TW201529214A - 使用中段波長紅外光輻射燒蝕之晶圓剝離 - Google Patents

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Abstract

本發明提供使用接合結構將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓的結構及方法，該等接合結構包括使用中段波長紅外光輻射可雷射燒蝕之一或更多個可釋出層。

Description

使用中段波長紅外光輻射燒蝕之晶圓剝離 【相關專利申請案之交叉引用】
本申請案主張於2013年8月1日提交申請之美國臨時申請案第61/861,034號之優先權，該美國臨時申請案之揭示內容以引用之方式併入本文。本申請案與同時申請之美國專利申請案第14/226,953號(代理人案號：YOR920130715US2)、2012年11月28日提交申請之美國專利申請案第13/687,531號及2013年1月22日提交申請之美國專利申請案第13/746,359號相關，上述申請案之揭示以引用之方式併入本文。
本領域大體而言係關於晶圓搬運技術，且特定而言係關於使用接合結構將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓之結構及方法，該等接合結構包括使用中段波長紅外光輻射可雷射燒蝕的一或更多個可釋出層。
在半導體晶圓處理領域，對大規模整合、高密度矽封裝的日益增長的需求已導致半導體晶粒變得極薄。舉例而 言，對於一些應用，從背側研磨及拋光矽(Si)晶圓降至50μm或更薄之厚度。儘管單晶Si具有極高機械強度，但Si晶圓及/或晶片可因變薄而變得易碎。亦可由諸如矽通孔(through-silicon via；TSV)處理、拋光及分割之處理步驟引入缺陷，該等處理步驟進一步降低了薄化晶圓或晶片之機械強度。因此，搬運薄化Si晶圓對大部分自動化裝置而言存在顯著挑戰。
為了促進元件晶圓之處理，機械搬運器晶圓(或載 體晶圓)通常附接於元件晶圓以增強處理期間元件晶圓之機械完整性。當完成元件晶圓之處理時，需要自元件晶圓釋出搬運器晶圓。搬運元件晶圓的最常見途徑為使用特別研製的接著劑將搬運器晶圓與元件晶圓疊層。取決於諸如處理步驟、產品需求及接著劑類型之因素，已使用或提出各種技術將變薄元件晶圓自機械搬運器晶圓脫接合或分離，該等技術包括熱釋出、化學溶解、機械釋出及雷射燒蝕技術。
典型雷射輔助剝離製程使用聚合接著劑(該接著劑 能夠充分吸收UV(ultra violet；紫外線)光譜中的能量)以將元件晶圓接合至UV透明玻璃搬運器晶圓。執行雷射燒蝕製程燒蝕聚合接著劑及實現玻璃搬運器晶圓與元件晶圓之間的剝離。在UV雷射燒蝕製程中使用玻璃搬運器具有若干缺點，該等缺點包括不良的熱傳導性、與某種半導體處理裝置具有不相容性以及高成本。儘管使用Si晶圓搬運器可潛在克服該等缺點，但矽對UV光譜為不透明，且因此與先前研製的UV雷射釋出技術不可相容。
大體而言，本發明之實施例包括使用接合結構將搬 運器晶圓臨時接合至元件晶圓的結構及方法，該等接合結構包括使用中段波長紅外光輻射可雷射燒蝕之一或更多個可釋出層。
在一個實施例中，提供一種藉由提供堆疊結構搬運 元件晶圓之方法，該堆疊結構具有元件晶圓、搬運器晶圓及接合結構，該接合結構將元件晶圓及搬運器晶圓接合在一起，其中該接合結構包含由傳導材料形成的釋出層。用穿過搬運器晶圓的紅外光能量照射接合結構以實質或完全汽化釋出層，以使得自搬運器晶圓釋出元件晶圓作為實質或完全汽化釋出層之直接結果。紅外光能量之波長處於約1.12μm至約5μm之範圍內。
在本發明之另一個實施例中，堆疊結構包括元件晶 圓、搬運器晶圓及安置於元件晶圓與搬運器晶圓之間的接合結構，其中該接合結構將元件晶圓及矽晶圓接合在一起。接合結構包括由傳導材料形成之釋出層，其中該釋出層經配置以當曝露於穿過搬運器晶圓的紅外光雷射能量下時藉由紅外光燒蝕實質或完全汽化，以引發自搬運器晶圓釋出元件晶圓作為釋出層之紅外光燒蝕之直接結果。
在實施例之以下詳細描述中將描述本發明之該等及 其他實施例，應結合隨附圖式閱讀該等實施例。
10‧‧‧步驟
11‧‧‧步驟
12‧‧‧步驟
13‧‧‧步驟
14‧‧‧中段IR雷射
16‧‧‧雷射燒蝕區域
20‧‧‧堆疊結構
21‧‧‧元件晶圓
22‧‧‧搬運器晶圓
23‧‧‧接合結構
24‧‧‧接著層
25‧‧‧釋出層
30‧‧‧堆疊結構
32‧‧‧保護層
40‧‧‧堆疊結構
42‧‧‧應力補償層
50‧‧‧堆疊結構
60‧‧‧堆疊結構
62‧‧‧反射接著層
70‧‧‧堆疊結構
72‧‧‧IR吸收接著層
80‧‧‧方塊
82‧‧‧方塊
84‧‧‧方塊
86‧‧‧方塊
