本文刊載于《集成技術》2021年第1期專題“深圳先進電子材料國際創新研究院專題”

摘要  Abstract

臨時鍵合技術作為一項解決先進制造與封裝的關鍵工藝，可為薄晶圓器件的加工提供一種高可靠性的解決方案。該文成功研發出熱滑移解鍵合和紫外激光解鍵合兩種不同解鍵合方式的臨時鍵合材料。結果顯示，與國外同類產品相比，熱滑移臨時鍵合材料 WLP TB130 和 WLP TB140 具有更高的耐熱性，5% 的熱失重溫度均大于400 ℃，同時也具有更好的耐化性，其中 WLP TB140 可在 160 ℃ 實 現低溫解鍵合。紫外激光解鍵合材料為 WLP TB4130 與 WLP LB210 配合使用(WLP TB4130 作為黏結層，WLP LB210 作為激光釋放層)，超薄器件晶圓鍵合對通過激光解鍵合方式實現室溫、無應力地與支撐晶圓分離。

1 引 言

隨著消費類電子產品的快速更新換代，5G通信 CPU/GPU 等高端芯片也朝著高頻高速、多功能、高性能、小體積和高可靠性等方向發展。為了滿足集成電路芯片微型化、多功能化和智能化的要求，摩爾定律的發展也受到物理極限的挑戰，而封裝技術在集成電路芯片制造中將起到助力摩爾定律持續發展的作用。因此，先進封裝技術的發展主要集中到三維堆疊封裝上，這樣不僅減小了封裝體積，而且提高了電路性能、減小了寄生效應和時間延遲。當前集成電路有兩個重要特征，一是前道制造接近物理極限，摩爾定律發展趨緩；二是微電子產品的多元化，智能移動終端、物聯網、人工智能、5G 通訊等百花齊放。為滿足集成電路性能的多功能化及產品的多元化需求，推動了 3D-IC、系統級封裝、異質集成等新技術的不斷涌現。上述技術中，芯片或封裝體的減薄和拿持技術愈發重要，但無一例外都面臨著超薄圓片的拿持問題，因此臨時鍵合技術 作為先進制造與封裝的關鍵工藝受到越來越多的關注。其主要原因是因為：(1)隨著先進封裝中芯片尺寸的縮小，芯片晶圓越來越薄，容易出現卷曲甚至破片，因此在芯片制造流程中為了拿持超薄晶圓就必須采用臨時鍵合技術將其臨時黏接在厚載片上；(2)在扇出型(Fan Out)晶圓級封裝中，重構的塑封料晶圓翹曲較大，不利于后續作業制程，需要臨時鍵合技術來提高封裝精度；(3)超薄器件的“增材制造”同樣需要臨時鍵合技術來支撐超薄器件層的半導體工藝制程；(4)III-V 族化合物半導體材質性脆，為了防止加工過程中出現破碎，同樣離不開臨時鍵合技術。

臨時鍵合/解鍵合作為超薄晶圓減薄、拿持的核心技術，通過將器件晶圓固定在承載晶圓上，可為超薄器件晶圓提供足夠的機械支撐，保證器件晶圓能夠順利安全地完成后續工藝制程， 如光刻、刻蝕、鈍化、濺射、電鍍和回流焊等。在先進封裝制程快速發展的當下，臨時鍵合/ 解鍵合技術已經得到大力發展并廣泛運用到了晶圓級封裝(WLP)領域，如 PoP 層疊封裝、扇出型封裝、eWLB、硅通孔(TSV)、2.5D/3D 封裝等。而隨著先進封裝趨勢向著更復雜的異質集成、更大的封裝載體、更薄的芯片以及更小的封裝尺寸等方向發展，臨時鍵合技術的發展同 樣也不斷迭代，以滿足封裝技術飛速發展的需要。

自 2000 年至今，臨時鍵合材料的發展已經迭代了四次，其主要區別在于各代的解鍵合方式不同，具體如表 1 所示。其中熱滑移解鍵合和紫外激光解鍵合是最廣泛使用的兩種臨時鍵合材料系統解決方案，二者各有優勢。隨著材料和工藝技術的不斷進步，臨時鍵合解決方案必將成為推動先進封裝技術不斷發展的重要組成部分。

美國 Brewer Science 公司在 20 世紀初就開始研發臨時鍵合材料產品，其早期開發的熱滑移解鍵合材料 WaferBond HT-10.10 和最新的紫外激光解鍵合材料 WaferBond 305 及 WaferBond 701占據國內主要市場，但其熱滑移解鍵合材料 WaferBond HT-10.10 仍然存在耐化性差、耐熱性不好和解鍵合溫度較高等問題。

