（原标题：晶圆切割，正在被改变）
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来源：内容编译自etnews。
SK海力士正在改变其晶圆切割工艺，以适应下一代存储器制造。随着第六代高带宽存储器（HBM4）和400层及以上NAND闪存晶圆的薄化，现有工艺已达到极限。
据业内人士9日透露，SK海力士计划在HBM4晶圆切割中引入飞秒开槽和全切割工艺。为此，已确认正在与激光设备合作伙伴共同探索新的晶圆切割设备联合评估项目（JEP）。目前，该公司已与部分合作伙伴开展技术测试。一位知情人士表示：“SK海力士计划对现有的晶圆切割方法进行重大改变”，并且“正在与合作伙伴讨论多项技术解决方案”。SK海
力士一直以来都使用机械切割（刀片）或隐形切割技术来切割晶圆。机械切割是指用金刚石砂轮切割晶圆，而隐形切割是指在晶圆内部制造裂缝以将其分离。
隐形切割是将半导体电路切割成单个芯片（die）的主流技术，但随着高端半导体晶圆厚度的不断减小，该技术也变得越来越难。晶圆厚度在100微米（?）左右时，主要采用机械切割；晶圆厚度在50微米左右时，则采用隐形切割。然而，SK海力士正在准备的HBM4晶圆厚度更薄，约为20~30微米。
一位业内人士表示：“如果采用与晶圆厚度不匹配的切割方法，晶圆上很容易产生异物或产生微裂纹”，“这可能会对半导体的良率产生负面影响。”
因此，SK海力士计划转向飞秒激光开槽和全切割方法。飞秒激光可产生“1/1000万亿分之一秒”的超短激光脉冲，以减少缺陷并实现非常精确的晶圆切割。该公司提出了预先挖掘待切割区域（开槽）或用激光一次性将其完全分离（全切割）的方法。SK
海力士计划将此方法不仅应用于HBM4，还应用于400层或更高层的NAND。从400层NAND开始，存储数据的“单元”区域和驱动电路的“外围”区域将在不同的晶圆上实现，并且晶圆必须足够薄才能粘合在一起。
随着SK海力士开始转向晶圆切割工艺，飞秒激光技术在半导体行业的普及预计将加速。此前，台积电、美光和三星电子均已推出用于切割先进半导体晶圆的飞秒激光器。SK
海力士表示，“正在考虑各种工艺转换方案，但尚未做出任何决定”。
薄晶圆加工的兴起
从平面 SoC 到 3D-IC 和先进封装的转变需要更薄的晶圆，以提高性能并降低功耗，从而减少信号需要传输的距离和驱动信号所需的能量。
市场对超薄晶圆的需求正在增长。一个包含12个DRAM芯片和一个基础逻辑芯片的HBM模块的总厚度仍然小于一块优质硅晶圆。薄晶圆在扇出型晶圆级封装以及用于人工智能应用的先进2.5D和3D封装的组装中也发挥着关键作用，而这些应用的增长速度远超主流集成电路。再加上业界对轻薄手机、可穿戴设备和医疗电子产品的需求，如果没有可靠的薄硅晶圆加工能力，现代微电子技术似乎不可能实现。
薄硅通孔 (TSV) 的 Reveal 工艺是一种需要背面处理的经典工艺。“任何堆叠器件几乎都必然需要硅通孔，”安靠科技 (Amkor Technology ) 先进 3D 技术总监 Rick Reed 表示。“在当前许多应用中引入硅通孔需要非常可控的减薄工艺，而且由于几乎总是需要进行背面处理，因此该工艺必然需要临时键合和解键合工艺。”
任何晶圆减薄工艺的第一步都是确定目标。“如果硅片中存在我们称之为盲硅通孔（Blind TSV）的缺陷，而你又不了解晶圆中所有 TSV 的深度范围，那么就有可能磨到其中一些缺陷，”Reed 解释说。“由于铜在硅片中扩散速度很快，会导致漏电。而且铜还会污染砂轮，导致后续晶圆上的铜会扩散到砂轮上。”
