晶圆越来越薄，芯片制造商怎么办？

来源  / semiengineering；荣格电子芯片翻译（有删减） 作者  / Laura Peters

 

对超薄晶圆的市场需求正在不断增长。一个由12个动态随机存取存储器（DRAM）芯片和一个基础逻辑芯片组成的高带宽内存（HBM）模块，其总厚度仍小于一块优质硅晶圆。

 

薄晶圆在扇出型晶圆级封装，以及用于人工智能应用的先进2.5D和3D封装的组装中也起着关键作用，这些领域的增长速度比主流集成电路快得多。再加上行业对轻薄手机、可穿戴设备和医疗电子产品的需求，若无法可靠地加工薄硅晶圆，现代微电子技术的发展将举步维艰。

 

 

图片来源  / 包图网

 

在薄器件晶圆的减薄和加工过程中，需要做出几个关键决策。哪种临时键合粘合剂与工艺流程最匹配？它能否在化学机械抛光（CMP）和高温沉积等各种工艺中固定薄晶圆，并且在加工后能被彻底清除？对于该应用来说，哪种载体晶圆（硅或玻璃）最合适？在几种主要的解键合工艺中，哪种能在加工后以合理成本最好地去除粘合剂？

 

为了满足这些需求，行业正在完善减薄步骤、粘合剂和去除化学工艺，以及临时键合和解键合工艺（见图1）。

 

图1：临时键合（上图）和解键合（下图）工艺流程。 

来源： Suss

 

粘合剂通常是有机热固性或热塑性材料，通过旋涂在载体晶圆上，而更薄的解键合材料通常旋涂在器件晶圆上。键合在真空热压（TCB）或紫外线照射下进行。载体晶圆为器件晶圆的减薄和加工提供了基础，直到在解键合工艺中使用去除化学剂。

 

 

Part 1

晶圆减薄的重点

 

要将厚度减薄到远低于100微米，需要在研磨、CMP和蚀刻工艺之间进行精细平衡，以满足TTV的严格规格要求。TTV是指晶圆上最厚和最薄测量点之间的差值。对于硅晶圆，通常使用激光干涉仪在晶圆上数百个点进行测量，在大规模生产中，TTV是必须在晶圆与晶圆之间、批次与批次之间保持稳定的质量指标。

 

减薄晶圆有点像打磨木材。从粗磨开始，然后使用越来越细的砂纸，以获得最光滑的最终效果。在晶圆加工中，每一步都能提高晶圆的均匀性，降低TTV。

 

scia Systems公司的产品与技术总监马蒂亚斯·内斯特勒解释说：“最粗糙的方法是晶圆研磨步骤，最终厚度偏差在几微米范围内。CMP步骤比晶圆研磨更精确，可以达到几百纳米的偏差。接下来，通过等离子蚀刻，可以达到10到100纳米的偏差。或者，使用离子束蚀刻作为最后一步，在最佳情况下，我们可以将晶圆的厚度偏差缩小20倍，例如将250纳米的偏差降低到25纳米，而且我们还可以通过中间进行测量的两步修整工艺达到更好的效果。”

 

鉴于总厚度偏差的重要性，工程师们热衷于量化减薄和加工过程中的偏差来源。

 

安靠技术的里德说：“我们在硅通孔显露工艺中使用玻璃载体，但即使是能买到的最好的玻璃，其晶圆上的TTV也约为1微米。然后，当我们在上面涂覆粘合剂时，这又会增加几微米的偏差。接着，我们的研磨工艺虽然非常均匀，但仍然会引入约2微米的TTV。”

 

干法蚀刻也会引入偏差，而且这种偏差可能呈径向分布。里德说：“所以，将这些因素加起来，大约有5微米的偏差。我们用于硅通孔显露的六西格玛工艺相当可靠，它通过仔细的设置和在开始时了解硅通孔的深度变化，来处理这些偏差来源。”

 

里德说：“砂轮上的特征可以在研磨过程中自动反馈硅的厚度，类似地，自适应CMP工艺可以更成功地实现硅的极薄化。”

 

另一个需要密切监测的参数是温度。Axus Technology公司首席执行官丹·特洛伊安表示：“我们现在正在原位控制CMP工艺的温度，这对CMP工艺总体上有很多好处。主要的温度限制来自由聚氨酯制成的抛光垫的玻璃化转变温度。当超过这个温度时，聚合物会从液态变为固态，摩擦力会大大增加，很快就会出现问题。

 

所以我们有一种方法可以在不稀释研磨液的情况下冷却加工垫表面，这也有助于提高去除率。我们还使用多区域膜载体在晶圆上局部施加不同的压力，而不是只施加一种压力。”

 

如今，用于硅中介层的最常见硅通孔结构，其硅通孔直径为11微米，深度为110微米，其中阻挡金属层和氧化物绝缘层占1微米的直径。尽管制造直径5微米、深度55微米的硅通孔的能力已得到验证，但目前行业似乎仍在使用更厚、成本更高的100微米硅中介层。

 

 

Part 2

处理背面和边缘缺陷

 

工程师在薄晶圆工艺中面临的最常见问题，主要围绕如何防止缺陷或微裂纹，尤其是在晶圆边缘。

 