本文作者團隊聯合深圳市化訊半導體材料有限公司(以下簡稱“化訊半導體”)開展產學研協同攻關，成功開發出熱滑移解鍵合和紫外激光解鍵合兩種不同解鍵合方式的臨時鍵合材料，解決了臨時鍵合材料耐熱性能和耐化學腐蝕性問題，同時成功通過多家行業龍頭封裝客戶的工藝驗證，實現規模化應用。需要說明的是，化訊半導體于 2020 年 6 月已在互聯網“芯思想”上對與本文臨時鍵合材料相關的產品進 行線上推廣。

2 實 驗

2.1  臨時鍵合膠體系

本文實驗涉及的臨時鍵合材料及配套清洗劑類型包括熱滑移臨時鍵合材料(WLP TB130 或 WLP TB140)、紫外激光解鍵合材料(WLP LB210 和 WLP TB4130)和臨時鍵合材料清洗劑 WLP TBR2。其中，以上材料均由深圳市化訊半導體材料有限公司提供。

2.2  方法及表征

臨時鍵合材料通過旋涂儀(WS-650-8B，美國 Laurell 科技公司)分別旋涂于 8 寸晶圓上，隨后通過熱板(NDK-2K，日本亞速旺株式會社)分別進行固化。其中，臨時鍵合材料烘烤工藝為：100 ℃，5 min；220 ℃，10 min。WLP LB210 烘烤工藝為：115 ℃，5 min；300 ℃，10 min。

涂覆臨時鍵合材料的晶圓通過鍵合設備(SWB200/30L，上海微電子裝備集團股份有限公 司)進行熱壓鍵合。其中，WLP TB130 鍵合條件 為：180 ℃，3 kN，保溫 10 min；WLP TB140 鍵合條件為：130 ℃，2 kN，保溫 10 min；WLP TB4130 和 WLP LB210 鍵合條件為：200 ℃，5 kN，保溫 10 min。

熱滑移晶圓對通過解鍵合設備(SWD100/10，上海微電子裝備集團股份有限公司)進行解鍵合。其中，WLP TB130 解鍵合條件：190 ℃，160 N；WLP TB140 解鍵合條件：160 ℃，160 N。紫外激光鍵合晶圓對通過 355 nm 紫外激光設備。(DSI-SLLO660，大族激光科技股份有限公司)于 200 mJ/cm2技術 2021 年的能量密度下照射解鍵合

材料的熱穩定性通過熱重分析儀(Q600，美國 TA 儀器公司)進行測試。具體地，待臨時鍵合材料揮發去除溶劑后，對固體材料進行測試——采用空氣氛圍，氣流量為 100 mL/min， 起始溫度為 30 ℃，終止溫度為 800 ℃，升溫速率 10 ℃/min，樣品質量約為 10 mg。

材料的高溫流變性能通過模塊化智能型高級流變儀(MCR302，奧地利安東帕中國有限公司) 進行測試。具體地，待臨時鍵合材料揮發去除溶劑后，對固體材料進行測試，溫度從 250 ℃ 逐步降到 150 ℃，測試不同溫度條件下的黏度。

硅片和玻璃鍵合對缺陷通過超聲掃描顯微鏡(D9600，Sonoscan 公司)測試——其中采用 230 MHz 高頻探頭。

紫外透過率為采用紫外可見近紅外分光光度計(UV-3600，島津企業管理(中國)有限公司)測試樣品在 200～400 nm 波段的結果。

3 結果與討論

3.1  熱滑移解鍵合

針對熱滑移解鍵合系統，本文作者團隊開發了臨時鍵合材料 WLP TB130 和 WLP TB140，其解鍵合工藝如圖 1 所示。

熱滑移解鍵合臨時鍵合材料包括 WLP TB130 和 WLP TB140 兩種材料，適用于 4～8 inch 的微機電系統(MEMS)、化合物半導體晶圓的臨時鍵合。兩款材料(WLP TB130 和 WLP TB140)為同種結構的高分子聚合物，其化學穩定性、材料的耐熱性相同，制程耐受溫度均可達到 250 ℃，相應關鍵物性如表 2 所示。

