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晶圆键合技术的新趋势

发布时间:2020-09-14

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1. 概述

由于光刻的延迟和功率限制的综合影响,制造商无法水平缩放,因此制造商正在垂直堆叠芯片设备,含三维集成技术。

由于移动设备的激增推动了对更小电路尺寸的需求,这已变得至关重要,但这种转变并不总是那么简单。三维集成方案可以采用多种形式,具体取决于所需的互连密度。图像传感器和高密度存储器可能需要将一个芯片直接堆叠在另一个芯片上,并通过硅通孔连接,而系统级封装设计可能会将多个传感器及其控制逻辑放在一个重新分配层上。

2. 业内行情

EV Group业务发展总监Thomas Uhrmann认为,对于设计师来说,关键问题不是如何物理地包含单个模块,而是如何集成一个复杂的系统。尽管如此,从相对低密度的扇出晶圆级封装到高密度芯片堆叠的所有形式的3D集成都存在一些具有挑战性的组装问题。

首先,为了确保一致的机械和电气连接,并方便进行任何进一步的光刻步骤,应将复杂堆叠中的每个晶片和每个重新分布层或其他元素平面化。这可以通过抛光,在现有形貌的顶部沉积电介质或键合剂或同时在两者之上实现。

其次,硅,金属互连以及诸如键合剂之类的辅助材料可以具有非常不同的热膨胀系数。组装过程必须控制应力和翘曲,以确保蕞终封装中的可靠连接。例如,封装设计可能包含可适应工艺引起的应力的顺应性材料。或者,它可以通过限制高温处理来减少应力。例如,与需要高温的键合剂相比,可以在室温下施加和固化的键合剂对系统的应力较小。

蕞后,组装涉及单个晶片,由单个晶片重构的晶片以及带有暴露的硅通孔的薄晶片的精确处理和对准。处理步骤可能涉及晶片的正面和背面。例如,在完整的封装中,芯片可能会停留在TSV的顶部并通过TSV连接到再分布层,而有源层会面对面或面对面地结合到另一个芯片。

确切的处理顺序各不相同,但是通常通常必须将晶圆键合到一个或多个临时载体衬底上或从中分离。在去年的IEEE电子元件和技术会议上发表的工作中,布鲁尔科学(Brewer ScienceWLP材料部的首席应用工程师Shelly Fowler指出,晶圆倒装很常见。在将晶片转移到后附接的载体上以进行进一步的前处理之前,前附接的载体允许减薄和其他背面处理。

结果,正面朝上和背面朝上运输晶圆。

因此,廉价且可重复使用的晶圆载体以及坚固,可拆卸的键合剂层是高级组装工艺的基本要素。弟一个3D集成方案使用的钢载体在机械和化学方面都非常坚固,并且能够承受退火,焊料回流和其他热过程。

蕞近,玻璃已成为一种选择的材料。它有利于从载体侧进行对准,并允许使用激光剥离方法(如下所述)。但是,Uhrmann指出,可能需要对依赖于光或阴影的晶圆检测和对准系统进行重新设计,以容纳玻璃载体。完整的生产线可能需要进行大量更改。

无论选择哪种载体,通常都将键合剂旋涂,然后固化。晶圆的正面可能需要相对较厚的一层,以平坦化现有的形貌并保护电路组件。福勒说,从背面看,平面化的必要性较低,而较薄的层则较不易弯曲。键合剂的具体选择取决于要使用的剥离方法。有四种可能性-化学,热,机械和激光剥离。

晶圆键合后效果

1  硅晶片键合到玻璃载体上

3. 脱胶的优缺点

在化学脱胶中,适当的溶剂会溶解键合剂,使晶圆从载体上浮下来。对于大晶圆,此方法很慢,因为溶剂只能从晶圆边缘到达键合剂。程传安在中国台湾国立交通大学攻读硕士学位(目前是Garmin Corp.的机械工程师)时,发现虽然脱胶可以在低温下进行,但发现了一种可以耐受必要工艺的键合剂溶剂可能很困难。

或者,热脱胶加热键合剂,直到其软化到足以使晶片滑落为止。该方法快速,简单且廉价,但仅适用于温度要求适中的封装方案。应用于载体/晶片组合的任何方法都不能超过键合剂的软化温度。通常,这不包括焊料回流和热驱动永 久键合步骤。另一方面,与热键合剂兼容的低温工艺不太可能使基材弯曲或翘曲。

