DE112015004455B4 - Mehrschichtige Laser-Debonding-Struktur mit einstellbarer Absorption - Google Patents

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Abstract

Verfahren, aufweisend:Bereitstellen einer Laservorrichtung, welche zum Emittieren von UV-Licht einer ausgewählten Wellenlänge konfiguriert ist;Erhalten einer Struktur, welche einen Vorrichtungs-Wafer, eine auf den Vorrichtungs-Wafer geklebte Klebstoffschicht, einen UV-durchlässigen Handling-Wafer und eine Ablationsschicht zwischen dem Handling-Wafer und der Klebstoffschicht aufweist, und welche an die Klebstoffschicht geklebt ist, wobei die Ablationsschicht eine optische Eindringtiefe von 0,1 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge aufweist und eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen aufweist, wobei die Klebstoffschicht eine optische Eindringtiefe von zwei Mikrometer bis zwanzig Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe aufweist, wobei die Klebstoffschicht darin suspendierte Nanopartikel zum Streuen von UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge und/oder Farbstoff umfasst, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert;Bewirken, dass die Laservorrichtung UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge in Richtung der Struktur emittiert und die Ablationsschicht ablatiert, undTrennen des Handling-Wafers von dem Vorrichtungs-Wafer.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft die Herstellung von Halbleitervorrichtungen und insbesondere das Wafer-Debonding.
  • HINTERGRUND
  • Dreidimensionale (3D) Chiptechnologien umfassen 3D integrierte Schaltungen (Integrated Circuits, IC) und 3D-Verkapselung. 3D-Chiptechnologien werden immer wichtiger, da sie eine größere Integration komplexerer Schaltungssysteme mit kürzeren Schaltungsstrecken ermöglichen, welche eine schnellere Ausführung und einen verringerten Energieverbrauch ermöglichen. Bei 3D-ICs werden mehrere dünne Silicium-Wafer-Schichten gestapelt und vertikal verbunden, um eine einzelne integrierte Schaltung des gesamten Stapels zu erzeugen. Bei der 3D-Verkapselung werden mehrere diskrete ICs gestapelt, verbunden und verkapselt.
  • Bei modernen Techniken für 3D-Chiptechnologien, umfassend sowohl 3D-ICs als auch 3D-Verkapselung, können Durchkontaktierungen durch Silicium (Through-Silicon Vias, TSV) verwendet werden. Eine TSV ist ein vertikaler Verbindungszugang (Vertical Interconnect Access, VIA), in welchem eine Verbindung vollständig durch einen Silicium-Wafer oder -Chip hindurch führt. Durch Verwendung von TSVs können 3D-ICs und 3D-verkapselte ICs enger integriert werden als bei einer Randverdrahtung.
  • Temporäres Wafer-Bonding/Debonding ist eine wichtige Technologie zum Realisieren von TSVs und 3D-Siliciumstrukturen im Allgemeinen. Bonding umfasst in diesem Zusammenhang die Handlung des Befestigens eines Silicium-Vorrichtungs-Wafers, welcher eine Schicht in einem 3D-Stapel werden soll, an einem Substrat oder einem Handling-Wafer, so dass er verarbeitet werden kann, zum Beispiel mit Verdrahtung, Kontaktflecken und Verbindungsmetallurgie, während ermöglicht wird, dass der Wafer dünner gemacht wird, beispielsweise das TSV-Metall von Blind-Durchkontaktierungen freizulegen, geätzt von der oberen Fläche aus. Debonding ist die Handlung des Entfernens des verarbeiteten Silicium-Vorrichtungs-Wafers von dem Substrat oder dem Handling-Wafer, so dass der verarbeitete Silicium-Vorrichtungs-Wafer zu einem 3D-Stapel hinzugefügt werden kann.
  • Viele bestehende Ansätze zum temporären Wafer-Bonding/Debonding umfassen die Verwendung einer Klebstoffschicht, die direkt zwischen dem Silicium-Vorrichtungs-Wafer und dem Handling-Wafer angeordnet wird. Wenn die Verarbeitung des Silicium-Vorrichtungs-Wafers abgeschlossen ist, kann der Silicium-Vorrichtungs-Wafer durch verschiedene Techniken von dem Handling-Wafer gelöst werden, z.B. durch Behandeln des Wafer-Paars mit chemischen Lösungsmitteln, die durch Perforationen in dem Handling-Wafer abgegeben werden, durch mechanisches Abschälen von einem Randanfangspunkt oder durch Erwärmen des Klebstoffs, so dass er lockerer wird, bis zu dem Punkt, an dem der Silicium-Vorrichtungs-Wafer durch Scheren entfernt werden kann.
  • Das Debonding eines Glas-Handling-Wafers von einem geklebten Wafer wird durch die Verwendung einer auf den Glas-Handling-Wafer aufgebrachten Ablationsschicht bewirkt, die durch Laserbestrahlung eines speziellen Schwellenwerts zersetzt wird. Ein Teil des Laserflusses wird durch die Ablationsschicht absorbiert, um die Wafer-Trennung zu ermöglichen. Der Rest dringt in den Klebstoff und/oder das Substrat ein.
  • Die US 2014 / 0 106 473 A1 betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleiterwafers, das Aufbringen einer Trennschicht auf einen transparenten Handhaber aufweist. Eine Klebeschicht, die sich von der Trennschicht unterscheidet, wird zwischen einem Halbleiterwafer und dem transparenten Handhaber mit der darauf aufgebrachten Trennschicht aufgebracht. Der Halbleiterwafer wird mit Hilfe der Klebeschicht mit dem transparenten Handhaber verbunden. Der Halbleiterwafer wird bearbeitet, während er mit dem transparenten Handhaber verbunden ist. Die Trennschicht wird abgetragen, indem die Trennschicht durch den transparenten Handhaber mit einem Laser bestrahlt wird. Der Halbleiterwafer wird von dem transparenten Handhaber entfernt.
