临时键合技术在晶圆级封装领域的研究进展介绍1

王方成 刘强 李金辉 叶振文 黄明起 张国平 孙蓉

（中国科学院深圳先进技术研究院 深圳先进电子材料国际创新研究院 深圳市化讯半导体材料有限公司）

摘要：

随着  5G 、人工智能和物联网等新基建的逐步完善，单纯依靠缩小工艺尺寸来提升芯片功能和性能的方法已经难以适应未来集成电路产业发展的需求。为满足集成电路的多功能化及产品的多元化，通过晶圆级封装技术克服 摩尔定律 物理扩展的局限性日趋重要。目前，在晶圆级封装正朝着大尺寸、三维堆叠和轻薄化方向发展的背景下，临时键合与解键合 （  TBDB  ） 工艺应运而生。针对晶圆级封装领域可商用的  TBDB  技术，论述了不同  TBDB  工艺在晶圆级封装领域的研究进展及应用现状，明晰了不同  TBDB  技术所面临的挑战和机遇，提出了相应的解决方案，并展望了未来的研究方向。

1  引言

5G  通讯、人工智能、物联网和可穿戴设备市场进入爆发期，改变了制造和使用电子产品的方式  [1-3]  。进入  21  世纪后，摩尔定律发展趋缓，集成电路中晶体管的工艺节点（ 1~3 nm ）已接近硅原子的物理极限（约 0.5 nm ）。集成电路按照尺寸微缩的技术路线遭遇了物理节点失效、经济学定律失效，以及性能、功耗、面积指标难以达标等各种困难，单纯依靠尺寸微缩的方法已经难以满足未来集成电路产业的发展需求，因此工业领域开始意识到实现三维集成产业化的重要性  [4]  。目前，晶圆级堆叠封装大多是利用硅通孔（ TSV ）技术将芯片打通，实现芯片之间和芯片内部的垂直互连。这种先进封装技术不仅能够极大地提高芯片的集成度，还可以使用不同的工艺进行异质集成以实现复杂的系统功能。可见，晶圆级堆叠封装技术已成为延续和拓展摩尔定律的重要解决方案  [5-7]  。

随着半导体晶圆制程对缩小特征尺寸和引入全尺寸三维集成需求的高涨，晶圆正朝着大尺寸、多芯片堆叠和超薄化方向发展，以实现高端芯片的高性能系统集成、多功能化和成本效益。晶圆减薄（低于 100μm ）主要是为了满足  TSV  制造和多片晶圆堆叠键合总厚度受限的需求。采用大尺寸晶圆能够有效提高芯片制造的效率和成本效益。然而，大尺寸薄化晶圆的柔性和易脆性使其很容易发生翘曲和破损。为了提高芯片制造的良率、加工精度和封装精度，亟需一种支撑系统来满足苛刻的背面制程工艺（如光刻、刻蚀、钝化、溅射、电镀、回流焊和划切工序等）。在此背景下，临时键合与解键合（ TBDB ）技术应运而生  [8-12]  ，其主要包括机械剥离法  [9]  、湿化学浸泡法  [10]  、热滑移法  [11]  和激光解键合法  [12]  。

本文基于以上  4  种  TBDB  工艺，阐述了不同 TBDB  工艺的适用场景及研究进展，同时探讨了不同 TBDB 技术在晶圆级封装领域的机遇、挑战及应用前景。

2 TBDB 主要工艺技术、发展现状及存在问题

5G 、人工智能和物联网等新基建的完善极大地推动了微型、超薄和高密度封装技术的发展。经典的扇出式封装最早是由英飞凌科技公司在  2006  年开发的，其也被称为嵌入式晶圆级球栅阵列。该技术可以将器件的更多功能整合到单芯片中，从而满足新兴电子器件可变形、便携式、质量轻、可穿戴等特性的发展需求。随后，台积电进一步开发了集成扇出（ InFO ）技术，该技术已成功应用于苹果  A10  处理器及后续产品中。针对不同的应用需求，这些年业界还开发并报道了许多不同类型的扇出封装  [13]  。三维集成被认为是降低微电子器件外形因素的影响、同时提高电气和热性能的关键因素之一，可满足下一代通信器件的无缝需求。实现真正的三维集成电路的关键因素之一是能够利用临时键合胶的临时键合载体支持系统来处理超薄晶圆。根据解键合方式的不同， TBDB  主要分为机械剥离、湿化学浸泡、热滑移和激光解键合  4  种方法，对于不同  TBDB  技术的总结如表  1  所示 [14]  ，这几种方法均有各自的优缺点。随着  TBDB  技术的不断进步，其将成为推动晶圆级先进封装技术不断发展的重要组成部分。