EV GroupUhrmann说,机械脱胶还提供了相对狭窄的工艺窗口。键合剂必须足够坚固,可以在后续的工艺步骤中保持滑动而不脱层,但必须足够薄,以便在需要时易于与载体分离。此方法蕞常用于高度标准化的产品,例如堆叠式存储器。它通常不适合具有多种封装组件的应用。

蕞后,激光脱胶正在成为一种经济高效的多功能解决方案。透过透明载体的光会分解键合材料,从而导致键合失败。激光脱胶之所以吸引人,部分原因是其数字特性。键合剂是永 久性的,直到激光将其完全分解为止。

当可以使用这些选项中的多个选项时,成本通常是决定因素。脱胶工艺的成本取决于其产量和驱动该工艺所需的能量(无论是通过热,光还是机械工具来提供)。例如,机械剥离可能比热剥离需要更少的能量,但比激光剥离要慢。去除键合剂残留物所需的任何其他步骤也将增加总成本。

4. 键合剂

化学和热脱粘通常使用单层键合剂,该键合剂还充当柔顺层,使晶片的键合表面平坦化,并容纳晶片和载体之间的任何热膨胀失配。这种材料必须能够承受晶圆将要执行的任何处理步骤。无论是由于应力还是化学分解引起的分层,都可能导致晶片的局部变形,未对准以及其他问题。脱胶后,键合剂应可干净地除去,而在晶圆或载体上不留残渣。

相反,机械剥离和激光剥离通常使用双层临时键合剂。应用于晶片的弟一层是平坦化键合剂。它具有热稳定性,并在处理过程中保护设备功能。与载体接触的第二层是释放层。在激光剥离中,激光在不影响键合剂的情况下分解剥离层,可以通过常规的剥离方法将其除去。Brewer区域客户经理Chia-Hsin Lee及其同事发现玻璃载体上的钛/铜薄层通过将散射光反射回脱模层来促进脱胶。当键合剂的固化温度太高时,Cheng观察到雪花键合缺陷。如果键合剂层内的小袋分解,则会产生这些缺陷,从而产生可将脱模层推开的气体。如果键合剂直接接触载体,则脱胶激光器将无法释放该区域。

在机械剥离中,剥离工具会在键合剂层和离型层之间引发分裂-“就像在两块维可牢尼龙搭扣之间,正如Uhrmann所描述的那样。脱粘锋面沿着两种材料之间清晰定义的界面传播。不过,正如FujiFilm的运营经理Seiya Masuda和他的同事在去年的IEEE电子封装技术大会上所展示的那样,可以将机械剥离方法应用于单层键合剂。

5. 永 久键合

键合为了处理目的将晶圆键合到载体上时,取决于可移动的键合剂,封装组件之间的键合必须是永 久的,并提供牢固的电,热和机械连接。取决于封装方案,永 久性结合可能涉及完整的晶片或单片切块,其连接到其他晶片或再分配层或中介层。晶圆对晶圆键合优于芯片对芯片键合或芯片对晶圆键合,因为它可提供高产量并简化结构层之间的对准。

一般而言,键合表面需要平坦且清洁。形貌可导致空隙或未对准,而胶粘剂残留物和金属氧化物可降低导电性。在今年的IEEE电子元器件和技术会议上,IHP Microelectronics的研究人员展示了铝到铝的热压键合。铝金属化由于与CMOS工艺兼容而具有吸引力,但表面粗糙度和快速氧化是重大障碍。IHP集团采用了真空键合工艺,对焊盘进行蚀刻以产生干净的表面。他们在300°C的压力下以60 kN的压力实现了牢固的结合,远低于CMOS兼容的500°C极限。

EVG510晶圆键合机

图2  EVG键合机(点击查看参数

基于铜金属化的晶圆键合工艺可以使用BEOL镶嵌铜镶嵌方法以形成焊盘。电介质必须能够抵抗扩散(例如BCB树脂),或者需要单独的扩散阻挡层(通常为SiC)。尽管CMPBEOL金属化的成熟且成熟的工艺,但晶圆间的键合会在划线道和大型铜键合焊盘上呈现出明显的形貌变化。此外,被键合的晶圆可能来自完全不同的晶圆厂,具有不同的工艺和规格。封装组装过程必须能够解决这些变化。Uhrmann描述了与Imec合作开发的混合键合工艺。依靠范德华力将两个晶片拉在一起,这是由于界面处有一层薄薄的水分。加热合并的叠层会使铜膨胀,从而完成键合。

6. 键合和金属化

本文着眼于隔离中的永 久性晶圆键合,它与封装内金属化密切相关。焊锡凸块,铜柱和再分布层以及其他选项都带来了独特的接合问题。

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