90‧‧‧設備
92‧‧‧雷射束源
94‧‧‧束成形器
96‧‧‧束光柵元件
96-1‧‧‧鏡面
96-2‧‧‧鏡面
98‧‧‧真空夾盤
100‧‧‧堆疊結構
102‧‧‧搬運器晶圓
104‧‧‧元件晶圓
L1‧‧‧雷射束光點
L2‧‧‧雷射束光點
S‧‧‧箭頭
第1圖係根據本發明之實施例處理及搬運半導體晶 圓之方法之流程圖。
第2圖示意性描繪根據本發明之實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。
第3圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。
第4圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。
第5圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。
第6圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。
第7圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。
第8圖圖示根據本發明之實施例形成接著材料之方法，該接著材料係用於將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓並且能使用紅外光雷射燒蝕釋出技術。
第9圖示意性描繪根據本發明之實施例使用中段波長紅外光能量執行雷射剝離製程來釋出元件晶圓及搬運器晶圓之設備。
第10A圖及第10B圖圖示根據本發明之實施例可在第9圖之設備中實施以執行雷射剝離製程的雷射掃描圖案。
第11圖圖示根據本發明之實施例用於在IR雷射掃描製程期間有效重疊脈衝雷射束光點以有效燒蝕釋出層之方法。
本發明之實施例現將進一步詳細論述關於使用接合 結構將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓之結構及方法，該等接合結構包括一或更多個可釋出層，該等可釋出層吸收中段波長紅外光輻射(「中段IR輻射」)以藉由紅外光輻射燒蝕實現晶圓剝離。舉例而言，第1圖係圖示根據本發明之實施例處理及搬運半導體晶圓之方法之流程圖。參看第1圖，該方法包括藉由使用包含釋出層的接合結構將搬運器晶圓(或搬運器基板)接合至元件晶圓來執行晶圓接合製程(步驟10)。在本發明的一個實施例中，搬運器晶圓係Si搬運器晶圓(或基板)，該Si搬運器晶圓經接合至Si元件晶圓，因為使用機械Si搬運器晶圓使得與標準CMOS矽晶圓處理技術能夠相容。在本發明之其他實施例中，搬運器晶圓可由玻璃或其他適宜材料形成，該等材料對用於IR雷射燒蝕之紅外光(infrared；IR)光譜中的某些波長為透明或半透明(例如，至少50%透明)。
此外，根據本發明之實施例的釋出層包括薄金屬層 及/或由金屬粒子所形成的接著層，該等層充當可使用低功率中段IR輻射實質或完全燒蝕(汽化)之可釋出層以使元件及搬運器晶圓剝離。詳言之，在一個實施例中，將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓的接合結構係由一或更多個釋出層(例如，薄金屬薄膜，與金屬粒子接著)形成，該等層經配置以強力地吸收自脈衝IR雷射發射的中段IR能量及用低燒蝕能量閾值提供高燒蝕效率以使得搬運器晶圓能夠自元件晶圓快 速釋出。實際上，使用該等接合結構，可藉由釋出層(限制於接合結構內的極淺深度中)輕易吸收來自IR雷射的中段IR能量之超短脈衝，從而在接合結構及搬運器晶圓之介面處快速且有效率地汽化釋出層的至少一部分及從而自元件晶圓釋出搬運器晶圓。下文將參看第2圖至第8圖進一步詳細描述將搬運器晶圓接合至元件晶圓的各種結構及方法。
再參看第1圖，一旦完成晶圓接合製程，可用附接於元件晶圓的搬運器晶圓執行標準晶圓處理步驟(步驟11)。舉例而言，在本發明之一個實施例中，將搬運器晶圓接合至元件晶圓之活性表面上所形成的BEOL(back-end-of-line；製程後端)結構。在此情況中，可執行標準晶圓處理步驟，諸如將元件晶圓之背側(非活性)表面研磨/拋光成薄元件晶圓。其他晶圓處理步驟包括穿過元件晶圓之背側至元件晶圓之活性側面上所形成的積體電路形成矽通孔。可使用額外製程步驟以沉積薄膜(諸如(但不限於)SiO2及/或Si3N4)，該等薄膜藉由矽基板及/或搬運器晶圓上的壓縮力或張力，幫助最小化矽活性晶圓及/或接合對的非平面性(或翹曲)。