在薄型器件晶圆的减薄和加工过程中，需要做出几个关键决策。哪种临时粘接剂与工艺流程最兼容？它能否在包括CMP和高温沉积在内的各种工艺中将薄晶圆固定到位，并在加工后干净地去除？哪种载体晶圆最适合该应用，硅晶圆还是玻璃晶圆？在几种领先的脱键工艺中，哪种工艺能够在加工后以合理的成本最好地去除粘接剂？
尽管载体晶圆（也称为处理晶圆）非常安全，但超薄晶圆却易碎易碎。这使得它们容易受到损坏，包括在减薄过程中以及在后续高温工艺（例如等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)）中出现微崩裂和开裂。在超薄晶圆进行光刻图案化、PECVD、回流、切割和脱键合（载体去除）的过程中，损坏是影响良率的最大威胁。此外，由于晶圆之间的翘曲和/或空隙形成，还可能引发其他问题。
Suss 产品经理 Thomas Rapps 表示：“说到良率和晶圆减薄，一切都取决于晶圆边缘减薄工艺的控制。分层不仅可能发生在研磨过程中，也可能发生在热处理过程中。此外，如果器件晶圆存在内部应力，它很容易翘曲。因此，翘曲或两片晶圆之间的某种空隙可能会导致分层，虽然这些空隙可以通过检查发现，但最终会导致晶圆开裂。”
晶圆边缘在斜面处呈圆形，但减薄后轮廓会发生变化。“所以，如果你研磨器件晶圆，通常会得到一个非常锋利的尖端，理想情况下基本上只有一个原子那么大，”Rapps 说。“它非常脆弱。边缘崩裂意味着部分边缘会裂开，甚至可能引发贯穿整个晶圆的裂纹。因此，为了防止这种情况发生，通常会进行边缘修整，这也需要用到砂轮。你会在晶圆边缘切出一个台阶，这个台阶的深度至少要与最终的晶圆厚度一样。”
除了管理关键的良率问题外，芯片制造商还在寻求针对其特定器件类型的定制解决方案，而设备可靠性是首要要求。“器件复杂性的应用正变得越来越具体，” Lam Research产品营销总监 Ian Latchford 表示。“客户追求精准度，并且希望每次都能获得可重复的工艺流程。他们不需要通用的解决方案，而是希望每次都能以相同的方式工作，并保持高生产率。”
为了满足这些需求，业界正在完善减薄步骤、粘合剂和去除化学品以及临时键合和脱键合工艺（见图1）。粘合剂通常为有机热固性或热塑性材料，旋涂在载体晶圆上，而更薄的脱键合材料通常旋涂在器件晶圆上。键合在真空热压 (TCB) 或通过紫外线照射进行。载体晶圆为器件晶圆的减薄和加工提供了基础，直到去除化学品参与脱键合工艺。
硅与玻璃载体晶圆
业界同时使用玻璃和硅载体晶圆。玻璃成为广泛使用的载体晶圆的原因之一是，其热膨胀系数 (CTE) 可以设计得接近硅，从而确保与堆叠中的其他材料兼容。例如，硼硅酸盐玻璃的 CTE 接近硅的 CTE，在很宽的温度范围内稳定，并且能够穿透其表面的红外 (IR) 或紫外 (UV) 激光，从而激活脱粘释放层。
Brewer Science业务开发工程师 Hamed Gholami Derami 表示：“对于机械脱键和红外激光脱键，可以根据工艺要求使用硅或玻璃载体。但对于紫外激光和光子脱键，必须使用玻璃载体。”
硅载体晶圆的吸引力部分源于硅与所有晶圆加工工具和静电吸盘的兼容性。硅的热膨胀系数 (CTE) 与硅器件的热膨胀系数 (CTE) 完全匹配。硅的最后一个优势是，与玻璃晶圆相比，它能够以更低的成本实现更低的 TTV（总厚度变化）。
