晶圓切割，正在被改變

公眾號記得加星標⭐️，第一時間看推送不會錯過。

來源：內容編譯自etnews。

SK海力士正在改變其晶圓切割工藝，以適應下一代儲存器製造。隨著第六代高頻寬儲存器（HBM4）和400層及以上NAND快閃記憶體晶圓的薄化，現有工藝已達到極限。

據業內人士9日透露，SK海力士計劃在HBM4晶圓切割中引入飛秒開槽和全切割工藝。為此，已確認正在與雷射裝置合作伙伴共同探索新的晶圓切割裝置聯合評估專案（JEP）。目前，該公司已與部分合作夥伴開展技術測試。一位知情人士表示：“SK海力士計劃對現有的晶圓切割方法進行重大改變”，並且“正在與合作伙伴討論多項技術解決方案”。SK海

力士一直以來都使用機械切割（刀片）或隱形切割技術來切割晶圓。機械切割是指用金剛石砂輪切割晶圓，而隱形切割是指在晶圓內部製造裂縫以將其分離。

隱形切割是將半導體電路切割成單個晶片（die）的主流技術，但隨著高階半導體晶圓厚度的不斷減小，該技術也變得越來越難。晶圓厚度在100微米（㎛）左右時，主要採用機械切割；晶圓厚度在50微米左右時，則採用隱形切割。然而，SK海力士正在準備的HBM4晶圓厚度更薄，約為20~30微米。

一位業內人士表示：“如果採用與晶圓厚度不匹配的切割方法，晶圓上很容易產生異物或產生微裂紋”，“這可能會對半導體的良率產生負面影響。”

因此，SK海力士計劃轉向飛秒雷射開槽和全切割方法。飛秒雷射可產生“1/1000萬億分之一秒”的超短雷射脈衝，以減少缺陷並實現非常精確的晶圓切割。該公司提出了預先挖掘待切割區域（開槽）或用雷射一次性將其完全分離（全切割）的方法。SK

海力士計劃將此方法不僅應用於HBM4，還應用於400層或更高層的NAND。從400層NAND開始，儲存資料的“單元”區域和驅動電路的“外圍”區域將在不同的晶圓上實現，並且晶圓必須足夠薄才能粘合在一起。

隨著SK海力士開始轉向晶圓切割工藝，飛秒雷射技術在半導體行業的普及預計將加速。此前，臺積電、美光和三星電子均已推出用於切割先進半導體晶圓的飛秒雷射器。SK

海力士表示，“正在考慮各種工藝轉換方案，但尚未做出任何決定”。

薄晶圓加工的興起

從平面 SoC 到 3D-IC 和先進封裝的轉變需要更薄的晶圓，以提高效能並降低功耗，從而減少訊號需要傳輸的距離和驅動訊號所需的能量。

市場對超薄晶圓的需求正在增長。一個包含12個DRAM晶片和一個基礎邏輯晶片的HBM模組的總厚度仍然小於一塊優質矽晶圓。薄晶圓在扇出型晶圓級封裝以及用於人工智慧應用的先進2.5D和3D封裝的組裝中也發揮著關鍵作用，而這些應用的增長速度遠超主流積體電路。再加上業界對輕薄手機、可穿戴裝置和醫療電子產品的需求，如果沒有可靠的薄矽晶圓加工能力，現代微電子技術似乎不可能實現。

薄矽通孔 (TSV) 的 Reveal 工藝是一種需要背面處理的經典工藝。“任何堆疊器件幾乎都必然需要矽通孔，”安靠科技 (Amkor Technology ) 先進 3D 技術總監 Rick Reed 表示。“在當前許多應用中引入矽通孔需要非常可控的減薄工藝，而且由於幾乎總是需要進行背面處理，因此該工藝必然需要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。“如果矽片中存在我們稱之為盲矽通孔（Blind TSV）的缺陷，而你又不瞭解晶圓中所有 TSV 的深度範圍，那麼就有可能磨到其中一些缺陷，”Reed 解釋說。“由於銅在矽片中擴散速度很快，會導致漏電。而且銅還會汙染砂輪，導致後續晶圓上的銅會擴散到砂輪上。”

