(本文編譯自Semiconductor Engineering）

從平面SoC向3D-IC和先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變，需要更薄的晶圓，以提高性能、降低功耗，縮短信號傳輸所需的距離以及驅(qū)動(dòng)信號所需的能量。

對超薄晶圓有需求的市場正在不斷擴(kuò)大。一個(gè)由12個(gè)DRAM芯片和一個(gè)基礎(chǔ)邏輯芯片組成的HBM模塊的總厚度，仍小于一片原生硅晶圓的厚度。在為人工智能應(yīng)用組裝扇出型晶圓級封裝以及先進(jìn)的2.5D和3D封裝方面，薄晶圓也起著關(guān)鍵作用，而這些人工智能應(yīng)用的增長速度比主流IC要快得多。再加上行業(yè)對輕薄手機(jī)、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療電子產(chǎn)品的需求，似乎如果沒有可靠地加工薄硅晶圓的能力，現(xiàn)代微電子將難以實(shí)現(xiàn)。

薄硅通孔(TSV)的顯露工藝是一種需要進(jìn)行背面處理的經(jīng)典工藝。Amkor Technology先進(jìn)3D/技術(shù)總監(jiān)Rick Reed表示：“在當(dāng)前的許多應(yīng)用中，引入硅通孔需要非常可控的減薄工藝，而且由于幾乎總是需要進(jìn)行背面處理，這一工藝立即需要用到臨時(shí)鍵合和解鍵合工藝。”

任何晶圓減薄工藝的第一步都是確定目標(biāo)。“如果硅片上有所謂的盲TSV，并且您又不了解晶圓中所有TSV的深度范圍，那么就有可能研磨到其中一些TSV，”Reed解釋道，“由于銅在硅片中擴(kuò)散速度很快，它會(huì)導(dǎo)致漏電。而且它也會(huì)污研磨輪，因此后續(xù)的晶圓上就會(huì)沾上銅。”

在薄型器件晶圓的減薄和加工過程中，需要做出幾個(gè)關(guān)鍵決策。哪種臨時(shí)鍵合粘合劑與工藝流程最兼容？它能否在包括CMP和高溫沉積等多種工藝過程中，將薄晶圓固定到位，并在加工完成后又能被干凈地去除？哪種載體晶圓最適合該應(yīng)用，是硅晶圓還是玻璃晶圓？在幾種主流的解鍵合工藝中，哪種工藝能夠在加工完成后以合理的成本最好地去除粘合劑？

盡管有載體晶圓（也稱為處理晶圓）提供保護(hù)，但超薄晶圓依然脆弱易碎。這使得它們?nèi)菀资艿綋p壞，在減薄過程中以及在隨后的高溫工藝（如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，PECVD）中出現(xiàn)微碎裂和裂紋。當(dāng)超薄晶圓經(jīng)歷光刻圖案化、PECVD、回流、切割和解鍵合（去除載體）時(shí)，損壞是影響良率的最大威脅。此外，由于晶圓之間的翹曲和/或空隙形成，還可能出現(xiàn)其他問題。

晶圓邊緣在斜面處是圓形的，但在減薄后，這一形狀會(huì)發(fā)生變化。“因此，如果你對設(shè)備晶圓進(jìn)行研磨，通常會(huì)得到一個(gè)非常尖銳的邊緣，在理想情況下基本上只有一個(gè)原子那么薄，”蘇斯公司（Suss）的產(chǎn)品經(jīng)理托馬斯?拉普斯（Thomas Rapps）表示，“它非常脆弱。邊緣碎裂意味著邊緣的一部分會(huì)破裂，也可能引發(fā)貫穿整個(gè)晶圓的裂縫。因此，為了防止這種情況發(fā)生，通常會(huì)進(jìn)行邊緣切割，這也需要使用研磨輪。你要在晶圓邊緣切割出一個(gè)臺(tái)階，這個(gè)臺(tái)階的深度至少要達(dá)到最終晶圓的厚度。”

除了處理關(guān)鍵的良率問題，芯片制造商還在尋求適合其特定器件類型的解決方案，而設(shè)備可靠性是首要要求。Lam Research產(chǎn)品營銷總監(jiān)Ian Latchford表示：“隨著器件越來越復(fù)雜，應(yīng)用也變得越來越具體。客戶需要精度，并且希望每次都有可重復(fù)的工藝。他們不想要通用的解決方案，而是想要每次都以同樣的方式運(yùn)行且生產(chǎn)率高的解決方案。”

