详解半导体制造中的混合键合（Hybrid Bonding）工艺
详解半导体制造中的混合键合（Hybrid Bonding）工艺
导读：混合键合（Hybrid Bonding）是半导体制造中的一项前沿技术，它通过直接的铜对铜连接实现芯片间的高密度互连。本文将详细介绍混合键合的关键技术、工艺挑战及其在半导体封装中的应用。
混合键合技术概述
混合键合是一种先进的晶圆到晶圆或芯片到晶圆键合技术，用于芯片的垂直（或 3D）堆叠。与传统键合方法不同，混合键合可实现极细间距互连，非常适合高密度存储器堆叠、先进逻辑器件以及其他需要高互连密度和低功耗的半导体应用。
混合键合的显着特点是它是无凸点的。它从基于焊料的凸块技术转向直接铜对铜连接。两个芯片都没有凸块，而是只有可缩放至超细间距的铜焊盘。没有焊料，因此避免了与焊料相关的问题。
在半导体封装制程中，从开始的引线键合到倒装芯片。先进的封装形式（例如晶圆级扇出和 TCB）一直是相同核心原理的渐进式改进。这些封装方法都使用某种带焊料的凸块作为硅与封装或板之间的互连。这些技术可以一直缩小到约 20 微米的间距。到目前为止，我们在多部分先进封装系列中讨论的主要封装类型和工艺流程已达到 220 微米到 100 微米规模，并且主要使用焊料作为各种小芯片铜互连之间的介质。为了进一步扩展，需要另一种范式转变：采用混合键合的无凸块互连。混合键合的尺寸超出了 10 微米互连间距，路线图为 100 纳米范围，并且它不使用任何中介物，例如具有更高电阻的焊料。
混合键合的关键技术
1.颗粒和清洁度的控制
颗粒是影响键合质量关键因素。由于混合粘合涉及将两个非常光滑且平坦的表面齐平粘合在一起，因此粘合界面对任何颗粒的存在都非常敏感。高度仅为 1 微米的颗粒会导致直径为 10 毫米的粘合空隙，从而导致粘合缺陷。对于基于凸块的互连，器件和基板之间始终存在间隙，因为使用了底部填充或非导电薄膜，因此可以容纳一些颗粒。
保持清洁至关重要，而且非常具有挑战性。颗粒来自晶圆切割、研磨和抛光等许多步骤。任何类型的摩擦都会产生颗粒，这是一个问题，特别是因为混合键合涉及机械拾取芯片并将其放置在其他芯片的顶部。工具中存在大量来自芯片键合头和芯片翻转器的运动。颗粒是不可避免的，但有多种技术可以减轻对良率的影响。混合键合所需的洁净室比其他形式的先进封装所需的洁净室要先进得多。
混合键合一般需要1级/ISO 3级或更好的洁净室和设备。例如，台积电和英特尔正在一路迈向 ISO 2 或 ISO 1 级别。这是混合键合被视为“前端”工艺的一个主要原因，即它发生在类似于晶圆厂的环境中，而不是传统封装厂商 (OSAT) 的环境中。
2.光滑度的控制
混合粘合层的表面光滑度也极其关键。HB 界面同样对任何类型的形貌都敏感，这会产生空洞和无效的粘合。一般认为电介质的表面粗糙度阈值是 0.5nm，铜焊盘的表面粗糙度阈值是 1nm。为了达到这种平滑度，需要执行化学机械平坦化 (CMP)，这对于混合键合来说是非常关键的工艺。抛光后，需要在整个流动过程中始终保持这种光滑度。避免任何可能损坏该表面的步骤，例如严厉的清洁。即使是用于晶圆分类的探测也需要进行调整，以免表面受到损坏。
3.晶圆到晶圆 (W2W) 或芯片到晶圆 (D2W)
芯片到晶圆键合是一种有吸引力且有前途的方法，其中将一个晶圆上的芯片切割，然后连接到另一个芯片或晶圆上 。只有好的芯片才能连接在一起，并且可以连接不同的技术。随着直径小至5μm及以下的高密度硅通孔(TSV)的引入，以及芯片尺寸的增加，芯片到晶圆后键合对准精度变得更加严格。不仅横向定位很重要，而且芯片相对于晶圆的平行度也成为一个关键参数。
芯片到芯片和芯片到晶圆键合 与晶圆到晶圆键合 (W2W) 相比，芯片堆叠和芯片到晶圆 (C2W) 键合方法的吞吐量可能较低。通过芯片堆叠，每个芯片都是单独放置的；然而，正在研究解决方案以实现芯片放置后的全局键合。较低的吞吐量通过将已知良好的管芯键合到晶圆的已知良好键合位置的好处来平衡，从而显着提高产量。芯片到晶圆 (C2W) 组装方法可以混合并排或堆叠的异构技术。芯片到晶圆键合还用于晶圆重建、芯片尺寸调整和连接重新分布，以实现不同技术的 3D 芯片堆叠 。
4.芯片到晶圆混合键合的弯曲应用键合头技术
键合头系统由柔性机构和压电执行器组成
当使用上卡盘吸附并保持上模具时，通过柔性机构和压电致动器的变形将模具弯曲成凸形。上芯片从中间开始粘合到晶圆上。通过释放固定芯片的卡盘的真空压力，接合区域向基板外部扩展。通过调节位于柔性机构中心的压电致动器的伸出量，与模具接触的尖端上下移动所需的量，以调节详细的位置和变形量。为此，选择了反向桥式挠曲件来放大压电执行器的变形量，并将变形施加到接合面的中心（图1）。通过调整变形量，可以减小接合面上的压力梯度，防止出现空隙，并且具有应对以前无法校正的各装置所需的曲率差异的效果。
通过 Ansys Workbench 静态结构仿真来测量根据 PZT 致动器的延伸而产生的尖端部分的变形