01 晶圓鍵合發(fā)展背景 ? ? 在摩爾定律的引導下，集成電路行業(yè)一直高速發(fā)展，晶體管特征尺寸已經從90nm向7nm邁進。然而，由于隨著晶體管特征尺寸已日益接近物理極限，量子效應和短溝道效應越來越嚴重，內部電子自發(fā)地通過源極和漏極，導致漏電流增加，進而限制了晶體管的進一步縮小。因此，按照摩爾定律的方式，通過縮小晶體管特征尺寸來提升集成電路性能、降低功耗變得越發(fā)困難。晶體管將會快速地接近約5nm的極限柵極長度，因此探索新的溝道材料和器件結構是推動IC產業(yè)繼續(xù)發(fā)展的兩條極為重要的路線。 3D、晶圓級等先進封裝是超越摩爾一個至關重要的研究應用方向。以3D集成封裝為例，垂直于晶圓或芯片平面方向上進行堆疊，集成電路技術由二維平面向三維方向發(fā)展，該技術分段實現，首先實現幾層的3D堆疊，隨著時間的推移，堆疊芯片層數將會不斷增加。采用全新結構的3D集成是推動半導體行業(yè)發(fā)展的重要技術，諸如存儲器、邏輯器件、傳感器和處理器等不同類型的器件和軟件的復雜集成，以及新材料和先進的芯片堆疊技術，都要基于3D集成技術。另外，由于最新一代的光刻機的延遲交貨和功率限制的綜合影響，制造商無法進一步縮小器件尺寸，垂直堆疊芯片設備（含三維集成技術）正成為大勢所趨。

芯片堆疊封裝存在著4項挑戰(zhàn)，分別為晶圓級對準精度、鍵合完整性、晶圓減薄與均勻性控制以及層內（層間）互聯(lián)。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)（Micro Electro Mechanical Systems，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，成為實現存儲器、邏輯器件、射頻器件等部件的三維堆疊同質/異質集成，進而提升器件性能和功能，降低系統(tǒng)功耗、尺寸與制造成本的重要技術途徑，對滿足集成電路高集密度、高功能密度和高性能集成的迫切需求，突破國內自主可控平面集成能力不足的瓶頸，實現集成電路由平面集成向三維立體集成的跨越式發(fā)展有重要的戰(zhàn)略價值。因此，英特爾、三星、華為、高通、羅姆、臺積電等知名企業(yè)及眾多高校、科研院所均圍繞晶圓級封裝鍵合開展了設備、器件、工藝的研究。

鍵合（Bonding）屬于后道封裝過程，分為晶圓-晶圓鍵合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圓鍵合（Die-to-Wafer，D2W）。鍵合主要指將兩片表面清潔、原子級平整的同質或異質半導體材料經表面清洗和活化處理，在一定條件下直接結合，通過范德華力、分子力甚至原子力使兩片半導體材料成為一體的技術。W2W 是指通過化學或物理反應將晶圓與晶圓、晶圓與玻璃基板或其他材料圓片永久結合起來的工藝。鍵合過程為，在外能量的作用下，兩個晶圓接合界面上的原子相互反應形成共價鍵，從而使晶圓接合并達到一定的界面鍵合強度；D2W 指在劃片工藝之后，將從晶圓上切割的芯片黏貼在封裝基板（引線框架或印刷電路板）上。芯片鍵合工藝可分為傳統(tǒng)和先進方法，傳統(tǒng)方法采用芯片鍵合（Die Bonding）和引線鍵合（Wire Bonding），先進方法采用倒裝芯片鍵合（Flip Chip Bonding）、混合鍵合（Hybrid Bonding）等技術。鍵合、解鍵合市場發(fā)展較晚，是從第二代半導體磷化銦、砷化鎵開始發(fā)展的，最先開始使用鍵合/解鍵合的廠商是臺灣穩(wěn)懋，主要是做射頻器件、光通器件及激光器件時，會用到薄化工藝，后來逐漸發(fā)展到先進封裝層面，目前重點是臺積電的應用為主。鍵合廣泛應用在芯片的減薄工藝，追求芯片越來越小、效率越來越高、成本越來越低是各個芯片廠商追求的趨勢。隨著碳化硅產業(yè)的起步和發(fā)展，目前鍵合/解鍵合工藝涵蓋了第一代、第二代、第三代半導體。

晶圓鍵合(wafer bonding)，從名字上就可以同傳統(tǒng)封裝中應用到的引線鍵合wire bonding和貼片鍵合die bonding所區(qū)分。bonding可以被翻譯為接合，從直觀印象上更方便于理解這一工藝和過程。從鍵合方式上來分類，晶圓鍵合可以分為永久鍵合和臨時鍵合。區(qū)別也顧名思義，永久鍵合后無需再解鍵合(debonding)，而臨時鍵合還需要解鍵合，將接合在一起的晶圓重新打開。從界面材料來講，分為帶中間層的膠鍵合，共晶鍵合，金屬熱壓鍵，無中間層的熔融鍵合(fusion bonding)和陽極鍵合等。

