵合載片各自的熱膨脹系數(shù)及相互匹配；（2）晶圓及鍵合載片本身的厚度和形貌等輸入狀態(tài)；（3） 鍵合工藝技術(shù)調(diào)節(jié)

3、解鍵合工藝技術(shù) ? ? 解鍵合是在減薄拋光完成后，將晶圓與載片分開(kāi)的技術(shù)。解鍵合是按照翹曲矯正、熱解滑移和晶圓清洗3 個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。在臨時(shí)鍵合后，鍵合片往往會(huì)經(jīng)過(guò)背面減薄拋光或者鍍膜等工藝。這些工藝不僅使得晶圓厚度降低至100 μm 左右，還會(huì)引入機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，使得晶圓發(fā)生嚴(yán)重翹曲。所以，在解鍵合前，必須對(duì)薄片晶圓進(jìn)行翹曲矯正，否則在后續(xù)升溫和滑移解鍵合時(shí)，都會(huì)因?yàn)樾巫冞^(guò)大、受力不均導(dǎo)致晶圓損傷、碎裂。 根據(jù)解鍵合方式的不同，解鍵合方式主要分為機(jī)械剝離、濕化學(xué)浸泡、熱滑移和激光解鍵合4種方法，這幾種方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，圖表2。隨著鍵合技術(shù)的不斷進(jìn)步，其將成為推動(dòng)晶圓級(jí)先進(jìn)封裝技術(shù)不斷發(fā)展的重要組成部分。

（1）機(jī)械剝離法

對(duì)于不能承受高溫和高熱應(yīng)力的器件晶圓，在室溫下即可實(shí)現(xiàn)鍵合對(duì)的機(jī)械剝離方法是一種低成本的解決方案。機(jī)械剝離法的基本流程如圖1所示。機(jī)械剝離法相對(duì)簡(jiǎn)單粗暴，將薄片插入載板與器件晶圓中間，通過(guò)向上的拉力和旋轉(zhuǎn)的剪切力剝離載板。超薄器件晶圓采用該方法會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的機(jī)械應(yīng)力而出現(xiàn)較高的破片率。道康寧公司開(kāi)發(fā)了一種耐腐蝕的硅基臨時(shí)鍵合材料，用于機(jī)械解鍵合工藝。由于鍵合對(duì)分離之后還需要大量清洗劑去除器件表面殘膠，這會(huì)產(chǎn)生額外的成本。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)溶劑分離，比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）開(kāi)發(fā)了一種可以從薄晶圓上直接揭除鍵合膠的純機(jī)械剝離方法，從而極大地減少了清洗劑的使用。此外，在機(jī)械剝離之前通常先將鍵合對(duì)轉(zhuǎn)移到切割膠帶上以降低薄晶圓破損的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)配套的專(zhuān)用機(jī)械解鍵合設(shè)備甚至能夠?qū)崿F(xiàn)12英寸極薄（厚度為5.6 μm）晶圓的剝離。然而，這種專(zhuān)用機(jī)械解鍵合設(shè)備的高成本限制了其應(yīng)用。

圖5：機(jī)械剝離法流程 （2）濕化學(xué)浸泡法

根據(jù)臨時(shí)鍵合膠在特定溶劑中的溶解特性，可以通過(guò)溶劑浸沒(méi)去除鍵合膠層，直接分離器件晶圓，這種方法被稱(chēng)為濕化學(xué)浸泡法。濕化學(xué)浸泡法的基本流程如圖6所示，主要包括以下3個(gè)步驟：（1）通過(guò)臨時(shí)鍵合膠將帶有通孔的承載晶圓與器件晶圓進(jìn)行鍵合；（2）對(duì)器件晶圓進(jìn)行減薄、研磨、重布線(xiàn)層（RDL）和球化等半導(dǎo)體制程工藝；（3）將鍵合對(duì)放置在裝有溶劑的容器內(nèi)，放置一段時(shí)間后鍵合膠逐漸溶解，從而實(shí)現(xiàn)器件晶圓的剝離。值得注意的是，需在承載晶圓上制造分布均勻的群孔以加快鍵合膠的溶解，同時(shí)盡量避免因溶解不均而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力集中。

