摘要— 本研究旨在展示一种新型暂时性键合膜和光子解键方法在超薄晶圆处理工艺中的适用性。我们在玻璃载体上使用暂时性键合膜进行晶圆减薄，并随后进行从玻璃载体的解键。结果表明，我们成功地将晶圆减薄至25 μm，并且通过Xe闪光灯辐射，玻璃载体能够轻松解键，且没有对晶圆造成任何损伤。此外，我们还确认了减薄后的晶圆上的剩余暂时性键合膜可以通过支持带轻松去除，而不会对晶圆造成损伤。这些结果表明，新的暂时性键合膜和光子解键方法对超薄晶圆处理工艺具有很大的潜力。
关键词— 晶圆减薄工艺、暂时性键合膜、Xe闪光灯、光子解键、解带

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I. 引言

近年来，各种系统封装（SiP）技术已被提出并广泛应用于先进封装，如2.xD封装和3D堆叠配置。SiP技术能够实现封装尺寸的微型化和多种功能的高集成，以及性能的提升，包括通信容量的增加和处理能力的增强。预计SiP技术的市场规模将在未来几年显著增长【1】。

显然，为确保先进封装的可靠性，材料的开发至关重要。此外，封装制造中使用的材料也非常重要，因为制造工艺变得更加复杂，必须满足严苛的处理条件。在封装制造中使用的材料中，暂时性键合材料对于晶圆或封装减薄过程以及扇出晶圆级封装的组装是必不可少的，能够防止损坏或促进工艺。特别是近年来，由于对更薄的硅中介层、硅桥芯片和芯片集成的强烈需求，使用暂时性键合材料的晶圆减薄技术的重要性不断增加。在这些应用中，具有良好可靠性和工艺适用性的暂时性键合材料，诸如良好的热耐性和化学耐性、足够的附着力、高平整度和易于去除，备受青睐。因此，我们开发了一种符合上述要求的新型暂时性键合膜（TBF）【2-4】。我们的新型TBF在300°C下表现出良好的热耐性，并且在经历了各种化学处理后没有出现膨胀或分层现象。此外，该膜在加工后可通过剥离轻松去除。

此外，解键方法的开发也至关重要。表I列出了暂时性键合材料的释放方法及其与减薄和解键工艺的兼容性。目前，传统的封装工艺中采用了机械或热解键方法。然而，在薄晶圆应用中，尤其是与晶圆损伤或较低生产力相关的挑战仍然存在。

                 表I 暂时性键合材料的释放方法及其工艺兼容性

为了克服这些挑战，我们开发了一种新的解键方法——利用Xe闪光灯辐射的光子解键方法。该方法具有以下几个独特的特点【5-6】：

1. 更高的吞吐量：
   理论上，每小时可处理多达60片晶圆（wph）。

2. 无需焦距控制：
   即使样品发生翘曲，也可以直接进行解键。

3. 清洁的解键过程：
   解键过程中不会产生烟灰。

图1展示了光子解键方法的机制，涉及三个步骤。在步骤1中，玻璃载体上的金属层作为光热转换层，通过Xe闪光灯辐射，温度瞬间上升。在步骤2中，金属层的快速热膨胀引发金属层与暂时性键合膜（TBF）界面处的分层，然后分层从边缘向中心扩展。在步骤3中，TBF完全与金属层分离，产生的热量立即通过玻璃载体散发，几乎不会对封装造成热损伤。解键所需的时间极短，不到100毫秒。