3.1.1 高溫流變性能及解鍵合溫度

臨時鍵合材料 WLP TB130 和 WLP TB140 為 熱塑性聚合物，其作為臨時黏合劑材料的主要原理是因其在加熱時可以發生可逆軟化。一般地，可逆軟化性能可以通過材料熔體高溫流變曲線來描述。其中，高溫流變曲線是一種表征聚合物材料的高溫黏度和溫度之間關系的方法。圖 2 所示為 WLP TB130、WLP TB140 和 HT-10.10 的黏度與溫度的關系曲線。在 190 ℃ 時，HT-10.10 的黏度為 213 Pa·s，WLP TB130 的黏度為 255 Pa·s，二 者在此溫度下黏度相當，故均可實現 190 ℃ 解鍵 合。在 160 ℃ 時，HT-10.10 的黏度為 491 Pa·s，WLP TB130 的黏度為 1 010 Pa·s，WLP TB140 的黏度為 172 Pa·s。由此可見，相對于 WLP TB130 和 HT-10.10，臨時鍵合材料 WLP TB140 可以在較低的溫度使器件晶圓與載體晶圓更容易解鍵合。

與 WLP TB140 相比，WLP TB130 在高溫下具有更高的黏度，因此其鍵合溫度和解鍵合溫度會略高，但高溫下尺寸穩定性較好，更適用于高溫高精度加工工藝制程需求。而 WLP TB140 在高溫下黏度較低，其中鍵合溫度可低至 130 ℃、 解鍵合溫度低至 160 ℃，更有助于產線的節能降耗和產能提高。

3.1.2 熱穩定性能 

臨時鍵合材料作為一種半導體制程的過程材料，要求材料具有較高的熱穩定性，能夠使其在高溫高真空制程，如在介質層固化工藝 (約 200 ℃)、回流焊(約 260 ℃)、PECVD(約150～200 ℃)等制程中，依然保持良好性能，不會因材料受熱分解產生氣體而產生“雪花狀”缺陷，甚至鍵合對分層。而熱失重曲線是一種表征聚合物材料失重比例和溫度之間關系的方法。圖 3 所示為 WLP TB130、WLP TB140 和 HT-10.10 熱失重曲線。從圖 3 可看出，WLP TB130 在 空氣氛圍質量損失 5％ 時的溫度大于 416 ℃， WLP TB140 在空氣氛圍質量損失 5％ 時的溫度大于 423 ℃，而在同等條件下，美國 Brewer Science 公司開發的 WaferBond HT-10.10 在 380 ℃ 的失重已經超過 5%。由此可見，與 HT-10.10相比，WLP TB130 和 WLP TB140 具有更好的耐熱性能，能夠滿足半導體高溫制程的要求。

3.1.3 耐化學腐蝕性能

在超薄晶圓加工制程中，臨時鍵合材料需要在 不同溫度下經歷氧化劑、強酸、強堿及多種有機溶劑等濕制程，因此臨時鍵合材料具有良好的化學穩定性顯得至關重要。臨時鍵合材料 WLP TB130 和 WLP TB140 是非極性聚合物，其具有優異的耐化學腐蝕性能。表 3 為臨時鍵合材料 HT-10.10、 WLP TB130 和 WLP TB140 化學穩定性測試結果。從測試結果可以看出，在不同溫度及藥液測試條件下，WLP TB130 和 WLP TB140 鍵合對未出現分層腐蝕現象。由于 HT-10.10 不耐濃硫酸和濃鹽酸，因此 WLP TB130 和 WLP TB140 具有更好的耐化學腐蝕性能。

3.2  紫外激光解鍵合

紫外激光解鍵合的臨時鍵合材料系統由激光釋放材料(WLP LB210)和臨時鍵合材料(WLP TB4130) 兩種材料組成。其中，WLP TB4130 主要起到黏結層作用；WLP LB210 作為激光響應層，可以吸收特定波長的特性使得其能吸收絕大部分紫外激光的能量，并將光子能量轉化為化學鍵斷鍵的能量，使得其分解失去黏性，并最終實現薄晶圓的高效、室溫、低應力分離。相應臨時鍵合工藝路線如圖 4 所示。

該臨時鍵合材料適用于諸如 Si interposer、eWLB、Fan-in、Fan-out、2.5D/3D 等行業領先的先進封裝工藝平臺，兼容 4～12 inch 多種基底與器件晶圓的臨時鍵合。該材料關鍵物性如表 4 所示。

