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      ASML進(jìn)軍混合鍵合?

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      日前,據(jù)韓媒引述一次行業(yè)會(huì)議上公布的專利分析報(bào)道,ASML 可能正在開發(fā)晶圓對晶圓 (W2W) 混合鍵合設(shè)備。

      報(bào)道指出,仁荷大學(xué)制造創(chuàng)新研究生院教授朱承煥 (Joo Seung-hwan) 4 月 28 日在首爾舉行的一次會(huì)議上表示,根據(jù) ASML 的專利申請,該公司似乎正在將其核心 Twinscan 光刻平臺技術(shù)應(yīng)用于 W2W 混合鍵合機(jī)。

      Twinscan于2001年首次出貨,是ASML的旗艦級光刻平臺。它在單個(gè)系統(tǒng)中集成了兩個(gè)晶圓平臺模塊。其中一個(gè)平臺通過將光投射到晶圓上形成電路圖案來進(jìn)行曝光,而另一個(gè)平臺則同時(shí)進(jìn)行下一個(gè)晶圓的裝載、對準(zhǔn)和準(zhǔn)備工作,從而顯著縮短了整體工藝時(shí)間。

      分析表明,ASML 可以利用這種雙級架構(gòu)來開發(fā) W2W 混合鍵合設(shè)備。

      W2W混合鍵合是一種先進(jìn)的封裝技術(shù),它直接將兩片半導(dǎo)體晶圓鍵合在一起。該工藝包括在圖案化的晶圓上形成二氧化硅介電層,蝕刻通孔,填充銅,并通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化。然后在室溫下將晶圓精確鍵合,形成介電層之間的化學(xué)鍵。

      隨后在 200°C 至 400°C 的溫度下進(jìn)行退火處理,實(shí)現(xiàn)銅擴(kuò)散和金屬鍵合,從而完成晶圓間的互連。這種方法縮短了互連長度,降低了功耗和發(fā)熱量,同時(shí)提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。

      ASML首席執(zhí)行官克Christophe Fouquet在4月15日(當(dāng)?shù)貢r(shí)間)的第一季度財(cái)報(bào)電話會(huì)議上也暗示了公司對混合鍵合技術(shù)的興趣。他表示,ASML的光刻技術(shù)可以支持客戶的3D集成工作,包括混合鍵合工藝。他指出,盡管目前混合鍵合技術(shù)在前端工藝中的應(yīng)用仍然有限,但隨著市場的發(fā)展,公司正在積極探討如何為客戶提供支持。

      Joo表示,關(guān)于ASML進(jìn)軍混合鍵合設(shè)備市場的猜測已經(jīng)持續(xù)多年,但他質(zhì)疑這家以超高成本光刻系統(tǒng)聞名的公司能否在價(jià)格相對較低的封裝設(shè)備領(lǐng)域提供具有競爭力的解決方案。ASML的高數(shù)值孔徑極紫外(High-NA EUV)系統(tǒng)單價(jià)估計(jì)約為3.5億歐元,而混合鍵合機(jī)的單價(jià)約為3000萬美元做魚。

      此次報(bào)告還強(qiáng)調(diào)了韓國設(shè)備制造商為W2W混合鍵合市場做好準(zhǔn)備的必要性。由于HBM應(yīng)用領(lǐng)域的強(qiáng)勁需求,SEMES、韓華半導(dǎo)體和韓美半導(dǎo)體等公司近期都將重點(diǎn)放在了芯片到晶圓(D2W)混合鍵合機(jī)上。

      D2W技術(shù)是將單個(gè)芯片直接鍵合到晶圓上,但與W2W技術(shù)相比,其市場份額較小。據(jù)市場研究公司Yole Group的數(shù)據(jù)顯示,去年全球混合鍵合市場規(guī)模超過60億美元,其中D2W技術(shù)約占4.5%,即2.75億美元。

      Joo強(qiáng)調(diào),D2W僅占混合鍵合市場的一小部分,并表示韓國企業(yè)應(yīng)該積極探索進(jìn)入規(guī)模更大、更具戰(zhàn)略意義的W2W領(lǐng)域。

