文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述芯片制造中的中間層鍵合。

依據(jù)中間層所采用的材料不同，中間層鍵合可劃分為黏合劑鍵合與金屬中間層鍵合兩大類(lèi)，下文將分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。

黏合劑鍵合

黏合劑鍵合技術(shù)所選用的中間鍵合層材料，通常為玻璃漿料、聚合物等各類(lèi)黏合介質(zhì)。該方法能夠在相對(duì)較低的溫度環(huán)境下（最高溫度不超過(guò)450℃）實(shí)現(xiàn)較高的表面結(jié)合能，進(jìn)而獲得優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度。這一特性對(duì)于緩解不同材料間因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，以及避免由此引發(fā)的鍵合失效問(wèn)題具有重要意義。與此同時(shí)，黏性鍵合層的存在提升了對(duì)被鍵合表面顆粒雜質(zhì)、污漬及各類(lèi)缺陷的適配能力，即便表面存在一定瑕疵，也可順利完成晶圓間的鍵合操作。

1. 玻璃漿料黏合劑鍵合

玻璃漿料黏合劑鍵合的核心原理，是采用低熔點(diǎn)玻璃作為專(zhuān)用中間層材料，且該玻璃的熔點(diǎn)需嚴(yán)格控制在450℃以下。該技術(shù)在晶圓級(jí)封裝與密封領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具備密封性?xún)?yōu)良、工藝合格率高、界面應(yīng)力小以及可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。玻璃漿料黏合劑鍵合的完整流程主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵階段，具體如圖1所示。

（1）首先，將玻璃粉末與特定溶劑充分混合，調(diào)配成均勻的漿料狀物質(zhì)。

（2）隨后借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在刮刀的作用下，將玻璃漿料填充至絲網(wǎng)模板的孔隙中，在硅晶圓表面形成分布均勻的預(yù)設(shè)圖案。

（3）進(jìn)行預(yù)燒結(jié)處理，目的是徹底去除漿料中含有的水分與有機(jī)溶劑，使圖案表面達(dá)到近熔融狀態(tài)，以保障其平整度符合后續(xù)工藝要求。

（4）在最終的鍵合工序中，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)晶圓的精準(zhǔn)對(duì)位貼合，之后在鍵合設(shè)備中通過(guò)升溫加壓的方式完成鍵合操作。

由于玻璃漿料黏合劑在鍵合過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，因此其對(duì)鍵合面的粗糙度具有較強(qiáng)的容忍性。在該鍵合技術(shù)中，玻璃漿料在特定溫度區(qū)間內(nèi)的熱膨脹系數(shù)與硅、玻璃材料相近，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，這使得玻璃漿料黏合劑鍵合成為一種工藝簡(jiǎn)便且封裝效果理想的鍵合技術(shù)。

通常而言，玻璃漿料黏合劑鍵合對(duì)絲網(wǎng)印刷工藝的精度要求極高，這也是整個(gè)流程中極具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。晶圓自身的幾何結(jié)構(gòu)特征、網(wǎng)版的定位移動(dòng)精度、絲網(wǎng)印刷時(shí)刮刀的壓力與運(yùn)行速度，以及漿料自身的物理特性（如黏度大小、顆粒尺寸等），都會(huì)對(duì)最終圖案的成型質(zhì)量與位置精度產(chǎn)生顯著影響。因此，在開(kāi)展具體鍵合操作前，需對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致考量與優(yōu)化。

（1）網(wǎng)版孔洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)；

（2）印刷過(guò)程中圖案在微觀尺度上的擴(kuò)展規(guī)律；

（3）絲網(wǎng)印刷過(guò)程中出現(xiàn)的偏差，以及絲網(wǎng)自身因受力產(chǎn)生的伸展變形問(wèn)題。

該設(shè)備的印刷頭上配備了透明保護(hù)罩，能夠?yàn)椴Ａ{料的印刷作業(yè)提供穩(wěn)定良好的環(huán)境條件。在整個(gè)印刷過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)印刷參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，玻璃漿料在刮刀壓力的作用下，經(jīng)由絲網(wǎng)孔洞均勻分布在晶圓表面，可形成一致性良好的密封環(huán)結(jié)構(gòu)。

需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，采用絲網(wǎng)印刷成型的玻璃漿料黏合劑框架為三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，其中玻璃層的厚度主要由網(wǎng)版設(shè)計(jì)參數(shù)（線寬與預(yù)設(shè)膜厚）決定，但同時(shí)也會(huì)受到多種因素的綜合影響。為確保器件具備可靠的密封性，玻璃層的厚度必須設(shè)定明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即便玻璃漿料黏合劑在鍵合過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定程度的流動(dòng)，也需保證最終形成氣密性鍵合效果。由于線寬是影響絲網(wǎng)印刷結(jié)構(gòu)厚度的核心因素（圖3展示了不同線寬對(duì)結(jié)構(gòu)厚度的影響關(guān)系），因此在設(shè)計(jì)階段需確保晶圓上所有結(jié)構(gòu)的線寬保持一致。即便在矩形結(jié)構(gòu)的拐角處厚度會(huì)出現(xiàn)輕微增加，這種厚度增量也必須控制在合理范圍內(nèi)，以保障整個(gè)工藝過(guò)程的穩(wěn)定性。

