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來源：內(nèi)容編譯自etnews。

SK海力士正在改變其晶圓切割工藝，以適應(yīng)下一代存儲器制造。隨著第六代高帶寬存儲器（HBM4）和400層及以上NAND閃存晶圓的薄化，現(xiàn)有工藝已達(dá)到極限。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士9日透露，SK海力士計劃在HBM4晶圓切割中引入飛秒開槽和全切割工藝。為此，已確認(rèn)正在與激光設(shè)備合作伙伴共同探索新的晶圓切割設(shè)備聯(lián)合評估項目（JEP）。目前，該公司已與部分合作伙伴開展技術(shù)測試。一位知情人士表示：“SK海力士計劃對現(xiàn)有的晶圓切割方法進(jìn)行重大改變”，并且“正在與合作伙伴討論多項技術(shù)解決方案”。SK海

力士一直以來都使用機械切割（刀片）或隱形切割技術(shù)來切割晶圓。機械切割是指用金剛石砂輪切割晶圓，而隱形切割是指在晶圓內(nèi)部制造裂縫以將其分離。

隱形切割是將半導(dǎo)體電路切割成單個芯片（die）的主流技術(shù)，但隨著高端半導(dǎo)體晶圓厚度的不斷減小，該技術(shù)也變得越來越難。晶圓厚度在100微米（?）左右時，主要采用機械切割；晶圓厚度在50微米左右時，則采用隱形切割。然而，SK海力士正在準(zhǔn)備的HBM4晶圓厚度更薄，約為20~30微米。

一位業(yè)內(nèi)人士表示：“如果采用與晶圓厚度不匹配的切割方法，晶圓上很容易產(chǎn)生異物或產(chǎn)生微裂紋”，“這可能會對半導(dǎo)體的良率產(chǎn)生負(fù)面影響。”

因此，SK海力士計劃轉(zhuǎn)向飛秒激光開槽和全切割方法。飛秒激光可產(chǎn)生“1/1000萬億分之一秒”的超短激光脈沖，以減少缺陷并實現(xiàn)非常精確的晶圓切割。該公司提出了預(yù)先挖掘待切割區(qū)域（開槽）或用激光一次性將其完全分離（全切割）的方法。SK

海力士計劃將此方法不僅應(yīng)用于HBM4，還應(yīng)用于400層或更高層的NAND。從400層NAND開始，存儲數(shù)據(jù)的“單元”區(qū)域和驅(qū)動電路的“外圍”區(qū)域?qū)⒃诓煌木A上實現(xiàn)，并且晶圓必須足夠薄才能粘合在一起。

隨著SK海力士開始轉(zhuǎn)向晶圓切割工藝，飛秒激光技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的普及預(yù)計將加速。此前，臺積電、美光和三星電子均已推出用于切割先進(jìn)半導(dǎo)體晶圓的飛秒激光器。SK

海力士表示，“正在考慮各種工藝轉(zhuǎn)換方案，但尚未做出任何決定”。

薄晶圓加工的興起

從平面 SoC 到 3D-IC 和先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變需要更薄的晶圓，以提高性能并降低功耗，從而減少信號需要傳輸?shù)木嚯x和驅(qū)動信號所需的能量。

市場對超薄晶圓的需求正在增長。一個包含12個DRAM芯片和一個基礎(chǔ)邏輯芯片的HBM模塊的總厚度仍然小于一塊優(yōu)質(zhì)硅晶圓。薄晶圓在扇出型晶圓級封裝以及用于人工智能應(yīng)用的先進(jìn)2.5D和3D封裝的組裝中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而這些應(yīng)用的增長速度遠(yuǎn)超主流集成電路。再加上業(yè)界對輕薄手機、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療電子產(chǎn)品的需求，如果沒有可靠的薄硅晶圓加工能力，現(xiàn)代微電子技術(shù)似乎不可能實現(xiàn)。

