CN108335994A - 晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置，所述晶片接合结构包括：晶片；基板，采用可透过紫外激光的材料；粘合层，包含通过紫外线或热固化的有机材料，涂覆于晶片表面；以及释放层，包含吸收紫外激光而分解的材料，涂覆于基板表面，并且与粘合层接合。所述晶片剥离方法包括步骤：将紫外激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；以及采用整形得到的平顶分布的矩形光斑扫描释放层，通过释放层材料对紫外激光的吸收使释放层材料分解，实现晶片与基板的分离。本发明所述晶片接合结构方便实现晶片与基板的分离。本发明所述晶片剥离方法可以显著提高晶片的加工质量和生产良率。

Description

晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置。
背景技术
集成电路封装是半导体产业链中的核心环节之一，近年来，叠层芯片封装逐渐成为技术发展的主流。叠层芯片封装技术，简称3D封装，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术，它起源于快闪存储器(NOR/NAND)及SDRAM的叠层封装。
随着对于大规模集成、高密度封装的需求日渐提高，堆叠中所用各层芯片的厚度不可避免的需要被减薄，目前较为先进的叠层封装的芯片厚度都在100um以下，对于一些应用，硅晶片/芯片被后侧研磨并抛光到50um甚至更薄。虽然单晶硅具有非常高的机械强度，但在降低厚度的过程中，硅晶片的脆性会增加，减薄后的硅晶片在后续的加工过程中十分容易弯折或断裂，这对于自动化设备提出了较大的挑战。
针对上述问题，在现有技术中，通过将被加工的晶片粘着固定在基板上，以增强晶片在加工过程中的机械强度，在晶片加工完成之后，再将晶片与基板剥离。现有技术中，常用的晶片与基板剥离的方法有以下几种：
化学方式：将硅酮粘着剂(silicone adhesive)用作粘着层，浸渍于可将硅酮树脂溶解或分解的化学物品来使基板和晶片剥离，这一方式中，溶剂必须通过粘滞性聚合物介质扩散过很大的距离来实现脱粘，通常需要较长的时间才能完成晶片与基板的分离，在实际加工中会导致生产力降低；
热机械方式：将热熔性烃类化合物作为粘着层，在加热熔融状态下进行粘合/剥离操作，该项技术由于只需通过加热进行控制，操作简便，但是由于在对晶片进行背侧加工时经常会涉及到高于甚至300度的工作温度，这就需要用于剥离的聚合物在该工作温度下或附近既不会分解也不会过度软化，否则在加工的过程中晶片就可能与基板分离；同时，高温由于热膨胀会对粘合的成对器件施加大量的应力，以及在将晶片从基板上移走所进行的滑动、抬升或扭曲等操作也会形成附加的应力，这就容易在剥离过程中造成晶片的断裂或其上微观电路的损坏；
热分解方式：粘合的晶片与基板被加热到粘合层聚合物的分解温度以上，使得聚合物分解挥发从而分离开晶片和基板，这一方式所需要的温度也较高，高温条件下晶片易碎，且当聚合物分解时产生气体，这些气体可能会在粘合剂块件被移除之前陷入到晶片和基板之间，气体的累计会在晶片与基板的缝隙中形成气泡甚至引起晶片炸裂，与此同时，聚合物分解时常伴有难以处理的碳化残留物的形成，这些物质也给后续的清洗操作带来困难。
由于以上剥离方式的局限性，需要开发新的晶片与基板的剥离方式，以提高晶片的产量和生产效率，并减少或消除晶片断裂和内部器件受损的几率。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置，从而克服现有技术中的晶片剥离方法存在晶片产率较低和生产效率低的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种晶片接合结构，其中，包括：晶片；基板，采用可透过紫外激光的材料；粘合层，包含通过紫外线或热固化的有机材料，涂覆于晶片表面；以及释放层，包含吸收紫外激光而分解的材料，涂覆于基板表面，并且与粘合层接合。
所述的晶片接合结构，其中，所述晶片的厚度为50～100μm，所述粘合层的厚度约10～30nm，所述释放层的厚度为200～1000nm，所述基板的厚度为300～600μm。
本发明又提供了一种基于以上所述的晶片接合结构的晶片剥离方法，其中，所述晶片剥离方法包括步骤：
将紫外激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；以及
