好文推薦 | 混合鍵合（Hybrid Bonding）缺陷檢測(cè)難題有望解決，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)加速發(fā)展

  ICC訊 本文將為大家重點(diǎn)分析混合鍵合工藝(Hybrid Bonding)的核心技術(shù)原理、產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)及當(dāng)前全球研發(fā)進(jìn)展，特別是其工藝復(fù)雜性(如納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)與表面拋光要求)、內(nèi)部缺陷檢測(cè)(如銅鍵合狀態(tài)表征)及熱管理挑戰(zhàn)(如多層堆疊散熱優(yōu)化)等關(guān)鍵問(wèn)題，并對(duì)濱松新發(fā)布的TD Imaging技術(shù)如何突破現(xiàn)有檢測(cè)方法瓶頸進(jìn)行解讀。通過(guò)解剖技術(shù)內(nèi)核與產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)，揭示該方案對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體在3D封裝領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主突破的戰(zhàn)略意義。(快滑到文末，揭開濱松新品的神秘面紗)

  摩爾定律：半導(dǎo)體行業(yè)的“圣經(jīng)”與挑戰(zhàn)

  自1965年問(wèn)世以來(lái)，“每18 - 24個(gè)月，集成電路上的晶體管數(shù)量翻倍，性能提升一倍，而單位成本下降一半”的摩爾定律，宛如半導(dǎo)體行業(yè)的“圣經(jīng)”，始終是推動(dòng)該行業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力。其精髓在于，通過(guò)晶體管數(shù)量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了“性能提升”與“成本下降”這兩大目標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建起“領(lǐng)先時(shí)間等同于領(lǐng)先性能和成本”的競(jìng)爭(zhēng)邏輯。半導(dǎo)體行業(yè)仿佛是一臺(tái)造福人類的永動(dòng)機(jī)：憑借技術(shù)的先進(jìn)性獲取利潤(rùn)，再將利潤(rùn)反哺于技術(shù)革新，如此循環(huán)往復(fù)，并借助規(guī)模效應(yīng)不斷放大財(cái)富效應(yīng)。

  然而，摩爾定律并非如牛頓第一定律、愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程那般，屬于揭示自然規(guī)律的物理定律。它更像是在新技術(shù)萌芽階段，為了凝聚全行業(yè)的力量，共同投身技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)開拓而發(fā)出的一份商業(yè)化宣言。恰似那句古話，“走的人多了，便有了路”。

圖1 摩爾定律原稿

  摩爾定律曾推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)不斷前行，利用光刻技術(shù)持續(xù)縮小晶體管尺寸。然而，當(dāng)晶體管尺寸逼近原子級(jí)別時(shí)，短溝道效應(yīng)、漏電流和量子隧道效應(yīng)等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，行業(yè)似乎正逼近物理極限。與此同時(shí)，晶體管數(shù)量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，使得集成電路設(shè)計(jì)布線的難度呈指數(shù)級(jí)上升，工藝控制、芯片驗(yàn)證和失效分析等環(huán)節(jié)都面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，先進(jìn)制程的流片成本、FAB廠設(shè)備成本以及人才成本等費(fèi)用也不斷攀升，一時(shí)間，“摩爾定律將死”的聲音不絕于耳。

  半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新與全球發(fā)展

  轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2005年，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖在摩爾定律的基礎(chǔ)上，提出了以 More Moore 和 More than Moore 雙輪驅(qū)動(dòng)的技術(shù)革新方向。其中，More Moore 代表著傳統(tǒng)摩爾定律的微縮派，繼續(xù)追求晶體管尺寸的極致縮小;而 More than Moore 則是在現(xiàn)有晶體管尺寸的基礎(chǔ)上，探索功能的多樣化，為技術(shù)發(fā)展開辟了新的路徑。

圖2 摩爾定量與超越摩爾 (圖片來(lái)源：ITRS)

