黃元昌、鄭昭德、江淳甄、李政穎、陳冠位 / 工研院材化所
剝離膠材技術常被廣泛用於半導體與光電產業，在無需機械外力下可將兩片貼合基材分離，能作為同質或異質基板材料複合疊構拆解，如減薄後矽晶圓與玻璃基板的異質材料拆解或面板框膠材料易拆解工藝，是液晶面板可回收利用的重要製程。其中，貼合膠材在雷射剝離時必須對雷射波段能量高吸收，可大幅降低雷射使用功率與產生多餘的熱，而避免拆解晶圓時造成元件損壞。本文以矽晶圓與玻璃基板整合工研院材化所開發的膠材，構成三層結構來說明雷射剝離膠材技術在半導體中運用的成果。雷射剝離膠在貼合過程中將以高溫(>320˚C)進行膠材貼合，相對也提高膠材在製程中的耐溫性，符合半導體後段製程需求。
【內文精選】
暫時性貼合膠材市場
1. 封裝材料市場趨勢
疫情影響讓終端與網通相關產業需求明顯提升，直接影響全球的半導體產業供不應求，同時為配合電子產品持續微縮化與功能多樣化，異質整合的需求與日俱增，不僅製程端不斷提升讓晶片微縮，以達到更高密度的電路布局來減小晶片體積，不斷進化的構裝技術也跟著持續地精進。根據美國電機電子工程師學會(Institute of Electrical & Electronic Engineers; IEEE)所提出之異質整合藍圖(Heterogeneous Integration Roadmap; HIR)，異質整合的主要三大先進封裝技術領域為SiP、2D/3D互聯(Interconnects for 2D and 3D)，以及包含扇入型(Fan-In; FI)與扇出型(Fan-Out; FO)的晶圓級封裝。加上5G毫米波應用包含電動車或綠能科技產業的推動，半導體晶圓封裝製程技術需求逐漸往上提升(圖一為全球封裝製程技術趨勢預估)。
圖一、封裝製程技術市場趨勢預估
3. 暫時性貼合膠材分類
晶圓接合方式，以是否具有中間介質層來區分，可以分成直接晶圓接合(Direct Wafer Bonding)與間接晶圓接合(Indirect Wafer Bonding)兩大類。直接晶圓接合是指兩片晶圓直接接合不靠任何介質層；間接晶圓接合是利用中間介質層來進行兩片晶圓接合，該方式可以降低接合製程溫度。常見用於暫時貼合膠材的聚醯亞胺樹脂可依照混合處理過程分為高溫(HT, 225+˚C)、甚高溫(VHT, 300+˚C)、超高溫(UHT, 400+˚C)。
暫時性膠材技術
非感光型黏性層聚醯亞胺材料，此材料的塗料固含量為6.53%，在室溫下測得該塗料的黏度為1,167 cP，以旋轉塗佈法(Spin Coating)與階段升溫法乾燥塗膜，即可獲得膜厚6 ± 1 μm的聚醯亞胺薄膜。後續再利用熱重分析儀(TGA)進行分析，此量測分析手法原理是將樣品置於加熱爐中，透過程序控溫(升溫/恆溫/降溫)並在通入氣體下(例如：氮氣或氧氣)，隨著升溫使得樣品中某一成分發生蒸發、裂解、氧化時，樣品會因為這些現象而產生重量的損失，此時透過高靈敏度的天平記錄樣品隨溫度或時間的重量變化，即可判定材料的水分含量、裂解溫度、熱穩定性及材料氧化等相關特性，在隨著溫度、時間和空氣變化下的關係比較。熱重分析儀廠牌是TA Instruments，型號為Discovery TGA 55，操作溫度可以達到1,000˚C。工研院材化所自主研發的雷射剝離膠材經熱重分析，結果得到100˚C到350˚C之間幾乎沒有重量損耗，一直升溫到398˚C時重量才損耗1%，可以得知該雷射剝離膠材的裂解溫度為398˚C，並且在甚高溫區間的材料特性呈現穩定狀況。這個結果有利於功率元件和化合物半導體相關製程應用，不會因為高溫製程需求侷限開發條件，導致複雜程序上需要進行修正，甚高溫的暫時性膠材可應用於寬能隙半導體製程中需要高溫活化或者高溫進行退火的製程。
暫時性膠材貼合與剝離技術
2. 剝離製程技術
減薄後矽晶圓與玻璃基板未剝離前，須將減薄後矽晶圓貼於含框的切割膠帶上，以減少切割製程後晶片的分離。雷射剝離提供低應力剝離、高能量雷射的傳輸，此種方法一般使用300到400 nm之雷射波段來破壞聚合物，材料在相對波長下與雷射發生激烈反應，使結構內之接合效果失去作用，而不需外加機械力即可使其分開。雷射剝離製程示意如圖五。
圖五、雷射剝離製程
玻璃與矽晶圓接合面在固定雷射光源355 nm下破壞中間介質層接合使晶圓分離之後，可將第二層容易地從裝置晶圓表面清除。但是雷射剝離並非沒有缺點，為了使用雷射剝離機制，除需要雷射波長透明之載體基板，還需要考慮雷射剝離之材料必須與有關之雷射發生反應，若其在所需波長355 nm雷射光源下不能完全吸收，便還存在雷射能量損壞、雷射敏感裝置等缺點 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》436期，更多資料請見下方附檔。