3D IC晶圆不同接合技术的技术难度与发展

晶圆对位难度高，使用光学对位可以达到更精密的对位效果，提升生产良率。EVG

3D IC技术发展迅速，早期仅限于用在直径200mm以下的晶圆构装，但在近年由于晶圆应用光学构装应用、与3D IC技术整合构装需求，对于MEMS或特殊微缩制程需求，已逐渐累积3D IC制作经验，发展各种不同特性与效益的制作方式。

自MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)构装、晶圆级构装及3D IC整合构装，在领域的应用场合，其应用个别需求亦不相同，而目前已经发展出多元的晶圆接合制程，也能让IC元件的功能与效益可以大幅提升，针对不同需求亦能提出最佳解决方案。

不同的晶圆接合制程，大多会有其特定的物理或化学机制差异，一般在两片基板进行接合，可使用分子键结或原子键结接合、氧化物接合、合金化接合或透过黏着材料进行晶圆接合。晶圆接合的使用技术，最早在1990年前后已有微机电系统应用晶圆接合方式制作产品，当时以小型200mm以下晶圆接合为多，逐步带动晶圆接合需求，同时也推动产业更加精进发展各种接合技术。

进行晶圆接合(Wafer Alignment Process)，主要会分成两个关键的执行阶段，一是晶圆对位程序，必须透过准确的晶圆对位，晶圆接合时才能确保功能性不会因为接合不完整产生误动作，或根本成了不良品。在对位制作流程方面，可以采用机械性对位方式(Mechanical Alignment)或光学对位(Optical Alignment)方式进行。
其次是晶圆接合制程(Wafer Bonding Process)，现有可用在3D IC的接合制程有相当多选择，例如采行熔融接合(Fusion Bonding)、金属热压接合(Metal Thermal Compression Bonding)、特殊共晶接合、聚合物黏着接合(Polymer Adhesive Bonding)…等。以下将分别针对3D IC关键的对位与接合制程进行介绍。

晶圆对位制程(Wafer Alignment Process)

如先前所述，晶圆的对位技术现有机械对位与光学对位两种，以机械对位(Mechanical Alignment)来说，为利用晶圆预制之平边(Flat)或凹槽(Notch)来作为接合前的对位基准，同时搭配特殊治具来加强对位精准度，例如搭配使用定位插销(Special Pins)强化晶圆对位准确度。如在12寸晶圆的制程要求，依据SEMI Standard要求，接合晶圆的对位误差必须限于±50μm，其实机械对位精准的要求难度相当高。

另一种光学对位(Optical Alignment)制程，为使用光学仪器在两片晶圆进行对位程序时，搭配辅助校正与执行更精确地对位程序，一般来说透过光学对位，其晶圆对位误差可以在1~10μm之间，至少是机械对位的五倍以上精密度，因此在高精度要求的制程中，大多会选用光学技术进行晶圆对位。由于光学对位的精准要求度相当高，对位记号要求更高，定位记号会以图案化标记于晶圆之上，对位定位记号的数量、尺寸、位置则依接合精度要求而决定，并无一定应用要求。

而较精密的光学对位制程，也可细分为直接对位(Direct Alignment)或间接对位(Indirect Alignment)两种方法。直接对位为至少需有一片晶圆能使可见光或红外线(IR)穿透，两片晶圆之对位点可在单侧同时进行检视确认。至于间接对位为两片晶圆均为无法使可见光或红外线穿透，对位程序为利用第二片晶圆设置于参考点之预储数码影像来当作第一片晶圆的对位程序定位数据，透过间接的行事达到精密对位要求。

在实际的生产制程中，Wafer Alignment与Wafer Bonding程序特性差异大，制程中是无法同时进行两种制作程序的。对位制程要求的是高度精准性；而晶圆接合程序在设备需有迅速、均匀之加热系统，同时可够提供高且均匀之压力处理，并需搭配后段制程导入特殊气体进行加工与制作物快速抽真空等制作阶段性需求；因此基本上，设备设计会将对位与接合设备分别独立设置，避免不同的工序相互干扰制作成品。

