CN101925996B - 将器件晶片可逆地安装在载体基片上的方法 - Google Patents

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Abstract

提供新的临时粘合的方法和由该方法形成的制品。该方法包括将器件晶片与载体晶片或基片仅在它们的外周粘合，以帮助在随后的工艺过程和处理期间保护器件晶片及其器件位置。由该方法形成的边缘粘合具有耐化学性和耐热性，但也可以软化、溶解或机械破坏以使晶片在制造工艺中的合适阶段在室温或接近室温的温度下能用很小的力易于分离。

Description

将器件晶片可逆地安装在载体基片上的方法
发明背景
相关申请
本发明要求2008年1月24日提交的题为“将器件晶片可逆地安装在载体基片上的方法(METHOD FOR REVERSIBLY MOUNTING A DEVICE WAFERTO A CARRIER SUBSTRATE)”的美国临时申请第61/023,379号的权益，该申请通过参考结合于本文。
发明领域
本发明大致涉及能在晶片减薄和其它背面处理过程中将器件晶片支承在载体基片上的新的临时晶片粘合的方法。
现有技术的描述
集成电路、功率半导体、发光二极管、光子电路、微机电系统(MEMS)、嵌入式无源天线阵、封装插入件以及许多其它基于硅和化合物半导体的微器件以阵列的方式共同地制造在直径为1-12英寸的晶片基片上。然后将上述许多器件分成单独的器件或芯片，将它们组装以使它们实际上能，例如通过与印刷线路板的互连而与宏观环境相互作用。当芯片仍是晶片阵列的部分时在芯片上或芯片周围构造器件组件已变得越来越流行。被称为晶片级封装的这种作法降低了总封装成本并允许在器件及其微电子环境之间获得比在外部尺寸通常比实际器件大几倍的更传统封装的情况下更高的互连密度。
直到最近，互连方案已大体限制在二维，这意味着器件和其安装的相应板或封装表面之间的电连接已全部布置在水平或x-y平面内。微电子产业已意识到，通过将器件垂直层叠(即沿z方向)并互连，可获得器件互连密度的显著增加和信号延时的相应减小(因缩短了电连接点之间的距离)。器件层叠的两个普通要求是：(1)从背面沿贯穿晶片方向减薄器件；以及(2)接着形成贯穿晶片的电连接，通常称其为硅通孔或“TSV”，它们终止于器件的背面。就此而言，即使当器件不被封装在层叠结构中时，半导体器件减薄如今也已成为标准作法，因为它便于散热并允许例如移动电话的紧凑电子产品获得小得多的形状因数。
尤其当半导体器件或在其中安置器件的相应组件被层叠时，使半导体器件减薄至小于100微米以减小其外形，并简化器件上的背面电连接的形成正越来越受关注。用于高容量集成电路生产的硅晶片直径一般为200或300毫米并具有大约750微米的晶片贯穿厚度。不减薄的话，几乎不可能通过使连接穿过晶片而形成与前侧电路连接的背面电触头。基于机械研磨(背面研磨)和抛光以及化学蚀刻的半导体等级硅和化合物合半导体的高效减薄工艺现在正在商用。这些工艺允许器件晶片厚度在几分钟内降低至小于100微米，并同时在跨晶片厚度的均一性上保持精确的控制。
已被减薄至小于100微米的器件晶片，尤其是那些减薄至小于60微米的器件晶片，是极其易断的并且必须在其全尺寸上进行支承以防止破裂和断裂。已研发出多种晶片棒和晶片夹盘用于转移超薄器件晶片，但仍然存在的问题是如何在包括例如化学-机械抛光(CMP)、光刻、蚀刻、沉积、退火和清洁这些步骤的背面研磨和TSV成形工艺中支承晶片，因为这些步骤在减薄时或减薄后对器件晶片施加高热应力和机械应力。超减薄晶片处理的越来越流行的方法包括将全厚度器件晶片用聚合物粘合剂面朝下地安装在刚性载体上。然后从背部进行减薄和处理。然后在背面处理已完成后，通过热、热机械或化学工艺从载体取下或剥离完全处理的超薄晶片。
常见载体材料包括硅(例如器件晶片坯件)、碱钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、蓝宝石以及各种金属和陶瓷。载体可以是正方形或矩形的，但更常见是圆形的并且其尺寸与器件晶片匹配，因此能够在常规处理工具和卡盒中处理粘合组件。有时载体被穿孔以当液体化学试剂作为剥离剂用来溶解或分解聚合物粘合剂时加速剥离过程。
用于临时晶片粘合的聚合物粘合剂一般通过来自溶液的旋涂或喷涂或作为干膜胶带层叠而施加。旋涂和喷涂施加的粘合剂变得越来越优选，由于它们形成比胶带所能提供的更高的厚度均匀性的涂层。较高的厚度均匀性表现为在减薄后更好控制整个晶片厚度均匀性。聚合物粘合剂表现出对器件晶片和载体的高粘合强度。
聚合物粘合剂可根据所需要的厚度和涂层平面性(平面度)旋涂于器件晶片、载体或两者之上。经涂覆的晶片被烘烤以从聚合物粘合层去除所有涂料溶剂。经涂覆的晶片和载体随后在加热的机械压机中接触放置以粘合。施加足够的温度和压力以使粘合剂流入并填充器件晶片结构特征并获得与器件晶片和载体表面的全部区域的紧密接触。
在背面处理之后从载体剥离器件晶片一般以四种方法之一来进行：
(1)化学—将粘合的晶片叠层件浸入溶剂或化学试剂中或对该叠层件喷射溶剂或化学剂剂以溶解或分解聚合物粘合剂。
(2)光分解—用光源通过透明载体照射粘合的晶片叠层件以使与载体相邻的粘合剂边界层光分解。然后使载体与晶片叠层件分离，并在器件晶片保持在夹盘上的同时使剩余的聚合物粘合剂从器件晶片上剥落。
(3)热机械—以高于聚合物粘合剂软化温度的温度加热粘合的晶片叠层件，并随后在用全晶片卡盘支承的同时使器件晶片滑动或离开载体。
(4)热分解—以高于聚合物粘合剂分解温度的温度加热粘合的晶片叠层件，使其挥发并丧失与器件晶片和载体的粘合性。
这些剥离方法各自具有严重限制其在制造环境中使用的缺陷。例如，由于溶剂可能必须通过粘性聚合物介质扩散很大的距离才能进行释放，因此通过溶解聚合物粘合剂的化学剥离是缓慢的过程。也就是说，溶剂必须从粘合基片的边缘或从载体内的穿孔扩散到粘合剂的所在区域。在任一种情形下，溶剂扩散和渗透所需的最小距离为至少3-5毫米并可以大得多，即使在穿孔增加溶剂与粘合剂层的接触的情况下。即使在升高的温度(＝60℃)下一般也需要若干小时的处理时间以使剥离发生，这意味着晶片产量会很低。
