TWI631688B

TWI631688B - 用於雷射剝離處理之晶圓結構

Info

Publication number: TWI631688B
Application number: TW104119368A
Authority: TW
Inventors: 林建宏; 李佳璘; 楊善珺
Original assignee: 勤友光電股份有限公司
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2018-08-01
Also published as: TW201701451A

Abstract

一種用於雷射剝離處理之晶圓結構，其包含一載板、一剝離層、一接合層與一半導體晶圓。並將剝離層設置於載板的其中一面。接合層設置於剝離層的其中一面且遠離載板。半導體晶圓設置於該接合層的其中一面且遠離剝離層。其中，在載板上方接收波長介於193nm至400nm之間的雷射光，並使剝離層的厚度為大於0.2倍的吸收長度且小於1倍的吸收長度，吸收長度為雷射光在剝離層上操作的波長。

Description

用於雷射剝離處理之晶圓結構

本發明係有關於一種晶圓結構，特別是有關於在雷射剝離處理時可以防止損壞接合層之晶圓結構。

三維積體電路(3D Integrated Circuit，以下簡稱3D-IC)是透過直通矽晶鑽孔(Through Silicon Via)的方法在晶圓上以蝕刻或雷射的方式鑽孔，再將導電材料填入鑽孔中形成導電通道，最後將晶圓薄化再加以堆疊、結合以形成。然而，3D-IC晶圓的厚度越來越薄，而導致晶圓越來越脆弱，因此會在半導體製程(拋光、切割等)步驟中產生晶圓的缺陷，由此可知，操作變薄的晶圓對大多數的自動化設備產生明顯的挑戰。

請參閱第1A至1E圖，係顯示在3D-IC的雷射剝離(de-bonding)處理的示意圖。如第1A圖所示，疊層結構10的頂層為一半導體晶圓102，底層為一承載基板104，而在半導體晶圓102與承載基板104之間依次為一接合層106(adhesive layer)與一剝離層108(release layer)。在第1B圖中，將疊層結構10反轉，使得承載基板104在最上方，並在承載基板104下方依次為剝離層108與接合層106，而半導體晶圓102在最下方。接著，如第1C圖所述，在承載基板104上應用高分子雷射處理方法。如第1D圖所示，因為剝離層108具有特殊感光材料，在接收特定波長的雷射光後，剝離層108會解離，而使半導體晶圓102與承載基板104之間產生空氣縫隙而自動剝離。如第1E圖所示，最後再將半導體晶圓102上方殘留物清洗乾淨，完成3D-IC的雷射剝離處理。

然而，一般用於半導體晶圓的雷射光為二極體激發式固態(Diode Pumped Solid-State，DPSS)短脈衝雷射，這類高分子雷射光的波長約在248至308奈米(nm)之間，其易與聚合物材料產生反應。如第2圖所示，顯示習知雷射剝離處理的晶圓疊層結構的剖面示意圖，在高分子雷射剝離處理時，多餘的雷射光會被接合層106吸收，導致在剝離層108下方的接合層106產生損壞，進而使剝離層108與接合層106之間的選擇性較差。

因此，存在一種需求設計適用於高分子雷射剝離處理的接合層106與剝離層108，讓雷射光不會造成接合層106的損壞，進而提高3D-IC的雷射剝離製程的良率。

為了解決上述有關的問題，本發明之主要目的在於提供一種用於雷射剝離處理之晶圓結構，此晶圓結構可以避免在雷射剝離處理時損壞接合層。

依據上述之目的，本發明提供一種用於雷射剝離處理之晶圓結構，包含一載板、一剝離層、一接合層與一半導體晶圓。並將剝離層設置於載板的其中一面。接合層設置於剝離層的其中一面且遠離載板。半導體晶圓設置於該接合層的其中一面且遠離剝離層。其中，以一波長在193nm至400nm之間的雷射光照射載板，且雷射光操作在剝離層具有一吸收長度，並使剝離層的厚度大於0.2倍的吸收長度且小於1倍的吸收長度。

為了解決上述有關的問題，本發明之另一主要目的在於提供一種具有特定材料之接合層與剝離層的晶圓結構，且根據特定的材料給予接合層與剝離層適當的厚度，進而防止接合層因受到雷射光而產生損壞，改善晶圓製程的良率。

依據上述之目的，本發明提供一種用於雷射剝離處理之晶圓結構，包含一載板、一剝離層、一接合層與一半導體晶圓。並將剝離層設置於載板的其中一面。接合層設置於剝離層的其中一面且遠離載板。半導體晶圓設置於該接合層的其中一面且遠離剝離層。其中，以一雷射光照射載板，且雷射光操作在剝離層具有一吸收長度。並使剝離層的厚度大於0.2倍的吸收長度且小於1倍的該吸收長度。另剝離層的一吸收功率介於10,000cm^-1至100,000cm^-1之間，而接合層的一吸收功率小於8,000cm^-1。