在其他實施例中，元件晶圓(在其表面上具有分割帶)可與附接之搬運器晶圓經歷晶圓分割製程，以使得個別晶粒或多個晶粒可藉由臨時搬運器晶圓固持用於晶粒組裝或其他製程(其中該等晶粒組裝至基板或另一全厚度晶粒)，及隨後用諸如後組裝或後未填滿之後續操作釋出。在該等處理步驟期間，搬運器晶圓將對元件晶圓給予些許結構強度及穩定性，如一般熟習此項技術者所易於理解的。
第1圖之說明性製程中的下一步驟涉及執行雷射燒蝕晶圓剝離製程以自搬運器晶圓釋出元件晶圓(步驟12)。在一個實施例中，此製程涉及使用中段波長IR能量穿過搬運器晶圓照射接合結構以雷射燒蝕接合結構之釋出層及釋出元件晶圓。更具體而言，在一個實施例中，該製程涉及將脈衝中段IR雷射束導向在搬運器晶圓處及根據預定掃描圖案掃描脈衝中段IR雷射束以雷射燒蝕接合結構之釋出層。釋出層之雷射燒蝕包含在釋出層與元件晶圓之間的介面處實質或完全汽化釋出層(例如，薄金屬層及/或具有金屬粒子的接著層)中的至少一部分以能夠自搬運器晶圓釋出元件晶圓。在本發明之一個實施例中，使用紅外光雷射束實施中段IR雷射燒蝕製程，該紅外光雷射束發射中段IR輻射，該中段IR輻射具有約1.12μm至約5μm之範圍內且更佳地約1.12μm至約3μm之範圍內的波長。下文將參看第9圖至第11圖進一步詳細描述中段IR雷射燒蝕製程之各種實施例。
再參看第1圖，一旦完成中段IR雷射燒蝕製程及自搬運器晶圓釋出元件晶圓，可執行後剝離清洗製程以自元件晶圓移除任何殘留接著材料或其他殘餘物(由接合結構之燒蝕產生)(步驟13)。舉例而言，可使用化學清洗製程或濕式清洗製程實施清洗製程以移除任何基於聚合物的接著材料。可使用移除燒蝕接合結構之殘餘物的其他適宜清洗方法，該等方法為一般熟習此項技術者已知。
與使用遠段IR輻射(大於5微米)雷射燒蝕相比，使用中段IR輻射執行根據本發明之實施例的雷射燒蝕製程提 供許多優勢。舉例而言，使用中段IR輻射的雷射燒蝕製程與Si及玻璃搬運器兩者及由對中段IR輻射透明的材料形成之其他搬運器可相容。相比之下，玻璃搬運器對遠段IR光譜不透明，且因此不可與遠段IR雷射燒蝕技術一起使用。此外，使用中段IR輻射的雷射燒蝕製程與應力補償層(例如，氧化矽或氮化矽層)相容，該等應力補償層形成於薄搬運器晶圓上以防止半導體處理階段期間薄搬運器晶圓之翹曲。此外，與遠段IR輻射相比，中段IR輻射之較短波長能夠在薄釋出層中具有較高吸收率，且因此需要低得多的燒蝕閾值(例如，低10倍的能量)即可實現釋出層之有效燒蝕(汽化或移除)。 與遠段IR輻射相比，使用中段IR輻射用於燒蝕的另一優勢在於市售分割帶產品對中段IR輻射為透明。因此，在雷射燒蝕製程期間，當在元件晶圓之表面上安置分割帶層時，分割帶將在中段IR雷射燒蝕製程期間不遭受熱損壞。
第2圖示意性描繪根據本發明之一實施例包含將元 件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。更具體而言，第2圖係堆疊結構20之示意性側視圖，該堆疊結構包含元件晶圓21、搬運器晶圓22及接合結構23。接合結構23包含接著層24及釋出層25。第2圖進一步圖示中段IR雷射14，該中段IR雷射在搬運器晶圓22處發射IR雷射束以照射釋出層25的一部分，產生雷射燒蝕區域16。
在本發明之一個實施例中，中段IR雷射14發射脈 衝紅外光雷射束以雷射燒蝕釋出層25，其中中段IR雷射14發射具有約1.12μm至約5μm之範圍內且更佳地約1.12μm 至約3μm之範圍內的波長之中段波長紅外光雷射束。搬運器晶圓22可為矽晶圓或玻璃晶圓，其中矽及玻璃兩者對1.12μm至約3μm之IR輻射波長為至少約50%透明。因此，IR雷射束將穿透搬運器晶圓22並照射釋出層25。
在本發明之一個實施例中，釋出層25由金屬材料形 成，該金屬材料具有諸如反應性(非惰性)、柔軟及具有相對較低熔點之特性。舉例而言，釋出層25可由諸如鋁(Al)、錫(Sn)或鋅(Zn)之金屬材料形成。在其他實施例中，例如，釋出層25由諸如碳奈米管及石墨烯之碳材料形成。取決於用於釋出層25之材料，可以約5奈米至約400奈米之範圍內的厚度形成釋出層25。舉例而言，在釋出層25由諸如鋁之金屬材料形成的一個實施例中，可以約5奈米至約200奈米之範圍內的厚度形成釋出層25。在釋出層25由碳材料形成的實施例中，可以約400奈米或更小之厚度形成釋出層25。
用於汽化釋出層25之中段IR雷射照射之燒蝕閾值 (曝光水平及曝光時間)將取決於用於形成薄釋出層25的材料之厚度及類型而變化。在所有情況下，薄釋出層25經配置以實質吸收(而非反射或透射)中段IR雷射能量，使得發生薄釋出層25之燒蝕。
