引言導(dǎo)讀

近年來，隨著半導(dǎo)體集成電路的微縮化，摩爾定律也逐漸接近極限，半導(dǎo)體集成電路對(duì)高密度集成工藝的需求變得更為迫切，鍵合技術(shù)已迅速發(fā)展成為了實(shí)現(xiàn)高密度互連和異質(zhì)異構(gòu)集成的不可或缺的核心工藝技術(shù)。目前，鍵合技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于集成電路半導(dǎo)體微電子學(xué)、電力電子學(xué)、光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、智能傳感、光電集成、異質(zhì)集成、3D集成以及先進(jìn)封裝等眾多領(lǐng)域，并取得了重大研究進(jìn)展。在未來，鍵合工藝技術(shù)的應(yīng)用還將繼續(xù)擴(kuò)大。

本文是九峰山實(shí)驗(yàn)室發(fā)表在《化合物半導(dǎo)體》雜志上的文章節(jié)選，詳細(xì)介紹鍵合工藝當(dāng)前代表性技術(shù)與原理以及其在不同領(lǐng)域的典型應(yīng)用，對(duì)實(shí)驗(yàn)室鍵合工藝能力展開詳細(xì)介紹。

作者：張潔瓊，柳俊，徐哲，熊偉，李成果，趙波，彭文斌，向詩(shī)力，王盼盼，邱磊，宋月平

#團(tuán)隊(duì)介紹

九峰山實(shí)驗(yàn)室工藝中心鍵合工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)

九峰山實(shí)驗(yàn)室工藝中心聚集了全球優(yōu)秀的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)和資深經(jīng)驗(yàn)工藝工程師專家團(tuán)隊(duì)，專注解決產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵工藝問題。鍵合工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)具備多種豐富鍵合工藝能力（如永久/臨時(shí)鍵合、親水/疏水鍵合、晶圓到晶圓鍵合、芯片到晶圓鍵合、熔融鍵合/金屬熱壓/共晶鍵合等）及inline檢測(cè)能力的異質(zhì)晶圓鍵合平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多種化合物半導(dǎo)體材料的異質(zhì)集成，具備先進(jìn)的硅基光電子集成、MEMS圓片級(jí)封裝等平臺(tái)能力。團(tuán)隊(duì)陸續(xù)成功開發(fā)實(shí)現(xiàn)了具有超薄原子級(jí)的鍵合界面晶圓級(jí)異質(zhì)鍵合技術(shù)、高良率高對(duì)準(zhǔn)精度芯片-晶圓鍵合技術(shù)，以及低碎片率高效可靠的臨時(shí)鍵合和解鍵合工藝方案等，并在實(shí)際產(chǎn)品如Si、lnP、GaN、SiC基器件晶圓的工藝流片中得到驗(yàn)證。

01

晶圓鍵合技術(shù)簡(jiǎn)介

晶圓鍵合工藝技術(shù)是通過不同物理或化學(xué)的方法將兩片表面光滑且潔凈的晶圓緊密的貼合在一起，以輔助半導(dǎo)體制造工藝或者形成具有特定功能的異質(zhì)復(fù)合晶圓。鍵合技術(shù)有很多種，通常根據(jù)晶圓的目標(biāo)種類可劃分為晶圓級(jí)（晶圓到晶圓）鍵合和芯片到晶圓鍵合。根據(jù)鍵合完成后是否需要解鍵合，又可分為臨時(shí)鍵合和永久鍵合。根據(jù)待鍵合晶圓間是否引入輔助界面夾層，還可分為直接鍵合和間接鍵合。近年來，由于3D集成高密度互連及先進(jìn)封裝的迫切需求，還發(fā)展出一種新型的混合鍵合技術(shù)。

圖1 主流晶圓鍵合技術(shù)的分類。

表1 各種類型鍵合技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)與典型應(yīng)用總結(jié)

目前，鍵合技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于集成電路半導(dǎo)體微電子學(xué)、電力電子學(xué)、光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、智能傳感、光電集成、異質(zhì)集成、3D集成以及先進(jìn)封裝等眾多領(lǐng)域，并取得了重大研究進(jìn)展。在未來，鍵合工藝技術(shù)的應(yīng)用還將繼續(xù)擴(kuò)大。

