晶圓臨時(shí)鍵合及解鍵合工藝技術(shù)介紹

近紅外焦平面探測(cè)器是紅外技術(shù)領(lǐng)域一次革命性的突破，它具有體積小、成像效果好、溫度靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、航海、通信、夜視和大氣探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為提升探測(cè)器性能，通常采用化合物半導(dǎo)體材料。

其中磷化銦（InP）是III-V 族化合物半導(dǎo)體材料，具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，常溫下禁帶寬度為1.35 eV ，其能帶結(jié)構(gòu)為直接躍遷型，常用于制備0.9～1.7 μm 近紅外波段的激光器和探測(cè)器。

InP 材料在力學(xué)方面具有軟脆的特性，導(dǎo)致100 mm（4 英寸）InP 晶圓在化合物半導(dǎo)體工藝中有顯著的形變和碎裂的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，InP 基化合物半導(dǎo)體光電子器件芯片大部分采用雙面工藝，在晶圓的雙面進(jìn)行半導(dǎo)體工藝。

為保證半導(dǎo)體芯片的相關(guān)性能以及優(yōu)化探測(cè)器的串聯(lián)電阻和散熱等性能，部分芯片需要減薄到100 μm。這使得InP 芯片制造工藝中，具有較大的碎片風(fēng)險(xiǎn)。

為降低減薄工藝中的碎片率，通常采用臨時(shí)鍵合及解鍵合（Temporary Bonding and De-bonding）技術(shù)，在背面減薄前，采用臨時(shí)鍵合的方式將晶圓轉(zhuǎn)移到載片上為其提供強(qiáng)度支撐，完成背面減薄及其他雙面工藝后進(jìn)行解鍵合。該技術(shù)在硅基TSV 互連工藝和3D 堆疊集成封裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而在更加脆弱的化合物半導(dǎo)體工藝中還需要進(jìn)一步研究。本文以100 mm InP 晶圓為原材料，利用鍵合蠟及藍(lán)寶石載片，實(shí)現(xiàn)了具有批產(chǎn)能力的超薄晶圓背面工藝的臨時(shí)鍵合及解鍵合技術(shù)。

1 臨時(shí)鍵合及解鍵合原理

晶圓與鍵合載片鍵合后，鍵合載片可以為晶圓提供機(jī)械支撐；在減薄拋光工藝完成后，通過(guò)解鍵合將晶圓與鍵合載片分離，該過(guò)程稱(chēng)為臨時(shí)鍵合及解鍵合技術(shù)。采用熱壓臨時(shí)鍵合，首先要使得鍵合介質(zhì)（液態(tài)蠟或者液態(tài)膠）通過(guò)旋涂或噴涂方式在晶圓和載片表面均勻涂覆，然后在高溫、真空、外力的鍵合腔室內(nèi)疊放完成鍵合。鍵合層要牢固可靠，不允許有分離、松動(dòng)、氣泡、鏤空等現(xiàn)象存在。

解鍵合技術(shù)根據(jù)不同的鍵合介質(zhì)，劃分為UV光照射（適配UV 干膜）、機(jī)械剝離（適配垂直剝離膠）、激光剝離（適配光敏膠）和熱解滑移（適配熱熔膠）4 種類(lèi)型。UV 光照射解鍵合、機(jī)械剝離解鍵合、激光剝離解鍵合會(huì)產(chǎn)生較大的作用力和污染，不適用于軟脆易碎的InP 晶圓。而熱解滑移解鍵合原理是將晶圓吸附在解鍵合載片上，使用可加熱真空工作臺(tái)加熱并吸附載片與晶圓，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)鍵合介質(zhì)黏稠度的同時(shí)將鍵合載片延水平方向滑移出晶圓。較適用于脆性的InP 晶圓。綜上所述，本文選用熱壓鍵合以及熱滑移解鍵合的方式，實(shí)現(xiàn)100 mm InP 晶圓的臨時(shí)鍵合及解鍵合。

2 臨時(shí)鍵合及解鍵合技術(shù)

本文中的臨時(shí)鍵合、解鍵合、清洗試驗(yàn)采用定制的100 mm 熱壓型臨時(shí)鍵合機(jī)，熱解滑移解鍵合機(jī)，定制型薄片清洗機(jī)。

2.1 臨時(shí)鍵合工藝技術(shù)

