CN117672880A - 一种基于界面剥离的激光解键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于界面剥离的激光解键合方法，应用于键合晶圆对的解键合；该键合晶圆对由涂覆有机光敏材料的玻璃晶圆与涂覆有机粘结材料的器件晶圆键合得到。该激光解键合方法包括以下步骤：将激光束穿过玻璃晶圆辐照在有机光敏材料上，使键合晶圆对在有机光敏材料与有机粘结材料的界面处发生剥离；其中，有机粘结材料和有机光敏材料在键合之后的粘结强度通过拉力试验机测试为0.1～5N/30mm；激光束的能量密度＜170mJ/cm2；激光束的光斑重叠率≤5％。本发明具有操作简单、普适性好、可靠性高、无应力分离以及无碳化等优点，在先进封装技术领域具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆级先进封装和激光剥离技术领域，尤其涉及一种基于界面剥离的激光解键合方法。
背景技术
为了提高封装芯片的集成度、整体散热性和电气性能，器件晶圆需要减薄至100μm以下。然而，这种超薄晶圆的机械性能较差，需要利用临时键合与解键合(TBDB)工艺来保证其安全性。TBDB工艺首先是将器件晶圆键合到玻璃晶圆上，接着在完成背面的减薄工艺后需要将超薄器件晶片从玻璃晶圆上剥离。目前，激光解键合技术具有无接触、能量可控、加工灵活、生产效率高等优点，已成为大尺寸超薄晶圆键合对(8英寸及以上)解键合的最佳选择。
现有的激光解键合过程中，激光的烧蚀位置并非光敏材料与玻璃晶圆的界面处，而是光敏材料内部在该界面以下的位置(≤100nm)。为了使该位置中发生的烧蚀过程实现晶圆键合对的完全分离，在激光剥离过程中通常会使用高能量密度的激光使烧蚀位置的光斑全部连通。然而，这种高能量分离方法会导致器件晶圆表面残留大量的碳化碎屑，这不仅不利于清洗而且会降低芯片器件的良率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于界面剥离的激光解键合方法。本发明利用激光冲击诱导应力波实现键合对在光敏材料与粘结材料界面的分离，具有操作简单、普适性好、可靠性高、无应力分离以及无碳化碎屑等优点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一方面，本发明提供一种基于界面剥离的激光解键合方法，应用于键合晶圆对的解键合；所述键合晶圆对由涂覆有机光敏材料的玻璃晶圆与涂覆有机粘结材料的器件晶圆键合得到；所述激光解键合方法包括以下步骤：
将激光束穿过所述玻璃晶圆辐照在有机光敏材料上，使键合晶圆对在有机光敏材料与有机粘结材料的界面处发生剥离；
其中，所述有机粘结材料和有机光敏材料在键合之后的粘结强度通过拉力试验机测试为0.1～5N/30mm；所述激光束的能量密度＜170mJ/cm2；所述激光束的光斑重叠率为≤5％。
在本发明的技术方案中，以激光束辐照所述有机光敏材料后，有机光敏材料通过光化学效应或者光热效应发生分解急剧释放气体，产生向材料内部传播的冲击应力波。粘结强度在该范围内，冲击应力波效应能够使键合晶圆对在有机光敏材料与有机粘结材料的界面处发生剥离。同时，该粘结强度满足晶圆背面减薄工艺以及后续半导体制程工艺的要求。此外，激光束能够降低有机粘结材料与器件晶圆的粘结强度，使其容易被剥离。
作为优选地实施方式，所述激光束的能量密度为105～145mJ/cm2。
作为优选地实施方式，所述有机光敏材料对激光束的吸光度≥60％；所述有机粘结材料玻璃晶圆对激光束的吸光度≤20％。
作为优选地实施方式，所述有机光敏材料的模量为0.5～100GPa；
优选地，所述有机光敏材料的热膨胀系数为1×10-5～5×10-5/℃。在本发明的技术方案中，提高所述有机光敏材料的模量和热膨胀系数有利于增强激光诱导的冲击应力波，而过高会导致晶圆键合对翘曲严重；
优选地，所述有机光敏材料的涂覆厚度为0.3～100μm；
优选地，所述有机光敏材料为热分解5％温度(Td,5％)≥300℃的材料；在本发明的技术方案中，采用耐高温的材料可以满足后续的高温制程工艺，在某些具体的实施方式中，可列举出深圳市化讯半导体材料有限公司的WLP LB210和WLP LB220。
作为优选地实施方式，所述有机粘结材料的模量为0.5～100GPa；在本发明的技术方案中，所述有机粘结材料的模量较高有利于增强激光束产生的冲击应力波，而过高会导致晶圆翘曲严重；
优选地，所述有机粘结材料的涂覆厚度为10～1000μm；
优选地，所述有机光敏材料为热分解5％温度(Td,5％)≥300℃的材料；在本发明的技术方案中，采用耐高温的材料可以满足后续的高温制程工艺，具体可采用深圳市化讯半导体材料有限公司开发的WLP TB4130。
