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胡晓霞 1,郑如意 1,邢 莹 2,芦 刚 1
( 1. 中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 100176;
2. 三河建华高科有限责任公司,河北 燕郊 065201 )
随着半导体技术的发展,对各种元器件功能、性 能和集成度的要求也越来越高,TSV 互连和三维堆 叠型 3D 集成已经进入了主流半导体制造[1],以解决 “ 摩尔定律”物理扩展的局限性,同时提供更好的 性能和功能[2] 。 为满足 TSV 和三维堆叠型 3D 集 成制造需求,减薄后晶圆厚度越来越薄,达到 100 μm 以下 。超薄器件晶圆机械强度降低,容易翘曲 和起伏,易造成器件性能降低、产品均一性变差,生产过程中碎片率增加。为了解决超薄晶圆的取放问 题,业界通常采用临时键合与解键合技术[3]。
晶圆键合技术是指通过化学或物理作用将两 块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地接合起 来,晶片接合后,界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体 , 并使接合界面达 到特定键合强度[4] 。 晶圆键合往往与其他手段结 合使用,既可对微结构提供支撑和保护,又可实现 机械结构之间或机械结构和电路结构之间的电学 连接[5]。
晶圆键合分为直接键合和中间过渡层键合 。 直接键合又分为硅直接键合和阳极键合; 中间过 渡层键合又分为共晶键合 、焊料键合和粘合剂键 合[6] 。 晶圆键合技术主要应用于 MEMS 和大功率 LED 等行业 。 晶圆键合需保证键合的两块晶圆之 间的键合力牢固、可靠,不能分离。
临时键合技术是为了降低超薄晶圆在处理中 的风险,在减薄之前将其键合到载片表面,为其提 供机械支撑(不提供电学连接)的工艺技术 。在完 成机械支撑之后,还需进行解键合工艺。
临时键合和解键合步骤如图 1 所示。
首先将完成单面工艺的器件晶圆处理过的上 表面与载片相对 (完成单面工艺的器件晶圆或支 撑晶圆翻转,保证键合面相对),进行临时键合,临时键合完成后,对晶圆背面进行减薄及其他工艺; 背面工艺完成后,进行解键合;之后,对器件晶圆 (和载片)进行清洗,之后进行划片和封装。载片清 洗后可重复使用。
临时键合首先要将粘结剂均匀涂布于载片或 器件晶圆上,粘结剂分固态的粘结膜和液态的临时 键合胶[7]。粘结膜可直接贴到载片表面;临时键合胶 通过旋涂或喷涂方式在器件晶圆和载片表面均匀 涂布,可根据粒子变形,靠热压临时键合或 UV 固 化临时键合方式,使载片和晶圆键合牢固[8] 。热压 临时键合是在高温 、真空的键合室内对叠放在一 起的器件晶圆和载片施加一定的力使之达到良好 的键合效果;UV 固化临时键合是紫外光透过载 片照射到键合胶表面发生反应, 使载片和器件晶 圆键合到一起。载片的选择与临时键合方式有关, 如采用 UV 固化键合方式, 需选用透光性好的玻 璃作为载片[9]。
选用临时键合胶作为粘结剂 , 以旋涂方式涂 覆到器件晶圆或载片表面,UV 固化的方式进行 临时键合的示意如图 2。
以某一 3D 集成电路生产过程中的激光解键合工 艺为例。旋涂第一时间为5 s,第一转速为 500 r/min , 第二时间为 25 s,第二转速为 2 000 r/min,临时键 合胶厚度为 23 μm,均匀性 3%;固化用紫外光波长 365 nm。
临时键合设备主要由控制系统、上下片机构、 旋涂工作台 、翻转机械手 、预对准机构 、对准系统 和 UV 固化工作台构成 。控制系统控制设备运行 时序;上下片机构完成晶圆(和载片)的装 / 卸载; 旋涂工作台完成在器件晶圆和载片表面临时键合 胶的涂覆 , 临时键合胶的均匀性和厚度会直接影 响临时键合的效果; 翻转机械手控制晶圆 (和载 片)在不同工位上的传输和翻转;对准系统控制载 片和器件晶圆的对准, 通过 CCD 图像系统和 X、 Y、θ 向运动机构实现扫描对准; 对准完成后,在 UV 固化工作台上由紫外光照射同时施加一定的 压力,完成临时键合。
对准精度决定临时键合精度 。对准是指载片 和器件晶圆叠加时重合的能力 。通过标记图形的 定位实现对准 。对准示意图如图 3 所示。
CCD 识别标记图形并计算出各轴位移量 Δx、 Δy、Δθ, 各轴移动相应位移量实现对准。
在临时键合过程中出现的一些问题会降低键合精度,影响晶圆背面工艺,造成良率下降甚至晶 圆损坏,应注意的问题如下:
(1)器件晶圆或载片表面存在颗粒,1 μm 的粒 径将导致 5 000 至 10 000 倍的空隙,即 5~10 mm, 会造成键合精度降低;
(2)键合界面粘结剂内有气泡导致键合不完全;
(3) 键合时压力不均导致键合不完全或晶圆 损坏。
4 解键合工艺及设备
解键合是器件晶圆与载片分离的工艺 。实现 方式主要有:机械解键合法 、热滑移解键合法 、化 学解键合法和激光解键合法 。机械解键合法是通 过拉力作用分离载片和器件晶圆,碎片率较高;热 滑移解键合法是通过高温软化粘结剂 , 之后将器 件晶圆与载片分离,粘结剂易在设备平台残留,影 响后续产品工艺; 化学解键合法是通过溶剂溶解 粘结剂,成本较低,但效率很低,不适合量产[10]。激 光解键合法是激光透过玻璃对粘结剂层进行照 射, 产生热量使粘结剂分解或产生能量使化学键 断键 。激光解键合法示意图如图 4 所示。
解键合设备主要由控制系统 、上下片机构、激 光解键合工作台、可翻转机械手、清洗工作台构成。 控制系统控制设备运行时序;上下片机构完成晶圆 (或载片)的装 / 卸载;翻转机械手完成晶圆(或载 片)在不同工位上的传输和翻转;清洗工作台对解 键合后的器件晶圆和载片清洗,去除表面粘结剂。
激光解键合工作台是解键合设备的核心 部 分 。其结构示意图如图 5 所示。
固态激光器产生 365 nm 的激光经过可调扩束器 、聚焦镜等光学系统形成微米级的光斑尺寸 照射到真空吸附在承片台的晶圆上 (载片面向 上),CCD 图像系统实现光斑图像精确对准,X、 Y、Z 运动机构实现精确对准定位和激光扫描 。光 斑尺寸由光路决定,影响激光能量大小。激光能量 大小和均匀性直接影响解键合效果。
5 结束语
本文对临时键合和解键合技术的原理 、应用 进行了介绍 , 并根据临时键合和解键合工艺提出 了一种临时键合设备和解键合设备的构成及其关 键技术。
临时键合和解键合技术的应用已经十分广 泛,随着器件集成度的提高,其应用范围呈现日益 扩大的趋势 , 临时键合和解键合设备的市场规模 也在迅速扩大。目前,国内厂商使用的设备主要为 进口设备,如德国 SUSS 研发的 XBS300 临时键合设 备 、LD12 解 键 合 设 备 和 奥 地 利 EVG 研 发 的 EVG850 系列的临时键合设备和解键合设备,我 国在临时键合和解键合设备领域近乎空白 , 今后 应提高设备研发能力,尽早实现国产化。
关于我们:
OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
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来源:OMeda
OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。