3D IC晶圓不同接合技術的技術難度與發展

晶圓對位難度高，使用光學對位可以達到更精密的對位效果，提升生產良率。EVG

3D IC技術發展迅速，早期僅限於用在直徑200mm以下的晶圓構裝，但在近年由於晶圓應用光學構裝應用、與3D IC技術整合構裝需求，對於MEMS或特殊微縮製程需求，已逐漸累積3D IC製作經驗，發展各種不同特性與效益的製作方式。

自MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)構裝、晶圓級構裝及3D IC整合構裝，在領域的應用場合，其應用個別需求亦不相同，而目前已經發展出多元的晶圓接合製程，也能讓IC元件的功能與效益可以大幅提升，針對不同需求亦能提出最佳解決方案。

不同的晶圓接合製程，大多會有其特定的物理或化學機制差異，一般在兩片基板進行接合，可使用分子鍵結或原子鍵結接合、氧化物接合、合金化接合或透過黏著材料進行晶圓接合。晶圓接合的使用技術，最早在1990年前後已有微機電系統應用晶圓接合方式製作產品，當時以小型200mm以下晶圓接合為多，逐步帶動晶圓接合需求，同時也推動產業更加精進發展各種接合技術。

進行晶圓接合(Wafer Alignment Process)，主要會分成兩個關鍵的執行階段，一是晶圓對位程序，必須透過準確的晶圓對位，晶圓接合時才能確保功能性不會因為接合不完整產生誤動作，或根本成了不良品。在對位製作流程方面，可以採用機械性對位方式(Mechanical Alignment)或光學對位(Optical Alignment)方式進行。
其次是晶圓接合製程(Wafer Bonding Process)，現有可用在3D IC的接合製程有相當多選擇，例如採行熔融接合(Fusion Bonding)、金屬熱壓接合(Metal Thermal Compression Bonding)、特殊共晶接合、聚合物黏著接合(Polymer Adhesive Bonding)…等。以下將分別針對3D IC關鍵的對位與接合製程進行介紹。

晶圓對位製程(Wafer Alignment Process)

如先前所述，晶圓的對位技術現有機械對位與光學對位兩種，以機械對位(Mechanical Alignment)來說，為利用晶圓預製之平邊(Flat)或凹槽(Notch)來作為接合前的對位基準，同時搭配特殊治具來加強對位精準度，例如搭配使用定位插銷(Special Pins)強化晶圓對位準確度。如在12吋晶圓的製程要求，依據SEMI Standard要求，接合晶圓的對位誤差必須限於±50μm，其實機械對位精準的要求難度相當高。

另一種光學對位(Optical Alignment)製程，為使用光學儀器在兩片晶圓進行對位程序時，搭配輔助校正與執行更精確地對位程序，一般來說透過光學對位，其晶圓對位誤差可以在1~10μm之間，至少是機械對位的五倍以上精密度，因此在高精度要求的製程中，大多會選用光學技術進行晶圓對位。由於光學對位的精準要求度相當高，對位記號要求更高，定位記號會以圖案化標記於晶圓之上，對位定位記號的數量、尺寸、位置則依接合精度要求而決定，並無一定應用要求。

而較精密的光學對位製程，也可細分為直接對位(Direct Alignment)或間接對位(Indirect Alignment)兩種方法。直接對位為至少需有一片晶圓能使可見光或紅外線(IR)穿透，兩片晶圓之對位點可在單側同時進行檢視確認。至於間接對位為兩片晶圓均為無法使可見光或紅外線穿透，對位程序為利用第二片晶圓設置於參考點之預儲數位影像來當作第一片晶圓的對位程序定位資料，透過間接的行事達到精密對位要求。

在實際的生產製程中，Wafer Alignment與Wafer Bonding程序特性差異大，製程中是無法同時進行兩種製作程序的。對位製程要求的是高度精準性；而晶圓接合程序在設備需有迅速、均勻之加熱系統，同時可夠提供高且均勻之壓力處理，並需搭配後段製程導入特殊氣體進行加工與製作物快速抽真空等製作階段性需求；因此基本上，設備設計會將對位與接合設備分別獨立設置，避免不同的工序相互干擾製作成品。

