《Optics & Laser Technology》：Laser-induced gas-assisted debonding in advanced packaging applications
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激光解粘技术通过气体扩散辅助实现界面选择性分离，优化了粘接层强度、杨氏模量和厚度参数的激光工艺参数组合，提出多低能量密度扫描方法，在保证解粘效果的同时减少对器件层的冲击损伤。
赵文博|曾亚林|王芳成|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
临时粘接技术在器件晶圆减薄以及后续处理和重新配置过程中至关重要。激光剥离是一种广泛应用于先进封装的技术，因为它具有室温操作、无需机械力和非接触式加工的优点。目前，激光剥离工艺主要采用点扫描方式对整个晶圆进行剥离。然而，这种仅依赖激光烧蚀的界面分离方法存在激光泄漏、难以清除的碳残留物和效率低等风险。本文提出了一种新型的激光诱导气体辅助剥离（LIGD）工艺，以实现选择性界面分离。我们研究了粘合层的粘接强度、杨氏模量、厚度以及激光工艺参数对界面气体扩散的影响。结果表明，粘接强度低、杨氏模量高且厚度薄的粘合层更有利于通过激光诱导的气体冲击实现剥离。与高能量密度的单次扫描相比，低能量密度的多次扫描不仅可以实现无应力剥离，还能降低激光诱导冲击波对器件层造成的损伤风险。LIGD方法为开发临时粘接材料和改进激光剥离工艺提供了指导。
引言
随着移动互联网、人工智能和物联网的快速发展，对集成电路的性能、功耗和尺寸的要求也在不断提高[1],[2]。在后摩尔时代，随着晶体管工艺节点接近物理极限[3]，诸如晶圆级封装（WLP）、面板级封装（PLP）、系统级封装（SiP）以及2.5D/3D封装等先进封装技术因其低成本、紧凑尺寸和高传输速率而成为有利的解决方案。这些技术是超越摩尔定律并提升系统性能的关键途径[4],[5],[6],[7],[8],[9]。为了减小芯片封装体积并提高集成密度和热性能[10]，必须通过化学机械抛光（CMP）将器件晶圆减薄至100 μm以下。然而，减薄后的超大尺寸超薄晶圆由于机械性能减弱，容易发生翘曲、弯曲甚至断裂[11],[12]。临时粘接和剥离（TBDB）技术是确保超薄器件晶圆机械完整性的核心工艺，在整个制造过程中提供关键的支持和保护[13],[14],[15]。目前主流的剥离技术包括热滑移剥离、机械剥离、化学剥离和激光剥离。其中，激光剥离因其非接触式操作、室温加工、可控的能量水平以及良好的工艺兼容性而成为TBDB工艺的主流解决方案[16],[17],[18],[19],[20]。
在紫外激光剥离过程中，激光束穿过透明载体后几乎完全被剥离材料层吸收[21]。紫外激光不仅直接破坏剥离材料中的化学键，导致烧蚀和分解，还会产生瞬时的高温和高压。目前，激光剥离工艺主要采用点扫描方式对整个晶圆进行剥离。然而，这种高能量激光全表面烧蚀方法存在激光泄漏、残留碳难以清除和效率低等风险[22],[23]。值得注意的是，激光在粘接界面层引起的气体扩散有助于剥离层与粘合层的分离[24],[25]。因此，通过匹配材料的物理化学性质与激光参数，激光诱导的气体冲击有望实现晶圆粘接对的剥离。
本文提出了一种新型的激光诱导气体辅助剥离（LIGD）工艺，以实现选择性界面分离。我们研究了粘合层的粘接强度、杨氏模量、厚度以及激光工艺参数对界面气体扩散的影响。结果表明，粘接强度低、杨氏模量高且厚度薄的粘合层更有利于通过激光诱导的气体冲击实现剥离。与高能量密度的单次扫描相比，低能量密度的多次扫描不仅可以实现无应力剥离，还能降低激光诱导冲击波对器件层造成的损伤风险。这项工作为开发临时粘接材料提供了宝贵的见解，并为不同应用场景下的晶圆粘接对激光剥离提供了技术支持。
晶圆粘接对的制备
在相对干燥的环境中，将激光剥离层材料WLP LB210（深圳Samcien半导体材料有限公司）旋涂在4英寸硅晶圆表面（旋涂工艺：300 rpm旋转5秒，1500 rpm旋转20秒）。然后将晶圆放置在烘烤托盘上，在115 ℃下烘烤5分钟以去除溶剂。随后将其转移到350 ℃的烤箱中，并在该温度下保持30分钟。剥离层的厚度约为500 nm。
激光诱导气体辅助剥离工艺
在激光剥离过程中，355 nm紫外激光束穿过玻璃载体后被剥离材料选择性吸收，引发光热和光化学效应，伴随温度迅速升高和大量气体生成。值得注意的是，355 nm紫外激光的光子能量几乎完全被剥离层吸收，而粘合层对这种激光的吸收可以忽略不计[26]。通过调整激光工艺参数...
结论
总结来说，我们提出了一种新型的激光诱导气体辅助剥离工艺，以实现选择性界面分离。我们系统研究了粘合层的粘接强度、杨氏模量、厚度以及激光工艺参数对界面气体扩散行为的影响。结果表明，激光诱导的气体扩散距离与杨氏模量呈正相关，而与粘接强度和厚度呈负相关。
作者贡献声明
赵文博：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析。曾亚林：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析。王芳成：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。刘强：监督、项目管理。戴文雪：数据分析。黄明琦：资源协调。张国平：监督、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究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）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0670000）以及深圳市科技计划（KJZD20230923114708018、KJZD20230923114710022）的财政支持。