      ASML進(jìn)軍混合鍵合,早有傳聞

      其實(shí)ASML進(jìn)軍混合鍵合,早有傳聞。三月份的時(shí)候,就有消息透露,ASML 正準(zhǔn)備進(jìn)軍半導(dǎo)體后端設(shè)備市場,以拓展其在快速增長的先進(jìn)封裝領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。該公司正在開發(fā)一種混合鍵合系統(tǒng),這是下一代芯片封裝的關(guān)鍵工具。

      知情人士透露,ASML已開始設(shè)計(jì)一款面向半導(dǎo)體后端工藝的混合鍵合工具的整體架構(gòu)。其中一位人士表示,該公司近期已與外部合作伙伴啟動(dòng)了該系統(tǒng)的研發(fā)工作。

      潛在合作伙伴包括Prodrive Technologies和VDL-ETG,這兩家公司都是ASML光刻系統(tǒng)的長期供應(yīng)商。Prodrive Technologies提供用于ASML極紫外(EUV)光刻機(jī)磁懸浮(maglev)系統(tǒng)的線性電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器,而VDL-ETG則制造這些系統(tǒng)中使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

      磁懸浮系統(tǒng)用于以極高的精度移動(dòng)晶圓臺,并且與傳統(tǒng)的空氣軸承系統(tǒng)相比,振動(dòng)更小。這種技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于混合鍵合設(shè)備,因?yàn)檫@類設(shè)備需要超高精度的對準(zhǔn)。

      混合鍵合是一種用于堆疊和連接芯片的新一代半導(dǎo)體封裝技術(shù)。與熱壓鍵合 (TCB) 不同,它無需使用微小的金屬凸點(diǎn),而是直接連接芯片之間的銅表面。在混合鍵合過程中,鍵合頭拾取芯片,將其移動(dòng)到基板或晶圓上,并施加壓力以在銅層之間形成直接鍵合。

      行業(yè)分析師表示,ASML進(jìn)軍混合鍵合領(lǐng)域在意料之中。2024年,該公司推出了首款后端設(shè)備TWINSCAN XT:260,這是一款專為先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)的3D深紫外(DUV)光刻系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于在封裝應(yīng)用中的中介層上形成重分布層(RDL)。與此同時(shí),ASML還發(fā)布了一種結(jié)合了DUV和EUV掃描儀的整體光刻解決方案,將晶圓鍵合對準(zhǔn)精度提升至約5納米。

      ASML首席技術(shù)官M(fèi)arco Peters在三月份的時(shí)候曾經(jīng)向媒體表示,公司一直在密切評估半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的機(jī)遇。“我們正在研究如何拓展我們在該領(lǐng)域的產(chǎn)品組合,”Peters說道。他還補(bǔ)充說,在研究了包括SK海力士在內(nèi)的存儲器制造商的產(chǎn)品路線圖后,公司得出結(jié)論,市場對堆疊工藝設(shè)備的需求十分明確。

      投資者壓力也被認(rèn)為是ASML進(jìn)軍混合鍵合技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。先進(jìn)封裝市場的快速增長提升了該領(lǐng)域設(shè)備供應(yīng)商的業(yè)績,促使人們呼吁ASML搶占這一不斷擴(kuò)大的市場份額。

      BE半導(dǎo)體工業(yè)公司(Besi)表示,其第四季度訂單積壓量同比增長105%,主要受混合鍵合需求的推動(dòng)。ASMPT有限公司去年預(yù)測,先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)可能占其總收入的四分之一左右。

      沉積和蝕刻設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)用材料公司(Applied Materials Inc.)已經(jīng)進(jìn)軍該領(lǐng)域。去年,該公司與Besi合作,并成為BESI的最大股東,共同開發(fā)了Kynex芯片到晶圓(D2W)混合鍵合系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了BESI司的Datacon 8800 Cameo Ultra Plus AC混合鍵合機(jī)。