臨時(shí)鍵合主要包括3 個(gè)步驟：鍵合介質(zhì)涂覆、前烘固化、晶圓與鍵合載片對(duì)準(zhǔn)，以及真空熱壓。如圖1（a）、（b）所示，在臨時(shí)鍵合工藝過(guò)程中，常見(jiàn)的技術(shù)要點(diǎn)是排除鍵合層的中心及邊緣產(chǎn)生氣泡。

該氣泡引起的鍵合層厚度不均勻或鏤空現(xiàn)象直接導(dǎo)致該區(qū)域在減薄時(shí)因局部失去支撐而碎裂；或因邊緣鍵合層密封不足，使減薄廢料滲入，導(dǎo)致晶圓表面沾污無(wú)法祛除。所以如何優(yōu)化鍵合工藝，避免氣泡的出現(xiàn)是該步驟最大的難點(diǎn)所在。首先，涂覆鍵合介質(zhì)時(shí)，先低轉(zhuǎn)速勻開(kāi)靜置，目的是讓肉眼可見(jiàn)的氣泡自然破裂，然后再高速旋開(kāi)，從而制備滿(mǎn)足一定厚度且均勻的鍵合介質(zhì)層；其次，在前烘固化時(shí)應(yīng)提供一定負(fù)壓的真空，目的是讓肉眼不可見(jiàn)的氣泡通過(guò)真空利用氣壓差使其破裂避免在烘烤時(shí)鼓包，特別注意的是，該負(fù)壓不能過(guò)強(qiáng)，否則鍵合介質(zhì)中大量的揮發(fā)性稀釋劑會(huì)劇烈揮發(fā)產(chǎn)生更多更大的泡沫組織，如圖1 （c）所示；最后，在真空熱壓過(guò)程中，需要通過(guò)調(diào)節(jié)工藝過(guò)程中“溫度—真空—壓力”3 個(gè)共同作用，誘導(dǎo)空隙氣泡移動(dòng)到晶圓邊緣排除。溫度過(guò)低，蠟層黏稠度大流動(dòng)性差，氣泡空隙無(wú)法移動(dòng)到晶圓邊緣順利排除；溫度過(guò)高，蠟層黏稠度低流動(dòng)性佳，蠟層在壓力作用下擠壓溢出，導(dǎo)致厚度偏薄，甚至載片會(huì)因?yàn)橄瀸舆^(guò)薄壓壞晶圓表面僅僅幾微米的芯片。如圖1（d）所示，通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化，以某型號(hào)帶銦凸點(diǎn)的InGaAs 焦平面探測(cè)器為例，成功實(shí)現(xiàn)了100 mm InP 晶圓的臨時(shí)鍵合，并且鍵合層組織致密，無(wú)氣泡。

（ a ） 鍵合層中心氣泡

（ b ） 鍵合層邊緣氣泡

（ c ） 鍵合層氣泡在邊緣聚集

（ d ） 100 mm InP 晶圓成功鍵合圖

圖1 鍵合層中心和邊緣出現(xiàn)氣泡

其另一技術(shù)要點(diǎn)是控制鍵合片的翹曲度（WARP）。翹曲度過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響減薄過(guò)程中的全局平坦化工藝效果，也會(huì)導(dǎo)致解鍵合過(guò)程因受力不均產(chǎn)生更大的碎裂風(fēng)險(xiǎn)。

影響翹曲度WARP的主要因素有3 點(diǎn)：（1）晶圓與鍵合載片各自的熱膨脹系數(shù)及相互匹配；（2）晶圓及鍵合載片本身的厚度和形貌等輸入狀態(tài)；（3） 鍵合工藝技術(shù)調(diào)節(jié)。首先，由于鍵合載片、鍵合介質(zhì)以及InP 晶圓，具有不同的熱膨脹系數(shù)，如表1 所示，InP 晶圓的熱膨脹系數(shù)約為常見(jiàn)Si 晶圓的1.8 倍。不同的材料兩兩鍵合，會(huì)導(dǎo)致晶圓與鍵合載片形成鍵合片之后，InP 晶圓在熱力學(xué)作用下，被鍵合載片的形變強(qiáng)制發(fā)生較大的翹曲變化。