薄硅通孔 (TSV) 的 Reveal 工藝是一種需要背面處理的經(jīng)典工藝。“任何堆疊器件幾乎都必然需要硅通孔，”安靠科技 (Amkor Technology ) 先進(jìn) 3D 技術(shù)總監(jiān) Rick Reed 表示。“在當(dāng)前許多應(yīng)用中引入硅通孔需要非常可控的減薄工藝，而且由于幾乎總是需要進(jìn)行背面處理，因此該工藝必然需要臨時鍵合和解鍵合工藝。”

任何晶圓減薄工藝的第一步都是確定目標(biāo)。“如果硅片中存在我們稱之為盲硅通孔（Blind TSV）的缺陷，而你又不了解晶圓中所有 TSV 的深度范圍，那么就有可能磨到其中一些缺陷，”Reed 解釋說。“由于銅在硅片中擴散速度很快，會導(dǎo)致漏電。而且銅還會污染砂輪，導(dǎo)致后續(xù)晶圓上的銅會擴散到砂輪上。”

在薄型器件晶圓的減薄和加工過程中，需要做出幾個關(guān)鍵決策。哪種臨時粘接劑與工藝流程最兼容？它能否在包括CMP和高溫沉積在內(nèi)的各種工藝中將薄晶圓固定到位，并在加工后干凈地去除？哪種載體晶圓最適合該應(yīng)用，硅晶圓還是玻璃晶圓？在幾種領(lǐng)先的脫鍵工藝中，哪種工藝能夠在加工后以合理的成本最好地去除粘接劑？

盡管載體晶圓（也稱為處理晶圓）非常安全，但超薄晶圓卻易碎易碎。這使得它們?nèi)菀资艿綋p壞，包括在減薄過程中以及在后續(xù)高溫工藝（例如等離子體增強化學(xué)氣相沉積 (PECVD)）中出現(xiàn)微崩裂和開裂。在超薄晶圓進(jìn)行光刻圖案化、PECVD、回流、切割和脫鍵合（載體去除）的過程中，損壞是影響良率的最大威脅。此外，由于晶圓之間的翹曲和/或空隙形成，還可能引發(fā)其他問題。

Suss 產(chǎn)品經(jīng)理 Thomas Rapps 表示：“說到良率和晶圓減薄，一切都取決于晶圓邊緣減薄工藝的控制。分層不僅可能發(fā)生在研磨過程中，也可能發(fā)生在熱處理過程中。此外，如果器件晶圓存在內(nèi)部應(yīng)力，它很容易翹曲。因此，翹曲或兩片晶圓之間的某種空隙可能會導(dǎo)致分層，雖然這些空隙可以通過檢查發(fā)現(xiàn)，但最終會導(dǎo)致晶圓開裂。”

晶圓邊緣在斜面處呈圓形，但減薄后輪廓會發(fā)生變化。“所以，如果你研磨器件晶圓，通常會得到一個非常鋒利的尖端，理想情況下基本上只有一個原子那么大，”Rapps 說。“它非常脆弱。邊緣崩裂意味著部分邊緣會裂開，甚至可能引發(fā)貫穿整個晶圓的裂紋。因此，為了防止這種情況發(fā)生，通常會進(jìn)行邊緣修整，這也需要用到砂輪。你會在晶圓邊緣切出一個臺階，這個臺階的深度至少要與最終的晶圓厚度一樣。”

除了管理關(guān)鍵的良率問題外，芯片制造商還在尋求針對其特定器件類型的定制解決方案，而設(shè)備可靠性是首要要求。“器件復(fù)雜性的應(yīng)用正變得越來越具體，” Lam Research產(chǎn)品營銷總監(jiān) Ian Latchford 表示。“客戶追求精準(zhǔn)度，并且希望每次都能獲得可重復(fù)的工藝流程。他們不需要通用的解決方案，而是希望每次都能以相同的方式工作，并保持高生產(chǎn)率。”

