半導體行業的 " 嫁接 " 技術。
作者|趙健
摩爾定律是指導半導體産業發展的圭臬。半個世紀以來,集成電路上可容納的晶體管數量基本遵循每隔 18-24 個月翻一倍、同時芯片成本下降一半的規律發展。
但今天,随着芯片制程邁入 5nm 甚至 3nm,在物理規律的限制下,摩爾定律已經逼近極限,繼續在二維平面縮小晶體管的特征尺寸來提升芯片性能變得越來越困難。
因此,從二維平面向三維集成的新型結構發展,成爲超越摩爾定律、推動半導體行業發展的重要方向。
" 晶圓鍵合 " 就是 3D 集成技術的一種。
雖然熱度比不上光刻機、EDA 等半導體概念,但晶圓鍵合在 MEMS(微機電系統)、CMOS(圖像傳感器)、DRAM(動态随機存取内存)和 NAND(計算機閃存)等領域有着廣泛的應用。
晶圓鍵合是半導體行業的 " 嫁接 " 技術,通過化學和物理作用将兩塊已鏡面抛光的晶片緊密地結合起來,進而提升器件性能和功能,降低系統功耗、尺寸與制造成本。
由于晶圓鍵合在 3D 集成方向的巨大潛力,英特爾、三星、華爲、高通、羅姆、台積電等知名企業及衆多高校、科研院所均圍繞晶圓級封裝鍵合開展了設備、器件、工藝的研究。
比如,英特爾在 2022 IEEE 國際電子器件會議上,發布了新的 3D 混合鍵合(hybrid bonding)技術,将功率密度和性能提升了 10 倍。
在國内,晶圓鍵合也是新興的半導體創業方向。成立于 2020 年,曾受華爲哈勃投資的中科青禾是代表公司之一。
中科青禾的母公司青禾晶元,其首席科學家須賀唯知是日本東京大學名譽教授,原日本電子封裝學會會長,也是晶圓鍵合的泰鬥級人物。須賀教授在 20 世紀 90 年代就開始研究的常溫晶圓鍵合,是當下最先進的鍵合技術方向。
近期,「甲子光年」采訪了須賀教授,探讨了晶圓鍵合在超越摩爾定律、推動半導體行業發展所産生的影響。
1. 晶圓鍵合:超越摩爾定律的核心技術之一
甲子光年:對于半導體産業鏈,最簡單的分類通常是芯片設計、芯片制造、芯片封測三大環節。您能否通俗地解釋一下 " 鍵合 " 在半導體産業鏈中的位置,以及所發揮的作用嗎?
須賀唯知:半導體産業從技術角度可分爲 " 前工序 " 和 " 後工序 ",而鍵合技術被視爲 " 後工序 " 和 " 封裝 " 的一種技術。然而,随着近年來半導體微縮化的極限和集成化的障礙,人們開始認識到 3D 集成化作爲一種超越以往技術壁壘的重要技術。
在傳統的半導體産業聯中,設計、制造和封測是相對獨立地進行,但現在情況有所改變。考慮到整體系統的集成,鍵合需要在前工序中進行讨論,而不再局限于後工序,否則整個系統将無法完成。這使得整個過程變得緊密無縫。
在半導體産業中,鍵合作爲先進封裝技術的核心技術起着重要作用。在 3D 集成中,鍵合技術是 DRAM 存儲器和 NAND 存儲器堆疊的關鍵技術。此外,邏輯芯片和存儲器的堆疊也離不開鍵合技術的支持。此外,Si-Photonics 和光子學領域的新型器件也依靠鍵合技術來實現。
甲子光年:鍵合技術的物理與化學原理,實際上早在人類切出第一片晶圓前就已經被發現和應用了。但晶圓鍵合真正的大規模工業應用,是從 20 世紀 90 年代之後才開始。原因是什麽呢?
