临时键合技术在晶圆级封装领域的研究进展

来源：深圳先进技术研究院（王方成，刘强...）

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。

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。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。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。 

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 100 μ m ） 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，其主要包括机械剥离法、湿化学浸泡法、热滑移法和激光解键合法。 

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。

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。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。 。 加入封装交流群，加VX：tuoke08。 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，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。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，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。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  μ m ）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。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  Brewer science  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，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。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。 

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。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  ℃ ）。 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，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 ）。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 3MTM ）。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 ）。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  WLP LB310 ）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。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。“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。 

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。 

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。