晶圆临时键合

来源:芯片工艺技术发布时间:2022-04-13

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载片

载片材料：硅、硅玻璃、派热克斯玻璃、硼硅酸盐、蓝宝石

临时键合胶

液态：热处理、UV处理进行固化

固态：通过压合工艺、其他工艺、电镀工艺

需要考虑的因素：键合强度、最高工艺温度、化学稳定性、厚度及平整度、解键合。

1.热塑性材料

热塑性材料是指形态可发生变化的有机聚合物，受热时熔化为液体，冷却到室温后恢复为固态。天然或人工合成蜡以及专用的临时键合胶都会在120-250℃温度之间液化。随着温度的升高，粘度会降低

可使用旋涂的热塑性材料的有2种：

（1）蜡

通常会先将蜡旋涂在加热的载片上；然后将涂覆蜡的载片与器件晶圆接触，接触时确保二者平行且标识对准；接着对键合体施加几帕的压力并持续加热一段时间；随后再逐渐降温使蜡层固化，待蜡层固化后，载片会牢固地粘附在器件晶圆上；

（2）可溶性性键合剂。

在室温下，先将可溶性键合剂涂到载片上:然后通过烘干工艺蒸发掉键合剂中的溶剂，使键合剂逐渐固化。在烘干环节，温度与时间的控制至关重要，因为此时键合剂需要保证一定的黏度，但又不能过于稠密和坚硬:接着将器件品圆(如有必要可以在器件表面涂覆保护层)与载片接触，并对准标识。随后在高温环境下(120~180 C.远低于键合剂液化点温度)对键合体持续施加约几十分钟、大小为儿十帕的压力。临时键合流程如图所示.

2.紫外光（UV）固化材料

UV固化材料对热和化学试剂相对稳定，为便于后续解键合，通常在载片表面旋涂UV固化材料前先要涂覆一层对UV不敏感的释放层。用于临时键合的UV固化材料是种含特殊配方的液体，在UV的照射下，液体中的聚合物会发生交联”。将器件晶圆与载片接触后，UV会透过载片照射到临时键合胶上，从而使其固化。因此，载片需要具备-定的透光度，并且可以被一定波长的UV穿透。在UV的照射下，液体中的聚合物发生交联，临时键合胶连渐固化，最终将载片和器件品圆稳定地结合在一起。使用UV固化材料临时键合的流程如图所示。

3.复合胶膜

键合所使用的胶膜与某些应用中的胶膜很类似，例如划片时所使用的支撑胶膜和研磨胶带等，特点是使用方便。用于键合的胶膜是多层复合膜，主体呈“三明治”结构，由2个黏附层(压敏黏附层和释放层)和1层基膜构成。除此之外，主体膜外，还贴有保护层。使用复合胶膜键合的具体流程如图5-15所示，首先将复合胶膜外壁的保护层去除，然后再将其粘接到载片上。该复合胶膜可以事先被剪成与载片面积相等的形状。或者是在粘贴完成后用力片或激光来藏剪。待上述工作全部完成后，将载片与器件品圆接触，通过液简或平板对两者施压完成临时键合。

4.金属材料

金属热压临时键合也是临时键合技术中的一种。该技术通过铜铜键合形成稳定的临时键合层，具有抵抗高温、高压的优点，在一定程度上还能耐高pH值溶液的腐蚀。此技术采用错(Zr) 层作为释放层。与热塑性键合材料和复合胶膜键合材料相比，该键合材料的临时键合工艺会在更高的压力或是温度条件下进行。金属热压临时键合工艺如图所示。

四、解键合工艺

工艺完成以后，需将器件晶圆与载片分离。减薄后的器件晶圆会由其他器件晶圆(晶圆级键合，永久键合至另一个晶圆上)或胶膜(芯片-品圆键合时黏附在划片使用的支撑胶膜上)支撑。以提供足够的应力支撑。根据临时键合层或释放层的特性，目前已研发出了多种解键合技术。