  截至2025年，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展已由四大動(dòng)力共同推動(dòng)：制程微縮化(More Moore)、晶圓擴(kuò)大化(Wafer size increases)、功能多樣化(More than Moore)以及材料技術(shù)融合化(Beyond CMOS)。這些力量相互交織，為半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。

圖3 半導(dǎo)體行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力量

  中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與破局

  當(dāng)市場(chǎng)尚未充分開發(fā)且交易自由開放時(shí)，誰(shuí)能率先一步，誰(shuí)便能在性能與成本上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而斬獲絕大部分利潤(rùn)。這股強(qiáng)大的動(dòng)力，推動(dòng)著全球各國(guó)及企業(yè)投身于長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的半導(dǎo)體行業(yè)“軍備競(jìng)賽”。然而，中國(guó)大陸的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)卻在瓦森納協(xié)定等外部封鎖下，面臨著重重阻礙，傳統(tǒng)的More Moore路線舉步維艱。加入WTO后，中國(guó)承接了美國(guó)眼中處于微笑曲線低附加值端的代工與封測(cè)業(yè)務(wù)，很長(zhǎng)一段時(shí)間里，中國(guó)都以勞動(dòng)力換市場(chǎng)的策略艱難前行。

  隨著核高基、中國(guó)制造2025、健康中國(guó)2030等一系列重磅政策的陸續(xù)出臺(tái)，中國(guó)科技行業(yè)猶如被按下“快進(jìn)鍵”，駛?cè)肓税l(fā)展的快車道，以市場(chǎng)換技術(shù)的戰(zhàn)略也初見(jiàn)成效，曙光初現(xiàn)。然而，貿(mào)易戰(zhàn)、芯片法案、關(guān)稅戰(zhàn)接踵而來(lái)，中國(guó)政府在一次次沖擊中徹底清醒，曾經(jīng)寄望于沿著歐美日韓的先進(jìn)制程老路實(shí)現(xiàn)技術(shù)追趕、達(dá)成公平競(jìng)爭(zhēng)的幻想，瞬間破滅。中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須與世界接軌，更要走出一條獨(dú)立自主、獨(dú)具中國(guó)特色的發(fā)展道路。這一局面似曾相識(shí)，讓人不禁想起前中科院微電子所所長(zhǎng)葉甜春先生在IC制造年會(huì)上的倡議——異質(zhì)異構(gòu)鍵合，這無(wú)疑是破解中國(guó)半導(dǎo)體困境的“金鑰匙”，堪稱最強(qiáng)陽(yáng)謀。它一方面為國(guó)內(nèi)封測(cè)行業(yè)釋放了內(nèi)卷壓力，另一方面賦予了國(guó)人“小米加步槍打飛機(jī)”的堅(jiān)定信心。自那以后，“Hybrid Bonding”在行業(yè)內(nèi)頻繁被提及。盡管近期中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)似乎有好消息傳來(lái)，但歷史經(jīng)驗(yàn)告誡我們，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須堅(jiān)持多條腿走路，堅(jiān)定不移地走中國(guó)特色半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。

圖4 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路徑圖(圖片來(lái)源：邏輯芯片)

  什么是混合鍵合工藝(Hybrid Bonding)?

  在電子信息時(shí)代，結(jié)構(gòu)決定功能是第一性原理，電子作為信息的載體，承載著這個(gè)時(shí)代的核心使命(注：在光子信息時(shí)代和量子信息時(shí)代，信息的載體將發(fā)生變化)。當(dāng)我們需要構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)特定的功能和性能時(shí)，必須明確各個(gè)子系統(tǒng)或子模塊的具體功能和性能。通過(guò)遞歸求解，最終的核心任務(wù)便是設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)化的工藝單元庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行積木式的創(chuàng)新。

  在封裝技術(shù)中，2D和2.5D封裝主要在平面上進(jìn)行擴(kuò)展，而3D封裝則是在縱向維度上進(jìn)行拓展。3D封裝的結(jié)構(gòu)更加緊湊，信號(hào)傳遞速度更快，這在圖5和表1中得到了清晰的展示。