須賀唯知:自從貼合晶圓 SOI(Silicon-on-Insulator)實用化之後,晶圓鍵合技術才開始真正被應用。在此之前,幾乎沒有工業領域使用晶圓鍵合技術。之後,由于 MEMS 封裝、SAW 濾波器、Si-Photonics 等工業領域的出現,需要依賴鍵合技術來實現的領域才逐漸增多。
甲子光年:晶圓鍵合有很多分類,能否先幫我們梳理一下鍵合的種類?
須賀唯知:鍵合方法可以分爲在鍵合材料之間加入焊料等互連中間層的鍵合方法,和無中間層的直接鍵合的方法。
圖片來源:Wafer Bonding, Shawn Cunningham & Mario Kupnik, Chap.11
在 Si 和 SiO2 晶圓鍵合中,主要使用的是親水性鍵合(Hydrophilic Bonding),它可以在大氣環境下進行鍵合,因此被廣泛應用,但需要加熱至 350 ° C;而表面活性化鍵合(Surface Activated Bonding,SAB)則需要真空環境,但可以在常溫下進行鍵合。
目前,已經開始研究将這兩種方法結合的 Modified SAB。對于金屬等的直接鍵合,SAB 是一種常溫鍵合方法,而傳統的加熱方法包括熱壓鍵合(Thermocompression Bonding, TC Bonding)和擴散鍵合。
甲子光年:須賀教授也是從 20 世紀 90 年代開始研究鍵合技術,就直接挑戰特别前沿的常溫鍵合技術,在當時應該超出了很多人的理解和想像,您當時的出發點和動機是怎樣的?
須賀唯知:鍵合本身是一種利用物質表面具有高表面能量特性的簡單方法。然而,傳統的技術并不使用這一特性,而是通過加熱利用熱活化過程中的化學反應。但是這樣做會在鍵合界面産生熱應力和脆性反應層,降低強度和可靠性。爲了充分利用表面的特性,必須将表面清潔至極緻(表面活化),這就需要超高真空等環境,但真空設備成本非常高。當時,工業界對此不感興趣,學術界也未意識到其與研究經費相匹配的必要性。
我爲什麽選擇更具挑戰性的常溫鍵合,這個問題有點難以回答。但我個人在各種研究中,更喜歡這種不走尋常路的方式。我更關注問題本身,而不僅僅是解決問題的方式。我認爲隻有這樣,才能得到好的結果。我也一直這樣告訴我的學生們,思考問題不要循規蹈矩。我一直堅信,在研究任何事物時,忠實于原理才是捷徑。在某種意義上,我可能有些笨拙,但也可能是因爲我喜歡這樣的方式,所以選擇了這個挑戰。但從結果來看,也許是好的。
甲子光年:常溫鍵合的優勢與挑戰有哪些?
須賀唯知:常溫鍵合的優點在于可以在常溫下完成鍵合過程。因此,與通過加熱進行鍵合的方法相比,常溫鍵合可以無問題地實現異種材料的鍵合,而避免了熱應力和反應導緻的鍵合困難。
不論是傳統的高溫晶圓鍵合還是常溫鍵合,挑戰在于需要非常平坦的晶圓表面(表面粗糙度在 1 納米以下),這也是成本最高的環節之一。目前有各種各樣的新嘗試正在進行中,不僅僅是物理層面的研究,還包括使用離子束或等離子體等新技術的應用。
甲子光年:常溫鍵合對于傳統的高溫鍵合是一種替代關系嗎?還是并行關系?
須賀唯知:是并行關系。在目前情況下,普通的鍵合技術可以滿足的需求,沒有必要刻意轉向常溫鍵合技術。但是過去做不到的事情可能會使用新的技術,我們可以将新的需求和新的應用領域作爲發展方向。
甲子光年:在過去的二十多年以來,鍵合技術,特别是常溫鍵合技術,取得了哪些重要的進展?有哪些重要的節點性事件?
