文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講述芯片制造中的對準(zhǔn)技術(shù)。

三維集成電路制造中，對準(zhǔn)技術(shù)是確保多層芯片鍵合精度、實(shí)現(xiàn)高密度TSV與金屬凸點(diǎn)正確互聯(lián)的核心技術(shù)，直接影響芯片性能與集成密度，其高精度可避免互連失效或錯誤，并支持更小尺寸的TSV與凸點(diǎn)以節(jié)約面積。

主流量產(chǎn)采用“對準(zhǔn)與鍵合分離”方案，先在專用設(shè)備完成高精度對準(zhǔn)再轉(zhuǎn)移鍵合，有效規(guī)避溫度變化、硅片翹曲等因素干擾，同時通過分解鍵合前對準(zhǔn)誤差與鍵合滑移誤差優(yōu)化工藝，提升設(shè)備利用率。影響精度的關(guān)鍵因素包括鍵合方式（直接鍵合滑移小、精度高，高分子鍵合易滑移）、材料特性（CTE差異導(dǎo)致翹曲，臨時鍵合中玻璃載片翹曲控制是重點(diǎn)）及表面形貌等；對準(zhǔn)方法分直接與間接：透明材料（如去襯底SOI器件層）可通過雙顯微鏡直接觀測參考點(diǎn)對準(zhǔn)，不透明材料則需間接對準(zhǔn)（先固定一層參考點(diǎn)再調(diào)整另一層，精度稍低）。

當(dāng)前主流技術(shù)涵蓋晶圓級（紅外/光學(xué)透視）、倒裝芯片（光學(xué)系統(tǒng)定位）及自組裝對準(zhǔn)，其中SOI的創(chuàng)新應(yīng)用通過透明結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光刻級高精度對準(zhǔn)，推動3D IC向更小、更快、更集成方向演進(jìn)。

紅外對準(zhǔn)

紅外對準(zhǔn)技術(shù)作為三維集成電路鍵合工藝中的核心手段，憑借硅材料對近紅外光（1.1-1.3eV）的透明特性，通過1.2μm波長左右的紅外光源穿透硅片，實(shí)現(xiàn)上下層對準(zhǔn)標(biāo)記的精準(zhǔn)定位，是早期鍵合對準(zhǔn)的代表性技術(shù)。

其原理在于：紅外光從晶圓底部照射，經(jīng)由CCD或紅外顯微鏡捕捉透射圖像，通過調(diào)整兩層硅片的相對位置完成對準(zhǔn)，隨后直接鍵合，有效避免了分離式對準(zhǔn)中溫度變化和硅片翹曲帶來的誤差。該技術(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整靈活，且支持原位對準(zhǔn)，但受材料限制顯著——硅氧化物（SiO?）、氮化物（Si?N?）及金屬互連層對紅外光的吸收與反射會干擾成像，需通過預(yù)留對準(zhǔn)窗口或采用雙面拋光的高等級晶圓（厚度≤300μm）來優(yōu)化透過率，同時需控制硅片電阻率（>0.01Ω·cm）以避免紅外吸收率過高。

精度方面，紅外對準(zhǔn)的分辨率受波長、鏡頭放大倍數(shù)及機(jī)械系統(tǒng)控制精度影響，通常采用最短可用紅外波長以提升可視度，并通過減小兩層硅片間隙、將對準(zhǔn)標(biāo)記置于相對表面來降低偏差。近年來，推出的近紅外顯微鏡系統(tǒng)（如MIR400）進(jìn)一步優(yōu)化了光學(xué)設(shè)計，支持900-1700nm波段、0.8μm分辨率的透射成像，結(jié)合長工作距離物鏡（15mm）與高精度電動平臺（重復(fù)定位精度0.5μm），實(shí)現(xiàn)了鍵合過程的實(shí)時監(jiān)控與閉環(huán)控制，顯著提升了工藝穩(wěn)定性。