  Hybrid Bonding本質(zhì)上屬于3D封裝，其目的是把target 1和target 2進(jìn)行貼合，貼合之后保證良好的電氣性能和機(jī)械性能，這里target 1和target 2可以是chip、die、wafer。

圖5 封裝技術(shù)演變過(guò)程 (圖片來(lái)源：Besi)

  表1 2D、2.5D、3D封裝比較

  混合鍵工藝痛點(diǎn)

  混合鍵合工藝最初主要用于MEMS工藝，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐漸被應(yīng)用于IC領(lǐng)域。它能夠借助成熟的IC制程，打造出性能媲美先進(jìn)制程的產(chǎn)品，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，隨著技術(shù)的深入發(fā)展，混合鍵合工藝也面臨著諸多巨大的困難和挑戰(zhàn)，具體可見(jiàn)表2。

  以Cu-Cu鍵合的3D chip stacking工藝為例，該工藝要求connection pitch不得超過(guò)3微米。這意味著對(duì)準(zhǔn)精度必須達(dá)到亞微米級(jí)別，這對(duì)設(shè)備的精度和穩(wěn)定性提出了極高的要求。隨著堆疊層數(shù)的不斷增加，對(duì)內(nèi)部Cu-Cu鍵合狀態(tài)的檢測(cè)需求以及對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)訴求也日益增多，尤其是當(dāng)芯片內(nèi)部涉及多metal layer時(shí)，檢測(cè)難度呈指數(shù)級(jí)上升。這一問(wèn)題在圖7至圖10中得到了直觀的展示。

表2 混合鍵合工藝的痛點(diǎn)

  混合鍵合工藝的這些痛點(diǎn)，不僅考驗(yàn)著工程師的技術(shù)水平，也對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的檢測(cè)和驗(yàn)證技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。如何在保證高精度對(duì)準(zhǔn)的同時(shí)，高效地檢測(cè)和修復(fù)內(nèi)部缺陷，已成為混合鍵合技術(shù)邁向大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

  圖6 2.5D與不同3D封裝技術(shù)要求

  圖7 圖像傳感器的Hybrid Bonding結(jié)構(gòu)圖、截面圖(左、中)和工藝制造流程圖(右)

圖8 SeDRAM制造流程

圖9 SeDRAM 3D封裝的TEM截面圖，來(lái)源: A True Process-Heterogeneous Stacked Embedded DRAM Structure Based on Wafer-Level Hybrid Bonding

圖10 Hybrid Bonding工藝中微小的缺陷足以造成器件失效

常規(guī)檢測(cè)方案

  解決思路

  紅外成像技術(shù)雖然可以在Cu-Cu bonding前分別對(duì)target 1和target 2進(jìn)行檢測(cè)，但bonding后的檢測(cè)卻面臨諸多挑戰(zhàn)。如圖12所示，以DRAM為例，混合鍵合后難以檢測(cè)，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部存在多個(gè)metal layer，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)給檢測(cè)帶來(lái)了極大的困難。

圖12 HBM和GPU封裝圖

  一種較為直觀的檢測(cè)方法是靜態(tài)-熱成像檢測(cè)，即利用中紅外熱成像技術(shù)來(lái)判斷缺陷。然而，當(dāng)產(chǎn)品處于非工作狀態(tài)時(shí)，熱成像只能捕捉到穩(wěn)態(tài)結(jié)果，無(wú)法通過(guò)差分、傅里葉變換或小波變換等手段獲取缺陷的熱力學(xué)信息。因此，靜態(tài)中紅外檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中難以達(dá)到預(yù)期效果，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。