為了滿足這些需求，業(yè)界正在完善減薄步驟、粘合劑和去除化學(xué)品以及臨時鍵合和脫鍵合工藝（見圖1）。粘合劑通常為有機熱固性或熱塑性材料，旋涂在載體晶圓上，而更薄的脫鍵合材料通常旋涂在器件晶圓上。鍵合在真空熱壓 (TCB) 或通過紫外線照射進(jìn)行。載體晶圓為器件晶圓的減薄和加工提供了基礎(chǔ)，直到去除化學(xué)品參與脫鍵合工藝。

硅與玻璃載體晶圓

業(yè)界同時使用玻璃和硅載體晶圓。玻璃成為廣泛使用的載體晶圓的原因之一是，其熱膨脹系數(shù) (CTE) 可以設(shè)計得接近硅，從而確保與堆疊中的其他材料兼容。例如，硼硅酸鹽玻璃的 CTE 接近硅的 CTE，在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，并且能夠穿透其表面的紅外 (IR) 或紫外 (UV) 激光，從而激活脫粘釋放層。

Brewer Science業(yè)務(wù)開發(fā)工程師 Hamed Gholami Derami 表示：“對于機械脫鍵和紅外激光脫鍵，可以根據(jù)工藝要求使用硅或玻璃載體。但對于紫外激光和光子脫鍵，必須使用玻璃載體。”

硅載體晶圓的吸引力部分源于硅與所有晶圓加工工具和靜電吸盤的兼容性。硅的熱膨脹系數(shù) (CTE) 與硅器件的熱膨脹系數(shù) (CTE) 完全匹配。硅的最后一個優(yōu)勢是，與玻璃晶圓相比，它能夠以更低的成本實現(xiàn)更低的 TTV（總厚度變化）。

EV Group 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Thomas Uhrmann 表示：“如果比較相同質(zhì)量的玻璃和硅載體（即相同的 TTV），你會發(fā)現(xiàn)成本幾乎相差兩倍。”

臨時鍵合的工作原理：

當(dāng)將一個晶圓臨時堆疊在另一個晶圓上時，工程師通常使用載體晶圓、“膠水”或臨時鍵合粘合劑，以及一層便于加工后移除的脫模層。在少數(shù)情況下，單層粘合劑即可完成這兩項任務(wù)。重要的是，鍵合和脫模機制協(xié)同作用，確保在加工材料從載體上剝離后能夠干凈地移除。

衡量粘合劑是否優(yōu)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)有很多。它既能在低溫下粘合，又能承受高溫加工。它必須通過旋涂均勻地沉積在300毫米的表面上，同時還要實現(xiàn)較高的粘合均勻性。

EV 集團(tuán)執(zhí)行技術(shù)總監(jiān) Paul Lindner 表示：“理想的粘合劑應(yīng)能夠在低溫下粘合，并在整個背面加工和減薄過程中保持粘合。它應(yīng)該能夠承受極高的溫度，而不會降低或改變其性能。我們希望實現(xiàn)低壓力、室溫下的脫模，這樣就不會產(chǎn)生額外的熱預(yù)算。此外，粘合劑應(yīng)具有非常好的厚度均勻性，這首先取決于涂層的均勻性，其次取決于粘合的均勻性，因為任何厚度的不均勻性都會轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品工藝中背面研磨的不均勻性，而這通常很難在背面研磨中得到補償。”

但適用于一種應(yīng)用的方法未必適用于另一種應(yīng)用。“主要問題是，基本上沒有一種解決方案可以適用于所有可能的流程，而材料選擇的最重要標(biāo)準(zhǔn)是溫度穩(wěn)定性，”Suss 的 Rapps 說道。“在下游工藝中，從臨時鍵合到解鍵合，最高溫度是多少？許多材料可以達(dá)到 250°C，這是因為如果進(jìn)行回流焊，通常不需要高于這個溫度。但只有少數(shù)材料可以達(dá)到 350°C。”

