混合键合良率卡脖子？屹立芯创SRS：预键合与退火之间的关键一步

混合键合(Hybrid Bonding)技术是一种先进的半导体封装互连技术，通过同时实现金属键合(Cu-Cu)和介质键合(氧化物-氧化物)，在晶圆或芯片级别直接进行物理和电气连接。与传统Bump技术相比，混合键合无需使用铜柱或锡球等凸点结构，可实现超细互连间距(小于1μm)，互连密度高达每平方毫米10,000-100,000个，比微凸块技术高出10,000倍。

混合键合技术的工艺流程主要包括三个关键步骤：首先，通过化学机械抛光(CMP)和表面活化处理实现晶圆表面的平整洁净；其次，在室温下进行预对准键合，使介质SiO₂上的悬挂键实现桥连；最后，通过高温退火处理，促进介质反应和金属Cu的互扩散，形成永久键合。

很多厂商把所有精力都放在优化预键合前的CMP工艺上。因为在混合键合中，CMP对表面质量的要求极高，介电层表面粗糙度需小于0.5nm(RMS)，铜焊盘表面粗糙度需小于1.0nm(RMS)，对准精度要求在±50nm至±0.5μm之间(取决于W2W或D2W方式)。键合强度需大于6.0MPa，界面空洞率小于1.0%。甚者有提出说键合失败，90% 不是“键合设备”的问题，而是 CMP 给了一个不合格的表面。

据资料显示，混合键合的关键工艺条件基本在于以下几点：

1.表面活化真空度要求＜1.0x10-4Pa：通过高能离子束/原子束处理这种要求在超高真空环境下进行活化的样品表面。
2.预键合温度要求RT~25℃：在室温下实现氧化物介质的亲水键合
3.预键合压力要求1~100MPa不等：低温预键合压力极低（＜1Mpa）甚至无需施加外力，表面处理后形成大量的高活性的悬挂键。
4.最终退火温度300~400℃：促进Cu-Cu扩散及介质共价键的形成。

同时，对准精度极限业界规则要求，预键合对准精度需达到互连间距的约四分之一。这意味着，对于200nm间距，叠加对准误差必须控制在约50nm以内。这在300mm全晶圆尺度上是前所未有的挑战。

而在芯片三维堆叠的尖端制造中，芯片-圆片混合键合技术是实现高性能计算的关键。但一个微妙的挑战—键合后芯片拉伸—直接影响着芯片的良率和性能。为攻克这一难题，来自应用材料公司 和 Back End Semiconductor Industries 的国际研究团队，开发了一套创新的物理仿真模型，能动态模拟芯片如何被真空吸嘴拾取、压合至衬底、以及键合前沿如何传播的全过程。研究成功指出，初始芯片翘曲、键合能量和键合台设计是控制拉伸的三个核心杠杆。

另有，晶圆变形管理研究发现，预键合过程中产生的“键合波”传播不均匀会导致晶圆微观变形，是影响对准精度的主因。imec将先进工艺与有限元（FEM）建模相结合，创建了可以模拟键合动态和变形的参数化仿真环境。这帮助他们深入理解键合参数对最终对准精度的影响，为精准校正提供了理论依据。在理解变形规律后，imec开发了创新的扫描仪预校正（Scanner Precorrection）技术。这项技术在设计阶段，就利用扫描仪精确测量和补偿键合过程中预测的形变，从而显著降低键合后的套刻误差。

模拟仿真+工艺不断调试改进，但却始终绕不开大空洞、界面分层、开裂、Cu 焊盘虚焊这些致命缺陷。问题到底出在哪？

答案藏在一个被大多数人忽略的关键工序里 ——预键合与高温退火之间的低温应力消除环节。

很多人误以为，高温退火能 “一键解决” 所有界面问题。但事实恰恰相反：退火只能优化 “合格的预键合界面”，无法修复 “预键合留下的创伤”。常温预键合后，界面其实处于极其脆弱的 “弱氢键结合态”，自带三大原生缺陷，直接进高温退火只会被指数级放大：

翘曲与接触不良：薄化后的芯片 / 晶圆在切割、转移、拾取过程中，边缘翘曲会急剧增大，导致介电层无法紧密贴合，预键合后就存在大面积微间隙。

内应力累积：不同材料的热膨胀系数（CTE）失配，叠加机械加工带来的残余应力，在快速升温时会集中爆发，直接撕裂键合界面。

界面残留污染：水汽、清洗有机溶剂、微小颗粒会被困在微间隙中，成为后续气泡生成的 “种子”。

针对这一行业痛点，屹立芯创创新性地在预键合与高温退火之间，插入了SRS 应力消除系统。它没有去和高温退火 “抢功劳”，而是专注于把 “高缺陷、高应力、高不平整” 的预键合界面，改造成 “低应力、全接触、无气隙” 的稳定界面，为退火提供一个 “完美的起始状态”。

SRS 通过 “热塑性形变 + 应力松弛 + 真空环境” 三位一体的技术路线，精准解决三大核心问题：

1. 热力协同调控：根治翘曲，实现分子级接触

采用120℃以下低温 + 软性气囊 < 0.5MPa 均匀垂直压力，温和压平芯片 / 晶圆边缘翘曲，强制消除介电层脱粘

热软化效应降低材料屈服强度，让 Ra<1nm 的微米级粗糙表面，实现真正的分子级紧密接触

直接切断 “翘曲→大空洞→Cu 焊盘虚焊” 的致命缺陷链

2. 蠕变应力松弛：释放内应力，杜绝界面开裂

恒温恒压维持诱导材料发生蠕变，在短时间内彻底消除 CTE 失配应力与机械加工残余应力

避免高温退火时应力集中导致的界面撕裂，从根源上防止气泡被拉成裂隙状延伸

3. 界面环境控制：真空除气，抑制气泡生成

高真空腔室彻底排尽界面残留的水汽、空气与有机溶剂挥发气，从源头掐断气泡生成的 “燃料”

精准控温冷却装置优化降温速率，规避材料回弹风险，保持界面平整稳定

结语

先进封装的竞争，本质上是工艺细节的竞争。当行业都在追逐更高温、更精密的退火设备时，屹立芯创另辟蹊径，抓住了 “预键合与退火之间的应力消除” 这一关键卡点，用一套温和、高效、低成本的解决方案，突破了混合键合的良率瓶颈。

这不仅是国产半导体设备的一次技术突破，更是对先进封装工艺逻辑的一次重要修正：好的退火效果，从来不是靠退火本身 “硬扛”，而是靠前面的每一步工序，把缺陷提前消灭在萌芽状态。

未来，随着 3D IC 技术向更薄、更密、更高集成度发展，应力管理将成为决定产品良率与可靠性的核心因素。而屹立芯创 SRS 应力消除系统，无疑已经走在了行业的最前沿。

审核编辑 黄宇