2.1  机械剥离法

对于不能承受高温和高热应力的器件晶圆，在室温下实现键合对的机械剥离是一种低成本的解决方案。机械剥离法的基本流程如图  1  所示。机械剥离法相对简单粗暴，将薄片插入载板与器件晶圆中间，通过向上的拉力和旋转的剪切力剥离载板。超薄器件晶圆采用该方法会因为过大的机械应力而出现较高的破片率。道康宁公司开发了一种耐腐蚀的硅基临时键合材料，用于机械解键合工艺  [15-16]  。由于键合对分离之后还需要大量清洗剂去除器件表面残胶，这会产生额外的成本。为了实现无溶剂分离，比利时微电子研究中心（ IMEC ）开发了一种可以从薄晶圆上直接揭除键合胶的纯机械剥离方法  [17-18]  ，极大地减少了清洗剂的使用。此外，在机械剥离之前通常先将键合对转移到切割胶带上以降低薄晶圆破损的风险  [19]  。通过配套的专用机械解键合设备甚至能够实现  12  英寸极薄晶圆（厚度为  5.6 μm ）的剥离。然而，这种专用机械解键合设备的高成本限制了其应用。

2.2  湿化学浸泡法

根据临时键合胶在特定溶剂中的溶解特性，可以通过溶剂浸没去除键合胶层，直接分离器件晶圆，这种方法被称为湿化学浸泡法。湿化学浸泡法的基本流程如图  2  所示，主要包括以下  3  个步骤：（ 1 ）通过临时键合胶将带有通孔的承载晶圆与器件晶圆进行键合；（ 2 ）对器件晶圆进行减薄、研磨、重布线层（ RDL ）和球化等半导体制程工艺；（ 3 ）将键合对放置在装有溶剂的容器内，放置一段时间后键合胶逐渐溶解，从而实现器件晶圆的剥离。值得注意的是，需在承载晶圆上制造分布均匀的群孔以加快键合胶的溶解，同时尽量避免因溶解不均匀而导致的机械应力集中。

临时键合材料的特性对于整个  TBDB  工艺都至关重要。相比于热塑性树脂，热固性树脂具有良好的热稳定性和化学稳定性。然而，这些热固性树脂通过固化反应发生分子间交联，会形成很难溶解和熔化的网状结构，这对于采用湿化学浸泡法是不利的。为了解决该问题，本研究团队通过甲基二胺与醛的缩聚合成了一种可逆热固性树脂（碱性）作为临时键合材料  [20]  。该热固性树脂在具有良好的热稳定性和化学稳定性的前提下，还可以在低  pH  值下解聚以回收单体。试验结果表明，在  1 mol/L  硫酸中浸泡  10 h  后即可实现键合对的自动分离。此外， ZHU  等人采用碳酸丙烯（ PPC ）和其他聚碳酸酯作为临时键合胶，也适用于湿化学解键合  [21]  。其试验结果表明，晶圆的键合对在丙酮和丙酮  +1,8 －二氮杂二环 [5.4.0] 十一碳－ 7 －烯的混合溶液中表现出良好的化学脱粘性能，并且在解键合后器件晶圆表面没有  PPC  残留。然而，由于受溶剂扩散速度的限制，湿化学浸泡法耗时很长。另外，在解键合过程中大量溶剂的消耗以及特制的多孔载板也会增加额外的成本。这些不足严重地阻碍了湿化学浸泡法的普及。

2.3  热滑移法

热塑性材料在溶剂清洗过程中易于从器件晶圆上去除，其被认为是最适合用于临时键合胶的材料，且对器件晶圆表面的结构损伤较小  [22]  。热滑移解键合的工艺流程如图  3  所示。热滑移法是将器件晶圆放置在真空吸附工作台上，采用可加热吸盘吸附载板，通过加热使键合胶材料软化，再施加剪切力使器件晶圆侧向滑移出载板。这种方法通常采用的临时键合材料的热稳定性较差，在晶圆级封装的高温制程中容易软化，会影响器件的加工精度和封装精度。此外，器件晶圆在滑移完成后很容易在设备平台上残留键合胶，影响后续的产品工艺。早在  20  世纪初，美国  Brewerscience  公司就开始研发适用于热滑移法的临时键合材料产品，其早期开发的  WaferBond HT-10.10  以及紫外激光解键合材料  WaferBond 305  与  WaferBond 701 长期占据国内主要市场 [23]  ，但这些材料仍然存在着耐化学腐蚀和耐高温性能较差等问题。