聚合物黏合劑鍵合

聚合物黏合劑是由大量小分子（單體）通過(guò)聚合反應(yīng)連接形成的大分子（高分子）化合物，單體之間的連接過(guò)程被稱(chēng)為聚合反應(yīng)。聚合物黏合劑通?？煞譃闊崴苄?、熱固性、彈性體及混合型四大類(lèi)。在鍵合工藝中，聚合物黏合劑需以液態(tài)、半液態(tài)或黏彈性體的形態(tài)存在，以保證與被鍵合表面實(shí)現(xiàn)緊密接觸；后續(xù)通過(guò)特定處理，聚合物黏合劑需轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，從而能夠承受鍵合過(guò)程中施加的溫度與壓力。

不同類(lèi)型的聚合物黏合劑具有各自獨(dú)特的性能特點(diǎn)，因此選擇適配的聚合物黏合劑至關(guān)重要。聚合物黏合劑及其所含的溶劑、添加劑，必須與晶圓表面材料、內(nèi)部器件保持良好的兼容性，同時(shí)還要適配前期的薄膜沉積工藝以及鍵合后的后續(xù)處理工序。例如，在選型過(guò)程中，需要充分考慮聚合物的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、蠕變強(qiáng)度，以及在后續(xù)工序中對(duì)SC-1、SC-2、酸堿溶液及SPM等有機(jī)溶劑的耐腐蝕性能。

在采用黏合劑材料進(jìn)行臨時(shí)鍵合的工藝中，解鍵合過(guò)程是不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)臨時(shí)鍵合所用黏合劑的性能特點(diǎn)，解鍵合方法通常可分為三大類(lèi)。

（1）化學(xué)方法

部分臨時(shí)鍵合材料能夠?qū)μ囟ɑ瘜W(xué)反應(yīng)劑產(chǎn)生響應(yīng)，在接觸反應(yīng)劑后自身特性發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)載片與器件晶圓的分離。為加快溶劑與黏合劑的反應(yīng)速率，可對(duì)浸泡在解鍵合溶劑中的晶圓進(jìn)行加熱處理及超聲波輔助處理，以促進(jìn)黏合劑的溶解。但化學(xué)解鍵合存在明顯不足：浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要數(shù)小時(shí)；且晶圓表面與溶劑直接接觸，在取放晶圓的過(guò)程中可能會(huì)對(duì)其造成損傷。此外，即便化學(xué)反應(yīng)劑可循環(huán)利用，也需充分考慮其消耗速度快、易產(chǎn)生廢棄物等潛在問(wèn)題及環(huán)境影響。

（2）熱處理方法

當(dāng)鍵合所用黏合劑被加熱至液態(tài)時(shí)，可較為輕松地將載片與器件晶圓分離。該方法尤其適用于熱塑性黏合劑材料，因?yàn)榧訜釙?huì)導(dǎo)致這類(lèi)黏合劑的黏度顯著下降，當(dāng)黏度降至1~2Pa·s時(shí)，鍵合的兩片晶圓便會(huì)開(kāi)始自然分離。常見(jiàn)的分離方式主要有兩種：滑動(dòng)剝離法與楔入剝離法?；瑒?dòng)剝離法是沿水平方向使載片與器件晶圓分離，而楔入剝離法則是沿垂直方向完成分離操作。多數(shù)解鍵合工藝中會(huì)優(yōu)先采用楔入剝離法，部分復(fù)合黏合材料中還專(zhuān)門(mén)增設(shè)了紫外光敏感層，在紫外光照射下，該敏感層會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度大幅降低，此時(shí)僅需施加較小的外力即可完成分離。

此外，采用的多層復(fù)合膜呈現(xiàn)“三明治”結(jié)構(gòu)，由兩層黏附層與一層核心基膜構(gòu)成（圖4），且兩層黏附層的外側(cè)均設(shè)有保護(hù)膜，以防止褶皺或污物影響鍵合效果。該鍵合工藝的具體流程如下：首先去除外層保護(hù)膜，將復(fù)合膜精準(zhǔn)貼合在器件晶圓表面；隨后將該晶圓與一塊可透過(guò)紫外光的石英玻璃緊密貼合，并在特定溫度下施加足夠壓力，確保兩者實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合；接著采用特定波段（波長(zhǎng)405nm）的紫外光穿透石英玻璃照射復(fù)合膜表面，使復(fù)合膜固化并強(qiáng)化兩者間的結(jié)合力；完成該步驟后，即可開(kāi)展刻蝕、光刻、晶圓減薄等一系列后續(xù)工藝；最終，將待解鍵合的石英晶圓置于特定紫外光（波長(zhǎng)254nm）下照射，該過(guò)程會(huì)促使氮?dú)忉尫牛瑥亩瓿山怄I合操作，具體流程如圖5所示。

半自動(dòng)解鍵合設(shè)備，能夠高效完成超薄器件晶圓的解鍵合工藝（圖6）。該設(shè)備利用紫外光照射石英玻璃及150μm厚的超薄器件晶圓，使石英與硅晶圓表面之間產(chǎn)生氣體，再通過(guò)楔入剝離法，可實(shí)現(xiàn)兩片晶圓的高效、無(wú)損分離。

（3）激光處理方法

對(duì)于無(wú)法通過(guò)化學(xué)腐蝕或熱處理方法實(shí)現(xiàn)剝離的臨時(shí)鍵合膠，需在鍵合膠中添加專(zhuān)用釋放層材料。目前應(yīng)用較為廣泛的先進(jìn)釋放層為光熱轉(zhuǎn)換（LTHC）層材料，當(dāng)該材料暴露于特定頻率的激光下時(shí)，高能激光會(huì)在材料表面形成微小孔洞，從而顯著削弱鍵合強(qiáng)度，之后通過(guò)楔入剝離法即可實(shí)現(xiàn)載晶圓與器件晶圓的分離。