真正的难点，在于拿出研发节奏更快、灵敏度更强、彼此又能互补的量测方案。

先进封装正在经历一场由混合键合带来的根本转变：片外微凸点原先的节距是35微米，如今换成片上节距10微米及以下的焊盘互连结构。硅与硅可以直接键合，下一代HBM器件中DRAM与DRAM的键合就是例子；异质材料组合同样适用，硅基氮化镓（GaN-on-silicon）便属此类。

该工艺既可用于晶圆对晶圆平台，也可用于裸片对晶圆平台。信号延迟能被压到极低，封装可以做得更小更薄，内存与处理器之间的互联速率和带宽达到顶尖水准，功耗也明显下降。

混合键合能不能做成，取决于两头：一头是先进键合设备的性能，另一头是量测设备在键合前后对关键对准精度、洁净度、平整度和表面特性的检测能力。要在芯片键合层面实现真正的3D集成，这些难题必须攻克。

但

常规量测手段面对致命缺陷与轻微形貌起伏时，有时分辨不出来。眼下有少数设备方案在尝试识别小于100纳米的关键缺陷，涵盖无损光学检测、红外检测、X射线、轮廓仪、原子力显微镜（AFM）以及声学检测设备。放到半导体工艺里看，这个要求相当苛刻。

Burhan Ali是Onto Innovation的产品营销总监，他这样说：“混合键合最致命的缺陷之一，就是颗粒与表面污染物，键合面被它们挡住贴不牢，空洞随之出现。”他接着讲：“互连节距越小，能容忍的缺陷就越少，纳米级的颗粒也可能留下键合空洞。前沿混合键合工艺的缺陷检出下限，已经能低到50纳米。”

裂纹和分层不容易发现，工艺开发阶段会碰上，量产阶段同样会出现。诺信测试与检测（Nordson Test & Inspection）AMI产品经理Bryan Schackmuth表示：“对付裂纹和分层，用200MHz频段超声波的声学显微成像（AMI），分辨率是最高的。”他补充道：“超声波穿不过约0.1微米厚的空气间隙。裂纹或分层如果长宽在5–10微米、厚度至少有0.1微米，声学显微成像检出的概率就比较大。”

图1：混合键合缺陷以及对应的检出手段。

四大核心工序

混合键合的性能和可靠性，大体由四道核心工艺的精度以及整片晶圆的均匀性决定：表面平坦化、表面活化、精准对准、热键合。

化学机械抛光（CMP）把机械与化学两种方式合在一起去除材料，表面形貌和铜焊盘凹陷都要压到纳米级别，表面粗糙度须极低（均方根粗糙度0.5纳米）。做不到这一点，键合后介质层之间就容易冒出空洞。

晶圆对晶圆混合键合的做法是：先在晶圆上走完后端金属互连工艺，然后沉积合适的介质层（SiCN或SiO₂），刻蚀出通往下层金属的通孔；接下来沉积阻挡层与铜籽晶层，再做铜电镀，铜焊盘通常为方形结构。多余铜层由铜CMP去掉，焊盘留下数纳米的轻微凹陷。退火时铜会膨胀，这点微小间隙正好被填满。抛光结束，清洗晶圆，把所有污染物清掉。

接下来，裸露的介质层要在等离子体真空腔体里做活化，表面生成大量悬挂的Si-O–键，变得适合键合；随后用去离子水冲洗，让介质层水化。第二片晶圆和第一片一样，也做到铜CMP工序，两片以面对面（或背对面）方式对准、贴合。晶圆紧密接触后形成初始键合；再送进炉管，350摄氏度退火两小时，铜膨胀起来，铜 - 铜键合与介质 - 介质键合就此稳固形成。

键合前检测

键合之前，CMP工艺要精细调试：介质表面得平整，晶圆边缘还得有特定的边缘滚降轮廓。边缘滚降一旦异常，对准标记会被扭曲，贴合不良或空洞随之而来，键合强度跟着下降。滚降区域必须光滑，微裂纹、划痕、搬运损伤都不能有。

