混合鍵合(Hybrid Bonding)技術(shù)是一種先進的半導(dǎo)體封裝互連技術(shù)，通過同時實現(xiàn)金屬鍵合(Cu-Cu)和介質(zhì)鍵合(氧化物-氧化物)，在晶圓或芯片級別直接進行物理和電氣連接。與傳統(tǒng)Bump技術(shù)相比，混合鍵合無需使用銅柱或錫球等凸點結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)超細互連間距(小于1μm)，互連密度高達每平方毫米10,000-100,000個，比微凸塊技術(shù)高出10,000倍。

混合鍵合技術(shù)的工藝流程主要包括三個關(guān)鍵步驟：首先，通過化學(xué)機械拋光(CMP)和表面活化處理實現(xiàn)晶圓表面的平整潔凈；其次，在室溫下進行預(yù)對準鍵合，使介質(zhì)SiO?上的懸掛鍵實現(xiàn)橋連；最后，通過高溫退火處理，促進介質(zhì)反應(yīng)和金屬Cu的互擴散，形成永久鍵合。

很多廠商把所有精力都放在優(yōu)化預(yù)鍵合前的CMP工藝上。因為在混合鍵合中，CMP對表面質(zhì)量的要求極高，介電層表面粗糙度需小于0.5nm(RMS)，銅焊盤表面粗糙度需小于1.0nm(RMS)，對準精度要求在±50nm至±0.5μm之間(取決于W2W或D2W方式)。鍵合強度需大于6.0MPa，界面空洞率小于1.0%。甚者有提出說鍵合失敗，90% 不是“鍵合設(shè)備”的問題，而是 CMP 給了一個不合格的表面。

據(jù)資料顯示，混合鍵合的關(guān)鍵工藝條件基本在于以下幾點：

1.表面活化真空度要求＜1.0x10-4Pa：通過高能離子束/原子束處理這種要求在超高真空環(huán)境下進行活化的樣品表面。
2.預(yù)鍵合溫度要求RT~25℃：在室溫下實現(xiàn)氧化物介質(zhì)的親水鍵合
3.預(yù)鍵合壓力要求1~100MPa不等：低溫預(yù)鍵合壓力極低（＜1Mpa）甚至無需施加外力，表面處理后形成大量的高活性的懸掛鍵。
4.最終退火溫度300~400℃：促進Cu-Cu擴散及介質(zhì)共價鍵的形成。

同時，對準精度極限業(yè)界規(guī)則要求，預(yù)鍵合對準精度需達到互連間距的約四分之一。這意味著，對于200nm間距，疊加對準誤差必須控制在約50nm以內(nèi)。這在300mm全晶圓尺度上是前所未有的挑戰(zhàn)。

而在芯片三維堆疊的尖端制造中，芯片-圓片混合鍵合技術(shù)是實現(xiàn)高性能計算的關(guān)鍵。但一個微妙的挑戰(zhàn)—鍵合后芯片拉伸—直接影響著芯片的良率和性能。為攻克這一難題，來自應(yīng)用材料公司 和 Back End Semiconductor Industries 的國際研究團隊，開發(fā)了一套創(chuàng)新的物理仿真模型，能動態(tài)模擬芯片如何被真空吸嘴拾取、壓合至襯底、以及鍵合前沿如何傳播的全過程。研究成功指出，初始芯片翹曲、鍵合能量和鍵合臺設(shè)計是控制拉伸的三個核心杠桿。

另有，晶圓變形管理研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)鍵合過程中產(chǎn)生的“鍵合波”傳播不均勻會導(dǎo)致晶圓微觀變形，是影響對準精度的主因。imec將先進工藝與有限元（FEM）建模相結(jié)合，創(chuàng)建了可以模擬鍵合動態(tài)和變形的參數(shù)化仿真環(huán)境。這幫助他們深入理解鍵合參數(shù)對最終對準精度的影響，為精準校正提供了理論依據(jù)。在理解變形規(guī)律后，imec開發(fā)了創(chuàng)新的掃描儀預(yù)校正（Scanner Precorrection）技術(shù)。這項技術(shù)在設(shè)計階段，就利用掃描儀精確測量和補償鍵合過程中預(yù)測的形變，從而顯著降低鍵合后的套刻誤差。

