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作 者

張介元、胡衍雷、王方成、劉強、李金輝、黃明起、張國平、孫蓉

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機 構(gòu)

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院

深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院

中國科學技術(shù)大學

深圳市化訊半導體材料有限公司

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Citation

Zhang J Y, Hu Y L, Wang F C, Liu Q, Niu F F, Li J H, Huang M Q, Zhang G P, Sun R. 2025. Precise modulation of the debonding behaviours of ultra-thin wafers by laser-induced hot stamping effect and thermoelastic stress wave for advanced packaging of chips. Int. J. Extrem. Manuf.7015005.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8a26

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

先進封裝技術(shù)通過將超薄晶圓堆疊及短間距互聯(lián)的方式，提高芯片內(nèi)的信息傳輸帶寬，降低通訊延時，從而大幅提升芯片的集成度以及整體性能。近年來，半導體工藝節(jié)點發(fā)展受限，人工智能（AI）等行業(yè)對于高性能計算芯片（HPC）的需求加劇，推動了業(yè)內(nèi)對先進封裝技術(shù)的需求。隨著器件晶圓不斷朝著大尺寸、超薄化和三維集成化方向發(fā)展，臨時鍵合/解鍵合（TBDB）已成為先進封裝工藝中的關(guān)鍵一環(huán)。其中，激光解鍵合技術(shù)憑借非接觸、能量可控和操作靈活等優(yōu)點成為TBDB工藝的主流方案。通常情況下，鍵合對的激光解鍵合是通過高能量密度完全燒蝕釋放材料來實現(xiàn)層內(nèi)分離（R/R分離）。然而，這種R/R分離方法通常會導致大量釋放材料和碳屑殘留在器件晶圓表面，嚴重降低了芯片的良率和清洗效率。

近期，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院、深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院的張國平研究員、王方成助理研究員，和中國科學技術(shù)大學的胡衍雷教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《面向芯片先進封裝的利用激光誘導熱沖壓沖擊效應(yīng)和熱彈性應(yīng)力波精準調(diào)控超薄晶圓的解鍵合行為研究》，研究了激光誘導熱沖擊和熱彈性應(yīng)力波的耦合效應(yīng)對激光解鍵合行為的影響，提出了新型的釋放材料/粘結(jié)材料界面分離（R/A分離）的精準解鍵合方案，該方法具有通用性、可控性和高可靠性，不會在器件晶圓上殘留釋放材料和碳屑，有望在先進封裝領(lǐng)域的激光解鍵合工藝中實現(xiàn)應(yīng)用。圖1展示了該研究提出的晶圓鍵合對的界面分離解決方案。

關(guān)鍵詞

激光剝離行為；激光誘導熱沖壓效應(yīng)；熱彈性應(yīng)力波；先進封裝

亮點

• 激光誘導熱沖擊和熱彈性應(yīng)力波的協(xié)同效應(yīng)促進了R/A界面的精準分離。

• 無應(yīng)力R/A分離方法具有能耗低、無殘膠、無碳屑等優(yōu)點。

• R/A分離模式的工藝窗口的確定加快了激光剝離工藝的應(yīng)用。

• R/A 分離方法具有工業(yè)適用性、多功能性和高可靠性。

圖1熱沖擊與熱彈性應(yīng)力波耦合效應(yīng)與解鍵合效果的關(guān)系。

02

研究背景

TBDB是先進封裝技術(shù)中解決超薄晶圓加工過程中易翹曲、易破裂問題的關(guān)鍵一環(huán)。作為TBDB技術(shù)的主流方案，激光解鍵合工藝通常是在高能量密度下完全去除釋放層內(nèi)燒蝕區(qū)域的材料來實現(xiàn)鍵合對的分離（R/R分離）。然而，這種高能量R/R分離方法所產(chǎn)生的強光熱效應(yīng)會導致大量釋放材料和碳屑殘留在器件晶圓表面，嚴重影響晶圓清洗制程并影響芯片良率。在激光燒蝕區(qū)域，激光誘導的瞬態(tài)高溫高壓會在釋放層/粘合層界面產(chǎn)生熱沖擊效應(yīng)，這會增強釋放層與粘結(jié)層界面的鍵合強度。此外，激光誘導沖擊效應(yīng)會導致釋放材料層內(nèi)發(fā)生熱膨脹，這種快速體積變化會觸發(fā)熱彈性應(yīng)力波。根據(jù)傳播方向的不同，熱彈性應(yīng)力波可分為橫波、縱波和界面波。值得一提的是，界面波在沿多層材料界面?zhèn)鞑r能夠削弱界面鍵合強度。因此，利用激光誘導熱彈性應(yīng)力波來克服熱沖擊效應(yīng)和界面結(jié)合力，有望實現(xiàn)晶圓鍵合對在釋放層/粘結(jié)層界面的精準分離（R/A分離）。