1.化学方法

临时键合材料可通过一些特殊的化学物质来去除。由于这些化学物质只会与临时键合胶发生反应，因此只需要将临时键合体浸泡在化学反应槽里即可。一旦临时键合胶被完全溶解，载片与器件品因就会分离开来。为加速溶解作用，可在浸泡的过程中对反应槽加热。下面是两个通过化学反应进行解键合的例子:

（1）有机溶剂在加热的情况下会溶解蜡或热塑性材料:

（2）稀释的HF溶液会快速溶解Zr层(金属临时键合中作为释放层)，但对器件晶圆损伤很小。

上述两个例子中，溶解作用都是先从器件晶圆的边缘开始，井逐渐过渡到器件品圆中心。为了避免边界层和溶解度浓度梯度在晶圆边缘处积聚，降低溶解速率，在溶解的过程中应对溶解液进行适当的搅拌。解键合完成后，应立即对减薄晶圆进行夹持，防止碎片(特别是没有支撑结构的薄晶圆)。

化学解键合的缺点是侵泡时间过长，通常可达几个小时。虽然化学药剂可循环使用，但仍需要考虑原料购买及废料处理所带来的成本。

2.热处理方法

当键合胶变为液态时，器件晶圆与载片可轻易地分离开来。这对使用热塑性粘合材料的键合体特别有效，因为加热会降低其粘度，如图1所示，当胶层粘度降低到1~2泊时，键合体处于可分离状态。通过以下2种方法的任意一种，可将键合体完全分离(07-40) ;

1)滑动剥离，在水平方向上分离载片和器件品圆;
2)楔人剥离，在垂直方向上分离载片和器件品圆。

两种剥离方法示意如图示.

大多数复合键合胶也是通过楔人剥离的方法来到离的。某些复合键合胶中含有专用的热释放层，加热后这些释放层会膨胀，变成泡沫状，这样就减小了载片与器件晶圆的接触面积。由于空隙较多，这种材料特性也随之变差。在UV的照射下，某些复合键合收的释放层的机械完整性会遭到破坏，从而减弱键合强度。在这种情况下，只需要施加极小的机械力就可实现载片的剥离。

3.激光处理

对于某些临时键合胶不能通过腐蚀或热处理来剥离的情况( 如UV固化材料)，需要在临时键合胶中加人释放层。目前比较先进的释放层为一种光一热转换材料(L.THC), 当这种材料曝光F适当频率的激光下时，高能激光会在其表面形成微孔，削弱键合强度。此后，再通过楔入分离的方法将载片与器件晶圆分离开来明。

4.解键合的后处理

当器件晶圆与载片分离后，需要对载片进行清洗，去除表面残余键合胶和其他颗粒。载片能否重新使用由载片数量及后续工艺要求来决定，如果载片缺陷程度较高、存在翘曲、表面光洁度不达标等问题，那么载片将无法重新使用。在计算整套工艺流程的成本时，必须将器具、耗材的成本和产能一并考虑在内。

两大平台：EVG和SUSS

https://www.evgroup.com/ EVG301, EVG Gemini

http://www.suss.com/ CL8, ABC200,CBC models

五、晶圆键合技术

1.粘合剂和阳极键合

（1）玻璃料晶圆键合

概念

玻璃料键合技术也称为密封玻璃键合，可实现工艺温度低于450℃下的晶圆键合，主要优点有气密性好、工艺良率高、键合界面机械应力低、可贯穿金属线、键合强度高、可靠性好。

原理

要键合的晶圆间玻璃被加热达到润湿温度（润湿温度即玻璃呈液态流动并润湿晶体表面），玻璃流动并与晶圆形成原子水平接触，最后实现完美的密封性。

优势　　

该技术所实现的键合机械强度高，密封性能好，所要求的剥离熔点低。

可满足一般性的键合要求，包括键合强度、良率、气密键合、普遍可用性等，可用于CMOS晶圆键合，无需表面活化，机械应力非常低。

表面微机械传感器的封装

材料
　　400-500℃可以回流的低熔点玻璃——铅锌硅酸盐玻璃、铅硼酸盐玻璃
　　丝网印刷需要材料的选用：www.koenen.de
　　粘合剂供应商：Ferro公司、Schott Glass、DIMAT公司
　　常用的是 Ferro FX-11-036(包含铅硅酸盐+鋇酸盐玻璃填充物+有溶剂的有机粘合剂)