  • Die Veröffentlichung „Advanced wafer bonding and laser debonding“ betrifft eine Entwicklung eines Wafer-Ablösungsprozesses und eines Werkzeugs auf Basis der 355 nm UV-Laserablation. Des Weiteren betrifft die Veröffentlichung ein Verfahren, das zwei wesentliche Vorteile gegenüber früheren Verfahren aufweist: 1) eine deutlich kompaktere und erschwinglichere diodengepumpte 355 nm Festkörperlaserquelle wird mit einem optischen Hochgeschwindigkeitsscanner kombiniert, um ein Schnellablösemodul mit geringem Platzbedarf zu schaffen, und 2) die Zugabe einer sehr dünnen UV-Ablationsschicht zum Glashandhaber stellt sicher, dass die Freisetzung unabhängig vom Klebstoff, mit dem der Wafer verklebt wird, erfolgt. Die erste Verbesserung ist darauf ausgelegt, ein Ablösen mit hohem Durchsatz zu niedrigeren Kosten als frühere Laserwerkzeuge zu ermöglichen, während die zweite Verbesserung darauf ausgelegt ist, die Auswahl an Klebstoffen für Gerätehersteller erheblich zu erweitern. Die Flexibilität bei der Materialauswahl sowohl für die Trennschicht als auch für die Klebeschicht ermöglicht es dem Hersteller, die Anforderungen an die Temperaturkompatibilität und den Post-Wafer-Verdünnungsprozess zu erfüllen (ANDRY: Advanced wafer bonding and laser debonding. 2014 IEEE 64th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Orlando, FL, 2014, pp. 883-887).
  • Die US 5 169 678 A betrifft ein Polymermaterial, dessen Ultraviolett-Absorptionseigenschaften durch Zugabe eines ultraviolett absorbierenden Farbstoffs modifiziert werden, um es mit einer Frequenz, bei der das unveränderte Material im Wesentlichen nicht laserabtragbar ist, laserabtragbar zu machen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Prinzipien der vorliegenden Offenbarung stellen ein beispielhaftes Herstellungsverfahren bereit, welches Bereitstellen einer Laservorrichtung, welche zum Emittieren von UV-Licht einer ausgewählten Wellenlänge konfiguriert ist, und Erhalten einer Struktur umfasst, welche einen Vorrichtungs-Wafer, eine auf den Vorrichtungs-Wafer geklebte Klebstoffschicht, einen UV-durchlässigen Handling-Wafer und eine Ablationsschicht zwischen dem Handling-Wafer und der Klebstoffschicht aufweist, und welche an die Klebstoffschicht geklebt ist. Die Ablationsschicht weist eine optische Eindringtiefe von 0,1 bis 0,2 Mikrometern bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen auf. Die Klebstoffschicht weist eine optische Eindringtiefe von zwei bis zwanzig Mikrometern bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe auf. Die Klebstoffschicht weist darin suspendierte Nanopartikel zum Streuen von UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge und/oder Farbstoff auf, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert. Das Verfahren umfasst ferner Bewirken, dass die Laservorrichtung UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge in Richtung der Struktur emittiert und die Ablationsschicht ablatiert, und Trennen des Handling-Wafers von dem Vorrichtungs-Wafer.
  • Eine beispielhafte Struktur umfasst einen Vorrichtungs-Wafer, eine Klebstoffschicht, die an den Vorrichtungs-Wafer geklebt ist, wobei die Klebstoffschicht eine optische Eindringtiefe von zwei bis zwanzig Mikrometern bei einer ausgewählten Wellenlänge von 308 nm bis 355 nm und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe aufweist, einen UV-durchlässigen Handling-Wafer und eine Ablationsschicht zwischen dem UV-durchlässigen Handling-Wafer und der Klebstoffschicht. Die Klebstoffschicht weist darin suspendierte Nanopartikel zum Streuen von UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge und/oder Farbstoff auf, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert. Die Ablationsschicht weist eine optische Eindringtiefe von 0,1 bis 0,2 Mikrometern bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen auf. Die Ablationsschicht unterliegt ferner einer Zersetzung, wenn sie einem Laserfluss ausgesetzt wird.
  • Herstellungsverfahren, wie sie hierin offenbart werden, können für wesentliche vorteilhafte technische Effekte sorgen. Beispielsweise können eine oder mehrere Ausführungsformen einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten:
    • Ermöglichen des Debonding eines Handling-Wafers von einem klebstoffgebundenen Vorrichtungs-Wafer;
    • Nur eine vernachlässigbare Menge des Ausgangsflusses erreicht die Oberfläche des Vorrichtungs-Wafers;
    • Sorgen für eine verbesserte Verfahrensausbeute in dem Fall, dass entweder die Ablationsbeschichtung oder die Klebstoffbeschichtung einen Defekt enthält.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen ersichtlich, welche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist.
  • Figurenliste
  • Es werden nun, lediglich beispielhaft, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines an einen Glas-Handling-Wafer gebondeten Vorrichtungs-Wafers ist;
    • 2A eine schematische Schnittdarstellung ist, welche ein UV-Debonding-Verfahren zeigt, wobei Laserfluss durch eine Ablationsschicht und eine Klebstoffschicht absorbiert wird;
    • 2B ein Schaubild ist, welches die Abnahme der Intensität als eine Funktion der Dicke der Ablationsschicht in Eindringtiefen darstellt, und
    • 2C ein Schaubild ist, welches die Abnahme der Intensität als eine Funktion der Dicke der Klebstoffschicht in Eindringtiefen darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten verschiedene Ansätze für das temporäre Bonding und Debonding eines Silicium-Vorrichtungs-Wafers an einem Handling-Wafer oder anderen Substrat. Eine Trennschicht, hierin auch als eine Ablationsschicht bezeichnet, kann transparent sein, so dass das darunter liegende Schaltungssystem des Silicium-Vorrichtungs-Wafers vor dem Debonding optisch untersucht werden kann. Das Debonding wird durch Ablation der Trennschicht unter Verwendung eines Lasers durchgeführt. Der verwendete Laser kann ein Ultraviolett(UV)-Laser sein, beispielsweise ein 355-nm-Laser, ein 351-nm-Laser oder ein 308-nm-Laser. Die Wellenlänge von 355 nm ist aufgrund der Verfügbarkeit von robusten und relativ preisgünstigen diodengepumpten Festkörperlasern (Diode-Pumped-Solid-State(DPSS)-Lasern) besonders attraktiv.