為了滿足這些需求，業(yè)界正在完善減薄步驟、粘合劑和去除劑的化學(xué)成分，以及臨時(shí)鍵合和解鍵合工藝（見圖1）。粘合劑通常是一種有機(jī)熱固性或熱塑性材料，通過旋涂的方式涂覆在載體晶圓上，而更薄的解鍵合材料通常旋涂在設(shè)備晶圓上。鍵合是在真空熱壓(TCB)或通過紫外線照射來完成的。載體晶圓為設(shè)備晶圓的減薄和加工提供了基礎(chǔ)，直到在解鍵合過程中使用去除劑。

圖1：臨時(shí)鍵合（上）和解鍵合（下）的工藝流程。

圖源：Suss

硅與玻璃載體晶圓

業(yè)界既使用玻璃載體晶圓，也使用硅載體晶圓。玻璃成為流行載體的原因之一是，其熱膨脹系數(shù)(CTE)可以設(shè)計(jì)得接近硅的熱膨脹系數(shù)，從而確保了它與堆疊結(jié)構(gòu)中其他材料的兼容性。例如，硼硅酸鹽玻璃的CTE接近硅的CTE，在較寬的溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定，并且它可以讓紅外（IR）或紫外（UV）激光穿過其表面，從而激活解鍵合釋放層。

Brewer Science業(yè)務(wù)開發(fā)工程師Hamed Gholami Derami表示：“對于機(jī)械解鍵合和紅外激光解鍵合，根據(jù)工藝要求，既可以使用硅載體，也可以使用玻璃載體。但對于紫外激光和光子解鍵合，則必須使用玻璃載體。”

硅載體晶圓具有吸引力，部分原因在于硅與所有晶圓加工設(shè)備和靜電吸盤都兼容。硅的CTE與硅器件的CTE完全匹配。硅的最后一個(gè)優(yōu)勢是，與玻璃晶圓相比，它能以更低的成本實(shí)現(xiàn)更低的TTV（總厚度變化）。

臨時(shí)鍵合的工作原理

在將一片晶圓臨時(shí)堆疊到另一片晶圓上時(shí)，工程師通常會(huì)使用載體晶圓、“膠水”或臨時(shí)鍵合粘合劑，以及便于加工后移除的釋放層。在少數(shù)情況下，單個(gè)粘合劑層即可完成這兩項(xiàng)任務(wù)。重要的是，鍵合和解鍵合機(jī)制協(xié)同工作，使得加工后的材料從載體上釋放后能夠別干凈地移除。

有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以衡量一種粘合劑的優(yōu)劣。它可在低溫下實(shí)現(xiàn)鍵合，同時(shí)又能經(jīng)受高溫加工。它必須通過旋涂的方式在300毫米的表面上均勻沉積，而且還要實(shí)現(xiàn)高度的鍵合均勻性。

但適用于一種應(yīng)用的方法可能不適用于另一種應(yīng)用。Suss的Rapps表示：“主要問題在于，基本上沒有一種適用于所有可能工藝流程的解決方案，而材料選擇最重要的標(biāo)準(zhǔn)是溫度穩(wěn)定性。在臨時(shí)鍵合和去鍵合之間的下游工藝中，最高溫度是多少呢？有很多材料能夠承受高達(dá)250℃的溫度，這是因?yàn)槿绻氵M(jìn)行回流操作，通常不需要高于這個(gè)溫度。但只有少數(shù)材料能夠承受350℃的高溫。”

旋涂提供了一定程度的工藝靈活性。Rapps表示：“通過旋涂，你可以使材料平整，這樣它也可以嵌入某些特征結(jié)構(gòu)。因此，粘合劑有兩種功能——作為粘合劑，同時(shí)它還能使嵌入的特征結(jié)構(gòu)平整，這些特征結(jié)構(gòu)的表面形貌可能非常低或非常高。因此，在旋涂之后，我們會(huì)烘烤晶圓，然后將進(jìn)行鍵合。而且通常這種材料需要固化以穩(wěn)定鍵合效果，但這確實(shí)要具體看所采用的材料解決方案。”

晶圓減薄要點(diǎn)

