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硬件|芯片巨头们都在争相研发的3D封装关键技术究竟有多难？( 三 )


事实上，已知良好模具（KGD）至关重要 。KGD是符合给定规格的未包装零件或裸片，如果没有KGD，封装可能遭受低产或失败 。
KGD对封装厂也很重要 。“我们收到裸片，对其进行封装，并交付功能产品，合作方会要求我们提供非常高的产量 。”东方电气工程技术营销总监曹丽红在最近的一次活动中表示，“因此，我们希望KGD能够经过充分测试并功能良好 。”
裸片对晶圆的混合键合类似于晶圆对晶圆的工艺 。最大的区别在于芯片是用高速倒装芯片键合器中检测或在其他芯片上切割和堆叠的 。
硬件|芯片巨头们都在争相研发的3D封装关键技术究竟有多难？
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Xperi的裸片对晶圆混合键合流程图，图片源自：Xperi
整个过程从晶圆厂开始，使用各种设备在晶圆上加工芯片，这部分被称之为前段生产新（FEOL） 。在混合键合中，两个或更多的晶圆在流动过程中被加工 。之后，晶圆被运送到生产线后端（BEOL）的特殊部分，使用不同的设备对晶圆进行单一镶嵌工艺 。
单一镶嵌工艺是一项成熟的技术，通常是将氧化物材料沉淀在晶圆上，然后用微小的通孔对氧化物材料进行蚀刻并绘制图案，最后通过沉积工艺填充铜，继而在晶圆表面上形成铜互连或焊盘，铜焊盘以微米为单位，相对较大 。这一过程与当今先进的晶圆厂芯片生产类似，但对于高级芯片而言，最大的区别在于铜互连是纳米级别的 。
上述流程就是Xperi的新裸片对晶圆的铜混合键合工艺的最初模式，其他公司使用类似或有细微不同的流程 。
Xperi晶圆对晶圆工艺的第一步是使用化学机械抛光（CMP）抛光晶圆表面，即通过化学方法和机械方法抛光表面 。在这一过程中，铜焊板略微凹陷在晶圆表面，得到浅而均匀的凹槽，有较好的良率 。
不过，化学机械抛光（CMP）实现过程困难，抛光过度会使铜焊盘的凹槽太大，最终可能导致某些焊盘无法接和，抛光不足则会留下铜残留物造成短路 。针对这一问题，Xperi开发出200nm和300nm CMP功能 。Xperi工程部副总裁Laura Mirkarimi表示：“在过去十年中，CMP技术在设备设计、材料选择和监控方面都进行了创新，能够达到精准控制，让过程可重复且具有稳定性 。”
在经过CMP之后，需要使用原子力显微镜（AFM）和其他工具对晶圆表面进行测量，这一部分非常关键 。
KLA的Hiebert说：“对于混合键合，测量镶嵌焊盘形成后的晶圆表面必须采用亚纳米精度，以确保铜焊盘苛刻的凹凸要求 。铜混合键合的主要工艺挑战包括晶圆表面缺陷控制、晶圆表面轮廓纳米级控制以及控制顶部和底部芯片上的铜焊盘的对准 。随着混合键距变小，例如晶圆对晶圆间距小于2μm或裸片对晶圆间距小于10μm，这些表面缺陷、表面轮廓和键合焊盘对准挑战变得更加重要 。”
不过这可能还不够，在某些时候，还会考虑到探测 。FormFactor高级副总裁Amy Leong表示：“传统上认为直接在铜焊盘或铜凸块上进行探测是不可能的，如何在探针尖端和凸块之间保持稳定的电接触是需要关注的重点 。”
为此，FormFactor开发了一种基于MEMS的探针设计，称为Skate 。结合低接触力，尖端会轻柔地穿过氧化层，从而与凸块形成电接触 。
完成计量步骤后，还需要对晶圆进行清洁和退火处理，然后再使用刀片或隐形激光切割系统在晶圆上切割芯片，这将产生用于封装的单个裸片 。裸片切割极具挑战性，若切割不当则会产生颗粒、污染物和边缘缺陷 。
KLA的Hiebert说：“对于裸片之间的混合键合，晶圆切割和裸片处理增加了额外的颗粒生产源，必须对其进行管理 。由于晶圆的污染程度低得多，因此正在研究对晶圆对晶圆进行离子切割的混合键合方案 。”
切割之后是粘合，这一步骤需要使用倒装芯片键合机直接从切割框架中拾取芯片，然后将芯片放置在主晶圆或其他芯片上，这两个结构在常温下立即结合 。在铜混合键合中，芯片或晶圆先使用电介质键合，再进行金属互连 。
粘合过程对粘合剂的对准精度提出挑战，在某些情况下，对准精度需要达到几微米，业界一般需要达到亚微米级别 。
“尽管裸片的对准是一项挑战，但倒装芯片键合机已经向前迈了一大步，”EV Group的Uhrmann说：“晶圆间键合正朝着覆盖层小于100nm的方向发展，因此符合先进节点的要求 。对于裸片对晶圆，通常精度和生产量之间存在依赖关系，其中较高的精度可以通过较低的总体生产量来平衡 。由于工具已经针对诸如焊接和热压连接之类的后端工艺进行了优化，因此1μm的规格在很长一段时间能都是足够的 。混合式芯片对晶圆键合改变了设备设计，这是由精度和设备清洁度引起的，下一代工具的规格将远远低于500nm 。”
业界正在为这一目标而努力，在ECTC上，BE半导体公司（Besi）展示了一种新的混合芯片-晶圆键合机原型的第一项成果，最终规格目标为200nm、ISO 3洁净室环境以及2000 UPH的300 mm晶圆基板 。该机器包括零件晶圆台、基板晶圆台以及镜面拾取和放置系统 。该公司表示，机器会根据生产流程的需要自动更换基板和晶圆组件，且为实现高精度，公司发布了用于快速稳固高精度对准的光学硬件 。


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