采用整形得到的平顶分布的矩形光斑扫描释放层，通过释放层材料对紫外激光的吸收使释放层材料分解，实现晶片与基板的分离。
所述的晶片剥离方法，其中，所述晶片剥离方法还包括步骤：
完成释放层的扫描后，将晶片从基板上移走；以及
将晶片从基板上移走后，对晶片上的残余物进行清洁。
所述的晶片剥离方法，其中，将晶片从基板上移走的方式为采用真空吸盘在晶片和基板背离粘合面的一侧进行吸附，将晶片从基板上移走；或者，为采用机械器件伸入至晶片与基板的缝隙防止粘合层重新将晶片与基板粘合，之后再用机械手将晶片移走。
本发明还提供了一种基于以上所述的晶片接合结构的晶片接合方法，其中，所述晶片接合方法包括步骤：
将粘合层涂覆于晶片的表面，将释放层涂敷于基板的表面；以及
将粘合层与释放层接合使得晶片与基板接合形成晶片接合结构。
本发明还提供了一种晶片剥离装置，其中，包括：激光器，用于产生紫外激光束；
准直扩束系统，用于对激光器发出的激光束进行准直和扩束；
光束整形系统，用于将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；
振镜，用于通过X和Y扫描镜控制整形后的激光束的传输方向；
聚焦透镜，与振镜连接用于将整形后的激光束聚焦至释放层；以及
控制系统，用于控制激光器发射激光束，以及控制X和Y扫描镜的偏转方向。
所述的晶片剥离装置，其中，所述光束整形系统包括衍射光学元件。
所述的晶片剥离装置，其中，所述光束整形系统还包括微透镜阵列、和/或液晶空间光调制器、和/或空间滤波系统。
所述的晶片剥离装置，其中，所述激光器为输出355nm波长的三倍频YAG激光器，或者为输出308nm波长的准分子激光器。
本发明的有益效果是：本发明提供了晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置，本发明所述晶片接合结构的释放层包含吸收紫外激光而分解的材料，由此可以采用紫外激光照射，通过释放层材料对紫外激光的吸收使释放层材料分解，方便实现晶片与基板的分离。本发明晶片剥离方法，通过将高斯分布的激光束整形为平顶分布的激光束用于进行激光剥离，由于平顶光束光强分布均匀，可以得到均匀一致的加工效果；且由于采用的紫外激光属于冷加工过程，其与材料的作用主要为光化学机制，直接打破聚合物的化学键，使得释放层能够分解完全，同时所产生的热影响较小，从而提高晶片的加工质量和生产良率。
附图说明
图1是本发明实施例的晶片接合结构示意图。
图2为本发明实施例的晶片接合方法的流程图。
图3为本发明实施例的晶片剥离方法的流程图。
图4为三倍频YAG激光器加工时的一种扫描方向示意图。
图5为308nm准分子激光器加工时的扫描方式示意图。
图6为本发明实施例的晶片剥离装置结构示意图。
图7为激光束的高斯曲线分布示意图。
图8为激光束的圆形激光光斑重叠情况示意图。
图9为矩形平顶光束的光强分布示意图。
图10为平顶分布的矩形光斑的重叠情况示意图。
具体实施方式
本发明提供晶片接合结构、晶片接合方法、晶片剥离方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的晶片接合结构，如图1所示，包括：晶片1、粘合层2、释放层3、基板4。其中，所述基板1采用可透过紫外激光的材料；所述粘合层2包含通过紫外线或热固化的有机材料，涂覆于晶片表面；所述释放层3包含吸收紫外激光而分解的材料，涂覆于基板表面，并且与粘合层接合。本发明所述晶片接合结构的释放层包含吸收紫外激光而分解的材料，由此可以采用紫外激光照射，通过释放层材料对紫外激光的吸收使释放层材料分解，方便实现晶片与基板的分离。
进一步的，本实施例中，所述晶片主要为半导体晶片，例如硅晶片，其厚度为50～100um，晶片有两个表面，其中一个表面上刻蚀有电路图案，晶片减薄的工艺从与该表面相反的另一表面(通常称为“背面”)进行。所述粘合层涂覆于晶片的一个表面，粘合层起到在晶片加工工序中作为抑制基板和晶片之间扭曲的粘合剂的作用；其成份主要为能够通过紫外线或热固化的有机物质，可以是包含选自聚酯类树脂、丙烯酸类树脂、环氧类树脂、硅类树脂以及聚氨基甲酸乙酯类树脂构成的组合中的一种及以上物质。粘合层的厚度为10～30nm。所述释放层涂覆于基板的一个表面，用于控制基板和晶片的释放，其材料可以是热固性树脂，可以包括高度吸收在剥离阶段采用的激光波长的材料。例如，本发明实施例中所采用的释放层材料对308nm紫外激光的吸收率可达90％，对355nm紫外激光的吸收率可达70％。释放层的厚度为200～1000nm，优选厚度为200～500nm。粘合层与释放层的材料都是化学稳定的且热稳定的，以便能够耐受半导体加工，半导体加工包括：包括PECVD和金属溅射的加热真空沉积、热烘烤步骤以及暴露于包括溶剂、酸和碱的湿法化学物质。所述基板包括玻璃，其对308nm和355nm紫外激光的透过率可达95％以上，基板的厚度为300～600μm。