圖6：濕化學(xué)浸泡法的基本流程

（3）熱滑移法

熱塑性材料在溶劑清洗過(guò)程中易于從器件晶圓上去除，其被認(rèn)為是最適合用于臨時(shí)鍵合膠的材料，且對(duì)器件晶圓表面的結(jié)構(gòu)損傷較小。熱滑移解鍵合的工藝流程如圖7所示。熱滑移法是將器件晶圓放置在真空吸附工作臺(tái)上，采用可加熱吸盤(pán)吸附載板，通過(guò)加熱使鍵合膠材料軟化，再施加剪切力使器件晶圓側(cè)向滑移出載板。這種方法通常采用的臨時(shí)鍵合材料的熱穩(wěn)定性較差，在晶圓級(jí)封裝的高溫制程中容易軟化，會(huì)影響器件的加工精度和封裝精度。此外，器件晶圓在滑移完成后很容易在設(shè)備平臺(tái)上殘留鍵合膠，影響后續(xù)的產(chǎn)品工藝。早在20世紀(jì)初，美國(guó)Brewer Science公司就開(kāi)始研發(fā)適用于熱滑移法的臨時(shí)鍵合材料產(chǎn)品，其早期開(kāi)發(fā)的WaferBond HT-10.10以及紫外激光解鍵合材料WaferBond 305與WaferBond 701長(zhǎng)期占據(jù)國(guó)內(nèi)主要市場(chǎng)，但這些材料仍然存在著耐化學(xué)腐蝕和耐高溫性能較差等問(wèn)題

圖7：熱滑移解鍵合的工藝流程

（4）激光解鍵合法

激光解鍵合法是一種在室溫下不使用化學(xué)物質(zhì)的低應(yīng)力剝離工藝。激光解鍵合法具有可在室溫下解鍵合、高通量、低機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在大尺寸超薄晶圓的制造方面逐漸得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，有望為高端超薄芯片制造過(guò)程中的易破損和吞吐量低等困境提供可行性解決方案。此外，激光在能量、時(shí)間、空間方面的可選擇范圍很寬，可形成超快、超強(qiáng)、超短等極端物理?xiàng)l件。鑒于激光解鍵合在高應(yīng)力晶圓處理方面具有高度的靈活性，能夠在傳統(tǒng)的后端設(shè)備上進(jìn)行先進(jìn)的封裝流程。例如，激光解鍵合的寬工藝窗口更適合應(yīng)用于扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）。另外，激光解鍵合工藝能夠避免表面能、溫度行為和溶劑滲透的依賴(lài)性，并與后續(xù)半導(dǎo)體制程工藝相兼容。目前，激光解鍵合法主要分為紅外激光解鍵合法和紫外激光解鍵合法。激光解鍵合法的剝離機(jī)制主要依賴(lài)于激光種類(lèi)以及響應(yīng)材料的類(lèi)型。

激光解鍵合工藝主要是利用激光穿過(guò)透明載板，光子能量沉積在光敏響應(yīng)材料層，進(jìn)而誘發(fā)材料的快速分解、汽化甚至等離子化而失去粘性。同時(shí)，快速釋放的分解氣體還會(huì)增大響應(yīng)層界面的分離壓力，從而進(jìn)一步促進(jìn)器件晶圓的自動(dòng)分離。激光解鍵合工藝的工作流程主要包括（圖8 所示）：（1）在透明剛性載板（如玻璃、藍(lán)寶石等）和器件晶圓表面分別涂上粘結(jié)材料和響應(yīng)材料；（2）將透明剛性載板和器件晶圓通過(guò)光或熱等方式鍵合在一起；（3）利用激光透過(guò)剛性載板輻照在響應(yīng)材料層引發(fā)燒蝕，從而使得器件晶圓分離；（4）清洗器件晶圓和透明剛性載板，其中的載板可以多次重復(fù)使用。

