混合键合间距缩小至 5 µm 以下，检测技术逼近极限

要点速览：

当混合键合的互连间距逼近 5 µm 及以下时，50 nm 的颗粒和表面污染，以及纳米级的形貌起伏，都可能导致键合失效。检测设备必须能够区分致命缺陷与无害的变化。
键合前的表面平整度和洁净度对良率至关重要。CMP 必须将铜凹陷控制在仅几纳米的范围内，同时尽量减少粗糙度、划痕和颗粒。芯片制造商借助光学检测、干涉测量、AFM 和原子力轮廓仪来表征局部和晶圆级形貌。
键合后埋藏缺陷的检测仍是最大的挑战之一。红外、X 射线和声学成像可以识别空洞、分层和对准误差，但每种技术在分辨率、灵敏度、穿透深度或吞吐量方面都各有局限。

混合键合代表了先进封装领域的范式转变，它用片上 10 µm 间距或更小的焊盘对焊盘互连取代了 35 µm 的片外微凸点。它可用于硅对硅的键合，例如未来 HBM 器件中的 DRAM-DRAM 键合，甚至可用于键合氮化镓-on-硅这样的异质材料。

这一精妙的工艺可在晶圆对晶圆或芯片对晶圆平台上实现，可将信号延迟降低到可忽略的水平，同时实现更小、更薄的封装，并带来无与伦比的内存/处理器速度和带宽。它还显著降低了功耗。

混合键合的成功依赖于先进键合设备的性能，以及量测技术在键合前后验证关键对准、洁净度、平整度和表面特性的能力。事实证明，解决这些挑战对于实现真正芯片级 3D 集成的愿景至关重要。

但随着混合键合间距持续缩小，低于当今 4 至 9 µm 的量产水平，一些检测和量测方法正难以满足捕获所有相关缺陷类型所需的空间分辨率和灵敏度，尤其是埋藏在键合界面处的缺陷。颗粒、空洞、套刻误差、粗糙度、CMP 缺陷和翘曲都威胁着芯片间的键合质量。哪怕一个颗粒也可能使顶层晶圆与下层晶圆分层，导致灾难性失效。

有时，传统量测技术无法区分致命缺陷与轻微的形貌变化。包括无损光学、红外、X 射线、轮廓测量、AFM 和声学检测在内的一些工具，正努力识别小于 100 nm 的关键缺陷。这些是半导体工艺有史以来面临的最严苛的要求之一。

“颗粒和表面污染是混合键合中最关键的缺陷之一，因为它们会阻碍键合表面之间的接触，并导致空洞的形成，”Onto Innovation 产品营销总监 Burhan Ali 表示。“更小的互连间距降低了对缺陷的容忍度，即使是纳米级颗粒也可能造成键合空洞。对于最先进的混合键合工艺，缺陷尺寸要求可低至 50 nm。”

裂纹和分层可能是特别隐蔽的问题，尤其是在工艺开发的早期阶段，但在全面量产阶段也是如此。“对于裂纹和分层，使用 200MHz 范围超声的声学微成像（AMI）可提供最高的分辨率，” Nordson Test & Inspection 的 AMI 产品经理 Bryan Schackmuth 说。“超声波无法穿过厚度低至约 0.1 µm 的空气间隙。如果裂纹或分层的尺寸（x 和 y 方向）在 5 µm 到 10 µm 左右，且厚度（z 方向）至少为 0.1 µm，那么它很有可能可以通过声学微成像检测到。”

下方的图 1 展示了一些最难捕捉的缺陷。

图 1：混合键合缺陷及用于捕捉它们的方法。来源：Laura Peters/Semiconductor Engineering

四个关键步骤
混合键合的性能和可靠性在很大程度上取决于四个主要工艺的精度和晶圆间均匀性：表面平坦化、表面活化、精密对准和热键合。

化学机械抛光（CMP）结合了机械和化学去除方式，必须实现表面形貌和铜焊盘凹陷的纳米级控制，同时表面粗糙度可忽略不计（0.5nm RMS）。否则，键合过程中可能会在介质与介质之间形成空洞。

晶圆对晶圆混合键合始于已被加工至最终 BEOL 互连层的晶圆。接下来，沉积合适的介质材料（SiCN 或 SiO2），然后刻蚀形成通向下方金属的通孔。接着沉积阻挡层和铜种子层，然后进行铜电镀。铜焊盘通常为方形。随后通过铜 CMP 抛光多余部分，使平坦化特征下方形成轻微的碟形凹陷（几纳米）。这一微小的间隙将在退火过程中铜膨胀时被填满。接下来，晶圆清洗会去除所有污染物。

