揭秘3D集成晶圓鍵合：半導體行業(yè)的未來之鑰

隨著半導體產業(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集成晶圓鍵合技術應運而生，成為實現(xiàn)這些目標的關鍵技術之一。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，分析其技術原理、應用優(yōu)勢、面臨的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展趨勢。

技術原理

3D集成晶圓鍵合技術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。通過晶圓鍵合設備，將兩塊同質或異質晶片緊密地結合起來，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。晶圓鍵合設備通過化學和物理作用，使晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而產生反應形成共價鍵結合成一體，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或物理方法處理晶圓表面，使其表面產生活性基團，從而增強晶圓之間的鍵合強度。

應用優(yōu)勢

提高集成度：3D集成晶圓鍵合技術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。

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

技術挑戰(zhàn)

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

晶圓級對準精度：在鍵合過程中，需要確保晶圓之間的高精度對準，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設備。

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（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)是一個關鍵問題。

研究進展

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

高真空全自動晶圓鍵合設備：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問題，成功研發(fā)出高真空全自動晶圓鍵合設備。該設備在亞微米級晶圓超精密對準、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鍵技術方面均實現(xiàn)了突破，達到國內領先水平。

SmartView?NT3對準器：面向MEMS、納米技術和半導體市場的晶圓鍵合和光刻設備的領先供應商EV Group（EVG）推出了新的SmartView?NT3對準器。該對準器具有不到50 nm的晶片到晶片對準精度，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：混合鍵合技術是一種先進的集成電路封裝技術，它結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)界標準間距的四倍。

晶圓級封裝鍵合技術：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）制造技術的晶圓級封裝鍵合技術逐漸進入集成電路制造領域。該技術通過實現(xiàn)存儲器、邏輯器件、射頻器件等部件的三維堆疊同質/異質集成，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

全球晶圓鍵合設備市場呈現(xiàn)出蓬勃的增長態(tài)勢。根據(jù)市場研究機構的數(shù)據(jù)，2018年全球晶圓鍵合設備行業(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，中國半導體行業(yè)發(fā)展較快，晶圓鍵合設備銷量份額最大，2022年占據(jù)全球的40%。

未來發(fā)展趨勢

高精度、高穩(wěn)定性：隨著半導體技術的不斷發(fā)展，晶圓鍵合設備將朝著更高精度、更高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。智能化、自動化技術的應用將提高生產效率和產品質量。

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

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中的應用。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量。

結論

3D集成晶圓鍵合技術作為半導體產業(yè)的重要組成部分，對于推動半導體技術的發(fā)展和應用具有重要意義。隨著市場的不斷擴大和技術的不斷進步，晶圓鍵合設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，他們也需要密切關注市場動態(tài)和技術發(fā)展趨勢，及時調整戰(zhàn)略方向和產品布局，以抓住市場機遇并推動行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。