應(yīng)用場景上，紅外對準(zhǔn)主要適用于晶圓級鍵合（W2W），在芯片級倒裝（D2D）中因?qū)?zhǔn)窗口尺寸大、互連布局干擾等問題應(yīng)用受限，但通過絕緣體上硅（SOI）技術(shù)去除襯底后，器件層與玻璃輔助晶圓的透明化處理，可擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。材料與工藝層面，除晶圓拋光外，新型紅外穿透塑料（如PC、PMMA）通過模具精度優(yōu)化（表面粗糙度Ra<0.01μm）與注塑工藝改進(jìn)，已實(shí)現(xiàn)90%以上的紅外透過率，有效減少了表面散射對成像的干擾；同時，鍵合工藝參數(shù)（如超聲功率110-120DAC、接觸力25-35gf）的優(yōu)化，提升了金絲鍵合的拉力值與信號傳輸可靠性，進(jìn)一步保障了紅外對準(zhǔn)后的鍵合質(zhì)量。

行業(yè)最新進(jìn)展顯示，紅外對準(zhǔn)技術(shù)正與機(jī)器視覺及AI深度融合，例如通過近紅外圖像的多光譜融合與深度學(xué)習(xí)算法，可自動識別復(fù)雜背景下的對準(zhǔn)標(biāo)記，降低人工干預(yù)需求；此外，中波紅外（MWIR）傳感器技術(shù)的突破（如非制冷量子點(diǎn)探測器、二維材料異質(zhì)結(jié)），為未來更高精度的紅外對準(zhǔn)設(shè)備提供了性能更優(yōu)、成本更低的檢測組件，推動該技術(shù)向更微小尺寸TSV與更高密度3D集成方向發(fā)展。

光學(xué)對準(zhǔn)

光學(xué)對準(zhǔn)技術(shù)作為三維集成電路鍵合工藝中實(shí)現(xiàn)高精度定位的核心手段，憑借其抗干擾能力強(qiáng)、適配性廣及精度可控等優(yōu)勢，已成為量產(chǎn)設(shè)備的主流對準(zhǔn)方案，有效彌補(bǔ)了紅外對準(zhǔn)在復(fù)雜材料環(huán)境下的性能局限。其核心原理在于通過可見光或特定波段光學(xué)系統(tǒng)直接觀測上下層硅片的對準(zhǔn)標(biāo)記，結(jié)合精密機(jī)械調(diào)整實(shí)現(xiàn)位置匹配，過程直觀且調(diào)整靈活。

早期代表性技術(shù)為背面對準(zhǔn)方法，主要用于MEMS雙面光刻領(lǐng)域。該技術(shù)通過將兩層硅片面對背放置，使對準(zhǔn)標(biāo)記均朝向光學(xué)顯微鏡方向，利用間接位置調(diào)整完成對準(zhǔn)，隨后轉(zhuǎn)移至鍵合機(jī)固定。其特點(diǎn)是對準(zhǔn)標(biāo)記朝向一致，但硅片物理方向相反，操作相對簡單，但精度受限于標(biāo)記間接調(diào)整的誤差累積。

為進(jìn)一步提升精度，推出SmartView技術(shù)，采用雙顯微鏡雙向觀測系統(tǒng)：先固定第一層硅片并記錄其物理位置，再通過上方顯微鏡捕捉第二層標(biāo)記，計算兩層相對位置差異后調(diào)整，實(shí)現(xiàn)面對面放置的高精度對準(zhǔn)。盡管設(shè)備復(fù)雜度增加，但標(biāo)記間距縮小顯著提升了平移與旋轉(zhuǎn)誤差的控制能力，尤其適用于需要微米級調(diào)整的場景。

進(jìn)一步突破開發(fā)片間對準(zhǔn)（ISA）技術(shù)，通過分光鏡將光學(xué)系統(tǒng)伸入兩硅片間隙，同步觀測上下層標(biāo)記并融合圖像，直接調(diào)整相對位置。該技術(shù)邏輯簡單、觀測直觀，且面對面標(biāo)記設(shè)計大幅降低間隙影響，早期精度達(dá)±2μm，近年隨精密光學(xué)與機(jī)械控制技術(shù)升級（如真空環(huán)境輔助、壓膜阻尼優(yōu)化），已實(shí)現(xiàn)深亞微米級精度，成為高精度鍵合的首選方案。

