永久鍵合與臨時鍵合

多年來,永久晶圓鍵合(Wafer to Wafer,W2W)技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體領(lǐng)域中若干應(yīng)用的改變者,包括RF、MEMS器件、SOI和LED器件,特別是CMOS圖像傳感器、全局快門和飛行時間(ToF)等新興傳感器,W2W有助于減少占用面積,大幅提升產(chǎn)品性能。

取決于鍵合技術(shù),晶圓永久鍵合是將兩個晶圓表面接合在一起,無中間層的鍵合過程是直接鍵合;有中間層鍵合的過程間是接鍵合。

晶圓永久鍵合

薄晶圓臨時鍵合是伴隨半導(dǎo)體晶圓制程對縮小尺寸和引入全尺寸3D集成而出現(xiàn)的一種技術(shù)。由于晶圓減薄至小于50微米后變得極度脆弱,后端金屬化工藝對超薄晶圓施加的額外應(yīng)力會導(dǎo)致翹曲或斷裂。這樣,就需要利用聚合物鍵合材料將器件晶圓暫時接合到承載晶圓上,并通過后端晶圓穩(wěn)定工藝來支撐超薄器件晶圓。通過臨時鍵合可以實現(xiàn)復(fù)雜的背面工藝,特別是酸堿等化學(xué)工藝。臨時鍵合低晶圓減薄,特別是3D封裝的超薄晶圓至關(guān)重要。最后還要剝離,剝離晶圓襯底的三種主流技術(shù)是:熱滑動剝離、機(jī)械剝離和激光剝離,其中發(fā)展最快的為后兩種剝離技術(shù)。

臨時鍵合與剝離

薄晶圓臨時鍵合廣泛應(yīng)用于MEMS、先進(jìn)封裝、CMOS等,其中MEMS市場最大,2019年占有約35%,先進(jìn)封裝是第二大市場,約為31%。

三巨頭壟斷光刻機(jī)市場

在半導(dǎo)體光刻機(jī)領(lǐng)域,荷蘭ASML和日本的佳能、尼康3家企業(yè)占據(jù)了全球9成以上的份額。目前在促進(jìn)提升半導(dǎo)體性能的精細(xì)化工藝領(lǐng)域,在使用短波長的“EUV(極紫外光刻)”光源方面ASML處于優(yōu)勢地位。ASML控股2021年7月公布的2021年第二季度財務(wù)業(yè)績顯示,ASML第二季度營收47億美元,凈利潤12億美元,同比增長38%。

行業(yè)并購的結(jié)果

佳能光學(xué)設(shè)備業(yè)務(wù)本部副業(yè)務(wù)部長三浦圣表示,佳能將根據(jù)半導(dǎo)體材料和襯底尺寸等客戶制造的半導(dǎo)體種類來擴(kuò)大產(chǎn)品線。按照客戶的需求,對機(jī)身及晶圓臺等平臺、投影透鏡、校準(zhǔn)示波器三個主要單元進(jìn)行開發(fā)和組合,建立齊全的產(chǎn)品群。時隔7年,佳能更新了面向小型襯底的半導(dǎo)體光刻機(jī),提高了生產(chǎn)效率,正在加快搶占高功能半導(dǎo)體市場。在用于純電動汽車(EV)的功率半導(dǎo)體和用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器需求有望擴(kuò)大的背景下,佳能正在推進(jìn)支持多種半導(dǎo)體的產(chǎn)品戰(zhàn)略,目標(biāo)是在三大巨頭壟斷的光刻機(jī)市場上確立自主地位。

國產(chǎn)光刻機(jī)水平正在突破

半導(dǎo)體芯片制作包括IC設(shè)計、IC制造、IC封測三大環(huán)節(jié),作為IC制造的核心環(huán)節(jié),光刻的主要作用是將掩模版上的芯片電路圖轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻是IC制造中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟,其工藝水平直接決定芯片的工藝和性能水平。而光刻的核心設(shè)備光刻機(jī)是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備,涉及精密光學(xué)、精密運(yùn)動、高精度環(huán)境控制等多項先進(jìn)技術(shù),也是投入最多的設(shè)備,目前世界上最先進(jìn)的ASML EUV光刻機(jī)單價近一億歐元。

最近有報道稱,國產(chǎn)光刻機(jī)取得了關(guān)鍵性進(jìn)展。在中端光刻領(lǐng)域,上海微電子通過不懈努力,將自研的光刻設(shè)備精度從90nm提升到28nm,并完成了相關(guān)的技術(shù)檢測與認(rèn)證。在高端光刻領(lǐng)域,中科院自研的首臺高能光源設(shè)備已安裝完成,結(jié)合清華大學(xué)的光源粒子加速器“穩(wěn)態(tài)微聚束”,或能一舉解決被美國壟斷的“光源技術(shù)系統(tǒng)”。而EUV設(shè)備的另外兩項核心技術(shù)“雙工件臺系統(tǒng)”、“光學(xué)鏡頭”也被華卓精科和中科科美相繼攻克。

不過,從整個光刻機(jī)領(lǐng)域看,我國的突破只是小荷才露尖尖角,還沒有到大批量應(yīng)用的階段,而且設(shè)備的性能必須經(jīng)過量產(chǎn)實踐的檢驗。在高端半導(dǎo)體制造工藝領(lǐng)域,我們還有很長的路要走。