以前晶圓鍵合業(yè)務主要面向封裝領域的客戶。如果一顆一顆晶圓去做封裝，效率會很低，如果用整一個晶圓片去做封裝，效率就會高很多。如今越來越多其他領域的公司也開始用鍵合技術。當芯片的集成度越來越高，成本也會越來越高。半導體產業(yè)的研發(fā)生產要同時兼顧技術和成本。如今各芯片企業(yè)不再追求更小的制程，而是將各種功能的芯片疊層起來，進行3D封裝。實現3D封裝的首要因素是晶圓片要薄，薄的晶圓可以更容易實現TSV穿孔工藝，而且如果芯片疊起來過厚就不利于用在終端設備中。因此目前行業(yè)內都在往50微米到100微米的級別靠攏，甚至有一些客戶在往更薄的級別努力。一個50微米厚度的12吋晶圓片像紙一樣薄，很難進行后續(xù)的光刻、濕制程等工藝，為了節(jié)省成本，各企業(yè)都希望不要更換現有的設備。這樣就產生了臨時鍵合的需求。我們用一個載片托住這片晶圓，做完減薄后仍然在這片晶圓上進行后續(xù)的所有工藝，最后再完整無損地將晶圓片和載片打開，清洗后就可以進行切片作業(yè)了。

圖1：2D、2.5D及3D封裝之間的差距（來源日月光公開材料）

02 晶圓鍵工藝過程 ? ? （一）晶圓鍵合工藝過程及鍵合分類 ? ? ? 如圖2所示，晶圓鍵合工藝過程為：首先將待鍵合的一組晶圓進行預處理、清洗、視覺對準，進而通過不同方法實現晶圓對的鍵合。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，并使接合界面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，通過將器件晶圓固定在承載晶圓上，可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，如光刻、刻蝕、鈍化、濺射、電鍍和回流焊。

圖2：晶圓鍵合及后續(xù)工藝流程

具體的晶圓鍵合工藝可按照鍵合材料、鍵合手段、應用場景分類，方法不盡相同，按照鍵合工藝對晶圓鍵合分類（見表1）。晶圓級鍵合是半導體器件物理、材料物理化學、精密機械設計、高精度自動控制等多學科交叉的科學技術領域。晶圓鍵合工藝中晶圓尺寸的擴大、芯片特征尺寸的縮小、異質材料之間的熱失配及晶格失配等重要技術問題還有待解決。

國外利用超高真空Ar快速原子束表面活化鍵合工藝實現了大面積、高強度的晶圓級鍵合，但我國在大面積、高強度晶圓級鍵合理論與工藝領域能力仍有待提高。晶圓鍵合及烘烤激活對晶圓表面溫度均勻性及翹曲變形有十分嚴格的要求。溫度均勻性取決于設備結構、加熱工藝以及晶圓自身的熱物理性能，翹曲變形則受溫度均勻性、外加機械力以及晶圓自身力學性能的影響。傳統(tǒng)的研究多采用實驗試錯的方法，沒有將上述因素協(xié)同考慮，難以獲得優(yōu)化的結構工藝參數，導致鍵合可靠性及器件良率大大下降。國際上的高水平研究團隊通常結合先進的數值仿真手段及多變量多目標優(yōu)化方法，綜合考慮包含熱輻射、熱傳導在內的熱場以及包含熱應力、機械應力在內的應力場等多物理場之間的復雜耦合作用機理，開展對晶圓鍵合和烘烤激活工藝參數的協(xié)同優(yōu)化，從而大大提高鍵合品質及器件良率。

表1晶圓鍵合工藝分類及典型器件

從界面材料來講，晶圓鍵合又分為：（1）沒有中間層的晶圓鍵合，包括融熔鍵合、銅-銅混合鍵合和陽極鍵合；（2）使用中間層的晶圓鍵合，中間層諸如玻璃漿料的絕緣體，或是在共晶鍵合和熱壓鍵合中采用的金屬，包括膠鍵合、共晶鍵合、金屬熱壓鍵合。如圖3：

圖3：根據界面材料的分類

1、鍵合條件 ? ? 影響鍵合質量的內在因素是晶片表面的化學吸附狀態(tài)、平整度及粗糙度；外在因素主要是鍵合的溫度和時間。通常還需要加壓來克服表面起伏與增加表面原子間的成鍵密度，來達到提高鍵合強度的目的。決定鍵合成功與否的基本條件: (1)幾何條件:利用鍵合技術可以有效解訣晶格失配的問題，要保證兩個鍵合晶片的表面平整度與彈性模量的差異要小。

(2)機械條件:鍵合所需的表面需要非常平滑，表面的粗糙度要求達到2nm以上，配合化學機械研磨(C雔}任)實現。

(3)物理條件:由于磊晶或長晶的過程往往會有一些缺陷，如:晶界(grainboundaries) 大、晶格錯位(dislocation)雙尖峰（spikes）等，這些也需使用CMP的方式去除。

