臨時鍵合和解鍵合工藝技術(shù)研究

胡曉霞，鄭如意，邢 瑩，蘆 剛

(1. 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京 100176；2. 三河建華高科有限責(zé)任公司， 河北 燕郊 065201)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對各種元器件功能、性能和集成度的要求也越來越高，TSV 互連和三維堆疊型3D 集成已經(jīng)進入了主流半導(dǎo)體制造[1]，以解決“摩爾定律”物理擴展的局限性，同時提供更好的性能和功能[2]。為滿足TSV 和三維堆疊型3D 集成制造需求，減薄后晶圓厚度越來越薄，達到100 μm 以下。超薄器件晶圓機械強度降低，容易翹曲和起伏，易造成器件性能降低、產(chǎn)品均一性變差，生產(chǎn)過程中碎片率增加。為了解決超薄晶圓的取放問題，業(yè)界通常采用臨時鍵合與解鍵合技術(shù)[3]。

1 晶圓鍵合技術(shù)

晶圓鍵合技術(shù)是指通過化學(xué)或物理作用將兩塊已鏡面拋光的同質(zhì)或異質(zhì)的晶片緊密地接合起來，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而產(chǎn)生反應(yīng)形成共價鍵結(jié)合成一體，并使接合界面達到特定鍵合強度[4]。晶圓鍵合往往與其他手段結(jié)合使用，既可對微結(jié)構(gòu)提供支撐和保護，又可實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)之間或機械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)之間的電學(xué)連接[5]。

晶圓鍵合分為直接鍵合和中間過渡層鍵合。直接鍵合又分為硅直接鍵合和陽極鍵合；中間過渡層鍵合又分為共晶鍵合、焊料鍵合和粘合劑鍵合[6]。晶圓鍵合技術(shù)主要應(yīng)用于MEMS 和大功率LED 等行業(yè)。晶圓鍵合需保證鍵合的兩塊晶圓之間的鍵合力牢固、可靠，不能分離。

2 臨時鍵合與解鍵合技術(shù)

臨時鍵合技術(shù)是為了降低超薄晶圓在處理中的風(fēng)險，在減薄之前將其鍵合到載片表面，為其提供機械支撐（不提供電學(xué)連接）的工藝技術(shù)。在完成機械支撐之后，還需進行解鍵合工藝。

臨時鍵合和解鍵合步驟如圖1 所示。

圖1 臨時鍵合和解鍵合步驟

首先將完成單面工藝的器件晶圓處理過的上表面與載片相對（完成單面工藝的器件晶圓或支撐晶圓翻轉(zhuǎn)，保證鍵合面相對），進行臨時鍵合，臨時鍵合完成后，對晶圓背面進行減薄及其他工藝；背面工藝完成后，進行解鍵合；之后，對器件晶圓（和載片）進行清洗，之后進行劃片和封裝。載片清洗后可重復(fù)使用。

3 臨時鍵合工藝及設(shè)備

臨時鍵合首先要將粘結(jié)劑均勻涂布于載片或器件晶圓上，粘結(jié)劑分固態(tài)的粘結(jié)膜和液態(tài)的臨時鍵合膠[7]。粘結(jié)膜可直接貼到載片表面；臨時鍵合膠通過旋涂或噴涂方式在器件晶圓和載片表面均勻涂布，可根據(jù)粒子變形，靠熱壓臨時鍵合或UV 固化臨時鍵合方式，使載片和晶圓鍵合牢固[8]。熱壓臨時鍵合是在高溫、真空的鍵合室內(nèi)對疊放在一起的器件晶圓和載片施加一定的力使之達到良好的鍵合效果；UV 固化臨時鍵合是紫外光透過載片照射到鍵合膠表面發(fā)生反應(yīng)，使載片和器件晶圓鍵合到一起。載片的選擇與臨時鍵合方式有關(guān)，如采用UV 固化鍵合方式，需選用透光性好的玻璃作為載片[9]。

選用臨時鍵合膠作為粘結(jié)劑，以旋涂方式涂覆到器件晶圓或載片表面，UV 固化的方式進行臨時鍵合的示意如圖2。

圖2 光學(xué)臨時鍵合

以某一3D 集成電路生產(chǎn)過程中的激光解鍵合工藝為例。旋涂第一時間為5 s，第一轉(zhuǎn)速為500 r/min，第二時間為25 s，第二轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，臨時鍵合膠厚度為23 μm，均勻性3%；固化用紫外光波長365 nm。