  • Das Bonding des Silicium-Vorrichtungs-Wafers an den Handling-Wafer umfasst die Verwendung sowohl einer Klebstoffschicht als auch einer eigenständigen Trennschicht. Gemäß einem Ansatz für ein solches Bonding kann die Trennschicht eine Ultraviolett(UV)-Ablationsschicht sein und sie kann auf den Handling-Wafer aufgebracht werden, welcher in einigen Ausführungsformen ein Glas-Handling-Wafer ist. Die UV-Ablationsschicht kann anschließend gehärtet werden. Der Bonding-Klebstoff, welcher die Klebstoffschicht bildet, kann entweder auf den Glas-Handling-Wafer oder auf den Silicium-Vorrichtungs-Wafer aufgebracht werden. Die UV-Ablationsschicht besteht aus einem Material, welches bei der Wellenlänge des Lasers, der beim Debonding benutzt wird, stark absorbierend ist. Das Material kann auch im sichtbaren Spektrum optisch transparent sein, um eine Untersuchung der geklebten Grenzfläche zu ermöglichen. Sowohl die UV-Ablationsschicht als auch der Bonding-Klebstoff sind chemisch und thermisch stabil, so dass sie Halbleiterprozessen, umfassend Vakuumabscheidungen mit Erhitzung, z.B. PECVD und Metall-Sputtern, thermischen Brennschritten sowie Behandlungen mit einer Nasschemie, die Lösungsmittel, Säuren und Basen umfasst (an den Randwulstzonen der gebondeten Wafer-Grenzflächen), vollständig widerstehen können.
  • Ein beispielhaftes Herstellungsverfahren beginnt damit, dass UV-Ablationsmaterial auf den Glas-Handling-Wafer aufgebracht wird, z.B. durch Schleuderbeschichtung. Der Glas-Handling-Wafer mit durch Schleuderbeschichtung darauf aufgebrachtem UV-Ablationsmaterial wird gemäßigt erhitzt, um jegliches Lösungsmittel zu entfernen. Schleuderbeschichtungsparameter können von der Viskosität der UV-Ablationsschicht abhängen, können aber in den Bereich von ungefähr 500 U/min bis ungefähr 3.000 U/min fallen. Das gemäßigte Erhitzen kann in den Bereich von ungefähr 80 °C bis ungefähr 120 °C fallen. Die Temperatur des abschließenden Härtens kann in den Bereich von 200 °C bis 400 °C fallen. Höhere Härtungstemperaturen können die thermische Stabilität der UV-Ablationsschicht während einer Standard-CMOS-BEOL-Verarbeitung, welche bei Temperaturen von 350 °C bis 400 °C stattfinden kann, effektiver sicherstellen. Für stark UVabsorbierende oder UV-empfindliche Materialien können sehr dünne fertige Schichten einer Dicke im Größenbereich von ungefähr 0,2 µm bis ungefähr 0,3 µm ausreichend sein, um als Trennschichten zu fungieren. In einigen Ausführungsformen weist die Ablationsschicht intrinsische UV-Absorptionseigenschaften auf. Einige organische Planarisierungsschichten (Organic Planarizing Layers, OPLs) und organische Dielektrikumsschichten (Organic Dielectric Layers, ODLs) weisen solche Eigenschaften auf. In anderen Ausführungsformen wird ein Farbstoff in das Polymermaterial integriert, welches die Ablationsschicht aufweist, um die erforderlichen UV-Absorptionseigenschaften zu verleihen. Beispielhafte Farbstoffe, welche in einer oder mehreren Ausführungsformen verwendet werden können, umfassen 9-Anthracencarbonsäure und Benzanthron, die in einem Gewichtsprozentsatz von mindestens zehn Prozent zu einem beliebigen nicht absorbierenden Material zugegeben werden, welches in der Lage ist, eine Dünnschicht aus Lösung zu bilden, z.B. Polymethylmethacrylat (PMMA). Das Integrieren von Farbstoffen wird weiter unten in Bezug auf die Klebstoffschicht erörtert. Einige beispielhafte ODL-Materialien werden durch Schleuderbeschichtung auf Glas aufgebracht und ungefähr eine Stunde lang in einer Stickstoffumgebung bei 350 °C gehärtet, um eine Dünnschicht zu erzeugen. Eine solche Dünnschicht kann im gesamten sichtbaren Spektrum optisch transparent sein, aber sehr empfindlich für eine Zersetzung im UV-Wellenlängenbereich unterhalb von etwa 360 nm sein und kann unter Verwendung von gewöhnlichen UV-Laserquellen, z.B. eines Excimer-Lasers, der bei 308 nm (z.B. XeCl) oder 351 nm (z.B. XeF) arbeitet, oder eines diodengepumpten verdreifachten YAG-Lasers, der bei 355 nm arbeitet, vollständig und sauber ablatiert werden.
