虛擬實境(VR),以及自動駕駛汽車、人工智慧(AI)等承諾所帶來的資料爆炸,已經將半導體產業的重心從摩爾定律(Moore’s Law)轉移到異質整合和先進的高密度封裝。晶圓級封裝(Wafer-level packaging,WLP)已發展到能夠實現系統級封裝(Wafer-level packaging,SiP)整合。隨著晶粒面積縮小、所需輸入/輸出(I/O)的頻寬和數量不斷增加,創造出以創新的先進封裝設計來維持高頻寬的需求,並在晶片、封裝和板級管理更高的I/O數量。

過去封裝產業一直依賴覆晶製程來處理大多數的WLP應用。在過去幾年已經開發許多新式WLP來達到更高密度的應用,其包括多種形式的扇出型晶圓級封裝(fan-out WLP,FOWLP)、扇入型晶圓級晶片尺寸封裝(fan-in wafer-level chip-scale packaging,FI-WLCSP)、3D FOWLP、2.5D整合中介層技術,以及使用矽穿孔(TSV)互連的真實3D IC整合。

許多WLP技術涉及在製程期間必須以機械支撐薄晶圓處理,而載體輔助晶圓處理已被證明為處理薄元件基板的可靠方法。此法以聚合物材料(在薄化和其他處理期間控制結構的整體穩定性)將元件晶圓暫時地接合到剛性載具基板上。

暫時接合製程

暫時接合製程包括用多層聚合物接合材料系統將元件晶圓可逆地安裝到載體基板上。接合材料和載體基板在減薄和隨後的晶背處理期間機械地支撐元件晶圓。由於主要接合材料及其輔助層控制接合和脫黏特性,以及結構在製程中的穩定性,因此必須仔細設計以承受熱循環產生的高應力、熱膨脹係數(CTE)不匹配,以及其他一系列因素,而在製程結束時仍然維持容易分開。

暫時接合技術已經被應用在各種大批量製造環境中,用於透過諸如沉積、乾燥法和濕潤法蝕刻、電鍍、清潔等標準的晶圓製程技術來處理超薄晶片。圖1顯示了暫時接合和載體輔助薄晶片處理的一般處理過程流程。隨著產業向更大的異質整合、更大的封裝基板(如面板)、甚至更薄的晶粒和封裝尺寸發展,新的處理挑戰不斷出現。因此,暫時接合解決方案和晶圓支援系統必須跟上這些挑戰,以滿足產業日益增長的需求。

20180515NT01P1 圖1 薄晶圓處理流程的一般示意圖。

晶圓支撐系統和暫時接合技術面臨的主要挑戰

包括FOWLP、功率元件、微機電系統(MEMS)、2.5D和3D IC,以及複合半導體在內的許多半導體產業區隔,其皆採用暫時接合技術來處理超薄晶圓。雖然這些裝置區隔中的每一個都代表了暫時接合中的一系列特有挑戰,但也存在共同的挑戰,正如表1總結所解釋的那樣。

20180515NT01P1-1 表1 暫時接合材料在各個市場區隔的關鍵挑戰。

FOWLP技術

市場研究公司Yole Développement預測,FOWLP設備市場總額將從2017年的2億美元翻倍至2018年的近4億美元。FOWLP技術的一個版本採用涉及晶圓重建製程的晶片優先方法,在該過程中,揀出來自原始元件晶圓的已知合格晶粒,並將其置放在基板上,然後用環氧樹脂模塑料進行包覆成型並固化以形成異質基板,被稱為重構晶圓。接下來,重構晶圓會暫時接合至載體,以進一步進行處理並在晶圓的一或兩側上製成重分佈層(redisbrtibution layer,RDL)。然後,接合的晶圓通常經過電介質沉積、金屬化和光蝕刻法製程,以從晶粒區域扇出到晶粒周圍之環氧樹脂成型區域的互連。最後,重構晶圓經過正常的晶圓級碰撞和切割製程。

