תוצאה חדשה של imec ו־EV Group מציבה את חיבורי הנחושת בין שני ווייפרים ב־pitch של 200 ננומטר. מאחורי המספר הזה מסתתר שינוי רחב יותר: אינטגרציה תלת־ממדית כבר אינה יכולה להיות שלב נפרד שמגיע בסוף תכנון השבב. איכות פני השטח, דיוק ההצמדה, עיוות הווייפר, תקציב החום וכללי התכנון החשמליים מתחילים להתכנס לאותו תהליך.
בסוף מאי 2026 הציגו imec ו־EV Group תהליך Wafer‑to‑Wafer Hybrid Bonding שבו רפידות הנחושת מסודרות ב־pitch של 200 ננומטר. רכב הבדיקה כלל ארבע שכבות חיווט בכל אחד משני הווייפרים עוד לפני חיבורם. לאחר ההצמדה נמדד וקטור overlay קטן מ־40 ננומטר בכל ה־dies שנבדקו על פני ווייפר בקוטר 300 מ"מ.
ב־Hybrid Bonding, שני משטחים דיאלקטריים מוצמדים ישירות זה לזה, ובתוכם נפגשות רפידות הנחושת שיוצרות את החיבורים החשמליים האנכיים. הקטנת ה־pitch מאפשרת להעביר יותר אותות בין שכבות הסיליקון, לקצר את המרחקים החשמליים ולחלק מערכת מורכבת למספר שכבות פעילות. ב־200 ננומטר, סטייה שהייתה נסבלת במארז מתקדם עלולה לפגוע באלפי חיבורים.
תוצאת ה־200 ננומטר ממחישה שינוי רחב יותר. Hybrid Bonding נע מהעולם המסורתי של Packaging אל אזור שבו תהליך החיבור משפיע על ארכיטקטורת השבב. ליתוגרפיה, CMP, חומרים, מטרולוגיה, מכניקה ו־design rules נפגשים כעת באותו ממשק דק.
הדיוק עובר אל המארז
הניסויים של imec בוצעו בתהליך Wafer‑to‑Wafer, שבו מצמידים שני ווייפרים שלמים. מכיוון שהמבנים נוצרים מראש ברמת הווייפר, ניתן להגיע לדיוק גבוה ולצפיפות חיבורים שקשה להשיג בהרכבת dies בודדים. התהליך שפורסם כלל SiCN כחומר הדיאלקטרי, CMP שנועד לייצר משטח שטוח מאוד ושקיעה מבוקרת של ננומטרים בודדים ברפידות הנחושת, וכן תיקוני ליתוגרפיה שבוצעו לפני החיבור.
גם תכנון הרפידות השתנה. ב־pitch כזה אי אפשר להניח שכל סטייה תיספג בשטח מגע גדול. הגיאומטריה של רפידת הנחושת, צפיפות הנחושת באזור והאופן שבו מתקנים מראש עיוותים מערכתיים משפיעים ישירות על הסיכוי לקבל מגע חשמלי רציף.
לפי imec, וקטור ה־overlay לאחר החיבור נשאר מתחת ל־40 ננומטר ב־100% מה־dies שנבדקו על הווייפר. החברה הציגה גם התפלגויות התנגדות של חיבורי daisy chain, אך בפרסום הפומבי לא נמסר סט מלא של נתוני תשואה חשמלית, thermal cycling או אמינות ארוכת טווח ב־pitch של 200 ננומטר. הנתון של 100% מתייחס לדיוק היישור, לא ל־100% electrical yield.
רפידות יכולות להיות מיושרות היטב ועדיין לסבול מהתנגדות גבוהה, מגע חלקי או חלל זעיר באזור החיבור. ה־overlay מגדיר אם שני המבנים הגיעו למקום הנכון. מצב פני השטח קובע אם נוצר ביניהם חיבור חשמלי ומכני תקין.