03

最新進展

為了解決R/R分離所面臨的難題，本文提出了一種基于激光誘導熱沖擊效應(yīng)和熱彈性應(yīng)力波耦合的R/A界面精準分離策略。這種方法不會導致器件晶圓表面存在殘膠和碳屑，表現(xiàn)出很強的工業(yè)適應(yīng)性，有力地促進了高端芯片先進封裝的應(yīng)用和發(fā)展。

如圖2所示，激光解鍵合過程中使用紫外納秒級激光作為光源，激光束透過玻璃輻照在釋放材料層，使其迅速發(fā)生燒蝕分解。在解鍵合過程中，激光誘導瞬時高溫與氣體沖擊能夠產(chǎn)生熱沖擊效應(yīng)，這會促使粘結(jié)材料變形以及界面鍵合。與此同時，激光燒蝕釋放材料快速膨脹觸發(fā)的應(yīng)力波被稱為激光誘導熱彈性應(yīng)力波，這有助于多層材料的界面發(fā)生分離。

圖2激光解鍵合技術(shù)的原理圖和兩種分離模型：（a）激光誘導熱沖擊和熱彈性應(yīng)力波的示意圖；（b）R/R分離；（c）R/A分離。

如圖3所示，通過結(jié)合理論和實驗結(jié)果得到了激光誘導熱沖擊效應(yīng)及熱彈性應(yīng)力波的強度關(guān)系圖。激光解鍵合的剝離行為是由粘結(jié)強度、熱沖擊效應(yīng)和熱彈性應(yīng)力波之間的相對關(guān)系決定的。通過優(yōu)化臨時鍵合材料性能以及激光參數(shù)才能實現(xiàn)晶圓鍵合對的R/A界面精準分離。

圖3不同激光能量下晶圓鍵合分離的模型：（a）不同能量密度下的熱沖擊效應(yīng)強度和熱彈性應(yīng)力波與晶圓鍵合對分離行為間的關(guān)系示意圖；（b-e）晶圓鍵合對的不同分離行為：（b）區(qū)間（1）；（c）R/A分離；（d）區(qū)間（2）；（e）R/R分離。

如圖4所示，在R/R分離模式下，晶圓鍵合對在釋放材料層內(nèi)的燒蝕界面發(fā)生分離，分離界面兩側(cè)都暴露著許多碳屑。而在R/A分離模式下，器件晶圓側(cè)沒有觀察到明顯的釋放材料殘留物和碳屑。在激光解鍵合過程中，激光誘導熱沖擊效應(yīng)在粘結(jié)層上留下了與光斑形狀一致的條紋凹陷。

圖4不同分離模式下玻璃與晶圓的光學顯微圖片：（a）R/R分離后的玻璃表面；（b）R/R分離后的晶圓表面；（c）R/A分離后的玻璃表面；（c）R/A分離后的晶圓表面。

文章進一步對比分析了R/R和R/A分離界面的微觀形貌圖，如圖5所示。與R/R分離效果相比，R/A界面分離后的玻璃側(cè)表面平整無殘留物。這是因為在R/A界面分離的條件下，激光燒蝕產(chǎn)生的碳屑封存在釋放材料層內(nèi)的燒蝕空腔中，從而不會導致碳屑暴露出來污染器件晶圓。

圖5（a-c）激光解鍵合后玻璃側(cè)的原子力顯微鏡圖：（a）激光燒蝕前；（b）R/A分離后；(c) R/R分離后；(d-f) 激光解鍵合后玻璃側(cè)的截面掃描電子顯微鏡圖：（d）激光燒蝕前；（e）R/A分離后；（f）R/R分離后；（g-i）激光解鍵合后晶圓上粘結(jié)材料的截面掃描電子顯微鏡圖像：（g）激光燒蝕前；（h）R/A分離；（i）R/R分離。