重構晶圓中的晶粒主要由CTE為2~3ppm/℃的矽製成,而包覆成型化合物的CTE為7~8ppm/℃。根據晶粒尺寸和密度的不同,異質基板的有效CTE將介於這個寬廣範圍內。矽晶粒和環氧樹脂模塑料的固有CTE不匹配產生高殘餘應力和基板的顯著彎曲,必須滿足幾個設計規定和限制,以盡量減少這個彎曲。

FOWLP封裝正在變得越來越薄,以滿足市場的需求,而300mm重構晶圓越來越薄,需要一個晶圓支撐系統來處理。FOWLP封裝從單晶粒FOWLP轉向雙面RDL,堆疊式封裝(PoP)和SiP FOWLP架構也是如此,圖2顯示了FOWLP的封裝類型和基板尺寸的演進。

20180515NT01P2 圖 2 FOWLP封裝類型和面板尺寸的演進。

目前的大批量生產是基於200mm和300mm的重構晶圓,並且預計由於資本生產率和材料效率,大面板扇出可能具有大於30%的成本降低潛力。這些較大的面板和較薄的封裝尺寸具有顯著內部應力,導致基板彎曲和翹曲。將面板大小的基板暫時接合到諸如玻璃板的載體基板,其將成為處理薄大面積面板的優選路線,儘管最終將尋求用於大面積基板的接合和剝離的簡化製程。

功率元件

功率元件如絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)和金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)製造涉及的薄化至遠小於100μm ,以實現更好的散熱和更高的功率密度。這些厚度下,由於結構中的高固有應力,元件晶圓容易翹曲,而且,與其中活躍元件在元件晶圓的正面上,並且在暫時接合之前完成製造的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)元件晶圓不同,在IGBT和MOSFET設備中,晶圓需要在晶圓的背面上進行離子注入和摻雜劑活化,以在暫時接合和晶背薄化後的產生背側漏接觸。這種摻雜劑活化步驟需要高達350~400℃的溫度,因此暫時接合材料需要經受如此高的溫度而不分解,並且必須保持可溶解以用於之後的清洗。圖3描繪了用於功率元件製造的簡化的薄晶圓處理流程,要讓暫時接合材料成功地經受400℃處理,這是非常困難的挑戰。幸運的是,一些具有超高溫(UHT)能力的商業化平台在目前的技術領域試驗中產生了令人鼓舞的結果。

20180515NT01P3 圖3 在功率元件製造過程中薄晶圓處理的簡化示意圖。

2.5D和3D IC整合

薄晶圓處理和暫時接合是目前用於2.5D中介層製造和DRAM 3D堆疊的成熟製程。對於中介層的製造,元件晶圓通常暫時接合到支撐晶圓上,並薄化到所需的厚度以暴露出TSV作為構建晶背互連的第一步。相應地,暫時接合材料必須能夠承受介電和金屬沉積所需的高真空條件和高達250℃的溫度,在與載體分離之後,殘留在元件晶圓上的接合材料必須完全地移除,並能利用溶劑容易地除去。對於尺寸高達300mm的晶圓來說,元件晶圓的厚度通常要薄化到小於50μm,接合材料必須達成後接合總厚度變化(TTV)小於5%,以為了TSV均勻地顯露在晶圓上,它還必須在整個晶背製程中穩定元件晶圓以防止破裂和邊緣碎裂。由於2.5D和3D元件通常具有高達85μm的焊點凸塊,所以為了成功地處理,暫時接合材料厚度必須大約為100μm。像所有先進封裝領域一樣,2.5D和3D IC元件製造對於擁有成本,吞吐量和產量都非常敏感。