לתהליך Wafer‑to‑Wafer יש גם מחיר. כאשר מחברים שני ווייפרים שלמים, die פגום באחד מהם עלול לפגוע בתשואה הכוללת של המבנה המשולב. Die‑to‑Wafer מאפשר לבחור known‑good dies, לחבר שבבים בגדלים שונים ולשלב רכיבים שיוצרו בתהליכים שונים. פעולת ההרכבה מורכבת יותר, ודיוק ה־pick‑and‑place אינו מגיע כיום לרמת הדיוק של יישור שני ווייפרים שלמים.
בעבודה קודמת של imec מ־2024 הודגם תהליך Die‑to‑Wafer עם חיבורי נחושת ב־pitch של 2 מיקרון ושגיאת overlay קטנה מ־350 ננומטר. באותו רכב בדיקה דווח על Kelvin electrical yield גבוה מ־85% ועל daisy‑chain yield גבוה מ־70%.
הנתונים האלה אינם בסיס להשוואה ישירה לתוצאת ה־200 ננומטר. מדובר בתהליך אחר, במידות אחרות ובמטריקות בדיקה שונות. Wafer‑to‑Wafer מוביל בצפיפות ובדיוק. Die‑to‑Wafer מציע גמישות טובה יותר בבחירת השבבים ועשוי לשפר את ה־compound yield במערכת הטרוגנית. ההכרעה ביניהם תלויה במבנה המערכת, בגודל ה־dies ובעלות של אובדן שכבה שלמה לאחר החיבור.
המשטח הופך לחלק מהמעגל
כאשר שני משטחים צריכים להיפגש כמעט ללא מרווח, הטופוגרפיה שנשארת אחרי CMP משפיעה ישירות על החיבור. שקיעה גדולה מדי של הנחושת עלולה למנוע מגע מלא לאחר ההצמדה. משטח בולט מדי מפריע למגע בין שכבות הדיאלקטרי. חספוס מקומי, חמצון וקורוזיה באזור שבין הנחושת למחסום המתכתי עלולים ליצור חללים שנשארים קבורים במבנה.
מחקר שפרסמו באפריל 2026 חוקרים ממכוני IME ו־IMRE של A*STAR בסינגפור התמקד בממשק הזה. הצוות שילב שכבת פסיבציה דקה במיוחד של טיטניום על רפידות הנחושת, בתהליך שנועד להישאר תואם ל־damascene flow. השכבה מגינה על פני הנחושת מחמצון ומצמצמת את הקורוזיה הגלוונית שעלולה להתפתח בזמן ה־CMP.
בדוגמאות ללא הפסיבציה נמדדה שקיעת נחושת של כ־7 ננומטר בממוצע, עם שונות של 3.4 ננומטר. לאחר הוספת שכבת הטיטניום ירדה השקיעה לכ־1.4 ננומטר, עם שונות של 0.5 ננומטר. חספוס ה־RMS של הנחושת ושל הדיאלקטרי שמסביבה נשאר מתחת ל־0.3 ננומטר בשטח המדידה.
לאחר הפעלת פני השטח בפלזמה בוצע החיבור בטמפרטורת החדר, ואחריו annealing ב־250 מעלות צלזיוס במשך שעתיים. בדוגמאות המקבילות שלא עברו פסיבציה נדרש טיפול של 350 מעלות במשך שעתיים. גם בטמפרטורה הגבוהה יותר נותרו חלק מהפגמים שנוצרו בגלל אי־אחידות מקומית בפני השטח. חתכי TEM של המבנים שעברו פסיבציה הראו ממשק רציף ללא החללים שנמצאו בדוגמאות הרגילות שנבדקו.
הפרש של 100 מעלות בטיפול התרמי משמעותי במיוחד כשעורמים שכבות פעילות שכבר מכילות טרנזיסטורים, זיכרון וחיבורי Back‑End‑of‑Line. כל שלב חם נוסף מצטרף לתקציב תרמי שכבר כולל דיפוזיה, התפתחות מאמצים ושינויים אפשריים בחומרים.
