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

對超薄晶圓的需求正在增長。包含 12 個 DRAM 晶片和基礎邏輯晶片的 HBM 模組的總厚度仍小於優質矽晶圓的厚度。薄晶圓在組裝扇出晶圓級封裝和用於 AI 應用的先進 2.5D 和 3D 封裝方面也發揮著關鍵作用，這些封裝的增長速度遠快於主流 IC。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，似乎如果沒有可靠地加工薄矽晶圓的能力，現代微電子就不可能實現。

薄矽通孔 (TSV) 的揭示工藝是一種需要背面處理的經典工藝。“幾乎任何堆疊裝置都必須有矽通孔，” Amkor Technology高階 3D/技術總監 Rick Reed 說道。“在許多當前應用中引入矽通孔需要非常受控的減薄工藝，而且由於您幾乎總是需要進行背面處理，因此該工藝立即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。“如果矽片中有我們所謂的盲 TSV，並且您不瞭解晶圓中所有 TSV 的深度範圍，那麼您就有可能磨到其中一些 TSV，”Reed 解釋道。“由於銅在矽片中擴散速度很快，因此會引起漏電。但它也會汙染砂輪，因此後續晶圓上會沾上銅。”

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。哪種臨時粘接粘合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過程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，矽還是玻璃？在幾種領先的方法中，哪種脫粘工藝能夠在加工後以合理的成本最好地去除粘合劑？

儘管載體晶圓（也稱為處理晶圓）具有安全性，但超薄晶圓卻易碎且易碎。這使得它們容易受到損壞，包括在減薄過程中以及在隨後的高溫工藝（例如等離子增強化學氣相沉積 (PECVD)）中出現微碎裂和開裂。當超薄晶圓經歷光刻圖案化、PECVD、迴流、切割和脫粘（載體去除）時，損壞是成品率的最大威脅。此外，由於晶圓之間的翹曲和/或空隙形成，還可能出現其他問題。

Suss 產品經理 Thomas Rapps 表示：“就良率和晶圓減薄而言，一切都與控制晶圓邊緣的減薄工藝有關。分層不僅可能發生在研磨過程中，還可能發生在熱處理過程中。此外，如果器件晶圓存在一些內部應力，它很容易翹曲。因此，分層可能是由翹曲或兩片晶圓之間的某種空隙引起的，您可以透過檢查發現這些空隙，但最終會出現裂縫。”

晶圓的邊緣在斜面處是圓形的，但在減薄後，這種輪廓會發生變化。“因此，如果你正在研磨裝置晶圓，通常會得到一個非常鋒利的尖端，在理想情況下基本上只有一個原子，”Rapps 說。“它非常脆弱。邊緣碎裂意味著邊緣的一部分會破裂，也可能引發貫穿整個晶圓的裂縫。因此，為了防止這種情況發生，你通常會進行邊緣修整，這也需要使用砂輪。你要在晶圓邊緣上切出一個臺階，這個臺階的深度至少要與最終的晶圓厚度一樣深。”

除了管理基本良率問題外，晶片製造商還在尋求針對其特定裝置型別的定製解決方案，而工具可靠性是首要要求。“裝置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。“客戶需要精確度，並且希望每次都有可重複的流程。他們不想要通用的解決方案，但他們想要每次都以同樣的方式工作並且具有高生產率的解決方案。”

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（通常是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裝置晶圓上。鍵合在真空熱壓 (TCB) 或透過紫外線照射下進行。載體晶圓為裝置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過程。

業界同時使用玻璃和矽載體晶圓。玻璃成為流行載體的原因之一是其熱膨脹係數 (CTE) 可以設計得接近矽的熱膨脹係數，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，並且它可以透過其表面傳輸紅外 (IR) 或紫外 (UV) 雷射以啟用脫粘釋放層。

Brewer Science業務開發工程師 Hamed Gholami Derami 表示：“對於機械脫粘和紅外雷射脫粘，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粘，必須使用玻璃載體。”

矽載體晶圓的吸引力部分在於矽與所有晶圓加工工具和靜電吸盤的相容性。矽的 CTE 與矽器件的 CTE 完全匹配。矽的最後一個優勢是，與玻璃晶圓相比，它更便宜地實現更低的 TTV（總厚度變化）。

EV Group 首席技術官 Thomas Uhrmann 表示：“如果比較相同質量的玻璃和矽載體（即相同的 TTV），成本幾乎相差兩倍。”

當需要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，以及便於加工後移除的剝離層。在少數情況下，單個粘合劑層即可完成這兩項任務。重要的是，鍵合和剝離機制協同工作，以便在將加工材料從載體上剝離後將其乾淨地移除。

