永久键合与临时键合

多年来,永久晶圆键合(Wafer to Wafer,W2W)技术已经成为半导体领域中若干应用的改变者,包括RF、MEMS器件、SOI和LED器件,特别是CMOS图像传感器、全局快门和飞行时间(ToF)等新兴传感器,W2W有助于减少占用面积,大幅提升产品性能。

取决于键合技术,晶圆永久键合是将两个晶圆表面接合在一起,无中间层的键合过程是直接键合;有中间层键合的过程间是接键合。

晶圆永久键合

薄晶圆临时键合是伴随半导体晶圆制程对缩小尺寸和引入全尺寸3D集成而出现的一种技术。由于晶圆减薄至小于50微米后变得极度脆弱,后端金属化工艺对超薄晶圆施加的额外应力会导致翘曲或断裂。这样,就需要利用聚合物键合材料将器件晶圆暂时接合到承载晶圆上,并通过后端晶圆稳定工艺来支撑超薄器件晶圆。通过临时键合可以实现复杂的背面工艺,特别是酸碱等化学工艺。临时键合低晶圆减薄,特别是3D封装的超薄晶圆至关重要。最后还要剥离,剥离晶圆衬底的三种主流技术是:热滑动剥离、机械剥离和激光剥离,其中发展最快的为后两种剥离技术。

临时键合与剥离

薄晶圆临时键合广泛应用于MEMS、先进封装、CMOS等,其中MEMS市场最大,2019年占有约35%,先进封装是第二大市场,约为31%。

三巨头垄断光刻机市场

在半导体光刻机领域,荷兰ASML和日本的佳能、尼康3家企业占据了全球9成以上的份额。目前在促进提升半导体性能的精细化工艺领域,在使用短波长的“EUV(极紫外光刻)”光源方面ASML处于优势地位。ASML控股2021年7月公布的2021年第二季度财务业绩显示,ASML第二季度营收47亿美元,净利润12亿美元,同比增长38%。

行业并购的结果

佳能光学设备业务本部副业务部长三浦圣表示,佳能将根据半导体材料和衬底尺寸等客户制造的半导体种类来扩大产品线。按照客户的需求,对机身及晶圆台等平台、投影透镜、校准示波器三个主要单元进行开发和组合,建立齐全的产品群。时隔7年,佳能更新了面向小型衬底的半导体光刻机,提高了生产效率,正在加快抢占高功能半导体市场。在用于纯电动汽车(EV)的功率半导体和用于物联网的传感器需求有望扩大的背景下,佳能正在推进支持多种半导体的产品战略,目标是在三大巨头垄断的光刻机市场上确立自主地位。

国产光刻机水平正在突破

半导体芯片制作包括IC设计、IC制造、IC封测三大环节,作为IC制造的核心环节,光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上。光刻是IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤,其工艺水平直接决定芯片的工艺和性能水平。而光刻的核心设备光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项先进技术,也是投入最多的设备,目前世界上最先进的ASML EUV光刻机单价近一亿欧元。

最近有报道称,国产光刻机取得了关键性进展。在中端光刻领域,上海微电子通过不懈努力,将自研的光刻设备精度从90nm提升到28nm,并完成了相关的技术检测与认证。在高端光刻领域,中科院自研的首台高能光源设备已安装完成,结合清华大学的光源粒子加速器“稳态微聚束”,或能一举解决被美国垄断的“光源技术系统”。而EUV设备的另外两项核心技术“双工件台系统”、“光学镜头”也被华卓精科和中科科美相继攻克。

不过,从整个光刻机领域看,我国的突破只是小荷才露尖尖角,还没有到大批量应用的阶段,而且设备的性能必须经过量产实践的检验。在高端半导体制造工艺领域,我们还有很长的路要走。