工艺路线

（2）旋涂玻璃材料（SOG）晶圆键合

材料

　　旋涂玻璃材料（SOG）

设备
　　用KLA Tencor公司的Alpha-step 500 分析仪测SOG层厚度
　　EVG 520 半自动键合系统进行键合
　　利用EVG 20红外（IR）检查站和Sonscan D9000扫描声学显微镜（SAM）对键合表面质量检查
　　利用裂纹开口法、拉伸实验（Si/GaAs 接头）估算表面能

特性
　　低温工艺性好（低于400℃），工艺清洁（和COMS兼容）
　　允许应力补偿的弹性行为、与多种衬底材料兼容

应用

　　适合于Si和GaAs衬底键合

工艺路线

（3）聚合物晶圆键合概述

概念

　　中间聚合物在两个晶圆表面形成并将其保持在一起的键合，晶圆界面结合后，通过加压让晶圆界面紧密接触。

原理

　　在需键合的两个晶圆间涂覆聚合物层，承受粘结两个晶圆表面的作用力，聚合物与晶圆界面间的聚合力，由一种或多种基本的分子键和相互作用力，包括共价键、离子键、偶极子-偶极子交互作用、范德瓦斯交互作用等，目前提出关于键合的理论有吸附理论、化学键合、扩散理论、静电吸引、机械互锁、弱边界层理论等。

特性

　　优势：相对较低的键合温度、晶圆表面不平度的不敏感、适用于标准CMOS晶圆与任何晶圆材料的结合
　　问题：有限的温度稳定性、不能对气体/水分密封键合

影响因素

　　聚合物粘合剂性能——对晶圆表面提供足够的浸润性
　　晶圆表面颗粒数量和尺寸——无颗粒表面是最佳表面
　　晶圆表面不平度
　　聚合物粘合剂层厚度
　　键合压力——键合夹具施加的作用力除以键合面积
　　晶圆键合开始前键合腔室大气条件——气压在100mbar下足以使气体不停留在键合界面
　　晶圆刚度——薄晶圆和低杨氏模量的晶圆更容易变形以补充表面不均匀性

工艺路线

聚合物晶圆键合对准方式

数字图像进行的晶圆背面对准、SmartView方法、衬底间的显微技术、红外透射显微技术、光学显微镜观察对准技术等

防止对准偏移的措施

　　1）使用在键合过程中不回流并且不会转变成低粘度相的聚合物粘合剂。缺点是只适用于具有较低或没有表面形貌的晶圆键合，此时聚合物不必重新分布，以防止孔洞形成。

　　2）在晶圆引入不涂覆聚合物粘合剂以及键合过程中不回流的表面结构；

　　3）引入键对准结构，机械式地使晶圆互锁防止偏移。

（4）阳极键合

概念

　　阳极键合技术也称为场辅助密封、静电键合。

原理

　　含碱玻璃极化——将键合的两晶圆放置在一个加热板（300-450℃）上，在两端加上约400-1000V的DC电压
　　实现紧密接触——初始状态由于表面粗糙型晶圆和玻璃会有间隙，后由于电压降产生间电力将接触区域全部拉紧，保持晶圆处于较强的静电压力下
　　界面反应——界面发生化学反应，使Si衬底氧化，实现与玻璃永久性键合

材料

　　所需玻璃的标准：碱性金属离子含量使玻璃在键合温度下有足够大的导电性　　
　　玻璃和阳极材料之间的热失配程度
　　常用：Corning 770 （耐热）、 Schott Borofloat

影响因素
　　特殊：HOYA’S SD-2玻璃，专为硅晶圆的阳极键合设计

　　温度、电压越高，峰值电流越大，完成键合时间越短
　　玻璃越厚，电阻大，降低有效电压，形成弱键合
　　真空中进行要比在大气压下进行的慢
　　键合强度：断裂实验，5-45MPa
　　密封性：测谐振微机械器件压敏品质因数
　　热残余压力：由键合引起的压力由键合工艺前后测量的曲率计算得到

工艺路线