《Applied Nursing Research》：Controlled interfacial debonding based on laser induced deformation-impact coupling effect for advanced packaging
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基于粘接层渗透性的激光变形-冲击耦合解粘技术，实现无残留选择性分离界面，建立解粘模型，提升高温有机硅粘合剂在先进封装中的应用。
马成豪|王芳城|刘慧娟|刘强|戴文雪|黄明琦|张国平|孙荣
中国科学院深圳先进技术研究院深圳先进电子材料研究所，中国深圳 518055
摘要
激光剥离技术凭借其非接触、能量可控和高效率的独特优势，已成为晶圆级先进封装中临时粘接和剥离过程的主流解决方案。然而，在激光剥离过程中实现堆叠结构中界面 的可控选择性分离仍然是一个重大挑战。本文基于粘合层的渗透性，提出了一种无需清洗的新工艺，该工艺利用激光诱导的变形-冲击耦合效应在粘合层/器件层（A/D）界面实现选择性分离。在激光诱导的变形-冲击剥离（LDID）过程中，聚焦激光束穿过释放材料层中的玻璃，产生大量气体副产物，巨大的冲击效应使气体选择性地聚集在粘合力最弱的界面处，从而触发A/D界面的快速分离。LDID工艺表现出优异的特性，如无残留物、无碳屑、高产量和高生产效率。此外，系统研究了LDID的瞬态动力学过程、界面粘合强度对剥离效果的影响规律以及激光剥离过程中的能量耗散机制，并建立了用于粘合对分离的LDID模型。LDID方法具有通用性、可控性和高可靠性，有望促进耐高温有机硅粘合剂在高端芯片先进晶圆级封装中的工业应用。
引言
人工智能[1,2]、大数据[3]、物联网和可穿戴设备的快速发展极大地推动了高端芯片行业[4,5]的需求。随着摩尔定律的放缓甚至失效[6,7]，以及芯片工艺节点达到7纳米以下[8]，先进封装成为提高系统性能的重要途径[9,10]。为了实现晶圆级封装的更高密度集成[11]，硅晶圆的厚度已从数百微米减少到数十微米[12,13]。由于硅晶圆在变薄后机械性能显著下降，它们在夹持、转移等过程中容易发生破裂、变形等问题[14,15]。为了解决这一问题，半导体领域出现了临时粘接/剥离（TBDB）工艺[16,17]。目前，剥离工艺主要包括机械剥离[18,19]、化学剥离[20]、热滑移剥离[21,22]和激光剥离[23,24]。其中，激光剥离技术因其非接触、能量可控[25,26]、应用灵活、环保[27]以及与后续半导体工艺的兼容性[28,29]等优点，逐渐成为TBDB工艺的主流解决方案。
在TBDB过程中，临时粘接材料（包括释放层和粘合层）需要承受整个芯片制造过程中的严苛条件[30]，这些条件包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）中的高温处理（>300°C）[31]、高真空（<1 Pa）以及化学试剂的腐蚀[32,33]。为了提高粘合材料的耐温性，通常使用热固性聚合物材料作为粘合剂。在激光剥离过程中，粘接对的堆叠结构通常设计为“玻璃层-粘合层-释放层-器件晶圆（GARD）”，以避免剥离后强酸性清洗剂对器件晶圆的严重腐蚀。然而，这种堆叠结构设计带来了以下三个问题：1）激光剥离后器件表面存在大量残留粘合剂和碳屑[34]；2）较薄的释放层无法完全覆盖具有深沟或微凸点的器件晶圆；3）由于器件晶圆靠近释放层，容易受到激光诱导冲击的损伤。在“玻璃晶圆-释放层-粘合层-器件晶圆（GRAD）”的堆叠结构下，实现选择性界面的可控分离仍然具有挑战性，因为激光通常在释放层的内层界面进行剥离。在器件晶圆清洗过程中，与热固性粘合材料匹配的强酸清洗剂不可避免地会对器件层造成腐蚀。
本文提出了一种基于渗透性热固性粘合材料的激光诱导变形-冲击耦合效应的无清洗策略，用于实现器件层与粘合层界面的选择性分离。在激光剥离过程中，大量气体副产物迅速从释放材料中逸出，在粘接对内部产生瞬态高压冲击效应，使气体选择性地积聚在粘合层与器件晶圆（A/D）之间的薄弱界面处，从而触发A/D界面的快速分离。在GRAD堆叠结构中，激光诱导的变形-冲击剥离（LDID）工艺能够实现超薄器件晶片的清洁剥离，无残留粘合剂和碳屑。此外，低模量、高粘弹性的粘合层降低了激光诱导冲击效应直接损坏晶圆的风险。系统研究了激光诱导气体扩散的瞬态行为、粘合层对激光诱导冲击波的缓冲作用以及能量耗散机制，并建立了GRAD粘接对分离的激光诱导气体冲击剥离模型。所提出的LDID方法具有通用性、可控性和可靠性，有望为高端芯片先进封装中耐高温热固性粘合剂的应用提供技术支持。
章节片段
晶圆粘接对的堆叠结构设计
图1展示了临时粘接/激光剥离过程的主要流程。首先，在8英寸玻璃晶圆上旋涂了聚酰亚胺基释放材料（深圳Samcien半导体材料有限公司）。旋涂后的玻璃晶圆分别加热至70°C持续2分钟和220°C持续10分钟，以蒸发释放层中的溶剂并完成热固化过程。然后使用热固性粘合材料（深圳Samcien半导体材料有限公司）
结果与讨论
在激光剥离过程中，激光束穿透玻璃载体后，其能量被释放层选择性吸收。吸收的激光能量以以下四种形式耗散：（1）由于化学键断裂和重组而产生的化学能变化[35]；（2）由于材料局部升温而产生的热能释放[36]；（3）由于电离效应产生的等离子体激发；以及（4）由于应力波传播而产生的机械能传递[37]。
结论
在这项工作中，我们提出了一种基于粘合层渗透性的LDID技术的无清洗策略，用于实现A/D界面的选择性剥离。与传统R/R分离方法相比，该方法不仅解决了热固性粘合材料的清洗问题，还使器件晶圆表面无残留粘合剂和碳化碎屑污染。此外，该方法还能实现晶圆粘接对的选择性分离。
CRediT作者贡献声明
马成豪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化处理，验证，方法论，数据分析，概念化。王芳城：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，研究工作，资金获取。刘慧娟：可视化处理，验证，软件开发。刘强：监督，资源调配，项目管理，方法论。戴文雪：验证，研究工作，数据分析。黄明琦：资源调配。张国平：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢广东省自然科学基金（2024A1515010123）、国家自然科学基金（62574139, 62174170）、中国科学院的战略重点研究计划（XDB0670000）、深圳市科技计划（KJZD20230923114708018, KJZD20230923114710022）的财政支持。