3.2.1 熱穩定性能 

WLP TB4130 和 WLP LB210 材料都具有較高的熱穩定性，使其能夠滿足半導體超薄芯片制造的高溫高真空制程。圖 5 為 WLP TB4130 和 WLP LB210 的熱失重曲線。從圖 5 可以看出， WLP LB210 的熱穩定性較高，在氮氣氛圍條件下質量損失 5％ 的溫度為 597 ℃，WLP TB4130 在空氣氛圍條件下質量損失 5％ 時的溫度為 424 ℃， 表明紫外激光解鍵合的臨時鍵合材料具有良好的耐熱性能。

3.2.2 化學穩定性能 

臨時鍵合材料 WLP TB4130 為非極性熱塑性聚合物，其具有優異的耐化學腐蝕性能，而激光釋放層材料 WLP LB210 為極性熱固性聚合物，高溫交聯固化后具有優異的耐化學腐蝕性。表 5 為臨時鍵合材料 WLP TB4130 和 WLP LB210 鍵合對化學穩定性測試結果。從表 5 可以看出，在不同溫度及濕制程藥液測試條件下，鍵合對未出現分層腐蝕現象。

3.2.3 紫外透過率分析

紫外激光解鍵合的臨時鍵合材料系統在完成所有制程后，超薄器件晶圓通過紫外激光解鍵合方式實現室溫、無應力地與支撐晶圓分離，因此紫外透過率具有很重要的作用。圖 6 為臨時鍵合材料 WLP TB4130 和 WLP LB210 紫外光透過率。從圖 6 可以看出，當膜厚為 21 μm 時，WLP LB4130 在 355 nm 處的紫外透過率為 87％，對紫外激光吸收較低。當膜厚為 566 nm 時，WLP LB210 在 355 nm 處的紫外光透過率為 4.96％，表明激光釋放層材料 WLP LB210 在 355 nm 時具有較高的紫外吸收率。

3.3  半導體制程表現

3.3.1 減薄及化學機械拋光驗證

集成電路封裝工藝前，需要對器件晶圓背面多余的基體材料去除一定的厚度進行減薄， 然后再進行化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，得到超薄器件芯片。為了驗證熱滑移臨時鍵合材料 WLP TB130 和 WLP TB140，以及紫外激光解鍵合臨時鍵合材料 WLP TB4130 和 WLP LB210 在半導體減薄及CMP 制程中的表現，本文研究了硅晶圓和玻璃鍵合對的減薄及 CMP 工藝，結果如圖 7 所示。鍵合對經過減薄及 CMP 工藝后硅片可減薄至 70 μm 左右，采用超聲掃描顯微鏡檢測結果顯示，臨時鍵合材料鍵合對表面形貌完整，無氣泡、分層等缺陷。面多余的基體材料去除一定的厚度進行減薄，然后再進行化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，得到超薄器件芯片。為了驗證熱滑移臨時鍵合材料 WLP TB130 和 WLP TB140，以及紫外激光解鍵合臨時鍵合材料 WLP TB4130 和 WLP LB210 在半導體減薄及 CMP 制程中的表現，本文研究了硅晶圓和玻璃鍵合對的減薄及 CMP 工藝，結果如圖 7 所示。鍵合對經過減薄及 CMP 工藝后硅片可減薄至 70 μm 左右，采用超聲掃描顯微鏡檢測結果顯示，臨時鍵合材料鍵合對表面形貌完整，無氣泡、分層等缺陷。

3.3.2 高溫工藝驗證 

在臨時鍵合材料使用過程中，超薄芯片需要經過絕緣鈍化(200 ℃，120 min)、回流焊(265 ℃，10 min)等高溫工藝制程。為驗證臨時鍵合材料 WLP TB130、WLP TB140、 WLP TB4130 和 WLP LB210 在高溫制程中的表現，本文研究了硅晶圓和玻璃鍵合對在有氧烤箱中依次經過 250 ℃、2 h 烘烤，循環 4 次的性 能，結果如表 6 所示。經過高溫工藝之后，鍵合對未出現分層、雪花氣泡等缺陷，進一步證明所開發的臨時鍵合材料具有優異的耐熱性。

3.3.3 高溫高真空工藝驗證

在制造過程中，超薄芯片需要經過感應耦合等離子體蝕刻(ICP，150～200 ℃)、物理氣相沉積(PVD，150～200 ℃)、等離子體增強化學的氣相沉積(PECVD，150～200 ℃)等高溫高真空工藝制程。為驗證臨時鍵合材料 WLP TB130、 WLP TB140、WLP TB4130 和 WLP LB210 耐高溫高真空性能，本文研究了硅晶圓和玻璃鍵合對在 200 ℃ 真空烘箱、真空度約 20 Pa 條件下烘烤 1 h 的性能表現，結果如表 7 所示。經過高溫高真空工藝之后，鍵合對未出現分層、雪花氣泡等缺陷，進一步證明臨時鍵合材料具有較高的耐熱性。