(4)化學條件:兩個欲鍵合表面的潔凈度非常重要，鍵合時需注意去除表面金屬、有機物等雜質。

(5)能量條件:在熱處理的過程中，溫度可能會造成表面殘余物質的化學反應，鍵合過程中引入熱應力導致形變等對器件不利的結果。

為了達到良好的鍵合質量，通常需要對欲鍵合的晶片進行前期準備，主要通過表面處理、預鍵合及熱處理三個過程。

2、鍵合界面的性質 ? ? (1）鍵合界面的位錯和空洞。 除了硅硅直接鍵合這種同質材料鍵合之外，大部分都是通過異質材料進行鍵合。而由于兩個鍵合的材料不同，晶片之間必然存在著熱失配及晶格失配等問題。鍵合界面將會產生應力，為了應力弛豫，界面處會形成一定的位錯，會嚴重影響器件的性能。此外，晶片表面會有一定的雜質、多孔層結構和空洞。這些雜質和多孔層結構的產生可能是由于表面未清洗潔凈及界面附近的原子重組造成的，空洞是晶片在退火時產生的氣泡引起的。

(2)鍵合界面的電學和光學特性。

鍵合晶片的界面狀態(tài)會影響晶片的電學和光學性質，通過I-籚特性及PL譜等測試手段來分析界面處的鍵合情況，有助于更好的了解界面的性質變化，從而改進方法來提高界面的電學和光學性能。

(3)鍵合界面的表面懸掛鍵和鍵合能。

對于晶片來說，晶片內部與晶片表面的原子有不同的排列方式。當表面某處的原子排列出現中斷時，表面處就會產生額外的能量此時中斷處附近的原子如果仍以內部結構的形式排列，系統(tǒng)的自由能會明顯增加。為了恢復穩(wěn)定的排列方式，表面處的原子會進行一定的調整來降低附加的自由能。實現調整的方式主要有兩種:通過晶片表面自行調整和借由外界條件調整。

對于自行調整方式，由于晶片內部受力與晶片表面受力的情況顯著不同，表面的晶格常數會隨之發(fā)生改變。改變后晶片表面的原子與內部原子的排列形成不同的排列方式。如重構、臺階化等。以這種方式排列之后表面會形成本征表面態(tài)。

通過外界條件的調整方式，晶片表面原子之間存在不飽和鍵，易吸附外來的雜質。吸附雜質的同時還進行電子交換，原有的表面太發(fā)生變化形成非本征表面態(tài)。通過以上兩種調整方式都可以達到減低表面能的目的，從而使晶片內外系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

晶片的表面懸掛鍵越多，表面能越大，鍵合時兩個晶片之間的原子越容易相互作用。而鍵合界面處隨著原子的不斷相互作用形成越來越多的共價鍵，鍵合晶片的界面越牢固，鍵合強度越大。 ? ? 3、晶圓鍵合的難度 ? 3D堆疊、晶圓級等先進封裝方案可以采用多種形式，具體取決于所需的互連密度。圖像傳感器和高密度存儲器可能需要將一個芯片直接堆疊在另一個芯片上，并通過硅通孔連接，而系統(tǒng)級封裝設計可能會將多個傳感器及其控制邏輯放在一個重新分配的層上。對于設計師來說，關鍵問題不是如何物理地包含單個模塊，而是如何集成一個復雜的系統(tǒng)。盡管如此，從相對低密度的扇出型晶圓級封裝到高密度芯片堆疊的所有形式的三維集成都存在一些具有挑戰(zhàn)性的組裝問題。 首先，為了確保一致的機械和電氣連接，并方便進行任何進一步的光刻步驟，應將復雜堆疊中的每個晶片和每個重新分布層或其他元素平面化。這可以通過拋光、在現有形貌的頂部沉積電介質或鍵合膠或同時在兩者之上實現。

其次，硅、金屬互連以及諸如鍵合膠之類的輔助材料可能具有非常不同的熱膨脹系數。組裝過程必須控制應力和翹曲，以確保最終封裝中的可靠連接。例如，封裝設計可能包含可適應工藝引起的應力的順應性材料?；蛘?，它可以通過限制高溫處理來減少應力。例如，與需要高溫的鍵合膠相比，可以在室溫下施加和固化的鍵合膠對系統(tǒng)的應力較小。

最后，組裝涉及單個晶片、由單個晶片重構的晶片以及帶有暴露的硅通孔的薄晶片的精確處理和對準。處理步驟可能涉及晶片的正面和背面。例如，在完整的封裝中，芯片可能會停留在TSV的頂部并通過TSV連接到再分布層，而有源層會面對面或面對面地結合到另一個芯片。

確切的工藝步驟各不相同，但是通常必須將晶圓臨時鍵合到一個或多個臨時載體襯底上，后面再解離，晶圓的翻轉很常見。在將晶片轉移到背面接觸的載體上以進行進一步的正面處理之前，正面接觸載體的晶圓允許減薄和其他背面處理。 （二）臨時鍵合與鍵合工藝 ? ? ? 晶圓鍵合是指通過一系列物理過程將兩個或多個基板或晶片相互連接和化學過程。晶片鍵合用于各種技術，包括MEMS器件制造、三維集成封裝等先進的封裝技術，以及IC制造環(huán)節(jié)，在晶圓鍵合中有兩種主要的鍵合，臨時鍵合和永久鍵合，兩者都是在促進三維集成的技術中發(fā)揮著關鍵作用。