在一個實施例中，接著層24可由任何適宜聚合物接 著材料形成，該材料可能夠或可不能夠充分吸收自IR雷射14輸出的中段IR能量。無關於接著層24之IR吸收能力，在本發明之一個實施例中，釋出層25(在材料組合物及厚度方面)經配置以集中吸收中段IR能量及充當藉由IR雷射能量燒蝕 的接合結構23之主要可釋出層。釋出層25改良雷射燒蝕效率，且因此減小接合結構23之燒蝕閾值(與單獨使用接著層的接合結構相比較)。在本發明之一個實施例中，用紅外光能量照射釋出層25，該紅外光能量足以完全汽化(燒蝕)曝露於中段IR能量的釋出層25的一部分，或至少完全汽化搬運器晶圓22與釋出層25之間的介面處之釋出層25之材料，以便釋出搬運器晶圓22。
此外，在本發明之替代實施例中，用中段IR能量照 射接合結構23，該中段IR能量足以完全汽化(燒蝕)曝露於中段IR能量的薄釋出層25中的至少一部分以及汽化、變性、碳化或以其他方式燒蝕在接著層24與所照射及燒蝕之釋出層25部分之間的介面處的接著層24中的至少一部分。換言之，在第2圖所示之接合結構23中，加熱及汽化藉由中段IR雷射14所照射的釋出層25之部分，及薄釋出層25之此加熱及燒蝕引起接著層24之周圍材料(所照射釋出層25與接著層24之間的介面處)之加熱，此舉引發接著層24之燒蝕。另外，取決於用於形成接著層24之材料之IR吸收特性，藉由因接著層24吸收中段IR能量的任何額外加熱進一步實現接著層24之燒蝕。
在本發明之一個實施例中，可如下製造堆疊結構 20。首先，在搬運器晶圓22之表面上形成釋出層25。舉例而言，可藉由使用標準技術沉積金屬材料(例如，Al)層形成釋出層25，該標準技術諸如化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition； PVD)或原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)。在其他實施例中，可藉由使用已知技術在搬運器晶圓22之表面上生長或以其他方式放置碳材料層(例如，碳奈米管、石墨烯層等)形成釋出層25。
下一步驟包括在釋出層25上形成接著層24。可使 用已知材料及沉積技術形成接著層24。舉例而言，接著層24可由任何適宜聚合接著材料、高溫熱塑聚醯亞胺、BCB、丙烯酸、環氧化物或適合於給定應用的其他接合接著材料形成。可藉由在釋出層25上旋塗接著材料來形成接著層24，以及熱烘焙接著材料以形成接著層24。此後，實施標準接合製程以將搬運器晶圓22(具有接合結構23)接合至元件晶圓21。
第3圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。更具體而言，第3圖係類似於第2圖之堆疊結構20的堆疊結構30之示意性側視圖，不同之處在於在第3圖之實施例中，保護層32被安置於接合結構23與元件晶圓21之間。第3圖所示之接著層24及釋出層25可由上文參看第2圖所論述之相同或類似材料形成。
在第3圖之實施例中，保護層32用來在雷射燒蝕製程期間保護元件晶圓21免遭中段IR雷射14所發射的紅外光能量照射。更具體而言，保護層32(在材料組合物及厚度方面)經配置以將入射中段IR雷射能量反射遠離元件層21返回釋出層25。在本發明之一個實施例中，保護層32可由惰性金屬材料諸如鈦、鉻、金或銅形成，具有足以反射中段IR能 量的厚度(在給定中段IR雷射波長下比保護層32之皮膚深度更厚)。舉例而言，保護層32可由金屬材料(諸如Ti)形成，具有約50奈米至約500奈米之範圍內的厚度。在第3圖之實施例中，藉由自保護層32反射回的額外中段IR照射進一步增強雷射燒蝕區域16中的釋出層25(及接著材料)之照射部分之燒蝕效率，如第3圖所示意性描繪。
在本發明之一個實施例中，可使用上文參看第2圖 所論述之類似方法製造堆疊結構30。首先，使用上文參看第2圖所論述之材料及技術，在搬運器晶圓22之表面上形成釋出層25，隨後在釋出層25上形成接著層24。接下來，使用適宜金屬材料及已知沉積技術在元件晶圓21之表面上形成保護層32。此後，實施標準接合製程以將搬運器晶圓22(具有接合結構23)接合至元件晶圓21(具有保護層32)以構造出第3圖所示之所得堆疊結構。
第4圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。更具體而言，第4圖係類似於第2圖之堆疊結構20的堆疊結構40之示意性側視圖，不同之處在於在第4圖之實施例中，在搬運器晶圓22之表面上形成應力補償層42且在接合結構23與搬運器晶圓22之間安置該應力補償層。第4圖所示之接著層24及釋出層25可由上文參看第2圖所論述之相同或類似材料形成。在第4圖之實施例中，應力補償層42用來防止堆疊結構40之翹曲，該翹曲可因半導體製造處理階段期間施加於堆疊結構40之不同層的橫向應力而產生，執行該等處理 階段以在附接於搬運器晶圓22的同時建立堆疊結構40及/或處理元件晶圓21。
