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用于芯片封裝的混合鍵合技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2021-07-09

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1. 什么是混合鍵合技術(shù)
       對(duì)于高級(jí)芯片封裝，該行業(yè)還致力于管芯對(duì)晶片和管芯對(duì)管芯的銅混合鍵合。這涉及將裸片堆疊在晶片上，將裸片堆疊在中介層上或?qū)⒙闫询B在裸片上。這比晶片間接合更困難。Uhrmann說(shuō)：“對(duì)于管芯對(duì)晶圓的混合鍵合而言，處理不帶顆粒添加劑的管芯的基礎(chǔ)設(shè)施以及鍵合管芯的能力成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)?！薄半m然可以從晶圓級(jí)復(fù)制和/或改寫(xiě)芯片級(jí)的界面設(shè)計(jì)和預(yù)處理，但是在芯片處理方面仍存在許多挑戰(zhàn)。通常，后端處理（例如切塊，管芯處理和膠片框架上的管芯傳輸）必須適應(yīng)前端清潔級(jí)別，以允許在管芯級(jí)別上獲得較高的鍵合良率?！?/span>Uhrmann說(shuō)。“當(dāng)我查看工程工作并查看工具開(kāi)發(fā)的方向（針對(duì)芯片到晶圓）時(shí)，這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的集成任務(wù)。像臺(tái)積電這樣的人正在推動(dòng)這個(gè)行業(yè)。因此，我們將看到它。在生產(chǎn)中，更安全的聲明可能會(huì)出現(xiàn)在2022年或2023年，可能會(huì)更早一些。
2. 混合鍵合技術(shù)的應(yīng)用
       用于封裝的混合鍵合在其他方面有所不同。傳統(tǒng)上，IC封裝是在OSAT或封裝廠進(jìn)行的。在銅混合鍵合中，該過(guò)程在晶圓廠（而不是OSAT）的潔凈室中進(jìn)行。與處理微米級(jí)缺陷的傳統(tǒng)封裝不同，混合鍵合對(duì)微小的納米級(jí)缺陷很敏感，所以，需要一個(gè)晶圓廠級(jí)的潔凈室，以防止微小的缺陷破壞工藝。缺陷控制在這里至關(guān)重要?！半S著先進(jìn)的封裝工藝越來(lái)越復(fù)雜，并且所涉及的功能越來(lái)越小，有效的工藝控制的需求也在不斷增長(zhǎng)。鑒于這些工藝使用昂貴的已知優(yōu)制模具，失敗的成本很高?！盋yberOptics研發(fā)副總裁Tim Skunes說(shuō)道。在組件之間，有用于形成垂直電氣連接的凸塊?？刂仆裹c(diǎn)高度和共面性對(duì)于確保堆疊組件之間的可靠連接至關(guān)重要?！?/span>
       實(shí)際上，已知的良好模具（KGD）至關(guān)重要。KGD是符合指定規(guī)格的未封裝零件或裸模。沒(méi)有KGD，包裝可能會(huì)產(chǎn)生低產(chǎn)量或失敗。
       KGD對(duì)于封裝廠很重要。“我們收到裸模，然后將它們放入包裝中，以交付具有功能的產(chǎn)品。人們要求我們提供很高的產(chǎn)量，”ASE的工程和技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)曹立宏在蕞近的一次活動(dòng)中說(shuō)?！耙虼耍瑢?duì)于已知的優(yōu)制模具，我們希望以良好的功能對(duì)其進(jìn)行權(quán)面測(cè)試。我們希望它是100％?！?/span>
       盡管如此，管芯到晶圓的混合鍵合流程類(lèi)似于晶圓到晶圓的工藝。蕞大的不同是使用高速倒裝芯片鍵合機(jī)將芯片切成小塊，然后堆疊在中介層或其他管芯上。
3. 混合鍵合過(guò)程
混合鍵合技術(shù)流程.png
圖1  Xperi的晶片間混合鍵合流程
       整個(gè)過(guò)程始于fab，在那里使用各種設(shè)備在晶片上處理芯片。晶圓廠的該部分稱(chēng)為生產(chǎn)線前端（FEOL）。在混合鍵合中，在流動(dòng)過(guò)程中要處理兩個(gè)或多個(gè)晶片。然后，將晶圓運(yùn)送到晶圓廠的另一部分，稱(chēng)為生產(chǎn)線后端（BEOL）。使用不同的設(shè)備，晶圓在BEOL中經(jīng)歷了單一的鑲嵌工藝。單一大馬士革工藝是一項(xiàng)成熟的技術(shù)?；旧希趸锊牧铣练e在晶片上。在氧化物材料中對(duì)微小的通孔進(jìn)行構(gòu)圖和蝕刻。使用沉積工藝在通孔中填充銅。這繼而在晶片表面上形成銅互連或焊盤(pán)。銅焊盤(pán)相對(duì)較大，以微米為單位。此過(guò)程有點(diǎn)類(lèi)似于當(dāng)今工廠中先進(jìn)的芯片生產(chǎn)。但是，對(duì)于高級(jí)芯片而言，蕞大的區(qū)別在于銅互連是在納米級(jí)上測(cè)量的。
       那瑾瑾是過(guò)程的開(kāi)始。Xperi的新管芯對(duì)晶片的銅混合鍵合工藝就是在這里開(kāi)始的。其他人則使用相似或略有不同的流程。Xperi芯片到晶圓工藝的第一步是使用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）拋光晶圓表面。CMP在系統(tǒng)中進(jìn)行，該系統(tǒng)使用化學(xué)和機(jī)械力拋光表面。在此過(guò)程中，銅墊略微凹陷在晶片表面上。目標(biāo)是獲得一個(gè)淺而均勻的凹槽，以實(shí)現(xiàn)良好的良率。CMP是一個(gè)困難的過(guò)程。如果表面過(guò)度拋光，則銅焊盤(pán)凹槽會(huì)變得太大。在接合過(guò)程中某些焊盤(pán)可能無(wú)法接合。如果拋光不足，銅殘留物可能會(huì)造成電氣短路。
4. 創(chuàng)新

