微纳技术 | 晶圆键合技术在微纳光学产品中的应用

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作者 - 北极鱼

本期核心关键词 - 晶圆键合技术

2023年7月28日，中国专利局公开了华为的一项专利，专利名称为“芯片堆叠结构及其形成方法、芯片封装结构、电子设备[CN116504752A]”，通过将两个芯片在垂直方向堆叠，以实现提高效率和更好地利用可用空间的目的。代表着先进封装工艺开始从“后道”转向“前道”。晶圆级封装属于先进封装的一类，随着先进封装技术的发展而越来越受关注，而晶圆键合则是其中至关重要的一步。

那么，晶圆键合技术在制造过程、产品形态类似芯片行业的微纳光学行业能够实现哪些应用呢？以下将从五个方面，为大家简单展开介绍一下：

从字面意思理解，微纳光学就是将微纳加工技术应用在光学领域，是指研究微米至纳米尺度下的光学现象的学科，它促进了光学系统向微型化、低成本、集成化方向的发展。其制造手段包含：图形化（激光直写、电子束光刻等）、刻蚀、镀膜、纳米压印等。微型化体现在产品本身或者产品本身最小特征尺寸方面，例如，下图1、2中，DOE产品中的最小结构特征尺寸都在几百纳米的量级；低成本则体现在可复制、批量加工、高效等方面，例如一片8寸晶圆，即可产出几千粒MLA、DOE产品；关于集成化，我的理解是：一方面，一个产品可集成通过微纳加工制造的不同光学元件。如图3，一副AR眼镜可以集成波导片、DOE、WLO等不同光学元件，以满足其丰富的产品功能需求；另一方面，通过微纳加工工艺，光学元件本身也具有较高的集成度。例如，DOE产品通过在单个光学元件中集成多层不同功能的结构，以实现其对光线的分束、整形等功能；WLO产品通过多层Lens的堆叠以提高其成像的质量。

图1

图2

图3

图1：利用表面的微纳结构调控出射光束的振幅与相位，实现对光束的整形、分束等，在结构光、TOF、激光加工等领域有着广泛的应用。

图2：微透镜阵列通过其表面的规则或不规则的微透镜实现对光束的扩散和匀光整形，在TOF、3D成像、激光投影等领域中有着广泛的运用。

图3：AR眼镜及其配套光学系统。

图4：集成WLO Lens和DOE光学元件，涉及的微纳加工包含图形化、纳米压印、晶圆键合等，相对于传统光学制造，产品更加小型化、轻薄化，可以满足特殊应用场景的需求。

晶圆键合技术大家比较熟知的应用领域应该就是半导体封测、MEMS等，比较熟知的设备厂商便是SUSS、EVG等。当然近几年，国内很多设备厂家也开始布局晶圆键合领域。例如：华卓精科、芯图半导体等。晶圆键合方式有很多种，按是否有中间介质层，分为直接键合和中间介质键合；按键合形式又分为永久键合和临时键合。

直接键合中，我们比较熟知的便是MEMS领域应用比较广泛的硅玻阳极键合，是一个相对比较简单的能够提供高品质真空密封的工艺。其工艺特点是在300~450℃下，施加一个DC电压（400~1000V），在硅-玻界面上形成Si-O-Si键。其工艺优势是温度较低，能够兼容晶圆本身的一些缺陷，键合强度较高。

等离子体活化键合现在的一项重要应用便是在存储芯片领域，实现硅片与硅片之间的键合。其工艺过程：两个表面通过原子接触形成共价键，再通过退火工艺形成稳定的Si-Si键合面。此种键合方式的晶圆前处理则显得尤为重要，首先是洁净度，需要配合Plasma活化处理，CMP研磨等工艺；其次是光滑度，表面平坦度＜10μm，粗糙度：均方根＜0.5nm（测量面积10x10μm2），总厚度变化＜2μm；表面质量直接决定了最终的键合效果。

中间介质键合，可以分为玻璃浆料键合、胶黏剂键合、金属键合，其共同的特点是需要在键合面加入一层介质，以起到连接桥梁的作用。因为这层介质的存在，对晶圆本身的平坦度、粗糙度要求会相应降低，介质会弥补晶圆本身的缺陷。键合参数也会因为不同的介质材料而有所不同。例如聚合物胶黏剂键合根据胶黏剂材料，能够在室温~450℃内进行，键合压力相对在较低，基本在10KN以下；玻璃浆料键合则需要玻璃浆料作为一种特殊的中间连接层，工艺限定温度基本在400~450℃；金属键合则根据焊料的不同，键合温度在250℃~450℃。

随着半导体水平方向的极限，各大厂家开始追求垂直方向的堆叠以提升芯片的性能，降低芯片的功耗。代表着其先进制造的后道工艺便是直接混合键合工艺（Hybrid Bonding），将两片以上不相同的晶圆通过金属互连的混合键合工艺（hybrid bonding），来实现三维集成，已经在集成电路工业上开始规模应用了。