为了解决上述问题，本研究团队开发了一种耐腐蚀的热塑性临时键合胶，能够满足不超过  220 ℃ 的高温处理工艺需求  [24]  。当温度大于  235 ℃ 时，采用热滑移法可以很容易地将器件晶圆从承载晶圆上剥离。通过旋涂法可以获得无空隙的厚粘合层，并在晶圆上实现良好的均匀性。该临时键合胶还具有低热膨胀系数（ CTE ）、良好的耐腐蚀性和粘结强度。此外，解键合之后器件晶圆表面残留的键合胶很容易被完全清除。值得一提的是，采用  PPC  作为临时键合胶的键合对，将其置于表面温度为  250~450 ℃ 的加热板上，用轻微的力即可实现剥离。因为经历的热处理时间最短，它对集成器件的影响很小。然而，快速解键合会导致在粘结界面上残留大量  PPC  聚合物，在解键合后需要额外的清洁过程。因此，在加热板上进行解键合需要较长的时间，只要  PPC  粘结层完全分解，就可以在无应力的情况下实现自动分离。解键合的时间随着解键合温度的升高而缩短  [21]  。

为了实现可靠的三维互连，理想的热滑移法不仅要求其使用的临时键合胶具备良好的热稳定性（ 300 ℃ 以上），还需要其能够在低温下实现解键合  [25]  。为此，本研究团队开发了一种基于热可逆的三维交联聚氨酯（ 3DPU ） 临时键合胶（玻璃化转变温度为  325 ℃ ） [26]  。 3DPU  在室温下表现出较高的粘附强度，在约  150 ℃ 时发生热可逆反应，导致网络的脱交联和粘附强度降低。器件晶圆在经过回流焊的高温（ 260 ℃ ）处理工艺时是静态的，因此该过程中没有任何剪切力导致键合对错位。在键合对以大约 5 ℃/min  的速度缓慢冷却的过程中，其残余热量还有助于三维网络的重新交联，以进一步增强粘性。经过背面研磨和 TSV  处理后， 3DPU  在热可逆反应温度下能够降低粘合强度以保证热滑移的顺利进行。由于热可逆反应， 3DPU  在解键合温度下的粘合强度要低得多，这保证了其可以进行低温脱粘，最后用旋转涂布机和自制的去除剂清洗晶圆上残留的键合胶。这种新型  3DPU  临时键合胶具有优异的热稳定性和化学稳定性，后处理方便，易于加工，便于大批量生产。

热滑移法面临多种工艺的挑战和限制。在高温下使用临时键合胶来降低器件晶圆的机械强度，这可以设定半导体制程工艺的温度上限。在采用热滑移法的过程中，滑动产生的应力可能会导致超薄晶圆出现裂纹。薄硅的脆弱性难以满足高端芯片对极薄晶圆剥离的需求。考虑到未来高密度异质集成的晶圆级封装需满足更高要求的高温（高于  300 ℃ ）制程工艺，热滑移法与  TBDB  技术的发展趋势相悖。或许，未来根据热滑移法的特点开发出相匹配的临时键合胶材料，可以满足兼具高温处理和热滑移的需求。

2.4  激光解键合法

激光解键合法是一种在室温下不使用化学物质的低应力剥离工艺。与  2.1~2.3  节提到的方法相比，激光解键合法具有可在室温下解键合、高通量、低机械应力和环境友好等优点，在大尺寸超薄晶圆的制造方面逐渐得到了广泛的关注和应用  [27-35]  ，有望为高端超薄芯片制造过程中的易破损和吞吐量低等困境提供可行性解决方案。此外，激光在能量、时间、空间方面的可选择范围很宽，可形成超快、超强、超短等极端物理条件。鉴于激光解键合在高应力晶圆处理方面具有高度的灵活性，能够在传统的后端设备上进行先进的封装流程。例如，激光解键合的宽工艺窗口更适合应用于扇出型晶圆级封装（ FOWLP ） [27]  。另外，激光解键合工艺能够避免表面能、温度行为和溶剂渗透的依赖性，并与后续半导体制程工艺相兼容。目前，激光解键合法主要分为红外激光解键合法和紫外激光解键合法。激光解键合法的剥离机制主要依赖于激光种类以及响应材料的类型。