  • Laser-Debonding zum Lösen des Glas-Handling-Wafers an der Ablationsschicht-Grenzfläche kann unter Verwendung einer beliebigen aus einer Anzahl von UV-Laserquellen durchgeführt werden, z.B. von Excimer-Lasern, welche bei 308 nm (z.B. XeCI) oder 351 nm (z.B. XeF) arbeiten, oder eines diodengepumpten (verdreifachten) YAG-Lasers, der bei 355 nm arbeitet, oder eines diodengepumpten (vervierfachten) YAG-Lasers, der bei 266 nm arbeitet. Excimer-Laser können teurer sein, können mehr Wartung/Hilfssysteme (z.B. den Einschluss von toxischem Gas) erforderlich machen und können im Allgemeinen sehr hohe Ausgabeleistungen bei niedrigen Wiederholungsfrequenzen (z.B. eine Ausgabe von mehreren hundert Watt bei einer Wiederholung von mehreren hundert Hz) aufweisen. UV-Ablationsschwellenwerte in den hier spezifizierten Materialien können 100 bis 150 Millijoule je Quadratzentimeter (mJ/cm2) erforderlich machen, um die Trennung zu bewirken. Aufgrund ihrer hohen Ausgabeleistungen können Excimer-Laser diese Energie in einem Strahl einer relativ großen Fläche abgeben, welcher Flächenabmessungen in der Größenordnung von mehreren zehn Quadratmillimetern aufweist (z.B. eine Linien-Strahlform von 0,5 mm x 50 mm). Aufgrund seiner hohen Ausgabeleistung und seiner relativ niedrigen Wiederholungsfrequenz kann ein Laser-Debonding-Werkzeug, bei welchem ein Excimer-Laser verwendet wird, einen bewegbaren x-y-Tisch mit einem festen Strahl umfassen. Die Tischbewegung kann in der Größenordnung von zehn bis fünfzig mm je Sekunde liegen. Das durch Debonding zu trennende Wafer-Paar kann auf dem Tisch angeordnet werden und hin und zurück abgetastet werden, bis die gesamte Fläche bestrahlt worden ist.
  • Ein alternatives Laser-Debonding-System kann erzeugt werden unter Verwendung eines preisgünstigeren, robusteren gepumpten verdreifachten YAG-Festkörper-Lasers niedrigerer Leistung bei 355 nm durch schnelles Abtasten der Wafer-Fläche mit einem kleinen Punktstrahl. Der Laser der Wellenlänge von 355 nm weist aus zwei Gründen Vorteile gegenüber dem vervierfachten YAG-Laser bei 266 nm auf: 1) Ausgabeleistungen bei 355 nm sind für eine Dioden-Laser-Pumpleistung derselben Größenordnung typischerweise zwei- bis dreimal höher als bei 266 nm und 2) viele übliche Handling-Wafer-Gläser (z.B. Schott Borofloat 33) sind bei 355 nm zu etwa neunzig Prozent oder mehr durchlässig, bei 266 nm jedoch nur zu etwa fünfzehn Prozent durchlässig. Da bei 266 nm achtzig Prozent der Leistung in dem Glas absorbiert wird, können Laser-Ausgangsleistungen etwa sechsmal höher sein, um an der Trennungsgrenzfläche denselben Ablationsfluss zu erreichen. Es besteht daher ein gewisses Risiko eines thermischen Schocks in dem Glas-Handling-Wafer selbst.
  • Ein beispielhaftes 355-nm-Abtast-Laser-Debonding-System kann Folgendes umfassen: 1) einen gütegeschalteten verdreifachten YAG-Laser mit einer Ausgabeleistung von 5 Watt bis 10 Watt bei 355 nm, mit einer Wiederholungsfrequenz von 50 kHz bis 100 kHz und einer Impulsbreite von 10 ns bis 20 ns. Der Ausgabestrahl dieses Lasers kann verbreitert und in einen kommerziellen 2-Achsen-Scanner geleitet werden, welcher Spiegel aufweist, die an x- und y-Galvanometer-Abtastmotoren montiert sind. Der Scanner kann in einem festen Abstand über einem festen Wafer-Tisch montiert sein, wobei der Abstand in Abhängigkeit vom Arbeitsbereich des zu trennenden Wafers in einem Bereich von 20 cm bis 100 cm liegt. Ein Abstand von 50 cm bis 100 cm kann im Ergebnis zu einer Geschwindigkeit des sich bewegenden Punkts in der Größenordnung von 10 Meter/Sekunde führen. Eine F-Theta-Linse kann an dem nach unten gerichteten Ausgang des Scanners montiert sein und der Strahl kann auf eine Punktgröße in der Größenordnung von 100 Mikrometer bis 500 Mikrometer fokussiert sein. Für einen Laser mit sechs Watt Ausgabeleistung bei 355 nm bei einer Wiederholungsfrequenz von 50 kHz und einer Impulsbreite von 12 ns, einem Scanner-Wafer-Abstand von 80 cm, der mit einer Rastergeschwindigkeit von 10 m/s arbeitet, kann die optimale Punktgröße in der Größenordnung von 200 Mikrometern liegen und der erforderliche Ablationsfluss von etwa 100 mJ/cm2 kann auf die gesamte Wafer-Fläche zweimal in etwa 30 Sekunden abgegeben werden (beispielsweise unter Verwendung von überlappenden Reihen). Durch die Verwendung überlappender Reihen, wobei die Überlappungs-Schrittlänge der Hälfte des Punktdurchmessers (z.B. 100 Mikrometer) entspricht, kann sichergestellt werden, dass kein Teil des Wafers aufgrund von Lücken zwischen abgetasteten Reihen ausgelassen wird und dass alle Teile der Grenzfläche denselben Gesamtfluss erhalten.