      另一位知情人士表示,ASML的混合鍵合技術(shù)可能會(huì)顯著重塑現(xiàn)有市場格局。“ASML擁有一些世界上最先進(jìn)的超精密控制技術(shù),”該人士說,“其混合鍵合機(jī)可能會(huì)立即改變市場的競爭格局。”

      ASML的EUV光刻系統(tǒng)以其納米級精度而聞名。特別是,其高數(shù)值孔徑(High-NA)EUV系統(tǒng)中曝光層之間的套刻精度約為0.7納米,凸顯了該公司在超精密對準(zhǔn)方面的強(qiáng)大能力。

      綜合這兩個(gè)新聞,我們可以看到,他們都認(rèn)為ASML進(jìn)軍混合鍵合是板上釘釘,不同之處在于做的是D2W還是W2W。下面我們來看一下,這兩種混合鍵合有何不同。

      D2W和W2W,有何不同?

      要了解什么是D2W和W2W,要先了解一下混合鍵合。

      混合鍵合是引領(lǐng)先進(jìn)封裝創(chuàng)新未來的關(guān)鍵。混合鍵合提供了一種解決方案,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的帶寬、更強(qiáng)的功率和更佳的信號完整性。隨著業(yè)界尋求通過縮小系統(tǒng)級互連來提升最終器件的性能,混合鍵合憑借其將多個(gè)芯片以小于 10 μm 的極小互連間距集成的能力,成為最有前景的解決方案。要理解混合鍵合的基礎(chǔ)知識,需要提出三個(gè)基本問題:什么是混合鍵合?為什么要使用混合鍵合?

      要理解混合鍵合技術(shù),需要簡要回顧一下先進(jìn)封裝行業(yè)的發(fā)展歷程。當(dāng)電子封裝行業(yè)發(fā)展到三維封裝時(shí),微凸點(diǎn)技術(shù)通過在芯片上放置小型銅凸點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了芯片間的垂直互連,這是一種 晶圓級封裝形式。凸點(diǎn)的尺寸范圍很廣,從最初的 40 微米間距逐漸縮小到 20 微米甚至 10 微米。然而,問題也由此而來:將間距縮小到 10 微米以下變得非常具有挑戰(zhàn)性,工程師們正在尋求一種新的解決方案,以進(jìn)一步縮小尺寸。混合鍵合技術(shù)為 10 微米及以下間距提供了一種解決方案,它完全避免使用凸點(diǎn),而是通過小型銅對銅連接來連接封裝中的芯片。這種技術(shù)能夠提供更高的互連密度,從而實(shí)現(xiàn)類似 3D 的封裝和先進(jìn)的存儲立方體。

      混合鍵合是一種永久性鍵合技術(shù),它將介電層(SiOx)與嵌入式金屬(Cu)相結(jié)合,形成互連。這種技術(shù)在業(yè)內(nèi)被稱為直接鍵合互連(DBI)。混合鍵合在熔合鍵合的基礎(chǔ)上,在鍵合界面嵌入了金屬焊盤,從而實(shí)現(xiàn)了晶圓的面對面連接。


      混合鍵合技術(shù) 通過緊密排列的銅焊盤,實(shí)現(xiàn)芯片與晶圓 (D2W) 或晶圓與晶圓 (W2W) 的垂直連接。雖然 W2W 混合鍵合技術(shù)已在圖像傳感領(lǐng)域應(yīng)用多年,但業(yè)界正大力推進(jìn) D2W 混合鍵合技術(shù)的研發(fā)。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)異構(gòu)集成,為直接連接不同功能、尺寸和設(shè)計(jì)規(guī)則的芯片提供了一種強(qiáng)大而靈活的方式。

      W2W混合鍵合是異構(gòu)集成中的核心工藝,它將來自不同生產(chǎn)線的晶圓堆疊并進(jìn)行電連接,并在CMOS圖像傳感器以及各種存儲器和邏輯技術(shù)中得到了成功應(yīng)用。這種將晶圓整體鍵合在一起的技術(shù)生產(chǎn)效率高,但由于對對準(zhǔn)精度要求高,良率存在問題。


