晶圆的临时键合工艺.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：温海涛（1985），男，汉族，河北秦皇岛人；徐晓伟（1989），男，汉族，吉林敦化人。-60-晶圆的临时键合工艺 温海涛 徐晓伟 沈阳芯源微电子设备股份有限公司，辽宁 沈阳 110169 摘要：摘要：随着摩尔定律的物理扩展，3D 集成已经进入主流半导体制造，需要超薄晶圆（小于 50m）来配合多种后端工艺，半导体先进的封装解决方案趋势向着减少空间占用的情况下实现高密度集成。为降低减薄工艺中的碎片率，通常采用临时键合及解键合（Temporary Bonding and De-bonding）技术，在背面减薄前，采用临时键合的方式将晶圆转移到载片上为其提供强度支撑，完成背面减薄及其他双面工艺后进行解键合。该技术在硅基 TSV 互连工艺和 3D 堆叠集成封装领域应用广泛。无论是晶圆的深度减薄还是先进封装，都离不开可靠的临时键合解决方案。面向集成电路 3D 封装行业对临时键合设备的迫切需求，在市场应用需求分析基础上，本文重点就晶圆的临时键合技术展开研究。关键词：关键词：临时键合；键合胶；高精度对准 中图分类号：中图分类号：TN40 1 临时键合的工艺原理 超薄晶圆的机械强度低，翘曲度高，为了解决其支撑和传输过程中碎片率高的问题，同时为了提高产品良率及性能，通常会采用临时键合工艺方法。器件晶圆与载片晶圆键合后，载片晶圆可以为器件晶圆提供机械支撑，在减薄抛光工艺完成后，通过解键合将器件晶圆与载片晶圆分离，该过程称为临时键合及解键合技术。采用热压临时键合，首先要使得键合胶通过旋涂或喷涂方式在器件晶圆和载片晶圆表面均匀涂覆，然后在高温、真空、外力的键合腔室内叠放完成键合。键合层要牢固可靠，不允许有分离、松动、气泡、镂空等现象存在。临时键合主要包括以下步骤：键合胶的涂覆、前烘固化、器件晶圆与载片晶圆的对准以及真空热压。如图 1 所示，为典型的临时键合工艺流程。整个工艺流程的关键技术要点主要包括晶圆的预对准及 Notch识别、器件晶圆的高精度涂胶、多梯度烘烤单元的精准控温、高精度键合对准、键合腔体的真空净化系统、键合压力精准控制与监测。2 晶圆的临时键合工艺技术 2.1 键合胶的高精度涂覆工艺 键合胶是减薄晶圆拿持实现的关键。故键合胶应具有以下特点：经过临时键合后，键合胶应满足工艺环境和热载荷；分离时，键合胶应能溶解与清洗剂，且容易清理；清洗后，在减薄晶圆上不应有任何残留。键合胶与清洗剂是键合工艺中最为重要的因素。良好的键合胶层必须具有足够的抗剪切强度，以抵抗后续磨薄过程中砂轮对晶圆产生的强大的扭转力。同时胶层在垂直受力方向必须足够脆弱，以便在完成减薄及后续加工后可以较为容易的剥离保护载片。鉴于晶圆键合后减薄工艺对 TTV 的苛刻要求，晶圆临时键合过程中必须严格保证涂胶层的形貌质量，图 2 所示为临时键合胶、图 3 所示为键合胶清洗剂。表 1 12 寸键合晶圆的参数指标 指标 参数 晶圆种类 满足多种载片工艺需求，硅晶圆、玻璃片等 涂胶膜厚 厚度 3 m-50m，均匀性偏差5%热板温度 最高 220，均匀性偏差1.5 对准精度 同心精度30um，Notch 偏差0.015 键合压力 15000N 涂胶胶层 TTV 2m 键合后胶层 TTV 2m 键合片组 TTV 3m 层间空洞 无 中国科技期刊数据库 工业 A-61-图 1 典型的临时键合工艺流程 图 2 临时键合胶 图 3 键合胶清洗剂 包括胶层中的颗粒度、均匀性及附着强度等关键指标，以确保两片晶圆键合后的片组既具备足够的抗剪切能力，来应对磨削减薄过程中砂轮高速旋转产生的巨大横向力。以具有超高粘度（13000cp）的键合胶为例，需要精准的旋涂技术，确保完成超厚胶层（50m）超高精度（2m 以下偏差）的工艺需求。首先，涂覆键合胶时，可采用螺旋供胶的方式，先低转速匀开键合胶，然后再高速旋开，从而制备满足厚度和均匀性要求的键合胶层。涂胶装置采用高惯量中空轴电机，最高转速 6000rpm，最小转速精度 1rpm。同时配置特殊导电材质的真空吸盘，不仅可以将晶圆稳定吸附，还可以将高速旋转产生的微电荷导出，避免晶圆因静电击穿造成产品的报废。