  工作電壓下的熱成像檢測(cè)，思路是利用工作狀態(tài)下的熱力學(xué)成像圖來(lái)判斷缺陷的有無(wú)。隨著工作時(shí)間的增加，Hybrid Bonding工藝后target 1和target 2的結(jié)溫將逐漸增加，然而缺陷或失效模式可能使得結(jié)溫增加的速度發(fā)生變化，通過(guò)差分、鎖相、或者傅里葉變換、小波變換等有望提取到缺陷信息。實(shí)際上是將電性失效分析的理念從FA Lab搬到Inline test。理論上這種EFA方式可以解決Hybrid Bonding后的缺陷定位，并助力良率改善，但是半導(dǎo)體行業(yè)熱成像分析主要是中紅外波長(zhǎng)，這就導(dǎo)致了光學(xué)分辨率差，只能在數(shù)微米量級(jí)，這對(duì)于有較高分辨率檢測(cè)要求的Hybrid Bonding工藝而言，意義大打折扣。

  那么，是否存在更高分辨率的缺陷定位技術(shù)用于混合鍵合呢?答案是肯定的。

  在炎熱的夏天，當(dāng)我們坐在空調(diào)大巴里觀察窗外的近景時(shí)，常常會(huì)看到一種熱浪現(xiàn)象。這種現(xiàn)象本質(zhì)上是由于介質(zhì)的折射率隨溫度變化而產(chǎn)生的。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，如果能夠通過(guò)可見(jiàn)光方式表征由缺陷導(dǎo)致的結(jié)溫變化，那么就可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的熱分析，這也是thermo-reflectance imaging的核心所在。

  作為全球領(lǐng)先的電性失效分析企業(yè)，濱松深耕行業(yè)多年。近年來(lái)，濱松與全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)合作，從工藝痛點(diǎn)出發(fā)，基于熱反射成像技術(shù)推出了TD Imaging功能，并在全球同步發(fā)售。濱松將熱反射成像技術(shù)、鎖相光學(xué)技術(shù)、單光子掃描成像技術(shù)融合成TD Imaging技術(shù)。我們預(yù)計(jì)，這些技術(shù)及其拓展性有望推動(dòng)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制程工藝和失效分析技術(shù)的發(fā)展。

  新品預(yù)熱：

  濱松光子全新推出的TD Imaging技術(shù)，是基于熱反射成像的先進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)激光逐點(diǎn)掃描器件表面并實(shí)時(shí)探測(cè)反射光信號(hào)，精準(zhǔn)捕捉因溫度變化引起的反射率變化，從而實(shí)現(xiàn)器件失效熱點(diǎn)的精確定位。該技術(shù)具有兩大核心優(yōu)勢(shì)：其一，超高分辨率——得益于更短波長(zhǎng)，其分辨率顯著超越傳統(tǒng)熱成像(LIT)技術(shù)，可精準(zhǔn)分辨亞微米尺度的熱信號(hào);其二，卓越信噪比——針對(duì)金屬材料高反射率、低發(fā)射率的特性進(jìn)行優(yōu)化，大幅提升信號(hào)質(zhì)量，確保檢測(cè)結(jié)果更精準(zhǔn)可靠。TD Imaging尤其適用于含金屬結(jié)構(gòu)的先進(jìn)芯片(如先進(jìn)封裝、3D IC)及復(fù)雜器件(如BS-PDN)的失效分析，為半導(dǎo)體、微電子及高端制造領(lǐng)域提供突破性檢測(cè)解決方案。

  關(guān)于 TD Imaging 新品的更多詳細(xì)信息，將于 5 月 23 日星期五之前在本公眾號(hào)發(fā)布。更多驚喜，即將揭曉，敬請(qǐng)期待!

  如果您有任何疑問(wèn)，可以任意添加下面兩位工程師的微信，工程師在線為您解答。

  參考文獻(xiàn)

  1.3D IC Integration and Packaging (Electronics) 2.Direct Copper Interconnection for Advanced Semiconductor 3.Besi Hybrid Bonding Presentation 4.Hybrid Bonding for the Next Generation of High-Performance Devices 5.Advances in Interconnect and Assembly Technologies for Next Generation Electronic Systems 6.A Review on Hybrid Bonding Interconnection and Its Characterization