從平面SoC向3D-IC和先進封裝的轉(zhuǎn)變，需要更薄的晶圓，以提高性能、降低功耗，縮短信號傳輸所需的距離以及驅(qū)動信號所需的能量。
對超薄晶圓有需求的市場正在不斷擴大。一個由12個DRAM芯片和一個基礎邏輯芯片組成的HBM模塊的總厚度，仍小于一片原生硅晶圓的厚度。在為人工智能應用組裝扇出型晶圓級封裝以及先進的2.5D和3D封裝方面，薄晶圓也起著關鍵作用，而這些人工智能應用的增長速度比主流IC要快得多。再加上行業(yè)對輕薄手機、可穿戴設備和醫(yī)療電子產(chǎn)品的需求，似乎如果沒有可靠地加工薄硅晶圓的能力，現(xiàn)代微電子將難以實現(xiàn)。
薄硅通孔(TSV)的顯露工藝是一種需要進行背面處理的經(jīng)典工藝。Amkor Technology先進3D/技術(shù)總監(jiān)Rick Reed表示：“在當前的許多應用中，引入硅通孔需要非常可控的減薄工藝，而且由于幾乎總是需要進行背面處理，這一工藝立即需要用到臨時鍵合和解鍵合工藝。”
任何晶圓減薄工藝的第一步都是確定目標。“如果硅片上有所謂的盲TSV，并且您又不了解晶圓中所有TSV的深度范圍，那么就有可能研磨到其中一些TSV，”Reed解釋道，“由于銅在硅片中擴散速度很快，它會導致漏電。而且它也會污研磨輪，因此后續(xù)的晶圓上就會沾上銅。”
在薄型器件晶圓的減薄和加工過程中，需要做出幾個關鍵決策。哪種臨時鍵合粘合劑與工藝流程最兼容？它能否在包括CMP和高溫沉積等多種工藝過程中，將薄晶圓固定到位，并在加工完成后又能被干凈地去除？哪種載體晶圓最適合該應用，是硅晶圓還是玻璃晶圓？在幾種主流的解鍵合工藝中，哪種工藝能夠在加工完成后以合理的成本最好地去除粘合劑？
盡管有載體晶圓（也稱為處理晶圓）提供保護，但超薄晶圓依然脆弱易碎。這使得它們?nèi)菀资艿綋p壞，在減薄過程中以及在隨后的高溫工藝（如等離子增強化學氣相沉積，PECVD）中出現(xiàn)微碎裂和裂紋。當超薄晶圓經(jīng)歷光刻圖案化、PECVD、回流、切割和解鍵合（去除載體）時，損壞是影響良率的最大威脅。此外，由于晶圓之間的翹曲和/或空隙形成，還可能出現(xiàn)其他問題。
晶圓邊緣在斜面處是圓形的，但在減薄后，這一形狀會發(fā)生變化。“因此，如果你對設備晶圓進行研磨，通常會得到一個非常尖銳的邊緣，在理想情況下基本上只有一個原子那么薄，”蘇斯公司（Suss）的產(chǎn)品經(jīng)理托馬斯?拉普斯（Thomas Rapps）表示，“它非常脆弱。邊緣碎裂意味著邊緣的一部分會破裂，也可能引發(fā)貫穿整個晶圓的裂縫。因此，為了防止這種情況發(fā)生，通常會進行邊緣切割，這也需要使用研磨輪。你要在晶圓邊緣切割出一個臺階，這個臺階的深度至少要達到最終晶圓的厚度。”
除了處理關鍵的良率問題，芯片制造商還在尋求適合其特定器件類型的解決方案，而設備可靠性是首要要求。Lam Research產(chǎn)品營銷總監(jiān)Ian Latchford表示：“隨著器件越來越復雜，應用也變得越來越具體。客戶需要精度，并且希望每次都有可重復的工藝。他們不想要通用的解決方案，而是想要每次都以同樣的方式運行且生產(chǎn)率高的解決方案。”