3.3.4 解鍵合工藝驗證

熱滑移解鍵合臨時鍵合材料 WLP TB130 或 WLP TB140 鍵合的超薄器件晶圓完成所有制程后，在一定溫度下通過熱滑移解鍵方式分離出來。其中，熱滑移臨時鍵合材料 WLP TB130 鍵合對實現 190 ℃ 解鍵合，WLP TB140 鍵合對實現 160 ℃ 解鍵合。因 WLP TB140 高溫下黏度較低，故可以實現低溫解鍵合。臨時鍵合材料 WLP TB140 解鍵合結果如圖 8 所示。

對于激光解鍵合臨時鍵合材料 WLP TB4130和 WLP LB210 鍵合的超薄器件晶圓，在完成所有制程后，通過激光解鍵合方式可實現室溫、無應力地與支撐晶圓分離。其中，利用 355 nm 紫外激光照射鍵合對后，鍵合對可輕易實現室溫解鍵合，解鍵合結果如圖 9 所示。

3.3.5 清洗工藝驗證

超薄器件晶圓和載體解鍵合后，超薄器件晶圓表面殘留的臨時鍵合材料 WLP TB130、 WLP TB140 或 WLP TB4130 可通過配套清洗劑 WLP TBR2 采用旋涂方式或浸泡方式清洗。清洗前后通過 X 射線能譜(EDS)分析進行表征，結果如圖 10 所示。能譜檢測表明，在清洗前，晶圓上殘留有 C 元素，而經過旋涂或浸泡清洗工藝后，表面無 C 元素殘留，表明清洗過程快捷、效果良好。

4 討論與分析

本文通過現有分析方法，分別對國內外產品的耐熱性、高溫流變性能及耐化性進行了測試對比。測試結果表明，在耐熱性方面，熱滑移解鍵合材料 WLP TB130、WLP TB140 和國外對應臨時鍵合材料 HT-10.10 相比具有明顯優勢。從熱失重曲線來看，WLP TB130 和 WLP TB140 的 5％ 熱失重溫度均大于 400 ℃，而 HT-10.10 在 380 ℃ 的失重已經超過 5%。

在高溫流變性能方面，WLP TB140 在 160 ℃ 時的黏度為 172 Pa·s，比在 190 ℃ 時黏度為 213 Pa·s 的 HT-10.10 和黏度為 255 Pa·s 的 WLP TB130 黏度更低。這表明與 WLP TB130 和 HT-10.10 相比，臨時鍵合材料 WLP TB140 可以在較低的溫度使器件晶圓與載體晶圓更容易解鍵合。在耐化性方面，WLP TB130 和 WLP TB140 鍵合對在對應的制程溶劑中均未出現分層腐蝕現象，而 HT-10.10 不耐濃硫酸和濃鹽酸。由此可見，WLP TB130 和 WLP TB140 耐化學腐蝕性能相對更具優勢。

5 結論

根據解鍵合方式的不同，本文著重研究了兩款應用最廣泛的臨時鍵合材料(熱滑移解鍵合材料和紫外激光解鍵合材料)的工藝性能。結果顯示，熱滑移解鍵合臨時鍵合材料適用于 4～8 inch 的 MEMS、化合物半導體晶圓的臨時鍵合。兩款材料 WLP TB130 和 WLP TB140 均擁有優異的化學穩定性和材料耐熱性能，更低的鍵合溫度有利于更有助于產線的節能降耗和產能提高。紫外激光解鍵合的臨時鍵合材料系統可通過紫外激光解鍵合方式實現室溫、無應力地與支撐晶圓分離。其中激光釋放材料 WLP LB210 和臨時鍵合材料 WLP TB4130 均具有優異的化學穩定性和耐熱穩定性。該解決方案被廣泛應用于 PoP 層疊封裝、扇出型(Fan-out)封裝、eWLB、硅通孔(TSV)、2.5D/3D 封裝等先進封裝制程。

引用本文：劉 強,夏建文,李緒軍,孫德亮,黃明起,陳 偉,張國平,孫 蓉.面向超薄器件加工的臨時鍵合材料解決方案 [J].集成技術,2021,10(1):23-34