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。哪種臨時粘接劑與工藝流程最相容？它能否在包括CMP和高溫沉積在內的各種工藝中將薄晶圓固定到位，並在加工後乾淨地去除？哪種載體晶圓最適合該應用，矽晶圓還是玻璃晶圓？在幾種領先的脫鍵工藝中，哪種工藝能夠在加工後以合理的成本最好地去除粘接劑？

儘管載體晶圓（也稱為處理晶圓）非常安全，但超薄晶圓卻易碎易碎。這使得它們容易受到損壞，包括在減薄過程中以及在後續高溫工藝（例如等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)）中出現微崩裂和開裂。在超薄晶圓進行光刻圖案化、PECVD、迴流、切割和脫鍵合（載體去除）的過程中，損壞是影響良率的最大威脅。此外，由於晶圓之間的翹曲和/或空隙形成，還可能引發其他問題。

Suss 產品經理 Thomas Rapps 表示：“說到良率和晶圓減薄，一切都取決於晶圓邊緣減薄工藝的控制。分層不僅可能發生在研磨過程中，也可能發生在熱處理過程中。此外，如果器件晶圓存在內部應力，它很容易翹曲。因此，翹曲或兩片晶圓之間的某種空隙可能會導致分層，雖然這些空隙可以透過檢查發現，但最終會導致晶圓開裂。”

晶圓邊緣在斜面處呈圓形，但減薄後輪廓會發生變化。“所以，如果你研磨器件晶圓，通常會得到一個非常鋒利的尖端，理想情況下基本上只有一個原子那麼大，”Rapps 說。“它非常脆弱。邊緣崩裂意味著部分邊緣會裂開，甚至可能引發貫穿整個晶圓的裂紋。因此，為了防止這種情況發生，通常會進行邊緣修整，這也需要用到砂輪。你會在晶圓邊緣切出一個臺階，這個臺階的深度至少要與最終的晶圓厚度一樣。”

除了管理關鍵的良率問題外，晶片製造商還在尋求針對其特定器件型別的定製解決方案，而裝置可靠性是首要要求。“器件複雜性的應用正變得越來越具體，” Lam Research產品營銷總監 Ian Latchford 表示。“客戶追求精準度，並且希望每次都能獲得可重複的工藝流程。他們不需要通用的解決方案，而是希望每次都能以相同的方式工作，並保持高生產率。”

為了滿足這些需求，業界正在完善減薄步驟、粘合劑和去除化學品以及臨時鍵合和脫鍵合工藝（見圖1）。粘合劑通常為有機熱固性或熱塑性材料，旋塗在載體晶圓上，而更薄的脫鍵合材料通常旋塗在器件晶圓上。鍵合在真空熱壓 (TCB) 或透過紫外線照射進行。載體晶圓為器件晶圓的減薄和加工提供了基礎，直到去除化學品參與脫鍵合工藝。

矽與玻璃載體晶圓

業界同時使用玻璃和矽載體晶圓。玻璃成為廣泛使用的載體晶圓的原因之一是，其熱膨脹係數 (CTE) 可以設計得接近矽，從而確保與堆疊中的其他材料相容。例如，硼矽酸鹽玻璃的 CTE 接近矽的 CTE，在很寬的溫度範圍內穩定，並且能夠穿透其表面的紅外 (IR) 或紫外 (UV) 雷射，從而啟用脫粘釋放層。

Brewer Science業務開發工程師 Hamed Gholami Derami 表示：“對於機械脫鍵和紅外雷射脫鍵，可以根據工藝要求使用矽或玻璃載體。但對於紫外雷射和光子脫鍵，必須使用玻璃載體。”

矽載體晶圓的吸引力部分源於矽與所有晶圓加工工具和靜電吸盤的相容性。矽的熱膨脹係數 (CTE) 與矽器件的熱膨脹係數 (CTE) 完全匹配。矽的最後一個優勢是，與玻璃晶圓相比，它能夠以更低的成本實現更低的 TTV（總厚度變化）。

