Hybrid Bondingの位置合わせ・検査を分類する

Hybrid Bonding のラインで歩留まりが落ちたとき、原因が接合前の位置合わせにあるのか、bonded 後に初めて測れる overlay のずれにあるのか、void や electrical defect にあるのかは、工程ごとに測定を分けた記録から切り分けます。
接続 pitch が詰まるほど 多少ずれても吸収する 余地は小さくなり、位置合わせと検査の設計がそのまま歩留まりの設計になります。

接合方式そのものの基礎と量産判定条件は Hybrid Bondingの基礎と量産判定条件側へ分け、ここでいう Hybrid Bonding の位置合わせ・検査の分類とは、位置合わせ精度、メトロロジー、欠陥検査、装置群 の4本へ、公開一次情報の記述を割り当てる作業を指します。
この4本へ分けると、W2W（wafer-to-wafer）と D2W（die-to-wafer）で要求値が変化する理由、metrology と defect inspection が拾う対象の切り分け、量産採用がどの段階かを、それぞれ別の判定条件として区別する材料がそろいます。

最初に分類する点

Hybrid bonding の量産難度は、接合機の名前より alignment budget をどこまで安定して維持できるか で決まります。
特に die-to-wafer では、placement accuracy と bonded後の overlay 計測 を一体で設計することが、量産へ乗せるための条件になります。
inspection も、一台で全欠陥を拾う装置 を探す話とは別で、void、bond quality、overlay、electrical defect をどこで切り分けるか の設計です。
したがって、Hybrid Bonding を公開資料から分類するときは、接合方式の比較 に加えて、アライメント、metrology、inspection の測定結果のフィードバック先が設計されているか を比較軸にします。

1. なぜ位置合わせが主要上限になるのか

EV Group の 2018 年発表では、fusion / hybrid wafer bonding 向けのアライナーについて、sub-50nm 級の wafer-to-wafer alignment accuracy が示されています。
一方で、Besi の 2024 年受注発表では、最新世代の hybrid bonding システムに 100nm placement accuracy が必要とされています。

ここでは、この2つの数値を hybrid bonding の共通性能 として一括りにする前に、方式ごとの要求条件へ分けます。
実際には、

wafer-to-wafer か die-to-wafer か
接合 pitch がどこまで詰まっているか
bonded 前後でどこまで測れるか
量産スループットをどの程度求めるか

で要求が変化します。
alignment は、方式、接合 pitch、bonded 前後で測れる範囲、量産スループットの4条件で決まる プロセス全体の budget 設計です。

01 / 2つの公開値の測定名と方式の記載

図1　EVG 2018 発表の sub-50nm 級は測定名が wafer-to-wafer alignment accuracy で方式まで入り、Besi 2024 受注発表の 100nm は placement accuracy という測定名と値までが載る公開値です。どちらの値も方式・接合 pitch・bonded 前後で測れる範囲・量産スループットの4条件で動くため、条件ごとの要求値として別々に分類します。

図1のとおり、公開されている2つの数値は、発表の文言がどこまで測定対象を特定しているかが別です。EVG 2018 発表の sub-50nm 級は、接合前に2枚のウェーハを合わせる wafer-to-wafer alignment accuracy という測定名で示され、Besi 2024 受注発表の 100nm は placement accuracy という測定名と値までが受注発表に載ります。
100nm placement accuracy のような数値は hybrid bonding 全体の共通スペックとして受け取られやすいところですが、実際には測定名の指す範囲と、方式、接合 pitch、bonded 前後で測れる範囲、量産スループットの要求ごとに別の数値として分けます。

2. metrology は何を測るのか

2.1 Bonded 後の overlay をどう突き合わせるか

EVG40 D2W は、die-to-wafer bonding 後の overlay を 100% non-destructive で測る metrology として位置づけられています。
この読みどころは、Hybrid Bonding の量産では 接合前の位置合わせ に加えて、bonded 後に実際どうずれていたか を接合条件や前段の温度時間条件・装置設定へ返す必要があるという点です。

2.2 Overlay は defect inspection とは別物

in-device overlay を nm レベルで測る量産 metrology の一例として、ASML は YieldStar 1390 を公開しています。
overlay metrology が比べるのは 位置ずれの連続量 で、欠陥の有無は defect inspection 側の測定結果で分けます。

metrology の役割は、

どれだけずれたか
どの工程でズレが立ち上がったか
その情報をどこへ返すか

を明確にすることです。
bonded wafer が良品か の採否条件は、overlay の測定値と inspection の測定結果を合わせて確定します。

3. inspection で何を切り分けるのか

3.1 Bonded stack の void と bond quality

EVG20 IR Inspection System は、bonded wafer stack の void と bond strength を IR で測る用途に強い装置です。
Hybrid Bonding の inspection では、接合部が条件を満たしているか、空隙が残るか を非破壊で測ることが出発点になります。

