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。
混合键合是先进封装领域的一次范式变革，它用片上节距10微米及以下的焊盘互连结构，替代了原先35微米的片外微凸点。该技术可实现硅与硅键合，例如下一代HBM器件里的DRAM与DRAM键合；也能用于异质材料组合，比如硅基氮化镓（GaN-on-silicon）。
这套工艺可应用于晶圆对晶圆、裸片对晶圆平台，能将信号延迟降到极低水平，同时打造更小、更薄的封装，实现顶尖的内存与处理器互联速率和带宽，功耗也显著更低。
混合键合能否成功，一方面取决于先进键合设备的性能，另一方面依赖量测设备在键合前后，对关键对准精度、洁净度、平整度、表面特性的检测能力。想要在芯片键合层面实现真正的3D集成，攻克这些难题至关重要。
但随着混合键合的节距持续缩小，低于当前量产主流的4–9微米，部分检测与量测手段已经难以满足空间分辨率和灵敏度要求，无法检出所有关键缺陷，尤其是埋藏在键合界面处的缺陷。颗粒、空洞、套刻误差、表面粗糙度、CMP缺陷、翘曲，都会威胁芯片之间的键合质量。哪怕仅仅一颗颗粒，都可能造成上下晶圆脱层，引发灾难性失效。
常规量测手段有时无法区分致命缺陷和轻微的形貌起伏。目前有少数设备方案，包括无损光学检测、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，致力于识别小于100纳米的关键缺陷。这对半导体工艺而言，属于严苛要求。
“颗粒与表面污染物是混合键合中最致命的缺陷之一，它们会阻碍键合面贴合，进而形成空洞。”Onto Innovation产品营销总监Burhan Ali说，“互连节距越小，缺陷容限就越低，哪怕是纳米级颗粒，都有可能造成键合空洞。前沿混合键合工艺对缺陷的检出下限可以低至50纳米。”
裂纹与分层问题十分隐蔽，在工艺开发阶段以及量产阶段都可能出现。“针对裂纹和分层，采用200MHz频段超声波的声学显微成像（AMI）分辨率最高。” 诺信测试与检测（Nordson Test & Inspection）AMI产品经理Bryan Schackmuth表示，“超声波无法穿透厚度约0.1微米的空气间隙。如果裂纹或分层的长宽在5–10微米、厚度至少0.1微米，声学显微成像就有较大概率检出。”
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与可靠性，很大程度取决于四大核心工艺的精度以及整片晶圆的均匀性：表面平坦化、表面活化、精准对准、热键合。
化学机械抛光（CMP）结合机械与化学方式去除材料，需要把表面形貌和铜焊盘凹陷控制在纳米级别，表面粗糙度极低（均方根粗糙度0.5纳米）。否则，键合后介质层之间容易产生空洞。
晶圆对晶圆混合键合，首先在晶圆上完成后端金属互连工艺。接着沉积合适的介质层（SiCN或SiO₂），再刻蚀出通往下层金属的通孔；随后沉积阻挡层与铜籽晶层，再进行铜电镀。铜焊盘一般为方形结构。之后通过铜CMP去除多余铜层，使焊盘略微凹陷（数纳米）。在退火过程中铜发生膨胀，这个微小间隙就会被填满。抛光完成后，清洗晶圆，去除所有污染物。
下一步，在等离子体真空腔体内对裸露的介质层做活化处理，生成大量悬挂的Si-O–键，得到适配键合的表面；随后用去离子水冲洗，让介质层水化。将第二片晶圆（和第一片晶圆一样，完成到铜CMP工序）与第一片晶圆面对面（或背对面）对准、贴合。两片晶圆紧密接触，形成初始键合；再送入炉管，在350摄氏度下退火两小时，铜发生膨胀，形成稳固的铜 - 铜键合以及介质 - 介质键合。
键合前检测键合之前，需要精细调试CMP工艺，保证介质表面平整，并且晶圆边缘具备特定的边缘滚降轮廓。边缘滚降异常会扭曲对准标记，造成贴合不良或者空洞，降低键合强度。滚降区域必须光滑，不能存在微裂纹、划痕或者搬运损伤。
开展显微检测之前，通常先做整片晶圆宏观检测，筛查划痕、大颗粒以及晶圆边缘损伤。宏观检测可以补充显微检测的结果，为同批次每一片晶圆生成详细晶圆图。对每一片晶圆扫描留档，是高可靠器件生产的必要环节。
“我们的宏观检测设备对每一层掩膜的晶圆做到全检，很好地补充市面上的显微检测方案。”Microtronic应用总监Errol Akomer说，“显微检测速度偏慢，一般只做抽样，每批可能只测2–5片晶圆，很多时候会漏掉会影响芯片长期可靠性的重大缺陷。像数据中心、航空航天这类场景，客户只会挑选批次里状态最好的芯片，不会选用我们称之为‘隐性带病’的临界器件。”
清洗完成后，一般采用明场、暗场模式开展自动光学检测（AOI）。暗场检测采集缺陷的散射光，对颗粒和划痕检出效果突出；明场采集反射光，适合识别抛光残留浆料、图形缺陷以及表面形貌损伤。
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。
局部和全局形貌起伏都会影响键合效果。“在先进工艺里，局部形貌问题往往对良率影响更大，但全局和局部高度偏差都不可忽视，二者对应的失效机理不一样。”Onto Innovation产品营销高级总监Maruko Wu解释道，“干涉测量技术适合测量晶圆级或者裸片级平整度；光学关键尺寸量测（OCD）和原子力显微镜（AFM）最适合控制仅几纳米的局部高度变化。白光干涉、相移干涉以及AFM，都用来测量铜焊盘凹陷深度。”