由于整个粘合的基片无法一次曝光，光分解同样是缓慢的过程。而一般是光束截面仅为几毫米的激光的曝光源在传递足够能量以使粘合剂粘合层分解时必须聚焦在小面积上。光束然后以连续方式在基片上扫描(或光栅照射)以使整个表面剥离，这导致很长的剥离时间。
尽管热机械(TM)剥离一般可在几分钟内完成，但存在可能降低器件产量的其它限制因素。临时粘合的器件晶片的背面工艺经常涉及高于200℃或甚至300℃的工作温度。用于TM剥离的聚合物粘合剂在工作温度或工作温度附近必须既不分解又不过度软化，否则剥离将会过早地发生。结果，粘合剂一般设计成在高于工作温度20-50℃的温度下充分软化以使剥离发生。剥离所需的高温因热膨胀而将较大的应力施加于粘合对。同时，使器件晶片通过滑动、抬高或扭转运动移离载体所需的高机械力产生附加应力，该附加应力可能使器件晶片断裂或在各个器件的微电路中产生损坏，这导致器件故障和产量损失。
热分解(TD)剥离也容易使晶片断裂。当聚合物粘合剂分解时产生气体，而这些气体可在去除大部分的粘合剂前夹在器件晶片和载体之间。这种夹在里面的气体累积可能使薄器件晶片出现气孔和裂纹或甚至断裂。与TD剥离相关的另一问题是聚合物分解经常伴随形成难消除的碳化残渣，这种残渣不能通过普通清洁步骤从器件晶片去除。
这些现有技术的聚合物粘合剂剥离方法的限制已产生载体辅助的薄晶片处理的新方式的需要，这种新方式提供高晶片产量并减少或消除器件晶片断裂和内部器件损坏的几率。
发明概述
本发明大致提供一种新的临时粘合的方法。在一个实施方式中，该方法包括提供叠层件，该叠层件包括具有背面和器件表面的第一基片，该器件表面具有外周区和中央区。叠层件还包括具有载体表面的第二基片和粘合于外周区和载体表面的边缘粘合。边缘粘合不在中央区的至少一部分上，由此形成填充区，填充区中存在填充材料。该方法进一步包括使第一和第二基片分离。
在又一实施方式中，该方法包括提供具有前表面和背面的第一基片，前表面具有外周区和中央区。在外周区上形成边缘粘合，且边缘粘合不在中央区的至少一部分上。填充材料沉积在中央区内。
在又一实施方式中，本发明提供一种制品，其包括具有前表面和背面的第一基片。第一基片的前表面具有周边区和中央区。该制品该包括粘合于外周区的边缘粘合，该边缘粘合不在中央区的至少一部分上以便形成填充区，所述填充区中包括填充材料。
在又一实施方式中，本发明涉及一种制品，其包括具有前表面和背面的基片。基片的前表面具有外周区和中央区，在前表面的中央区上具有材料层。该层不在外周区上并选自低粘合强度层和前表面的表面改性。
附图简述
图1是示出根据本发明的粘合基片的一个实施方式的示意图；
图2是示出本发明替代性实施方式的示意图，其中两个工艺步骤已颠倒；
图3是本发明另一替代性实施方式的示意图，其中叠片可用作填充层；
图4是描绘本发明又一替代性实施方式的示意图，其中使用的第二层与填充层相邻；
图5是示出图4实施方式的可能的工业变化形成的示意图；以及
图6是示出本发明又一个变化形式的示意图。
优选实施方式的详细说明
图1描绘了本发明能实施的外周粘合所用的一种工艺。参见图1的步骤(a)，其中以示意图和横截面图的方式示出前体结构10。结构10包括第一基片12。在该实施方式中，第一基片12是器件晶片。也就是说，基片12具有前表面或器件表面14、背面16和最外缘17。尽管基片12可以是任何形状，然而其一般为圆形。不管形状如何，前表面或器件表面14具有外周区18和中央区20。
优选的第一基片12包括器件晶片，其器件表面包括选自下组的器件的阵列：集成电路；MEMS；微传感器；功率半导体；发光二极管；光子电路；插入件；嵌入式无源器件和在以下材料上制造或由以下材料制造的的其它微器件：硅以及如硅-锗、砷化镓、氮化镓的其它半导体材料。这些器件的表面通常包括由下面一种或多种材料形成的结构：硅、多晶硅、二氧化硅、氮(氧)化硅、金属(例如铜、铝、金、钨、钽)、低k电介质、聚合物电介质以及多种金属氮化物和硅化物。器件表面14还可包括增高的结构如焊接凸起物和金属桩和金属柱。
将填充材料施加于基片12的器件表面14以形成填充层22。填充层22具有第一和第二表面24、26以及最外部分28。优选的是施加填充层22以使其的厚度(从其最厚处测得)约为5微米至100微米的厚度，较佳地约为5微米至50微米，更佳地从约为10微米至30微米。
填充材料的施加可通过任何常规方法来实施，包括旋涂、用溶剂浇注(例如弯液面涂覆或辊涂)、喷墨和喷涂。当通过旋涂施加时，形成填充层22的材料一般以约500转/分钟至5000转/分钟的速度旋涂一段约60秒至120秒的时间。随后该层在接近或高于填充层22中溶剂的沸点的温度(例如约为80℃至250℃)烘烤一段约1分钟至15分钟的时间，从而使填充层22中的残留溶剂含量降低至小于约1％重量。
填充层22一般由包括分散或溶解在溶剂体系中的单体、低聚物和/或聚合物的材料形成。如果填充层通过旋涂施加，则优选该材料的固体含量约为1％重量至50％重量，较佳地约为5％重量至40％重量，更佳地约为10％重量至30％重量。合适的单体、低聚物和/或聚合物的例子包括选自下组的那些：环烯烃聚合物和共聚物以及具有高原子氟含量(大于约30％重量)的无定形含氟聚合物，例如氟化硅氧烷聚合物、氟化乙烯-丙烯共聚物、具有全氟烷氧基侧基的聚合物、四氟乙烯和2，2-二(三氟甲基)-4，5-二氟-1，3-间二氧杂环戊烯的共聚物是特别优选的。要理解这些材料的粘合强度取决于其特定化学结构和用来施加这些材料的涂覆和烘烤件。
环烯烃聚合物和共聚物的合适溶剂体系的例子包括选自下组的溶剂：例如己烷、癸烷、十二烷和十二烯的脂族溶剂；例如1，3，5-三甲基苯的烷基取代的芳族溶剂；及其混合物。无定形含氟聚合物的合适溶剂体系包括例如以FLUORINERT
