揭秘3D集成晶圓鍵合：半導(dǎo)體行業(yè)的未來之鑰

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，集成電路（IC）的小型化、高密度集成、多功能高性能集成以及低成本集成成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在這一背景下，3D集成晶圓鍵合技術(shù)應(yīng)運而生，成為實現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將深入探討3D集成晶圓鍵合裝備的現(xiàn)狀及研究進展，分析其技術(shù)原理、應(yīng)用優(yōu)勢、面臨的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展趨勢。

技術(shù)原理

3D集成晶圓鍵合技術(shù)是一種將多個晶圓或芯片在垂直于晶圓或芯片平面的方向上進行堆疊的技術(shù)。通過晶圓鍵合設(shè)備，將兩塊同質(zhì)或異質(zhì)晶片緊密地結(jié)合起來，實現(xiàn)微電子材料、光電材料及其納米等級微機電元件的電氣互聯(lián)、功能集成和器件封裝。晶圓鍵合設(shè)備通過化學(xué)和物理作用，使晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而產(chǎn)生反應(yīng)形成共價鍵結(jié)合成一體，達到特定的鍵合強度，稱之為永久性鍵合。若借助粘結(jié)劑將晶片接合，也可作為臨時鍵合，為超薄器件晶圓提供足夠的機械支撐，保證器件晶圓能夠順利安全地完成后續(xù)工藝制程。

技術(shù)類型

晶圓鍵合工藝主要包括直接鍵合、中間層鍵合和表面活化鍵合等幾種類型。直接鍵合是將兩片表面平整、清潔的晶圓在高溫下緊密貼合，通過分子間的范德華力實現(xiàn)鍵合。中間層鍵合則是在兩片晶圓之間引入一層中間材料，如氧化物、金屬或有機物等，通過這層中間材料的粘附作用實現(xiàn)鍵合。表面活化鍵合則是利用化學(xué)或物理方法處理晶圓表面，使其表面產(chǎn)生活性基團，從而增強晶圓之間的鍵合強度。

應(yīng)用優(yōu)勢

提高集成度：3D集成晶圓鍵合技術(shù)可以將多個芯片或器件堆疊在一起，顯著提高集成度，滿足電子系統(tǒng)小型化高密度集成的需求。

提升性能：通過垂直堆疊，可以縮短信號傳輸路徑，降低功耗，提高數(shù)據(jù)傳輸速度和系統(tǒng)性能。

降低成本：3D集成晶圓鍵合技術(shù)可以實現(xiàn)不同材料、不同功能層之間的集成，提高器件的性能和可靠性，從而降低整體成本。

促進異構(gòu)集成：3D集成晶圓鍵合技術(shù)可以促進化合物半導(dǎo)體、CMOS、MEMS等芯片的集成，充分發(fā)揮不同材料、器件和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管3D集成晶圓鍵合技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

晶圓級對準(zhǔn)精度：在鍵合過程中，需要確保晶圓之間的高精度對準(zhǔn)，以避免錯位或扭曲。

鍵合完整性：晶圓鍵合需要實現(xiàn)良好的電接觸，并最小化鍵合界面處的互連面積，從而騰出更多空間用于生產(chǎn)設(shè)備。

晶圓減薄與均勻性控制：在鍵合前，通常需要對晶圓進行減薄處理，以確保最終封裝中的可靠連接。同時，需要控制晶圓表面的均勻性，以避免翹曲變形。

層內(nèi)（層間）互聯(lián)：在3D集成中，如何實現(xiàn)不同層之間的有效互聯(lián)是一個關(guān)鍵問題。

研究進展

近年來，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，3D集成晶圓鍵合技術(shù)取得了顯著進展。以下是幾個重要的研究方向和應(yīng)用實例：

高真空全自動晶圓鍵合設(shè)備：中國電子科技集團第二研究所（中電科二所）突破了集成電路高端核心裝備技術(shù)問題，成功研發(fā)出高真空全自動晶圓鍵合設(shè)備。該設(shè)備在亞微米級晶圓超精密對準(zhǔn)、大壓力高溫度高均勻性晶圓鍵合、高真空集束型晶圓傳輸平臺及機器人精密運動控制等關(guān)鍵技術(shù)方面均實現(xiàn)了突破，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

