将混合键合技术投入生产

混合键合有望通过实现更小、更密集的组件装配，显著推动半导体封装技术的发展，这种方式能够提供更高的性能和更好的可靠性。随着更复杂的三维（3D）封装方法获得更广泛的应用，以及互连间距缩小到10µm 以下（目前的技术路线图已指向亚微米级别），混合键合及类似技术将变得越来越重要。混合键合将成为高带宽存储器（HBM）、三维闪存（3D NAND）和高性能计算3D 片上系统（HPC 3D SoC）的关键使能技术。

 

 

混合键合系统的关键要素之一，是精确且稳定的运动和定位。这对于确保成功实现混合键合所必需的精确对准至关重要。

 

MKS 在这一领域表现卓越，其凭借超过60年的专业技术，为混合键合工具制造商提供前沿的运动和定位解决方案。MKS 的技术支持从组件到交钥匙型子系统的各级集成，在推动创新的同时提升半导体制造能力。

 

下面将介绍混合键合的具体要求，以及MKS通过运动平台为系统开发人员提供帮助的一些方式。

 

 

混合键合的关键优势
什么是混合键合，为什么需要它？对混合键合技术的需求相对容易理解。要实现微电子器件的进一步小型化，需要将芯片组装成具有更高封装密度的堆叠结构。此外，这些堆叠的芯片本身也必须缩小尺寸，部分方法是采用间距更小的互连。甚至这些互连的高度（厚度）也需要最小化，以减小堆叠的总厚度。

 

要将这些体积更小、间距更细小的芯片组装到一起，混合键合是最有前景的方法。与传统的键合方法（如引线键合、倒装芯片键合和热压键合）相比，混合键合具有如下优势：

密度和细小间距：间距通常小于10µm，而引线键合和倒装芯片键合方法所需的间距较大。此外，每个芯片之间的间距基本上减小到零。

低功耗：更短的互连减少了寄生电容和电阻，从而降低了功耗。

改善的热性能和电性能：直接的金属对金属连接提供了出色的热导率，改善了散热性能。由于电感和电阻降低，电性能得到提升，从而能实现更快的信号传输和更低的信号损耗。

增强的可靠性：坚固的机械键合对热应力和机械应力具有高耐受性，从而能提供长期稳定性。

可扩展性：混合键合可扩展到未来的技术节点，支持半导体器件不断向更小、更强大发展的趋势。它与各种材料和工艺的兼容性，使其能够适应半导体制造的未来发展。

 

 

混合键合基础
在混合键合中，将两种由相似材料制成的极其平坦、光滑且干净的表面相互接触。这会在两个表面之间形成强大的原子间键合，而无需使用粘合剂或焊料。实际的键合机制因材料而异。具体而言，两个电介质（SiO2）表面的直接键合会产生共价键；而两个铜表面的直接键合会在两步退火过程中形成冶金键。

 

混合键合的关键工艺步骤

图1：混合键合的关键工艺步骤

 

在完成所有前道工艺和后道工艺的成品晶圆顶部，制造混合键合层。混合键合层由电介质（通常是 SiO₂）和铜焊盘组成。

进行清洗和化学机械抛光（CMP），使键合层表面极其光滑、平整。铜会被“挖槽”，即制成略微凹陷的形状。这是一个必要的步骤，因为在退火过程中铜的膨胀程度比电介质大，因此需要一个小的间隙来适应这种不同的膨胀度。

随后进行等离子体活化，以改变键合层表面的属性，增强其与其他材料键合的能力。

将待键合的晶圆或芯片精确对准到原始晶圆上。所有这些表面都已按照上述相同的方式进行了预处理。

使所有组件相互接触，电介质材料的实际键合开始进行。键合过程在环境温度下即可进行。

 

然后在压力和高温下进行退火处理。退火通常包括两个阶段。首先，在较低温度的退火阶段完成电介质的键合；接下来，在较高温度的步骤中，铜膨胀以完全填充小的剩余间隙，并形成直接键合。

 

混合键合有许多不同的具体实施方式。此外，该过程可以在晶圆对晶圆（W2W）、芯片对晶圆（D2W）或芯片对芯片（D2D）之间进行。就吞吐量速度、良率和成本而言，每种方法都有其自身的优缺点，因此每种方法也都有其最适合的特定应用。

 

运动要求
事实上，混合键合过程的每个步骤都有着极为精准的苛刻要求。具体而言，它需要能够制备极其平坦和干净的表面，然后以高精度和可重复性来定位和保持这些表面之间的相对位置。随着芯片的几何形状和间距尺寸越来越小，对机械公差的要求也越来越严格。对运动系统的具体要求取决于确切的实施方式。但是对于W2W和D2W的混合键合的具体要求，可以做出一些大致概括，这有助于突出这些应用之间的关键差异。

 