在此實施例中，應力補償層42(在材料組合物及厚 度方面)經配置以抵消應力，否則該等應力本原本可施加於堆疊結構40的層，潛在引發堆疊結構40翹曲。另外，應力補償層42(在材料組合物及厚度方面)經配置以對雷射燒蝕製程中所使用的中段IR雷射輻射之波長為透明，使得中段IR能量將穿過應力補償層42照射釋出層25。
在本發明之一個實施例中，例如，應力補償層42可 由氧化矽材料(例如，SiO2)或氮化矽材料(例如，Si3N4)形成。以約100nm至約5000nm之範圍內的厚度較佳地形成應力補償層42，其中該厚度將取決於針對給定應用所使用的材料及防止堆疊結構40之翹曲所需的應力抵消力的量。大體而言，儘管矽基板相對強度高且通常不遭受翹曲，但相對較薄的矽基板(例如，變薄的矽元件晶圓)可對翹曲易感。另一方面，由玻璃或其他材料製成之搬運器晶圓不如矽搬運器強度高，且對翹曲更易感。因此，補償層42之實施及組合物將取決於多種因素，諸如(例如)搬運器晶圓22及元件晶圓21之材料組合物及厚度以及針對給定應用建立堆疊結構40及處理元件晶圓21所使用之半導體處理步驟之本質。
在本發明之一個實施例中，可使用上文參看第2圖 所論述之類似方法製造堆疊結構40。首先，在搬運器晶圓22之表面上形成應力補償層42，隨後在應力補償層42上依次形成釋出層25及接著層24。使用如上文所論述之適宜材料及已 知技術形成該等層42、25及24。此後，實施標準接合製程以將搬運器晶圓22(具有接合結構23及應力補償層42)接合至元件晶圓21以構造第4圖所示之所得堆疊結構。
第5圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。更具體而言，第5圖係類似於第4圖之堆疊結構40的堆疊結構50之示意性側視圖，不同之處在於在第5圖之實施例中，在與形成接合結構23之搬運器晶圓22表面相對之搬運器晶圓22表面上形成應力補償層42。第5圖所示之接著層24、釋出層25及應力補償層42可由上文參看第4圖所論述之相同或類似材料形成。然而，當製造堆疊結構50時，首先在搬運器晶圓22之表面上形成應力補償層42，隨後在搬運器晶圓22之相對表面上形成接合結構23。
第6圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。更具體而言，第6圖係類似於第2圖之堆疊結構20的堆疊結構60之示意性側視圖，不同之處在於在第6圖之實施例中，在接合結構23中使用反射接著層62。更具體而言，在第6圖之實施例中，反射接著層62由聚合物接著材料形成，例如，該聚合物接著材料與IR反射粒子預混合。IR反射粒子可包含金屬粒子(Al、Cu等)或陶瓷球及/或其他類型的奈米粒子諸如氧化鋁、氮化硼、矽石等，該等粒子用來阻擋或以其他方式反射入射的中段IR輻射。
就此而言，反射接著層62具有與第3圖之堆疊結構 30實施例中的反射層32類似的功能。詳言之，反射接著層62用來保護元件晶圓21免遭IR輻射。另外，由於自反射接著層62反射回釋出層25的額外中段IR照射，反射接著層62用來增強雷射燒蝕區域16中的釋出層25之燒蝕效率，從而減小釋出層25之燒蝕閾值。
此外，當用金屬粒子或其他導熱材料形成反射接著 層62時，接著層62之導熱率增加。當製造堆疊結構60時及當處理元件晶圓21時，導熱接著層62有利地用於在各個處理階段期間展佈及耗散堆疊結構60中的熱量，且從而在接合至搬運器晶圓22的同時元件晶圓21能夠以大功率測試。例如，可使用下文參看第8圖所論述之方法形成反射接著層62。
第7圖示意性描繪根據本發明之另一個實施例包含將元件晶圓臨時接合至搬運器晶圓之接合結構的堆疊結構。更具體而言，第7圖係包含元件晶圓21及搬運器晶圓22的堆疊結構70之示意性側視圖，使用IR吸收接著層72將以上兩個晶圓接合在一起。在第7圖之實施例中，吸收接著層72由聚合物接著材料形成，該聚合物接著材料與改良接著材料之IR吸收性的金屬奈米粒子預混合。舉例而言，奈米粒子可由Sn、Zn、Al、碳奈米管或石墨烯或上述之組合形成。IR吸收接著層72可由沉積塗佈製程形成，該沉積塗佈製程諸如旋塗或噴塗或此項技術中已知的沉積塗佈之一些其他替代形式(或沉積塗佈製程之任何組合)，其中在接合至元件晶圓21前，將具有預混合之金屬奈米粒子的聚合物接著材料沉積塗佈至搬運器晶圓22之表面上。
在第7圖之實施例中，IR吸收接著層72充當可由 紅外光燒蝕接著層72而釋出的層，如第7圖所示。此外，由於用導熱材料形成吸收接著層72，使得接著層72之導熱率增加，此情況出於上文所論述之理由係有利的。在其他替代實施例中，第6圖及第7圖所示之接著層62及72可用於代替第2圖、第3圖、第4圖及第5圖中所描繪之接著層。