旋涂工藝提供了一定程度的工藝靈活性。“通過旋涂，你可以將材料抹平，以便嵌入某些特征，例如稍后需要焊接的微凸塊，”Rapps 說道。“因此，粘合劑具有雙重功能——既可以作為粘合劑，又可以抹平嵌入特征，這些特征可能具有非常低或非常高的形貌。因此，在旋涂之后，我們會烘烤晶圓，然后進(jìn)行鍵合。通常需要對材料進(jìn)行固化以穩(wěn)定鍵合，但這實際上取決于具體的材料解決方案。”

晶圓減薄的優(yōu)先事項

接下來，晶圓將逐步減薄。減薄至遠(yuǎn)低于 100μm 需要研磨、CMP 和蝕刻工藝之間的微妙平衡，以滿足 TTV 的嚴(yán)格規(guī)范。TTV 指的是晶圓上最厚和最薄測量值之間的差值。對于硅片而言，TTV 通常使用激光干涉儀在晶圓上的數(shù)百個點上進(jìn)行測量，而 TTV 是大批量生產(chǎn)中必須在晶圓間和批次間保持的質(zhì)量指標(biāo)。

晶圓減薄有點像打磨木材。首先進(jìn)行粗磨，然后使用越來越細(xì)的砂紙打磨，以獲得最光滑的最終效果。對于晶圓而言，每個步驟都能提高晶圓間的均勻性并降低TTV。

“最粗略的方法是晶圓研磨步驟，最終厚度變化在幾微米范圍內(nèi)，”Scia Systems 產(chǎn)品和技術(shù)總監(jiān) Matthias Nestler 解釋道。“CMP 步驟比晶圓研磨更精確，可以達(dá)到幾百納米的變化。接下來，通過等離子蝕刻，可以達(dá)到 10 到 100 納米。或者以離子束蝕刻作為最后一步，在最佳情況下，我們可以將晶圓修整 20 倍，因此 250 納米的變化可以縮小到 25 納米，我們甚至可以使用兩步修整工藝，并在中間進(jìn)行測量，從而獲得更好的效果。”

鑒于總厚度變化的重要性，工程師們熱衷于量化減薄和加工過程中的變化來源。“我們使用玻璃載體來顯示硅通孔 (TSV)，但即使是你能買到的最好的玻璃，整個晶圓的 TTV 也只有大約 1 微米，”Amkor 的 Reed 說道。“然后，當(dāng)我們在上面涂上粘合劑時，這又會增加幾微米的變化。盡管我們的研磨工藝非常均勻，但仍然會引入大約 2 微米的 TTV。”

干法蝕刻也會引入變化，這種變化可能呈放射狀分布。“所以，當(dāng)你把這些變化加起來時，大約有5微米的變化，”Reed說。“我們針對TSV reveal的六西格瑪工藝非常穩(wěn)健，它通過精心設(shè)置并在一開始就了解TSV的深度變化來處理這些變化源。”

確保精確的 TSV 揭示過程的技巧包括：

• 繪制由博世蝕刻在硅中確定的 TSV 深度；

• 均勻旋涂粘接膠及脫模層，烘烤、固化、粘接；

• 使用粗磨、中磨和細(xì)磨將硅背磨至距離 TSV 底部 10 微米以內(nèi)，達(dá)到鏡面效果；

• 通過粗、中、細(xì)平坦化進(jìn)行CMP；

• 利用等離子蝕刻露出 TSV；

• 沉積氮化硅薄膜作為拋光停止層；

• 將厚厚的二氧化硅沉積到 TSV 頂部，并且CMP 回來露出 TSV。

“砂輪上的功能可以在研磨過程中自動反饋硅的厚度，而類似的自適應(yīng) CMP 工藝可以更成功、最大限度地減薄硅，”里德說。

另一個需要密切監(jiān)測的參數(shù)是溫度。“我們現(xiàn)在正在原位控制CMP工藝的溫度，這對CMP工藝總體而言有很多好處，”Axus Technology首席執(zhí)行官Dan Trojan說道。“主要的溫度限制因素是拋光墊（由聚氨酯制成）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)超過該溫度時，聚合物會從液體變?yōu)楣腆w，摩擦力會大大增加，很快就會出現(xiàn)問題。因此，我們找到了一種無需稀釋拋光液即可冷卻拋光墊表面的方法，這也有助于提高去除率。我們還使用多區(qū)域膜載體，在晶圓上局部施加不同的壓力，而不是只施加單一壓力。”