最受关注的运动系统参数通常有对准精度、稳定性和可重复性。由于混合键合严重依赖于表面清洁度，系统必须要完全避免引入污染的可能性。当然，吞吐量（最终会转化为成本）也一直都是半导体资本设备中的一个关键考量因素。

 

对准精度
运动系统的首要功能是以高精度、高可重复性并可控地移动两个表面（两个晶圆或芯片与晶圆），以实现所需要的对准和定位。大多数情况下，这个过程会借助视觉系统（工作在可见光或红外波段）来识别组件上的基准标记。

 

一般来说，W2W键合的对准要求比D2W键合的对准要求更为苛刻。对于W2W键合，整体对准精度通常在几百纳米或更小的范围内，并且必须要在几十厘米的范围内保持这种精度。

 

对于混合键合，放置精度取决于焊盘尺寸。通常，500nm的对准精度是最低要求。对于某些应用，放置精度可以达到100~200nm的范围。根据运动系统是在为D2W执行拾取和放置操作，还是在为W2W执行离轴对准，运动范围可以达到几百厘米。如果使用红外光的硅片贯穿对准（TSA）是可行的，那么XY方向的运动范围会极小（<1cm）。一旦确定了两个部件的基准点位置，在进行最终的精细对准之前，将晶圆/芯片在 XY 方向移动到大致位置，然后在Z方向将两个表面精确地靠近以进行键合。可以使用各种方法（边缘优先或中心优先）来控制键合界面在材料间的推进过程，以消除气泡干扰键合过程的可能性。

 

可重复性
可重复性实际上是运动系统的关键指标。高可重复性确保机械部件或视觉系统的变化，不会在不同的键合周期中显著影响最终的对准结果。尽管运动系统的性能会受到相机分辨率、照明条件、校准不准确或是环境温度、湿度、振动等内外部因素变化的影响，但它仍是可重复性的关键决定因素。

 

稳定性
稳定性是另一个关键因素，尤其是在键合过程本身以及检测步骤中。鉴于键合周期可能持续数秒，在键合过程中保持稳定性极具挑战性。此外，需要振动阻尼和主动隔振来减轻内部和外部干扰源的影响。通常，在整个键合过程中，位置稳定性必须保持在指定对准公差的极小范围内。

 

 

Newport 解决方案
前面的讨论只是为混合键合指定运动平台的关键考量因素，给出了一个大致概述。但即使是这个概述也强调了混合键合的复杂性和精度要求。

 

成功应对这些挑战，需要专业知识和量身定制的解决方案。在实现最高水平的性能、效率和可靠性方面，并没有现成的答案。而提供这些针对客户特定需求的解决方案，正是MKS公司的优势所在。

 

我们能够做出这一大胆声明，得益于以下几个方面。首先，我们能够基于对客户需求的深入理解来集成和定制系统。其次，我们拥有大量与混合键合相关的多样化运动控制产品和技术，这使我们有能力做到这一点，并不断增强自身能力。这些产品、技术及能力包括：

空气轴承，包括确保在键合过程中的Z轴刚度和稳定性的技术；
用于六自由度晶圆定位的复杂并联系统；
使用陶瓷制造高刚度多轴整体式结构的能力；
先进的导轨系统；
用于相机定位的高精度和高可重复性平台；
验证性能所需要的计量能力；
用于长期可重复性的热模拟和热管理技术；
被动和主动隔离集成；
用于动态定位的高功率精密运动电子设备；
用于优化和加快产品上市时间的仿真和原型设计软件；
能够为客户的特定问题提供解决方案，并优化对客户最重要的指标的能力。

 

在此基础上，我们为原始设备制造商（OEM）提供集成的先进运动平台，这些平台具有紧凑、轻便的设计和高动态性能，确保能在包括洁净室和其他具有挑战性的环境中表现出卓越性能。

 

此外，MKS在半导体制造方面也拥有丰富的经验，包括用于检测、计量、光刻和其他半导体应用的亚微米级精度的系统。我们已经参与了W2W和D2W键合对准平台及相关检测系统的开发工作，证明了我们尤其有能力应对混合键合的复杂挑战。

 

图2：完全集成的混合键合运动模块

 

最后，MKS的全球化业务能力，确保我们从咨询的初始阶段到已安装系统的持续服务阶段，都能为客户提供及时有效的支持。我们在美国、法国、韩国、中国和中国台湾设有机构和专家团队，以为我们的运动控制解决方案提供全面的服务与支持。而且，我们垂直整合的制造体系，包括ISO 6和ISO 7洁净室，确保我们能保持高质量标准，并能高效交付复杂的运动系统。

 

 

结论
凭借深厚的专业知识和全面的能力，MKS可以帮助您在混合键合系统的开发中，最大限度地提高性能、最小化成本并降低风险。我们致力于与客户建立长期的合作伙伴关系。我们深知半导体行业充满活力，需要不断创新。我们通过与客户密切合作，来确保自身的技术路线图与客户的需求保持一致，并帮助客户在技术需求和竞争中保持领先地位。