第8圖圖示根據本發明之實施例支援雷射燒蝕釋出 技術的形成接著材料之方法，該接著材料可用於將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓。形成接著材料的起始步驟包括將填充粒子(金屬及/或非金屬粒子)與界面活性劑(或耦合劑)以及溶劑混合，直至獲得均勻分散混合物(方塊80)。混合方法包括尖端超聲波處理、水浴超聲波處理、三輥混合及此項技術中已知的其他適宜混合技術。界面活性劑/耦合劑及溶劑材料確保良好分散填充劑粒子，並幫助獲得穩定懸浮液及均勻固化特性。
所使用的填充劑粒子類型將取決於臨時接合接著劑 是否將用作反射接著層(例如，第6圖的層62)或可釋出層(例如，第7圖的吸收接著層72)而變化。舉例而言，當用作反射層時，在接著材料中包括的粒子包含粒子或奈米粒子，諸如氧化鋁、氮化硼、矽石、陶瓷球或其他類似材料。 當用作IR吸收層時，在接著材料中包括的填充劑粒子包括，例如，碳奈米粒子、鋁奈米粒子及/或其他金屬或傳導奈米粒子。此外，所使用之耦合劑/界面活性劑材料類型將取決於所使用之填充劑粒子、溶劑材料及接合接著材料之類型。舉例 而言，所使用之溶劑應能夠溶解所使用之接合接著劑(聚合物基質)。
下一步驟包括將接合接著材料添加至填充劑粒子之 分散混合物中(方塊82)。接合接著材料可為任何市售接合接著材料(或基質材料)，該等材料可使用本文所描述之技術再調配以包括填充劑粒子，該等填充劑粒子能夠形成雷射可燒蝕(可移除)的臨時接合接著劑，該臨時接著材料具有增強的導熱性或可充當IR反射層。此類接合接著材料包括高溫熱塑聚醯亞胺、BCB、丙烯酸、環氧化物及其他適宜接著材料。
隨後真空混合接合接著材料及填充劑粒子之分散混 合物，直至獲得用於旋塗之所欲黏度(方塊84)。此製程(方塊80、82、84)產生接合接著材料與填充劑粒子之均勻混合物。對於旋塗應用，例如，臨時接合接著劑之目標黏度處於約103Pa-s至約105Pa-s之範圍內。此後，可將所得臨時接合接著材料旋塗至釋出層25上(第6圖)或直接塗佈至搬運器晶圓22之表面上(第7圖)，及隨後熱固化直至所有溶劑材料被烘乾及聚合物材料交聯(方塊86)。
舉例而言，根據本發明之一個實施例的接著材料包 括鋁奈米粒子(例如，70nm或更小)，將該等鋁奈米粒子以約1%至約35%或更佳地約5%至約35%之範圍內的體積配比(loading)添加至熱塑聚醯亞胺中。配比範圍取決於接著劑中的特定材料之滲透閾值。更具體而言，在一個示例性實施例中，超音波處理10公克之70nm鋁粒子、1mg之TritonX-100 (市售溶劑)及10g之PGMEA(市售界面活性劑)，直至獲 得均勻分散液。然後將20g之HD 3007(市售接著(基質)材料)添加至混合物及用具有機罩刀片(cowl blade)的高剪切混合器混合。在獲得均勻混合物後，將混合物放置至真空混合器中混合，直至PGMEA蒸發及獲得10000Pa-s之所欲黏度。
應將瞭解，第8圖之方法可用於產生導熱接合接著 劑，該導熱接合接著劑可用於將搬運器晶圓臨時接合至元件晶圓，且亦獨自充當釋出層(第7圖)或與另一釋出層結合。 舉例而言，第2圖、第3圖、第4圖及第5圖中所描繪之接著層可為具有IR吸收填充劑粒子的導熱接合接著材料(使用上文參看第8圖所論述之方法形成及沉積)，且該等接著層與由金屬或碳材料製成的薄傳導釋出層結合用作釋出層。
此外，使用導熱接合接著劑將搬運器晶圓臨時接合 至元件晶圓亦在將元件晶圓接合至搬運器晶圓的同時提供對元件晶圓之晶片(晶粒)之高功率測試的支援。更具體而言，例如具有導熱接著層作為接合結構的一部分之諸如第2圖、第3圖、第4圖、第5圖、第6圖或第7圖所示之堆疊結構可充當導熱層，該導熱層在元件晶圓上的晶片之高功率測試期間將熱量自元件晶圓轉移至搬運器晶圓。舉具體實例而言，可實施針對給定堆疊結構的增強電氣測試，其中在自元件晶圓經由接合結構及矽搬運器晶圓將熱量移除到熱耦接至搬運器晶圓之冷板或散熱片的同時，使用晶圓級測試探頭測試薄化的半導體元件晶圓。堆疊結構提供對內建式自我測試 (built in self-test；BIST)過程的機械支援，且亦可使用測試探頭提供全功率及接地輸送以電氣測試有效晶片電路的頻率(速度)與電壓關係，以及提供晶片之其他電氣測試評估。 同時，具有導熱接著層的堆疊結構提供經由薄化的元件晶圓之替代側的增強冷卻能力，其中熱量經由導熱接著層及搬運器晶圓移除/展佈到熱耦接至搬運器晶圓之冷板或散熱片上。