图1 光子解键方法的分层机制。

在本研究中，我们旨在展示新型暂时性键合膜和光子解键方法在超薄晶圆处理工艺中的应用性。

II. 使用TBF的晶圆减薄工艺兼容性评估

A. 工艺流程和条件

           图2 用于晶圆减薄工艺兼容性评估的测试样品制造工艺流程

图2展示了用于评估晶圆减薄工艺兼容性的测试样品制造工艺流程。测试样品具有三层结构，由玻璃载体和使用TBF键合的裸硅晶圆组成。我们使用了市售的“Corning EAGLE-XG®”作为玻璃载体，以及Resonac新开发的TBF，名为“TM-420”。此外，我们还使用了经过边缘修整处理的裸硅晶圆。边缘修整是一种常用的方法，用于防止晶圆边缘的损伤，如崩边或开裂，晶圆的外周部分通过刀片或磨料膜抛光处理，形成直立的侧壁。如果晶圆在未进行边缘修整的情况下减薄，由于边缘的斜面轮廓，会形成锋利而脆弱的“刀锋边缘”，从而导致崩边或开裂的产生。在本研究中，边缘修整的处理量为晶圆边缘向外延伸3毫米，深度方向从晶圆表面起延伸90μm，基于典型的边缘修整处理规格【7】。每个制造步骤的详细信息如下：

1. TBF层压与切割
   TBF使用滚压层压机（Teikoku Taping System Co., Ltd., DXL2-800）在75°C（上侧）和60°C（下侧）的温度下，施加0.5 MPa的压力，以2 mm/s的速度层压到8英寸的玻璃载体上。此外，为了防止TBF在玻璃载体的边缘处脱层，TBF在层压后使用内置激光切割系统切割到玻璃载体边缘内侧0.3 mm。

2. 晶圆键合与固化
   使用晶圆键合机（SUSS MicroTec KK, LF12），将层压了TBF的玻璃载体与裸硅晶圆在120°C下以3500 N的负载、2分钟的键合时间进行键合。之后，在压力炉（Chiyoda Electric Co., Ltd., POC-D650）中进行热固化，温度为170°C，压力为0.6 MPa，固化时间为60分钟，固化过程在空气环境中进行。

3. 背面研磨
   使用晶圆研磨机（DISCO Corporation, DGP8760），通过粗研磨和精研磨两步，将裸硅晶圆的厚度从725μm（初始厚度）减薄至25μm或50μm。
   

B. 结果

图3展示了已减薄至25 μm和50 μm厚度的测试样品。减薄后的晶圆表面均匀，没有出现明显的缺陷，如崩边或晶圆开裂，表明TM-420在晶圆减薄工艺中具有良好的适用性。接下来，我们进行了释放工艺。

图3 减薄至（A）50 μm和（B）25 μm后的测试样品。

III. 释放工艺兼容性评估
A. 工艺流程和条件

图4 减薄后的测试样品的释放工艺流程。
这里描述的释放工艺包括Xe闪光灯辐射、玻璃载体解键和TBF解带。图4展示了减薄后的测试样品的释放工艺流程。特别是，Xe闪光灯辐射解键是一种独特的工艺，我们可以使用PulseForge的设备进行此工艺，如图5所示。

                    图5 Xe闪光灯辐射系统（PulseForge公司）

每个评估步骤的详细信息如下。

1. Xe闪光灯辐射
   将减薄后的测试样品安装在附有切割带（Denka公司，ELEGRIP TAPE UHP-1005M3）的切割环上，玻璃载体朝上。通过图5所示的PulseForge设备，使用Xe闪光灯辐射穿透减薄测试样品的玻璃载体。

2. 载体解键
   将测试样品安装在自动解键工具（Teikoku Taping System Co., Ltd., EXM-1200CS-LUVR-FT-CE-V1）的真空夹持台上，使用解键夹具将玻璃载体从减薄后的晶圆上解键。载体解键后，我们检查了硅晶圆和玻璃载体是否有损伤。

3. TBF解带
   将支持带（Nitto Denko Corporation，ELP UE-111AJR）层压在减薄晶圆上剩余TBF的表面，然后将带有TBF的支持带从减薄晶圆上手动解带，晶圆被固定在切割带上。使用宽度为200 mm（对应晶圆外径）和100 mm的支持带来比较解带性能。解带后，我们检查了减薄后的晶圆，评估是否有损伤。

C. TBF解带工艺的详细信息

                     图6 在应用支持带后TBF解带的提议工艺流程

图6展示了我们在本次评估中采用的TBF解带工艺流程。虽然操作是手动进行的，但一系列的过程已经录制成视频，这使我们能够估算所需的工艺时间，从而模拟全自动化系统所需的工艺时间。表III展示了解带条件的详细信息。