選擇與晶圓材料的熱膨脹系數(shù)相近的鍵合載片材料。藍(lán)寶石載片和InP的熱膨脹系數(shù)較為接近，并且具有光學(xué)透明性質(zhì)。值得注意的是，InP 芯片生產(chǎn)過(guò)程中，由于需要觀察鍵合層的各種狀況，再加上部分特殊工藝需要對(duì)鍵合片進(jìn)行正反雙面圖形對(duì)位曝光，所以，雙面拋光的藍(lán)寶石仍然是100 mm InP 晶圓臨時(shí)鍵合工藝的首選。

為了進(jìn)一步研究晶圓材料以及臨時(shí)鍵合溫度對(duì)鍵合片翹曲度的影響，分別通過(guò)100 mm 的Si、InP、GaAs 晶圓與相同藍(lán)寶石載片以及相同型號(hào)的鍵合介質(zhì)，在150 ℃、190 ℃、220 ℃進(jìn)行臨時(shí)鍵合試實(shí)驗(yàn)，測(cè)量鍵合前后的翹曲度變化。

試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，鍵合前Si 片的翹曲度最低，約為5.27 μm，InP 片的翹曲度最高，達(dá)到了25 μm，是Si 片的5 倍。這是因?yàn)镮nP 片的熱膨脹系數(shù)高于Si 片，在生產(chǎn)過(guò)程以及半導(dǎo)體芯片工藝中各步驟的薄膜應(yīng)力與熱應(yīng)力積累，使材質(zhì)較軟的InP 晶圓更容易產(chǎn)生翹曲。圖中的黑色曲線(xiàn)，是Si 片以及Si- 藍(lán)寶石鍵合后的翹曲度變化?？梢钥吹诫S著鍵合溫度的上升，鍵合后Si 片的翹曲度逐漸由150 ℃的100.5 μm 上升到220 ℃的235.4 μm，特別是220 ℃鍵合后，其翹曲度變化至初始Si 片的47 倍。

這說(shuō)明，隨著鍵合溫度的上升，鍵合片的翹曲度是逐漸升高的。與Si 片相比，InP 片的翹曲度也同樣隨溫度上升有增加，但上升斜率遠(yuǎn)小于Si片。這是因?yàn)镮nP 的熱膨脹系數(shù)與藍(lán)寶石載片更加接近，而Si 的熱膨脹系數(shù)與藍(lán)寶石載片差距較大。值得注意的是，GaAs 片在鍵合后的翹曲度變化最小，隨著溫度的上升，翹曲度變化較為平緩。這可能與GaAs 和藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)極為接近有關(guān)，如表1 所示，GaAs 的熱膨脹系數(shù)為5.7×10-6k-1，而藍(lán)寶石為5.8×10-6k-1。

說(shuō)明晶圓和載片的熱膨脹系數(shù)越接近、鍵合溫度越低，鍵合的翹曲度越小。所以，對(duì)于InP 晶圓，采用藍(lán)寶石載片臨時(shí)鍵合時(shí)，采用低于150 ℃的鍵合溫度，能夠使鍵合片的翹曲度相對(duì)較低。在實(shí)際工藝技術(shù)中，較低的鍵合溫度降低鍵合介質(zhì)的黏稠度，除了會(huì)造成晶圓與鍵合載片面面接觸時(shí)的空隙氣泡不易排出，還會(huì)因施加的面- 面壓力不均勻引起鍵合層的厚度均勻性（TTV）劣化，最終導(dǎo)致晶圓減薄后的厚度均勻性劣化。因此，對(duì)不同的鍵合介質(zhì)和不同InP 晶圓工藝制程的鍵合溫度需要進(jìn)行折中和優(yōu)化。

2.2 解鍵合工藝技術(shù)

解鍵合是在減薄拋光完成后，將InP 晶圓與載片分開(kāi)的技術(shù)。解鍵合是按照翹曲矯正、熱解滑移和晶圓清洗3 個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。在臨時(shí)鍵合后，鍵合片往往會(huì)經(jīng)過(guò)背面減薄拋光或者鍍膜等工藝。這些工藝不僅使得晶圓厚度降低至100 μm 左右，還會(huì)引入機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，使得晶圓發(fā)生嚴(yán)重翹曲。所以，在解鍵合前，必須對(duì)薄片晶圓進(jìn)行翹曲矯正，否則在后續(xù)升溫和滑移解鍵合時(shí)，都會(huì)因?yàn)樾巫冞^(guò)大、受力不均導(dǎo)致晶圓損傷、碎裂。如圖3 所示，在解鍵合前未進(jìn)行翹曲矯正的晶片，解鍵合后出現(xiàn)了嚴(yán)重翹曲和碎裂。