Figure BPA00001186328600061
商标由3M公司销售的碳氟化合物溶剂。
在另一实施方式中，填充层22也可由包含分散的纳米微粒的聚合材料形成。合适的纳米微粒材料包括选自下组的材料：氧化铝、二氧化铈、二氧化钛、二氧化硅、氧化锆、石墨，及其混合物。
形成填充层22的材料应当在约150℃至350℃，较佳地在约200℃至300℃温度下保持稳定。此外，这种材料在其会经历的特定背面工艺中遇到的化学试剂接触的条件下也应当是稳定的。填充层22在这些条件下应当不分解(例如小于1％重量损失)或不会例如通过熔融丧失其机械完整性。填充层22也不应表现出可能造成薄器件晶片出现气孔或变形的放气，尤其是当经受高真空工艺时，例如在沉积CVD介电层的过程中。
在该实施方式中，填充层22较佳地不形成强粘合剂粘合，这样便于以后分离。一般来说，具有以下特征的无定形聚合物材料是合乎需要的：(1)具有低的表面自由能；(2)是无粘性的并已知对玻璃、硅和金属表面的粘合性不强(即一般具有非常低的羟基或羧基酸基的浓度，较佳为没有这些基团)；(3)可用溶液浇注或形成为用于层叠的薄膜；(4)在典型粘合条件下流动以填充器件晶片表面的外形，在基片之间形成无空穴粘合层；以及(5)在背面处理过程中遇到的机械应力下不破裂、流动或重新分布，即使当在高温或高真空条件下实施时也是如此。本文中使用的低表面自由能被定义为聚合材料显示与水的接触角至少约为90°以及临界表面张力小于约40达因/厘米，较佳地小于约30达因/厘米，更佳地约为12达因/厘米至25达因/厘米，其由接触角测量确定。
低粘合强度指聚合材料不会粘住或仅用例如可能用来剥离便条粘纸的很小手压力就能从基片剥落。因此，粘合强度小于约50磅/平方英寸，较佳小于约35磅/平方英寸，更佳约为1磅/平方英寸至30磅/平方英寸的任何材料用作填充层22是合乎需要的。本文中使用的粘合强度是按ASTM D4541/D7234确定的。显示上述特性的合适聚合材料的例子包括由三井公司(Mitsui)以商标APEL
Figure BPA00001186328600071
、由泰科纳公司(Ticona)以商标TOPAS
Figure BPA00001186328600072
以及瑞翁(Zeon)牌的以ZEONOR
Figure BPA00001186328600073
销售的一些环烯烃聚合物和共聚物、以及由旭玻璃公司(AsahiGlass)销售的CYTOP
Figure BPA00001186328600074
聚合物和杜邦公司销售的TEFLON
Figure BPA00001186328600075
AF聚合物的溶剂可溶含氟聚合物。这些材料的粘合强度取决于用于施加它们的涂覆和烘烤条件。
下面参见图1的步骤(b)，去除填充层22的最外部分28。这可通过允许去除所需量而不损坏第一基片12的任何方法来完成，包括用已知对形成填充层22的材料是良溶剂的溶剂溶解最外部分28。这些溶剂的例子包括选自下组的溶剂：脂族溶剂(例如己烷、癸烷、十二烷和十二烯)、碳氟化合物溶剂，及其混合物。在边缘去除后，填充层22具有最外缘30，它与外缘17的间隔距离为“D”。“D”一般约为2毫米至15毫米，较佳约为2毫米至10毫米，更佳地约为2毫米至5毫米。与去除边缘的溶剂接触可保持足够时间来溶解所需量的填充层22以得到所需距离“D”，但一般接触时间可约为5秒至60秒。
参照图1的步骤(c)，图中示出了第二基片32。在该特定实施方式中，第二基片32是载体基片。第二基片32包括载体表面34、背面36和外缘38。如同第一基片12的情形，第二基片32可以是任何形状，不过其一般是圆形的。此外，第二基片32的尺寸较佳地大致与第一基片12的尺寸相等，因此第二基片32的外缘38位于基本沿着与第一基片12的外缘17同一平面内。不管形状如何，载体表面34具有外周区40和中央区42。
优选的基片32包括选自下组的材料：硅、蓝宝石、石英、金属(例如铝、铜、钢)以及多种玻璃和陶瓷。基片32还可包括沉积在其表面34上的其它材料。例如，氮化硅可沉积在硅晶片上以改变填充层22的粘合特性。
第二基片32与填充层22接触，在第一基片12的外周区18和第二基片32的外周区40之间形成空穴44。这种接触较佳地在热和压力下进行，以使形成填充层22的材料沿第一基片12的前表面14以及沿第二基片32的载体表面34基本上均匀分布。根据填充层22的化学组成调节压力和热量并对它们进行选择使得在将第二基片32压制到第一基片12上之后的距离“D”与该压制在一起之前的距离基本上保持相同。即，填充层22将经历很少流入至不流入空穴44中，并且在压制在一起之后的距离“D”将是在压制在一起之前的距离“D”的约10％之内。在该步骤中的典型温度将约为150℃至375℃，并较佳地约为160℃至350℃，其典型压力约为1000牛至5000牛，较佳地约为2000牛至4000牛。
接着，将粘合材料引入空穴44(见图1中的步骤(d))以形成边缘粘合46，边缘粘合46的厚度与前面对于填充层22描述的厚度一致。由于空穴44局限于基片12和32的外周边，因此边缘粘合46同样受到限制。在基片12或32是圆形的情形下，边缘粘合46将是环形的。因此，与现有技术粘合剂在两基片12和32之间和横跨两基片12和32上具有相同材料的均匀层不同，在横跨基片12和32上存在不均匀材料分布。