进一步的，本发明实施例还提供了一种基于以上所述的晶片接合结构的晶片接合方法，如图2所示，所述晶片接合方法包括步骤：
步骤S100、将粘合层涂覆于晶片的表面，将释放层涂敷于基板的表面；具体实施时，将粘合层涂覆至晶片的第一表面，将释放层涂敷于基板的第一表面。其中，粘合层可以是采用旋涂、Roll-to-Roll涂布等工艺在晶片的接合面进行整体涂覆后固化而成的；在涂覆的过程中，可根据粘合层的粘度来数次涂覆并层叠粘合层的物质，来得到所期望的厚度和粘度。
步骤S200、将粘合层与释放层接合使得晶片与基板接合形成晶片接合结构；具体实施时，将粘合层与释放层接合使得晶片与基板接合形成晶片接合结构，粘合层和释放层位于晶片的第一表面和基板的第一表面之间。粘合层与释放层的接合可以包括在真空环境中在受控的热或压力条件下物理地使晶片和基板接合在一起，例如在大量可购买的接合工具中的任何一种中提供真空环境。
进一步的，本实施例中，在晶片接合后对晶片进行加工。加工方式有很多种，主要的可以包括晶片厚度减薄加工，晶片背侧工艺如离子注入、退火、蚀刻、溅镀、蒸镀和/或金属化等，以及晶片后侧形成硅直通，直到在晶片的活动侧形成集成电路等。
进一步的，本发明实施例还提供了一种基于以上所述的晶片接合结构的晶片剥离方法，如图3所示，所述晶片剥离方法包括步骤：
步骤S400、将紫外激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；以及
步骤S500、采用整形得到的平顶分布的矩形光斑扫描释放层，通过释放层材料对紫外激光的吸收使释放层材料分解，实现晶片与基板的分离。
本发明通过采用光学整形系统，将高斯分布的激光束整形为平顶分布的激光束用于进行激光剥离，由于平顶光束光强分布均匀，可以得到均匀一致的加工效果；且由于采用的紫外激光属于冷加工过程，其与材料的作用主要为光化学机制，直接打破聚合物的化学键，使得释放层能够分解完全，同时所产生的热影响较小，从而提高晶片的加工质量和生产良率。
进一步的，本实施例中，所述晶片剥离方法还包括：
步骤S600、完成释放层的扫描后，将晶片从基板上移走。具体实施时，可以采用三倍频YAG激光器，激光波长为355nm，激光束经由基板照射至释放层上。激光束为经过光束整形后得到的矩形状平顶光，光斑尺寸为300*100um。采用该光束对释放层进行扫描时，其扫描方向可以有多种情况。在一个实施例中，激光束的扫描方向如图4所示，激光束聚焦至释放层上，由基板的边缘区域入射，沿直线进行来回往复扫描，且每次步进的距离等于光斑宽度大小，从而确保晶片表面上所有面积都能被激光照射到，且所接收到的光强是均匀的，能够获得均匀的加工效果。
在另一实施例中，还可以采用输出波长为308nm的准分子激光器进行加工，其中，采用308nm准分子激光的一个优势是可以利用聚酰亚胺基作为粘合层材料，它可以承受高达400℃的温度，这就使得晶片与基板的粘合结构在后续的离子注入等步骤中能够承受较高的温度，并且308nm的准分子紫外激光的穿透深度只有几百纳米，对晶片完全没有影响，从而降低加工过程中晶片损伤的概率。另一方面，308nm波长激光对于玻璃基板的透过率可达95％，也能减少玻璃基板吸收引起的能量损耗，同时，释放层材料对于308nm波长激光的吸收率达95％，能量利用率高，剥离充分。
进一步的，308nm准分子激光加工时的扫描方式如图5所示，激光束被整形为线状光束，激光束的长度略大于晶片的直径，例如，所需加工的晶片为12寸时，其直径为300mm，此时所需的光束长度应大于300mm，激光束的宽度取决于所采用的激光器的输出功率。激光束聚焦于释放层上，由基板的边缘开始沿晶片的直径方向进行扫描，单次扫描完成之后即可进行基板与晶片的分离，采用这一方式操作简单，扫描一次即可进行剥离，从而提高加工效率。