3.2 Patterning / electrical defect は別系統の検査として比較する

patterning / electrical defect を拾う高スループットの e-beam inspection の一例として、ASML は HMI eScan 430 を製品ページに掲載しています。
ここでは、IR inspection と e-beam inspection を別系統の inspection として分けて比較します。

実際には、

EVG20 は bonded stack の内部状態や void の測定に強い
eScan 430 は patterning / electrical defect の検出に強い

というように、対象にしている不良モードが違います。
Hybrid Bonding では どの不良をどのタイミングで切り分けるか を先に分けると、装置カタログの記載と工程管理の判定条件を混同しにくくなります。

02 / 接合後の2系統と別系統の検査

図2　bonded stack から直に下りる測定は overlay metrology と IR inspection の2系統です。patterning / electrical defect を拾う e-beam inspection は別系統として分けて比較し、いずれの測定結果も接合条件・温度時間条件・装置設定・前工程の補正条件へ返します。

図2のとおり、接合前の alignment に続いて bonded stack から直に下りる測定は overlay metrology と IR inspection の2系統で、e-beam inspection は patterning / electrical defect を拾う別系統として分けて比較します。測定対象が別なので、結果の返し先も別です。
1台で全部を拾う構成を探すより、どの測定結果をどの条件へ返すか を先に割り当てます。

4. 装置を比較するときの軸

Hybrid Bonding 向けの装置群を比較するときは、どの会社が bonding 装置を持っているか に加えて、このページでは少なくとも次の軸を比較対象にします。

比較軸	突き合わせたいこと	代表ソース
Alignment precision	どの精度を量産スループット付きで維持できるか	EVG 2018 発表、Besi 2024 受注発表
Bonding platform	前工程、活性化、アライメント、接合、de-bond をどこまで分類するか	EVG GEMINI FB
D2W placement	die-to-wafer 実装でどこまで placement を詰められるか	Besi Hybrid Bonding product group
Bonded-wafer metrology	bonded 後の overlay や void をどう測るか	EVG40 D2W、EVG20
In-line process control	overlay や pattern defect を前工程の補正条件へ返せるか	YieldStar 1390、eScan 430

ここで読み取れるのは、Hybrid Bonding の量産が bonding + metrology + inspection + 前工程 の連携で管理するテーマだという点で、表の最下行に並ぶ in-line process control 側の装置は、検査・計測・オーバーレイ装置の役割分担で分けた前工程側の担当範囲と同じ軸で比べられます。

5. 量産採用はどこまで進んでいるか

TSMC 2024 Annual Report p.102 は、同ページで SoIC CoW Face-to-Back Gen-1 の production と、Gen-2 の production start を掲載しています。
Intel 18A の公式ページも、同ページで HBI を含む 3DIC の位置づけを示しています。

この段階の Hybrid Bonding は、公開資料に production と production start が載る量産技術です。
同時に適用範囲は選択的で、alignment と inspection の結果を工程補正へ反映できる領域から広がっている と分類する方が実態に近いです。

6. 比較時に突き合わせたい点

まず W2W か D2W かを切り分ける
次に alignment precision を、量産スループット込みの要求条件として比べる
overlay metrology と defect inspection を別の測定として分け、どの不良モードをどこで検出するかを書く
bonding 装置 に加えて、前工程・IR inspection・in-line process control まで一連で比べる
量産採用例 を比べるときは、production なのか、design-ready なのか、検討段階なのかを分けて分類する

この観点で分類すると、Hybrid Bonding の難しさは 高密度接続を量産歩留まりへ変える制御設計 に集まります。

この4分類は、装置の要求仕様を書く工程設計、bonded 後の測定を組み込む検査計画、歩留まり解析で不良を位置合わせ起因と接合起因へ分ける解析の3つの場面で使います。
次に比べる軸は、同じ hybrid bonding 工程を歩留まり・信頼性の管理指標の側から分類した Hybrid Bondingの歩留まり・信頼性と、前工程側の overlay 計測を分類した Backside alignment / overlay metrology の判定項目です。