粘合劑的優劣取決於多個標準。粘合劑可在低溫下粘合，但又能經受高溫處理。粘合劑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。

“理想的粘合劑可以在低溫下粘合，然後在整個背面處理和減薄過程中粘合，”EV Group 執行技術總監 Paul Lindner 表示。“它應該能夠承受極高的溫度而不會降低或改變其效能。我們希望在室溫下以低力釋放，這樣就不會產生額外的熱預算。最重要的是，粘合劑應該具有非常好的厚度均勻性，這首先是由塗層均勻性產生的，其次是粘合均勻性，因為任何厚度不均勻都會導致產品工藝的背面研磨不均勻，並且通常無法在背面研磨中輕鬆補償。”

但適用於一種應用的方法可能不適用於另一種應用。“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，材料選擇的最重要標準是溫度穩定性，”Suss 的 Rapps 說。“下游工藝中，臨時粘合和解粘之間的最高溫度是多少？許多材料可以達到 250°C，這是因為如果你進行迴流，通常不需要高於這個溫度。但只有少數材料可以達到 350°C。”

旋塗提供了一定程度的工藝靈活性。“透過旋塗，你可以將材料弄平，這樣它也可以嵌入某些特徵，比如稍後需要焊接的微凸塊，”Rapps 說。“因此，粘合劑有兩種功能——作為粘合劑，但它也可以將具有非常低或非常高地形的嵌入特徵弄平。因此，在旋塗之後，我們會烘烤晶圓，然後將它們粘合在一起。通常需要固化材料以穩定粘合，但這實際上是特定於材料解決方案的。”

接下來，晶圓將逐步減薄。減薄至 100µm 以下需要精細平衡研磨、CMP 和蝕刻工藝，以滿足 TTV 的嚴格規範，TTV 是晶圓上最厚和最薄測量值之間的差值。對於矽，這通常使用雷射干涉儀在晶圓的數百個點上進行測量，而 TTV 是大批次製造中必須保持的晶圓間和批次間的質量指標。

減薄晶圓有點像打磨木材。首先從粗磨開始，然後使用越來越細的砂紙打磨，以獲得最光滑的最終結果。對於晶圓，每個步驟都可以提高晶圓之間的均勻性並降低 TTV。

“最粗糙的方法是晶圓研磨步驟，這會使最終厚度變化在幾微米的範圍內，”scia Systems 產品和技術總監 Mattias 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，使用等離子蝕刻，可以達到 10 到 100 奈米。或者以離子束蝕刻作為最後一步，在最好的情況下，我們可以將晶圓修整 20 倍，因此 250 奈米的變化可以減少到 25 奈米，我們可以使用兩步修整工藝並在中間進行測量，效果甚至更好。”

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 TSV，但即使是你能買到的最好的玻璃，整個晶圓的 TTV 也只有 1 微米，”Amkor 的 Reed 說。“然後，當我們在上面塗上粘合劑時，這會增加幾微米的變化。然後，我們的研磨過程非常均勻，但仍然會引入大約 2 微米的 TTV。”

幹法蝕刻也會產生變化，這種變化可能呈放射狀分佈。“所以當你總結一下，就會發現變化大約有 5 微米，”Reed 說。“我們的 TSV 揭示六西格瑪工藝非常可靠，它透過精心設定和從一開始就瞭解 TSV 的深度變化來處理這些變化源。”

確保 TSV 揭示過程精確的技巧包括：

“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、極端地減薄矽，”裡德說。

另一個需要密切監測的引數是溫度。“我們現在正在現場控制 CMP 工藝的溫度，這對 CMP 工藝總體來說有很多好處，”Axus Technology 執行長 Dan Trojan 說道。“主要的溫度限制是拋光墊的玻璃化轉變溫度，拋光墊由聚氨酯製成。當超過此溫度時，聚合物會從液體變為固體，此時摩擦力會大得多，壞事很快就會發生。因此，我們有一種方法可以基本上冷卻加工墊的表面，而無需稀釋漿料，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，而不是隻施加一種壓力。”

目前矽中介層最常見的 TSV 架構可能採用直徑 11 微米、深度 110 微米的 TSV，其中阻擋金屬和氧化物絕緣層佔該直徑的 1 微米。儘管已經證實能夠製造例如深度 55 微米的 5 微米 TSV，但目前業界似乎仍堅持使用更厚、更昂貴的 100 微米矽中介層。