涂胶腔体可配置左右两个平移臂组件，平移臂均依靠精密电缸驱动，实现位置的精确控制。每个平移臂上均安装有若干出液喷嘴，不同喷嘴可连接不同化学药液。真空吸盘在中空电机作用下带动晶圆以指定的转速旋转，同时药液自专用喷嘴喷洒并在平移电缸的驱动下横向往复运动，实现化学液在晶圆表面的均匀旋涂。真空吸盘周边安装有可以升降的 CUP 组件，防止晶圆高速旋转时化学药液的飞溅，同时 CUP 组件设计有液体回流接口，该接口与晶圆厂排液总管相连，实现工艺残液的合理收集及排放。2.2 高精度对准技术 键合片组的器件晶圆在减薄过程中，定位用的Notch 口会被磨去，失去光刻定位功能，因此后续光刻工艺的定位只能依靠具有完整 Notch 形貌的保护晶圆作为中间过渡定位元件。由于光刻机视觉视野及自动矫正范围有限，只有在两片晶圆位置偏差小于 60m 时，以载片晶圆作为基准的光刻图案才能准确的转移至减薄后的器件晶圆。小于 60m 的两晶圆对准指标，在晶圆临时键合领域一直困扰着各大设备生产商。具有多年键合设备生产经验的 SUSS、EVG 等国际知名企业，面对临时键合工艺的晶圆对准要求也束手无策，其主流设备的键合精度也只能达到 100m 甚至 150m。针对晶圆级 3D 加工的晶圆对准精度要求，运用视觉同步采集补偿技术，依靠同轴相机采集晶圆晶圆位置图像，经过特性算法计算，生成两晶圆实际位置偏差，三轴补偿系统以偏差值为依据进行精密补偿，最终实现键合对准精度 60m 的稳定加工能力。（1）系统采用两套精密平移台，带动 3 套双视野相机于腔体内外往复运动，每套相机有自己的照明，实现 1 个 Wafer Notch 区域、2 个 Wafer 边缘区域上下图像的采集。镜头选用低倍远心镜头，焦深200m，分辨率 5m。镜头前端配有双重视野棱镜，移动到位后，不用聚焦，可同时对上下 Wafer 图像采集。使用一套光学系统同时对上下图像进行采集，可避免其他误差的影响，保证相对位置精度。经过图像处理和计算后，可给出相对位置偏差。图 4 同步视觉采集相机 中国科技期刊数据库 工业 A-62-图 5 精密三轴校准平台 2）控制系统在接受图像处理软件给出的两晶圆位置偏差后，输出指令给用于补偿运动的精密三轴平台。三轴平台的 X、Y 移动精度为 1m，W 旋转精度为0.001。在接收到补偿坐标后，三轴平台带动下方晶圆，以上方晶圆为基准，进行位置补偿。2.3 高精度键合压盘 晶圆减薄设备对键合片组表面平整度及平行度（TTV2m）要求十分严格，以满足磨削减薄后器件晶圆的表面厚度的一致性。同时键合过程 220的高温条件，要求压盘材料不仅具有极高的表面平坦度，还要具有极低的高温变形性。面对如此苛刻的条件要求，传统的金属压盘材料已无法满足。满足工艺要求的键合压盘应具有以下特征：1）键合压盘必须具有高度的平坦效果，以保证键合工艺严苛的 TTV 要求。2）键合压盘必须具有加热及控温功能，以确保胶层在压合过程中保持微黏状态。并且在频繁的升降温过程中保持良好的抗形变能力。3）键合压盘必须具备真空吸附能力，以保证上下相对的两晶圆组，均稳定固定于键合压盘上。当前行业内设备商均依靠多工艺层堆叠的方式组装键合压盘，加工及装配工艺复杂，空间占用非常大。以多年的陶瓷加热技术为基础，探索使用高精度的 SiC压盘，该 SiC 压盘不仅具有光学级表面加工精度（小于 1m），还集成了真空吸附、主动加热等关键功能。高度匹配了键合工艺对压盘的苛刻需求。图 6 高精度 SiC 压盘 2.4 压力精准控制 键合过程的压力控制与保持，对良好键合胶层的形成起着至关重要的作用。压力不足，则无法保证足够的粘合强度；压力过大，又会使胶层溢出晶圆界面，对后续工艺设备产生影响。同时过大的压力施加，还会增大晶圆破碎的风险。因此实施精准的控制施加的键合压力，同时有效的监测施力的大小是键合设备必须具备的关键功能之一。可以采用气压施压，通过电气比例阀，精确控制并调整气缸气压，进而控制压盘系统的下压力。同时均布的三组测力传感器实时监控盘体反馈的压力大小，通过专用的算法分析施加在键合胶层的压力的大小及均匀程度，并反馈给控制系统，以便按预设值调整补偿输出气压的大小，实现闭环。