接下来，在等离子体真空腔中活化暴露的介质表面，以创建带有大量悬空 Si-O^– 键的优化键合表面。随后用去离子水（DI 水）冲洗使介质水化。然后，将第二片晶圆（以与晶圆 1 相同的方式加工至铜 CMP 步骤）进行面对面（或面对背）键合，与晶圆 1 对准并键合。随后将晶圆对紧密接触以形成初始键合，然后在 350° C 下炉内退火两小时，使铜膨胀并形成永久性的 Cu-Cu 和介质-介质键合。

键合前检测
在键合之前，CMP 需要经过精细调整，以提供平坦的介质表面，并在晶圆边缘具有特定的斜坡轮廓。不当的边缘 roll-off 会使对准标记变形，导致接触不良或空洞，从而削弱键合强度。roll-off 区域必须完全光滑，没有微裂纹、划痕或操作损伤。

在显微检测之前，通常先进行全晶圆宏观检测，以捕捉划痕、大颗粒或晶圆边缘损伤。宏观检测与显微检测的发现互为补充，并为批次中的每片晶圆创建详细的晶圆图。对每片晶圆进行扫描为任务关键型器件提供了必要的记录。

“通过在每个掩膜层对100%的晶圆进行检测，我们的宏观检测工具是对市面上微观检测工具的绝佳补充,” Microtronic 应用总监 Errol Akomer 表示。“由于微观检测速度慢，通常只能对每个批次进行抽检，每批大概检查两到五片晶圆，因此在很多情况下，它们会漏掉一些真正的大缺陷，而这些缺陷可能会影响芯片的长期可靠性。在某些应用中，比如数据中心或航空航天，客户可能只挑选批次中最好的芯片。他们不会使用那些我们称之为‘行走的伤员’的边缘芯片。”

清洗之后，通常会使用明场和暗场模式进行自动光学检测（AOI）。暗场检测收集来自缺陷的散射光，对颗粒和划痕特别有效；而明场检测收集反射光，有助于识别研磨浆残留物、图形缺陷以及表面形貌损伤等残留物质。

图2：混合键合之前的亚微米缺陷必须被准确分类，以区分干扰缺陷和致命缺陷。来源：Onto Innovation

局部和全局的形貌变化都会影响可键合性。“在先进工艺中，局部形貌可能对良率更为关键，但在混合键合中，全局和局部的高度变化都很重要，因为它们会导致不同的工艺失效机制,” Onto Innovation 产品营销高级总监 Maruko Wu 解释道。“干涉测量技术通常适用于测量晶圆级或芯片级的平整度，而 OCD（光学关键尺寸测量）和 AFM（原子力显微镜）则是实现对局部高度变化仅几纳米的极精细控制的最好方法。白光或相移干涉测量法以及 AFM 被用来测量铜凹陷程度。”

白光或相移干涉测量设备由 Bruker、KLA、Onto Innovation 和 Zygo 提供，一些公司还提供双面检测系统。

“键合前缺陷检测通常使用先进的光学检测系统进行，这些系统具有高通量、全晶圆检测能力，并能以高灵敏度检测表面缺陷和颗粒,” Ali 说。铜焊盘形貌的细节则需要 AFM。“表面粗糙度和铜焊盘形貌通常使用 AFM 进行表征，它能提供纳米到亚纳米级的分辨率，可精确测量粗糙度、凹陷和凸起等表面特征。”

AFM 在混合键合工艺中的应用日益增多，尤其是当仅仅一纳米的材料差异就能显著决定铜-铜焊盘在退火过程中能否熔合在一起时。CMP 之后，铜焊盘会凹陷到比介质层低仅2至5纳米的位置。工艺控制需要将这一规定厚度在整个晶圆范围内保持在2纳米以内。

AFM（原子力显微镜）和原子力轮廓测量术（AFP）对于表面表征和工艺优化都至关重要。AFM 可提供凹进深度的局部、高分辨率表面测量，同时还能揭示抛光垫上的凹坑或凸起（见图 3）。AFP 则提供互补的大面积形貌扫描，涵盖从纳米级特征到整个晶圆尺寸（包括斜面边缘）的范围。即使局部 AFM 扫描确认介质粗糙度和铜焊盘凹进符合规格，AFP 也能在 33 × 26 mm 大面积扫描的不同位置揭示过度的形貌起伏（见图 4）。AFP 也是监测晶圆边缘塌陷的有用工具。

图 3：经过三个不同 CMP 步骤后，AFM 形貌扫描显示出不同的凹进深度。来源：Bruker

图 4：原子力轮廓测量显示出超出规格的形貌，尽管此前 AFM 表明铜凹进和粗糙度符合规格。来源：Bruker

“我们目前专注于对现有键合进行失效分析和三维（3D）成像，并可能识别出失效的键合，”蔡司显微镜市场策略高级总监 Thomas Rodgers 表示。“虽然这超出了我们的应用范围，但我们经常被要求检测混合铜键合互连中的空洞，这可以为了解可靠性和潜在失效点提供线索。”