接下來，晶圓將逐步減薄。要將晶圓減薄至100μm以下，需要在研磨、CMP和蝕刻工藝之間實(shí)現(xiàn)微妙的平衡，以滿足TTV的嚴(yán)格規(guī)范，TTV是晶圓上最厚和最薄測量值之間的差值。對于硅晶圓，通常使用激光干涉儀在晶圓的數(shù)百個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行測量，而TTV是大批量制造中必須保持的晶圓間和批次間的質(zhì)量指標(biāo)。

減薄晶圓有點(diǎn)像打磨木材。先從粗磨開始，然后使用越來越細(xì)的砂紙打磨，以獲得最光滑的最終效果。對于晶圓，每個(gè)步驟都能提高晶圓表明的均勻性，并降低TTV。

西亞系統(tǒng)公司（scia Systems）的產(chǎn)品與技術(shù)總監(jiān)Matthias Nestler解釋道：“最粗糙的方法是晶圓研磨步驟，這會(huì)使最終的厚度變化范圍達(dá)到幾微米。CMP步驟比晶圓研磨更精確，在這一步驟中，厚度變化可以達(dá)到幾百納米。接下來，通過等離子體蝕刻，厚度變化可以達(dá)到10到100納米。或者，以離子束蝕刻作為最后一步，在最佳情況下，我們可以將晶圓的厚度變化縮小到原來的二十分之一，也就是說，250納米的厚度變化可以減小到25納米，而且如果采用中間帶有測量步驟的兩步式修整工藝，我們還能做得更好。”

鑒于總厚度變化的重要性，工程師們熱衷于量化減薄和加工過程中的變化因素。“我們在硅通孔（TSV）顯露工藝中使用玻璃載體，但即使是能買到最好的玻璃，其晶圓上的TTV也只有1微米，”Amkor的Reed表示，“然后，當(dāng)我們在上面涂上粘合劑時(shí)，這會(huì)增加幾微米的厚度變化。然后，我們的研磨工藝非常均勻，但仍然會(huì)引入大約2微米的TTV。”

干法蝕刻也會(huì)引入厚度變化，這種變化可能呈徑向分布。“所以總結(jié)下來，大約會(huì)有5微米的厚度變化。”Reed表示。

確保TSV顯露工藝精確的要點(diǎn)包括：

• 繪制由博世蝕刻法在硅中確定的TSV深度；

• 均勻旋涂鍵合粘合膠及解鍵合釋放層，后進(jìn)行烘烤、固化和鍵合；

• 采用粗磨、中磨和細(xì)磨方式將硅背面研磨至距TSV底部10微米以內(nèi)，達(dá)到鏡面效果；

• CMP粗磨、中磨、精磨；

• 利用等離子蝕顯露TSV；

• 沉積氮化硅薄膜作為拋光終止層；

• 在TSV頂部沉積厚的二氧化硅層；

• 再次進(jìn)行CMP以顯露TSV。

另一個(gè)需要密切監(jiān)測的參數(shù)是溫度。“我們現(xiàn)在正在對CMP工藝的溫度進(jìn)行原位控制，總體來說，這對CMP工藝有很多好處，”Axus Technology首席執(zhí)行 Dan Trojan說道，“主要的溫度限制因素是由聚氨酯制成的拋光墊的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)超過此溫度時(shí)，聚合物會(huì)從液體變?yōu)楣腆w，此時(shí)摩擦力會(huì)大得多，并且很快就會(huì)出現(xiàn)問題。所以我們有一種方法可以在不稀釋研磨液的情況下對加工墊表面進(jìn)行基本冷卻，這也有助于提高去除率。我們還使用多區(qū)膜載體在晶圓上局部施加不同的壓力，而不是只施加一種壓力。”

目前，硅中介層最常見的TSV架構(gòu)可能采用直徑11微米、深度110微米的TSV，其中阻擋金屬層和氧化物絕緣層占了1微米的直徑。盡管已經(jīng)證實(shí)能夠制造例如深度55微米、直徑5微米的TSV，但目前業(yè)界似乎仍堅(jiān)持使用更厚、更昂貴的100微米硅中介層。