החוקרים בנו גם רכב בדיקה שכלל 8,000 חיבורי daisy chain בכל die, עם TSVs בשכבה העליונה. על פני 1,067 dies ממספר ווייפרים נמדדה תשואה חשמלית של כ־97% בתהליך שעבר פסיבציה, לעומת כ־95% ללא פסיבציה. ההתנגדות שנמדדה בתהליך המשופר הייתה קרובה יותר לערך התיאורטי של השרשרת.
רכב הבדיקה החשמלי השתמש ברפידות בקוטר 5 מיקרון וב־pitch של 10 מיקרון. בנפרד, החוקרים בחנו את יכולת יישום הפסיבציה במבנים ב־pitch של כ־700 וכ־400 ננומטר, עם רפידות בקוטר של כ־220 ננומטר. במבנים האלה הודגמה נוכחות מבוקרת של שכבת הפסיבציה ונבדקו תופעות הקורוזיה. המחקר אינו מציג תשואה של 97% ב־pitch של 400 ננומטר.
הטיטניום עצמו עשוי להתגלות כפתרון ביניים. החוקרים מציינים שמוליכותו וקצב הדיפוזיה של הנחושת דרכו עלולים להגביל את הביצועים בתקציבי חום נמוכים יותר. שכבת הפסיבציה טיפלה בכמה ממנגנוני הכשל של הממשק, אך בחירת החומר עדיין פתוחה.
עיוות, חום וכללי תכנון
מדידת מישוריות נקודתית אינה מתארת את כל מצבו המכני של הווייפר. פני השטח יכולים לעמוד בדרישות המקומיות של חספוס וגובה רפידות, בזמן שהווייפר כולו סובל מ־bow, מעיקום א־סימטרי או משינויים חדים בעקמומיות. הגורמים האפשריים כוללים מאמצים שנותרו לאחר השקעת שכבות דקות, אי־סימטריה של ה־stack והתנהגות שונה של החומרים לאורך מחזורי החימום.
ב־ECTC 2026 הציג צוות מאוניברסיטת פלורידה, Akrometrix ו־NHanced Semiconductors מסגרת שקושרת בין מפת ה־warpage לפני החיבור לבין הפגמים שמתגלים בממשק לאחריו. החוקרים השתמשו ב־Shadow Moiré לקבלת מפת גובה מלאה, ולאחר החיבור בדקו את הממשקים באמצעות SEM. המדידות בוצעו על תשעה coupons בגודל אינץ' על אינץ', ולא על קו ייצור של ווייפרים מלאים.
מתוך מפות העיוות נגזרו מדדים של bow כולל, עקמומיות מקומית, גרדיאנט העקמומיות וא־סימטריה בין האלכסונים. המסגרת מתרגמת אותם לציון סיכון אזורי להיווצרות חללים, delamination או חיבור חלקי. הרחבה לכלי machine learning ולמשוב מטרולוגי בזמן אמת מופיעה במחקר כעבודה עתידית. בשלב הנוכחי זהו reliability framework שמציע להשתמש בחתימת העיוות כדי לסנן מראש אזורים או דוגמאות בעלי סיכון גבוה, לפני שהממשק נסגר ולא ניתן עוד להגיע אליו.
במערכת תלת־ממדית, הממשק נדרש להעביר גם חום. הקטנת המרחק בין שכבות פעילות מקצרת את החיבורים החשמליים, אך מקרבת מוקדי הספק ומרחיקה חלק מהם מפתרון הקירור החיצוני.
Preprint שפורסם בינואר 2026 בדק את מעבר החום בממשק SiOx‑SiOx שיוצר בתהליך חיבור בטמפרטורה נמוכה. באמצעות Time‑Domain Thermoreflectance קבעו החוקרים גבול תחתון של 150MW/m²K למוליכות התרמית של הממשק, השווה להתנגדות תרמית נמוכה מזו של שכבת SiOx בעובי 9.2 ננומטר.