进一步的，本实施例中，所述步骤S600中，激光束扫描完成之后，释放层材料分解，此时基板可以与晶片轻松分离开。其中，将晶片从基板上移走的方式有多种，例如，可以为采用真空吸盘在晶片和基板背离粘合面的一侧进行吸附，将晶片从基板上移走；或者，也可以为采用机械器件伸入至晶片与基板的缝隙防止粘合层重新将晶片与基板粘合，之后再用机械手将晶片移走。
进一步的，本实施例中，所述晶片剥离方法还包括：
步骤S700、将晶片从基板上移走后，对晶片上的残余物进行清洁；具体实施时，将晶片自基板移除后，晶片上还留有部分粘合层的残余物质，可通过使用化学溶剂等化学清洁过程来去除任何基于聚合物的粘合层材料，或者使用其他已知的任何清洁方式来去除剥离后的接合结构上的残余物，从而保证在后续加工过程中晶片的清洁度。
进一步的，本发明实施例还提供了一种晶片剥离装置，如图6所示，包括：激光器10、准直扩束系统20、光束整形系统30、振镜40、聚焦透镜50、控制系统60。在控制系统60的控制下，从激光器10出光口发出的激光束依次经过准直扩束系统20和光束整形系统30的中心，传输至振镜40的入光口，经过X和Y扫描镜，从振镜40出射的激光束入射至聚焦透镜50(扫描镜)的中心，经过聚焦透镜聚焦至释放层。
进一步的，本实施例中，所述激光器10用于产生紫外激光束；其可以为为输出355nm波长的三倍频YAG激光器，或者为输出308nm波长的准分子激光器。所述准直扩束系统20用于对激光器发出的激光束进行准直和扩束；将激光器出光口出射的光斑直径扩大，便于后续进行光束整形，改变激光束的光强分布状态。
进一步的，本实施例中，所述光束整形系统30用于将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑。如图7所示，多数激光器输出的光束为高斯分布，光强由中心向边缘递减呈高斯曲线分布。在采用高斯光束进行加工时，为了保证在各个区域获得均匀的加工效果，需要使得不同区域上接收到的光通量相同，此时圆形的激光光斑需要有一定的重叠率，如图8所示，这一能量分布会使得材料在局部范围内产生较大的热累积，从而影响加工效果的均匀性。并且，局部范围的热累积会导致粘合层材料的融化，从而使得已经分离的晶片和基板重新粘合在一起，导致剥离失败。而采用光束整形技术将用于加工的激光光束整形为矩形状平顶光束后，光强分布如图9中曲线所示。在加工过程中，相比于圆形的高斯光束，加工同样的面积大小时，矩形平顶光斑的重叠率非常低(如图10所示)，从而提高激光的能量利用率和加工效率；同时，由于能量分布连续均匀，各个区域所接收到的光通量相当，能够得到十分一致的加工效果；且边缘的热影响较小，从而提高加工品质。
进一步的，本实施例中，所述光束整形系统包括衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements，简称DOE)，又称二元光学元件。衍射元件主要依靠后相位补偿的方式改变激光在传输过程中的特性，使激光光场发生改变，达到整形的目的。具体实现过程如下：首先通过衍射光学理论建立方程，然后求解并得到需要补偿的相位信息，最后将相位信息转化为光学元件表面结构并采用一定的工艺进行加工。衍射光学元件在设计及加工过程中采用了计算机辅助技术与微纳加工技术相结合的方式，加工得到的元件体积小、重量轻，得到了广泛应用。
进一步的，本实施例中，所述光束整形系统还可以包括微透镜阵列，当激光通过微透镜阵列时会被这些大小一致的透镜分割成许多子光束，打乱了激光光强原有的高斯分布特性。随后这些子光束被光路系统后端的聚焦镜重新聚焦，使激光的光强分布状态再次发生改变并在聚焦平面上呈现光强近似均匀分布的状态。
进一步的，本实施例中，所述光束整形系统还可以包括液晶空间光调制器，由于液晶分子在外电场的作用下指向会发生变化，影响材料的折射率，从而实现对光强的调制。液晶空间光调制器系统主要由准直器、调制器以及控制器等部分组成。激光经过准直器后入射到空间光调制器表面，控制器通过预先设定好的程序改变空间光调制器像素单元的状态，调制器对激光的振幅或者相位进行调制，改变激光能量的分布方式，从而达到整形的目的。
进一步的，本实施例中，所述光束整形系统还包括空间滤波系统，以去除光束中高频分量，提高光束质量，从而提高加工效果。
进一步的，本实施例中，所述振镜40用于通过X和Y扫描镜控制整形后的激光束的传输方向；振镜，用于通过X和Y扫描镜控制激光束的传输方向。振镜由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，驱动放大电路接收到电信号后驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光束的偏转。所述聚焦透镜50与振镜连接用于将整形后的激光束聚焦至释放层。
