混合銅鍵合—人工智慧時代的製造業槓桿
- 鄭宇渟／台北
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半導體產業的當前成長週期主要受人工智慧（AI）、雲基礎設施和先進電子技術相關邏輯和存儲需求的影響。這種強勁成長勢頭預計將持續到2026年及以後。根據展望，亞太地區是主要成長區域之一。
然而，這種成長日益受到互連經濟學和製造能力的限制，而不僅僅受電晶體縮放的限制。隨著器件向芯粒、邏輯上的記憶體堆疊和高密度仲介層轉變，封裝成為性能和成本的決定性因素。
在這個背景下，混合銅鍵合（銅／氧化物混合鍵合）正從「高級研發」階段向實用型縮放解決方案過渡，因為它與焊料微凸塊相比，能夠實現較高的輸入／輸出密度、較低的寄生效應以及更優的信號／功率輸送路徑。此外，它還為熱敏型晶片的低溫集成創造了條件。
混合鍵合併非一個小眾流程決策，而是一個影響製造能力的關鍵決策，涉及良率提升速度和報廢風險，包括介面完整性、孔隙和一致性；也關係到週期時間和工廠調度靈活性，以及排隊時間穩定性和工具利用率。同時，它也將影響區域供應鏈競爭力，亦即誰能實現大規模工業化並在不同地點和區域進行複製。
為何微凸塊決定了成本和可靠性的上限
傳統焊料微凸塊架構引入了多個介面和製程步驟，增加了變異性和成本。隨著尺寸的縮小，這些架構在間距、電阻和長期可靠性方面也面臨著縮放極限。
混合鍵合將電介質間鍵合與銅-銅直接連接相結合，應對了這些約束，支援間距小於10微米（在領先應用場景中，間距有進一步縮小的趨勢），同時減小了互連長度並減少了寄生效應。其結果是縮短了延遲並降低了功耗。
因此，隨著間距的縮小，問題不再僅僅是「能否實現鍵合？」，而更多地是「能否在多個工廠和地區以高良率和可接受的熱預算實現可重複按鍵合？」
製造順序和「成敗關鍵」變數
典型的混合銅鍵合流程，首先採用鑲嵌式或柱狀電化學沉積法進行銅沉積，接著透過精確高度、低粗糙度的CMP平坦化技術控制表面，再進行氧化物管理與活化等表面處理。完成前處理後，在接近室溫的條件下，通過電介質粘附進行對準和預鍵合，最後進行鍵合後退火，在此過程中銅-銅擴散和晶粒生長會消除介面。
雖然取向、表面清潔度和CMP（化學機械研磨）等因素至關重要，但在材料領域，一個關鍵杠杆也很重要，因為它直接影響良率和進度風險：銅的微觀結構和表面形態，它們受電化學沉積化學特性影響很大，控制著原子擴散係數、氧化物破壞以及消除鍵合介面所需的晶粒生長。
因此，如果銅的內部結構「設計」得當，它可以在較低溫度下進行鍵合，同時形成一個堅固、無孔隙的介面，從而降低高級堆疊和敏感晶片的風險。
「排隊時間穩定性」
對於大批量生產而言，儘管在實際生產中會遇到計量、運輸、不斷返工、工具可用性和跨地點物流等方面的延誤，但新鍍銅必須保持隨時可鍵合的狀態。雖然新沉積銅一般具有細細微性，但高純度沉積物在室溫下會迅速再結晶，從而縮短有效製程窗口。
在對比式製程評估中，一種超高純度銅製程在沉積後2至4小時內表現出明顯的表面晶粒生長，在室溫下16小時內幾乎完全再結晶。相比之下，一種穩定的細晶粒方法在同樣的2至16小時視窗內保持了基本不變的微觀結構。
一種優化配方能夠在常溫儲存下長時間保持這種細細晶結構。它將電鍍和鍵合工序有效分開，提高了製造靈活性。
排隊時間穩定性是工廠韌性的一個關鍵特性。它能減少鍵合前「超時」導致的良率損失。
使用Everplate Cu 300進行低溫銅—銅鍵合的微觀結構工程
Everplate Cu 300是一種酸性銅電解液，可以選擇添加由促進劑、抑制劑和整平劑組分組成的專用添加劑組合，定制為細晶粒銅製程。該體系旨在實現無孔隙特徵填充，同時穩定奈米晶體微觀結構，防止其在環境條件下快速再結晶。
Everplate Cu 300 FG是一種細晶粒、亞穩態銅沉積製程。這種材料狀態支援銅-銅直接鍵合，特別適用于高級互連方案，包括高密度集成環境中的低溫混合鍵合。
基於SEM（掃描電子顯微鏡）／FIB-SEM（聚焦離子束掃描電子顯微鏡）和EBSD（電子背散射衍射）分析的微觀結構表徵結果，將製程條件與直接影響製造能力的結果關聯起來。
從穩定性來看，細晶粒銅在數周環境溫度儲存（據稱可儲存4周以上）期間保持穩定，同時在熱活化時仍能再結晶。
在200℃左右的製程窗口方面，在室溫下長時間儲存後，短時間預退火（在約200℃溫度下約10分鐘）可保持細晶粒結構。然而，較長時間的熱暴露（在200±10℃溫度下約2小時）會顯著促進晶粒生長。
在無孔隙的熱裕度方面，在受控條件下，高溫退火（例如在300℃下持續數小時）不一定會形成孔隙。