边缘粘合材料可通过任何数量的方法来引入，其中一种适用方法是使用针管、注射器或尖端分配仪器来将材料分配到空穴44中同时结构10缓慢旋转直到空穴44充满粘合材料为止，由此形成边缘粘合46。边缘粘合46也可通过空穴44的毛细管填充或通过化学气相沉积来施加。在又一施加工艺中，液态(100％固体或溶液)、边缘粘合材料可在接触基片12和32之前使用包边挡板系统旋涂到载体或器件晶片的边缘上。Dalvi-Malhotra等在SPIE学报，第6462卷，2007，第64620B-1-64620B-7页中的“在硅晶片上使用硅烷基底漆提高在湿蚀刻期间边缘保护涂层的粘合性：TALON WrapTM方法的应用”(“Use ofsilane-based primer on silicon wafers to enhance adhesion of edge-protective coatingsduring wet etching：Application of the TALON WrapTM process”)中揭示了一个这样的系统，该文献通过参考结合于此。边缘粘合46然后受到适当的固化或硬化处理(例如UV固化)。
形成边缘粘合46的材料应当能与基片12和32形成强的粘合。具有大于约50磅/平方英寸，较佳约为80磅/平方英寸至250磅/平方英寸，更佳约为100磅/平方英寸至150磅/平方英寸的粘合强度的任何材料用作边缘粘合46是合乎需要的。另外，边缘粘合46的粘合强度至少约为0.5磅/平方英寸，较佳至少约为20磅/平方英寸，更佳地为比填充层22粘合性大约50磅/平方英寸至250磅/平方英寸。此外，形成边缘粘合46的材料必须满足背面处理的热和化学稳定性的要求。边缘粘合46应当在约150℃至350℃，较佳约200℃至约300℃的温度下保持稳定。此外，这种材料在粘合叠层件经受的背面工艺中遇到的化学试剂接触条件下应当是稳定的。边缘粘合46应当不分解(例如小于约1％重量损失)或在高于前述背面处理温度的温度下也不丧失其机械完整性。这些材料也不应当释放可能造成薄器件晶片的气孔的挥发性化合物，尤其是当经历例如CVD介电沉积的高真空工艺过程时。
优选的边缘密封或边缘粘合材料包括商用临时晶片粘合组成物，例如WaferBOND
Figure BPA00001186328600091
材料(由密苏里州罗拉的布鲁尔科学股份有限公司(BrewerScience Inc.，Rolla，MO)出售)以及对半导体材料、玻璃和金属显示高粘合强度的树脂和聚合物。尤其优选为：(1)高固体、可UV固化的树脂体系，例如反应性环氧树脂和丙烯酸类树脂；(2)相关的热固性树脂体系，例如双组分环氧粘合剂和硅氧烷粘合剂；(3)热塑性丙烯酸类、苯乙烯类、卤代乙烯(非含氟)和乙烯酯的聚合物以及与聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜和聚氨酯的共聚物，它们用熔体或作为溶液涂料施涂，施涂后烘烤至干，使外周区18和40更致密；和(4)环烯烃、聚烯烃橡胶(如聚异丁烯)，和烃基增粘剂树脂。如同用于形成填充层22的材料的情形，要理解边缘粘合材料的粘合强度也将取决于其特定化学结构以及用于施涂这些材料的涂覆和烘烤条件。
在这个阶段，可安全地处理第一基片12并使其经历可能在其它情况下已损坏第一基片12而没有粘合到第二基片32上的其它工艺。因此，该结构能安全地经历例如背面研磨、CMP、蚀刻、金属和电介质沉积、形成图案(例如通过蚀刻的光刻法)、钝化、退火，及它们的组合的背面处理而不发生基片12和32分离，并且不使在这些随后的处理步骤中遇到的任何化学试剂渗入基片12和32之间的中央区20和42。
有利的是，在本实施方式和全部实施方式中的层叠结构的干燥或固化层将具有数个非常希望有的特性。例如，这些层在加热和/或真空沉积工艺中将显示低放气性。即，在约150-300℃烘烤长达约60分钟的结果是填充层22和边缘粘合46的膜厚变化小于约5％，较佳小于约2％，更佳地小于约1.0％。因此，干燥层也可被加热至高达约350℃的温度，较佳为高达约320℃、更佳为高达约300℃而在层中没有发生化学反应。在一些实施方式中，粘合叠层件中的层也可与约80℃的温度的极性溶剂(例如N-甲基-2-吡咯烷酮)接触约15分钟而不会反应或溶解。
甚至在接触酸或碱时也能保持边缘粘合46的粘合完整性。即，厚度约为15微米的干燥边缘粘合46能浸在室温下酸性介质(例如浓硫酸)中达约10分钟或浸在约85℃的碱性介质(例如30重量％的KOH)中达约45分钟，同时保持粘合完整性。粘合完整性可通过使用玻璃载体基片并透过玻璃载体基片目视观察边缘粘合46以检查气泡、空穴等来进行评价。
一旦要求的处理完成，就可容易地将第一基片12和第二基片32分开。在一种分离方法中，首先借助溶剂或其它化学试剂来溶解边缘粘合46。这可通过浸入溶剂或将一股溶剂喷射到边缘粘合46以使其溶解来实现。如果溶剂溶解用来破坏边缘粘合46，则使用热塑性材料是特别合乎需要的。在该去除工艺中一般可使用的溶剂包括选自下组的那些溶剂：乳酸乙酯、环己酮、N-甲基吡咯烷酮、脂族溶剂(例如己烷、癸烷、十二烷和十二烯)，及其混合物。
基片12和32也可通过首先使用激光烧融、等离子体蚀刻、喷水或有效地腐蚀或分解边缘粘合46的其它高能技术来机械破坏或摧毁边缘粘合465的连续性。首先贯穿边缘粘合46锯开或切开或通过一些等效方法劈开边缘粘合46也是合适的。
不管利用上述哪些方法，随后可施加低的机械力(例如指压、温和楔入)以使基片12和32完全分开。较为有利且不同于现有技术粘合方法，分离不需要必须克服填充层22和基片12或32之间的强粘合剂粘合。而是只需要解除周边区18和40中边缘粘合46处的粘合剂粘合以使分离发生。然后在需要时用合适的溶剂将基片12和/或32的表面清洗干净以去除任何残留物质。
尽管上文描述了实施本发明的主要方法，然而存在本发明的若干替代性实施方式。例如，上面实施方式将第一基片12描述为器件晶片而将第二基片32描述为载体基片。而第一基片12是载体基片和第二基片32是器件基片也是可接受的。在那种情形下，第一基片12的前表面14将不是器件表面，而是载体表面。另外，第二基片32的表面34将不是载体表面，而是器件表面。换句话说，可通过在随后的粘合步骤中形成的相同特性的层叠结构将填充层施加于载体而不是器件晶片。
