晶圓鍵合技術(shù)的新趨勢(shì)

1. 概述

由于光刻的延遲和功率限制的綜合影響，制造商無法水平縮放，因此制造商正在垂直堆疊芯片設(shè)備，含三維集成技術(shù)。

由于移動(dòng)設(shè)備的激增推動(dòng)了對(duì)更小電路尺寸的需求，這已變得至關(guān)重要，但這種轉(zhuǎn)變并不總是那么簡(jiǎn)單。三維集成方案可以采用多種形式，具體取決于所需的互連密度。圖像傳感器和高密度存儲(chǔ)器可能需要將一個(gè)芯片直接堆疊在另一個(gè)芯片上，并通過硅通孔連接，而系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)可能會(huì)將多個(gè)傳感器及其控制邏輯放在一個(gè)重新分配層上。

2. 業(yè)內(nèi)行情

EV Group業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann認(rèn)為，對(duì)于設(shè)計(jì)師來說，關(guān)鍵問題不是如何物理地包含單個(gè)模塊，而是如何集成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。盡管如此，從相對(duì)低密度的扇出晶圓級(jí)封裝到高密度芯片堆疊的所有形式的3D集成都存在一些具有挑戰(zhàn)性的組裝問題。

首先，為了確保一致的機(jī)械和電氣連接，并方便進(jìn)行任何進(jìn)一步的光刻步驟，應(yīng)將復(fù)雜堆疊中的每個(gè)晶片和每個(gè)重新分布層或其他元素平面化。這可以通過拋光，在現(xiàn)有形貌的頂部沉積電介質(zhì)或鍵合劑或同時(shí)在兩者之上實(shí)現(xiàn)。

其次，硅，金屬互連以及諸如鍵合劑之類的輔助材料可以具有非常不同的熱膨脹系數(shù)。組裝過程必須控制應(yīng)力和翹曲，以確保蕞終封裝中的可靠連接。例如，封裝設(shè)計(jì)可能包含可適應(yīng)工藝引起的應(yīng)力的順應(yīng)性材料?；蛘?，它可以通過限制高溫處理來減少應(yīng)力。例如，與需要高溫的鍵合劑相比，可以在室溫下施加和固化的鍵合劑對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)力較小。

蕞后，組裝涉及單個(gè)晶片，由單個(gè)晶片重構(gòu)的晶片以及帶有暴露的硅通孔的薄晶片的精確處理和對(duì)準(zhǔn)。處理步驟可能涉及晶片的正面和背面。例如，在完整的封裝中，芯片可能會(huì)停留在TSV的頂部并通過TSV連接到再分布層，而有源層會(huì)面對(duì)面或面對(duì)面地結(jié)合到另一個(gè)芯片。

確切的處理順序各不相同，但是通常通常必須將晶圓鍵合到一個(gè)或多個(gè)臨時(shí)載體襯底上或從中分離。在去年的IEEE電子元件和技術(shù)會(huì)議上發(fā)表的工作中，布魯爾科學(xué)（Brewer Science）WLP材料部的首席應(yīng)用工程師Shelly Fowler指出，晶圓倒裝很常見。在將晶片轉(zhuǎn)移到后附接的載體上以進(jìn)行進(jìn)一步的前處理之前，前附接的載體允許減薄和其他背面處理。

結(jié)果，正面朝上和背面朝上運(yùn)輸晶圓。

因此，廉價(jià)且可重復(fù)使用的晶圓載體以及堅(jiān)固，可拆卸的鍵合劑層是高級(jí)組裝工藝的基本要素。弟一個(gè)3D集成方案使用的鋼載體在機(jī)械和化學(xué)方面都非常堅(jiān)固，并且能夠承受退火，焊料回流和其他熱過程。

蕞近，玻璃已成為一種選擇的材料。它有利于從載體側(cè)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，并允許使用激光剝離方法（如下所述）。但是，Uhrmann指出，可能需要對(duì)依賴于光或陰影的晶圓檢測(cè)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以容納玻璃載體。完整的生產(chǎn)線可能需要進(jìn)行大量更改。