圖2 鍵合及轉(zhuǎn)移技術(shù)的廣泛應(yīng)用（圖片來源：Z. Ren et al., Micromachines, vol. 12, no. 8, p. 946, 2021）

02

鍵合技術(shù)典型應(yīng)用

超薄器件晶圓的制備

隨著半導(dǎo)體元器件的不斷小型化和集成化，對(duì)于超薄晶圓（厚度小于100 μm）的需求變得愈發(fā)顯著。對(duì)于超薄器件晶圓尤其是化合物半導(dǎo)體材料晶圓，由于其自身柔性和易脆性以及在前道加工過程中容易出現(xiàn)翹曲、起伏和封裝精度低等問題，導(dǎo)致其在后續(xù)工藝加工過程中容易受損，且物理結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性發(fā)生嚴(yán)重惡化。研發(fā)人員提出了一種解決方法，即通過采用一個(gè)載體晶圓（通常用硅、玻璃或藍(lán)寶石襯底）作為臨時(shí)支撐系統(tǒng)，通過粘合劑與超薄器件晶圓暫時(shí)性地粘結(jié)在一起，以便順利進(jìn)行后續(xù)加工。當(dāng)后續(xù)工藝全部完成后，再將臨時(shí)支撐的載體晶圓與超薄器件晶圓分離。臨時(shí)鍵合/解鍵合工藝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著先進(jìn)封裝技術(shù)與3D集成的飛速發(fā)展，如今此技術(shù)已發(fā)展成為面向大尺寸超薄晶圓的拿持與后道工藝加工處理的重要解決方案

近年來，激光解鍵合技術(shù)因其具備能量輸入效率高、器件損傷低以及操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，更容易滿足低損耗、高效率、大規(guī)模制造的需求，更適用于大尺寸超薄晶圓以及特殊易脆材質(zhì)晶圓如化合物半導(dǎo)體材料晶圓，極具廣闊應(yīng)用前景。

圖3 臨時(shí)鍵合/解鍵合技術(shù)工藝流程示意圖（圖片來源：Z. Mo et al., Electronics, vol. 12, no. 7, p. 1666, 2023）

多功能復(fù)合襯底的制備

隨著傳統(tǒng)硅器件尺寸接近極限，將晶體管進(jìn)一步縮小至納米尺度變得愈發(fā)困難。為了應(yīng)對(duì)信號(hào)串?dāng)_和元素?cái)U(kuò)散等問題，SOI絕緣體上晶圓作為傳統(tǒng)硅襯底的替代方案受到重點(diǎn)關(guān)注。智能剝離（Smart CutTM）技術(shù)，又被稱為襯底行業(yè)的“納米刀”，最早由SOITEC與CEA-LETI聯(lián)合開發(fā)，并結(jié)合晶圓鍵合工藝進(jìn)而開發(fā)了如今廣泛應(yīng)用于業(yè)界的SOI晶圓制備技術(shù)。晶圓直接鍵合技術(shù)與該技術(shù)結(jié)合，可克服不同晶格材料限制，因而使得許多單晶薄膜可轉(zhuǎn)移到其他襯底上。為多功能復(fù)合襯底制備和多功能材料間的異質(zhì)集成提供新可能。

三維集成與封裝

近年來，鍵合工藝技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于存儲(chǔ)器堆疊、計(jì)算與通信系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器/微處理器堆疊， 2.5D/3D集成以及先進(jìn)封裝等眾多領(lǐng)域中?；诨旌湘I合的3D集成封裝技術(shù)，通過TSV互連將芯片垂直堆疊，可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)以下間距的高密度集成，縮短了傳輸路徑，提高了整體芯片的速度和性能，已廣泛應(yīng)用于高帶寬存儲(chǔ)器與CPU、GPU、及FPGA等處理器的芯片整合。然而，混合鍵合工藝中仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如亞微米級(jí)以下高對(duì)準(zhǔn)精度的要求，以及潔凈度和缺陷管控等問題，仍有待后續(xù)更多的測(cè)試與持續(xù)的工藝驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)最終優(yōu)化與提高。