EV Group 业务发展总监 Thomas Uhrmann 表示：“如果比较相同质量的玻璃和硅载体（即相同的 TTV），你会发现成本几乎相差两倍。”
临时键合的工作原理：
当将一个晶圆临时堆叠在另一个晶圆上时，工程师通常使用载体晶圆、“胶水”或临时键合粘合剂，以及一层便于加工后移除的脱模层。在少数情况下，单层粘合剂即可完成这两项任务。重要的是，键合和脱模机制协同作用，确保在加工材料从载体上剥离后能够干净地移除。
衡量粘合剂是否优质的标准有很多。它既能在低温下粘合，又能承受高温加工。它必须通过旋涂均匀地沉积在300毫米的表面上，同时还要实现较高的粘合均匀性。
EV 集团执行技术总监 Paul Lindner 表示：“理想的粘合剂应能够在低温下粘合，并在整个背面加工和减薄过程中保持粘合。它应该能够承受极高的温度，而不会降低或改变其性能。我们希望实现低压力、室温下的脱模，这样就不会产生额外的热预算。此外，粘合剂应具有非常好的厚度均匀性，这首先取决于涂层的均匀性，其次取决于粘合的均匀性，因为任何厚度的不均匀性都会转化为产品工艺中背面研磨的不均匀性，而这通常很难在背面研磨中得到补偿。”
但适用于一种应用的方法未必适用于另一种应用。“主要问题是，基本上没有一种解决方案可以适用于所有可能的流程，而材料选择的最重要标准是温度稳定性，”Suss 的 Rapps 说道。“在下游工艺中，从临时键合到解键合，最高温度是多少？许多材料可以达到 250°C，这是因为如果进行回流焊，通常不需要高于这个温度。但只有少数材料可以达到 350°C。”
旋涂工艺提供了一定程度的工艺灵活性。“通过旋涂，你可以将材料抹平，以便嵌入某些特征，例如稍后需要焊接的微凸块，”Rapps 说道。“因此，粘合剂具有双重功能——既可以作为粘合剂，又可以抹平嵌入特征，这些特征可能具有非常低或非常高的形貌。因此，在旋涂之后，我们会烘烤晶圆，然后进行键合。通常需要对材料进行固化以稳定键合，但这实际上取决于具体的材料解决方案。”
晶圆减薄的优先事项
接下来，晶圆将逐步减薄。减薄至远低于 100μm 需要研磨、CMP 和蚀刻工艺之间的微妙平衡，以满足 TTV 的严格规范。TTV 指的是晶圆上最厚和最薄测量值之间的差值。对于硅片而言，TTV 通常使用激光干涉仪在晶圆上的数百个点上进行测量，而 TTV 是大批量生产中必须在晶圆间和批次间保持的质量指标。
晶圆减薄有点像打磨木材。首先进行粗磨，然后使用越来越细的砂纸打磨，以获得最光滑的最终效果。对于晶圆而言，每个步骤都能提高晶圆间的均匀性并降低TTV。
“最粗略的方法是晶圆研磨步骤，最终厚度变化在几微米范围内，”Scia Systems 产品和技术总监 Matthias Nestler 解释道。“CMP 步骤比晶圆研磨更精确，可以达到几百纳米的变化。接下来，通过等离子蚀刻，可以达到 10 到 100 纳米。或者以离子束蚀刻作为最后一步，在最佳情况下，我们可以将晶圆修整 20 倍，因此 250 纳米的变化可以缩小到 25 纳米，我们甚至可以使用两步修整工艺，并在中间进行测量，从而获得更好的效果。”
鉴于总厚度变化的重要性，工程师们热衷于量化减薄和加工过程中的变化来源。“我们使用玻璃载体来显示硅通孔 (TSV)，但即使是你能买到的最好的玻璃，整个晶圆的 TTV 也只有大约 1 微米，”Amkor 的 Reed 说道。“然后，当我们在上面涂上粘合剂时，这又会增加几微米的变化。尽管我们的研磨工艺非常均匀，但仍然会引入大约 2 微米的 TTV。”