EV Group 業務發展總監 Thomas Uhrmann 表示：“如果比較相同質量的玻璃和矽載體（即相同的 TTV），你會發現成本幾乎相差兩倍。”

臨時鍵合的工作原理：

當將一個晶圓臨時堆疊在另一個晶圓上時，工程師通常使用載體晶圓、“膠水”或臨時鍵合粘合劑，以及一層便於加工後移除的脫模層。在少數情況下，單層粘合劑即可完成這兩項任務。重要的是，鍵合和脫模機制協同作用，確保在加工材料從載體上剝離後能夠乾淨地移除。

衡量粘合劑是否優質的標準有很多。它既能在低溫下粘合，又能承受高溫加工。它必須透過旋塗均勻地沉積在300毫米的表面上，同時還要實現較高的粘合均勻性。

EV 集團執行技術總監 Paul Lindner 表示：“理想的粘合劑應能夠在低溫下粘合，並在整個背面加工和減薄過程中保持粘合。它應該能夠承受極高的溫度，而不會降低或改變其效能。我們希望實現低壓力、室溫下的脫模，這樣就不會產生額外的熱預算。此外，粘合劑應具有非常好的厚度均勻性，這首先取決於塗層的均勻性，其次取決於粘合的均勻性，因為任何厚度的不均勻性都會轉化為產品工藝中背面研磨的不均勻性，而這通常很難在背面研磨中得到補償。”

但適用於一種應用的方法未必適用於另一種應用。“主要問題是，基本上沒有一種解決方案可以適用於所有可能的流程，而材料選擇的最重要標準是溫度穩定性，”Suss 的 Rapps 說道。“在下游工藝中，從臨時鍵合到解鍵合，最高溫度是多少？許多材料可以達到 250°C，這是因為如果進行迴流焊，通常不需要高於這個溫度。但只有少數材料可以達到 350°C。”

旋塗工藝提供了一定程度的工藝靈活性。“透過旋塗，你可以將材料抹平，以便嵌入某些特徵，例如稍後需要焊接的微凸塊，”Rapps 說道。“因此，粘合劑具有雙重功能——既可以作為粘合劑，又可以抹平嵌入特徵，這些特徵可能具有非常低或非常高的形貌。因此，在旋塗之後，我們會烘烤晶圓，然後進行鍵合。通常需要對材料進行固化以穩定鍵合，但這實際上取決於具體的材料解決方案。”

晶圓減薄的優先事項

接下來，晶圓將逐步減薄。減薄至遠低於 100µm 需要研磨、CMP 和蝕刻工藝之間的微妙平衡，以滿足 TTV 的嚴格規範。TTV 指的是晶圓上最厚和最薄測量值之間的差值。對於矽片而言，TTV 通常使用雷射干涉儀在晶圓上的數百個點上進行測量，而 TTV 是大批次生產中必須在晶圓間和批次間保持的質量指標。

晶圓減薄有點像打磨木材。首先進行粗磨，然後使用越來越細的砂紙打磨，以獲得最光滑的最終效果。對於晶圓而言，每個步驟都能提高晶圓間的均勻性並降低TTV。

“最粗略的方法是晶圓研磨步驟，最終厚度變化在幾微米範圍內，”Scia Systems 產品和技術總監 Matthias Nestler 解釋道。“CMP 步驟比晶圓研磨更精確，可以達到幾百奈米的變化。接下來，透過等離子蝕刻，可以達到 10 到 100 奈米。或者以離子束蝕刻作為最後一步，在最佳情況下，我們可以將晶圓修整 20 倍，因此 250 奈米的變化可以縮小到 25 奈米，我們甚至可以使用兩步修整工藝，並在中間進行測量，從而獲得更好的效果。”

鑑於總厚度變化的重要性，工程師們熱衷於量化減薄和加工過程中的變化來源。“我們使用玻璃載體來顯示矽通孔 (TSV)，但即使是你能買到的最好的玻璃，整個晶圓的 TTV 也只有大約 1 微米，”Amkor 的 Reed 說道。“然後，當我們在上面塗上粘合劑時，這又會增加幾微米的變化。儘管我們的研磨工藝非常均勻，但仍然會引入大約 2 微米的 TTV。”