  • Ein beispielhafter Ansatz für eine Durchführung eines Handling-Wafer-Bonding und - Debonding gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst Aufbringen der Trennschicht auf den Handling-Wafer, während eine Klebstoffschicht auf den Vorrichtungs-Wafer aufgebracht werden kann. Jedoch kann die Trennschicht gemäß anderen beispielhaften Ansätzen auch auf den Handling-Wafer aufgebracht werden und anschließend kann die Klebstoffschicht auf die Trennschicht aufgebracht werden. Die Trennschicht wird zwischen dem Glas-Handling-Wafer und dem Klebstoff angeordnet. Anschließend kann der Vorrichtungs-Wafer an den Handling-Wafer gebondet werden, so dass die Trennschicht und die Klebstoffschicht zwischen dem Vorrichtungs-Wafer und dem Handling-Wafer angeordnet sind. Das Bonding kann ein physisches Zusammenbringen des Vorrichtungs-Wafers und des Handling-Wafers unter kontrollierter Temperatur und kontrolliertem Druck in einer Vakuumumgebung umfassen, wie z.B. in einem beliebigen aus einer Anzahl kommerzieller Bonding-Werkzeuge angeboten. Nachdem der Vorrichtungs-Wafer erfolgreich an den Handling-Wafer gebondet worden ist, kann eine gewünschte Verarbeitung erfolgen. Eine solche Verarbeitung kann Verfahrensschritte wie Strukturieren, Ätzen, Verdünnern usw. umfassen, bis der Vorrichtungs-Wafer seinen gewünschten Zustand erreicht hat. Anschließend kann das Schaltungssystem des Vorrichtungs-Wafers untersucht werden. Eine Untersuchung des Schaltungssystems der Vorrichtung kann durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der Vorrichtungs-Wafer richtig verarbeitet worden ist. Die Untersuchung kann optisch erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines Mikroskops hoher Qualität oder einer anderen Abbildungsmodalität. Die optische Untersuchung kann durch den Handling-Wafer hindurch erfolgen, welcher, wie oben beschrieben, transparent sein kann. Die optische Untersuchung kann auch durch die Trenn- und Klebstoffschicht hindurch erfolgen, da jede dieser Schichten ebenfalls transparent sein kann. Die Laser-Ablation wird angewendet, um eine Trennung des Vorrichtungs-Wafers von dem Handling-Wafer entlang der Ebene der Ablationsschicht zu ermöglichen. Für Impulse im Bereich von 10 Nanosekunden bis 20 Nanosekunden kann die Ablation eine photothermische, photomechanische und/oder photochemische Ablation der Ablationsschicht umfassen. Der Vorrichtungs-Wafer wird dann gereinigt, um restlichen Klebstoff zu entfernen.
  • 1 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Struktur 20, welche einen Vorrichtungs-Wafer 22 umfasst, der an einen Glas-Handling-Wafer 24 gebondet ist. Die beispielhafte Struktur umfasst ferner aktive Vorrichtungen 26 auf dem Vorrichtungs-Wafer 22, eine Verdrahtungsschicht 27, welche während einer nachgeschalteten (Back-End-Of-Line, BEOL)-Verarbeitung gebildet wird, eine Passivierungsschicht 28, welche beispielsweise Siliciumnitrid aufweist, eine optionale Polyimid-Beschichtung 30, Metall-Anschlusskontaktflecken 32, eine Klebstoffschicht 34 und eine Ablationsschicht 36 zwischen dem Handling-Wafer 24 und der Klebstoffschicht 34. In der beispielhaften Struktur weist die Ablationsschicht eine Dicke von 0,1 µm bis 0,5 µm auf. Die Klebstoffschicht weist eine wesentlich größere Dicke von 1 µm bis 100 µm auf.
  • Wie oben beschrieben, wird die Ablationsschicht 36 so gewählt, dass sie im interessierenden Ultraviolett-Spektrum, nämlich von 308 nm bis 355 nm, stark absorbierend ist. In einigen Ausführungsformen werden etwa achtzig bis neunzig Prozent des Laserflusses von der Ablationsschicht absorbiert. Eine solche Ablation ermöglicht eine Wafer-Trennung, wenn sich die Ablationsschicht zersetzt. Der Rest des Flusses dringt in die Klebstoffschicht ein. In der beispielhaften Struktur 20 ist die Klebstoffschicht auch in der Lage, Fluss der gewünschten Wellenlängen (308 nm bis 355 nm) zu absorbieren. Durch Bereitstellen einer Ablationsschicht und einer Klebstoffschicht, welche beide Absorptionseigenschaften aufweisen, wie weiter unten erörtert, wird nur für eine vernachlässigbare Menge des Ausgangsflusses ermöglicht, dass sie die Oberfläche des Vorrichtungs-Wafers erreicht. 2A veranschaulicht schematisch den Betrieb der Struktur 20.
  • Die Eindringtiefe ist ein Maß für die Tiefe, wie weit elektromagnetische Strahlung in ein Material eindringen kann, speziell die Tiefe, bei welcher die Intensität der Strahlung auf 1/e oder etwa 36,8 % ihres Ausgangswerts an der Substratoberfläche fällt. Die Eindringtiefe δp ist für ein gegebenes Material im Allgemeinen eine Funktion der Wellenlänge. Die Intensität nimmt als eine Funktion der Dicke ab, gemessen in Eindringtiefen. Während beispielsweise die Intensität in einer Eindringtiefe etwa 36,8 % der Ausgangsintensität beträgt, beträgt sie in zwei Eindringtiefen nur etwa 13,5 % der Ausgangsintensität und in drei Eindringtiefen nur etwa fünf Prozent. Wiederum Bezug nehmend auf 2A, wird UV-Licht 40 auf den Handling-Wafer 24 gerichtet. In der beispielhaften Ausführungsform dringen nur etwa fünf bis fünfzehn Prozent des Flusses an der Oberfläche des Handling-Wafers in die Klebstoffschicht 34 ein, hauptsächlich aufgrund der Absorption durch die Ablationsschicht 36. Die Klebstoffschicht lässt weniger als etwa zwei Prozent des Ausgangsflusses in Richtung des Vorrichtungs-Wafers 22 austreten. Die in 2B bzw. 2C dargestellten beispielhaften Schaubilder zeigen die Durchlässigkeit (als einen Prozentsatz des Ausgangsflusses) für die Ablationsschicht bzw. die Klebstoffschicht als eine Funktion der Eindringtiefen. In den beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Eindringtiefe der Ablationsschicht etwa 0,1 µm bis 0,2 µm, während die Eindringtiefe der dickeren Klebstoffschicht zwei bis zwanzig Mikrometer beträgt. Die Ablationsschicht weist in einer oder mehreren Ausführungsformen eine Dicke in der Größenordnung von 0,2 µm bis 0,3 µm auf. Dies begrenzt die Laserimpulsenergie (etwa einhundert mJ/cm2 für eine Dauer von etwa zehn Nanosekunden in einigen Ausführungsformen) auf eine sehr dünne Zone in Nachbarschaft zu dem Handling-Wafer, um eine vollständige Abtrennung bei einem angemessenen Fluss zu erreichen.