臨時鍵合設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、上下片機構(gòu)、旋涂工作臺、翻轉(zhuǎn)機械手、預(yù)對準(zhǔn)機構(gòu)、對準(zhǔn)系統(tǒng)和UV 固化工作臺構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)控制設(shè)備運行時序；上下片機構(gòu)完成晶圓（和載片）的裝/ 卸載；旋涂工作臺完成在器件晶圓和載片表面臨時鍵合膠的涂覆，臨時鍵合膠的均勻性和厚度會直接影響臨時鍵合的效果；翻轉(zhuǎn)機械手控制晶圓（和載片）在不同工位上的傳輸和翻轉(zhuǎn)；對準(zhǔn)系統(tǒng)控制載片和器件晶圓的對準(zhǔn)，通過CCD 圖像系統(tǒng)和X、Y、θ 向運動機構(gòu)實現(xiàn)掃描對準(zhǔn)；對準(zhǔn)完成后，在UV 固化工作臺上由紫外光照射同時施加一定的壓力，完成臨時鍵合。

對準(zhǔn)精度決定臨時鍵合精度。對準(zhǔn)是指載片和器件晶圓疊加時重合的能力。通過標(biāo)記圖形的定位實現(xiàn)對準(zhǔn)。對準(zhǔn)示意圖如圖3 所示。

圖3 對準(zhǔn)示意圖

CCD 識別標(biāo)記圖形并計算出各軸位移量Δx、Δy、Δθ，各軸移動相應(yīng)位移量實現(xiàn)對準(zhǔn)。

在臨時鍵合過程中出現(xiàn)的一些問題會降低鍵合精度，影響晶圓背面工藝，造成良率下降甚至晶圓損壞，應(yīng)注意的問題如下：

（1）器件晶圓或載片表面存在顆粒，1 μm 的粒徑將導(dǎo)致5 000 至10 000 倍的空隙，即5～10 mm，會造成鍵合精度降低；

（2）鍵合界面粘結(jié)劑內(nèi)有氣泡導(dǎo)致鍵合不完全；

（3）鍵合時壓力不均導(dǎo)致鍵合不完全或晶圓損壞。

4 解鍵合工藝及設(shè)備

解鍵合是器件晶圓與載片分離的工藝。實現(xiàn)方式主要有：機械解鍵合法、熱滑移解鍵合法、化學(xué)解鍵合法和激光解鍵合法。機械解鍵合法是通過拉力作用分離載片和器件晶圓，碎片率較高；熱滑移解鍵合法是通過高溫軟化粘結(jié)劑，之后將器件晶圓與載片分離，粘結(jié)劑易在設(shè)備平臺殘留，影響后續(xù)產(chǎn)品工藝；化學(xué)解鍵合法是通過溶劑溶解粘結(jié)劑，成本較低，但效率很低，不適合量產(chǎn)[10]。激光解鍵合法是激光透過玻璃對粘結(jié)劑層進行照射，產(chǎn)生熱量使粘結(jié)劑分解或產(chǎn)生能量使化學(xué)鍵斷鍵。激光解鍵合法示意圖如圖4 所示。

圖4 激光解鍵合法

解鍵合設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、上下片機構(gòu)、激光解鍵合工作臺、可翻轉(zhuǎn)機械手、清洗工作臺構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)控制設(shè)備運行時序；上下片機構(gòu)完成晶圓（或載片）的裝/ 卸載；翻轉(zhuǎn)機械手完成晶圓（或載片）在不同工位上的傳輸和翻轉(zhuǎn)；清洗工作臺對解鍵合后的器件晶圓和載片清洗，去除表面粘結(jié)劑。

激光解鍵合工作臺是解鍵合設(shè)備的核心部分。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 激光解鍵合工作臺

固態(tài)激光器產(chǎn)生365 nm 的激光經(jīng)過可調(diào)擴束器、聚焦鏡等光學(xué)系統(tǒng)形成微米級的光斑尺寸照射到真空吸附在承片臺的晶圓上（載片面向上），CCD 圖像系統(tǒng)實現(xiàn)光斑圖像精確對準(zhǔn)，X、Y、Z 運動機構(gòu)實現(xiàn)精確對準(zhǔn)定位和激光掃描。光斑尺寸由光路決定，影響激光能量大小。激光能量大小和均勻性直接影響解鍵合效果。

5 結(jié)束語

本文對臨時鍵合和解鍵合技術(shù)的原理、應(yīng)用進行了介紹，并根據(jù)臨時鍵合和解鍵合工藝提出了一種臨時鍵合設(shè)備和解鍵合設(shè)備的構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù)。

臨時鍵合和解鍵合技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，隨著器件集成度的提高，其應(yīng)用范圍呈現(xiàn)日益擴大的趨勢，臨時鍵合和解鍵合設(shè)備的市場規(guī)模也在迅速擴大。目前，國內(nèi)廠商使用的設(shè)備主要為進口設(shè)備，如德國SUSS 研發(fā)的XBS300 臨時鍵合設(shè)備、LD12 解鍵合設(shè)備和奧地利 EVG 研發(fā)的EVG850 系列的臨時鍵合設(shè)備和解鍵合設(shè)備，我國在臨時鍵合和解鍵合設(shè)備領(lǐng)域近乎空白，今后應(yīng)提高設(shè)備研發(fā)能力，盡早實現(xiàn)國產(chǎn)化。