晶圆键合是近十几年快速生长起来的新兴半导体加工手艺，在MEMS，CIS和存储芯片等领域有着主要的应用，获得越来越多的关注。

在信息的海洋中，晶圆键合的存在感相比光刻手艺显得异常稀薄，然则当我们拿出一台手机，他的图像传感器，重力加速传感器，麦克风，4G和5G射频前端，以及部门NAND，都或多或少应用到了晶圆键合的手艺。可以说，晶圆键合手艺为我们的信息化生涯做出了主要的孝顺。

01 键合=接合

晶圆键合(wafer bonding)，从名字上就可以同传统封装中应用到的引线键合wire bonding和贴片键合die bonding所区分。日语中，bonding被翻译为接合，从直观印象上更利便于明晰这一工艺和历程。

从键合方式上来分类，晶圆键合可以分为*键合和暂且键合。区别也顾名思义，*键合后无需再解键合(debonding)，而暂且键合还需要解键合，将接合在一起的晶圆重新打开。

从界面质料来讲，分为带中央层的胶键合，共晶键合，金属热压键，无中央层的熔融键合(fusion bonding)和阳极键合等。

键合的目的也各不相同，好比为器件提供气密珍爱，在MEMS和SAW中一定的应用场景；又例如为减薄晶圆提供机械支持或是层转移，好比IGBT和BSI中的应用就是基于该目的；现在最新也最主要的应用照样晶体管的三维互联，HBM，3D NAND以及正在研发中的互补型场效应晶体管CFET和背部供电网络BPN等，近年来兴起的夹杂键合(hybrid bonding)即是着眼于这项应用的工艺，该工艺由于同时包罗了熔融键合和金属键合的特点而得名。

早期的晶圆键合对于套刻精度的控制要求并不高，键合后在10微米以内即可。然则自BSI最先后的套刻精度要求就到达了1.5微米的水平，而对于3D NAND和高端BSI的应用，更是到达了300纳米以下甚至150纳米的要求！随着键合手艺的生长和向前道工艺的渗透，笔者勇敢推测，未来可能会到达数十纳米套刻精度的要求。

02 旧酒新瓶装

如先前所述，键合的本质是接合，其行使种种差其余物理和化学方式接合两种界面的原理，早在人类切出*片晶圆前就已经被发现和应用了。无论是借助高分子化合物的胶键合，照样行使焊接原理的共晶键合，甚至是通过超滑腻外面之间的范德华力相互吸引的熔融键合，其基本原理在晶圆键合降生前就早已为人所知了。但晶圆键合真正的大规模工业应用，则是从最近十几年才最先。

1969年，Wallis和Pomerantz*次形貌了在500℃下使用电场将硅履历和苏打玻璃晶圆键合在一起，即我们今天所知道的阳极键合。

1986年，IBM和东芝在研究中发现了熔融键合，当硅晶圆被镜面抛光后，纵然在室温下不借助其他粘合介质也可通过范德华力相互吸引发生键合，这也是硅-硅直接键合的劈头。之后的数年里，用于SOI，MEMS以及III-V族化合物的熔融键合手艺被相继揭晓。90年月后，使用等离子处置晶圆外面的常温键合 低温退火和高真空下的无需退火的熔融键合手艺也相继被开发出来。

2016年，索尼首次行使铜-二氧化硅夹杂键合生产图像传感器。这一始于80年月中期的构想，在履历了十数年的研究后终于成为了现实，为产业界所接受。

通过晶圆键合的方式实现的三维互联的方式有许多，但犹如上图中(a)所式的熔融键合方案和(d)所示的夹杂键合方案，更适合先进的CMOS工艺。

金属热压键合(c)需要使用极高的压力(10-100kN)，甚至类似阳极键合还会使用高压电场，对于CMOS的工艺兼容性着实不是那么得友好，容易损坏其前道的金属图形，因此仅需要常温键合 低温退火的熔融键合和夹杂键合(d)便因其与CMOS优越的工艺兼容性，获得了越来越多的青睐。

熔融键合也并非生来就云云温顺，从早期需要1000℃高温举行数小时退火的工艺条件，生长到只需要常压等离子外面活化后常温键合之后，在不足400℃的条件下退火，甚至在超高真空下使用等离子外面活化后无需退火，为其壮大的CMOS工艺兼容性提供了保障。而不借助TSV直接使用铜触点举行互联的夹杂键合，将上下晶圆间的互联距离缩小到了最短，进一步提升了电学性能。

正是由于得益于熔融键合和夹杂键合的快速生长，扫除了晶圆键合走向CMOS互联工艺的*障碍。

03 熔融键合：从SOI到BSI

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熔融键合通常是以硅-硅或硅-二氧化硅为键合界面，经由适当的外面处置后举行接合的工艺。笔者看到过一种说法，只要外面足够滑腻和平整，则万物皆可bond，因此磷化铟和铌酸锂这样特殊的衬底也可以同硅晶圆举行熔融键合！

熔融键合早期相对为人所知的应用是用于SOI绝缘体上硅的生产。作为一种光学和电学性能厚实的衬底质料，SOI的制备自然也是比通例的硅片庞大的。裸硅片和热氧片在熔融键合后通过后头减薄的方式，是早期的SOI片的主要制备方式，然则受制于其成本高，生产速率慢，均一性不佳，使得其应用场景相对受限。之后，法国的Soitec开发的SmartCut®手艺使得成本，生产速率和均一性指标获得了飞跃性提升，裸硅片作为供体晶圆在熔融键合后，通过氢离子注入后自动断裂，星散供体晶圆，在外面抛光后可重复使用。