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。

僅在晶圓邊緣發生的選擇性等離子蝕刻有助於去除邊緣缺陷，而選擇性 CVD 可以鈍化邊緣。“在 3D 封裝領域，堆疊晶圓結構需要一些東西來填補邊緣的間隙，”Lam Research 的 Latchford 說。“由於 CMP 滾落導致間隙，裝置製造商在邊緣輪廓方面遇到了很多問題。然後他們必須減薄裝置晶圓，最終可能會導致邊緣開裂，這對良率產生嚴重影響。因此，我們實際上在這裡放置了微米級的二氧化矽薄膜，以填補鍵合晶圓流動應用中的間隙。”

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，例如表面下的劃痕、所謂的凹坑（矽晶格中的凹痕）和汙點。

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，並且與熱滑動和化學浸沒方法相比，可以在裝置損壞最小的情況下分離晶圓（見圖 2）。

熱滑動脫粘使用熔點較低的聚合物（稱為熱塑性塑膠），這種聚合物在加熱時會流動，以促進滑動和分離。不幸的是，這種方法與金屬的 PVD 或電介質的 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裂。熱滑動還會使器件受到比必要更多的熱暴露，因為競爭性脫粘方法在室溫下進行。儘管如此，熱滑動脫粘是一種低成本方法，對於較小且稍厚的基板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。高溶劑消耗和低良率阻礙了化學脫鍵的廣泛使用。

Brewer 公司的 Derami 表示：“化學脫鍵材料用於較舊的封裝中，並依靠化學浴來釋放晶圓。熱滑動材料後來被引入，並且仍然在某些工藝中使用，但在它們可以處理的最小晶圓厚度、熱預算和良率方面存在限制。另一方面，使用機械脫鍵，我們可以處理更薄的晶圓，應力水平更低，脫鍵更容易，並且熱預算更好，適合高溫應用。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，具有更高的良率和接近零的力脫鍵。”

光子脫粘是一種相對較新的脫粘方法，它使用脈衝寬頻光源，透過使用光吸收層作為無機金屬釋放層來脫粘臨時粘合的晶圓對。光子脫粘的一個優點是，與雷射燒蝕方法相比，它的成本更低、生產速度更快，並且對焦距到釋放層的變化具有很高的容忍度。這使得它與具有一定彎曲或彎曲的粘合對相容。對於將基板減薄到 20µm 以下並使用非常高的下游溫度工藝的應用，光子脫粘可能是一種首選的脫粘方法，其中粘附性和 TTV 控制至關重要。

機械脫鍵（又稱機械剝離）使用插入晶圓對之間的刀片以物理方式將它們分開。這種方法需要能夠承受一定物理壓力的裝置晶圓。

雷射燒蝕使用紫外線雷射（254、308 或 355nm）或紅外線（1064nm）雷射以及調整至該波長的釋放層，透過吸收照明能量、發生化學變化和分離來工作。它是最快的脫粘方法，每小時約 20 到 30 片晶圓，對晶圓的壓力很小。但是，可能需要遮蔽層來減少雷射聲波對裝置造成的任何損害。對於將基板減薄至 20µm 以下並使用非常高的下游溫度工藝的應用，其中粘附性和 TTV 控制至關重要，雷射脫粘是首選的脫粘方法。

“有時系統的瓶頸不是實際的脫粘步驟，而是脫粘後粘合劑的去除，”EVG 的 Lindner 說道。“這種溼法處理步驟會溶解粘合劑，因此如果粘合劑留在載體上，則可以在其他地方取下並進行處理。但如果粘合劑留在產品上，通常會有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，其中無機層取代了有機粘合劑。矽中的這種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，它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，業界對回收載體（尤其是矽載體晶圓）的需求越來越強烈。這又帶來了一系列挑戰。

“如果使用某些化學物質，它們還可能與載體材料接觸並腐蝕它，導致其隨時間推移而退化，”Suss 的 Rapps 說道。“但通常情況下，載體最多可使用 10 次，這是最佳化高效能和高價值裝置成本的一部分。”

晶圓減薄、臨時鍵合、薄晶圓加工和解鍵合方法正在成為 2.5D 和 3D 封裝、晶圓堆疊和晶圓級扇出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、脫模材料、鍵合器、解鍵合方法、研磨、CMP、蝕刻和清潔工藝，以高良率和可靠性生產厚度小於 50µm 的超薄裝置。這需要熱穩定性、機械穩定性和對晶圓邊緣的關注，所有這些都是使用這些關鍵的薄晶圓工藝降低潛在缺陷和提高良率所必需的。

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