此外，上面实施方式描述将填充层22和边缘粘合46顺序施加于同一基片12。将填充层22和边缘粘合46之一施加于第一基片12，并将填充层22和边缘粘合46中的另一个施加于第二基片32也是合适的。第一和第二基片随后如上所述以面对面的方式在热和/或压力下被压制在一起以使两者粘合。
最后，尽管在某些实施方式中，较佳的是使填充层22不与器件表面14或载体表面34中的任何一个形成强粘合剂粘合，然而在其它实施方式中可能最好配制填充层22以使其仅与器件表面14或载体表面34中的一个不形成强粘合剂粘合。
参见图2，图中示出本发明的另一替代实施方式，相同部分的编号与图1中的相同。如图所示，基片12和32、填充层22和边缘粘合46由上面对于图1所述的相同材料形成，但工艺顺序已改变。也就是说，关于图2的步骤(C’)，用来形成边缘粘合46的粘合或密封材料在施加填充层22后但在使第二基片32与填充层22接触前被施加于空穴44(如步骤(D’)所示)。
也如图1实施方式的情形，第一基片12可以是载体基片和第二基片32可以是器件晶片。而且，在这种情况下，第一基片12的前表面14将不是器件表面，而是载体表面。而且，第二基片32的表面34将不是载体表面，而是器件表面。由于图2步骤(c’)中所示的结构10可用作为载体晶片提供的第一基片12制造，因此这种替代性配置是尤为有利的。随后可将这种结构提供给将器件晶片粘合于该结构并使叠层件进一步处理的最终用户。因此，已有粘合剂的载体可用来为最终用户提供了额外的方便，这省去了最终用户的处理步骤。
图3示出本发明的又一实施方式，还是相同的编号用于相同部件。在本实施方式中，填充层22作为在热、压力和/或特定材料所需的真空下粘合于第一基片12的叠片以确保填充层22和前表面14之间没有空穴(见图3的步骤(A))。叠片被预先切割成适当形状(例如圆形)或在施加后机械修整以如上所述形成适当尺寸的空穴44。用来形成边缘粘合46的粘合或密封材料在施加用来形成填充层22的叠片之后和第二基片32与填充层22接触前被施加于空穴44(如步骤(C)所示)。
也如图1和图2实施方式的情形，第一基片12可以是载体晶片和第二基片32可以是器件晶片。而且，在这种情形下，第一基片12的前表面14将不是器件表面，而是载体表面。另外，第二基片32的表面34将不是载体表面，而是器件表面。如图2实施方式的情形，由于图3步骤(B)所示的结构10可用作为载体基片提供的第一基片12制造，因此这种替代性配置是尤为有利的。然后可将这种结构提供给将器件晶片粘合于该结构并使叠层件进一步处理的最终用户。
又一替代性实施方式示于图4，其中相同编号用来表示相同部分。图中示出结构48。结构48与图1步骤(d)所示的结构10相似(并用相似方法形成)，但结构48还包括第二层50。层50可以是低粘合强度层，例如在背面或其它处理后施加以便于分离的防粘涂层(例如剥离剂)。使用防粘涂层减轻了填充层22与第一或第二基片12或32形成非粘性或低粘合强度界面的要求。
层50(不按比例绘出)不是以低粘合强度层的形式，而是也可表示在第一基片12的前表面14上的区域，该区域已被化学改性以获得永久非粘性表面层或填充材料无法对其强粘合的表面层。这类改性可包括例如：(a)硅表面用疏水性有机硅烷进行化学处理以降低其表面自由能，所述有机硅烷例如是(氟代)烷基硅烷(如全氟烷基三氯硅烷)或(氟代)烷基磷酸酯；或(b)在载体上化学气相沉积低表面自由能的涂层(如氟化聚对亚苯基二甲基AF4)以形成永久不粘的表面。这种方法的优点在于，可对特性(例如厚度、溶解性、热稳定性)的任意组合选择填充层，而不是提供与基片的非粘性或低粘合强度界面。当进行表面改性时，层50的厚度一般约为1纳米至大约5纳米的数量级。
最后，层50不是低粘合强度层或表面改性，而是也可表示第二聚合物层。层50可以是选自下组的聚合物涂层：环烯烃聚合物和共聚物，它们对将层50施加于其上的基片12或32或对层50接触的填充层22具有低粘合强度，或者层50也可以是永久防粘层如含氟聚合物涂层(例如杜邦公司以商品名Teflon
Figure BPA00001186328600131
出售的那些)。当层50是低粘合强度聚合层时，较佳地以至少约0.5微米厚度施加(例如通过旋涂)，该厚度更佳约为1微米至10微米。
将聚合物涂层用作层50便于最终用户定制而受益。例如，层50可与第一基片12形成非粘性或低粘合强度界面以一旦边缘粘合46已断裂或去除就促进该基片容易分离，同时使填充层22牢固地粘合于第二基片32。这种配置的优点在于，填充层22可以非常厚(高达几百微米)并可选择以快速溶解在清洗溶剂中，但不一定要与第一基片12形成非粘性或低粘合强度界面，或者可使这些层的作用倒过来。层50和填充层22的施加可顺序发生在第一基片12上，或者可单独涂覆，将层50或22中的一层首先施加在每个基片上，并随后将它们放置成彼此接触。
无论使用的层50如何，不应当使其与填充层22混合，或溶解于填充层22，或与之反应。此外，应当对其选择以均匀而没有空穴或其它缺陷的方式进行涂覆。
也如前述实施方式的情形，基片12和32可颠倒，这样第一基片12是载体基片而第二基片32是器件晶片。而且，在这种情形下，第一基片12的前表面14将不是器件表面，而是载体表面。另外，第二基片32的表面34将不是载体表面，而是器件表面。由于图5所示的结构48’可用作为载体晶片提供的第一基片12制造，因此该替代性配置也是有利的。然后可将这种结构提供给将器件晶片粘合于该结构并使叠层件进一步处理的最终用户。因此，如同前面的实施方式，已有粘合剂的载体可用来为最终用户提供了额外的方便，这省去了最终用户的处理步骤。
本发明的又一实施方式示于图6。在该实施方式中，结构52类似于图5所示的结构48’，但结构52仅包含基片12和层50。在该实施方式中，基片12较佳为如上所述那些的载体基片。可将该结构提供给最终用户，然后最终用户在处理过程中将其作为载体基片以支承器件晶片。