10‧‧‧疊層結構

102‧‧‧半導體晶圓

104‧‧‧承載基板

106‧‧‧接合層

108‧‧‧剝離層

302‧‧‧載板

304‧‧‧測試層

702‧‧‧載板

704‧‧‧剝離層

706‧‧‧接合層

708‧‧‧半導體晶圓

A‧‧‧第一測試層

B‧‧‧第二測試層

C‧‧‧第三測試層

DPSS‧‧‧二極體激發式固態短脈衝雷射

第1A至1E圖顯示在3D-IC的雷射剝離處理的示意圖；第2圖顯示習知雷射剝離處理的晶圓疊層結構的剖面示意圖；第3圖顯示本發明第一實施例之結構剖面圖；第4圖顯示透過干測儀量測三種不同材料的測試層的量測結果曲線圖；以及第5圖顯示本發明之第二實施例的結構示意圖。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。在圖中，結構相似的單元是以相同標號表示。

為了讓剝離層可以在雷射剝離處理下完全脫落，且接合層可以不會因為雷射光照射產生損壞，本發明的剝離層材料可選自聚碳酸脂(Polycarbonate、PC)、聚醯亞胺(Polyimide、Pl)、光敏電阻(Photoresistance)、碳基聚合物(Carbon based polymer)、聚異戊二烯橡膠(Polyisoprene rubber)、酚甲醛樹脂(Phenol-formaldehyde resin)、環氧樹脂(Epoxy resin)、碳基薄膜(Carbone base thin film)、石墨烯(Graphene)、氮化矽膜(SiN film)、矽膜(Si film)、氫化非晶矽膜(a-Si：H film)、微晶矽膜(μc-Si：H film)及上述任意組合之其中之一。而接合層材料可選自環氧樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate、PET)、環烯烴聚合物(Cyclo Olefin Polymer)、矽基聚合物、聚醯甲胺及上述任意組合之其中之一。

如第3圖所示，圖顯示本發明第一實施例之結構剖面圖。為了瞭解不同材料的剝離層或接合層在雷射光照射下可以達到本發明之防止損壞接合層的目的，藉由在一載板302上分別塗佈多種不同化學成分的一測試層304，以儀器來分析其特性。在此實施例中，載板302較佳為玻璃基板，且其厚度為0.7毫米(mm)。需注意的是，本實施例之測試層304可選擇以下三種材料進行分析，但不以此為限。舉例來說，第一種測試層A為聚異戊二烯橡膠，其厚度為0.5毫米(μm)，第二種測試層B為聚醯亞胺，其厚度為1.7μm，第三種測試層C為環氧樹脂，其厚度大於3μm。

並請配合參照下列表1，顯示三種不同材料的測試層透過分光儀(Spectroscope)測得的數據表。

如表1所示，第一種測試層A的透光率(Transmittance)為3.4%，吸收係數(α)為47000cm^-1，吸收長度為256nm。第二種測試層B的透光率為17.4%，吸收係數為35000cm^-1，吸收長度為286nm。第三種測試層C的透光率為4.5%，吸收係數為2892cm-1，吸收長度為3458nm。用於此實施例中的雷射光為二極體激發式固態短脈衝雷射DPSS，雷射波長較佳為355nm，功率為1至6瓦(W)，頻率為50KHz，脈衝寬度小於12奈秒(ns)。另外，透過白光干測儀(White Light Interferometers)來量測不同材料的測試層的燒蝕深度(Ablation depth)，透過燒蝕深度來判斷各測試層對雷射波長355nm的吸收能力，若吸收能力強可得到燒蝕深度較深，若吸收能力弱則得到的燒蝕深度較淺。

如第4圖所示，顯示透過干測儀量測三種不同材料的測試層的量測結果曲線圖，雷射光的工作範圍在50至250(mj/cm²)臨界能量密度(Power density)之間。根據測量結果，第一測試層A的臨界能量密度為40至50(mj/cm²)，燒蝕深度為145nm，吸收長度為256nm。第二測試層B的臨界能量密度為40至50(mj/cm²)，燒蝕深度為219.4nm，吸收長度為286nm。第三測試層C的臨界能量密度為140至150(mj/cm²)，燒蝕深度為26.2nm，吸收長度為3458nm。

並請配合參照下列表2，顯示三種不同材料的測試層量測結果的數據表。

根據上述測量的結果，第一測試層A與第二測試層B較佳適用於剝離層，而第三測試層C較佳適用於接合層。另外，由上述的測量結果，剝離層的臨界能量密度較佳在20至60(mj/cm²)之間，其塗佈的厚度較佳最小為50nm，大約為0.2倍的吸收長度，而塗佈厚度最大為250nm，其大約等於吸收長度。另外，剝離層的吸收係數在10,000至100,000cm^-1之間。接合層的臨界能量密度較佳係大於120(mj/cm²)，約為剝離層的1.5至7倍。而接合層的吸收係數小於8,000cm^-1。