  • Bestimmte Hochtemperatur-Polymerklebstoffe auf Polyimid-Basis absorbieren UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 360 nm bis 300 nm und bilden in einigen Ausführungsformen die Klebstoffschicht. Somit kann die Menge des restlichen Flusses, der die aktive Wafer-Fläche erreicht, in Abhängigkeit von der Einheitlichkeit der Dicke der ursprünglichen Ablationsschicht und den optischen Eigenschaften und der Dicke der Klebstoffschicht darunter variieren. Beschichtungsdefekte in der Ablationsschicht können zu Ausbeuteverlusten führen, sofern es keine zusätzliche Filterung des UV-Impulses über der im Wesentlichen höheren Dicke der Klebstoffschicht gibt. Die in den hierin offenbarten Herstellungsverfahren eingesetzte Klebstoffschicht weist in Kombination mit der Ablationsschicht die notwendigen optischen Eigenschaften auf, um dazu beizutragen, eine durch den Laser verursachte Beschädigung zu verhindern, die daraus resultieren könnte, dass eine beträchtliche Menge des Ablationsimpulses die aktive Wafer-Fläche erreicht, wo sie mit Materialien wie Polyimid oder PECVD-Siliciumnitrid(SiNx)-Passivierungsschichten in Wechselwirkung treten kann. Die Verfahrensausbeute kann entsprechend verbessert werden, da in dem Fall, dass entweder die Ablationsschicht oder die Klebstoffschicht einen Defekt aufweist, es unwahrscheinlich ist, dass zufällige Defekte für zwei getrennt aufgebrachte Materialien an derselben Stelle auftreten.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst eine mehrschichtige Debonding-Struktur zwei eigenständige Schichten, nämlich die Ablationsschicht und die Klebstoffschicht, welche Absorptionseigenschaften und Dicken aufweisen, die sicherstellen, dass nicht zugelassen wird, dass mehr als eine vernachlässigbare Menge des Ablationsflusses die Oberfläche des Vorrichtungs-Wafers erreicht. Durch Spezifizieren der UV-Absorptionsanforderungen sowohl der Ablationsschicht als auch des darunter befindlichen Klebstoffs, wie z.B. in 2B und 2C dargestellt, kann das Debonding sicher durchgeführt werden, ohne ein bedeutendes Risiko, eine durch Laser verursachte Beschädigung zu bewirken. In den beispielhaften Ausführungsformen weist die Ablationsschicht 36 eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen und vorzugsweise zwei bis vier Eindringtiefen auf. Die Klebstoffschicht weist eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe und vorzugsweise einer bis zwei Eindringtiefen auf. Die Eindringtiefe der Ablationsschicht beträgt in einer oder mehreren Ausführungsformen 0,1 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer, während die Eindringtiefe der Klebstoffschicht in einer oder mehreren Ausführungsformen zwei Mikrometer bis zwanzig Mikrometer beträgt.
  • In einigen Ausführungsformen weist die Klebstoffschicht intrinsische optische Absorptionseigenschaften im gewünschten Wellenlängenbereich auf. Ein beispielhafter kommerzieller Klebstoff, welcher UV-Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 360 nm einfach absorbiert, wäre das Produkt auf Polyimid-Basis von HD Microsystems mit der Bezeichnung HD-3007 Adhesive. Dieser kommerzielle Klebstoff ist eine nicht photostrukturierbare Polyimid-Vorstufe, welche für eine Verwendung als ein temporärer oder permanenter Klebstoff in 3D-Verkapselungs-Anwendungen vorgesehen ist. Sie weist nach dem Härten und während des Bondings bei gemäßigter Temperatur und gemäßigtem Druck ein thermoplastisches Verhalten auf. Thermoplastische Klebstoffe mit Grundmaterialien, welche keine intrinsische optische Absorption bei der gewünschten Laserwellenlänge bzw. den gewünschten Laserwellenlängen aufweisen oder unzureichende optische Absorptionseigenschaften aufweisen, werden in einigen Ausführungsformen durch die Zugabe von feinen Nanopartikeln modifiziert. Suspensionen der Nanopartikel können in Mengen zugegeben werden, welche, wenn sie gleichmäßig in dem Klebstoff dispergiert sind, annähernd zu einem neutralen Dichtefilter führen, welcher einen bekannten Prozentsatz des eingehenden Laserimpulses streut, mit nur geringer Abhängigkeit von der Wellenlänge. Beispielhafte Nanopartikel umfassen Aluminium- und Aluminiumoxid-Nanopartikel. In anderen beispielhaften Ausführungsformen werden Farbstoffe zu thermoplastischen Klebstoffen hinzugegeben, welche nicht die gewünschten Absorptionseigenschaften aufweisen. Von einigen Farbstoffen ist bekannt, dass sie in den Laserwellenlängen absorbieren, die in einer oder mehreren Ausführungsformen eingesetzt werden. Wie beispielsweise in der US-Patentschrift 5 169 678 offenbart, welche durch Verweis hierin einbezogen wird, können verschiedene Farbstoffe zu Polymermaterialien hinzugegeben werden, um deren Absorption zu beeinflussen. In einigen Beispielen wird das Polymer geschmolzen und der Farbstoff wird zu der Polymerschmelze hinzugegeben. In anderen Beispielen lässt man den Farbstoff in das Polymer diffundieren oder er wird unter Verwendung eines Lösungsmittels darin gelöst. In einigen Ausführungsformen wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs erreicht. Farbstoffe wie p-Phenylazophenol, N-p-Methoxybenzyliden-p-phenylazoanilin, Dihydroxyanthrachinon und Betacarotin gehören zu jenen, die eingesetzt werden können, um für eine Absorption im UV-Bereich zu sorgen. Solche Farbstoffe können in einigen Ausführungsformen verwendet werden, wie formuliert, oder mit Substitutionen, um die Absorptionsfrequenzen anzupassen. Exziton-Produkte wie „DPS“ (CAS 2039-68-1) und „Bis MSB“ (CAS 13280-61-0) sind andere beispielhafte Materialien, welche in einer oder mehreren Ausführungsformen innerhalb von Polymeren eingesetzt werden können, um für eine Absorption im UV-Bereich zu sorgen. Weitere beispielhafte Farbstoffe, welche in einer oder mehreren Ausführungsformen eingesetzt werden können, umfassen 9-Anthracencarbonsäure und Benzanthron.