圖8：紅外激光解鍵合的工藝流程

4、晶圓清洗工藝技術(shù) ? ? 在晶圓完成解鍵合后，均需要在超薄片狀態(tài)下進(jìn)行清洗，從而移除殘余的鍵合介質(zhì)。在該過(guò)程中，需要首先注意的是晶圓薄片的碎片率。由于超薄晶圓會(huì)在溶液沖洗和片盒上下過(guò)程中碎裂，無(wú)法使用常規(guī)的片盒式槽式清洗機(jī)。同時(shí)，也無(wú)法使用單片式晶圓清洗機(jī)，因?yàn)椴徽撌菣C(jī)械手臂上下料還是清洗過(guò)程中的溶劑沖力都會(huì)造成晶圓碎裂。? ? ? 03 晶圓鍵合設(shè)備市場(chǎng)情況 ? ? （一）晶圓鍵合設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)狀及預(yù)測(cè) ? ? ? 晶圓鍵合設(shè)備領(lǐng)域目前正朝著多元化的方向發(fā)展。例如，隨著技術(shù)的提高與更新，并且受益于地方政府的大力補(bǔ)貼，亞洲設(shè)備供應(yīng)商對(duì)整個(gè)市場(chǎng)造成了巨大的價(jià)格壓力，將來(lái)會(huì)進(jìn)一步開(kāi)拓市場(chǎng)并開(kāi)始與頂級(jí)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，并可能重新洗牌晶圓鍵合設(shè)備設(shè)備市場(chǎng)。?

圖9：全球晶圓鍵合設(shè)備消費(fèi)額及發(fā)展趨勢(shì)（2018-2029）（百萬(wàn)美金） 資料來(lái)源:Yole Developpemen、第三方資料、新聞報(bào)道、業(yè)內(nèi)專(zhuān)家采訪(fǎng)及QYResearch 整理研究

圖10：全球晶圓鍵合設(shè)備銷(xiāo)量及發(fā)展趨勢(shì)（2018-2029）（臺(tái)） 資料來(lái)源:Yole Developpemen、第三方資料、新聞報(bào)道、業(yè)內(nèi)專(zhuān)家采訪(fǎng)及QYResearch 整理研究 根據(jù)上圖數(shù)據(jù)顯示，2022年全球晶圓鍵合設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)總收入大約達(dá)到318.85百萬(wàn)美元，預(yù)測(cè)2029年有望達(dá)到398.63百萬(wàn)美元，2023到2029年的年均增長(zhǎng)率為6.96%。

全球晶圓鍵合設(shè)備消費(fèi)市場(chǎng)主要集中在中國(guó)，日本，歐洲和美國(guó)等地區(qū)。其中中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展較快，晶圓鍵合設(shè)備銷(xiāo)量份額最大，2022年占據(jù)全球的40%。日本占據(jù)5%，而歐洲和美國(guó)分別占有19%和11%。在下游消費(fèi)市場(chǎng)中，晶圓鍵合設(shè)備可以廣泛地應(yīng)用于MEMS，先進(jìn)封裝，CIS和其他，其中MEMS市場(chǎng)是最大的消費(fèi)市場(chǎng)，占有35%的市場(chǎng)。先進(jìn)封裝為第二大市場(chǎng)32%，CIS及其他應(yīng)用則占有更小的市場(chǎng)。全球晶圓鍵合設(shè)備市場(chǎng)相對(duì)集中，國(guó)際市場(chǎng)上的主要生產(chǎn)商包括EV Group, SUSS MicroTec, Tokyo Electron, AML, Mitsubishi, Ayumi
Industry,?SMEE等，奧地利EV Group為全球龍頭企業(yè)，2022年收入占據(jù)全球份額的59%。德國(guó)SUSS
MicroTec為全球第二大企業(yè)，占據(jù)全球市場(chǎng)的12%。Tokyo
Electron, AML, Mitsubishi, Ayumi Industry, SMEE等一共占有將近29%的市場(chǎng)份額。 （二）晶圓鍵合設(shè)備主要廠(chǎng)商情況 ? ? ? 以公開(kāi)的2020年數(shù)據(jù)為例，全球晶圓鍵合設(shè)備主要廠(chǎng)商列表