隨著半導體晶圓制程對縮小特征尺寸和引入全尺寸三維集成需求的高漲，晶圓正朝著大尺寸、多芯片堆疊和超薄化方向發(fā)展，以實現高端芯片的高性能系統(tǒng)集成、多功能化和成本效益。晶圓減?。ǖ陀?00 μm）的目的主要是為了滿足TSV制造和多片晶圓堆疊鍵合總厚度受限的需求。采用大尺寸晶圓能夠有效提高芯片制造的效率和成本效益。然而，大尺寸薄化晶圓的柔性和易脆性使其很容易發(fā)生翹曲和破損。為降低減薄工藝中的碎片率，提高芯片制造的良率、加工精度和封裝精度，通常采用臨時鍵合及解鍵合(Temporary Bonding and De-bonding)技術，在背面減薄前，采用臨時鍵合的方式將晶圓轉移到載片上為其提供強度支撐，完成背面減薄及其他雙面工藝后進行解鍵合。該技術在硅基TSV 互連工藝和3D 堆疊集成封裝領域應用廣泛。

1、臨時鍵合及解鍵合原理 ? ? 晶圓與鍵合載片鍵合后，鍵合載片可以為晶圓提供機械支撐；在減薄拋光工藝完成后，通過解鍵合將晶圓與鍵合載片分離，該過程稱為臨時鍵合及解鍵合技術。采用熱壓臨時鍵合，首先要使得鍵合介質（液態(tài)蠟或者液態(tài)膠）通過旋涂或噴涂方式在晶圓和載片表面均勻涂覆，然后在高溫、真空、外力的鍵合腔室內疊放完成鍵合。鍵合層要牢固可靠，不允許有分離、松動、氣泡、鏤空等現象存在。 解鍵合技術根據不同的鍵合介質，劃分為UV光照射(適配UV 干膜)、機械剝離(適配垂直剝離膠)、激光剝離(適配光敏膠)和熱解滑移(適配熱熔膠)4 種類型。UV 光照射解鍵合、機械剝離解鍵合、激光剝離解鍵合會產生較大的作用力和污染，不適用于軟脆易碎的InP 晶圓。而熱解滑移解鍵合原理是將晶圓吸附在解鍵合載片上，使用可加熱真空工作臺加熱并吸附載片與晶圓，通過溫度調節(jié)鍵合介質黏稠度的同時將鍵合載片延水平方向滑移出晶圓。較適用于脆性的InP 晶圓。

2、臨時鍵合工藝技術 ? ? 臨時鍵合主要包括3 個步驟：鍵合介質涂覆、前烘固化、晶圓與鍵合載片對準，以及真空熱壓。 如圖4（a）、（b）所示，在臨時鍵合工藝過程中，常見的技術要點是排除鍵合層的中心及邊緣產生氣泡。該氣泡引起的鍵合層厚度不均勻或鏤空現象直接導致該區(qū)域在減薄時因局部失去支撐而碎裂；或因邊緣鍵合層密封不足，使減薄廢料滲入，導致晶圓表面沾污無法祛除。所以如何優(yōu)化鍵合工藝，避免氣泡的出現是該步驟最大的難點所在。首先，涂覆鍵合介質時，先低轉速勻開靜置，目的是讓肉眼可見的氣泡自然破裂，然后再高速旋開，從而制備滿足一定厚度且均勻的鍵合介質層；其次，在前烘固化時應提供一定負壓的真空，目的是讓肉眼不可見的氣泡通過真空利用氣壓差使其破裂避免在烘烤時鼓包，特別注意的是，該負壓不能過強，否則鍵合介質中大量的揮發(fā)性稀釋劑會劇烈揮發(fā)產生更多更大的泡沫組織，如圖4 （c）所示；最后，在真空熱壓過程中，需要通過調節(jié)工藝過程中“溫度—真空—壓力”3 個共同作用，誘導空隙氣泡移動到晶圓邊緣排除。溫度過低，蠟層黏稠度大流動性差，氣泡空隙無法移動到晶圓邊緣順利排除；溫度過高，蠟層黏稠度低流動性佳，蠟層在壓力作用下擠壓溢出，導致厚度偏薄，甚至載片會因為蠟層過薄壓壞晶圓表面僅僅幾微米的芯片。如圖4（d）所示，通過工藝參數的優(yōu)化，以某型號帶銦凸點的InGaAs 焦平面探測器為例，成功實現了100 mm InP 晶圓的臨時鍵合，并且鍵合層組織致密，無氣泡。

圖4：鍵合層中心和邊緣出現氣泡 其另一技術要點是控制鍵合片的翹曲度（WARP）。翹曲度過大會嚴重影響減薄過程中的全局平坦化工藝效果，也會導致解鍵合過程因受力不均產生更大的碎裂風險。影響翹曲度WARP的主要因素有3 點：（1）晶圓與鍵合載片各自的熱膨脹系數及相互匹配；（2）晶圓及鍵合載片本身的厚度和形貌等輸入狀態(tài)；（3） 鍵合工藝技術調節(jié)

