ASML進軍混合鍵合，光刻巨頭挑戰(zhàn)3000萬美元市場！

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

報道指出，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。

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

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)機械拋光進行平坦化。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 的溫度下進行退火處理，實現(xiàn)銅擴散和金屬鍵合，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?shù)貢r間）的第一季度財報電話會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)單價估計約為3.5億歐元，而混合鍵合機的單價約為3000萬美元做魚。

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

D2W技術(shù)是將單個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)該積極探索進入規(guī)模更大、更具戰(zhàn)略意義的W2W領(lǐng)域。

ASML進軍混合鍵合，早有傳聞

其實ASML進軍混合鍵合，早有傳聞。三月份的時候，就有消息透露，ASML 正準備進軍半導(dǎo)體后端設(shè)備市場，以拓展其在快速增長的先進封裝領(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）光刻機磁懸浮（maglev）系統(tǒng)的線性電機和伺服驅(qū)動器，而VDL-ETG則制造這些系統(tǒng)中使用的機械結(jié)構(gòu)。

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

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，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，這是一款專為先進封裝設(shè)計的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）。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，將晶圓鍵合對準精度提升至約5納米。

ASML首席技術(shù)官Marco Peters在三月份的時候曾經(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。

投資者壓力也被認為是ASML進軍混合鍵合技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。先進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。ASMPT有限公司去年預(yù)測，先進封裝業(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。

另一位知情人士表示，ASML的混合鍵合技術(shù)可能會顯著重塑現(xiàn)有市場格局。“ASML擁有一些世界上最先進的超精密控制技術(shù)，”該人士說，“其混合鍵合機可能會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方面的強大能力。

綜合這兩個新聞，我們可以看到，他們都認為ASML進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封裝行業(yè)的發(fā)展歷程。當電子封裝行業(yè)發(fā)展到三維封裝時，微凸點技術(shù)通過在芯片上放置小型銅凸點，實現(xiàn)了芯片間的垂直互連，這是一種 晶圓級封裝形式。凸點的尺寸范圍很廣，從最初的 40 微米間距逐漸縮小到 20 微米甚至 10 微米。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，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，從而實現(xiàn)類似 3D 的封裝和先進的存儲立方體。

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 D2W 混合鍵合技術(shù)的研發(fā)。這項技術(shù)的發(fā)展將進一步促進異構(gòu)集成，為直接連接不同功能、尺寸和設(shè)計規(guī)則的芯片提供了一種強大而靈活的方式。

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用。具體而言，D2W是將單個合格芯片直接鍵合到晶圓上，與晶圓到晶圓鍵合相比，可實現(xiàn)更高的良率和對準精度，但代價是生產(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，研究人員已成功實現(xiàn)了 400nm 的鍵合。W2W 技術(shù)存在兩個嚴重的局限性：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，并且能夠滿足更嚴格的套刻精度要求。例如，業(yè)界已經(jīng)實現(xiàn)了400nm的晶圓到晶圓鍵合，而D2W技術(shù)在研發(fā)階段的間距已達到2μm（見下圖）。

ASML的混合鍵合實踐

這某種程度可以當做ASML對混合鍵合的看法和思考。

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

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 標準的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、臨時混合鍵合、減薄工藝、切割工藝

ASML 設(shè)計的專用光柵標記已印刷在晶圓正面，隨后進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度，并能改善銅擴散阻擋層的性能。SiCN 經(jīng)化學(xué)機械拋光 (CMP) 后，進行晶圓邊緣修整。

為了實現(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），同時在玻璃載體晶圓上涂覆了一層30 μm厚的臨時鍵合材料（TBM：temporary bonding material ）。然后將器件晶圓鍵合，并進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)機械拋光（CMP）工藝對表面進行平坦化處理。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掃描儀對準標記的讀取。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)計位置。

B. 光刻設(shè)計和計量步驟，以實現(xiàn)芯片變形研究：

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

使用ASML掃描儀，在幾個關(guān)鍵步驟中進行高密度讀出測量，分辨率為每芯片9點（ppd）：臨時鍵合前后、切割前后以及拾取放置工藝后。通過比較每個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記讀取：

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

臨時鍵合材料 (TBM) 的這種影響會在器件晶圓和 TBM 中引入意想不到的畸變。這種畸變會貫穿整個芯片制備過程，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)算中的一個重要因素。

B. 刀片切割后正反面標記讀數(shù)

刀片切割后，使用ASML對準傳感器重新評估正反面對準標記的讀數(shù)。背面標記的讀數(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)進一步證實了固化過程造成的意外畸變會通過后續(xù)步驟傳播，導(dǎo)致切割后晶圓/芯片進一步畸變，因為切割過程本身也是一種應(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)校正進行潛在修正，這表明需要進行工藝優(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 貢獻了 55%-58% 的總測量畸變，而 Ms 和 Rs 貢獻了約 15%，Ma 和 Ra 貢獻了約 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因素。

另一方面，Ms、Ma 和 Ra 分量在六個晶圓上表現(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這三個線性誤差分量是需要關(guān)注的，因為這樣可以在拾取放置過程中對每個芯片進行校正。相比之下，掃描儀預(yù)校正是在晶圓級、批次級上進行的。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，畸變可進一步改善至 X/Y = 24.6nm/23.8nm (m3s)（圖 10/11/12）。值得注意的是，六個晶圓的最終殘差圖均呈現(xiàn)出獨特的環(huán)狀特征，這可能與化學(xué)機械拋光 (CMP) 或研磨工藝相關(guān)。

結(jié)論