為了滿足這些需求，業(yè)界正在完善減薄步驟、粘合劑和去除劑的化學成分，以及臨時鍵合和解鍵合工藝（見圖1）。粘合劑通常是一種有機熱固性或熱塑性材料，通過旋涂的方式涂覆在載體晶圓上，而更薄的解鍵合材料通常旋涂在設備晶圓上。鍵合是在真空熱壓(TCB)或通過紫外線照射來完成的。載體晶圓為設備晶圓的減薄和加工提供了基礎，直到在解鍵合過程中使用去除劑。
圖1：臨時鍵合（上）和解鍵合（下）的工藝流程。
圖源：Suss
硅與玻璃載體晶圓
業(yè)界既使用玻璃載體晶圓，也使用硅載體晶圓。玻璃成為流行載體的原因之一是，其熱膨脹系數(shù)(CTE)可以設計得接近硅的熱膨脹系數(shù)，從而確保了它與堆疊結(jié)構(gòu)中其他材料的兼容性。例如，硼硅酸鹽玻璃的CTE接近硅的CTE，在較寬的溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定，并且它可以讓紅外（IR）或紫外（UV）激光穿過其表面，從而激活解鍵合釋放層。
Brewer Science業(yè)務開發(fā)工程師Hamed Gholami Derami表示：“對于機械解鍵合和紅外激光解鍵合，根據(jù)工藝要求，既可以使用硅載體，也可以使用玻璃載體。但對于紫外激光和光子解鍵合，則必須使用玻璃載體。”
硅載體晶圓具有吸引力，部分原因在于硅與所有晶圓加工設備和靜電吸盤都兼容。硅的CTE與硅器件的CTE完全匹配。硅的最后一個優(yōu)勢是，與玻璃晶圓相比，它能以更低的成本實現(xiàn)更低的TTV（總厚度變化）。
臨時鍵合的工作原理
在將一片晶圓臨時堆疊到另一片晶圓上時，工程師通常會使用載體晶圓、“膠水”或臨時鍵合粘合劑，以及便于加工后移除的釋放層。在少數(shù)情況下，單個粘合劑層即可完成這兩項任務。重要的是，鍵合和解鍵合機制協(xié)同工作，使得加工后的材料從載體上釋放后能夠別干凈地移除。
有多個標準可以衡量一種粘合劑的優(yōu)劣。它可在低溫下實現(xiàn)鍵合，同時又能經(jīng)受高溫加工。它必須通過旋涂的方式在300毫米的表面上均勻沉積，而且還要實現(xiàn)高度的鍵合均勻性。
但適用于一種應用的方法可能不適用于另一種應用。Suss的Rapps表示：“主要問題在于，基本上沒有一種適用于所有可能工藝流程的解決方案，而材料選擇最重要的標準是溫度穩(wěn)定性。在臨時鍵合和去鍵合之間的下游工藝中，最高溫度是多少呢？有很多材料能夠承受高達250℃的溫度，這是因為如果你進行回流操作，通常不需要高于這個溫度。但只有少數(shù)材料能夠承受350℃的高溫。”
旋涂提供了一定程度的工藝靈活性。Rapps表示：“通過旋涂，你可以使材料平整，這樣它也可以嵌入某些特征結(jié)構(gòu)。因此，粘合劑有兩種功能——作為粘合劑，同時它還能使嵌入的特征結(jié)構(gòu)平整，這些特征結(jié)構(gòu)的表面形貌可能非常低或非常高。因此，在旋涂之后，我們會烘烤晶圓，然后將進行鍵合。而且通常這種材料需要固化以穩(wěn)定鍵合效果，但這確實要具體看所采用的材料解決方案。”
晶圓減薄要點
接下來，晶圓將逐步減薄。要將晶圓減薄至100μm以下，需要在研磨、CMP和蝕刻工藝之間實現(xiàn)微妙的平衡，以滿足TTV的嚴格規(guī)范，TTV是晶圓上最厚和最薄測量值之間的差值。對于硅晶圓，通常使用激光干涉儀在晶圓的數(shù)百個點上進行測量，而TTV是大批量制造中必須保持的晶圓間和批次間的質(zhì)量指標。