2.5 真空洁净键合环境 两片晶圆在键合过程中，由于晶圆面积大，层间隙小，留存的气体很难完全排除，最终被“键合”于胶层中，常见气泡产生于键合胶层的中心及边缘。形成气泡缺陷，会引起键合胶层厚度不均匀或镂空现象，该现象会直接影响键合片组的平面及平行度，同时会导致该区域在减薄时因局部失去支撑而碎裂，或因边缘键合胶层密封不足使减薄过程中产生的废料渗入。如何优化该过程的键合工艺，避免气泡产生是最大的难点所在。配置一定负压的真空净化环境，在晶圆键合过程中，率先应用 N2，置换出环境中包含颗粒杂质的气体，实现环境的净化。净化结束后，真空系统工作，排净键合腔体内的保护 N2，形成无“气”的键合环境，防止键合胶层间气泡缺陷的形成。该过程的真空负压不宜过强，为了防止在过强的真空环境下，会导致键合胶中的稀释剂大量挥发，产生更多的气泡状形态。图 7 真空环境键合效果 3 键合工艺后的检测技术 键合后的成品片组需要先通过特定设备进行工艺中国科技期刊数据库 工业 A-63-检测，确保合格后方可进入下游工艺循环。键合后的成品片检测一般包括平整度检测和键合胶层气泡检测。平整度是否良好会影响器件晶圆的减薄工艺，在先通孔工艺中，平整度会影响背面减薄后的漏孔工艺，在后通孔工艺中，会导致布线层或者凸点连接失败。键合胶层出现气泡会影响键合强度，后续工艺中会提高碎片风险。这就需要TTV检测以及层间空洞检测技术。当前各大晶圆加工厂只能预先收集一定数量的键合晶圆组后，预约专用检测设备，待检测设备闲置后方可进行键合片组的效果检测。流程复杂，并且持续时间长。经常发生键合片组制成后于缓存区闲置若干天的情况，对整厂的产能造成严重的影响。将传统的检测设备单元化，在保留关键功能的基础上将工艺腔体压缩至最小，将键合片组层间空洞检测、TTV 检测等关键检测功能并集成于整机设备中，成为专用的功能模块。图 8 红外检测层间效果 便于键合后立即检测回盒，并流入下一工艺设备，保证最佳的产能输，出极大程度的覆盖键合工艺流，有效避免因检测设备占用对键合流片工艺的影响。利用红外检测技术用于检测键合片组层间空洞，如图 8 所示。TTV 检测主要指检测涂胶和临时键合后的表面平整度，胶层厚度应在 3%的变化区间，如图 9 所示。图 9 TTV 检测 4 结束语 目前国内临时键合技术起步较晚，成规模的设备厂家屈指可数，实现商用量产产品的少之又少。沈阳芯源公司突破了临时键合设备的关键技术，使设备整体性能指标达到同类国际主流产品水平，通过搭建 12寸晶圆键合测试平台，开展包括晶圆的预对准及 Notch识别、器件晶圆的预清洗、器件晶圆的高精度涂胶、多梯度烘烤单元的精准控温、高精度键合对准、键合腔体的真空净化系统布置、超高平面度压盘开发、键合压力精准控制与监测、键合层质量检测等关键技术的研发验证，突破集成电路制造专用键合设备的核心技术，掌握晶圆键合制造和集成工艺，开发满足 12 寸生产线技术要求的键合设备，填补国内空白，并形成具有自主知识产权的核心技术，达到国内领先、国际先进水平，并实现项目产品国产化应用。该技术打破了国外垄断，解决了又一国产半导体装备的卡脖子问题，具有重大经济效益、社会效益和深远的战略意义。参考文献 1HoA.3D-ICTSV 制造中的双膜层临时键合方法J.半导体科技,2014(3):20-23.2陈力,杨晓锋,于大全.玻璃通孔技术研究进展J.电子与封装,2021(4):45-89.3钱柯.临时键合技术在晶圆级封装工艺运用的研究J.电子世界,2020(8):21-22.4帅行天,张国平,邓立波,等.用于薄晶圆加工的临时键合胶J.集成技术,2014(6):78-152.5刘强,夏建文,李绪军,等.面向超薄器件加工的临时键合材料解决方案J.集成技术,2021(1):78-96.6王方成,刘强,李金辉,叶振文,黄明起,张国平,孙蓉.临时键合技术在晶圆级封装领域的研究进展J.电子与封装,2023(3):34-42.7H.Kirchberger,S.Pargfrieder,P.Kettner,等.生产验证的临时键合与解键合设备及技术J.电子工业专用设备,2055(5):33-40.