3、解鍵合工藝技術 ? ? 解鍵合是在減薄拋光完成后，將晶圓與載片分開的技術。解鍵合是按照翹曲矯正、熱解滑移和晶圓清洗3 個過程進行的。在臨時鍵合后，鍵合片往往會經過背面減薄拋光或者鍍膜等工藝。這些工藝不僅使得晶圓厚度降低至100 μm 左右，還會引入機械應力和熱應力，使得晶圓發(fā)生嚴重翹曲。所以，在解鍵合前，必須對薄片晶圓進行翹曲矯正，否則在后續(xù)升溫和滑移解鍵合時，都會因為形變過大、受力不均導致晶圓損傷、碎裂。 根據解鍵合方式的不同，解鍵合方式主要分為機械剝離、濕化學浸泡、熱滑移和激光解鍵合4種方法，這幾種方法均有各自的優(yōu)缺點，圖表2。隨著鍵合技術的不斷進步，其將成為推動晶圓級先進封裝技術不斷發(fā)展的重要組成部分。

（1）機械剝離法

對于不能承受高溫和高熱應力的器件晶圓，在室溫下即可實現鍵合對的機械剝離方法是一種低成本的解決方案。機械剝離法的基本流程如圖1所示。機械剝離法相對簡單粗暴，將薄片插入載板與器件晶圓中間，通過向上的拉力和旋轉的剪切力剝離載板。超薄器件晶圓采用該方法會因為過大的機械應力而出現較高的破片率。道康寧公司開發(fā)了一種耐腐蝕的硅基臨時鍵合材料，用于機械解鍵合工藝。由于鍵合對分離之后還需要大量清洗劑去除器件表面殘膠，這會產生額外的成本。為了實現無溶劑分離，比利時微電子研究中心（IMEC）開發(fā)了一種可以從薄晶圓上直接揭除鍵合膠的純機械剝離方法，從而極大地減少了清洗劑的使用。此外，在機械剝離之前通常先將鍵合對轉移到切割膠帶上以降低薄晶圓破損的風險。通過配套的專用機械解鍵合設備甚至能夠實現12英寸極?。ê穸葹?.6 μm）晶圓的剝離。然而，這種專用機械解鍵合設備的高成本限制了其應用。

圖5：機械剝離法流程 （2）濕化學浸泡法

根據臨時鍵合膠在特定溶劑中的溶解特性，可以通過溶劑浸沒去除鍵合膠層，直接分離器件晶圓，這種方法被稱為濕化學浸泡法。濕化學浸泡法的基本流程如圖6所示，主要包括以下3個步驟：（1）通過臨時鍵合膠將帶有通孔的承載晶圓與器件晶圓進行鍵合；（2）對器件晶圓進行減薄、研磨、重布線層（RDL）和球化等半導體制程工藝；（3）將鍵合對放置在裝有溶劑的容器內，放置一段時間后鍵合膠逐漸溶解，從而實現器件晶圓的剝離。值得注意的是，需在承載晶圓上制造分布均勻的群孔以加快鍵合膠的溶解，同時盡量避免因溶解不均而導致的機械應力集中。

圖6：濕化學浸泡法的基本流程

（3）熱滑移法

熱塑性材料在溶劑清洗過程中易于從器件晶圓上去除，其被認為是最適合用于臨時鍵合膠的材料，且對器件晶圓表面的結構損傷較小。熱滑移解鍵合的工藝流程如圖7所示。熱滑移法是將器件晶圓放置在真空吸附工作臺上，采用可加熱吸盤吸附載板，通過加熱使鍵合膠材料軟化，再施加剪切力使器件晶圓側向滑移出載板。這種方法通常采用的臨時鍵合材料的熱穩(wěn)定性較差，在晶圓級封裝的高溫制程中容易軟化，會影響器件的加工精度和封裝精度。此外，器件晶圓在滑移完成后很容易在設備平臺上殘留鍵合膠，影響后續(xù)的產品工藝。早在20世紀初，美國Brewer Science公司就開始研發(fā)適用于熱滑移法的臨時鍵合材料產品，其早期開發(fā)的WaferBond HT-10.10以及紫外激光解鍵合材料WaferBond 305與WaferBond 701長期占據國內主要市場，但這些材料仍然存在著耐化學腐蝕和耐高溫性能較差等問題

圖7：熱滑移解鍵合的工藝流程

（4）激光解鍵合法

激光解鍵合法是一種在室溫下不使用化學物質的低應力剝離工藝。激光解鍵合法具有可在室溫下解鍵合、高通量、低機械應力和環(huán)境友好等優(yōu)點，在大尺寸超薄晶圓的制造方面逐漸得到了廣泛的關注和應用，有望為高端超薄芯片制造過程中的易破損和吞吐量低等困境提供可行性解決方案。此外，激光在能量、時間、空間方面的可選擇范圍很寬，可形成超快、超強、超短等極端物理條件。鑒于激光解鍵合在高應力晶圓處理方面具有高度的靈活性，能夠在傳統(tǒng)的后端設備上進行先進的封裝流程。例如，激光解鍵合的寬工藝窗口更適合應用于扇出型晶圓級封裝（FOWLP）。另外，激光解鍵合工藝能夠避免表面能、溫度行為和溶劑滲透的依賴性，并與后續(xù)半導體制程工藝相兼容。目前，激光解鍵合法主要分為紅外激光解鍵合法和紫外激光解鍵合法。激光解鍵合法的剝離機制主要依賴于激光種類以及響應材料的類型。