幹法蝕刻也會引入變化，這種變化可能呈放射狀分佈。“所以，當你把這些變化加起來時，大約有5微米的變化，”Reed說。“我們針對TSV reveal的六西格瑪工藝非常穩健，它透過精心設定並在一開始就瞭解TSV的深度變化來處理這些變化源。”

確保精確的 TSV 揭示過程的技巧包括：

繪製由博世蝕刻在矽中確定的 TSV 深度；
均勻旋塗粘接膠及脫模層，烘烤、固化、粘接；
使用粗磨、中磨和細磨將矽背磨至距離 TSV 底部 10 微米以內，達到鏡面效果；
透過粗、中、細平坦化進行CMP；
利用等離子蝕刻露出 TSV；
沉積氮化矽薄膜作為拋光停止層；
將厚厚的二氧化矽沉積到 TSV 頂部，並且CMP 回來露出 TSV。

“砂輪上的功能可以在研磨過程中自動反饋矽的厚度，而類似的自適應 CMP 工藝可以更成功、最大限度地減薄矽，”裡德說。

另一個需要密切監測的引數是溫度。“我們現在正在原位控制CMP工藝的溫度，這對CMP工藝總體而言有很多好處，”Axus Technology執行長Dan Trojan說道。“主要的溫度限制因素是拋光墊（由聚氨酯製成）的玻璃化轉變溫度。當超過該溫度時，聚合物會從液體變為固體，摩擦力會大大增加，很快就會出現問題。因此，我們找到了一種無需稀釋拋光液即可冷卻拋光墊表面的方法，這也有助於提高去除率。我們還使用多區域膜載體，在晶圓上區域性施加不同的壓力，而不是隻施加單一壓力。”

目前最常見的矽中介層 TSV 架構或許是直徑 11 微米、深度 110 微米的 TSV，其中阻擋金屬層和氧化絕緣層佔該直徑的 1 微米。儘管製造例如 5 微米深度 55 微米的 TSV 的能力已得到證實，但目前業界似乎仍在堅持使用更厚、更昂貴的 100 微米矽中介層。

管理背面和邊緣缺陷

工程師在薄晶圓工藝中面臨的最常見問題是防止缺陷或微裂紋，尤其是在晶圓邊緣。

在晶圓邊緣進行的選擇性等離子蝕刻有助於去除邊緣缺陷，而選擇性化學氣相沉積 (CVD) 則可以鈍化邊緣。“在 3D 封裝領域，堆疊晶圓結構需要某種材料來填充邊緣的空隙，”Lam Research 的 Latchford 說道。“由於 CMP 工藝的衰減，導致晶圓邊緣出現空隙，器件製造商在邊緣輪廓方面存在很多問題。然後，他們不得不減薄器件晶圓，最終可能導致邊緣開裂，從而嚴重影響良率。因此，我們實際上在這裡放置了微米級的二氧化矽薄膜，以填補鍵合晶圓流應用中的空隙。”

等離子蝕刻或離子束蝕刻工藝還可消除 CMP 過程中產生的任何缺陷，例如表面下的劃痕、所謂的凹坑（矽晶格中的凹痕）和汙點。

尋找正確的釋放方法

對於脫粘，紫外和紅外雷射燒蝕以及光子脫粘已成為領先的機械分離機制，因為它們與大型薄晶圓格式（300 毫米晶圓，50µm 厚）相容，並且可以在分離晶圓時對裝置造成的損壞相對於熱滑動和化學浸沒方法最小（見圖 2）。

熱滑動脫鍵採用低熔點聚合物（稱為熱塑性塑膠），加熱後會流動，從而促進滑動和分離。遺憾的是，該方法與金屬的物理氣相沉積 (PVD) 或電介質的等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD) 等熱工藝不相容，這些熱工藝會產生強大的晶圓應力，並可能導致晶圓破損。由於其他競爭性脫鍵方法在室溫下進行，因此熱滑動脫鍵還會使器件承受過高的熱暴露。儘管如此，熱滑動脫鍵仍是一種低成本方法，對於尺寸較小且稍厚的基板來說仍然是一種有效的選擇。