进一步的，本实施例中，所述控制系统60与激光器和振镜连接，用于控制激光器发射激光束，以及控制X和Y扫描镜的偏转方向。可以通过控制系统中的程序的运行，向激光器发送电信号来控制激光器的开启或关闭，或者其他的工作模式，例如连续出光，或者脉冲出光，以及调整所出射的激光束的参数，如脉宽、频率等。同时，控制系统还可以根据设定的程序控制振镜中X和Y扫描镜偏转方向，从而使得经过X和Y扫描镜的激光束的方向发生改变，以实现不同位置的加工。
进一步的，如图6所示，本实施例中，所述晶片剥离装置还可以包括加工平台70。晶片接合结构放置于加工平台上，具体实施时，可以设置加工平台保持静止，通过控制振镜中的X和Y扫描镜的偏转方向来实现激光束与结合结构之间相对位置的变化，完成激光束在释放层上的扫描。也可以设置振镜中的X和Y扫描镜保持固定不动，控制系统与加工平台连接，通过电信号驱动加工平台进行X和Y方向的运动，从而使得放置于加工平台上的结合结构发生位置移动，实现激光束与结合结构之间相对位置的变化，完成激光束在释放层上的扫描。
本发明采用了上述的晶片剥离方法及装置之后，由于在激光扩束系统和振镜之间的光路上放置光学整形系统，将高斯分布的激光束整形为平顶分布的激光束用于进行激光剥离，由于平顶光束光强分布均匀，可以得到均匀一致的加工效果；且由于采用的紫外激光属于冷加工过程，其与材料的作用主要为光化学机制，直接打破聚合物的化学键，使得释放层能够分解完全，同时所产生的热影响较小，从而提高晶片的加工质量和生产良率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶片接合结构，其特征在于，包括：
晶片；
基板，采用可透过紫外激光的材料；
粘合层，包含通过紫外线或热固化的有机材料，涂覆于晶片表面；以及
释放层，包含吸收紫外激光而分解的材料，涂覆于基板表面，并且与粘合层接合。
2.根据权利要求1所述的晶片接合结构，其特征在于，所述晶片的厚度为50～100μm，所述粘合层的厚度约10～30nm，所述释放层的厚度为200～1000nm，所述基板的厚度为300～600μm。
3.一种基于权利要求1所述的晶片接合结构的晶片剥离方法，其特征在于，所述晶片剥离方法包括步骤：
将紫外激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；以及
采用整形得到的平顶分布的矩形光斑扫描释放层，通过释放层材料对紫外激光的吸收使释放层材料分解，实现晶片与基板的分离。
4.根据权利要求3所述的晶片剥离方法，其特征在于，所述晶片剥离方法还包括步骤：
完成释放层的扫描后，将晶片从基板上移走；以及
将晶片从基板上移走后，对晶片上的残余物进行清洁。
5.根据权利要求4所述的晶片剥离方法，其特征在于，将晶片从基板上移走的方式为采用真空吸盘在晶片和基板背离粘合面的一侧进行吸附，将晶片从基板上移走；或者，为采用机械器件伸入至晶片与基板的缝隙防止粘合层重新将晶片与基板粘合，之后再用机械手将晶片移走。
6.一种基于权利要求1所述的晶片接合结构的晶片接合方法，其特征在于，所述晶片接合方法包括步骤：
将粘合层涂覆于晶片的表面，将释放层涂敷于基板的表面；以及
将粘合层与释放层接合使得晶片与基板接合形成晶片接合结构。
7.一种晶片剥离装置，其特征在于，包括：
激光器，用于产生紫外激光束；
准直扩束系统，用于对激光器发出的激光束进行准直和扩束；
光束整形系统，用于将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；
振镜，用于通过X和Y扫描镜控制整形后的激光束的传输方向；
聚焦透镜，与振镜连接用于将整形后的激光束聚焦至释放层；以及
控制系统，用于控制激光器发射激光束，以及控制X和Y扫描镜的偏转方向。
8.根据权利要求7所述的晶片剥离装置，其特征在于，所述光束整形系统包括衍射光学元件。
9.根据权利要求8所述的晶片剥离装置，其特征在于，所述光束整形系统还包括微透镜阵列、和/或液晶空间光调制器、和/或空间滤波系统。
10.根据权利要求7所述的晶片剥离装置，其特征在于，所述激光器为输出355nm波长的三倍频YAG激光器，或者为输出308nm波长的准分子激光器。
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