此外，在銅／銅／鎳多層堆疊結構中，長時間暴露於中等溫度（例如在150℃下暴露500小時）會導致銅-銅介面消失，而且檢測不到孔隙。這表明介面會在實際熱預算範圍內被消耗。
如果一個銅微觀結構能夠在數周內保持穩定，而且在鍵合退火過程中仍能「活化」，那麼它就能夠支持更好的在製品（WIP）調度靈活性，對排隊時間敏感性較低；在必須限制熱預算的情況下，熱敏型堆疊的集成風險較低；以及在跨地點和工具集進行擴展時，達成可重複產率的概率較高。
這就是微觀結構工程不僅僅是材料科學的原因。它是實現可重複、高良率製造的一個途徑。
在製造業中更廣泛的適用性
不應將混合鍵合視為單一的「鍵合步驟」，而應將其視為一系列緊密耦合的製造視窗：沉積、平坦化、表面處理、鍵合以及鍵合後的熱處理。
MKS的策略是採用系統與解決方案相結合的方法來解決這類問題。MKS阿托科技提供涵蓋化學、設備、軟體和服務在內的製程和製造技術。這種方法得到了全球技術中心網路和現場客戶支援的保障。
縮放混合鍵合是一個跨流程優化難題。能夠協同優化相鄰步驟（例如化學、設備、製程控制、計量和物流）的供應商和製造商將縮短達到預定產率的時間並降低多地點複製的風險。
不斷發展的亞洲半導體和電子產品供應鏈
亞洲半導體供應鏈不僅在擴大，還日益多元化。市場預測表明，全球半導體市場將繼續成長，而亞太地區是這個成長軌跡的核心。同時，區域活動表明存在明顯的轉變趨勢，即向能力、專業化和技術領先轉變，而不僅僅是規模。
台灣仍是下一代半導體製造尤其是先進封裝技術的焦點。台灣對混合鍵合和細晶粒銅技術的日益重視，凸顯了向更高密度互連和更緊密晶圓級製程集成的趨勢。日本正在加強其在價值鏈上游的作用，這裡是材料、製程開發和封裝基板創新的交匯點。
南韓正日益將先進封裝視為一種戰略能力，旨在將其在記憶體領域的領先地位擴展到更高價值的AI時代集成領域，其中HBM驅動的2.5D/3D架構提高了熱管理、翹曲控制和互連密度方面的標準。通過一項為期多年的、由國家支持的封裝研發計畫，以及旨在加強當地後端和供應鏈競爭力的半導體生態系統擴展措施，政策支援進一步強化了這個方向。
再往南，東南亞正在逐步發揮其作為大規模生產基地的作用。新設施的興建和加速發展的路線圖表明，該地區正開始逐步轉向更先進的製程步驟並貢獻更高的價值。與此同時，印度正作為一個不斷發展的生態系統崛起，愈來愈注重構建當地半導體和先進封裝能力。
其結果是形成了一個更加分散且專業化的供應鏈。台灣在擴大先進製造業方面處於領先地位，南韓正在延續其領先地位，日本在製程和材料創新方面穩固立足，東南亞正在擴大其能力涵蓋範圍，而印度則正為生態系統長期成長做準備。這些轉變共同表明了一種區域模式，該模式更多地由技術差異化和供應鏈韌性決定，而成本套利的成分較少。
重新定義混合鍵合的準備狀態
高層決策者不僅要調整其工作重點，還要調整其對準備狀態的定義。混合鍵合不再僅僅是一個階段性研究成果；它現已成為營運中的關鍵績效指標（KPI）。排隊時間限制、CMP變異性、鍵合良率和熱預算裕度是反映製造效能的直接指標。
競爭格局的轉變同樣明顯：製程視窗的穩健性比峰值效能更為重要。在嚴格受控的熱條件下，能夠長期保持穩定的微觀結構並可靠地活化它們，正逐漸成為規模的決定性因素。
這使協同優化從一種優良規範提升為一項要求。優勢日益體現在化學、設備、製程和過孔形成的整合中，從而實現一致的互連結果，而非僅僅體現在任何一個製程步驟中。
它具備戰略性意義和直接意義：能否成功將取決於在多個地區不斷縮小的製程視窗內，在不失去控制的前提下，能否實現先進封裝技術的工業化生產。
混合鍵合是一種有競爭力的製造能力
混合銅鍵合正逐漸成為細間距2.5D和3D集成的基礎互連技術。然而，其採用與否不僅取決於可行性，還取決於在日益嚴格的熱預算限制下，能否始終如一地形成無孔隙、低電阻的銅-銅介面。
來自製造過程的愈來愈多的證據表明，工程亞穩態細晶粒銅具有一系列在營運上有決定性的特性：更長的排隊時間穩定性與快速熱活化晶粒生長相結合。這樣可以支援在受控條件下消除介面而不形成孔隙。這些能力的擴展與生態系統整合密不可分。它取決於如何將製程化學、設備、軟體、服務以及相鄰製造步驟有效整合到一個統一的互連策略中。
這種整合在電子製造業發展最為迅速的地區尤其是亞洲地區，正處於至關重要的推動階段。因此，能否在多個地點複製受到嚴格控制的製程流程正成為一項決定性要求。
其意義十分明確：隨著先進封裝在全球範圍內的規模化應用，能夠將微觀結構控制轉化為生產層面跨工具、跨製程、跨地區一致性的企業將獲得競爭優勢。在這個背景下，混合鍵合不僅是一個技術轉捩點，也是對製造成熟度的一次考驗。
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