光電集成

隨著全球數(shù)據(jù)需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，光子集成芯片以光子為信息傳輸媒介，因具有高帶寬、高速率、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于光通信、光互聯(lián)、光學(xué)傳感等領(lǐng)域。由于CMOS工藝制造的兼容性，電子學(xué)和光子學(xué)可以集成在同一芯片中。硅上激光源的集成是硅基光子學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。基于晶圓級(jí)鍵合及芯片到晶圓鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)異構(gòu)集成，被認(rèn)為是更有利的光子集成芯片的制備方法。然而，根據(jù)材料不同，制備工藝也有很大的區(qū)別，因此要確保引入的工藝的兼容性。

03

九峰山實(shí)驗(yàn)室鍵合工藝平臺(tái)

九峰山實(shí)驗(yàn)室已建設(shè)完成先進(jìn)的鍵合工藝平臺(tái)，擁有全球頂尖的多種類型鍵合設(shè)備，如全自動(dòng)熔融鍵合設(shè)備、超高真空室溫鍵合設(shè)備、高壓鍵合設(shè)備、芯片-晶圓鍵合設(shè)備、臨時(shí)鍵合/解鍵合及清洗設(shè)備等，可提供支持多種鍵合工藝能力與開發(fā)及加工服務(wù)，包括永久/臨時(shí)鍵合、親水/疏水鍵合、混合/熔融鍵合，陽(yáng)極鍵合、金屬熱壓鍵合、共晶鍵合及瞬態(tài)液相鍵合等，同時(shí)滿足可兼容4/6/8英寸的硅基及化合物半導(dǎo)體材料襯底的晶圓級(jí)晶圓到晶圓鍵合和芯片到晶圓鍵合，以滿足異質(zhì)異構(gòu)集成的需求。同時(shí)，配合先進(jìn)的inline鍵合量測(cè)設(shè)備和全面的前后道工藝，以及強(qiáng)大的檢測(cè)分析平臺(tái)能力，九峰山實(shí)驗(yàn)室可為合作伙伴提供多材料、多結(jié)構(gòu)、多功能、多體系、多元化的異質(zhì)異構(gòu)集成的解決方案，支撐硅基光電融合、MEMS制造與真空封裝、功率及無線器件制造、3D集成與先進(jìn)封裝、Chiplet、生物芯片、AI互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究與開發(fā)工作。

圖4 九峰山實(shí)驗(yàn)室晶圓級(jí)鍵合工藝技術(shù)實(shí)例

針對(duì)鍵合工藝中高溫引發(fā)的異質(zhì)材料間熱應(yīng)力和晶圓形變問題，九峰山實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出多種材料間的室溫直接鍵合工藝，極大地降低了異質(zhì)材料間的熱應(yīng)力和晶圓形變，使得大尺寸異質(zhì)材料晶圓間具備超薄原子級(jí)界面的高強(qiáng)度鍵合成為可能。為實(shí)現(xiàn)低成本的硅基光電子芯片融合，實(shí)驗(yàn)室鍵合技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過高對(duì)準(zhǔn)精度芯片-晶圓鍵合技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了8寸Si晶圓上InP芯片的高良率鍵合。此外，為滿足微納器件制造及MEMS晶圓級(jí)封裝應(yīng)用需求，針對(duì)化合物半導(dǎo)體晶圓易碎問題，開發(fā)出一套高效可靠的鍵合和解鍵合工藝方案，成功地降低了大尺寸化合物半導(dǎo)體薄片晶圓的碎片率，極大地提高了后續(xù)工藝良率，已經(jīng)在實(shí)際產(chǎn)品如Si、lnP、GaN、SiC基器件晶圓的工藝流片中得到了初步驗(yàn)證。

隨著芯片平面微縮工藝已接近極限，進(jìn)一步提高芯片密度和性能必然需向三維方向、面向多種材料進(jìn)行集成。未來，九峰山實(shí)驗(yàn)室鍵合異質(zhì)集成平臺(tái)將繼續(xù)圍繞異質(zhì)異構(gòu)集成、先進(jìn)封裝、先進(jìn)復(fù)合材料等技術(shù)領(lǐng)域，持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，突破技術(shù)瓶頸，不斷豐富和增強(qiáng)工藝能力，為全球合作伙伴提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。