圖11:2020年公開(kāi)數(shù)據(jù)，全球晶圓鍵合設(shè)備廠(chǎng)商經(jīng)營(yíng)情況

奧地利EVG公司的主流產(chǎn)品，適合陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、金屬擴(kuò)散鍵合、直接鍵合、聚合物鍵合、熔融與混合鍵合和瞬時(shí)液相鍵合的小批量、半自動(dòng)晶圓鍵合解決方案，如EVG510、EVG520、E V G 5 4 0 晶圓鍵合系統(tǒng)；也可以提供全自動(dòng)、大批量、滿(mǎn)足3D異構(gòu)集成高對(duì)準(zhǔn)精度生產(chǎn)的晶圓鍵合解決方案，如EVG560、EVG GEMINI、EVGCombond、EVG Bondscale等晶圓鍵合系統(tǒng)；還有用于扇出封裝、晶圓減薄、3D堆疊、晶圓鍵合的臨時(shí)鍵合和晶圓解鍵合解決方案，如E V G 8 5 0 、EVG850TB、EVG850LT等晶圓臨時(shí)鍵合與解鍵合系統(tǒng)；晶圓對(duì)準(zhǔn)設(shè)備由Smartview發(fā)展到Smartview3，對(duì)準(zhǔn)精度提高到50 nm。

晶圓鍵合設(shè)備總體技術(shù)發(fā)展方向是高精度、高集成化、高可靠性、高動(dòng)態(tài)、高效化的趨勢(shì)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為：對(duì)準(zhǔn)精度≤50 nm；鍵合溫度均勻性≤±1%；最大晶圓尺寸304.8 mm（12英寸）；最大鍵合壓力100 kN；最高鍵合溫度550 ℃。

德國(guó)SUSS MicroTec擁有六十多年的歷史，是半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)先的微結(jié)構(gòu)工藝設(shè)備制造商，產(chǎn)品涵蓋光刻、涂膠/顯影、晶圓鍵合、光刻掩膜版清洗等諸多半導(dǎo)體、微加工相關(guān)領(lǐng)域。SUSS晶圓鍵合系統(tǒng)主要包括XB8、SB6/8Gen2、XBS200、XBS300、XBC300Gen2等系統(tǒng)，最大晶圓尺寸304.8 mm（12英寸），對(duì)準(zhǔn)精度≤500 nm，能夠滿(mǎn)足包括共晶、直接鍵合等各種晶圓鍵合工藝需求。

國(guó)內(nèi)設(shè)備起步晚，國(guó)內(nèi)鍵合設(shè)備技術(shù)發(fā)展方向由手動(dòng)向半自動(dòng)轉(zhuǎn)換，國(guó)內(nèi)沒(méi)有多模塊集成的晶圓鍵合設(shè)備，與國(guó)外設(shè)備代差距較大。上海微電子裝備（SMEE）有獨(dú)立對(duì)準(zhǔn)、鍵合、解鍵合等設(shè)備，SWB系列晶圓鍵合設(shè)備用于有機(jī)膠鍵合、玻璃漿料鍵合、共晶鍵合、陽(yáng)極鍵合等工藝。SWA系列晶圓對(duì)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)精度≤±2 μm。蘇州美圖開(kāi)發(fā)的陽(yáng)極晶圓鍵合設(shè)備，最大鍵合壓力10～30 kN，最高溫度450 ℃。中國(guó)電科2所研制真空晶圓鍵合系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度≤1 μm，鍵合溫度均勻性≤±1%（FS），設(shè)備達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平（如圖12所示）