最后，上文已描述用来形成填充层22、边缘粘合46和层50的材料。要理解，本领域的普通技术人员容易选择和调整使这些材料硬化或固化的机理。例如，在一些实施方式中，最好是使用非固化组合物以使其在以后的清除和清洗工艺中更易溶解。对于这些材料中的每一种，热塑性或橡胶状组合物(其重均分子量一般至少约为5000道尔顿)、树脂或松香类组合物(其重均分子量一般小于约5000道尔顿)以及前述组合物的混合物是合适的。
在其它实施方式中，热固性材料是较为合适的，并因此可选择加热施固化或交联的组合物。这可能要求在该体系中使用交联剂和可能使用催化剂以及诱导交联的步骤。
在又一实施方式中，可光固化体系是较佳的。这要求在该体系中使用自由基光引发剂或光生催化剂以及诱导固化的步骤(例如暴露于UV光)。该系统在某些情形下提供优点，因为它在需要时能以100％固体组合物的形式施加。
要理解，上述内容可用来制造一些集成的微器件，包括选自下组的器件：基于硅的半导体器件、基于化合物半导体的器件、嵌入式无源器件(例如电阻器、电容器、电感器)阵列、MEMS器件、微传感器、光子电路器件、发光二极管、热管理器件以及前述器件中的一个或多个已与其连接或将要与其连接的平面封装基片(例如插入件)。
实施例
下面的例子阐述根据本发明的较佳方法。然而，要理解，这些例子用示例方式给出并且其中没有任何内容应被视为是对本发明整体范围的限制。
实施例1
边缘表面用粘合剂粘合和中央表面经化学改性
环氧基光刻胶(马萨诸塞州牛顿的微化学公司(Microchem)的SU-8 2002)在100毫米硅晶片(晶片1)d外缘分配到片该晶片的表面上以涂覆晶片表面大约3-5毫米宽的部分。使用FC-40溶剂(从3M公司获得，以商品名Fluorinert出售，主要具有C12的全氟化合物)将氟化硅烷((十七氟-1，1，2，2-四氢癸基)三氯硅烷)稀释至1％的溶液。该溶液被旋涂至晶片1的表面上。晶片1在100℃的热板上烘烤1分钟。用FC-40溶剂在旋涂机中对其进行清洗并在100℃再烘烤1分钟。在旋涂机中使用丙酮去除环氧基光刻胶，留下未用氟化硅烷溶液处理的边缘。
另一100毫米硅晶片(晶片2)的表面通过旋涂涂覆有粘合组合物(可从密苏里州罗拉的布鲁尔科学股份有限公司(Brewer Science Inc.)购得的WaferBOND
Figure BPA00001186328600151
HT10.10)。该晶片在110℃下烘烤2分钟并随后在160℃下烘烤2分钟。涂覆的晶片在加热的真空和压力室内在220℃在真空下以面对面的方式粘合3分钟。通过在两晶片之间的边缘处插入剃刀的刀片而使两晶片分开。在分离后，仅3-5毫米宽的粘合组合物涂层环转移至晶片1的边缘，而剩下的涂层保持在晶片2上。本实施例中的任一晶片可视为器件晶片或载体晶片。
实施例2
边缘表面用粘合剂粘合、中央表面经化学改性以及在边缘使用溶剂喷射和楔形物分开
环氧基光刻胶在200毫米硅晶片(晶片1)的外缘分配到该晶片的表面上以涂覆晶片表面约3-5毫米宽的部分。使用FC-40溶剂将氟化硅烷((十七氟-1，1，2，2-四氢癸基)三氯硅烷)稀释到1％溶液。将溶液旋涂到晶片1的表面上。将晶片1在100℃的热板上烘烤1分钟。在旋涂机中用FC-40溶剂对晶片进行清洗并在100℃再烘烤1分钟。在旋涂机中使用丙酮去除环氧基光刻胶，留下未用氟化硅烷溶液处理的边缘。
另一200毫米硅晶片(晶片2)的表面通过旋涂涂覆有WaferBOND
Figure BPA00001186328600152
HT10.10粘合组合物。该晶片在110℃下烘烤2分钟并在160℃下烘烤2分钟。经涂覆的晶片在加热的真空和压力室内在220℃以相互面对面的方式粘合2分钟。晶片通过直接在粘合晶片的边缘分配十二烯(WaferBOND
Figure BPA00001186328600161
HT10.10中的溶剂)以溶解粘合组合物，同时旋涂晶片以使粘合晶片的边缘与溶剂接触，从而使晶片脱粘。当溶剂从边缘溶解材料至大约0.5-1毫米之后，在晶片仍然旋转的同时在边缘将尖锐的圆盘插入晶片之间。这使粘合组合物在边缘失效并使晶片分离。在分离后，只有3-5毫米宽的HT10.10涂层环被转移至晶片1的边缘，而剩下的涂层保持在晶片2上。本实施例中的任一晶片可视为器件晶片或载体晶片。
实施例3
边缘表面用粘合剂粘合和中央表面用剥离材料涂覆
一种环氧基负性光刻胶(从微化学公司(MicroChem)获得，以商品名SU-8-2010出售)被旋涂到100毫米玻璃晶片的表面上。在110℃对晶片烘烤2分钟。Teflon
Figure BPA00001186328600162
AF溶液(从杜邦获得的，FC-40中的Teflon
Figure BPA00001186328600163
AF2400)被旋涂在SU-8 2010上。然后，FC-40溶剂在晶片外缘被分配到晶片的表面上以从晶片表面去除大约3-5毫米宽的Teflon
Figure BPA00001186328600164
AF涂层部分。将晶片在110℃下烘烤2分钟。在加热的真空和压力室内将该晶片在真空下在120℃以面对面的方式与100毫米硅晶片坯件粘合3分钟。使粘合的晶片从玻璃晶片的外侧暴露于宽带UV光。将曝光的晶片在120℃下烘烤2分钟以使SU-82010涂层交联。通过在边缘将剃刀的刀片插入两晶片之间而使晶片分开。在分离后，硅晶片仅在外圈3-5毫米范围内具有材料环，而在中央没有材料转移。在本实施例中的任一晶片可视为器件晶片或载体晶片。
实施例4
边缘表面用粘合剂粘合和中央表面用增粘剂涂覆
通过首先混合下列组分制备单体溶液来制备一种硅氧烷丙烯酸酯共聚物：甲基丙烯酰氧基丙基三(三-甲基甲硅烷氧基)硅烷；336克甲基丙烯酸缩水甘油酯和9.6克过氧化二枯基。接着，将1430.4克的1-丁醇加到反应器中并在一小时内加热至116℃。滴加单体溶液4小时，并在116℃下进行聚合20小时以得到具有40.4％固体百分比的硅氧烷丙烯酸酯共聚物溶液。