熔融键合更为人熟知的应用，则是用于BSI背照式图像传感器的生产。初期的BSI通过作为机械支持的无图形晶圆与CMOS晶圆熔融键合后，将CMOS后头减薄举行pixel阵列的制作。随着对图像信号处置的需求的生长，将图像处置的逻辑晶圆同CMOS晶圆举行面劈面的熔融键合，并以TSV举行互联来实现成为了新的制作方式。当夹杂键合的手艺成熟后，BSI也进入了高密度互联的时代，这即是后话。

除此之外，笔者在一些论文中也见到过使用熔融键合，将micro LED以及MEMS之类的芯片与CMOS举行互联的案例。包罗IMEC的CFET手艺蹊径中，也有使用熔融键合来制作三维晶体管的应用，随着半导体三维时代的到来，熔融键合的潜力不能估量。

04 夹杂键合：新时代手刺

说到夹杂键合最典型的应用，毫无疑问就是长江存储的Xtacking®了。通过差其余工艺，先后制作Memory晶圆和CMOS晶圆，在后道制程中构建两者的触点。通过夹杂键合，这些触点被链接导通，Memory和CMOS就在垂直偏向实现了互联。

根据Frauebhofer研究所的说法，夹杂键合的优势有三：

更短的互联距离：不仅不需要用引线相互联通，也无需用TSV穿过整个CMOS层，仅仅通过毗邻后道的铜触点就可以实现互联

更高的互联密度：铜触点的面积异常小，相比直径百微米的锡球和TSV，夹杂键合工艺中的铜触点的pitch size甚至都不足10微米，无疑可以实现更高的互联密度

更低的成本：毫无疑问，针对每颗DIE单独举行互联需要更多的时间，通过晶圆键合可以实现大面积高密度的互联，对产能的提升的孝顺是飞跃性的！自然，生产成本也可以得以降低

除了先条件到的BSI，诸如micro LED和CMOS举行夹杂键合的案例也是存在的。最新的研究中，甚至有将micro LED在小尺寸晶圆上制作完成后，分切成自力的DIE重新粘接到一张12寸晶圆上与CMOS 12寸晶圆举行夹杂键合互联的做法，可见其工艺兼容性是异常优异的。这也是夹杂键合的另一大优势，差异手艺节点的CMOS也可以通过铜触点举行互联，工艺选择的天真性也获得了飞跃性的提升！

固然，夹杂键合并非*无缺，好比无法从最初阶段就知道失效DIE，只有在完成集成，减薄和划片以及通过测试后才气分辨，因此会使制品DIE的良率受到较大影响。其次，键合界面需要超高的平整度，晶圆的内部应力也需要管控以减小晶圆翘曲，这些都对后道工艺控制提出了苛刻的要求。相比传统封装手艺，夹杂键合所需的ISO3以上的清洁品级相比传统封测厂的ISO5的清洁度要求高了许多，对厂务和环境的管控都提出了很高的要求。

05 *玩家

工艺的实现需要依托质料和装备的支持，虽然是后道工艺，然则这其中的玩家却是少之又少，其中来自德国的苏斯(Karl Suss)和奥地利的EVG(EV Group)独占鳌头，日本的佳能和三菱虽然也有稀奇门类的键合装备，但无论是市占率照样手艺水平都无法与这两位*玩家相提并论。海内现在*系统性先容晶圆键合的资料是《晶圆键合手册》，苏斯和EVG的装备在其中出镜率相当之高，被频频提及，其着名度和*职位不言而喻。

苏斯和EVG的产物线重合度较高，双方险些同时涵盖了所有类型的键合工艺，除了键合机外，还包罗用于晶圆瞄准的瞄准机和双面光刻机，以及检测键合精度的量测机台也都有涉足，但实则各有千秋。在海内键合机市场，相较于EVG，苏斯在高校和研究院所的口碑和市占率更好，但工业应用中EVG则更胜一筹。稀奇是海内的先进BSI产线，EVG的全自动熔融键合机GeminiFB险些到达了100%的市场份额！

现在国产的键合机依旧以低端为主，上海S公司研制生产的键合机虽然渗透了胶键合和金属键合的市场，然则尚未进入熔融键合的主阵地。而另一家主攻键合机的海内企业是H公司，同S公司一样，H公司是一家以光刻子系统为人所知的企业，其200nm的瞄准精度尚无法同EVG上一代产物比肩，但也是本土企业的一大突破！此外，尚有数家半导体装备制造公司正在开发新的键合装备，究竟到去年位为止，CIS行业的增进已经延续了10年，市场空间相当广漠！只管2022年CIS市场迎来了10年来首次下跌，然则随着安防和智慧都会的需求不停增添，CIS的市场足够重大，也容得下苏斯和EVG之外的玩家。

06 写在最后

已往十年，推进摩尔定律的脚步逐渐放缓，越开越多的半导体公司追求先进封装来动员芯片性能的提升，异构集成即是其中一解，而晶圆键合工艺为其提供了高效的实现路径，成为有力的候选工艺！

当2022年英特尔和IMEC宣布未来的晶体管生长蹊径，1nm以后进入CFET时代后，笔者就笃信熔融键合和夹杂键合将会从后道走向前道，和high NA以及hyper NA EUV光刻机一同引领下一个15年的半导体行业生长之路！