第9圖示意性描繪根據本發明之一實施例使用中段 波長紅外光能量執行雷射剝離製程來釋出元件晶圓及搬運器晶圓之設備。詳言之，第9圖示意性圖示用於雷射掃描包含搬運器晶圓102及元件晶圓104的堆疊結構100之設備90，使用具有如本文所論述之雷射可燒蝕(可移除)釋出層的示例性接合結構中之一者臨時接合該搬運器晶圓及該元件晶圓。大體而言，設備90包含中段IR雷射源92、束成形器94、包含鏡面96-1、96-2的束光柵元件96及真空夾盤98。設備90之組件92、94及96為雷射掃描系統的一部分，該雷射掃描系統經配置以使用某種掃描圖案掃描搬運器晶圓102之表面上方的脈衝IR雷射束。紅外光雷射掃描系統藉由控制功率(能量密度束)、掃描速度及脈衝速率，例如以足以有效燒蝕堆疊100內的接合結構之釋出層的方式來控制雷射燒蝕掃描製程。IR雷射掃描之參數可取決於接合結構構架而變化。
更具體而言，雷射束源92發射具有一波長的脈衝IR 雷射束，該波長處於約1.12μm至約5μm之範圍內，且更佳地處於約1.12μm至約3μm之範圍內。束成形器94聚焦自雷射源92所發射的中段IR雷射束。將經聚焦之雷射束導向 至束光柵元件96，其中使用已知技術可控操作複數個可移動(旋轉)鏡面96-1及96-2以導向脈衝中段IR雷射束在堆疊結構100處及用雷射束且使用複數個適宜掃描圖案中之一者快速掃描(例如，20秒內)搬運器晶圓102之整個表面。
舉例而言，第10A圖及第10B圖圖示根據本發明之 實施例可在用於執行雷射剝離製程的第9圖之設備中實施的雷射掃描圖案。第10A圖圖示螺旋形掃描圖案，其中掃描從搬運晶圓之邊緣開始且可在搬運晶圓之圓周處具有多道次掃描的情況下使用該掃描，及隨後掃描以螺旋形方向朝搬運器晶圓102之內部中心移動。此容許任何蒸氣產物自搬運器晶圓之介面排放而不引發對電路晶圓的較高局部壓力或損壞。 進一步，第10B圖圖示蛇紋形掃描圖案，其中可在晶圓之圓周處再次掃描雷射束及隨後在整個晶圓搬運器102之表面上自搬運器晶圓102之一側開始朝向搬運器晶圓102之相對側來回掃描。第10A圖及第10B圖所示之雷射束掃描圖案允許雷射掃描搬運器晶圓102之整個表面，以使得對於具有下面有效電路的區域不會掃描搬運器晶圓102之先前已掃描表面區域一次以上。
換言之，第10A圖及第10B圖中所示之掃描圖案確 保不再掃描先前雷射已掃描區域，因為當雷射束導向釋出層已經汽化之區域時重複掃描相同區域可導致對元件晶圓的損壞。對於晶圓之圓周(其中無有效電路在下面)，可取決於雷射之角度及任何邊緣效應或由於至釋出層的束接觸之邊緣效應、反射或損失而導致的低效率需要一或更多個道次的雷 射束。或者，若對於釋出需要雷射剝離之一個以上道次，則可使用如本申請案中所描述避免對有效電路損壞的保護層。
第11圖圖示根據本發明之實施例用於在IR雷射掃 描製程期間有效重疊脈衝雷射束光點以在執行雷射剝離製程時有效燒蝕釋出層之方法。如第11圖所示，當給定掃描方向(如箭頭S所指示)上存在連續雷射束光點L1及L2之一些重疊時獲得更有效率之雷射掃描燒蝕。如第11圖所示意性圖示，在使用脈衝雷射束掃描情況下，為了獲得連續雷射束光點L1及L2之有效重疊，雷射之掃描速度應小於或等於光點直徑D乘以脈衝頻率的二分之一，亦即， 否則，若雷射束光點L1及L2之重疊不充分(或無重疊)，則可存在未適當照射之可釋出層的區域，因此潛在地燒蝕不充分。
返回參看第9圖，在雷射掃描製程期間，在真空夾 盤98上的位置中維持堆疊結構100，藉此真空系統經由真空夾盤98施加真空抽吸力以將堆疊結構100固持在元件晶圓104與真空夾盤98接觸之位置。在本發明之一個實施例中，真空夾盤98經配置以超音波或兆音波能量振動，以便在雷射掃描期間及/或在雷射掃描後施加振動力來幫助自元件晶圓104釋出搬運器晶圓102。在完成IR雷射掃描後，真空系統將第二真空夾盤(未具體圖示)與搬運器晶圓102接觸放置及經由第二真空夾盤120施加真空抽吸力。用提升元件提起第二真空夾盤來拉動已釋出之搬運器晶圓102以遠離元件晶 圓104。拉動搬運器晶圓102遠離元件晶圓104所需的力極小，因為實質或完全汽化釋出層，從而藉由雷射掃描燒蝕製程有效引起自元件晶圓104釋出搬運器晶圓102。
此後，可將元件晶圓104轉移至化學工位以蝕刻或以其他方式移除在剝離製程後殘留在元件晶圓104之表面上的殘餘臨時接著層或其他接合結構材料。儘管第9圖未圖示，但設備90可進一步包含空氣搬運器、過濾/凝結系統或排氣系統以移除及截獲碎片及排放剝離製程期間所產生的過量氣體。應將理解，第9圖係標準晶圓處理設備之一般籠統結構描述，該設備可經實施或修整以執行如本文所論述之IR雷射燒蝕及晶圓剝離。
儘管出於說明之目的已在本文中參看隨附圖式描述實施例，但應理解本發明不限於彼等確切實施例，且在不脫離本發明之範疇的情況下，熟習此項技術者可在本文中實施各種其他改變及修改。

Claims (20)

