屹立芯创SRS：突破混合键合翘曲与应力瓶颈

南京屹立芯创半导体科技有限公司

混合键合技术的诞生背景

随着半导体工艺节点持续微缩（7nm、5nm、3nm及以下），单纯依靠线宽缩小已逼近物理瓶颈。行业转而通过先进封装技术提升系统性能、能效比与功能集成度。在市场需求驱动下，封装技术历经焊料凸点（Solder Bump）、铜柱凸点（Pillar Bump）-2D、微凸点（Micro Bump）、微焊盘（Micro Pad）-2.5D到无凸点（Bumpless）-3D的演进。混合键合（Hybrid Bonding）正是实现三维集成电路（3D IC）的关键突破。

混合键合的核心优势

异构集成

支持不同工艺节点/功能的芯片（逻辑、高带宽内存、模拟/RF、传感器）以超高密度（互连节距<1μm）、低延迟、高带宽集成。

三维堆叠

实现芯片级垂直堆叠（如存储单元堆叠、逻辑层堆叠），建立短距、低寄生电阻电容的互连通道，最大化空间利用率。

尺寸优化

构建超薄堆叠结构（厚度<10μm），满足移动/可穿戴设备严苛尺寸要求。

能效提升

缩短互连距离并降低寄生效应，显著减少功耗，对AI/数据中心等高算力场景至关重要。

技术发展基础

材料键合机制

铜-铜直接键合与介质-介质（SiO₂-SiO₂）键合协同，其中铜热压键合技术奠定金属互连基础。

表面处理突破

化学机械抛光（CMP）实现原子级平整度与超洁净表面，保障高良率键合。

精密对准技术

亚微米级晶圆/芯片对准精度，确保微焊盘精准匹配。

混合键合制程工艺

C2W（Chip to Wafer）键合制程前后主要为：

①Wafer 1正面CMP+清洗；

②Wafer 1背面减薄+清洗；

③Wafer 1切单颗（采用激光/等离子切割以减少颗粒污染物）；

④KGD-Die1 Placement（PNP分选至蓝膜or 形成重构晶圆）；

⑤Wafer 2正面CMP+清洗；

⑥Dier 1 ＆ Wafer 2等离子活化+亲水处理；

⑦Die 1 to Wafer 2常温下对准预键合；

⑧低温热压去应力处理；

⑨高温退火。

从D2W的键合工艺制程来看，允许将不同尺寸、工艺节点的KGD芯片选择性集成到同一晶圆上，从而支持异构集成和定制化设计，避免了不良Die键合导致的良率损失问题降低了整体成本。但其工艺更为复杂，且洁净度更难保障。

W2W（Wafer to Wafer）键合制程前后主要为：

①Wafer 1正面CMP+清洗；

②Wafer 2正面CMP+清洗；

③Wafer 1 ＆ Wafer 2等离子活化+亲水处理；

④Wafer to Wafer常温下对准预键合；

⑤低温热压去应力处理；

⑥高温退火。

键合工艺相对灵活简便，同时可以提供更高的对准精度、吞吐量和键合良率。但就是无法提前筛选KGD，尤其对于大尺寸的芯片，其良率损失大大增加了产品的成本。

技术难点

D2W的工艺难点：

①晶圆切割成单颗，大大增加了键合界面Particle的风险；

②在KGD分选和预键合时，吸嘴接触拾取和转移芯片时，机械转动而导致Particle增加；

③选择KGD重构晶圆工艺，需要在晶圆背面增加临时键合步骤+解键合以及清洗步骤，工艺不可控风险又增加了；

④由于芯片已经薄化，加之在工序转移与预键合拾取过程中的机械转动，芯片的翘曲值，尤其是芯片边缘，有可能会变得更大，这对于预键合步骤是很不利的，会导致介电层之间在对准贴合的时候无法有效接触，退火后产生大空洞，有可能边缘处的Cu Pad也无法形成焊接，最终损失了芯片良率；

⑤室温键合的芯片/晶圆在后续升温时，因材料CTE（热膨胀系数）差异易导致界面开裂。因此，在退火前增加低温去应力步骤非常有必要。考虑到薄化后芯片的机械性能减弱和焊点结构的高密度分布，去应力的处理工艺需要温和且高效。

W2W的工艺难点：晶圆各层材料由于CTE的失配，在历经高温退火时容易发生键合不良（空洞、虚焊等），也需要在退火前增加去应力工艺步骤。

在混合键合（Hybrid Bonding）工艺中，介电层（通常是二氧化硅或低k介质）之间的键合最初主要依靠表面羟基形成的氢键，在室温或低温预键合阶段，维持或施加适当的压力有助于补偿晶圆/芯片因热膨胀系数差异可能产生的微小形变，保持界面大面积的紧密接触，特别是在大尺寸键合或存在翘曲时。

屹立芯创解决方案

针对翘曲与应力难题，屹立芯创应力消除系统SRS通过三重机制优化键合界面：

1. 热力协同调控

· 120℃以下软性气囊施加<0.5MPa垂直压力，直接抑制边缘翘曲，促进应力松弛

· 热软化效应降低材料屈服强度，促进微米级粗糙表面（Ra<1nm）实现原子级接触

2. 蠕变应力松弛

· 恒温恒压维持诱导材料蠕变，在短时间内消除内应力，显著降低空洞率

3. 界面环境控制

· 真空腔室排除水汽，抑制界面空洞形成

· 平台冷却装置优化降温速率，规避回弹风险

技术本质：通过"热塑性形变+应力松弛+真空环境"三位一体，重构材料形态稳定性，为后续退火创造原子级接触界面。