仅在晶圆边缘进行的选择性等离子蚀刻，有助于去除边缘缺陷，而选择性化学气相沉积（CVD）可以钝化边缘。泛林研究的拉奇福德说：“在3D封装领域，堆叠的晶圆结构需要填充边缘的间隙。由于CMP工艺的边缘滚降，器件制造商在边缘轮廓方面遇到了很多问题，这会导致间隙。然后他们必须减薄器件晶圆，结果可能会使边缘破裂，这对良率有极大影响。所以在键合晶圆流程应用中，我们实际上会在这里沉积几微米厚的二氧化硅膜来填充间隙。”

 

等离子蚀刻或离子束蚀刻工艺，还旨在平滑CMP过程中产生的任何缺陷，如表面下划痕、所谓的“坑”（硅晶格中的凹陷）和污渍。

 

 

Part 3

选择合适的释放方法

 

解键合，紫外和红外激光烧蚀以及光子解键合，已成为主要的机械分离机制，因为它们与大尺寸薄晶圆（300毫米晶圆，50微米厚）兼容，并且与热滑动和化学浸泡方法相比，能在对器件造成最小损伤的情况下分离晶圆（见图2）。

 

图2：最常用的晶圆解键合方法。来源：Brewer Science

 

热滑动解键合使用低熔点聚合物（即热塑性塑料），加热时这些聚合物会流动，便于滑动和分离。不幸的是，这种方法与金属物理气相沉积（PVD）或电介质PECVD等热工艺不兼容，这些热工艺会在晶圆中产生强大的应力，可能导致晶圆破裂。与其他在室温下进行的解键合方法相比，热滑动解键合还会使器件承受更多不必要的热暴露。尽管如此，热滑动解键合是一种低成本方法，对于较小且稍厚的基板来说仍然是有用的选择。

 

化学溶解法是将键合的晶圆对浸入溶剂中，带孔的载体晶圆可以加快这一过程。但溶剂消耗量大和产量低，阻碍了化学解键合的广泛应用。

 

布鲁尔科学公司的德拉米说：“化学解键合材料曾用于较旧的封装中，依靠化学浴来释放晶圆。热滑动材料是后来出现的，在某些工艺中仍在使用，但在可处理的最小晶圆厚度、热预算和产量方面存在限制。另一方面，使用机械解键合，我们可以处理更薄的晶圆，应力水平更低，解键合更容易，并且对于高温应用具有更好的热预算。最近，激光释放材料提供了最大的灵活性。它们可以处理更薄的晶圆，产量更高，解键合时所需的力几乎为零。”

 

光子解键合是一种相对较新的解键合方法，它使用脉冲宽带光源，通过将光吸收层作为无机金属释放层，来解键临时键合的晶圆对。光子解键合的一个优点是，与激光烧蚀方法相比，其成本更低、产量更高，并且对到释放层的焦距变化容忍度高。这使其适用于存在一定翘曲或弯曲的键合晶圆对。对于将基板减薄至20微米以下，且下游工艺温度非常高，对附着力和TTV控制至关重要的应用来说，光子解键合可能是首选的解键合方法。

 

机械解键合（又称机械剥离）是将刀片插入晶圆对之间，进行物理分离。这种方法要求器件晶圆能够承受一定的物理应力。

 

激光烧蚀使用紫外激光（254、308或355纳米）或红外（1064纳米）激光，以及与该波长匹配的释放层，通过吸收照射能量、发生化学变化来实现分离。这是最快的解键合方法，大约每小时可以处理20到30片晶圆，并且对晶圆的应力很小。不过，可能需要一个屏蔽层来减少激光声波前沿对器件造成的损害。对于将基板减薄至20微米以下，且使用高温下游工艺，对附着力和TTV控制至关重要的应用来说，激光解键合是首选的解键合方法。

 

EV集团的林德纳说：“有时，系统的瓶颈并非实际的解键合步骤，而是解键合后粘合剂的去除。这个湿法处理步骤用于溶解粘合剂，如果粘合剂附着在载体上，就可以在其他地方进行去除和处理。但如果粘合剂附着在产品上，通常需要多个清洗模块并行工作，以匹配解键合模块的产量。”

 

近年来，EV集团开发了一种纳米裂解方法，用无机层取代有机粘合剂。这种硅中的无机层可耐受更高的温度（>900°C），因此与所有前端工艺兼容。该公司预计，这种方法不仅可用于先进封装，还可用于前端层堆叠应用。

 

 

Part 4

结论

 

晶圆减薄、临时键合、薄晶圆加工和解键合方法，正成为2.5D和3D封装、晶圆堆叠以及晶圆级扇出封装中不可或缺的工艺步骤。

 

芯片制造商正在与供应商密切合作，选择合适的粘合剂、释放材料、键合机、解键合方法、研磨、CMP、蚀刻和清洗工艺，以高良率和高可靠性生产厚度小于50微米的超薄器件。这需要热稳定性、机械稳定性，并关注晶圆边缘，所有这些都是降低潜在缺陷、提高这些关键薄晶圆工艺良率所必需的。 

 

来源：https://semiengineering.com/the-rise-of-thin-wafer-processing/

 

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