  1. 一種用於搬運一元件晶圓之方法，該方法包含以下步驟：提供一堆疊結構，該堆疊結構包含一元件晶圓、一搬運器晶圓及一接合結構，該接合結構將該元件晶圓及該搬運器晶圓接合在一起，其中該接合結構包含由一傳導材料所形成之一釋出層；以及用穿過該搬運器晶圓的紅外光能量照射該接合結構以實質或完全汽化該釋出層，以使得自該搬運器晶圓釋出該元件晶圓作為該釋出層之該實質或完全汽化之一直接結果，其中該紅外光能量之一波長處於1.12μm至5μm之一範圍內。
  2. 如請求項1所述之方法，其中照射該接合結構之步驟包含以下步驟：導向一脈衝紅外光雷射束在該搬運器晶圓之一表面處；以及在該搬運器晶圓之該表面上掃描該脈衝紅外光雷射束以實質或完全汽化該接合結構之該釋出層。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該釋出層包含一金屬材料。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該釋出層包含一碳材料或碳結構。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該釋出層具有在5nm至400nm之一範圍內的一厚度。
  6. 一種堆疊結構，該堆疊結構包含：一元件晶圓；一搬運器晶圓；以及一接合結構，安置於該元件晶圓與該搬運器晶圓之間，其中該接合結構將該元件晶圓及該搬運器晶圓接合在一起，其中該接合結構包含由傳導材料所形成之一釋出層，其中該釋出層經配置以當曝露於穿過該搬運器晶圓的紅外光雷射能量時藉由紅外光燒蝕實質或完全汽化，以引發自該搬運器晶圓釋出該元件晶圓作為該釋出層之該紅外光燒蝕之一直接結果，其中該紅外光能量之一波長處於1.12μm至5μm之一範圍內。
  7. 如請求項6所述之堆疊結構，其中該釋出層包含一金屬材料。
  8. 如請求項6所述之堆疊結構，其中該釋出層包含一碳材料或碳結構。
  9. 如請求項6所述之堆疊結構，其中該釋出層具有在5nm至400nm之一範圍內的一厚度。
  10. 如請求項6所述之堆疊結構，其中該釋出層直接形成在該搬運器晶圓之一表面上。
  11. 如請求項6所述之堆疊結構，其中該接合結構進一步包含一接著層。
  12. 如請求項11所述之堆疊結構，其中該接著層包含填充劑粒子，該等填充劑粒子經配置以反射該紅外光能量。
  13. 如請求項6所述之堆疊結構，進一步包含一反射層，該反射層安置於該接合結構與該元件晶圓之間以反射該紅外光能量遠離該元件晶圓並保護該元件晶圓免遭該紅外光能量照射。
  14. 如請求項6所述之堆疊結構，進一步包含一應力補償層，該應力補償層形成於該搬運器晶圓之一表面上，其中該應力補償層經配置以減輕該搬運器晶圓之翹曲。
  15. 如請求項14所述之堆疊結構，其中該應力補償層為以下之至少一者：(i)安置於該接合結構與該搬運器晶圓之間；以及(ii)形成在與形成該接合結構的一表面相對的該搬運器晶圓之表面上。
  16. 一種測試如請求項6所述之堆疊結構的方法，其中該方法包含以下步驟：將一散熱片或冷板熱接合至該搬運器晶圓；以及使用晶圓級測試探頭測試該元件晶圓以電氣測試該元件晶圓上的有效電路系統。
  17. 一種用於處理一堆疊結構之設備，該堆疊結構包括一元件晶圓、一搬運器晶圓及安置於該元件晶圓與該搬運器晶圓之間的一接合結構，其中該接合結構將該元件晶圓及搬運器晶圓接合在一起，其中該接合結構包含由傳導材料所形成之一釋出層，該設備包含：一真空系統，包含一第一真空夾盤及一第二真空夾盤；以及一紅外光雷射掃描系統；其中該真空系統經配置以經由該第一真空夾盤施加一真空抽吸力以將該堆疊結構固持在該元件晶圓與該第一真空夾盤接觸之位置，其中該紅外光雷射掃描系統經配置以在該搬運器晶圓之背側施加一脈衝紅外光雷射束以用具有在1.12μm至5μm之一範圍內的一波長的紅外光能量照射該釋出層，且藉由紅外光雷射燒蝕實質或完全汽化該釋出層，從而引發自該搬運器晶圓釋出該元件晶圓作為該釋出層之該紅外光雷射燒蝕之一直接結果，其中該真空系統經配置以在該接合結構之紅外光燒蝕後將該第二真空夾盤與該搬運器晶圓接觸放置，及經由該第二 真空夾盤施加一真空抽吸力以拉動該搬運器晶圓遠離該元件晶圓。
  18. 如請求項17所述之設備，其中該紅外光雷射掃描系統以一螺旋形掃描圖案在該搬運器晶圓之該背側處施加一脈衝紅外光雷射束。
  19. 如請求項17所述之設備，其中該紅外光雷射掃描系統在整個該搬運器晶圓之該背側上以來回蛇紋形圖案在該搬運器晶圓之該背側處施加一脈衝紅外光雷射束。
  20. 如請求項17所述之設備，其中該紅外光雷射掃描系統施加具有重疊脈衝雷射束光點的一脈衝紅外光雷射束。
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