目前最常見的硅中介層 TSV 架構(gòu)或許是直徑 11 微米、深度 110 微米的 TSV，其中阻擋金屬層和氧化絕緣層占該直徑的 1 微米。盡管制造例如 5 微米深度 55 微米的 TSV 的能力已得到證實，但目前業(yè)界似乎仍在堅持使用更厚、更昂貴的 100 微米硅中介層。

管理背面和邊緣缺陷

工程師在薄晶圓工藝中面臨的最常見問題是防止缺陷或微裂紋，尤其是在晶圓邊緣。

在晶圓邊緣進(jìn)行的選擇性等離子蝕刻有助于去除邊緣缺陷，而選擇性化學(xué)氣相沉積 (CVD) 則可以鈍化邊緣。“在 3D 封裝領(lǐng)域，堆疊晶圓結(jié)構(gòu)需要某種材料來填充邊緣的空隙，”Lam Research 的 Latchford 說道。“由于 CMP 工藝的衰減，導(dǎo)致晶圓邊緣出現(xiàn)空隙，器件制造商在邊緣輪廓方面存在很多問題。然后，他們不得不減薄器件晶圓，最終可能導(dǎo)致邊緣開裂，從而嚴(yán)重影響良率。因此，我們實際上在這里放置了微米級的二氧化硅薄膜，以填補鍵合晶圓流應(yīng)用中的空隙。”

等離子蝕刻或離子束蝕刻工藝還可消除 CMP 過程中產(chǎn)生的任何缺陷，例如表面下的劃痕、所謂的凹坑（硅晶格中的凹痕）和污點。

尋找正確的釋放方法

對于脫粘，紫外和紅外激光燒蝕以及光子脫粘已成為領(lǐng)先的機械分離機制，因為它們與大型薄晶圓格式（300 毫米晶圓，50μm 厚）兼容，并且可以在分離晶圓時對設(shè)備造成的損壞相對于熱滑動和化學(xué)浸沒方法最小（見圖 2）。

熱滑動脫鍵采用低熔點聚合物（稱為熱塑性塑料），加熱后會流動，從而促進(jìn)滑動和分離。遺憾的是，該方法與金屬的物理氣相沉積 (PVD) 或電介質(zhì)的等離子體增強化學(xué)氣相沉積 (PECVD) 等熱工藝不兼容，這些熱工藝會產(chǎn)生強大的晶圓應(yīng)力，并可能導(dǎo)致晶圓破損。由于其他競爭性脫鍵方法在室溫下進(jìn)行，因此熱滑動脫鍵還會使器件承受過高的熱暴露。盡管如此，熱滑動脫鍵仍是一種低成本方法，對于尺寸較小且稍厚的基板來說仍然是一種有效的選擇。

化學(xué)溶解的原理是將鍵合對浸入溶劑中，而穿孔載體晶圓可以幫助加快這一過程。高溶劑消耗和低產(chǎn)量阻礙了化學(xué)解鍵合的廣泛應(yīng)用。

Brewer 的 Derami 表示：“較早的封裝中使用化學(xué)脫鍵材料，依靠化學(xué)浴來脫鍵晶圓。熱滑動材料后來被引入，目前仍用于某些工藝，但在可處理的最小晶圓厚度、熱預(yù)算和產(chǎn)量方面存在局限性。另一方面，使用機械脫鍵，我們可以處理更薄的晶圓，同時應(yīng)力水平更低，脫鍵更容易，并且熱預(yù)算更佳，適用于高溫應(yīng)用。最近，激光脫鍵材料提供了最大的靈活性。它們可以處理更薄的晶圓，具有更高的產(chǎn)量，并且?guī)缀趿懔γ撴I。”