激光解鍵合工藝主要是利用激光穿過透明載板，光子能量沉積在光敏響應材料層，進而誘發(fā)材料的快速分解、汽化甚至等離子化而失去粘性。同時，快速釋放的分解氣體還會增大響應層界面的分離壓力，從而進一步促進器件晶圓的自動分離。激光解鍵合工藝的工作流程主要包括（圖8 所示）：（1）在透明剛性載板（如玻璃、藍寶石等）和器件晶圓表面分別涂上粘結材料和響應材料；（2）將透明剛性載板和器件晶圓通過光或熱等方式鍵合在一起；（3）利用激光透過剛性載板輻照在響應材料層引發(fā)燒蝕，從而使得器件晶圓分離；（4）清洗器件晶圓和透明剛性載板，其中的載板可以多次重復使用。

圖8：紅外激光解鍵合的工藝流程

4、晶圓清洗工藝技術 ? ? 在晶圓完成解鍵合后，均需要在超薄片狀態(tài)下進行清洗，從而移除殘余的鍵合介質。在該過程中，需要首先注意的是晶圓薄片的碎片率。由于超薄晶圓會在溶液沖洗和片盒上下過程中碎裂，無法使用常規(guī)的片盒式槽式清洗機。同時，也無法使用單片式晶圓清洗機，因為不論是機械手臂上下料還是清洗過程中的溶劑沖力都會造成晶圓碎裂。? ? ? 03 晶圓鍵合設備市場情況 ? ? （一）晶圓鍵合設備市場現狀及預測 ? ? ? 晶圓鍵合設備領域目前正朝著多元化的方向發(fā)展。例如，隨著技術的提高與更新，并且受益于地方政府的大力補貼，亞洲設備供應商對整個市場造成了巨大的價格壓力，將來會進一步開拓市場并開始與頂級企業(yè)競爭，并可能重新洗牌晶圓鍵合設備設備市場。?

圖9：全球晶圓鍵合設備消費額及發(fā)展趨勢（2018-2029）（百萬美金） 資料來源:Yole Developpemen、第三方資料、新聞報道、業(yè)內專家采訪及QYResearch 整理研究

圖10：全球晶圓鍵合設備銷量及發(fā)展趨勢（2018-2029）（臺） 資料來源:Yole Developpemen、第三方資料、新聞報道、業(yè)內專家采訪及QYResearch 整理研究 根據上圖數據顯示，2022年全球晶圓鍵合設備行業(yè)市場總收入大約達到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年占據全球的40%。日本占據5%，而歐洲和美國分別占有19%和11%。在下游消費市場中，晶圓鍵合設備可以廣泛地應用于MEMS，先進封裝，CIS和其他，其中MEMS市場是最大的消費市場，占有35%的市場。先進封裝為第二大市場32%，CIS及其他應用則占有更小的市場。全球晶圓鍵合設備市場相對集中，國際市場上的主要生產商包括EV Group, SUSS MicroTec, Tokyo Electron, AML, Mitsubishi, Ayumi
Industry,?SMEE等，奧地利EV Group為全球龍頭企業(yè)，2022年收入占據全球份額的59%。德國SUSS
MicroTec為全球第二大企業(yè)，占據全球市場的12%。Tokyo
Electron, AML, Mitsubishi, Ayumi Industry, SMEE等一共占有將近29%的市場份額。 （二）晶圓鍵合設備主要廠商情況 ? ? ? 以公開的2020年數據為例，全球晶圓鍵合設備主要廠商列表

圖11:2020年公開數據，全球晶圓鍵合設備廠商經營情況

奧地利EVG公司的主流產品，適合陽極鍵合、共晶鍵合、金屬擴散鍵合、直接鍵合、聚合物鍵合、熔融與混合鍵合和瞬時液相鍵合的小批量、半自動晶圓鍵合解決方案，如EVG510、EVG520、E V G 5 4 0 晶圓鍵合系統(tǒng)；也可以提供全自動、大批量、滿足3D異構集成高對準精度生產的晶圓鍵合解決方案，如EVG560、EVG GEMINI、EVGCombond、EVG Bondscale等晶圓鍵合系統(tǒng)；還有用于扇出封裝、晶圓減薄、3D堆疊、晶圓鍵合的臨時鍵合和晶圓解鍵合解決方案，如E V G 8 5 0 、EVG850TB、EVG850LT等晶圓臨時鍵合與解鍵合系統(tǒng)；晶圓對準設備由Smartview發(fā)展到Smartview3，對準精度提高到50 nm。

晶圓鍵合設備總體技術發(fā)展方向是高精度、高集成化、高可靠性、高動態(tài)、高效化的趨勢，關鍵技術指標為：對準精度≤50 nm；鍵合溫度均勻性≤±1%；最大晶圓尺寸304.8 mm（12英寸）；最大鍵合壓力100 kN；最高鍵合溫度550 ℃。