減薄晶圓有點像打磨木材。先從粗磨開始，然后使用越來越細的砂紙打磨，以獲得最光滑的最終效果。對于晶圓，每個步驟都能提高晶圓表明的均勻性，并降低TTV。
西亞系統(tǒng)公司（scia Systems）的產(chǎn)品與技術(shù)總監(jiān)Matthias Nestler解釋道：“最粗糙的方法是晶圓研磨步驟，這會使最終的厚度變化范圍達到幾微米。CMP步驟比晶圓研磨更精確，在這一步驟中，厚度變化可以達到幾百納米。接下來，通過等離子體蝕刻，厚度變化可以達到10到100納米。或者，以離子束蝕刻作為最后一步，在最佳情況下，我們可以將晶圓的厚度變化縮小到原來的二十分之一，也就是說，250納米的厚度變化可以減小到25納米，而且如果采用中間帶有測量步驟的兩步式修整工藝，我們還能做得更好。”
鑒于總厚度變化的重要性，工程師們熱衷于量化減薄和加工過程中的變化因素。“我們在硅通孔（TSV）顯露工藝中使用玻璃載體，但即使是能買到最好的玻璃，其晶圓上的TTV也只有1微米，”Amkor的Reed表示，“然后，當我們在上面涂上粘合劑時，這會增加幾微米的厚度變化。然后，我們的研磨工藝非常均勻，但仍然會引入大約2微米的TTV。”
干法蝕刻也會引入厚度變化，這種變化可能呈徑向分布。“所以總結(jié)下來，大約會有5微米的厚度變化。”Reed表示。
確保TSV顯露工藝精確的要點包括：
繪制由博世蝕刻法在硅中確定的TSV深度；
均勻旋涂鍵合粘合膠及解鍵合釋放層，后進行烘烤、固化和鍵合；
采用粗磨、中磨和細磨方式將硅背面研磨至距TSV底部10微米以內(nèi)，達到鏡面效果；
CMP粗磨、中磨、精磨；
利用等離子蝕顯露TSV；
沉積氮化硅薄膜作為拋光終止層；
在TSV頂部沉積厚的二氧化硅層；
再次進行CMP以顯露TSV。
另一個需要密切監(jiān)測的參數(shù)是溫度。“我們現(xiàn)在正在對CMP工藝的溫度進行原位控制，總體來說，這對CMP工藝有很多好處，”Axus Technology首席執(zhí)行 Dan Trojan說道，“主要的溫度限制因素是由聚氨酯制成的拋光墊的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。當超過此溫度時，聚合物會從液體變?yōu)楣腆w，此時摩擦力會大得多，并且很快就會出現(xiàn)問題。所以我們有一種方法可以在不稀釋研磨液的情況下對加工墊表面進行基本冷卻，這也有助于提高去除率。我們還使用多區(qū)膜載體在晶圓上局部施加不同的壓力，而不是只施加一種壓力。”
目前，硅中介層最常見的TSV架構(gòu)可能采用直徑11微米、深度110微米的TSV，其中阻擋金屬層和氧化物絕緣層占了1微米的直徑。盡管已經(jīng)證實能夠制造例如深度55微米、直徑5微米的TSV，但目前業(yè)界似乎仍堅持使用更厚、更昂貴的100微米硅中介層。
處理背面和邊緣缺陷
在薄晶圓工藝中，工程師面臨的最常見問題是如何防止缺陷或微裂紋，尤其是在晶圓邊緣。