至于一部好用的晶圆对位设备，支持多台晶圆接合设备所对应的晶圆接合座(Bond Chuck)是必要的，因为Bond Chuck会影响晶圆对位之精准度，对位不准确也会导致接合后芯片的品质受影响，造成精度下滑影响生产良率。

至于对位精度若要达到制程品质要求，必须同时考量多重因素，一开始进行产品设计前，就需先针对对位方法(Alignment Method)选用纳入评估，在设计产品时即将对位点的设置处一并考量、设置，在晶圆展开图上也需要一并处理。一般会由Alignment Accuracy、Substrate Type、Specific Features…等重要因素，再来决定使用的对位方式、对位点设计对应适用方法。若针对特殊对位方式，在最终进行晶圆对位时的实际可达到定位精度与对位可靠度，主要是由对位点尺寸、形状所左右与晶圆上对位点位置。

即便精准完成晶圆对位，实际在制程中晶圆也会受到各种处理而出现应力反应，进而影响了对位的精准度，尤其以芯片接合层之压缩应力，最容易因为制程处理而导致了晶圆出现对位偏移问题。一般来说，中间接合层为共晶接合层、黏着接合层等，另外两晶圆之接合层若在热膨胀系数不匹配，也会相对影响对位精度，导致产生不良制品。

晶圆接合制程(Wafer Bonding Process)

先前也提过，能够应用于3D-IC整合制作的晶圆接合制程，已有熔融接合(Fusion Bonding)、金属热压接合(Metal Thermal Compression Bonding)、共晶接合、聚合物黏着接合(Polymer Adhesive Bonding)等。对熔融接合(Fusion Bonding)来说，是晶圆制作产业最早使用的接合关键技术，为利用两晶圆表面施以化学键结(Chemical Bond)建立，变化后形成晶圆接合现象。

采用熔融接合制程时，先于常温下把两晶圆精准对位后接触，先在两晶圆形成弱接合结(Weak Bond)状态，这种较弱的接合又可以称为预接合(Pre-Bonding)处理。完成预接合后，可在高温(600~1,200°C，处理温度需依晶圆材料调整)下进行Thermal Annealing数小时，将Weak Bond转换成共价键(Covalent Bond)形成坚固的接合状态。

由于熔融接合处理过程需高温处理，也对晶圆表面洁净程度与两接合面的平坦度要求极高，制程中也需要防止接合表面的化学污染物，以免影响接合度表现。但对于高度精密的3D IC，由于熔融接合制程处理温度较高亦不适合，相关制程已有修正做法，同时也将Anneal Temperature大幅降低，达到3D IC的使用需求。

而在金属热压接合(Metal Thermal Compression Bonding)方面，则在两个采用相同金属材料的晶圆施加热与压力，在接合面产生Inter-Diffusion of Atoms与Grain Growth现象进行晶圆接合。用于晶圆接合实际做法为把堆叠晶圆置于高温下，施加高压力持续一段时间，使晶圆接面产生接合，晶圆升温可以软化材料硬度间接降低晶圆接合所需压力。但接合面不能有氧化物，否则会产生抑制接合面晶粒成长状况。

现有3D IC常用的金属热压接合制程，为以Cu-Cu晶圆接合处理，如果制程中的晶圆表面温度出现不均，晶圆局部区域若产生翘曲或接合层出现内应力，则会严重影响晶圆接合品质。

聚合物黏着接合(Polymer Adhesive Bonding)优点在于，晶圆表面不需平坦化、过度清洗等特殊处理，聚合物接合对晶圆表面的污染物(颗粒)并不敏感，一般接合用聚合物可使用热塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)、热固性聚合物(Thermosetting Polymers)两种，对接合之两片晶圆接合面先旋转涂布聚合物，再利用加热处理去除晶圆表面之溶剂，制程再以真空压力将两片晶圆进行对位与接合程序、再于真空环境进行烘烤处理，使两接合面产生更坚固的接合状态。