Bruker、KLA、Onto Innovation、Zygo都提供白光或相移干涉测量设备，部分厂商还推出双面检测系统。
“键合前缺陷检测大多采用先进光学检测设备，它吞吐高、支持整片晶圆检测，能够高灵敏度检出表面缺陷与颗粒。”Burhan Ali说。而铜焊盘形貌细节需要AFM表征。“表面粗糙度、铜焊盘形貌一般用AFM测试，它具备纳米到亚纳米级分辨率，可以精准测量粗糙度、凹陷、凸起这类表面特征。”
AFM在混合键合工艺中的应用越来越多，仅仅1纳米的材料差异，就会决定退火时铜焊盘能否成功融合。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该凹陷厚度波动控制在2纳米以内。
AFM和原子力轮廓仪（AFP）都是表面表征、工艺优化的关键工具。AFM聚焦局部区域，高分辨率测量凹陷深度，识别焊盘凹陷或凸起（见图3）。AFP可以做大面积形貌扫描，覆盖从纳米级特征到整片晶圆，包含晶圆斜切边缘。即便局部AFM检测显示介质粗糙度、铜凹陷符合规格，AFP依然可以在33×26毫米的大面积扫描范围内发现异常形貌（见图4），同时它也适合监测晶圆边缘滚降。
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。
“我们目前重点研究已成型键合结构的失效分析、三维成像，尝试识别失效键合点。” 蔡司显微镜（Zeiss Microscopy）市场战略高级总监Thomas Rodgers说，“虽然不在我们传统业务范围，但客户经常要求检测铜混合键合互连内部的空洞，以此判断可靠性和潜在失效点。”
蔡司还提出一种新思路，解决混合键合的形貌问题。“蔡司半导体制造技术事业部的同事开发了一套方案：在晶圆背面减薄之前，对晶圆施加局部应力，实现平整度测量与校正。随着HBM这类多层堆叠裸片大量使用混合键合，市场对这套方案的关注度持续上升。”Rodgers说道。
键合后量测键合完成后，红外量测设备用来校验上下两层铜焊盘的对准情况，红外光束可以穿透硅材料。铜焊盘凹陷过大或者过小，都会引发问题。“铜凹陷或者凸起过量，会阻碍铜 - 铜、介质 - 介质正常键合，造成连通性变差、键合良率下滑。同理，表面粗糙度偏高，会减小键合面有效接触面积，降低键合强度，提升缺陷风险。”Burhan Ali说。
“3D X射线也可以用来测量对准精度，包含传统计算机断层扫描（CT）和层析成像模式，清晰呈现对准状态和套刻误差。我们的设备在这方面取得了不错的测试结果。”Rodgers介绍。
在键合后检测环节，很多工程师选择高分辨率X射线成像观测键合界面，工艺开发前期尤其常用。层析成像这类先进X射线技术，可以实现亚微米级3D检测与缺陷定量，助力工艺优化和失效分析。高分辨X射线成像是混合键合开发与失效分析的核心手段，目前分辨率可达150纳米。
“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。”Bruker英国合资公司现场负责人John Wall说，“我们可以在带图形、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。”
“如果要检出裂纹、分层、翘曲，3D X射线是首选方案。”Rodgers说，“我们的设备可以呈现键合结构的翘曲和平整度，在不破坏样品的前提下生成裂纹、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，现在也被应用于混合键合晶圆堆叠。“目前声学显微成像（AMI）一般在器件完成全部组装之后开展。”Bryan Schackmuth说，“传统微凸点节距在20–40微米，对应的分层、空洞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，就要求AMI具备更高的分辨率。”
声学成像的分辨率取决于换能器的声波波长；频率越高，声波穿透深度越浅。在信噪比合格的前提下，高频可以提升横向分辨率，区分距离很近的空洞，检出更小的空洞。
Schackmuth区分了AMI的 “检出” 和 “分辨测量” 两个概念：“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。”
结语混合键合支撑起密度更高、速度更快、功耗更低的3D半导体集成。但互连节距不断缩小，给检测和量测带来巨大压力。颗粒、表面污染、铜凹陷、粗糙度、对准偏差、内部空洞，都会损害键合质量、电学性能以及长期可靠性。
厂商需要组合光学检测、干涉测量、AFM、X射线成像、声学显微等多种手段，在键合前表征表面状态，在键合后发现隐藏缺陷。但没有任何一种单一技术，能够同时满足分辨率、灵敏度、晶圆覆盖范围和吞吐要求，识别所有影响良率的关键缺陷。
随着混合键合向着更小节距演进，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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