该公司还在采用一种新颖的方法来解决混合键合中的形貌问题。“我们在蔡司半导体制造技术业务部门的同事开发了一种解决方案，通过在背面减薄之前在晶圆上诱导局部应变，来测量并校正表面平整度。我们看到市场对这一解决方案的兴趣日益增长，尤其是当 HCB 被用于多层堆叠芯片器件时，例如高带宽存储器中的器件，”Rodgers 说。

键合后量测
键合之后，红外量测工具可验证顶部和底部铜焊盘之间的对准情况，因为红外光束可以穿透硅。正如焊盘上铜凹进过深会引发问题一样，凹进过浅也会带来问题。“铜的凹陷或凸起过度会阻碍 Cu-Cu 键合和介质-介质键合的正常进行，导致电气连接性能下降和键合良率降低。同样，表面粗糙度过高会减少键合面之间的有效接触面积，导致键合强度降低并增加键合缺陷的风险，”Ali 说。

“对准还可以使用 3D X 射线进行测量，既包括经典的计算机断层扫描（CT）模式，也包括层析成像模式，从而清晰地呈现对准情况和任何套刻误差。我们已用我们的设备展示了一些出色的结果，”Rodgers 说。

对于键合后检测，许多工程师正转向高分辨率 X 射线成像来检查键合界面，尤其是在工艺开发的早期阶段。先进的 X 射线方法（如层析成像）可以实现对缺陷的 3D 亚微米检测和量化，有助于工艺优化和失效分析。高分辨率 X 射线成像已成为混合键合的开发与失效分析中不可或缺的技术。目前已演示了 150 nm 的分辨率。[1]

“XRDI 通常用于完全自动化的前沿晶圆工艺，其工艺步骤可能更为激进，晶圆损失和产线中断的代价也更高，”Bruker JV UK 现场经理 John Wall 表示。“我们可以在图形化/金属化晶圆上检测亚表面关键缺陷，且边缘排除区为零。整片晶圆检测的速度约为每小时 20 片（wph），从而能够对这些关键缺陷进行在线/线上检测。”

“在检测裂纹、分层和翘曲方面，3D X 射线是首选工具，”Rodgers 说。“我们的系统可以显示键合的翘曲和平面度，同时提供裂纹和空洞的 3D 图像，而无需实际切割样品。最终，这被用于定位此类缺陷。”

声学显微技术被广泛用于检测微凸点中的空洞，如今正被应用于混合键合晶圆堆叠。 “目前，声学显微成像（AMI）检测是在器件完全组装完成后进行的，”Schackmuth 说。“对于传统微凸点，20µm 至 40µm 的节距通常会成为分层或空洞的关键缺陷尺寸。混合键合 5µm 至 10µm 的节距推动 AMI 检测需要更高的分辨率能力。”

在声学成像中，分辨率是换能器波长的函数，但在更高频率下，声学信号的穿透深度较浅。在信噪比可接受的前提下，更高的频率可以提高横向分辨率，以区分两个间距很近的空洞并检测更小的空洞。

Schackmuth 描述了用 AMI 分辨空洞与检测空洞之间的区别。“我们可以使用最高 165 MHz 的换能器，其分辨率可低至 12 微米。但分辨率和检测是两回事。如果你有一个 12 微米的缺陷，165 MHz 可以精确测量它。但如果你有一个 5 微米的缺陷，我们可以检测到它，但无法精确测量。因此，我们正在开发更高频率的换能器以提高分辨率。”

结论
混合键合正在实现更密集、更快速、更节能的 3D 半导体集成，但不断缩小的互连节距对检测和量测提出了极高的要求。颗粒、表面污染、铜碟形凹陷、粗糙度、对准误差以及埋藏的空洞都可能损害键合质量、电气性能和长期可靠性。

为解决这些问题，制造商正在结合光学检测、干涉测量、AFM、X 射线成像和声学显微技术，在组装前表征键合表面，并在组装后检测隐藏缺陷。然而，没有任何单一技术能够提供识别所有良率关键缺陷所需的分辨率、灵敏度、晶圆覆盖范围和吞吐量。

随着混合键合向更细的节距发展，核心挑战在于开发更快、更灵敏且互补的量测方法，能够区分致命良率缺陷与无害变化，同时支持大规模量产。

参考文献

Dreier, D. Nilsson and S. Tanaka, “High-Resolution 3D X-Ray Imaging of Hybrid Bonding,” 2026 International Conference on Electronics Packaging and Hybrid Bonding Symposium (ICEP-HBS), Hiroshima, Japan, 2026, pp. 267-268, doi: 10.23919/ICEP-HBS69241.2026.11550690.

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