具有高對(duì)準(zhǔn)精度和高吞吐量的芯片到晶圓自組裝技術(shù)

來(lái)源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志10/11月刊

CEA-Leti和英特爾合作成功實(shí)現(xiàn)了具有高對(duì)準(zhǔn)精度和高吞吐量的芯片到晶圓（Die-to-Wafer，D2W）自組裝技術(shù)，并在2022年電子元件與技術(shù)會(huì)議(ECTC)上展示了這項(xiàng)突破性技術(shù)。這種D2W自組裝工藝是利用水的毛細(xì)力（capillary force）在目標(biāo)設(shè)備上來(lái)對(duì)齊裸片Die，該技術(shù)有望應(yīng)用在內(nèi)存、高性能計(jì)算和光子技術(shù)等領(lǐng)域。

據(jù)悉，CEA-Leti和英特爾合作優(yōu)化了一種混合直接鍵合的自組裝工藝，采用的方法是使用水滴的毛細(xì)力來(lái)對(duì)齊目標(biāo)晶圓上的裸片。該工藝有望增加對(duì)準(zhǔn)精度，并可以達(dá)到每小時(shí)幾千個(gè)Die的制造吞吐量，這對(duì)于未來(lái)需要的芯片對(duì)晶圓(D2W)混合鍵合技術(shù)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)突破，可以促進(jìn)D2W鍵合技術(shù)應(yīng)用。

該結(jié)果發(fā)表在2022年電子元件與技術(shù)會(huì)議(ECTC)的論文“Collective Die-to-Wafer Self-Assembly for High Alignment Accuracy and High Throughput 3D Integration”中。雖然領(lǐng)先的微電子公司認(rèn)為D2W混合鍵合工藝對(duì)于未來(lái)存儲(chǔ)器、高性能計(jì)算和光子器件的成功至關(guān)重要，但它比晶圓對(duì)晶圓（W2W）鍵合要復(fù)雜得多，對(duì)齊精度和芯片組裝吞吐量也較低，所以尚處于研究階段。CEA-Leti多年來(lái)一直在研究開(kāi)發(fā)自組裝方法，目標(biāo)是大幅提高吞吐量和貼裝精度。

CEA-Leti的3D集成項(xiàng)目經(jīng)理Emilie Bourjot說(shuō)：“采用具有商業(yè)規(guī)模吞吐量的D2W自組裝方法需要解決與芯片處理相關(guān)的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，一是將自組裝工藝與取放工具相結(jié)合，二是為自組裝技術(shù)配套集體芯片處理（collective die handing）解決方案。如果將自組裝工藝與取放工具相結(jié)合，則可以通過(guò)減少對(duì)齊時(shí)間來(lái)提高產(chǎn)量，因?yàn)榫?xì)對(duì)齊是由液滴完成的。而當(dāng)自組裝與芯片集體處理解決方案相結(jié)合時(shí)，由于所有芯片同時(shí)粘合在一起，在整個(gè)工藝流程中都不再需要高精度放置，因此吞吐量會(huì)增加?！?/p>

工藝優(yōu)化也是提高工藝成熟度和滿足工業(yè)要求的重要組成部分?！皩⑽锢淼哪Я鸵坏嗡Y(jié)合起來(lái)，竟然能帶來(lái)這樣奇跡的對(duì)齊和吞吐量性能，這無(wú)疑是大有希望的方法，”Bourjot說(shuō)。

該論文指出：“毛細(xì)力源于表面最小化原理，在液體的情況下通過(guò)表面張力施加。從宏觀的角度來(lái)看，液體傾向于使其液/氣界面最小化，以達(dá)到能量最小化的平衡狀態(tài)。這種機(jī)制使Die芯片在其鍵合位置上自對(duì)準(zhǔn)。選擇作為重新排列矢量的液體必須具有高表面張力，并且必須與直接鍵合兼容。大多數(shù)液體的表面張力在20到50mN/m之間，但水的表面張力為72.1mN/m，這使其成為使用親水鍵的自組裝工藝的絕佳候選者，其中水已經(jīng)是關(guān)鍵機(jī)制參數(shù)?！?/p>

“用于調(diào)節(jié)表面親水性的水分配技術(shù)和表面處理，對(duì)于自組裝工藝的正確進(jìn)行似乎至關(guān)重要，由此才能在自制的集體自組裝鍵合工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)出色的對(duì)準(zhǔn)性能。這樣產(chǎn)生的平均偏差低于150nm，3σ低于500nm。最后，這種自組裝工藝與各種芯片尺寸（8x8mm2、2.7×2.7mm2、1.3×11.8mm2和2.2×11.8mm2）可以兼容?！痹撜撐姆Q(chēng)。

相比之下，目前的采用取放工具的鍵合技術(shù)，最先進(jìn)的對(duì)準(zhǔn)是1μm，最好的情況是700nm，而采用自對(duì)準(zhǔn)工藝則可以提供低于500nm，甚至小于200nm的鍵合對(duì)準(zhǔn)。

CEA-Leti還解釋了“自制集體自組裝鍵合工作臺(tái)”：“由于沒(méi)有用于自組裝方法的工業(yè)工具，因此研究團(tuán)隊(duì)制造了自己的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)集體自組裝。盡管低再現(xiàn)性和手動(dòng)過(guò)程控制，自制工作臺(tái)仍然可以實(shí)現(xiàn)500nm及以下的對(duì)準(zhǔn)，這非常有力地表明，如果采用專(zhuān)用于該工藝的工業(yè)工具將能提供更高的再現(xiàn)性、穩(wěn)健性和精度?！?/p>

該論文的結(jié)論強(qiáng)調(diào)：盡管取得了以上突破，自組裝技術(shù)的許多方面仍然需要探索，只有當(dāng)工具供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出適應(yīng)性工具來(lái)自動(dòng)化這一過(guò)程時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)巨大的改進(jìn)。

在這次合作過(guò)程中，CEA-Leti設(shè)計(jì)了工藝流程，并利用其在鍵合物理、工藝和工藝集成方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行了晶圓加工和自組裝鍵合。CEA-Leti還進(jìn)行了表征，如納米形貌、掃描聲學(xué)顯微鏡和對(duì)齊。英特爾的工作包括提供規(guī)范、建模和預(yù)鍵合及正鍵合工藝集成專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以使自組裝工藝與代工廠兼容。

審核編輯 黃昊宇