為了驗證R/A界面分離法能夠用于超薄器件晶圓的解鍵合，作者對8寸鍵合對的器件晶圓減薄至100 μm后進行解鍵合。如圖6所示，在R/A分離過程中，激光誘導熱彈性應(yīng)力波沒有對超薄晶圓造成任何損傷，且器件晶圓表面非常干凈。此外，激光誘導熱彈性應(yīng)力波也降低了粘結(jié)層與器件晶圓界面的粘結(jié)力，這使得粘結(jié)層可輕易從器件晶圓上剝離，大幅提高了粘結(jié)材料的清洗效率。

圖6R/A分離后的8寸超薄硅晶圓的實物：（a）附著在超薄晶圓上的粘結(jié)材料層表面幾乎沒有碳屑；（b）粘結(jié)材料可以從超薄晶圓上揭下來；（c,d）用螺旋測微計測量厚度的照片：（c）背面減薄后的臨時鍵合對和（d）粘結(jié)材料剝離后的超薄硅晶圓。

04

未來展望

為了進一步發(fā)揮激光誘導熱彈性應(yīng)力波的主導作用，需要開發(fā)高性能的新型臨時鍵合材料以擴大R/A分離方法的工藝窗口。探究激光解鍵合過程的瞬態(tài)過程，以及不同臨時鍵合材料對激光誘導熱彈性應(yīng)力波和熱沖擊效應(yīng)的影響規(guī)律。此外，仍需要對臨時鍵合材料的堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，拓展多種臨時鍵合對的應(yīng)用場景，推動激光解鍵合技術(shù)在高端芯片先進封裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

05

作者簡介

張國平

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院

深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院

張國平，研究員，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院材料所副所長、深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院副院長、集成電路材料全國重點實驗室副主任、博士生導師、IEEE高級會員、國家級高層次人才、廣東省特支計劃領(lǐng)軍人才、中科院青促會會員、深圳市海外高層次人才。長期從事集成電路先進封裝材料領(lǐng)域研究工作，先后承擔參與國家自然科學基金、中國科學院先導項目、廣東省創(chuàng)新科研團隊、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、深圳市科技計劃、企業(yè)橫向合作等各類項目共10余項。發(fā)表SCI和EI收錄論文共115篇，累計被引2695次，H因子29，同時申請國家發(fā)明專利50余件（其中國外專利2件、PCT專利四件），獲得授權(quán)中國專利30余件。自主研發(fā)的紫外激光解鍵合材料成功實現(xiàn)國產(chǎn)化規(guī)模應(yīng)用，榮獲深圳市科技進步二等獎。

王方成

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院

深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院

王方成于2019年在西安交通大學獲得博士學位，2019年至 2021年在清華大學從事博士后研究工作。現(xiàn)任中國科學院深圳先進技術(shù)研究院、深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院助理研究員，并獲得深圳市“鵬城優(yōu)才”等榮譽稱號。先后主持國家自然科學基金青年基金項目、中國博士后科學基金面上項目、廣東省自然科學基金面上項目等。主要研究方向為光與物質(zhì)相互作用機理、光控解鍵合技術(shù)在先進封裝中的應(yīng)用。近五年以一作/通訊作者在《Adv. Mater.》《Angew. Chem. Int. Ed.》等著名刊物上發(fā)表SCI/EI論文20余篇，并申請發(fā)明專利10余項。受邀擔任《Nano-Micro Lett.》等著名期刊審稿人。

致謝

感謝深圳市化訊半導體材料有限公司（Samcien Semiconductor Materials Co.,Ltd）（簡稱“化訊半導體”）為本工作提供的臨時鍵合材料樣品以及工藝討論。深圳市化訊半導體材料有限公司于2016年由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化成立，專注于高端半導體材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。公司聚焦集成電路先進封裝、功率器件、新型顯示等三大戰(zhàn)略新興領(lǐng)域，致力于為客戶提供關(guān)鍵材料及系統(tǒng)解決方案。

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2024

關(guān)于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數(shù)據(jù)庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領(lǐng)軍期刊。

期刊網(wǎng)址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿:作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關(guān)利超

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