                                      表III 解带条件的详细信息

解带工艺大致可以分为三个步骤，如表III所示。在步骤1中，支持带从TBF解带的起始点到终点进行层压，然后在使用夹具固定晶圆的情况下，以小于1 mm/s的慢速小心剥离支持带。此方法旨在通过防止晶圆从夹持台抬起而引起局部变形来创建解带的起始点。步骤1也应该小心执行，以避免意外的TBF撕裂。在步骤1成功完成后，可以在不使用夹具的情况下逐渐增加剥离速度执行步骤2和步骤3。尤其是在步骤3中，当解带位置经过晶圆的中点时，TBF的宽度逐渐减小，使解带速度比步骤2更快地进行。即使在6 mm/s的较快速度下，也没有观察到损伤。

从步骤1到步骤3所需的时间大约为每片晶圆1分钟，我们预计TBF解带工艺可以实现每小时20至30片晶圆的高吞吐量。

IV. 化学耐性和热耐性评估
在先进封装的制造过程中，如扇出晶圆级封装（FOWLP）、3D堆叠和芯片集成，晶圆或芯片常常在刚性载体上通过暂时性键合材料进行处理，并经常进行各种热和化学处理。因此，工艺中使用的TBF的化学和热耐性非常重要。

在本节中，我们将展示通过使用减薄至50 μm厚度的测试样品对TBF进行热和化学耐性评估的结果。

A. 评估条件
表IV总结了化学和热耐性评估的条件。在化学耐性测试中，我们按照表IV中的1至8项化学品依次对测试样品进行暴露，假设先进封装的制造工艺。首先，热耐性测试通过使用惰性气体炉（JTEKT Thermo Systems Corporation，CLH-35CD）进行，以模拟晶圆键合的退火过程。接下来，化学耐性测试通过将测试样品依次浸入表IV中所列的所有化学品中，以模拟背面RDL形成过程。在开发过程中，使用了开发机（TAKIZAWA SANGYO K.K., AD-3000）配合环戊烯进行RDL材料开发，使用TMAH进行光刻胶开发。在电镀和酸清洗步骤中，测试样品分别浸入CuSO4和10% H2SO4水溶液中。最后，在刻蚀过程中，分别使用了H2O2水溶液进行铜刻蚀，使用H2O2-NH3水溶液进行钛刻蚀。我们检查了每次处理后的测试样品外观变化，以及与TBF的分解、溶解和膨胀相关的测试样品重量变化。                             表IV 化学耐性和热耐性评估的条件

B. 结果
表V展示了热和化学耐性测试的结果。从中可以清楚地看到，在评估过程中，测试样品未出现变色、分层或重量变化等问题。这表明没有发生因热应力导致的附着力退化或分解，也没有任何化学品侵蚀测试样品的侧壁。此外，我们确认经过热和化学处理后的测试样品可以通过Xe闪光灯辐射解键，且残留在晶圆上的TBF可以通过剥离去除。这些结果表明，新开发的TBF在先进封装的超薄晶圆处理工艺中具有良好的耐久性。

                               表V 化学耐性和热耐性评估结果

V. 结论
暂时性键合和解键技术，包括暂时性键合材料和解键方法，是先进封装中的关键挑战。特别是，利用暂时性键合和解键技术的薄晶圆处理工艺是芯片集成或3D堆叠中的重要工艺。这为设计这些技术提供了强大的动力，旨在提高工艺兼容性和可操作性，从而更容易地创建复杂的先进封装，并提高生产力。

在本文中，我们展示了我们新开发的暂时性键合膜和通过Xe闪光灯辐射的新解键方法的工艺兼容性和可操作性，并有以下几项期望：

a) 使用暂时性键合膜的玻璃载体上的硅晶圆可以减薄至25μm而不出现任何缺陷。
b) Xe闪光灯辐射能够将减薄后的晶圆从玻璃载体上解键，而不造成任何损伤。
c) 通过简单的剥离过程，使用支持带可以顺利解带残留的暂时性键合膜。
d) 通过热和化学耐性测试，未观察到暂时性键合膜出现任何问题，并且在测试后的解键和解带性能也得到了确认。