至於一部好用的晶圓對位設備，支援多台晶圓接合設備所對應的晶圓接合座(Bond Chuck)是必要的，因為Bond Chuck會影響晶圓對位之精準度，對位不準確也會導致接合後晶片的品質受影響，造成精度下滑影響生產良率。

至於對位精度若要達到製程品質要求，必須同時考量多重因素，一開始進行產品設計前，就需先針對對位方法(Alignment Method)選用納入評估，在設計產品時即將對位點的設置處一併考量、設置，在晶圓展開圖上也需要一併處理。一般會由Alignment Accuracy、Substrate Type、Specific Features…等重要因素，再來決定使用的對位方式、對位點設計對應適用方法。若針對特殊對位方式，在最終進行晶圓對位時的實際可達到定位精度與對位可靠度，主要是由對位點尺寸、形狀所左右與晶圓上對位點位置。

即便精準完成晶圓對位，實際在製程中晶圓也會受到各種處理而出現應力反應，進而影響了對位的精準度，尤其以晶片接合層之壓縮應力，最容易因為製程處理而導致了晶圓出現對位偏移問題。一般來說，中間接合層為共晶接合層、黏著接合層等，另外兩晶圓之接合層若在熱膨脹係數不匹配，也會相對影響對位精度，導致產生不良製品。

晶圓接合製程(Wafer Bonding Process)

先前也提過，能夠應用於3D-IC整合製作的晶圓接合製程，已有熔融接合(Fusion Bonding)、金屬熱壓接合(Metal Thermal Compression Bonding)、共晶接合、聚合物黏著接合(Polymer Adhesive Bonding)等。對熔融接合(Fusion Bonding)來說，是晶圓製作產業最早使用的接合關鍵技術，為利用兩晶圓表面施以化學鍵結(Chemical Bond)建立，變化後形成晶圓接合現象。

採用熔融接合製程時，先於常溫下把兩晶圓精準對位後接觸，先在兩晶圓形成弱接合結(Weak Bond)狀態，這種較弱的接合又可以稱為預接合(Pre-Bonding)處理。完成預接合後，可在高溫(600~1,200°C，處理溫度需依晶圓材料調整)下進行Thermal Annealing數小時，將Weak Bond轉換成共價鍵(Covalent Bond)形成堅固的接合狀態。

由於熔融接合處理過程需高溫處理，也對晶圓表面潔淨程度與兩接合面的平坦度要求極高，製程中也需要防止接合表面的化學污染物，以免影響接合度表現。但對於高度精密的3D IC，由於熔融接合製程處理溫度較高亦不適合，相關製程已有修正做法，同時也將Anneal Temperature大幅降低，達到3D IC的使用需求。

而在金屬熱壓接合(Metal Thermal Compression Bonding)方面，則在兩個採用相同金屬材料的晶圓施加熱與壓力，在接合面產生Inter-Diffusion of Atoms與Grain Growth現象進行晶圓接合。用於晶圓接合實際做法為把堆疊晶圓置於高溫下，施加高壓力持續一段時間，使晶圓接面產生接合，晶圓升溫可以軟化材料硬度間接降低晶圓接合所需壓力。但接合面不能有氧化物，否則會產生抑制接合面晶粒成長狀況。

現有3D IC常用的金屬熱壓接合製程，為以Cu-Cu晶圓接合處理，如果製程中的晶圓表面溫度出現不均，晶圓局部區域若產生翹曲或接合層出現內應力，則會嚴重影響晶圓接合品質。

聚合物黏著接合(Polymer Adhesive Bonding)優點在於，晶圓表面不需平坦化、過度清洗等特殊處理，聚合物接合對晶圓表面的污染物(顆粒)並不敏感，一般接合用聚合物可使用熱塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)、熱固性聚合物(Thermosetting Polymers)兩種，對接合之兩片晶圓接合面先旋轉塗佈聚合物，再利用加熱處理去除晶圓表面之溶劑，製程再以真空壓力將兩片晶圓進行對位與接合程序、再於真空環境進行烘烤處理，使兩接合面產生更堅固的接合狀態。