化學溶解的原理是將鍵合對浸入溶劑中，而穿孔載體晶圓可以幫助加快這一過程。高溶劑消耗和低產量阻礙了化學解鍵合的廣泛應用。

Brewer 的 Derami 表示：“較早的封裝中使用化學脫鍵材料，依靠化學浴來脫鍵晶圓。熱滑動材料後來被引入，目前仍用於某些工藝，但在可處理的最小晶圓厚度、熱預算和產量方面存在侷限性。另一方面，使用機械脫鍵，我們可以處理更薄的晶圓，同時應力水平更低，脫鍵更容易，並且熱預算更佳，適用於高溫應用。最近，雷射脫鍵材料提供了最大的靈活性。它們可以處理更薄的晶圓，具有更高的產量，並且幾乎零力脫鍵。”

光子脫鍵是一種相對較新的脫鍵方法，它使用脈衝寬頻光源，利用吸光層作為無機金屬脫鍵層，對臨時鍵合的晶圓對進行脫鍵。光子脫鍵的優勢之一是，與雷射燒蝕方法相比，其成本更低、生產速度更快，並且對焦距到脫鍵層距離變化的耐受性更高。這使得它能夠相容存在一定程度翹曲或彎曲的鍵合對。對於基板厚度減薄至 20µm 以下，且下游工藝溫度極高且粘附性和 TTV 控制至關重要的應用，光子脫鍵可能是首選的脫鍵方法。

機械脫鍵（又稱機械剝離）是使用插入晶圓對之間的刀片，以物理方式將它們分離。這種方法需要能夠承受一定物理應力的器件晶圓。

雷射燒蝕使用紫外雷射（254、308 或 355nm）或紅外雷射（1064nm），並結合與該波長匹配的脫模層，其工作原理是吸收照明能量，發生化學變化並最終分離。它是最快的脫鍵方法，每小時可處理約 20 至 30 片晶圓，且對晶圓的應力很小。然而，可能需要使用遮蔽層來減少雷射聲波對器件的損害。對於基板厚度減薄至 20µm 以下，且下游工藝溫度極高，且粘附性和 TTV 控制至關重要的應用，雷射脫鍵是首選的脫鍵方法。

“有時，系統的瓶頸並非實際的脫粘步驟，而是脫粘後粘合劑的去除，”EVG 的 Lindner 說道。“這個溼法處理步驟會溶解粘合劑，因此如果粘合劑殘留在載體上，則可以在其他地方將其去除並進行處理。但如果粘合劑殘留在產品上，通常需要多個清潔模組並行工作，以匹配脫粘模組的吞吐量。”

近年來，EVG 開發了一種奈米切割方法，用無機層取代有機粘合劑。這種矽中的無機層可承受更高的溫度（>900°C），因此可與所有前端工藝相容。該公司預計該方法不僅可用於先進封裝，還可用於前端層堆疊應用。

隨著需要臨時鍵合和解鍵合工藝的架構變得越來越普遍，業界對載體（尤其是矽載體晶圓）的回收需求日益強烈。這又帶來了一系列挑戰。

Suss 的 Rapps 表示：“如果使用某些化學物質，它們也可能與載體材料接觸並對其進行蝕刻，從而導致其效能隨時間推移而下降。但通常情況下，為了最佳化高效能和高價值裝置的成本，載體最多可使用 10 次。”

結論

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、晶圓堆疊以及晶圓級扇出型封裝中必不可少的工藝步驟。晶片製造商正在與供應商密切合作，選擇合適的粘合劑、離型材料、鍵合機、解鍵合方法、研磨、化學機械拋光 (CMP)、蝕刻和清潔工藝，以高良率和可靠性生產厚度小於50µm的超薄器件。這需要熱穩定性、機械穩定性以及對晶圓邊緣的關注，所有這些都是降低潛在缺陷並提高這些關鍵薄晶圓工藝良率所必需的。

參考連結

https://semiengineering.com/the-rise-of-thin-wafer-processing/

*免責宣告：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯絡半導體行業觀察。

END

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第4093期內容，歡迎關注。

推薦閱讀