干法蚀刻也会引入变化，这种变化可能呈放射状分布。“所以，当你把这些变化加起来时，大约有5微米的变化，”Reed说。“我们针对TSV reveal的六西格玛工艺非常稳健，它通过精心设置并在一开始就了解TSV的深度变化来处理这些变化源。”
确保精确的 TSV 揭示过程的技巧包括：
绘制由博世蚀刻在硅中确定的 TSV 深度；
均匀旋涂粘接胶及脱模层，烘烤、固化、粘接；
使用粗磨、中磨和细磨将硅背磨至距离 TSV 底部 10 微米以内，达到镜面效果；
通过粗、中、细平坦化进行CMP；
利用等离子蚀刻露出 TSV；
沉积氮化硅薄膜作为抛光停止层；
将厚厚的二氧化硅沉积到 TSV 顶部，并且CMP 回来露出 TSV。
“砂轮上的功能可以在研磨过程中自动反馈硅的厚度，而类似的自适应 CMP 工艺可以更成功、最大限度地减薄硅，”里德说。
另一个需要密切监测的参数是温度。“我们现在正在原位控制CMP工艺的温度，这对CMP工艺总体而言有很多好处，”Axus Technology首席执行官Dan Trojan说道。“主要的温度限制因素是抛光垫（由聚氨酯制成）的玻璃化转变温度。当超过该温度时，聚合物会从液体变为固体，摩擦力会大大增加，很快就会出现问题。因此，我们找到了一种无需稀释抛光液即可冷却抛光垫表面的方法，这也有助于提高去除率。我们还使用多区域膜载体，在晶圆上局部施加不同的压力，而不是只施加单一压力。”
目前最常见的硅中介层 TSV 架构或许是直径 11 微米、深度 110 微米的 TSV，其中阻挡金属层和氧化绝缘层占该直径的 1 微米。尽管制造例如 5 微米深度 55 微米的 TSV 的能力已得到证实，但目前业界似乎仍在坚持使用更厚、更昂贵的 100 微米硅中介层。
管理背面和边缘缺陷
工程师在薄晶圆工艺中面临的最常见问题是防止缺陷或微裂纹，尤其是在晶圆边缘。
在晶圆边缘进行的选择性等离子蚀刻有助于去除边缘缺陷，而选择性化学气相沉积 (CVD) 则可以钝化边缘。“在 3D 封装领域，堆叠晶圆结构需要某种材料来填充边缘的空隙，”Lam Research 的 Latchford 说道。“由于 CMP 工艺的衰减，导致晶圆边缘出现空隙，器件制造商在边缘轮廓方面存在很多问题。然后，他们不得不减薄器件晶圆，最终可能导致边缘开裂，从而严重影响良率。因此，我们实际上在这里放置了微米级的二氧化硅薄膜，以填补键合晶圆流应用中的空隙。”
等离子蚀刻或离子束蚀刻工艺还可消除 CMP 过程中产生的任何缺陷，例如表面下的划痕、所谓的凹坑（硅晶格中的凹痕）和污点。
寻找正确的释放方法
对于脱粘，紫外和红外激光烧蚀以及光子脱粘已成为领先的机械分离机制，因为它们与大型薄晶圆格式（300 毫米晶圆，50μm 厚）兼容，并且可以在分离晶圆时对设备造成的损坏相对于热滑动和化学浸没方法最小（见图 2）。
热滑动脱键采用低熔点聚合物（称为热塑性塑料），加热后会流动，从而促进滑动和分离。遗憾的是，该方法与金属的物理气相沉积 (PVD) 或电介质的等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 等热工艺不兼容，这些热工艺会产生强大的晶圆应力，并可能导致晶圆破损。由于其他竞争性脱键方法在室温下进行，因此热滑动脱键还会使器件承受过高的热暴露。尽管如此，热滑动脱键仍是一种低成本方法，对于尺寸较小且稍厚的基板来说仍然是一种有效的选择。