作为优选地实施方式，所述激光束的能量密度为110～150mJ/cm2；
优选地，所述激光束的扫描速度为300～8000mm/s。
在本发明的技术方案中，所述键合晶圆对优选为经过减薄处理的超薄键合晶圆对，所述超薄为器件晶圆的厚度≤100μm。
在某些具体的实施方式中，所述键合晶圆对的制备方法包括以下步骤：
将有机光敏材料旋涂于玻璃晶圆表面后进行预固化；将有机粘结材料旋涂于器件晶圆表面后进行预固化；通过真空热压键合将玻璃晶圆与器件晶圆形成键合晶圆对；通过背面减薄工艺将器件晶圆进行减薄。
又一方面，本发明提供上述方法在半导体封装中的应用，优选地，在晶圆临时键合/解键合中的应用。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：本发明提供了一种基于界面剥离的激光解键合方法。本发明将激光束辐照有机光敏材料，诱导应力波分解有机光敏材料，促使有机光敏材料与有机粘结材料的粘结强度降低，从而实现键合晶圆对在有机光敏材料与有机粘结材料界面处无应力分离。相较于现有技术中，激光解键合工艺作用于有机光敏材料层内，通过烧蚀实现完全分离，本发明提供的方法激光作用于有机光敏材料层与有机粘结材料层的界面处，能够将烧蚀碳化碎屑封存在有机光敏材料层内，从而减少碳化碎屑的残留甚至实现无碳化碎屑残留，有利于后续的清洗，提高芯片器件的良率。同时该方法基于室温操作，普适性好、可靠性高，实现了无应力分离。
附图说明
图1是本发明实施例1中基于界面剥离的激光解键合的流程图。
图2是本发明实施例2步骤S5中，170mJ/cm2能量密度下，有机光敏材料与有机粘结材料层内分离后，玻璃晶圆与器件晶圆表面的光斑烧蚀形貌图。
图3是本发明实施例3步骤S5中，150mJ/cm2能量密度下，有机光敏材料与有机粘结材料分离方式图。
图4是本发明不同能量密度下，激光冲击效应强度和应力波强度对键合晶圆对分离方式的影响规律图。
图5是本发明实施例1中步骤S6中揭膜的过程示意图。
图6是本发明实施例1中步骤S7中超薄器件晶圆的厚度测试图。
具体实施方式
下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种基于界面剥离的激光解键合方法，包括以下步骤：
S1将有机光敏材料2(深圳市化讯半导体材料有限公司，WLP LB220)旋涂在玻璃晶圆1(8寸，500μm)上，旋涂参数为：300rpm旋涂5s，然后1500rpm再旋涂20s；然后进行预固化：115℃加热5min后再300℃加热10min；最终得到的有机光敏材料干膜层的厚度为0.35μm；该干膜层在355nm波段激光的吸光度高于95％；
S2将有机粘结材料4(购自深圳市化讯半导体材料有限公司，WLP TB4130)旋涂在器件晶圆3(8寸，700μm)上，旋涂参数为：1100rpm旋涂30s，然后3000rpm再旋涂2s；然后进行预固化：110℃加热5min后再220℃加热10min，然后甩边；最终得到的有机粘结材料干膜层的厚度为35μm；该干膜层在355nm波段激光的吸光度低于5％；
S3通过真空热压键合将玻璃晶圆1与器件晶圆3形成键合对5，热压键合中的温度为200℃，压力为5kN，保温时长为10min；本步骤中得到的键合晶圆对，有机光敏材料干膜层有机粘结材料干膜层间通过拉力试验机测试的粘结强度约为0.5N/30mm；
S4通过晶圆背面减薄技术对器件晶圆3减薄至100μm以下得到超薄晶圆对6；
S5将能量密度为110mJ/cm2的激光束7以3000mm/s的扫描速度和5％的光斑重叠率穿过玻璃晶圆1辐照有机光敏材料干膜层。
本实施例中，步骤S5激光束辐照后，有机光敏材料干膜层发生微爆炸，诱导应力波使键合晶圆对在光敏材料2与粘结材料4发生了界面剥离，从而能够将玻璃晶圆1与器件晶圆3分离开。分离后的玻璃晶圆1与器件晶圆3表面均没有碳化碎屑出现。此外，本实施例中，激光辐照后，有机粘结材料干膜层上也没有观察到明显的有机光敏材料的残留。
本实施例中，如图1、5、6所示，经过激光束辐照后，有机粘结材料干膜层与器件晶圆界面处的粘结强度大幅下降，可通过揭膜的方式将有机粘结材料干膜层4从器件晶圆的表面去除从而得到超薄器件晶圆，该晶圆的厚度为91μm。此外，超薄器件晶圆进一步清洗后得到的干净的超薄晶圆可以通过划片机将超薄器件晶圆分割为独立的超薄芯片8。
实施例2
本实施例中的激光解键合步骤同实施例1，不同之处在于，步骤S5中的激光束的能量密度为170mJ/cm2。如图2所示，由于激光能量过大，有机光敏材料干膜层内发生了分离而非界面分离，分离后的玻璃晶圆1和器件晶圆3表面都出现了大量黑色碳化碎屑。
实施例3