הניסוי בדק ממשק תחמוצת איכותי, ללא מערך מלא של חיבורי נחושת, שכבות לוגיקה פעילות, TSVs ופיזור הספק לא אחיד. הערך שדווח הוא גבול תחתון, משום שרגישות המדידה לא אפשרה לחלץ מוליכות מדויקת יותר. במוצר, ההתנגדות התרמית של הממשק היא רק חלק מהמסלול שבין הטרנזיסטור לבין מפזר החום. מספר השכבות, מיקום מוקדי ההספק והולכת החום הצדית עלולים להיות משמעותיים יותר מממשק יחיד.
במרץ 2026 הגיע ה־Hybrid Bonding גם לסביבת התכנון, כאשר NanoIC, יוזמה אירופית שמנוהלת בידי imec, פתחה גישה לגרסה ראשונה של PDK עבור Die‑to‑Wafer Hybrid Bonding. הערכה מאפשרת יצירת layout שיטתית, ניתוב ובדיקת design rules עבור חיבורים תלת־ממדיים.
imec מגדירה את הגרסה הנוכחית כ־pathfinding PDK וככלי exploratory לבדיקת רעיונות ולקבלת משוב מהמשתמשים. היא אינה fabrication‑ready, ואין בה עדיין מסלול tape‑out שמאפשר להעביר תכנון לייצור פיזי בקו הפיילוט. בשלב זה היא מכניסה לתהליך התכנון חלק מהמגבלות שבעבר טופלו רק בזמן פיתוח המארז.
גרסה תעשייתית מלאה תצטרך לקשור בין כללי המיקום והניתוב לבין מגבלות ה־overlay וצפיפות הנחושת, ולכלול מודלים של חום, warpage ומאמצים תרמו־מכניים. נוסף על כך נדרשת דרך לבדוק מספר עצום של חיבורים שקבורים בתוך ה־stack, לעיתים ללא גישה ישירה לאחר ההרכבה.
תוצאת ה־200 ננומטר מראה שאפשר להגיע לדיוק הדרוש על פני ווייפר שלם. המעבר לייצור שגרתי ייקבע לפי נתוני התשואה החשמלית, האמינות, יכולת הבדיקה ועלות התהליך. ב־Hybrid Bonding, אלה כבר אינם שיקולים שמגיעים אחרי תכנון השבב. הם חלק ממנו.
תמונת שער: דוגמה לחלוקה אפשרית של מערכת על שבב לשכבות פונקציונליות, בהתאם לתפיסת CMOS 2.0 של .imec האיור מציג הפרדה בין לוגיקה צפופה,
לוגיקת הנעה, זיכרונות מטמון, אספקת הספק וממשקי I/O , כחלק מארכיטקטורה המיועדת לאינטגרציה תלת־ממדית צפופה. קרדיט: imec
מקורות וקרדיט
imec ו־EV Group, 28 במאי 2026: Wafer‑to‑wafer hybrid bonding with 200nm interconnect pitch
Hemanth Kumar Cheemalamarri ואחרים, A*STAR IME ו־IMRE, Communications Engineering, 8 באפריל 2026: Void‑free Cu/dielectric hybrid bonding at low temperature
imec, 29 במאי 2024: Die‑to‑wafer hybrid bonding with a 2µm Cu interconnect pad pitch
Liton Kumar Biswas ואחרים, University of Florida, Akrometrix ו־NHanced Semiconductors, ECTC 2026: Predictive Reliability Modeling of Hybrid Bonding Through Warpage and Interfacial Defect Correlation
Xingqiang Zhang ואחרים, preprint שהוגש ב־6 בינואר 2026: Thermal conductance across bonded SiOx‑SiOx interfaces
NanoIC ו־imec, 2 במרץ 2026: Fine‑pitch RDL and D2W hybrid bonding interconnect PDKs