显微检测之前，一般先对整片晶圆做宏观检测，把划痕、大颗粒和晶圆边缘损伤筛出来。宏观检测能补上显微检测的结果，为同批次每一片晶圆画出详细晶圆图。每片晶圆都扫描留档，是高可靠器件生产绕不开的一环。

Microtronic应用总监Errol Akomer说：“我们的宏观检测设备对每一层掩膜的晶圆都做全检，对市面上显微检测方案是很好的补充。”他解释道：“显微检测速度慢，通常只做抽样，一批可能就测2–5片晶圆，不少会影响芯片长期可靠性的重大缺陷因此被漏掉。数据中心、航空航天这类场景的客户，只挑批次里状态最好的芯片，我们所说的‘隐性带病’临界器件，他们不会用。”

清洗之后，自动光学检测（AOI）通常以明场、暗场两种模式进行。暗场采集的是缺陷散射光，颗粒和划痕容易被它抓到；明场采集反射光，抛光残留浆料、图形缺陷以及表面形貌损伤适合用它识别。

图2：混合键合前的亚微米缺陷需要精准分类，区分无害伪缺陷和致命缺陷。

局部和全局的形貌起伏，都会干扰键合效果。Onto Innovation产品营销高级总监Maruko Wu解释：“先进工艺里，局部形貌问题对良率的影响往往更大，可全局和局部的高度偏差都不能放过，两者对应的失效机理并不一样。”她接着说：“晶圆级或裸片级平整度，用干涉测量技术比较合适；局部高度变化只有几纳米，光学关键尺寸量测（OCD）和原子力显微镜（AFM）最适合控制。铜焊盘凹陷深度的测量，则靠白光干涉、相移干涉以及AFM。”

白光或相移干涉测量设备，Bruker、KLA、Onto Innovation、Zygo都有提供，部分厂商还拿出了双面检测系统。

Burhan Ali说：“键合前的缺陷检测，多数用的是先进光学检测设备，吞吐高、能覆盖整片晶圆，表面缺陷与颗粒的检出灵敏度也高。”铜焊盘的形貌细节，则要靠AFM来表征。“表面粗糙度、铜焊盘形貌通常用AFM测，它的分辨率到纳米乃至亚纳米级，粗糙度、凹陷、凸起这类表面特征都能测准。”

AFM在混合键合工艺里用得越来越多。材料上仅仅1纳米的差异，就能决定退火时铜焊盘能不能成功融合。CMP之后，铜焊盘比介质层低2–5纳米，工艺控制要求整片晶圆内这一凹陷厚度的波动不超过2纳米。

表面表征和工艺优化这两件事上，AFM和原子力轮廓仪（AFP）都算得上关键工具。AFM盯的是局部区域，靠高分辨率测出凹陷有多深，焊盘是凹是凸都能认出来（见图3）。AFP走的是大面积形貌扫描的路子，从纳米级特征一路覆盖到整片晶圆，连晶圆斜切边缘也包含在内。有时候局部AFM显示介质粗糙度、铜凹陷都符合规格，AFP在33×26毫米的大面积扫描范围内照样能翻出异常形貌（见图4）。监测晶圆边缘滚降，它也合适。

图3：三次不同CMP工序后的AFM形貌扫描结果，凹陷深度各不相同。

图4：原子力轮廓仪检出形貌超标，而此前AFM检测的铜凹陷、粗糙度均合格。

蔡司显微镜（Zeiss Microscopy）市场战略高级总监Thomas Rodgers说，他们眼下重点研究的是已成型键合结构的失效分析、三维成像，试着把失效键合点识别出来。他提到，这虽然不在公司传统业务范围内，可客户经常要求检测铜混合键合互连内部的空洞，用来判断可靠性和潜在失效点。