本实施例中的激光解键合步骤同实施例1，不同之处在于，步骤S5中的激光束的能量密度为150mJ/cm2。如图3所示，当激光能量为150mJ/cm2时，有机光敏材料干膜层既发生了层内分离，同时也与有机粘结材料干膜层发生了层间分离，具体表现为局部出现了大量黑色碳化碎屑区(层内分离)和干净的区域(界面分离区)。
本发明还采用了其它能量密度进行了解键合，并绘制出了不同能量密度下，激光冲击效应强度和应力波强度对键合对分离方式的影响规律示意图，如图4所示：不同激光解键合方式是由粘结强度、冲压强度和应力波强度之间的相对关系决定的。在低能量密度(＜100mJ/cm2)时，应力波强度低于光敏材料与有机粘结材料干膜层界面粘结强度，同时激光烧蚀界面没有联通，此时无法实现晶圆键合对的无应力分离。当激光能量密度处于(1)区间(100～105mJ/cm2)时，应力波强度与粘结强度相当，晶圆键合对出现部分有机光敏材料干膜层与有机粘结材料干膜层界面分离，以及有机光敏材料干膜层内局部分离的混合情况。在这种情况下，粘结材料和光敏材料之间仍存在局部粘结区域，因此仍不能实现无应力分离。当激光能量密度高于(1)区间(105～145mJ/cm2)时，应力波能够有效克服光敏材料与粘结材料界面的粘结强度，从而在光敏材料与粘结材料界面实现晶圆键合对的完全分离。当激光能量密度增加到(2)区间(145～152mJ/cm2)时，激光诱导的冲压强度与应力波强度相当，从而使晶圆键合对出现光敏材料与粘结材料界面局部重新键合和光敏材料烧蚀界面局部分离的混合模式，这种混合模式下也难以实现晶圆键合对的无应力分离。随着激光能量密度的增加(≥152mJ/cm2)，激光诱导冲压效应强度超过了应力波强度，从而导致光敏材料层与粘结材料层重新键合在一起，而光敏材料层内的烧蚀界面的空腔完全连接后实现无应力分离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于界面剥离的激光解键合方法，应用于键合晶圆对的解键合；所述键合晶圆对由涂覆有机光敏材料的玻璃晶圆与涂覆有机粘结材料的器件晶圆键合得到，其特征在于，所述激光解键合方法包括以下步骤：
将激光束穿过所述玻璃晶圆辐照在有机光敏材料上，使键合晶圆对在有机光敏材料与有机粘结材料的界面处发生剥离；
其中，所述有机粘结材料和有机光敏材料在键合之后的粘结强度通过拉力试验机测试为0.1～5N/30mm；所述激光束的能量密度＜170mJ/cm2；所述激光束的光斑重叠率≤5％。
2.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述激光束的能量密度为105～145mJ/cm2。
3.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述有机光敏材料对激光束的吸光度≥60％；所述有机粘结材料玻璃晶圆对激光束的吸光度≤20％。
4.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述有机光敏材料的模量为0.5～100GPa；
优选地，所述有机光敏材料的热膨胀系数为1×10-5～5×10-5/℃；
优选地，所述有机光敏材料的涂覆厚度为0.3～100μm；
优选地，所述有机光敏材料为热分解5％温度≥300℃的材料。
5.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述有机粘结材料的模量为0.5～100GPa；
优选地，所述有机粘结材料的涂覆厚度为10～1000μm；
优选地，所述有机光敏材料为热分解5％温度≥300℃的材料。
6.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述激光束的能量密度为110～150mJ/cm2；
优选地，所述激光束的扫描速度为300～8000mm/s。
7.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述键合晶圆对优选为经过减薄处理的超薄键合晶圆对，所述超薄为器件晶圆的厚度≤100μm。
8.根据权利要求1所述的激光解键合方法，其特征在于，所述键合晶圆对的制备方法包括以下步骤：
将有机光敏材料旋涂于玻璃晶圆表面后进行预固化；将有机粘结材料旋涂于器件晶圆表面后进行预固化；通过真空热压键合将玻璃晶圆与器件晶圆形成键合晶圆对；通过背面减薄工艺将器件晶圆进行减薄。
9.权利要求1-8任一所述的激光解键合方法在半导体封装中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于在晶圆临时键合/解键合中的应用。
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