  • Ein beispielhaftes Beschichtungsverfahren entweder für die dünne Ablationsschicht oder für den HD-3007-Klebstoff umfasst Abgeben weniger ml des Materials, Schleuder-Auftragung bei 1.000 U/min bis 3.000 U/min für sechzig Sekunden, Brennen bei etwa 110 °C, um das Lösungsmittel auszutreiben, und Härten auf einer Heizplatte oder in einem Stickstoffofen bei etwa 350 °C für zehn Minuten. Ein spezielles Bonding-Rezept für den HD-3007-Klebstoff umfasst Ausrichten des klebstoffbeschichteten Wafers an dem Handling-Wafer, Auseinanderhalten derselben in einem geringen Abstand unter Verwendung von Abstandhaltern und Einführen des Wafer-Paars in eine Kammer, wo Vakuum gezogen wird, so dass der Raum zwischen ihnen vollständig evakuiert wird. Die Temperatur wird auf über 100 °C erhöht, um dazu beizutragen, den Klebstoff zu entgasen, und die Abstandhalter werden entfernt, um den Wafer und den Handling-Wafer in Kontakt zu bringen. Heizplatten oberhalb und unterhalb erhöhen auf eine Bonding-Endtemperatur von 300 °C bis 350 °C und ein Druck von etwa 800 kPa wird fünf Minuten lang an das Paar angelegt, um das Bonding zu bewirken. Das Paar wird unter Druck gehalten, wenn die Platten auf unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg zurückgebracht werden.
  • Aus der bisherigen Beschreibung und unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen und die Zeichnungen ist zu erkennen, dass ein beispielhaftes Herstellungsverfahren, allgemein ausgedrückt, Bereitstellen einer Laservorrichtung, welche zum Emittieren von UV-Licht einer ausgewählten Wellenlänge konfiguriert ist, und Erhalten einer Struktur umfasst, welche einen Vorrichtungs-Wafer, eine an den Vorrichtungs-Wafer geklebte Klebstoffschicht, einen UV-durchlässigen Handling-Wafer und eine Ablationsschicht zwischen dem Handling-Wafer und der Klebstoffschicht aufweist, und welche an die Klebstoffschicht geklebt ist. Die Ablationsschicht weist eine optische Eindringtiefe von 0,1 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge auf und weist eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen auf. Die Klebstoffschicht weist eine optische Eindringtiefe von zwei Mikrometer bis zwanzig Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe auf. Das Verfahren umfasst ferner Bewirken, dass die Laservorrichtung UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge in Richtung der Struktur emittiert (wie in 2A dargestellt) und die Ablationsschicht ablatiert, und Trennen des Handling-Wafer von dem Vorrichtungs-Wafer. Die ausgewählte Wellenlänge beträgt in einer oder mehreren Ausführungsformen 308 nm bis 355 nm. In einigen Ausführungsformen weist der Vorrichtungs-Wafer Silicium auf. Einige Ausführungsformen des Verfahrens umfassen ferner die Schritte Bilden aktiver Halbleitervorrichtungen 26 unter Verwendung des Vorrichtungs-Wafers und Bilden einer Metallverdrahtungsschicht 27 auf dem Vorrichtungs-Wafer. In einigen beispielhaften Ausführungsformen umfasst die Klebstoffschicht einen Farbstoff, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert. Die Ablationsschicht umfasst in einigen Ausführungsformen einen Farbstoff, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert. Die Klebstoffschicht kann darin gleichmäßig dispergierte Nanopartikel umfassen. In einigen Ausführungsformen lassen die Ablationsschicht und die Klebstoffschicht nur zwei Prozent oder weniger des Laserflusses, der aus der Laservorrichtung stammt, aus der Klebstoffschicht austreten, wie in 2A schematisch veranschaulicht.