激光解键合工艺主要是利用激光穿过透明载板，光子能量沉积在光敏响应材料层，进而诱发材料的快速分解、汽化甚至等离子化而失去粘性。同时，快速释放的分解气体还会增大响应层界面的分离压力，从而进一步促进器件晶圆的自动分离。激光解键合工艺的工作流程主要包括：（ 1 ）在透明刚性载板（如玻璃、蓝宝石等） 和器件晶圆表面分别涂上粘结材料和响应材料；（ 2 ）将透明刚性载板和器件晶圆通过光或热等方式键合在一起；（ 3 ）利用激光透过刚性载板辐照在响应材料层引发烧蚀，从而使器件晶圆分离；（ 4 ）清洗器件晶圆和透明刚性载板，其中的载板可以多次重复使用。针对红外激光解键合法， MONTM 魪 AT  等人开发了一种基于光热转换材料（ LTHC ）的激光响应材料（型号 LC5200 3M TM  ） [28]  。同样，深圳市化讯半导体材料有限公司（简称为“化讯半导体”）也开发了一款红外激光响应材料（型号  WLP LB310 ） [30]  。采用该材料的红外激光解键合的工艺流程如图  4  所示，响应材料（型号  WLPLB310 ）与键合材料（型号  WLP TB5130 ）在  UV  辐照下可固化形成键合对。在完成背面工艺后， LTHC  将吸收的光子能量转化为热能，在键合界面内发生高温脱粘而实现键合对的自动分离。通过添加纳米材料制备的 WLP LB310  是一种全光谱吸光材料，解决了传统响应材料在  400 nm  波长以上吸光度较弱的问题，同时也解决了有机薄膜成膜性差、粘附性低的问题。然而，使用该方法存在瞬间的高温可能会损伤硅器件的风险。

一般来说，高纵横比的深硅通孔需要通过高温化学气相沉积工艺（高于  300 ℃ ）形成具有高击穿电压、低漏电电流和高阶覆盖率的介电层。然而，大部分有机临时键合胶在超过  250 ℃ 的高温处理中存在热尺寸稳定性较低的问题。为此化讯半导体还开发了一款紫外激光响应材料（型号  WLP LB210 ）用作耐高温（高于 300 ℃ ）临时键合材料  [14]  。紫外激光解键合的工艺流程如图  5  所示，采用响应材料（型号  WLP LB210 ）和临时键合材料（型号  WLP TB4130 ）配套用于该激光解键合工艺。不同于红外激光，紫外激光中较高的光子能量能够直接打断响应材料的化学键，从而实现超薄器件的低温和低应力剥离。相比于有机临时键合胶， HASHIGUCHI  等人报道了一种耐高温的氢化非晶硅（ a-Si:H ）无机响应材料的激光解键合工艺  [30-31]  。试验结果表明，通过紫外激光辐照  a-Si:H  响应层能够使其分解产生氢气和多晶硅，从而实现芯片的自动分离。 a-Si:H 响应层的厚度在超过  100 nm  时吸光度大于  99.9% ，因此整个激光辐照过程几乎不会引起任何激光损伤的风险，能够适用于基于  TSV 的多芯片晶圆三维系统集成的制程。然而，通过利用等离子体增强化学气相沉积法制备  a-Si:H  响应层的方法存在成本较高和耗时、耗能等问题。

2.5 TBDB  技术的现状及面临的问题

近  20  年来，临时键合材料体系不断迭代创新，其主要区别在于各自解键合方式的不同  [33]  。对于临时键合材料来讲，耐受溅射金属和化学气相沉积（ CVD ）等苛刻的高温制程是其面临的最大挑战。由于临时键合胶的耐受温度普遍不高，这种高温要求的工艺极易导致键合对中出现“雪花纹”以及分层现象  [33]  。 “ 雪花纹 ” 产生的机理主要有  2  种情况：一种情况，不适当的键合工艺可能会导致键合对中存在空洞等缺陷，这些空洞中的气体在高温制程中会扩散形成“雪花纹”，这种情况可以通过优化键合工艺、确认无空洞缺陷来避免产生“雪花纹”；另一情况，临时键合材料在高温制程中分解产生的小分子气体的挥发也会造成“雪花纹”，这种情况可以通过采用或开发耐高温的临时键合材料来解决。在选择合适的解键合方式时，不仅需要考虑临时键合胶和载板的物理化学特性，还应考虑  TBDB  技术在未来架构和产品中的扩展性。