       有一個(gè)這樣的解決方案。Xperi已開(kāi)發(fā)出200mm和300mm CMP功能。Xperi工程副總裁Laura Mirkarimi表示：“在過(guò)去的十年中，CMP技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)，漿料選項(xiàng)和過(guò)程監(jiān)控器方面進(jìn)行了創(chuàng)新，取得了顯著進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)且穩(wěn)定的過(guò)程，并具有精確的控制?！比缓螅A經(jīng)過(guò)一個(gè)度量步驟，該步驟可測(cè)量并表征表面形貌。原子力顯微鏡（AFM）和其他工具用于表征表面。AFM使用微小的探針進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)量。另外，還使用晶片檢查系統(tǒng)。這是該過(guò)程的關(guān)鍵部分。

EVG320 D2W混合鍵合離子活化和清潔系統(tǒng).png

圖2  EVG晶圓鍵合機(jī)

       KLA的Hiebert說(shuō)：“對(duì)于混合鍵合，鑲嵌焊盤(pán)形成后的晶片表面輪廓必須以亞納米精度進(jìn)行測(cè)量，以確保銅焊盤(pán)滿足苛刻的凹凸要求?！便~混合鍵合的主要工藝挑戰(zhàn)包括：控制表面缺陷以防止形成空隙；控制納米級(jí)表面輪廓以支持牢固的混合鍵合焊盤(pán)接觸；以及控制頂部和底部芯片上的銅焊盤(pán)的對(duì)準(zhǔn)。隨著混合鍵距變小，例如，晶圓對(duì)晶圓流小于2μm或管芯對(duì)晶圓流小于10μm，這些表面缺陷，表面輪廓和鍵合焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)挑戰(zhàn)變得更加重要?！边@可能還不夠。在此流程的某個(gè)時(shí)刻，有些人可能會(huì)考慮進(jìn)行探測(cè)。
       FormFactor高級(jí)副總裁Amy Leong表示：“傳統(tǒng)上認(rèn)為直接在銅墊或銅凸塊上進(jìn)行探測(cè)是不可能的?！爸饕P(guān)注的問(wèn)題是如何在探針間端和凸塊之間保持穩(wěn)定的電接觸?！睘榇?，F(xiàn)ormFactor開(kāi)發(fā)了一種基于MEMS的探針設(shè)計(jì)，稱(chēng)為Skate。結(jié)合較低的接觸力，間端會(huì)輕柔地穿過(guò)氧化層，從而與凸塊形成電接觸。EVG的晶圓鍵合機(jī)是適用于封裝行業(yè)中的這種芯片封裝混合鍵合技術(shù)應(yīng)用的。

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