针对混合键合的形貌问题，蔡司还给出了另一种思路。Rodgers说，蔡司半导体制造技术事业部的同事开发了一套方案：晶圆背面减薄之前先施加局部应力，以此完成平整度测量与校正。HBM这类多层堆叠裸片大量采用混合键合之后，市场对这套方案的关注度一直在涨。

键合后量测

键合做完，红外量测设备就派上用场，校验上下两层铜焊盘有没有对准，红外光束能穿透硅材料。铜焊盘凹陷过大或者过小，都会出问题。Burhan Ali说，铜凹陷或者凸起过量，会妨碍铜-铜、介质-介质正常键合，连通性变差、键合良率下滑都跟着来；表面粗糙度偏高同样不行，键合面有效接触面积被减小，键合强度下降，缺陷风险上升。

Rodgers介绍，3D X射线也能测对准精度，传统计算机断层扫描（CT）和层析成像两种模式都包含在内，对准状态和套刻误差能清晰呈现。他透露，自家设备在这方面的测试结果不错。

键合完成之后，检测这一步很多工程师会挑高分辨率X射线成像来看键合界面，工艺开发早期用得尤其多。像层析成像这类更先进的X射线手段，可以做到亚微米级3D检测，还能对缺陷做定量分析，工艺优化、失效分析都靠得上。说到底，混合键合开发和失效分析的主力手段就是高分辨X射线成像，眼下分辨率能到150纳米。

Bruker英国合资公司现场负责人John Wall说，X射线衍射成像（XRDI）多用于前沿晶圆全自动化产线，这类产线工艺窗口更严苛，晶圆报废、产线停线的损失很高。据他介绍，他们的方案能在带图形、金属化的晶圆上检出表层下的致命缺陷，无需边缘禁扫区，整片晶圆检测速度大约每小时20片，适合在线或近线检测这类关键缺陷。

Rodgers说，要检出裂纹、分层、翘曲，3D X射线是首选方案。他介绍，蔡司设备能呈现键合结构的翘曲和平整度，不破坏样品就能生成裂纹、空洞的三维图像，用来定位缺陷。

声学显微技术原本广泛用于微凸点空洞检测，如今混合键合晶圆堆叠也用上了。Bryan Schackmuth说，目前声学显微成像（AMI）一般在器件完成全部组装之后开展。传统微凸点节距在20–40微米，分层、空洞的临界缺陷尺寸也在这个量级；混合键合节距缩小到5–10微米，AMI的分辨率就得跟着提上去。

声学成像能看多细，取决于换能器发出的声波波长；频率拉高，声波能钻的深度就变浅。只要信噪比过关，用高频就能把横向分辨率提上去，挨得很近的空洞也能分开，更小的空洞同样能检出来。

Schackmuth把AMI的“检出”和“分辨测量”分开来讲：“我们最高可以选用165MHz换能器，分辨率可达12微米。但检出和精准测量不是一回事。12微米的缺陷，165MHz可以精准测量；5微米的缺陷可以被检出，但无法精确测量尺寸。我们正在研发更高频率的换能器，提升分辨率。”

结语

密度更高、速度更快、功耗更低的3D半导体集成，靠的就是混合键合。可互连节距不断缩小，检测和量测承受的压力越来越大。颗粒、表面污染、铜凹陷、粗糙度、对准偏差、内部空洞，哪一样都会损害键合质量、电学性能以及长期可靠性。

厂商只能把光学检测、干涉测量、AFM、X射线成像、声学显微等手段组合起来用，键合前表征表面状态，键合后找出隐藏缺陷。问题是，没有任何一种单一技术能同时满足分辨率、灵敏度、晶圆覆盖范围和吞吐要求，把所有影响良率的关键缺陷都识别出来。

混合键合往更小节距演进，核心挑战在于研发速度更快、灵敏度更高、互相补充的量测方案，既能区分致命缺陷和无害的正常波动，同时适配大规模量产。

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