複合半導體(III-V)和MEMS元件

在III-V市場中各式各樣的元件基板,常見的基板是砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN),以及在矽或藍寶石上外延生長組合物的複合物。基板尺寸從2~8英吋不等,取決於最終產品和現有的用在不同晶圓尺寸上生長外延層的能力。大多數這些基板中是脆性的,薄化至150μm以下時非常容易破裂,並且部分表現出高殘餘應力,其可能導致翹曲,使得載體支撐系統成為必需。雖然蠟或膠帶是暫時接合的傳統選擇,現在也在使用聚合物接合材料系統,以承受在III-V基板的薄化和下游加工製程中所遇到的較高應力和溫度。

薄MEMS元件晶圓可能受限於相同的脆弱性,並且MEMS封裝通常需要非常高溫的製程步驟,例如密封或長時間暴露於高能反應離子蝕刻。相關業者正在開發的新專屬設計聚合物接合材料系統,在這些苛刻的條件下提供穩定的暫時接合。

暫時接合材料

表2中的資訊代表了暫時接合材料的分類,其可用於或正在開發以用於不同的應用。其中一些平台已經用於大批量生產,而另一些平台則是商業化前和開發材料,目前正在進行先進應用方面的實測和客戶評估。

20180515NT01P3-1 表2 暫時接合材料的分類。

從更高層面看來,很明顯地業界現正朝向以更高溫處理更薄、更高應力且更大面積的基板與面板前進。一直以來,對暫時接合材料的期望正朝著以更低的溫度和更少的心力來進行更簡化的接合和剝離過程,以提高產量和處理量並降低製程的擁有成本,因此,我們看到暫時接合材料和製程發展路線圖的動態變化。

如表2所示,暫時接合材料可以根據其最大製程中使用溫度大致分類。根據經驗,有三種主要的使用溫度範圍:高溫(HT,175~225℃)、甚高溫(VHT,226~350℃)和超高溫(351~400℃+)。在這些分類中,可以選擇特定的產品以適應不同的接合和剝離方法、工具設計和其他處理過程流程要求,目前,大多數平台已經被開發,用於使用雷射輔助脫離或機械(剝離型)脫離的室溫剝離。

圖4顯示了在溫度從50~300℃的情況下,三種接合材料平台的熔體黏度對溫度的曲線圖。在200℃下,材料B的熔體黏度是材料A熔體黏度的約15倍。在給定溫度下的熔體黏度能指示接合材料可以處理的應力而不分層、排空或變形的量,基於熔體黏度特性和其他物理參數(如黏合強度),可以針對應力範圍從低至高不同的暫時接合應用來選擇和最佳化材料平台。圖5顯示與表2中列出的超高溫材料平台結合晶圓對的掃描聲學顯微影像,即使在400℃熱處理1小時之後,該接合的配對完全保留完好,在材料接合線中沒有發生缺陷。

20180515NT01P4 圖4 三個暫時接合平台的熔體黏度性質的比較。

20180515NT01P5 圖5 掃描超高溫材料的聲學顯微影像:(a)後接合;和(b)在400℃暴露1小時後。

暫時接合材料的未來

市場持續地推動技術的發展,以更低的成本創造出體積更小、速度更快、整合度更高的元件,元件製造商和先進封裝製造商正使用所有設計和製程工具來滿足這一需求。暫時接合技術對於持續的進展至關重要,Brewer Science的接合材料和製程開發路線圖已經預見到產業日益增長的需求,事實上,它正在引導客戶採用更具成本效益和更可靠的薄基板處理技術。

舉例而言,來自Brewer Science的新材料正在商業化,將可實現甚至低、甚至是室溫的剝離。這已經轉化成為烘烤和接合製程時間的減少。結合臨時晶圓接合製程早期步驟的進展與低至室溫的機械式或雷射剝離,可以達到每小時接近50個晶圓的高晶圓處理量,這些先進但簡化的接合和剝離方法也適用於面板加工。同時,熱塑性接合材料平台的不斷改進正在減少清潔時間和溶劑消耗。最後,熱塑性和熱固性接合材料的獨特組合正在被用來建立一個真正能夠在350℃或更高溫度下工作的超高溫平台。