SmartView?NT3對準(zhǔn)器：面向MEMS、納米技術(shù)和半導(dǎo)體市場的晶圓鍵合和光刻設(shè)備的領(lǐng)先供應(yīng)商EV Group（EVG）推出了新的SmartView?NT3對準(zhǔn)器。該對準(zhǔn)器具有不到50 nm的晶片到晶片對準(zhǔn)精度，提高了2-3倍，并且吞吐量顯著提高（每小時最多20個晶片）。結(jié)合GEMINI?FB XT集成熔融晶圓鍵合系統(tǒng)，EVG為業(yè)界提供了業(yè)界無法匹敵的晶片鍵合性能，滿足未來的3D-IC封裝要求。

混合鍵合技術(shù)：混合鍵合技術(shù)是一種先進的集成電路封裝技術(shù)，它結(jié)合了金屬鍵合和介電鍵合的特點，實現(xiàn)了不同芯片之間的高密度、高性能互聯(lián)。該技術(shù)能夠在不使用傳統(tǒng)焊料凸點的情況下，直接連接晶圓或芯片，極大地縮小了芯片間距，并實現(xiàn)了垂直堆疊。例如，IMEC的研究人員通過混合鍵合技術(shù)成功地將晶圓間的混合鍵合厚度減小到1.4微米，是目前業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)間距的四倍。

晶圓級封裝鍵合技術(shù)：隨著摩爾定律逼近材料與器件的物理極限，源于微機電系統(tǒng)（MEMS）制造技術(shù)的晶圓級封裝鍵合技術(shù)逐漸進入集成電路制造領(lǐng)域。該技術(shù)通過實現(xiàn)存儲器、邏輯器件、射頻器件等部件的三維堆疊同質(zhì)/異質(zhì)集成，提升器件性能和功能，降低系統(tǒng)功耗、尺寸與制造成本。

市場現(xiàn)狀

全球晶圓鍵合設(shè)備市場呈現(xiàn)出蓬勃的增長態(tài)勢。根據(jù)市場研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)，2018年全球晶圓鍵合設(shè)備行業(yè)市場總收入約為248.52百萬美金，到2022年達到318.85百萬美元，預(yù)測2029年有望達到398.63百萬美元，2023到2029年的年均增長率為6.96%。全球晶圓鍵合設(shè)備消費市場主要集中在中國、日本、歐洲和美國等地區(qū)。其中，中國半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展較快，晶圓鍵合設(shè)備銷量份額最大，2022年占據(jù)全球的40%。

未來發(fā)展趨勢

高精度、高穩(wěn)定性：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，晶圓鍵合設(shè)備將朝著更高精度、更高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。智能化、自動化技術(shù)的應(yīng)用將提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

多功能、集成化：為了滿足不同領(lǐng)域的需求，晶圓鍵合設(shè)備將朝著多功能、集成化的方向發(fā)展。未來的設(shè)備將集成更多的功能模塊，實現(xiàn)更復(fù)雜的工藝過程。

綠色環(huán)保、節(jié)能減排：隨著全球環(huán)保意識的不斷提高和能源消耗的不斷增加，晶圓鍵合設(shè)備將朝著綠色環(huán)保、節(jié)能減排的方向發(fā)展。通過采用新型材料和工藝，降低生產(chǎn)過程中的能耗和污染。

新材料和新工藝的探索：研究人員將繼續(xù)探索新材料和新工藝在晶圓鍵合技術(shù)中的應(yīng)用。例如，SiCN等新型介電材料可能替代傳統(tǒng)的SiO2或SiN材料，以提高鍵合強度和可靠性。同時，化學(xué)機械平坦化（CMP）等工藝的優(yōu)化也將有助于提升芯片表面的平整度和連接質(zhì)量。

結(jié)論

3D集成晶圓鍵合技術(shù)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，對于推動半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。隨著市場的不斷擴大和技術(shù)的不斷進步，晶圓鍵合設(shè)備市場將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。然而，面對激烈的市場競爭和不斷變化的市場需求，晶圓鍵合設(shè)備廠商需要不斷加大研發(fā)投入和市場拓展力度，提升自身競爭力。同時，他們也需要密切關(guān)注市場動態(tài)和技術(shù)發(fā)展趨勢，及時調(diào)整戰(zhàn)略方向和產(chǎn)品布局，以抓住市場機遇并推動行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。