不同的  TBDB  技术各有其优缺点，分别适用于不同的应用场景。对于不需要高温电介质的沉积和装配工艺，通常选用热活化温度低于  200 ℃ 的临时键合胶，采用机械剥离法即可满足解键合的需求。机械剥离的过程可以在室温下进行，但使用刀片剥离器件会引发破片率过高的问题。湿化学浸泡法能够使器件晶圆在剥离时几乎不受应力影响，但该过程需要消耗很长时间和大量溶剂。对于热滑移法，由于需要在特定高温下对晶圆施加滑动力，这必然会产生由机械应力引起的额外碎片风险。鉴于其低成本，热滑移法在较低温（ 200 ℃ 以下）半导体制程工艺的应用场合仍然占有很大的市场份额。作为晶圆级封装领域的关键工艺，临时键合胶必须与日益苛刻的半导体制程工艺兼容。键合胶需要具备高耐热性和高化学稳定性，为封装可靠性提供支撑，这与通过热和化学手段进行解键合的方法相悖。因此，机械剥离法和热滑移法通常适用于  8 英寸以下的器件晶圆的加工。相比之下，激光解键合法能够穿过透明载板，仅在界面附近烧蚀几百纳米的响应层，而不会对器件晶圆造成影响，在低于  10 N  的脱粘力下就可以去除载板，这大大降低了薄晶圆破碎的风险，同时能够将聚焦激光束的焦平面精确控制在响应层界面的区域。这些都保证了激光束仅对光敏响应层选择性地烧蚀，从而降低超薄器件和承载晶圆的损伤风险。因此，激光解键合技术有望满足高密度、大尺寸、超薄器件晶圆剥离的要求  [34-35]  。

国内厂家（化讯半导体）与国外头部厂家（ Brewer science 、 TOK  和  3M  等） 的典型商用光敏响应材料的物理、化学特性如表  2  所示  [12,14,36-38]  ，主要针对光敏响应材料在  TBDB  工艺中的激光波长、耐受温度、涂覆方式、反应原理、填料和耐化性等指标进行了对比。从表 2  可知，深圳化讯半导体的典型产品的物化性能已经达到与国外竞品相当的水平。进一步提高临时键合材料的热稳定性、耐化性以及吸光度范围等依然是未来的研发目标。目前，激光解键合工艺的机理、控制和应用都存在诸多挑战，尽管许多研究人员为开发激光解键合的新工艺做出了很多努力，但极薄的器件晶圆仍然可能面临高能光子带来的光损伤、瞬时高温带来的热损伤甚至冲击波带来的机械损伤。因此，进一步优化高可靠性的激光解键合工艺很有必要。针对晶圆翘曲问题，激光解键合技术与智能自动化的结合也许是未来的必然发展方向，使激光解键合系统具有实时检测和反馈功能，可保证激光解键合过程中超薄芯片的安全性和稳定性。针对激光解键合过程中存在的响应材料碳化严重和光斑胶问题，需要调整光斑的均匀度与光斑重叠率。

3  结束语

面对当今高端芯片在消费电子产品领域的巨大需求，具有普适性的  TBDB  技术为三维集成电路的轻薄化、微型化和集成化提供了可靠的制造途径。从临时键合胶材料方面来讲，目前常用的临时键合材料难以承受日趋严苛的半导体高温（高于  300 ℃ ） 制程工艺。因此，开发下一代耐高温的临时键合胶势在必行。从解键合工艺来讲，激光解键合技术凭借其具备的在室温下解键合、高通量、低机械应力和环境友好等优点，依然是未来  TBDB  技术的主流方向。从解键合的设备方面来讲，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。为了满足晶圆级封装面临的高端芯片细化工艺中的各种挑战，开发新的临时键合材料、相应的解键合新工艺以及高端设备将直接推动晶圆级封装的快速发展。相信随着材料科学、自动化等学科的不断发展，以及研究人员在材料、工艺和应用方面关键技术的突破，多功能、多样化和多用途的  TBDB  技术将为超薄器件制造和晶圆级堆叠封装技术提供核心动力。