須賀唯知:最初,我們進行了金屬 - 金屬和金屬 - 陶瓷的表面活性化常溫鍵合。在 1996 年,我們首次實現了矽晶圓鍵合,1997 年證明了化合物半導體的異質鍵合。在 2001 年的 IEEE-ECTC 學術會議上,我們首次提出了 Cu-Cu(銅 - 銅)直接鍵合的 " 無凸點互連 "(Bumpless-interconnect)概念,這也成爲了當前混合鍵合(Hybrid bonding)技術的基礎,并被評爲 IEEE-ECTC 的最佳論文。
在 2010 年,我們提出了一種改進的表面活性化常溫鍵合方法,其中包括用于矽的中間層納米粘附層,從而實現了之前無法實現的玻璃和聚合物薄膜的常溫鍵合。
此外,自 1998 年起,我們與日本的 11 家半導體公司以及産學聯盟合作,這種與産業界的合作至今仍在繼續。
在産業界,2012 年歐姆龍公司開始使用 Si 表面活化鍵合量産制造 MEMS 傳感器。索尼公司從 2016 年開始量産 CMOS 圖像傳感器。很可能從今年開始,表面活化鍵合技術将在混合鍵合中得到廣泛應用。
甲子光年:國際上遊哪些公司在鍵合技術方面還有比較突出的優勢?
須賀唯知:在鍵合設備領域,奧地利的 EVG 公司占據了很大的市場份額;但在表面活化鍵合方面,目前隻有日本的五家制造商。
甲子光年:您認爲鍵合的發展方向有哪些?您理解的未來的鍵合技術是什麽樣的?
須賀唯知:常溫鍵合的技術基本上已經成熟了。然而,用于實際應用的設備以及調節參數等方面還遠未完成。由于存在各種不同的應用場景,這些問題将在未來逐漸解決,并變得更加易于使用。目前大家對此還不太了解,有些人可能會覺得這個概念很陌生。現在隻有一兩台定制設備,而且大家也不太清楚如何使用。但我相信随着推廣普及,這些問題将逐漸得到解決。
2. 與中國半導體結緣
甲子光年:您與中國半導體産業的合作,最早是從什麽時候開始的?當時的契機是什麽?
須賀唯知:2005 年,東京大學在中國設立了其駐中國代表處(位于無錫),我們進行了各種交流,但遺憾的是,沒有推動有效的産業化。
從 2012 年開始,我成爲中國科學院微電子研究所的客座教授,在研究領域進行了許多交流。但我認爲與中國的半導體産業合作還需要更多的時間。
甲子光年:鍵合技術在中國的發展現狀是怎樣的?有哪些公司做的不錯?
須賀唯知:據我所知,在清華大學等地,使用激光等先進的鍵合技術正在得到發展。然而,在工業界的技術方面,我對中國的獨特技術了解不多。青禾晶元是其中一家我了解的公司,對于青禾晶元的發展,我也抱有期待。
甲子光年:您是青禾晶元的首席科學家。這個合作是如何開始的?契機是什麽?
須賀唯知:在東京大學過去 35 年的鍵合研究中,超過 10 名中國留學生(博士生)做出了許多貢獻。其中之一是青禾晶元公司的母鳳文(青禾晶元總經理)。他成功地利用表面活化鍵合技術進行了 SiC、GaN 和金剛石等新型材料的鍵合研究。我認爲這些工作是青禾晶元成立的契機之一。
甲子光年:您對青禾晶元這家公司印象最深刻的一點是什麽?
須賀唯知:雖然青禾晶元成立隻有 3 年,但他們迅速将技術轉化爲産品,還融入了許多新的想法,因此可以期待其取得巨大的發展。
甲子光年:日本在半導體材料、設備等領域處在世界領先的位置。您能否從個人感受的角度來對比一下,中日半導體行業的發展以及對中國半導體行業提出建議。
須賀唯知:日本在半導體材料和設備等領域處于世界領先地位。然而,半導體技術并不僅僅是購買設備然後排列起來就能實現的。我認爲通過自我挑戰,才能孕育新的智慧、技術和産業。資本的力量固然重要,但培養人才、自主開發技術比任何事情都重要。
這可能更像是對日本産業界逐漸衰落的警鍾,而不僅僅是對中國半導體産業的建議。
END.
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