（ a ）解鍵合晶圓碎裂圖

（ b ）解鍵合后晶圓嚴(yán)重翹曲圖

圖3 未翹曲矯正的4 英寸InP 晶圓解鍵合狀況

圖3 未翹曲矯正的4 英寸InP 晶圓解鍵合狀況熱解滑移時(shí)，針對(duì)不同的封裝工藝可以采取兩種方式：（1）將晶圓貼合在藍(lán)膜上，然后在藍(lán)膜下方使用真空吸附加熱，使鍵合層軟化，實(shí)現(xiàn)滑移解鍵合；（2） 是定制多孔SiC 載臺(tái)對(duì)100 mm InP晶圓薄片形成整個(gè)晶圓面的支撐。SiC 載臺(tái)具有一定的透氣性，可連接真空吸附晶圓，釋放真空后，晶圓可以自然脫落，從而避免外力造成晶圓背面的膜層挫傷。

如圖4 所示，即是通過(guò)多孔SiC 載臺(tái)方法，對(duì)超薄100 mm InP 晶圓進(jìn)行熱解滑移。在鍵合介質(zhì)加熱熔化后，InP 晶圓和多孔載臺(tái)被下方真空吸盤(pán)固定，同時(shí)上方的真空吸盤(pán)會(huì)將載片沿著水平方向拖出晶圓外，從而實(shí)現(xiàn)解鍵合。解鍵合的異常情況是劃傷和壓傷，如果鍵合層出現(xiàn)了顆?；蛘呓怄I合前邊緣清洗不徹底，該顆粒會(huì)延著滑移解鍵合的線(xiàn)路在晶圓表面造成劃傷。

（ a ）解鍵合結(jié)構(gòu)示意圖

（ b ）解鍵合劃痕示意圖

（ c ）解鍵合壓傷示意圖

圖4 超薄100 mm InP 晶圓熱解滑移

2.3 晶圓清洗工藝技術(shù)

最后，在晶圓完成解鍵合后，均需要在超薄片狀態(tài)下進(jìn)行清洗，從而移除殘余的鍵合介質(zhì)。在該過(guò)程中，需要首先注意的是100 mm InP 晶圓薄片的碎片率。由于超薄InP 晶圓會(huì)在溶液沖洗和片盒上下過(guò)程中碎裂，無(wú)法使用常規(guī)的片盒式槽式清洗機(jī)。同時(shí)，也無(wú)法使用單片式晶圓清洗機(jī)，因?yàn)椴徽撌菣C(jī)械手臂上下料還是清洗過(guò)程中的溶劑沖力都會(huì)造成晶圓碎裂。

本文中，設(shè)計(jì)多孔載臺(tái)真空吸附的方法，通過(guò)對(duì)100 mm InP 晶圓薄片形成整個(gè)晶圓面的支撐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超薄InP 晶圓的清洗。如圖5 所示，依靠真空將100 mm InP 晶圓與多孔SiC 載片組合到一起，再轉(zhuǎn)移到單片式晶圓清洗機(jī)上，有效地解決了超薄InP 晶圓在清洗過(guò)程中的掉落以及碎片問(wèn)題。

（a ）薄片清洗結(jié)構(gòu)示意圖

（ b ）清洗過(guò)程中晶圓掉落

（ c ）旋轉(zhuǎn)清洗示意圖

圖5 清洗結(jié)構(gòu)示意圖及解鍵合后的InP 晶圓

晶圓清洗的潔凈程度是該步驟最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通常用顆粒度來(lái)表征。清洗步驟是在單片式晶圓清洗機(jī)上，通過(guò)丙酮、異丙醇等有機(jī)溶劑進(jìn)行噴淋沖洗，以去除鍵合殘余的蠟和其他雜質(zhì)。與常規(guī)的晶圓清洗不同，雖然鍵合后的蠟層厚度約為15 μm，但是經(jīng)過(guò)解鍵合之后，殘余蠟在解鍵合滑移的方向上出現(xiàn)明顯的堆積，最高處可達(dá)60 μm。