對準(zhǔn)標(biāo)記的設(shè)計是精度優(yōu)化的關(guān)鍵，通常采用游標(biāo)式與十字形結(jié)合結(jié)構(gòu)：游標(biāo)設(shè)計細(xì)化平移誤差判斷，長間距并列標(biāo)記則通過增大基線距離抑制旋轉(zhuǎn)誤差。材料層面，低粗糙度雙面拋光晶圓（表面粗糙度Ra<0.5nm）與高透光率薄膜（如SiO?/Si?N?優(yōu)化層）可減少光散射，提升標(biāo)記成像清晰度；工藝上，動態(tài)閉環(huán)控制算法（如實(shí)時誤差反饋）與AI圖像識別技術(shù)（如深度學(xué)習(xí)標(biāo)記定位）的集成，進(jìn)一步降低了人為干預(yù)需求，提高了生產(chǎn)效率。

目前，SmartView NT系統(tǒng)通過多光譜融合與亞像素級圖像處理，將對準(zhǔn)精度提升至0.1μm以下；Suss的ISA技術(shù)結(jié)合真空環(huán)境與低振動平臺，有效抑制了接觸過程中的漂移現(xiàn)象；同時，新型納米級對準(zhǔn)標(biāo)記（如200nm線寬圖形）與超薄晶圓（厚度<50μm）的應(yīng)用，正推動光學(xué)對準(zhǔn)向更微小尺寸TSV與更高密度3D集成方向發(fā)展，為先進(jìn)封裝技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)提供關(guān)鍵支撐。

倒裝芯片

倒裝芯片技術(shù)作為三維集成電路中實(shí)現(xiàn)芯片級互連的核心手段，憑借其直接金屬凸點(diǎn)鍵合與高密度集成優(yōu)勢，已成為D2D（芯片到芯片）與D2W（芯片到晶圓）對準(zhǔn)的關(guān)鍵工藝。

其基本流程為：下層芯片固定于高精度工作臺，上層芯片通過機(jī)械臂吸附并調(diào)整姿態(tài)，光學(xué)成像系統(tǒng)同步捕捉上下層對準(zhǔn)標(biāo)記（如十字形或游標(biāo)式圖形），通過亞微米級運(yùn)動平臺調(diào)整位置，隨后施加可控壓力（利用杠桿原理加載重物）并加熱實(shí)現(xiàn)金屬凸點(diǎn)熔融鍵合。傳統(tǒng)設(shè)備的對準(zhǔn)精度受限于機(jī)械調(diào)整速度與熱壓工藝穩(wěn)定性，通常在1-20μm范圍內(nèi)，且精度與生產(chǎn)效率呈負(fù)相關(guān)——更高精度需延長對準(zhǔn)時間，導(dǎo)致單點(diǎn)鍵合周期增加。

早期倒裝芯片設(shè)備以封裝應(yīng)用為主，強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)效率而非極致精度，其集成化設(shè)計（對準(zhǔn)與鍵合模塊一體）雖簡化流程，但在三維集成中暴露出局限性：串行操作模式導(dǎo)致多層鍵合效率低下，且多次熱循環(huán)易引發(fā)熱應(yīng)力累積，影響器件可靠性。此外，傳統(tǒng)擺臂式結(jié)構(gòu)在D2D對準(zhǔn)中難以兼顧大范圍調(diào)整與微米級精度，限制了其在高密度3D IC中的應(yīng)用。

材料與工藝層面，新型低熔點(diǎn)金屬合金（如Sn-Ag-Cu無鉛焊料）與納米級凸點(diǎn)（直徑<10μm）的應(yīng)用，進(jìn)一步降低了鍵合溫度與壓力需求；而AI驅(qū)動的圖像識別系統(tǒng)（如深度學(xué)習(xí)對準(zhǔn)標(biāo)記定位）與數(shù)字孿生技術(shù)，則通過實(shí)時誤差預(yù)測與補(bǔ)償，減少了人工干預(yù)，提升了良率。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，采用高精度倒裝芯片設(shè)備的3D IC產(chǎn)線，其TSV密度已突破105/cm2，互連電阻降低30%以上，為先進(jìn)封裝（如CoWoS、HBM）的持續(xù)演進(jìn)提供了關(guān)鍵支撐。

芯片自組裝對準(zhǔn)

芯片自組裝對準(zhǔn)技術(shù)作為三維集成電路制造中的創(chuàng)新方案，憑借其獨(dú)特的流體動力學(xué)機(jī)制與高效率特性，正在小尺寸器件集成領(lǐng)域展現(xiàn)顯著優(yōu)勢。