無論選擇哪種載體，通常都將鍵合劑旋涂，然后固化。晶圓的正面可能需要相對(duì)較厚的一層，以平坦化現(xiàn)有的形貌并保護(hù)電路組件。福勒說，從背面看，平面化的必要性較低，而較薄的層則較不易彎曲。鍵合劑的具體選擇取決于要使用的剝離方法。有四種可能性-化學(xué)，熱，機(jī)械和激光剝離。

圖1  硅晶片鍵合到玻璃載體上

3. 脫膠的優(yōu)缺點(diǎn)

在化學(xué)脫膠中，適當(dāng)?shù)娜軇?huì)溶解鍵合劑，使晶圓從載體上浮下來。對(duì)于大晶圓，此方法很慢，因?yàn)槿軇┲荒軓木A邊緣到達(dá)鍵合劑。程傳安在中國臺(tái)灣國立交通大學(xué)攻讀碩士學(xué)位（目前是Garmin Corp.的機(jī)械工程師）時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然脫膠可以在低溫下進(jìn)行，但發(fā)現(xiàn)了一種可以耐受必要工藝的鍵合劑溶劑可能很困難。

或者，熱脫膠加熱鍵合劑，直到其軟化到足以使晶片滑落為止。該方法快速，簡(jiǎn)單且廉價(jià)，但僅適用于溫度要求適中的封裝方案。應(yīng)用于載體/晶片組合的任何方法都不能超過鍵合劑的軟化溫度。通常，這不包括焊料回流和熱驅(qū)動(dòng)永 久鍵合步驟。另一方面，與熱鍵合劑兼容的低溫工藝不太可能使基材彎曲或翹曲。

EV Group的Uhrmann說，機(jī)械脫膠還提供了相對(duì)狹窄的工藝窗口。鍵合劑必須足夠堅(jiān)固，可以在后續(xù)的工藝步驟中保持滑動(dòng)而不脫層，但必須足夠薄，以便在需要時(shí)易于與載體分離。此方法蕞常用于高度標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，例如堆疊式存儲(chǔ)器。它通常不適合具有多種封裝組件的應(yīng)用。

蕞后，激光脫膠正在成為一種經(jīng)濟(jì)高效的多功能解決方案。透過透明載體的光會(huì)分解鍵合材料，從而導(dǎo)致鍵合失敗。激光脫膠之所以吸引人，部分原因是其數(shù)字特性。鍵合劑是永 久性的，直到激光將其完全分解為止。

當(dāng)可以使用這些選項(xiàng)中的多個(gè)選項(xiàng)時(shí)，成本通常是決定因素。脫膠工藝的成本取決于其產(chǎn)量和驅(qū)動(dòng)該工藝所需的能量（無論是通過熱，光還是機(jī)械工具來提供）。例如，機(jī)械剝離可能比熱剝離需要更少的能量，但比激光剝離要慢。去除鍵合劑殘留物所需的任何其他步驟也將增加總成本。

4. 鍵合劑

化學(xué)和熱脫粘通常使用單層鍵合劑，該鍵合劑還充當(dāng)柔順層，使晶片的鍵合表面平坦化，并容納晶片和載體之間的任何熱膨脹失配。這種材料必須能夠承受晶圓將要執(zhí)行的任何處理步驟。無論是由于應(yīng)力還是化學(xué)分解引起的分層，都可能導(dǎo)致晶片的局部變形，未對(duì)準(zhǔn)以及其他問題。脫膠后，鍵合劑應(yīng)可干凈地除去，而在晶圓或載體上不留殘?jiān)?/span>