      而且,由于許多芯片的尺寸不一定相同,D2W混合鍵合方法可能更實(shí)用。具體而言,D2W是將單個(gè)合格芯片直接鍵合到晶圓上,與晶圓到晶圓鍵合相比,可實(shí)現(xiàn)更高的良率和對準(zhǔn)精度,但代價(jià)是生產(chǎn)效率降低。


      自十多年前索尼首次將晶圓對晶圓 (W2W) 混合鍵合技術(shù)應(yīng)用于 CMOS 圖像傳感器以來,該技術(shù)已展現(xiàn)出卓越的成功記錄。目前,研究人員已成功實(shí)現(xiàn)了 400nm 的鍵合。然而,W2W 技術(shù)存在兩個(gè)嚴(yán)重的局限性:芯片尺寸必須完全相同,且無法在鍵合過程中移除不合格的芯片。


      這就是芯片到晶圓鍵合(D2W)的用武之地(見上表)。只有已知合格的芯片才能進(jìn)行鍵合,而且可以使用任何尺寸的芯片。相對而言,W2W技術(shù)比D2W技術(shù)更成熟,并且能夠滿足更嚴(yán)格的套刻精度要求。例如,業(yè)界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了400nm的晶圓到晶圓鍵合,而D2W技術(shù)在研發(fā)階段的間距已達(dá)到2μm(見下圖)。


      ASML的混合鍵合實(shí)踐

      雖然有如此多新聞關(guān)于ASML的混合鍵合設(shè)備,但半導(dǎo)體行業(yè)觀察經(jīng)過一番查找,并沒有很多直接證據(jù)。不過我們也找到一篇由imec和ASML聯(lián)合撰寫的論文。在文中,他們對imec芯片到晶圓(D2W)鍵合流程后芯片的面內(nèi)和面外變形進(jìn)行了表征。利用掃描儀上的對準(zhǔn)讀數(shù)和調(diào)平計(jì)量結(jié)果,通過掃描儀預(yù)校正來提高先進(jìn)封裝和異構(gòu)集成系統(tǒng)的D2W鍵合后套刻性能。

      這某種程度可以當(dāng)做ASML對混合鍵合的看法和思考。


      作者在文章中指出,五十多年來,半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律,逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地提高芯片密度。雖然傳統(tǒng)的二維間距縮放預(yù)計(jì)將在先進(jìn)材料、工藝和光刻工具的推動(dòng)下繼續(xù)存在,但三維異質(zhì)集成技術(shù)的出現(xiàn),以及混合鍵合套刻精度的提高,在功耗、性能、面積和成本方面帶來了顯著優(yōu)勢,尤其是在邏輯和存儲器應(yīng)用領(lǐng)域。鍵合工藝和芯片制備過程中引入的線性誤差和非線性誤差都可能導(dǎo)致不可接受的套刻誤差。理解并減輕這些誤差對于優(yōu)化混合鍵合性能和確保可靠性至關(guān)重要。

      在直接D2W混合鍵合集成流程中,器件晶圓被鍵合到臨時(shí)載體晶圓上,然后進(jìn)行晶圓背面減薄工藝。晶圓背面標(biāo)記的引入,旨在通過結(jié)合正面和背面標(biāo)記的對準(zhǔn)讀數(shù)以及從每個(gè)關(guān)鍵步驟收集的調(diào)平數(shù)據(jù),來增強(qiáng)芯片變形的表征。

      制造工藝

      本研究采用的芯片制備工藝,用于生產(chǎn)面積為 7.2 mm2、厚度為 50 μm 的芯片,遵循 imec 標(biāo)準(zhǔn)的Die-Wafer混合鍵合流程,主要制造步驟詳述如下,并如圖 1 所示。