将共聚物溶液旋涂到100毫米硅晶片(晶片1)的表面上。然后在晶片外缘将1-丁醇分配到晶片的表面上以从晶片表面去除大约3-5毫米宽的硅氧烷丙烯酸酯共聚物涂层部分。将晶片在热板上在110℃下烘烤2分钟。另一100毫米硅晶片(晶片2)的表面通过旋涂涂覆有布鲁尔科学公司(Brewer Science)的WaferBOND
Figure BPA00001186328600171
HT10.10晶片粘合组合物。然后在110℃下烘烤该晶片2分钟并在160℃下烘烤2分钟。在加热的真空和压力室内将涂覆的晶片在220℃下以相互面对面的方式粘合3分钟。通过在边缘将剃刀的刀片在两晶片之间而使两晶片分开。在分离后，仅3-5毫米宽的HT10.10涂层环保持在晶片2的边缘上，而剩下的涂层干净地转移至晶片1。本例中的任一晶片可视为器件晶片或载体晶片。
实施例5
边缘表面用粘合剂粘合和中央表面用对任一基片具有低粘合性的材料填充
在实施例3中使用的Teflon
Figure BPA00001186328600172
AF溶液被旋涂在100毫米硅晶片(晶片1)的表面上。接着，将FC-40溶剂在晶片外缘分配到晶片的表面上以从晶片表面去除大约3-5毫米宽度的Teflon
Figure BPA00001186328600173
AF涂层部分。将晶片在110℃下烘烤2分钟。通过旋涂使晶片的边缘涂覆有WaferBOND
Figure BPA00001186328600174
HT10.10粘合组合物，材料仅在晶片边缘分配。在加热的真空和压力室内，晶片在220℃在真空下以面对面的方式与100毫米硅晶片坯件(晶片2)粘合2分钟。通过在晶片边缘将剃刀的刀片在两晶片之间而使两晶片分开。在分离后，硅晶片2仅在外圈3-5毫米内具有粘合材料环，而在中央没有材料转移。在本实施例中的任一晶片可视为器件晶片或载体晶片。

Claims (43)

1.一种临时粘合的方法，包括：
提供叠层件，该叠层件包括：
具有背面和器件表面的第一基片，所述器件表面具有外周区和中央区；
具有载体表面的第二基片；和
粘合于所述外周区和所述载体表面的边缘粘合，所述边缘粘合不在所述中央区以便形成填充区；以及
在所述填充区中的填充材料，所述填充材料的粘合强度小于50psig；分离所述第一和第二基片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件表面包括选自下组的器件的阵列：集成电路；MEMS；功率半导体；发光二极管；光子电路；插入件；嵌入式无源器件；和在以下材料上制造或由以下材料制造的微器件：硅、硅-锗、砷化镓、和氮化镓。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二基片包括选自硅、蓝宝石、石英、金属、玻璃、和陶瓷的材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件表面包括选自下组的至少一种结构：焊接凸起物、金属桩、以及由选自下组的材料形成的结构：硅、多晶硅、二氧化硅、氮氧化硅、金属、低k电介质、聚合物电介质、金属氮化物、和金属硅化物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料提供与所述载体表面接触的第一表面以及与所述器件表面接触的第二表面，所述填充材料从所述第一表面至所述第二表面为均匀材料。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料提供第一表面和第二表面，所述叠层件还包括与所述第一和第二表面之一接触的第二层，所述第一和第二表面中的另一个表面与所述载体表面和所述器件表面中的一个接触。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二层选自下组：低粘合强度层、聚合物层、以及所述载体表面或所述器件表面的表面改性。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二层与所述载体表面接触。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边缘粘合的宽度从2毫米至15毫米。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边缘粘合由包括选自下组的单体、低聚物、聚合物的材料形成：环氧化物、丙烯酸类、硅氧烷、苯乙烯类、卤代乙烯、乙烯酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、环烯烃、聚烯烃橡胶，以及聚氨酯。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料包括选自环烯烃和无定形含氟聚合物的单体、低聚物和/或聚合物。
12.如权利要求1所述的方法，其还包括在分离所述第一和第二基片前使所述叠层件经历选自下组的处理：背面研磨、化学机械抛光、蚀刻、金属和电介质沉积、形成图案、钝化、退火，及它们的组合。
13.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述分离前使所述边缘粘合接触溶剂以溶解所述边缘粘合。
14.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述分离前机械破坏所述边缘粘合。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分离包括向所述第一和第二基片中的至少一个施加小力以将它们拉开。
16.一种临时晶片粘合制品，其包括：
具有前表面和背面的第一基片，所述前表面具有外周区和中央区；
粘合于所述外周区的边缘粘合，所述边缘粘合不在所述中央区上以便形成填充区，所述边缘粘合由包括选自下组的单体、低聚物、或聚合物的材料形成：环氧化物、丙烯酸类、硅氧烷、苯乙烯类、卤代乙烯、乙烯酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、环烯烃、聚烯烃橡胶、以及聚氨酯；以及