相反，機(jī)械剝離和激光剝離通常使用雙層臨時(shí)鍵合劑。應(yīng)用于晶片的弟一層是平坦化鍵合劑。它具有熱穩(wěn)定性，并在處理過程中保護(hù)設(shè)備功能。與載體接觸的第二層是釋放層。在激光剝離中，激光在不影響鍵合劑的情況下分解剝離層，可以通過常規(guī)的剝離方法將其除去。Brewer區(qū)域客戶經(jīng)理Chia-Hsin Lee及其同事發(fā)現(xiàn)玻璃載體上的鈦/銅薄層通過將散射光反射回脫模層來促進(jìn)脫膠。當(dāng)鍵合劑的固化溫度太高時(shí)，Cheng觀察到“雪花”鍵合缺陷。如果鍵合劑層內(nèi)的小袋分解，則會(huì)產(chǎn)生這些缺陷，從而產(chǎn)生可將脫模層推開的氣體。如果鍵合劑直接接觸載體，則脫膠激光器將無法釋放該區(qū)域。

在機(jī)械剝離中，剝離工具會(huì)在鍵合劑層和離型層之間引發(fā)分裂-“就像在兩塊維可牢尼龍搭扣之間”，正如Uhrmann所描述的那樣。脫粘鋒面沿著兩種材料之間清晰定義的界面?zhèn)鞑?。不過，正如FujiFilm的運(yùn)營經(jīng)理Seiya Masuda和他的同事在去年的IEEE電子封裝技術(shù)大會(huì)上所展示的那樣，可以將機(jī)械剝離方法應(yīng)用于單層鍵合劑。

5. 永 久鍵合

鍵合為了處理目的將晶圓鍵合到載體上時(shí)，取決于可移動(dòng)的鍵合劑，封裝組件之間的鍵合必須是永 久的，并提供牢固的電，熱和機(jī)械連接。取決于封裝方案，永 久性結(jié)合可能涉及完整的晶片或單片切塊，其連接到其他晶片或再分配層或中介層。晶圓對(duì)晶圓鍵合優(yōu)于芯片對(duì)芯片鍵合或芯片對(duì)晶圓鍵合，因?yàn)樗商峁└弋a(chǎn)量并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)層之間的對(duì)準(zhǔn)。

一般而言，鍵合表面需要平坦且清潔。形貌可導(dǎo)致空隙或未對(duì)準(zhǔn)，而膠粘劑殘留物和金屬氧化物可降低導(dǎo)電性。在今年的IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議上，IHP Microelectronics的研究人員展示了鋁到鋁的熱壓鍵合。鋁金屬化由于與CMOS工藝兼容而具有吸引力，但表面粗糙度和快速氧化是重大障礙。IHP集團(tuán)采用了真空鍵合工藝，對(duì)焊盤進(jìn)行蝕刻以產(chǎn)生干凈的表面。他們?cè)?/span>300°C的壓力下以60 kN的壓力實(shí)現(xiàn)了牢固的結(jié)合，遠(yuǎn)低于CMOS兼容的500°C極限。

圖2  EVG鍵合機(jī)（點(diǎn)擊查看參數(shù)）

基于銅金屬化的晶圓鍵合工藝可以使用BEOL鑲嵌銅鑲嵌方法以形成焊盤。電介質(zhì)必須能夠抵抗擴(kuò)散（例如BCB樹脂），或者需要單獨(dú)的擴(kuò)散阻擋層（通常為SiC）。盡管CMP是BEOL金屬化的成熟且成熟的工藝，但晶圓間的鍵合會(huì)在劃線道和大型銅鍵合焊盤上呈現(xiàn)出明顯的形貌變化。此外，被鍵合的晶圓可能來自完全不同的晶圓廠，具有不同的工藝和規(guī)格。封裝組裝過程必須能夠解決這些變化。Uhrmann描述了與Imec合作開發(fā)的混合鍵合工藝。依靠范德華力將兩個(gè)晶片拉在一起，這是由于界面處有一層薄薄的水分。加熱合并的疊層會(huì)使銅膨脹，從而完成鍵合。

6. 鍵合和金屬化

本文著眼于隔離中的永 久性晶圓鍵合，它與封裝內(nèi)金屬化密切相關(guān)。焊錫凸塊，銅柱和再分布層以及其他選項(xiàng)都帶來了獨(dú)特的接合問題。