圖12：全自動(dòng)真空晶圓鍵合系統(tǒng) （三）國(guó)內(nèi)晶圓鍵合設(shè)備研發(fā)進(jìn)展情況 ? ? ? 晶圓鍵合設(shè)備是進(jìn)入壁壘很高的產(chǎn)業(yè)，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理與識(shí)別、高精度晶圓平行移動(dòng)等技術(shù)的要求極高。國(guó)內(nèi)的眾多設(shè)備廠(chǎng)家因自身的人才、技術(shù)、設(shè)備、材料和資金等各方面因素的制約，無(wú)力進(jìn)行設(shè)備持續(xù)的研究和改進(jìn)，與國(guó)外同行之間的技術(shù)和實(shí)力的差距有擴(kuò)大的趨勢(shì)，晶圓鍵合產(chǎn)品在技術(shù)性能、質(zhì)量可靠性、穩(wěn)定性等方面存在很大的不足。目前，國(guó)內(nèi)晶圓級(jí)鍵合技術(shù)主要受限于國(guó)內(nèi)器件設(shè)計(jì)與工藝、設(shè)備穩(wěn)定性與精確度等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展水平。 ? ? 1、技術(shù)性能方面發(fā)展 ? ? 目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的最好的設(shè)備對(duì)準(zhǔn)精度為±2 μm，與國(guó)外設(shè)備差距較大，EVG對(duì)準(zhǔn)精度≤50 nm。鍵合溫度均勻性規(guī)格書(shū)≤±1%（FS），實(shí)際能達(dá)到≤±0.6%。目前在晶圓級(jí)封裝行業(yè)內(nèi)，臨時(shí)鍵合技術(shù)的使用已經(jīng)比較成熟，但都是厚度都在100μm以上的單層硅通孔（TSV）結(jié)構(gòu)，受限于臨時(shí)鍵合材料，暫不能做到更薄。臨時(shí)鍵合穩(wěn)定的另一面是解鍵合和清除殘膠更加麻煩，需要更長(zhǎng)時(shí)間去除殘膠，鍵合的穩(wěn)定和解鍵合殘膠的易清潔之間的平衡，還需要更長(zhǎng)時(shí)間去解決。國(guó)外設(shè)備自動(dòng)化程度可滿(mǎn)足大生產(chǎn)線(xiàn)需求，國(guó)內(nèi)設(shè)備差距很大。

2、質(zhì)量可靠性方面發(fā)展 ? ? 國(guó)外設(shè)備鍵合熱臺(tái)使用壽命長(zhǎng)、密封可靠性高，加壓氣液缸、檢測(cè)傳感器、卡盤(pán)等關(guān)鍵件可靠、耐用，設(shè)備一致性、長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好，加熱臺(tái)互換性良好。國(guó)內(nèi)設(shè)備、鍵合加熱臺(tái)等部件一致性差，穩(wěn)定性不好，缺乏關(guān)鍵零部件持續(xù)攻關(guān)及工藝深度結(jié)合。

3、研發(fā)模式及投入方面 ? ? 我國(guó)設(shè)備行業(yè)與國(guó)外行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)的研發(fā)模式有很大不同。以半導(dǎo)體裝備龍頭企業(yè)AMSL為例，在全球范圍內(nèi)與優(yōu)勢(shì)單位、頭部企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，分布在全球的700多家供應(yīng)商提供的功能模塊和單元組件貢獻(xiàn)了AMSL光刻設(shè)備約85％的外購(gòu)成本。AMSL能專(zhuān)注于自身獨(dú)特的能力優(yōu)勢(shì)，集成世界范圍內(nèi)最專(zhuān)業(yè)的制造商來(lái)設(shè)計(jì)、研發(fā)與制造光刻機(jī)，與比利時(shí)的IMEC光刻研究中心保持著長(zhǎng)期合作關(guān)系，依靠強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力引領(lǐng)市場(chǎng)、開(kāi)拓創(chuàng)新，擁有龐大且涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的高科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)，每年用于研發(fā)的費(fèi)用數(shù)以?xún)|計(jì)。自2015年以來(lái)，AMSL的研發(fā)人數(shù)占員工總數(shù)的比例一直維持在35％左右，研發(fā)人員逐年遞增，2018年達(dá)8500多人。國(guó)內(nèi)裝備研制企業(yè)與零部件生產(chǎn)商配合不緊密，產(chǎn)學(xué)研合作脫節(jié)，研究方向不專(zhuān)注，高端人才缺乏，研發(fā)投入不夠，缺乏長(zhǎng)期戰(zhàn)略投入，造成與國(guó)外高端核心裝備的技術(shù)差距較大。

4、國(guó)內(nèi)的相關(guān)廠(chǎng)商 ? ? （1）芯?？萍?/strong> 蘇州芯?？萍加邢薰竟倬W(wǎng)介紹：公司是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體晶圓鍵合設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)及銷(xiāo)售的企業(yè)。通過(guò)十多年的研發(fā)，公司產(chǎn)品應(yīng)用覆蓋半導(dǎo)體各領(lǐng)域（包括射頻器件、功率器件、先進(jìn)封裝、光通訊等），工藝能力覆蓋2至12英寸，是臨時(shí)鍵合、永久鍵合整體方案提供商。公司核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)均有20年以上的半導(dǎo)體設(shè)備開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。