临时键合和解键合工艺技术研究

胡晓霞，郑如意，邢 莹，芦 刚

(1. 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京 100176；2. 三河建华高科有限责任公司， 河北 燕郊 065201)

随着半导体技术的发展，对各种元器件功能、性能和集成度的要求也越来越高，TSV 互连和三维堆叠型3D 集成已经进入了主流半导体制造[1]，以解决“摩尔定律”物理扩展的局限性，同时提供更好的性能和功能[2]。为满足TSV 和三维堆叠型3D 集成制造需求，减薄后晶圆厚度越来越薄，达到100 μm 以下。超薄器件晶圆机械强度降低，容易翘曲和起伏，易造成器件性能降低、产品均一性变差，生产过程中碎片率增加。为了解决超薄晶圆的取放问题，业界通常采用临时键合与解键合技术[3]。

1 晶圆键合技术

晶圆键合技术是指通过化学或物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地接合起来，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定键合强度[4]。晶圆键合往往与其他手段结合使用，既可对微结构提供支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构和电路结构之间的电学连接[5]。

晶圆键合分为直接键合和中间过渡层键合。直接键合又分为硅直接键合和阳极键合；中间过渡层键合又分为共晶键合、焊料键合和粘合剂键合[6]。晶圆键合技术主要应用于MEMS 和大功率LED 等行业。晶圆键合需保证键合的两块晶圆之间的键合力牢固、可靠，不能分离。

2 临时键合与解键合技术

临时键合技术是为了降低超薄晶圆在处理中的风险，在减薄之前将其键合到载片表面，为其提供机械支撑（不提供电学连接）的工艺技术。在完成机械支撑之后，还需进行解键合工艺。

临时键合和解键合步骤如图1 所示。

图1 临时键合和解键合步骤

首先将完成单面工艺的器件晶圆处理过的上表面与载片相对（完成单面工艺的器件晶圆或支撑晶圆翻转，保证键合面相对），进行临时键合，临时键合完成后，对晶圆背面进行减薄及其他工艺；背面工艺完成后，进行解键合；之后，对器件晶圆（和载片）进行清洗，之后进行划片和封装。载片清洗后可重复使用。

3 临时键合工艺及设备

临时键合首先要将粘结剂均匀涂布于载片或器件晶圆上，粘结剂分固态的粘结膜和液态的临时键合胶[7]。粘结膜可直接贴到载片表面；临时键合胶通过旋涂或喷涂方式在器件晶圆和载片表面均匀涂布，可根据粒子变形，靠热压临时键合或UV 固化临时键合方式，使载片和晶圆键合牢固[8]。热压临时键合是在高温、真空的键合室内对叠放在一起的器件晶圆和载片施加一定的力使之达到良好的键合效果；UV 固化临时键合是紫外光透过载片照射到键合胶表面发生反应，使载片和器件晶圆键合到一起。载片的选择与临时键合方式有关，如采用UV 固化键合方式，需选用透光性好的玻璃作为载片[9]。

选用临时键合胶作为粘结剂，以旋涂方式涂覆到器件晶圆或载片表面，UV 固化的方式进行临时键合的示意如图2。

图2 光学临时键合

以某一3D 集成电路生产过程中的激光解键合工艺为例。旋涂第一时间为5 s，第一转速为500 r/min，第二时间为25 s，第二转速为2 000 r/min，临时键合胶厚度为23 μm，均匀性3%；固化用紫外光波长365 nm。

临时键合设备主要由控制系统、上下片机构、旋涂工作台、翻转机械手、预对准机构、对准系统和UV 固化工作台构成。控制系统控制设备运行时序；上下片机构完成晶圆（和载片）的装/ 卸载；旋涂工作台完成在器件晶圆和载片表面临时键合胶的涂覆，临时键合胶的均匀性和厚度会直接影响临时键合的效果；翻转机械手控制晶圆（和载片）在不同工位上的传输和翻转；对准系统控制载片和器件晶圆的对准，通过CCD 图像系统和X、Y、θ 向运动机构实现扫描对准；对准完成后，在UV 固化工作台上由紫外光照射同时施加一定的压力，完成临时键合。

对准精度决定临时键合精度。对准是指载片和器件晶圆叠加时重合的能力。通过标记图形的定位实现对准。对准示意图如图3 所示。

图3 对准示意图

CCD 识别标记图形并计算出各轴位移量Δx、Δy、Δθ，各轴移动相应位移量实现对准。

在临时键合过程中出现的一些问题会降低键合精度，影响晶圆背面工艺，造成良率下降甚至晶圆损坏，应注意的问题如下：

（1）器件晶圆或载片表面存在颗粒，1 μm 的粒径将导致5 000 至10 000 倍的空隙，即5～10 mm，会造成键合精度降低；

（2）键合界面粘结剂内有气泡导致键合不完全；

（3）键合时压力不均导致键合不完全或晶圆损坏。

4 解键合工艺及设备

解键合是器件晶圆与载片分离的工艺。实现方式主要有：机械解键合法、热滑移解键合法、化学解键合法和激光解键合法。机械解键合法是通过拉力作用分离载片和器件晶圆，碎片率较高；热滑移解键合法是通过高温软化粘结剂，之后将器件晶圆与载片分离，粘结剂易在设备平台残留，影响后续产品工艺；化学解键合法是通过溶剂溶解粘结剂，成本较低，但效率很低，不适合量产[10]。激光解键合法是激光透过玻璃对粘结剂层进行照射，产生热量使粘结剂分解或产生能量使化学键断键。激光解键合法示意图如图4 所示。

图4 激光解键合法

解键合设备主要由控制系统、上下片机构、激光解键合工作台、可翻转机械手、清洗工作台构成。控制系统控制设备运行时序；上下片机构完成晶圆（或载片）的装/ 卸载；翻转机械手完成晶圆（或载片）在不同工位上的传输和翻转；清洗工作台对解键合后的器件晶圆和载片清洗，去除表面粘结剂。

激光解键合工作台是解键合设备的核心部分。其结构示意图如图5 所示。

图5 激光解键合工作台

固态激光器产生365 nm 的激光经过可调扩束器、聚焦镜等光学系统形成微米级的光斑尺寸照射到真空吸附在承片台的晶圆上（载片面向上），CCD 图像系统实现光斑图像精确对准，X、Y、Z 运动机构实现精确对准定位和激光扫描。光斑尺寸由光路决定，影响激光能量大小。激光能量大小和均匀性直接影响解键合效果。

5 结束语

本文对临时键合和解键合技术的原理、应用进行了介绍，并根据临时键合和解键合工艺提出了一种临时键合设备和解键合设备的构成及其关键技术。

临时键合和解键合技术的应用已经十分广泛，随着器件集成度的提高，其应用范围呈现日益扩大的趋势，临时键合和解键合设备的市场规模也在迅速扩大。目前，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，我国在临时键合和解键合设备领域近乎空白，今后应提高设备研发能力，尽早实现国产化。