      A. 晶圓制備、臨時(shí)混合鍵合、減薄工藝、切割工藝

      ASML 設(shè)計(jì)的專用光柵標(biāo)記已印刷在晶圓正面,隨后進(jìn)行氧化物蝕刻和金屬化處理。金屬化后,在 300mm 全厚度硅晶圓上覆蓋一層碳氮化硅 (SiCN),與二氧化硅 (SiO2) 相比,SiCN 在較低的退火溫度下具有更高的鍵合強(qiáng)度,并能改善銅擴(kuò)散阻擋層的性能。SiCN 經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 后,進(jìn)行晶圓邊緣修整。

      為了實(shí)現(xiàn)激光釋放工藝,在器件晶圓上涂覆了一層2μm厚的BrewerBond? T1107激光釋放層(LRL:laser release layer),同時(shí)在玻璃載體晶圓上涂覆了一層30 μm厚的臨時(shí)鍵合材料(TBM:temporary bonding material )。然后將器件晶圓鍵合,并進(jìn)一步減薄至最終厚度50 μm。

      在背面光刻氧化物圖案化和銅金屬化之后,采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝對表面進(jìn)行平坦化處理。硅晶圓通過刀片切割分離,切割過程穿過釋放層,直至到達(dá)TBM層。后一種方法使得晶圓能夠通過背面清洗工藝,并可用于測量晶圓形狀和ASML掃描儀對準(zhǔn)標(biāo)記的讀取。圖2顯示了切割至TBM層后拍攝的光學(xué)圖像。


      為了消除芯片制備和鍵合過程中引入的芯片變形,在硅受體晶圓上涂覆一層低粘附力層,該層上也存在相同類型的標(biāo)記。然后,拾取放置工具可以從切割后的晶圓上拾取選定的芯片,并將其放置到受體晶圓上的設(shè)計(jì)位置。

      B. 光刻設(shè)計(jì)和計(jì)量步驟,以實(shí)現(xiàn)芯片變形研究:

      ASML XT1000 掃描儀被用作主要的光刻曝光和計(jì)量工具,用于讀取和校準(zhǔn)晶圓上所有芯片的標(biāo)記。每個(gè)芯片上放置 9 個(gè)(3x3)具有規(guī)則線/空光柵設(shè)計(jì)的對準(zhǔn)標(biāo)記,以便進(jìn)行密集的場內(nèi)測量(圖 3)。掃描儀作業(yè)和曝光布局經(jīng)過專門設(shè)計(jì),可在捕獲范圍內(nèi)形成背面和正面對準(zhǔn)標(biāo)記的圖案,從而通過測量背面標(biāo)記之間的位移來實(shí)現(xiàn)套刻計(jì)量。


      使用ASML掃描儀,在幾個(gè)關(guān)鍵步驟中進(jìn)行高密度讀出測量,分辨率為每芯片9點(diǎn)(ppd):臨時(shí)鍵合前后、切割前后以及拾取放置工藝后。通過比較每個(gè)工藝步驟前后測量值的差異,可以精確表征芯片變形。

      結(jié)果與討論

      A. 刀片切割工藝前的正面和背面標(biāo)記讀取:

      背面標(biāo)記圖案化完成后,使用 ASML 對準(zhǔn)傳感器讀取正面和背面對準(zhǔn)標(biāo)記。正面標(biāo)記的測量結(jié)果表明 X/Y = 438nm/417nm (m3s) 的畸變,并呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征,表明臨時(shí)鍵合工藝中的固化步驟產(chǎn)生了顯著影響,該步驟可以進(jìn)行優(yōu)化(圖 4)。

      臨時(shí)鍵合材料 (TBM) 的這種影響會(huì)在器件晶圓和 TBM 中引入意想不到的畸變。這種畸變會(huì)貫穿整個(gè)芯片制備過程,最終影響刀片切割工藝后的芯片畸變。這種畸變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力松弛后的芯片畸變,并成為混合鍵合套刻精度預(yù)算中的一個(gè)重要因素。