處理背面和邊緣缺陷

在薄晶圓工藝中，工程師面臨的最常見問題是如何防止缺陷或微裂紋，尤其是在晶圓邊緣。

僅在晶圓邊緣進(jìn)行的選擇性等離子蝕刻有助于去除邊緣缺陷，而選擇性CVD可以鈍化邊緣。“在3D封裝領(lǐng)域，堆疊的晶圓結(jié)構(gòu)需要一些材料來填充邊緣的間隙，”Lam Research的Latchford表示，“由于CMP過程中產(chǎn)生的邊緣滾降現(xiàn)象，器件制造商在邊緣輪廓方面遇到了很多問題。然后他們必須對器件晶圓進(jìn)行減薄處理，最終可能會(huì)導(dǎo)致邊緣開裂，這對良率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以實(shí)際上，我們在此處沉積了幾微米厚的二氧化硅薄膜，以便在鍵合晶圓的工藝流程應(yīng)用中填充間隙。”

等離子蝕刻或離子束蝕刻工藝還可以消除CMP過程中引起的任何缺陷，例如壓表面劃痕、所謂的凹坑（硅晶格中的凹痕）和污漬。

尋找正確的釋放方法

對于解鍵合工藝，紫外線和紅外線激光燒蝕以及光子解鍵合已成為主要的機(jī)械分離機(jī)制，因?yàn)樗鼈兣c大型薄晶圓格式（300毫米晶圓，50μm厚）兼容，并且與熱滑動(dòng)和化學(xué)浸沒方法相比，能夠在對器件造成最小損傷的情況下分離晶圓（見圖2）。

圖2：最流行的晶圓解鍵合方法。

圖源：Brewer Science

熱滑動(dòng)解鍵合使用熔點(diǎn)較低的聚合物，即熱塑性塑料，這種聚合物在受熱時(shí)會(huì)流動(dòng)，以便于滑動(dòng)和分離。遺憾的是，這種方法與諸如金屬PVD或電介質(zhì)的PECVD等熱工藝不兼容，因?yàn)檫@些熱工藝會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力，可能導(dǎo)致晶圓破裂。熱滑動(dòng)解鍵合還會(huì)使器件受到不必要的更多熱暴露，因?yàn)槠渌怄I合方法可在室溫下進(jìn)行。盡管如此，熱滑動(dòng)解鍵合仍是一種低成本方法，對于較小且稍厚的襯底來說，仍然是一種有用的選擇。

化學(xué)溶解的工作原理是將鍵合對浸入溶劑中，穿孔載體晶圓可以幫助加快該過程。溶劑消耗量大和處理量低阻礙了化學(xué)解鍵合方法的廣泛應(yīng)用。

光子解鍵合是一種相對較新的解鍵合方法，它使用脈沖寬帶光源，通過將光吸收層作為無機(jī)金屬釋放層，來使臨時(shí)鍵合的晶圓對實(shí)現(xiàn)解鍵合。光子解鍵合的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與激光燒蝕方法相比，它的成本更低、處理速度更快，并且對釋放層焦距的變化容忍度較高。這使得它適用于具有一定翹曲或彎曲的鍵合晶圓對。對于那些將基板減薄到20μm以下，并使用非常高的下游溫度工藝（在這種工藝中，粘附力和TTV的控制至關(guān)重要）的應(yīng)用，光子解鍵合可能是一種首選的解鍵合方法。

機(jī)械解鍵合（又稱機(jī)械剝離）是將刀片插入晶圓對之間，以物理方式將它們分離。這種方法要求器件晶圓能夠承受一定的物理應(yīng)力。

激光燒蝕使用紫外線激光（254、308或355nm）或紅外線（1064nm）激光，再配合調(diào)諧到相應(yīng)波長的釋放層，通過吸收照明能量、發(fā)生化學(xué)變化并實(shí)現(xiàn)分離。它是最快的解鍵合方法，每小時(shí)大約可以處理20到30片晶圓，對晶圓產(chǎn)生的應(yīng)力也很小。但是，可能需要一個(gè)屏蔽層，來減少激光聲波對器件造成的任何損害。

結(jié)論

晶圓減薄、臨時(shí)鍵合、薄晶圓加工和解鍵合方法，正成為2.5D和3D封裝、晶圓堆疊和晶圓級扇出型封裝中必不可少的工藝步驟。芯片制造商正在與供應(yīng)商密切合作，選擇合適的粘合劑、釋放材料、鍵合機(jī)、解鍵合方法、研磨、CMP、蝕刻和清潔工藝，從而能夠以高良率和可靠性生產(chǎn)出厚度小于50μm的超薄器件。這需要熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和對晶圓邊緣的關(guān)注，在運(yùn)用這些關(guān)鍵的薄晶圓工藝時(shí)，所有這些要素都是降低潛在缺陷、提高良率所必需的。