如第5圖所示，顯示本發明之第二實施例的結構示意圖。此晶圓結構包括一載板702、一剝離層704、一接合層706及一半導體晶圓708。在本實施例中，載板702的材料可為一玻璃基板。剝離層704配置於載板702的其中一面，且剝離層704的材料可為一聚異戊二烯橡膠。接合層706配置於剝離層704的其中一面且遠離載板702，接合層706的材料可為環氧樹脂。半導體晶圓708配置於接合層706的其中一面且遠離剝離層704。上述各層的材料僅為一實施例說明，但不以此為限。

在本實施例中，剝離層704的厚度為280nm，接合層706的厚度為10μm。接著，在載板702上方應用一雷射光，在不同功率的雷射光照射下，可以發現都不會損壞接合層706，並請配合參照下列表3，顯示第二實施例的實驗結果表。

根據上述的實驗結果，雷射光並不會與接合層706所含的化學材質產生化學變化，而導致接合層706的損壞。另外，在此需要說明的是，在本實施例中的剝離層704的厚度不僅限於280nm，任何可以防止接合層706遭受到雷射光的破壞的剝離層704厚度都可適用於本發明中。本發明的雷射光的波長較佳為355nm，但在此並不侷限。另外，剝離層704的材料並非僅侷限於應用於聚異戊二烯橡膠，接合層706的材料不侷限於環氧樹脂。

是以，為了防止傳統上雷射剝離處理時雷射光穿透剝離層而破壞接合層，在本發明中設定雷射的波長的範圍介於193nm至400nm之間，其較佳的雷射波長範圍介於為248nm至360nm。令剝離層需要可以完全吸收雷射光，且剝離層的較佳厚度大於0.2倍的吸收長度並且小於1倍的吸收長度，其中，吸收長度為雷射光在剝離層上操作的波長。另外，剝離層的可接受雷射功率小於接合層，換句話說，接合層可接受的雷射功率為剝離層的 1.5至7倍。在雷射光的操作波長下，剝離層的較佳吸收功率(absorption coefficient)介於10,000cm^-1至100,000cm^-1之間，而接合層的較佳吸收功率小於8,000cm^-1。

綜上所述，本發明的設計，讓接合層與剝離層分別選定特定的材料，且根據特定的材料給予適當的厚度，可以防止接合層因受到雷射光而產生損壞，進而提升晶圓製程的良率。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為准。

Claims

一種用於雷射剝離處理之晶圓結構，其包含：一載板；一剝離層，配置於該載板的其中一面；一接合層，配置於該剝離層的其中一面且遠離該載板；以及一半導體晶圓，配置於該接合層的其中一面且遠離該剝離層；其中，以一雷射光照射該載板，該雷射光的光學波長範圍係介於193nm至400nm之間，該雷射光操作在該剝離層具有一吸收長度，該剝離層的厚度大於0.2倍的該吸收長度並且小於1倍的該吸收長度，該接合層可接受的雷射功率為該剝離層的1.5倍至7倍之間。
如請求項1所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該剝離層的材料可選自於聚碳酸脂、聚醯亞胺、光敏電阻、碳基聚合物、聚異戊二烯橡膠、酚甲醛樹脂、環氧樹脂、碳基薄膜、石墨烯、氮化矽膜、矽膜、氫化非晶矽膜、微晶矽膜及上述任意組合之其中之一。
如請求項1所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該接合層的材料可選自於環氧樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯、環烯烴聚合物、矽基聚合物、聚醯甲胺及上述任意組合之其中之一。
如請求項1所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該剝離層的一吸收功率介於10,000cm^-1至100,000cm^-1之間。
如請求項1所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該接合層的一吸收功率小於8,000cm^-1。
一種用於雷射剝離處理之晶圓結構，其包含：一載板；一剝離層，配置於該載板的其中一面；一接合層，配置於該剝離層的其中一面且遠離該載板；以及一半導體晶圓，配置於該接合層的其中一面且遠離該剝離層；其中，以一雷射光照射該載板，該雷射光操作在該剝離層具有一吸收長度，該剝離層的厚度大於0.2倍的該吸收長度並且小於1倍的該吸收長度，且該剝離層的一吸收功率介於10,000cm^-1至100,000cm^-1之間，該接合層的一吸收功率小於8,000cm^-1，該接合層可接受的雷射功率為該剝離層的1.5倍至7倍之間。
如請求項7所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該剝離層的材料可選自於聚碳酸脂、聚醯亞胺、光敏電阻、碳基聚合物、聚異戊二烯橡膠、酚甲醛樹脂、環氧樹脂(Epoxy resin)、碳基薄膜、石墨烯、氮化矽膜、矽膜、氫化非晶矽膜、微晶矽膜及上述任意組合之其中之一。
如請求項7所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該接合層的材料可選自於環氧樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯、環烯烴聚合物、矽基聚合物、聚醯甲胺及上述任意組合之其中之一。
如請求項7所述之用於雷射剝離處理之晶圓結構，其中該雷射光的光學波長範圍係介於193nm至400nm之間。