德國SUSS MicroTec擁有六十多年的歷史，是半導體行業(yè)領先的微結構工藝設備制造商，產品涵蓋光刻、涂膠/顯影、晶圓鍵合、光刻掩膜版清洗等諸多半導體、微加工相關領域。SUSS晶圓鍵合系統(tǒng)主要包括XB8、SB6/8Gen2、XBS200、XBS300、XBC300Gen2等系統(tǒng)，最大晶圓尺寸304.8 mm（12英寸），對準精度≤500 nm，能夠滿足包括共晶、直接鍵合等各種晶圓鍵合工藝需求。

國內設備起步晚，國內鍵合設備技術發(fā)展方向由手動向半自動轉換，國內沒有多模塊集成的晶圓鍵合設備，與國外設備代差距較大。上海微電子裝備（SMEE）有獨立對準、鍵合、解鍵合等設備，SWB系列晶圓鍵合設備用于有機膠鍵合、玻璃漿料鍵合、共晶鍵合、陽極鍵合等工藝。SWA系列晶圓對準設備對準精度≤±2 μm。蘇州美圖開發(fā)的陽極晶圓鍵合設備，最大鍵合壓力10～30 kN，最高溫度450 ℃。中國電科2所研制真空晶圓鍵合系統(tǒng)對準精度≤1 μm，鍵合溫度均勻性≤±1%（FS），設備達到國內先進水平（如圖12所示）

圖12：全自動真空晶圓鍵合系統(tǒng) （三）國內晶圓鍵合設備研發(fā)進展情況 ? ? ? 晶圓鍵合設備是進入壁壘很高的產業(yè)，對于光學系統(tǒng)、圖像處理與識別、高精度晶圓平行移動等技術的要求極高。國內的眾多設備廠家因自身的人才、技術、設備、材料和資金等各方面因素的制約，無力進行設備持續(xù)的研究和改進，與國外同行之間的技術和實力的差距有擴大的趨勢，晶圓鍵合產品在技術性能、質量可靠性、穩(wěn)定性等方面存在很大的不足。目前，國內晶圓級鍵合技術主要受限于國內器件設計與工藝、設備穩(wěn)定性與精確度等領域的基礎理論與關鍵技術的發(fā)展水平。 ? ? 1、技術性能方面發(fā)展 ? ? 目前國內生產的最好的設備對準精度為±2 μm，與國外設備差距較大，EVG對準精度≤50 nm。鍵合溫度均勻性規(guī)格書≤±1%（FS），實際能達到≤±0.6%。目前在晶圓級封裝行業(yè)內，臨時鍵合技術的使用已經比較成熟，但都是厚度都在100μm以上的單層硅通孔（TSV）結構，受限于臨時鍵合材料，暫不能做到更薄。臨時鍵合穩(wěn)定的另一面是解鍵合和清除殘膠更加麻煩，需要更長時間去除殘膠，鍵合的穩(wěn)定和解鍵合殘膠的易清潔之間的平衡，還需要更長時間去解決。國外設備自動化程度可滿足大生產線需求，國內設備差距很大。

2、質量可靠性方面發(fā)展 ? ? 國外設備鍵合熱臺使用壽命長、密封可靠性高，加壓氣液缸、檢測傳感器、卡盤等關鍵件可靠、耐用，設備一致性、長期使用穩(wěn)定性好，加熱臺互換性良好。國內設備、鍵合加熱臺等部件一致性差，穩(wěn)定性不好，缺乏關鍵零部件持續(xù)攻關及工藝深度結合。

3、研發(fā)模式及投入方面 ? ? 我國設備行業(yè)與國外行業(yè)領軍企業(yè)的研發(fā)模式有很大不同。以半導體裝備龍頭企業(yè)AMSL為例，在全球范圍內與優(yōu)勢單位、頭部企業(yè)合作，實現優(yōu)勢互補、強強聯(lián)合，分布在全球的700多家供應商提供的功能模塊和單元組件貢獻了AMSL光刻設備約85％的外購成本。AMSL能專注于自身獨特的能力優(yōu)勢，集成世界范圍內最專業(yè)的制造商來設計、研發(fā)與制造光刻機，與比利時的IMEC光刻研究中心保持著長期合作關系，依靠強大的研發(fā)實力引領市場、開拓創(chuàng)新，擁有龐大且涉及多學科多領域的高科技研發(fā)團隊，每年用于研發(fā)的費用數以億計。自2015年以來，AMSL的研發(fā)人數占員工總數的比例一直維持在35％左右，研發(fā)人員逐年遞增，2018年達8500多人。國內裝備研制企業(yè)與零部件生產商配合不緊密，產學研合作脫節(jié)，研究方向不專注，高端人才缺乏，研發(fā)投入不夠，缺乏長期戰(zhàn)略投入，造成與國外高端核心裝備的技術差距較大。

