臨時鍵合和解鍵合工藝技術研究

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超薄晶圓的機械強度低，翹曲度高，為解決其支撐和傳輸過程中碎片率高的問題，同時也為提高產品良率及性能，通常采用臨時鍵合和解鍵合的工藝方法。通過介紹臨時鍵合工藝和解鍵合工藝技術，并根據工藝需求提出了臨時鍵合設備和解鍵合設備的結構和原理。

隨著半導體技術的發展，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集成已經進入了主流半導體制造，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。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100μm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、產品均一性變差，生產過程中碎片率增加。為了解決超薄晶圓的取放問題，業界通常采用臨時鍵合與解鍵合技術

1晶圓鍵合技術

晶圓鍵合技術是指通過化學或物理作用將兩塊已鏡面拋光的同質或異質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生反應形成共價鍵結合成一體，并使接合界面達到特定鍵合強度。晶圓鍵合往往與其他手段結合使用，既可對微結構提供支撐和保護，又可實現機械結構之間或機械結構和電路結構之間的電學連接。

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。晶圓鍵合技術主要應用于MEMS和大功率LED等行業。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

臨時鍵合技術是為了降低超薄晶圓在處理中的風險，在減薄之前將其鍵合到載片表面，為其提供機械支撐（不提供電學連接）的工藝技術。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。

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，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。載片清洗后可重復使用。

3臨時鍵合工藝及設備

臨時鍵合首先要將粘結劑均勻涂布于載片或器件晶圓上，粘結劑分固態的粘結膜和液態的臨時鍵合膠[7]。粘結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生反應，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，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。

以某一3D集成電路生產過程中的激光解鍵合工藝為例。旋涂第一時間為5s，第一轉速為500r/min，第二時間為25s，第二轉速為2000r/min，臨時鍵合膠厚度為23μm，均勻性3%；固化用紫外光波長365nm。

臨時鍵合設備主要由控制系統、上下片機構、旋涂工作臺、翻轉機械手、預對準機構、對準系統和UV固化工作臺構成。控制系統控制設備運行時序；上下片機構完成晶圓（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；翻轉機械手控制晶圓（和載片）在不同工位上的傳輸和翻轉；對準系統控制載片和器件晶圓的對準，通過CCD圖像系統和X、Y、θ向運動機構實現掃描對準；對準完成后，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。

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

CCD識別標記圖形并計算出各軸位移量△x、△y、△θ，各軸移動相應位移量實現對準。

在臨時鍵合過程中出現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，應注意的問題如下：

（1）器件晶圓或載片表面存在顆粒，1μm的粒徑將導致5000至10000倍的空隙，即5～10mm，會造成鍵合精度降低；

（2）鍵合界面粘結劑內有氣泡導致鍵合不完全；

（3）鍵合時壓力不均導致鍵合不完全或晶圓損壞。

4解鍵合工藝及設備

解鍵合是器件晶圓與載片分離的工藝。實現方式主要有：機械解鍵合法、熱滑移解鍵合法、化學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劑，之后將器件晶圓與載片分離，粘結劑易在設備平臺殘留，影響后續產品工藝；化學解鍵合法是通過溶劑溶解粘結劑，成本較低，但效率很低，不適合量產[10]。激光解鍵合法是激光透過玻璃對粘結劑層進行照射，產生熱量使粘結劑分解或產生能量使化學鍵斷鍵。激光解鍵合法示意圖如圖4所示。

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

激光解鍵合工作臺是解鍵合設備的核心部分。其結構示意圖如圖5所示。

固態激光器產生365nm的激光經過可調擴束器、聚焦鏡等光學系統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圖像系統實現光斑圖像精確對準，X、Y、Z運動機構實現精確對準定位和激光掃描。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結束語

本文對臨時鍵合和解鍵合技術的原理、應用進行了介紹，并根據臨時鍵合和解鍵合工藝提出了一種臨時鍵合設備和解鍵合設備的構成及其關鍵技術。

臨時鍵合和解鍵合技術的應用已經十分廣泛，隨著器件集成度的提高，其應用范圍呈現日益擴大的趨勢，臨時鍵合和解鍵合設備的市場規模也在迅速擴大。目前，國內廠商使用的設備主要為進口設備，如德國SUSS和奧地利EVG的臨時鍵合設備和解鍵合設備，我國在臨時鍵合和解鍵合設備領域近乎空白，今后應提高設備研發能力，盡早實現國產化。

臨時鍵合，解鍵合設備，熱滑移鍵合