      B. 刀片切割后正反面標(biāo)記讀數(shù)

      刀片切割后,使用ASML對準(zhǔn)傳感器重新評估正反面對準(zhǔn)標(biāo)記的讀數(shù)。背面標(biāo)記的讀數(shù)結(jié)果表明畸變顯著增加,刀片切割前后X/Y值從22.2nm/22.5nm變?yōu)?74nm/142.2nm(圖5)。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了固化過程造成的意外畸變會(huì)通過后續(xù)步驟傳播,導(dǎo)致切割后晶圓/芯片進(jìn)一步畸變,因?yàn)榍懈钸^程本身也是一種應(yīng)力釋放過程。


      C. 線性誤差和非線性誤差分量:


      本研究旨在探究芯片制備過程中芯片內(nèi)部畸變的可重復(fù)性和不可重復(fù)性分量。可重復(fù)性分量可通過掃描儀預(yù)校正進(jìn)行潛在修正,這表明需要進(jìn)行工藝優(yōu)化。本研究對六片晶圓的測量畸變數(shù)據(jù)應(yīng)用了線性模型,該模型考慮了每個(gè)芯片的 x/y 變換、對稱和非對稱旋轉(zhuǎn)以及對稱和非對稱放大(Tx/Ty/Rs/Ra/Ms/Ma)。結(jié)果表明,Tx/Ty 貢獻(xiàn)了 55%-58% 的總測量畸變,而 Ms 和 Rs 貢獻(xiàn)了約 15%,Ma 和 Ra 貢獻(xiàn)了約 17%-20%(圖 6)。Tx/Ty、Ms、Ma 和 Ra 的分布圖呈現(xiàn)出不同的特征,清晰地指示了潛在的畸變貢獻(xiàn)因素。

      另一方面,Ms、Ma 和 Ra 分量在六個(gè)晶圓上表現(xiàn)出良好的可重復(fù)性,并且可能在掃描儀預(yù)校正能力范圍內(nèi)(圖 7)。


      Tx/Ty的六片晶圓堆疊圖表明,臨時(shí)鍵合階段的固化過程是芯片變形的最大影響因素,這表明可以通過優(yōu)化固化配方來解決該問題(圖8)。相比之下,Ma、Ms和Ra的六片晶圓堆疊圖顯示,晶圓上薄膜結(jié)構(gòu)和鍵合晶圓的綜合固有力學(xué)性能會(huì)受到切割過程中應(yīng)力松弛的影響(圖9)。



      D. 應(yīng)用掃描儀預(yù)校正后的殘差仿真:

      已成功識別出線性誤差和非線性誤差分量,線性誤差具有良好的可重復(fù)性,且變化范圍合理。基于Tx、Ty和Rs這三個(gè)線性誤差分量可由芯片-晶圓鍵合工具解決的假設(shè),從掃描儀校正的角度來看,Ms、Ma和Ra這三個(gè)線性誤差分量是需要關(guān)注的,因?yàn)檫@樣可以在拾取放置過程中對每個(gè)芯片進(jìn)行校正。相比之下,掃描儀預(yù)校正是在晶圓級、批次級上進(jìn)行的。仿真結(jié)果表明,在芯片-晶圓鍵合工具上執(zhí)行Tx/Ty/Rs校正后,畸變可從X/Y = 174.3nm/142.2nm (m3s) 改善至X/Y = 45nm/39.3nm (m3s)。此外,經(jīng)過掃描儀預(yù)校正后的 Ms/Ma/Ra 校正后,畸變可進(jìn)一步改善至 X/Y = 24.6nm/23.8nm (m3s)(圖 10/11/12)。值得注意的是,六個(gè)晶圓的最終殘差圖均呈現(xiàn)出獨(dú)特的環(huán)狀特征,這可能與化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 或研磨工藝相關(guān)。



      結(jié)論

      本文對7.2 mm2、50 μm厚的芯片中可重復(fù)的線性和非線性誤差分量進(jìn)行了表征。仿真結(jié)果表明,通過掃描儀預(yù)校正可顯著降低失真。此外,對線性分量的分析確定了一些工藝優(yōu)化的關(guān)鍵領(lǐng)域,為改進(jìn)3D先進(jìn)封裝和異構(gòu)集成系統(tǒng)中的芯片制備和鍵合技術(shù)提供了寶貴的見解。

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