該技術(shù)核心原理在于利用液體表面張力驅(qū)動的物理特性實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位：通過在基底表面構(gòu)建親水與疏水區(qū)域的差異（如SiO?沉積結(jié)合光刻刻蝕工藝），配合低熔點(diǎn)焊料、環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯等流體介質(zhì)，使液滴僅停留在預(yù)設(shè)親水區(qū)，隨后將待對準(zhǔn)芯片放置于液滴表面，借助表面張力的自動調(diào)整功能完成位置與角度的校正。

自組裝技術(shù)的突出優(yōu)勢在于其超高速與高精度特性——單芯片對準(zhǔn)可在0.06秒內(nèi)完成，精度達(dá)±1μm級，且支持并行處理模式，百顆芯片同步對準(zhǔn)的時間與單顆芯片無顯著差異，極大提升了生產(chǎn)效率。相較于傳統(tǒng)倒裝芯片技術(shù)，其非接觸式調(diào)整機(jī)制避免了機(jī)械磨損，同時流體介質(zhì)的緩沖作用降低了熱應(yīng)力風(fēng)險，有利于提升垂直互連密度與器件可靠性。然而，該技術(shù)也存在局限性：需對芯片表面進(jìn)行親水處理（如涂覆特定材料），增加了工藝復(fù)雜度；液體環(huán)境可能對含MEMS懸空結(jié)構(gòu)或傳感器的芯片造成粘連風(fēng)險；多層堆疊時，已鍵合層表面的親疏水區(qū)域二次處理難度較高；正方形芯片還需初始方向預(yù)對準(zhǔn)以避免旋轉(zhuǎn)偏差。

模版對準(zhǔn)

模板對準(zhǔn)技術(shù)作為三維集成電路制造中的創(chuàng)新物理結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)方案，由美國倫斯勒理工學(xué)院與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，憑借其高效率、強(qiáng)適應(yīng)性及工藝簡化優(yōu)勢，在D2W（芯片到晶圓）鍵合領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特價值。該技術(shù)核心在于通過底層晶圓深槽與上層芯片垂直臺階的機(jī)械接觸實(shí)現(xiàn)精確定位，規(guī)避了傳統(tǒng)光學(xué)對準(zhǔn)對復(fù)雜成像系統(tǒng)的依賴，同時支持鍵合設(shè)備內(nèi)原位對準(zhǔn)，有效避免了轉(zhuǎn)移過程中的位置偏移風(fēng)險。

其工藝流程分為三步：首先在底層晶圓表面旋涂低應(yīng)力苯并環(huán)丁烯（BCB）有機(jī)聚合物，通過等離子體干法刻蝕構(gòu)建各向異性深槽結(jié)構(gòu)，頂角與側(cè)壁精確定義芯片的x/y方向坐標(biāo)。此步驟需優(yōu)化刻蝕參數(shù)（如功率、壓強(qiáng)、氣體成分比），以最小化橫向刻蝕導(dǎo)致的定位偏差，確保深槽底部清潔無殘留；第二步在上層芯片邊緣刻蝕垂直臺階，采用干法刻蝕替代傳統(tǒng)砂輪切割以提升側(cè)壁平整度（表面粗糙度Ra<10nm），臺階高度需略大于深槽深度以避免懸空接觸；最后通過倒裝設(shè)備將芯片翻轉(zhuǎn)裝載至深槽內(nèi)，借助離心力（高速旋轉(zhuǎn)晶圓）使臺階側(cè)壁與深槽側(cè)壁緊密貼合，完成亞微米級對準(zhǔn)。

該技術(shù)優(yōu)勢顯著：物理接觸式定位不受光學(xué)系統(tǒng)分辨率限制，可在鍵合腔體內(nèi)直接完成對準(zhǔn)-鍵合流程，支持D2D、D2W及W2W多種鍵合模式，并兼容MEMS與傳感器器件（避免液體環(huán)境導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)粘連）。然而，其局限性在于需對芯片襯底進(jìn)行刻蝕，犧牲部分面積提升成本，且多層堆疊時上層深槽的參照標(biāo)記易受下層工藝影響，導(dǎo)致對準(zhǔn)精度逐層衰減（通常3層以上精度下降超30%）。