僅在晶圓邊緣進行的選擇性等離子蝕刻有助于去除邊緣缺陷，而選擇性CVD可以鈍化邊緣。“在3D封裝領域，堆疊的晶圓結(jié)構(gòu)需要一些材料來填充邊緣的間隙，”Lam Research的Latchford表示，“由于CMP過程中產(chǎn)生的邊緣滾降現(xiàn)象，器件制造商在邊緣輪廓方面遇到了很多問題。然后他們必須對器件晶圓進行減薄處理，最終可能會導致邊緣開裂，這對良率產(chǎn)生嚴重影響。所以實際上，我們在此處沉積了幾微米厚的二氧化硅薄膜，以便在鍵合晶圓的工藝流程應用中填充間隙。”
等離子蝕刻或離子束蝕刻工藝還可以消除CMP過程中引起的任何缺陷，例如壓表面劃痕、所謂的凹坑（硅晶格中的凹痕）和污漬。
尋找正確的釋放方法
對于解鍵合工藝，紫外線和紅外線激光燒蝕以及光子解鍵合已成為主要的機械分離機制，因為它們與大型薄晶圓格式（300毫米晶圓，50μm厚）兼容，并且與熱滑動和化學浸沒方法相比，能夠在對器件造成最小損傷的情況下分離晶圓（見圖2）。
圖2：最流行的晶圓解鍵合方法。
圖源：Brewer Science
熱滑動解鍵合使用熔點較低的聚合物，即熱塑性塑料，這種聚合物在受熱時會流動，以便于滑動和分離。遺憾的是，這種方法與諸如金屬PVD或電介質(zhì)的PECVD等熱工藝不兼容，因為這些熱工藝會產(chǎn)生強大的應力，可能導致晶圓破裂。熱滑動解鍵合還會使器件受到不必要的更多熱暴露，因為其它解鍵合方法可在室溫下進行。盡管如此，熱滑動解鍵合仍是一種低成本方法，對于較小且稍厚的襯底來說，仍然是一種有用的選擇。
化學溶解的工作原理是將鍵合對浸入溶劑中，穿孔載體晶圓可以幫助加快該過程。溶劑消耗量大和處理量低阻礙了化學解鍵合方法的廣泛應用。
光子解鍵合是一種相對較新的解鍵合方法，它使用脈沖寬帶光源，通過將光吸收層作為無機金屬釋放層，來使臨時鍵合的晶圓對實現(xiàn)解鍵合。光子解鍵合的一個優(yōu)點是，與激光燒蝕方法相比，它的成本更低、處理速度更快，并且對釋放層焦距的變化容忍度較高。這使得它適用于具有一定翹曲或彎曲的鍵合晶圓對。對于那些將基板減薄到20μm以下，并使用非常高的下游溫度工藝（在這種工藝中，粘附力和TTV的控制至關重要）的應用，光子解鍵合可能是一種首選的解鍵合方法。
機械解鍵合（又稱機械剝離）是將刀片插入晶圓對之間，以物理方式將它們分離。這種方法要求器件晶圓能夠承受一定的物理應力。
激光燒蝕使用紫外線激光（254、308或355nm）或紅外線（1064nm）激光，再配合調(diào)諧到相應波長的釋放層，通過吸收照明能量、發(fā)生化學變化并實現(xiàn)分離。它是最快的解鍵合方法，每小時大約可以處理20到30片晶圓，對晶圓產(chǎn)生的應力也很小。但是，可能需要一個屏蔽層，來減少激光聲波對器件造成的任何損害。
結(jié)論
晶圓減薄、臨時鍵合、薄晶圓加工和解鍵合方法，正成為2.5D和3D封裝、晶圓堆疊和晶圓級扇出型封裝中必不可少的工藝步驟。芯片制造商正在與供應商密切合作，選擇合適的粘合劑、釋放材料、鍵合機、解鍵合方法、研磨、CMP、蝕刻和清潔工藝，從而能夠以高良率和可靠性生產(chǎn)出厚度小于50μm的超薄器件。這需要熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和對晶圓邊緣的關注，在運用這些關鍵的薄晶圓工藝時，所有這些要素都是降低潛在缺陷、提高良率所必需的。