  • Eine beispielhafte Struktur, wie sie z.B. schematisch in 1 dargestellt ist, umfasst einen Vorrichtungs-Wafer 22, eine an den Vorrichtungs-Wafer geklebte Klebstoffschicht 34, wobei die Klebstoffschicht eine optische Eindringtiefe von zwei Mikrometer bis zwanzig Mikrometer bei einer ausgewählten Wellenlänge von 308 nm bis 355 nm und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe aufweist, einen UV-durchlässigen Handling-Wafer 24 und eine Ablationsschicht 36 zwischen dem UV-durchlässigen Handling-Wafer und der Klebstoffschicht. Die Ablationsschicht weist eine optische Eindringtiefe von 0,1 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen auf. Die Ablationsschicht wird ferner zersetzt, wenn sie einem Laserfluss ausgesetzt wird. Der Handling-Wafer besteht in einer oder mehreren Ausführungsformen im Wesentlichen aus einem Glasmaterial, welches für die ausgewählte Wellenlänge weitgehend transparent ist. Die Ablationsschicht 36 weist in einigen Ausführungsformen intrinsische optische Absorptionseigenschaften bei der ausgewählten Wellenlänge auf. In anderen Ausführungsformen umfasst die Ablationsschicht 36 einen Farbstoff, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Ablationsschicht eine organische Planarisierungsschicht. Die Dicke der Ablationsschicht beträgt in einigen Ausführungsformen zwei bis vier Eindringtiefen. Die Dicke der Klebstoffschicht beträgt in einigen Ausführungsformen eine bis zwei Eindringtiefen.
  • Der Fachmann erkennt, dass die oben beschriebenen beispielhaften Strukturen in unbearbeiteter Form vertrieben werden können oder als Teile von Zwischenprodukten oder Endprodukten, wie z.B. integrierten Schaltungen, eingebaut sein können.

Claims (17)

  1. Verfahren, aufweisend: Bereitstellen einer Laservorrichtung, welche zum Emittieren von UV-Licht einer ausgewählten Wellenlänge konfiguriert ist; Erhalten einer Struktur, welche einen Vorrichtungs-Wafer, eine auf den Vorrichtungs-Wafer geklebte Klebstoffschicht, einen UV-durchlässigen Handling-Wafer und eine Ablationsschicht zwischen dem Handling-Wafer und der Klebstoffschicht aufweist, und welche an die Klebstoffschicht geklebt ist, wobei die Ablationsschicht eine optische Eindringtiefe von 0,1 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge aufweist und eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen aufweist, wobei die Klebstoffschicht eine optische Eindringtiefe von zwei Mikrometer bis zwanzig Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe aufweist, wobei die Klebstoffschicht darin suspendierte Nanopartikel zum Streuen von UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge und/oder Farbstoff umfasst, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert; Bewirken, dass die Laservorrichtung UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge in Richtung der Struktur emittiert und die Ablationsschicht ablatiert, und Trennen des Handling-Wafers von dem Vorrichtungs-Wafer.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ausgewählte Wellenlänge 308 nm bis 355 nm beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ablationsschicht und die Klebstoffschicht zwei Prozent oder weniger des Laserflusses, der aus der Laservorrichtung stammt, aus der Klebstoffschicht austreten lassen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Vorrichtungs-Wafer Silicium aufweist, ferner umfassend Schritte des Bildens aktiver Halbleitervorrichtungen unter Verwendung des Vorrichtungs-Wafers und Bilden einer Metallverdrahtungsschicht auf dem Vorrichtungs-Wafer.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Handling-Wafer im Wesentlichen aus einem Glasmaterial besteht, welches für die ausgewählte Wellenlänge weitgehend transparent ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorrichtungs-Wafer eine Passivierungsschicht und Metallkontaktflecken umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablationsschicht einen Farbstoff umfasst, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablationsschicht intrinsische optische Absorptionseigenschaften bei der ausgewählten Wellenlänge aufweist.
  9. Struktur, aufweisend: einen Vorrichtungs-Wafer; eine auf den Vorrichtungs-Wafer geklebte Klebstoffschicht, wobei die Klebstoffschicht eine optische Eindringtiefe von zwei Mikrometer bis zwanzig Mikrometer bei einer ausgewählten Wellenlänge von 308 nm bis 355 nm und eine Dicke von mindestens einer Eindringtiefe aufweist, wobei die Klebstoffschicht darin suspendierte Nanopartikel zum Streuen von UV-Licht der ausgewählten Wellenlänge und/oder Farbstoff umfasst, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert; einen UV-durchlässigen Handling-Wafer; eine Ablationsschicht zwischen dem UV-durchlässigen Handling-Wafer und der Klebstoffschicht, wobei die Ablationsschicht eine optische Eindringtiefe von 0,1 Mikrometer bis 0,2 Mikrometer bei der ausgewählten Wellenlänge aufweist und eine Dicke von mindestens zwei Eindringtiefen aufweist, wobei die Ablationsschicht ferner einer Zersetzung unterliegt, wenn sie einem Laserfluss ausgesetzt wird.
  10. Struktur nach Anspruch 9, wobei der Handling-Wafer im Wesentlichen aus einem Glasmaterial besteht, welches für die ausgewählte Wellenlänge weitgehend transparent ist.
  11. Struktur nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Klebstoffschicht intrinsische optische Absorptionseigenschaften bei der ausgewählten Wellenlänge aufweist.
  12. Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Ablationsschicht intrinsische optische Absorptionseigenschaften bei der ausgewählten Wellenlänge aufweist.
  13. Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Ablationsschicht eine organische Planarisierungsschicht aufweist.
  14. Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Ablationsschicht einen Farbstoff umfasst, welcher Licht der ausgewählten Wellenlänge absorbiert.
  15. Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Ablationsschicht eine Dicke von weniger als 0,5 µm aufweist.
  16. Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Dicke der Ablationsschicht zwei bis vier Eindringtiefen bei der ausgewählten Wellenlänge beträgt.
  17. Struktur nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die Dicke der Klebstoffschicht eine bis zwei Eindringtiefen bei der ausgewählten Wellenlänge beträgt.
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