图6，来源：华卓精科

图7，来源：长江存储

通过以上对微纳光学和晶圆键合工艺的介绍，我们可以得出一个结论：晶圆键合技术在微纳光学领域的应用，一定是通过微纳加工工艺制造的带有光学结构的晶圆，然后在垂直方向进行堆叠、集成。二者的适配，更多地需要从晶圆本身对制程参数的兼容性考虑。由于产品涉及的领域是光学，对于结构的面型还原度要求比较高，而面型结构基本都是采用UV胶水成型，所以其适配的键合温度一定是低温键合；另一方面，光学结构图案一般都是采用纳米压印工艺在高透过率的基底玻璃上成型，所以键合压力＜10KN ，以防止键合压力过大导致晶圆碎片。

因此，在众多键合工艺中，适配微纳光学晶圆在垂直方向堆叠的晶圆键合工艺，首选便是胶黏剂键合。目前已经成熟的应用案例便是WLO镜头，如图为多层Lens通过胶黏剂实现的对准键合。

图8

图9，来源：参考文献1

例如，豪威OVM6946、OVM6948和OCHTA模组（图11）适用于一次性医疗内窥镜产品；豪威科技的OVM9284（图12）可用于汽车驾驶员监控系统（DMS）摄像头；另外，在3D感知和光学屏下指纹也存在潜在应用市场。

图10、图11，来源：参考文献2

晶圆总厚度变化：经过纳米压印工艺成型的MLA、WLO Lens，基底玻璃上胶水残留层的厚度变化会导致键合面局部区域产生空隙。所以纳米压印过程中对残留层总厚度变化的控制至关重要，我们在压印过程中，目标是控制在5μm以内。

晶圆翘曲：当玻璃基底较薄，压印胶水在固化收缩时，会导致玻璃基底一起收缩形变，造成晶圆产生翘曲。当翘曲达到几百微米的量级，会造成以下问题：①晶圆上料NG；②键合前上片和下片提前接触，产生封闭气泡；③对准到键合的每一步，精度丢失的风险会大大增加，键合精度不可控。

涂胶工艺：胶黏剂键合的第一步便是要实现怎样在键合面均匀的涂布一层键合胶，当前可选择的涂胶工艺，一般有旋涂、点胶、滚胶、丝网印刷等。在涂胶的过程中我们需要注意以下几点：①厚度均匀性控制；②胶量控制；③胶型控制，要考虑在键合前，胶水不会污染结构区，键合过程中，胶水不会流入结构区。当然针对结构溢胶的问题，需要在结构外围设计一些挡胶槽等结构；④胶水选择，首先是考虑胶黏剂采用UV胶水、热固胶水，还是UV+热固胶水。需要参考键合设备的类型，针对当前市面上键合设备，腔体内部都是针对热键合设计的，上下台板为SiC陶瓷，无法穿透UV光，所以一般采用热固胶水键合。而针对一些纳米压印设备，载具采用透明设计，键合胶黏剂可选用UV胶水。其次，当选择热固胶水键合时，需要根据产品结构最大能承受的温度，选择合适的热固胶黏剂。保证在键合后，产品结构面型无变化。

精度：胶黏剂键合无法向直接键合那样获得＜1μm的键合精度，主要原因：一方面来自晶圆本身的翘曲、图案收缩导致上下片的对准精度都在＞1μm的范围；另一方面就与键合设备本身的设计有关，Clamp夹取、Spacer抽取、压合胶黏剂滑移都会造成精度的丢失。要想获得更高的键合精度，每一步细节都需要仔细琢磨，将对精度丢失的影响因素一一控制，降到最小。如图12，晶圆本身的变化导致对位精度＞4μm。

键合胶层厚度控制：因为整个键合过程中，只有力控，所以中间层的厚度无法通过设备来精确控制。通过胶量与合适压力的配合，中间层厚度可以控制在±几微米的范围内，想要更好的控制中间胶层厚度，可从晶圆本身和胶黏剂材料出发。

气泡：不同的应用场景对气泡的尺寸控制也不一样，在WLO中的应用，设备一般搭配厂家提供的干泵，可将压强控制到10Pa以内，配合胶黏剂脱泡、工艺中防止提前接触等，键合后，基本可将气泡控制在规格以内。

晶圆键合在光学行业的应用展望非常广阔。例如激光器制造、光纤通讯、光学器件封装等领域，通过晶圆级封装技术，我们可以实现光学器件的高度集成和大规模生产，推动光学产品的发展和应用。未来，随着技术的进一步突破和创新，晶圆键合技术将会为光学行业带来更多的创新和突破，推动光学行业的发展。