化学溶解的原理是将键合对浸入溶剂中，而穿孔载体晶圆可以帮助加快这一过程。高溶剂消耗和低产量阻碍了化学解键合的广泛应用。
Brewer 的 Derami 表示：“较早的封装中使用化学脱键材料，依靠化学浴来脱键晶圆。热滑动材料后来被引入，目前仍用于某些工艺，但在可处理的最小晶圆厚度、热预算和产量方面存在局限性。另一方面，使用机械脱键，我们可以处理更薄的晶圆，同时应力水平更低，脱键更容易，并且热预算更佳，适用于高温应用。最近，激光脱键材料提供了最大的灵活性。它们可以处理更薄的晶圆，具有更高的产量，并且几乎零力脱键。”
光子脱键是一种相对较新的脱键方法，它使用脉冲宽带光源，利用吸光层作为无机金属脱键层，对临时键合的晶圆对进行脱键。光子脱键的优势之一是，与激光烧蚀方法相比，其成本更低、生产速度更快，并且对焦距到脱键层距离变化的耐受性更高。这使得它能够兼容存在一定程度翘曲或弯曲的键合对。对于基板厚度减薄至 20μm 以下，且下游工艺温度极高且粘附性和 TTV 控制至关重要的应用，光子脱键可能是首选的脱键方法。
机械脱键（又称机械剥离）是使用插入晶圆对之间的刀片，以物理方式将它们分离。这种方法需要能够承受一定物理应力的器件晶圆。
激光烧蚀使用紫外激光（254、308 或 355nm）或红外激光（1064nm），并结合与该波长匹配的脱模层，其工作原理是吸收照明能量，发生化学变化并最终分离。它是最快的脱键方法，每小时可处理约 20 至 30 片晶圆，且对晶圆的应力很小。然而，可能需要使用屏蔽层来减少激光声波对器件的损害。对于基板厚度减薄至 20μm 以下，且下游工艺温度极高，且粘附性和 TTV 控制至关重要的应用，激光脱键是首选的脱键方法。
“有时，系统的瓶颈并非实际的脱粘步骤，而是脱粘后粘合剂的去除，”EVG 的 Lindner 说道。“这个湿法处理步骤会溶解粘合剂，因此如果粘合剂残留在载体上，则可以在其他地方将其去除并进行处理。但如果粘合剂残留在产品上，通常需要多个清洁模块并行工作，以匹配脱粘模块的吞吐量。”
近年来，EVG 开发了一种纳米切割方法，用无机层取代有机粘合剂。这种硅中的无机层可承受更高的温度（>900°C），因此可与所有前端工艺兼容。该公司预计该方法不仅可用于先进封装，还可用于前端层堆叠应用。
随着需要临时键合和解键合工艺的架构变得越来越普遍，业界对载体（尤其是硅载体晶圆）的回收需求日益强烈。这又带来了一系列挑战。
Suss 的 Rapps 表示：“如果使用某些化学物质，它们也可能与载体材料接触并对其进行蚀刻，从而导致其性能随时间推移而下降。但通常情况下，为了优化高性能和高价值设备的成本，载体最多可使用 10 次。”
结论
晶圆减薄、临时键合、薄晶圆加工和解键合方法正成为2.5D和3D封装、晶圆堆叠以及晶圆级扇出型封装中必不可少的工艺步骤。芯片制造商正在与供应商密切合作，选择合适的粘合剂、离型材料、键合机、解键合方法、研磨、化学机械抛光 (CMP)、蚀刻和清洁工艺，以高良率和可靠性生产厚度小于50μm的超薄器件。这需要热稳定性、机械稳定性以及对晶圆边缘的关注，所有这些都是降低潜在缺陷并提高这些关键薄晶圆工艺良率所必需的。
https://semiengineering.com/the-rise-of-thin-wafer-processing/
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