4、國內的相關廠商 ? ? （1）芯睿科技 蘇州芯?？萍加邢薰竟倬W介紹：公司是一家專注于半導體晶圓鍵合設備研發(fā)、生產及銷售的企業(yè)。通過十多年的研發(fā)，公司產品應用覆蓋半導體各領域（包括射頻器件、功率器件、先進封裝、光通訊等），工藝能力覆蓋2至12英寸，是臨時鍵合、永久鍵合整體方案提供商。公司核心技術團隊均有20年以上的半導體設備開發(fā)經驗。

根據公開信息顯示，芯?？萍甲钚伦灾餮邪l(fā)生產的12英寸臨時鍵合設備可應用于Fan-out、2.5D、3D interposer等先進封裝相關工藝。鍵合腔體采用高真空、高溫和高壓設計，及具有專利的腔內置中機構，使得置中精度能夠達到≤50um。此外，該設備可以適應市場上各種臨時鍵合材料，為客戶提供多樣性的選擇。公司的12英寸激光解鍵合設備則搭載主流波段355nm固態(tài)激光源，并采用平頂光設計，避免單點能量過高對芯片造成損傷；光路的實時能量監(jiān)控功能，確保工藝流程中激光能量的穩(wěn)定性。此外，該設備腔體還配備載片分離模組，可以實現解鍵合后載片的自動分離。目前芯?？萍嫉挠谰面I合設備有少量的訂單，臨時鍵合設備處于研發(fā)驗證階段。

（2）華卓精科

華卓精科以超精密測控技術為基礎，研究、開發(fā)以及生產超精密測控設備部件、超精密測控設備整機并提供相關技術開發(fā)服務，其中報告期內的超精密測控設備部件產品包括精密運動系統(tǒng)、靜電卡盤和隔振器等，整機產品包括晶圓級鍵合設備、激光退火設備等。上述產品的應用領域覆蓋集成電路制造、超精密制造、光學、醫(yī)療、3C制造等行業(yè)。

主要產品包括精密運動系統(tǒng)、靜電卡盤和隔振器等超精密測控設備部件及晶圓級鍵合設備、激光退火設備等超精密測控設備整機，以及上述部分主要產品和納米精度運動及測控系統(tǒng)的技術開發(fā)服務。其中，晶圓級鍵合設備、激光退火設備等產品均為國內前沿技術產品，技術構造復雜。

根據華卓精科公開信息顯示，目前鍵合設備方面主要有全自動化臨時鍵合設備、混合鍵合設備，都以先進封裝應用為主，但沒有查到產品的具體導入應用信息。

（3）拓荊科技

拓荊科技主要從事高端半導體專用設備的研發(fā)、生產、銷售和技術服務。公司主要產品為半導體薄膜沉積設備包括PECVD設備、ALD設備及SACVD設備三個系列。公司是國內唯一一家產業(yè)化應用的集成電路PECVD、SACVD設備廠商。

先進封裝方面，公司積極進軍高端半導體設備的前沿技術領域，研制了應用于晶圓級三維集成領域的混合鍵合（Hybrid Bonding）設備產品系列，同時，該設備還能兼容熔融鍵合（Fusion Bonding）。公司混合鍵合系列產品包括晶圓對晶圓鍵合（Wafer to Wafer Bonding）產品和芯片對晶圓鍵合表面預處理（Die to Wafer Bonding Preparation and Activation）產品，可以實現直接或基于層間的鍵合工藝、復雜的常溫共價鍵合工藝。根據公開信息，拓荊目前在研晶圓鍵合設備主要以混合鍵合設備為主，其首臺Dione 300機型目前正在客戶方驗證。

圖13：拓荊公開信息相關在研晶圓鍵合設備型號

（4）三河建華高科

三河建華高科有限責任公司創(chuàng)建于2003年，公司位于河北省廊坊市，為中電45所旗下控股子公司。

根據三河建華高科公開信息，其已成功研發(fā)了WB-1200自動晶圓鍵合機，該設備主要適用于 8″、12″基片的自動對準、晶圓級臨時鍵合工藝。該設備采用全自動Robot上下基片，工藝過程連續(xù)處理，自動運行；設備操作方便、穩(wěn)定性高、重復定位，并具有較高的性價比，可廣泛應用于科研和生產。

2023年11月公開成功簽訂一臺設備訂單，但并未查到具體訂單信息，是否作為實驗用，還是量產線用。

（5）博納半導體

博納半導體是2018年在上海成立，專注于晶圓鍵合設備的研發(fā)和生產。早期由頭部封測企業(yè)發(fā)出設備需求，開始啟動鍵合設備的研發(fā)。

目前博納半導體的晶圓鍵合設備主要包括：臨時鍵合、臨時解鍵合設備、臨時解鍵合清洗一體機三款產品。臨時解鍵合清洗一體機也是國內首創(chuàng)的解鍵合、清洗工藝融合一起的設備。根據公開信息，博納半導體的臨時鍵合設備以正式訂單形式，已交付長電科技量產線，也是國內首臺正式交付量產線的臨時鍵合設備。

（6）根據相關信息，除以上企業(yè)外，目前國內正在準備啟動和在研發(fā)晶圓鍵合設備的企業(yè)方還有上海微電子、新匯聯(lián)、晶盛半導體、江豐電子等企業(yè)，但到目前為止，還沒有公開的渠道查到相關產品信息。

審核編輯：黃飛

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