与所述中央区相邻的所述填充区中的填充材料，所述填充材料的粘合强度小于50psig且所述填充材料不在所述外周区。
17.如权利要求16所述的制品，其特征在于，所述第一基片包括具有器件表面的器件晶片，所述器件表面包括选自下组的器件的阵列：集成电路；MEMS；功率半导体；发光二极管；光子电路；插入件；嵌入式无源器件；和在以下材料上制造或由以下材料制造的微器件：硅、硅-锗、砷化镓、和氮化镓。
18.如权利要求16所述的制品，其特征在于，所述第一基片包括选自硅、蓝宝石、石英、金属、玻璃、和陶瓷的材料。
19.如权利要求16所述的制品，其还包括具有载体表面的第二基片，所述边缘粘合进一步粘合于所述载体表面。
20.如权利要求19所述的制品，其特征在于，所述第二基片包括选自硅、蓝宝石、石英、金属、玻璃、和陶瓷的材料。
21.如权利要求17所述的制品，所述器件表面包括选自下组的至少一种结构：焊接凸起物、金属桩、以及由选自下组的材料形成的结构：硅、多晶硅、二氧化硅、氮氧化硅、金属、低k电介质、聚合物电介质、金属氮化物、和金属硅化物。
22.如权利要求16所述的制品，其特征在于，所述填充材料提供第一表面和第二表面，所述制品还包括与所述第一和第二表面之一接触的第二层。
23.如权利要求19所述的制品，其特征在于，所述填充材料提供第一表面和第二表面，所述制品还包括与所述第一和第二表面之一接触的第二层，所述第二层选自下组：低粘合强度层、聚合物层、以及所述载体表面或所述前表面的表面改性。
24.如权利要求23所述的制品，其特征在于，所述第二层与所述载体表面接触。
25.如权利要求16所述的制品，其特征在于，所述边缘粘合的宽度从2毫米至15毫米。
26.如权利要求16所述的制品，其特征在于，所述填充材料包括选自环烯烃和无定形含氟聚合物的单体、低聚物和/或聚合物。
27.一种形成临时晶片粘合结构的方法，所述方法包括：
提供具有前表面和背面的第一基片，所述前表面具有外周区和中央区；
在所述外周区上形成边缘粘合，所述边缘粘合不在所述中央区上，所述边缘粘合由包括选自下组的单体、低聚物、或聚合物的材料形成：环氧化物、丙烯酸类、硅氧烷、苯乙烯类、卤代乙烯、乙烯酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、环烯烃、聚烯烃橡胶、以及聚氨酯；以及
在所述中央区中沉积填充材料，所述填充材料的粘合强度小于50psig。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述沉积填充材料是在所述形成边缘粘合之前进行的。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一基片包括具有器件表面的器件晶片，所述器件表面包括选自下组的器件的阵列：集成电路；MEMS；功率半导体；发光二极管；光子电路；插入件；嵌入式无源器件；和在以下材料上制造或由以下材料制造的微器件：硅、硅-锗、砷化镓、和氮化镓。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一基片包括选自硅、蓝宝石、石英、金属、玻璃、和陶瓷的材料。
31.如权利要求27所述的方法，其还包括将具有载体表面的第二基片粘合于所述边缘粘合。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述第二基片包括选自硅、蓝宝石、石英、金属、玻璃、和陶瓷的材料。
33.如权利要求27所述的方法，所述前表面包括选自下组的至少一种结构：焊接凸起物、金属桩、以及由选自下组的材料形成的结构：硅、多晶硅、二氧化硅、氮氧化硅、金属、低k电介质、聚合物电介质、金属氮化物、和金属硅化物。
34.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述填充材料提供第一表面和第二表面，所述结构还包括与所述第一和第二表面之一接触的第二层。
35.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述填充材料提供第一表面和第二表面，所述结构还包括与所述第一和第二表面之一接触的第二层，所述第二层选自下组：低粘合强度层、聚合物层以及所述载体表面或所述前表面的表面改性。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第二层与所述载体表面接触。
37.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述边缘粘合的宽度从2毫米至15毫米。
38.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述填充材料包括选自环烯烃和无定形含氟聚合物的单体、低聚物和/或聚合物。
39.一种临时晶片粘合制品，其包括：
具有前表面和背面以及外缘的基片，所述前表面具有外周区和中央区；以及；
在所述前表面上所述中央区处的材料层，所述材料层不在所述外周区和最外缘，所述最外缘与所述外缘的间隔距离为“D”，并限定出与所述外周区相邻的空穴，所述层选自低粘合强度层和所述前表面的表面改性。
40.如权利要求39所述的制品，其特征在于，所述基片包括选自硅、蓝宝石、石英、金属、玻璃、和陶瓷的材料。
41.如权利要求40所述的制品，其特征在于，所述基片包括硅。
42.如权利要求39所述的制品，其特征在于，所述外周区的宽度从2毫米至15毫米。
43.如权利要求39所述的制品，所述材料层的厚度从1纳米至5纳米。
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