光子脫鍵是一種相對較新的脫鍵方法，它使用脈沖寬帶光源，利用吸光層作為無機金屬脫鍵層，對臨時鍵合的晶圓對進(jìn)行脫鍵。光子脫鍵的優(yōu)勢之一是，與激光燒蝕方法相比，其成本更低、生產(chǎn)速度更快，并且對焦距到脫鍵層距離變化的耐受性更高。這使得它能夠兼容存在一定程度翹曲或彎曲的鍵合對。對于基板厚度減薄至 20μm 以下，且下游工藝溫度極高且粘附性和 TTV 控制至關(guān)重要的應(yīng)用，光子脫鍵可能是首選的脫鍵方法。

機械脫鍵（又稱機械剝離）是使用插入晶圓對之間的刀片，以物理方式將它們分離。這種方法需要能夠承受一定物理應(yīng)力的器件晶圓。

激光燒蝕使用紫外激光（254、308 或 355nm）或紅外激光（1064nm），并結(jié)合與該波長匹配的脫模層，其工作原理是吸收照明能量，發(fā)生化學(xué)變化并最終分離。它是最快的脫鍵方法，每小時可處理約 20 至 30 片晶圓，且對晶圓的應(yīng)力很小。然而，可能需要使用屏蔽層來減少激光聲波對器件的損害。對于基板厚度減薄至 20μm 以下，且下游工藝溫度極高，且粘附性和 TTV 控制至關(guān)重要的應(yīng)用，激光脫鍵是首選的脫鍵方法。

“有時，系統(tǒng)的瓶頸并非實際的脫粘步驟，而是脫粘后粘合劑的去除，”EVG 的 Lindner 說道。“這個濕法處理步驟會溶解粘合劑，因此如果粘合劑殘留在載體上，則可以在其他地方將其去除并進(jìn)行處理。但如果粘合劑殘留在產(chǎn)品上，通常需要多個清潔模塊并行工作，以匹配脫粘模塊的吞吐量。”

近年來，EVG 開發(fā)了一種納米切割方法，用無機層取代有機粘合劑。這種硅中的無機層可承受更高的溫度（>900°C），因此可與所有前端工藝兼容。該公司預(yù)計該方法不僅可用于先進(jìn)封裝，還可用于前端層堆疊應(yīng)用。

隨著需要臨時鍵合和解鍵合工藝的架構(gòu)變得越來越普遍，業(yè)界對載體（尤其是硅載體晶圓）的回收需求日益強烈。這又帶來了一系列挑戰(zhàn)。

Suss 的 Rapps 表示：“如果使用某些化學(xué)物質(zhì)，它們也可能與載體材料接觸并對其進(jìn)行蝕刻，從而導(dǎo)致其性能隨時間推移而下降。但通常情況下，為了優(yōu)化高性能和高價值設(shè)備的成本，載體最多可使用 10 次。”

結(jié)論

晶圓減薄、臨時鍵合、薄晶圓加工和解鍵合方法正成為2.5D和3D封裝、晶圓堆疊以及晶圓級扇出型封裝中必不可少的工藝步驟。芯片制造商正在與供應(yīng)商密切合作，選擇合適的粘合劑、離型材料、鍵合機、解鍵合方法、研磨、化學(xué)機械拋光 (CMP)、蝕刻和清潔工藝，以高良率和可靠性生產(chǎn)厚度小于50μm的超薄器件。這需要熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性以及對晶圓邊緣的關(guān)注，所有這些都是降低潛在缺陷并提高這些關(guān)鍵薄晶圓工藝良率所必需的。

https://semiengineering.com/the-rise-of-thin-wafer-processing/

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今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4093期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

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