模擬仿真+工藝不斷調(diào)試改進，但卻始終繞不開大空洞、界面分層、開裂、Cu 焊盤虛焊這些致命缺陷。問題到底出在哪？

答案藏在一個被大多數(shù)人忽略的關(guān)鍵工序里 ——預(yù)鍵合與高溫退火之間的低溫應(yīng)力消除環(huán)節(jié)。

很多人誤以為，高溫退火能 “一鍵解決” 所有界面問題。但事實恰恰相反：退火只能優(yōu)化 “合格的預(yù)鍵合界面”，無法修復(fù) “預(yù)鍵合留下的創(chuàng)傷”。常溫預(yù)鍵合后，界面其實處于極其脆弱的 “弱氫鍵結(jié)合態(tài)”，自帶三大原生缺陷，直接進高溫退火只會被指數(shù)級放大：

翹曲與接觸不良：薄化后的芯片 / 晶圓在切割、轉(zhuǎn)移、拾取過程中，邊緣翹曲會急劇增大，導(dǎo)致介電層無法緊密貼合，預(yù)鍵合后就存在大面積微間隙。

內(nèi)應(yīng)力累積：不同材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配，疊加機械加工帶來的殘余應(yīng)力，在快速升溫時會集中爆發(fā)，直接撕裂鍵合界面。

界面殘留污染：水汽、清洗有機溶劑、微小顆粒會被困在微間隙中，成為后續(xù)氣泡生成的 “種子”。

針對這一行業(yè)痛點，屹立芯創(chuàng)創(chuàng)新性地在預(yù)鍵合與高溫退火之間，插入了SRS 應(yīng)力消除系統(tǒng)。它沒有去和高溫退火 “搶功勞”，而是專注于把 “高缺陷、高應(yīng)力、高不平整” 的預(yù)鍵合界面，改造成 “低應(yīng)力、全接觸、無氣隙” 的穩(wěn)定界面，為退火提供一個 “完美的起始狀態(tài)”。

SRS 通過 “熱塑性形變 + 應(yīng)力松弛 + 真空環(huán)境” 三位一體的技術(shù)路線，精準解決三大核心問題：

1. 熱力協(xié)同調(diào)控：根治翹曲，實現(xiàn)分子級接觸

采用120℃以下低溫 + 軟性氣囊 < 0.5MPa 均勻垂直壓力，溫和壓平芯片 / 晶圓邊緣翹曲，強制消除介電層脫粘

熱軟化效應(yīng)降低材料屈服強度，讓 Ra<1nm 的微米級粗糙表面，實現(xiàn)真正的分子級緊密接觸

直接切斷 “翹曲→大空洞→Cu 焊盤虛焊” 的致命缺陷鏈

2. 蠕變應(yīng)力松弛：釋放內(nèi)應(yīng)力，杜絕界面開裂

恒溫恒壓維持誘導(dǎo)材料發(fā)生蠕變，在短時間內(nèi)徹底消除 CTE 失配應(yīng)力與機械加工殘余應(yīng)力

避免高溫退火時應(yīng)力集中導(dǎo)致的界面撕裂，從根源上防止氣泡被拉成裂隙狀延伸

3. 界面環(huán)境控制：真空除氣，抑制氣泡生成

高真空腔室徹底排盡界面殘留的水汽、空氣與有機溶劑揮發(fā)氣，從源頭掐斷氣泡生成的 “燃料”

精準控溫冷卻裝置優(yōu)化降溫速率，規(guī)避材料回彈風(fēng)險，保持界面平整穩(wěn)定

結(jié)語

先進封裝的競爭，本質(zhì)上是工藝細節(jié)的競爭。當行業(yè)都在追逐更高溫、更精密的退火設(shè)備時，屹立芯創(chuàng)另辟蹊徑，抓住了 “預(yù)鍵合與退火之間的應(yīng)力消除” 這一關(guān)鍵卡點，用一套溫和、高效、低成本的解決方案，突破了混合鍵合的良率瓶頸。

這不僅是國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備的一次技術(shù)突破，更是對先進封裝工藝邏輯的一次重要修正：好的退火效果，從來不是靠退火本身 “硬扛”，而是靠前面的每一步工序，把缺陷提前消滅在萌芽狀態(tài)。

未來，隨著 3D IC 技術(shù)向更薄、更密、更高集成度發(fā)展，應(yīng)力管理將成為決定產(chǎn)品良率與可靠性的核心因素。而屹立芯創(chuàng) SRS 應(yīng)力消除系統(tǒng)，無疑已經(jīng)走在了行業(yè)的最前沿。

審核編輯 黃宇