所以該步驟的清洗應(yīng)具備：對(duì)鍵合蠟層溶解刻蝕和表面微觀顆粒度清洗的兩個(gè)功能。在清洗之前由于鍵合蠟大量殘留，晶圓表面的顆粒度很差，如圖6（a）所示。

在清洗過(guò)程中，要合理調(diào)節(jié)流速、轉(zhuǎn)速、擺臂位置，從而逐漸降低顆粒度，提高晶圓的潔凈程度。如圖6（b），清洗過(guò)程中流速偏低，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法有效清洗表面殘余蠟層，清洗后顆粒度偏高，效果不理想。同時(shí)，清洗過(guò)程中的擺臂位置與晶圓轉(zhuǎn)速不匹配，也容易導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間清洗后，仍然有部分殘余蠟在內(nèi)圈和外圈之間，始終無(wú)法有效祛除。

針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行工藝優(yōu)化，將晶圓轉(zhuǎn)速提升至1 000 r/min，清洗擺臂幅度提升至9°，使用丙酮、異丙醇和去離子水分別清洗后60 s 后，晶圓表面的顆粒度逐漸降低，達(dá)到了較高的清潔度，如圖6（c）所示。

（ a ）清洗前晶圓顆粒度

（ b ）清洗后存在殘余蠟

（ c ）優(yōu)化后顆粒度極低

圖6 超薄InP 晶圓清洗潔凈度

2.4 鍵合層微觀組織結(jié)構(gòu)分析

在實(shí)際生產(chǎn)中的InP 芯片，往往在表面有微結(jié)構(gòu)存在，這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)臨時(shí)鍵合及解鍵合工藝技術(shù)有著更高的要求。如圖7（a）所示，以某型號(hào)帶銦凸點(diǎn)的焦平面探測(cè)器為例，在芯片表面有大量像元間距約為15 μm 的陣列凸起結(jié)構(gòu)，高約5～10 μm，直徑約10 μm?？紤]到不能對(duì)表面微結(jié)構(gòu)造成損壞，所以首先選用了特殊的液態(tài)鍵合蠟，通過(guò)在相對(duì)較低的溫度下前烘固化，保證鍵合蠟層厚度要大于凸起高度。

通過(guò)SEM（掃描電子顯微鏡）分析，鍵合層厚度達(dá)到了15 μm 左右，成功滿(mǎn)足了保護(hù)表面微結(jié)構(gòu)的需求，如圖7（b）所示。同時(shí)，通過(guò)恒溫按壓的方式來(lái)將晶圓和載片鍵合，并在該過(guò)程中反復(fù)抽放5 次真空，實(shí)現(xiàn)了鍵合層的致密無(wú)氣泡。在半導(dǎo)體工藝完成后，將鍵合片加熱到一定溫度，使鍵合介質(zhì)重新熔化。同時(shí)，需要嚴(yán)格控制熱解滑移時(shí)的Z 軸高度范圍，不能對(duì)芯片表面產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，否則就會(huì)導(dǎo)致芯片表面微結(jié)構(gòu)的壓傷和刮傷。

（ a ） 表面微結(jié)構(gòu)凸起圖

（ b ） 鍵合層厚度橫截面圖

圖7 InP 芯片SEM 圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)100 mm（4 英寸）InP 晶圓在減薄拋光工藝過(guò)程中的易碎問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適用于脆性化合物半導(dǎo)體晶圓的臨時(shí)鍵合及解鍵合工藝技術(shù)。通過(guò)工藝優(yōu)化，消除了鍵合中容易產(chǎn)生的氣泡和翹曲問(wèn)題，避免了解鍵合中出現(xiàn)的劃痕問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)對(duì)鍵合層微觀組織結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)一步改進(jìn)了臨時(shí)鍵合及解鍵合技術(shù)，使其不會(huì)對(duì)芯片表面微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞，從而實(shí)現(xiàn)了表面具有微觀結(jié)構(gòu)的超薄100 mm InP 晶圓的臨時(shí)鍵合及解鍵合。該技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，不僅有效地降低了半導(dǎo)體工藝過(guò)程中的碎片率，而且還為化合物半導(dǎo)體工藝提供更好的機(jī)械支撐，有利于突破現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)的瓶頸。