1 作 者

张介元、胡衍雷、王方成、刘强、李金辉、黄明起、张国平、孙蓉

2 机  构

中国科学院深圳先进技术研究院

深圳先进电子材料国际创新研究院

中国科学技术大学

深圳市化讯半导体材料有限公司

3 Citation

Zhang J Y, Hu Y L, Wang F C, Liu Q, Niu F F, Li J H, Huang M Q, Zhang G P, Sun R. 2025. Precise modulation of the debonding behaviours of ultra-thin wafers by laser-induced hot stamping effect and thermoelastic stress wave for advanced packaging of chips. Int. J. Extrem. Manuf. 7 015005.

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 https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8a26

01 文章导读

先进封装技术通过将超薄晶圆堆叠及短间距互联的方式，提高芯片内的信息传输带宽，降低通讯延时，从而大幅提升芯片的集成度以及整体性能。近年来，半导体工艺节点发展受限，人工智能（AI）等行业对于高性能计算芯片（HPC）的需求加剧，推动了业内对先进封装技术的需求。随着器件晶圆不断朝着大尺寸、超薄化和三维集成化方向发展，临时键合/解键合（TBDB）已成为先进封装工艺中的关键一环。其中，激光解键合技术凭借非接触、能量可控和操作灵活等优点成为TBDB工艺的主流方案。通常情况下，键合对的激光解键合是通过高能量密度完全烧蚀释放材料来实现层内分离（R/R分离）。然而，这种R/R分离方法通常会导致大量释放材料和碳屑残留在器件晶圆表面，严重降低了芯片的良率和清洗效率。

近期，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院的张国平研究员、王方成助理研究员，和中国科学技术大学的胡衍雷教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《面向芯片先进封装的利用激光诱导热冲压冲击效应和热弹性应力波精准调控超薄晶圆的解键合行为研究》，研究了激光诱导热冲击和热弹性应力波的耦合效应对激光解键合行为的影响，提出了新型的释放材料/粘结材料界面分离（R/A分离）的精准解键合方案，该方法具有通用性、可控性和高可靠性，不会在器件晶圆上残留释放材料和碳屑，有望在先进封装领域的激光解键合工艺中实现应用。图1展示了该研究提出的晶圆键合对的界面分离解决方案。

关键词  

激光剥离行为；激光诱导热冲压效应；热弹性应力波；先进封装

亮点  

• 激光诱导热冲击和热弹性应力波的协同效应促进了R/A界面的精准分离。

• 无应力R/A分离方法具有能耗低、无残胶、无碳屑等优点。

• R/A分离模式的工艺窗口的确定加快了激光剥离工艺的应用。

• R/A 分离方法具有工业适用性、多功能性和高可靠性。

02 研究背景

TBDB是先进封装技术中解决超薄晶圆加工过程中易翘曲、易破裂问题的关键一环。作为TBDB技术的主流方案，激光解键合工艺通常是在高能量密度下完全去除释放层内烧蚀区域的材料来实现键合对的分离（R/R分离）。然而，这种高能量R/R分离方法所产生的强光热效应会导致大量释放材料和碳屑残留在器件晶圆表面，严重影响晶圆清洗制程并影响芯片良率。在激光烧蚀区域，激光诱导的瞬态高温高压会在释放层/粘合层界面产生热冲击效应，这会增强释放层与粘结层界面的键合强度。此外，激光诱导冲击效应会导致释放材料层内发生热膨胀，这种快速体积变化会触发热弹性应力波。根据传播方向的不同，热弹性应力波可分为横波、纵波和界面波。值得一提的是，界面波在沿多层材料界面传播时能够削弱界面键合强度。因此，利用激光诱导热弹性应力波来克服热冲击效应和界面结合力，有望实现晶圆键合对在释放层/粘结层界面的精准分离（R/A分离）。

03 最新进展

为了解决R/R分离所面临的难题，本文提出了一种基于激光诱导热冲击效应和热弹性应力波耦合的R/A界面精准分离策略。这种方法不会导致器件晶圆表面存在残胶和碳屑，表现出很强的工业适应性，有力地促进了高端芯片先进封装的应用和发展。

如图2所示，激光解键合过程中使用紫外纳秒级激光作为光源，激光束透过玻璃辐照在释放材料层，使其迅速发生烧蚀分解。在解键合过程中，激光诱导瞬时高温与气体冲击能够产生热冲击效应，这会促使粘结材料变形以及界面键合。与此同时，激光烧蚀释放材料快速膨胀触发的应力波被称为激光诱导热弹性应力波，这有助于多层材料的界面发生分离。

图2  激光解键合技术的原理图和两种分离模型：（a）激光诱导热冲击和热弹性应力波的示意图；（b）R/R分离；（c）R/A分离。

如图3所示，通过结合理论和实验结果得到了激光诱导热冲击效应及热弹性应力波的强度关系图。激光解键合的剥离行为是由粘结强度、热冲击效应和热弹性应力波之间的相对关系决定的。通过优化临时键合材料性能以及激光参数才能实现晶圆键合对的R/A界面精准分离。

图3  不同激光能量下晶圆键合分离的模型：（a）不同能量密度下的热冲击效应强度和热弹性应力波与晶圆键合对分离行为间的关系示意图；（b-e）晶圆键合对的不同分离行为：（b）区间（1）；（c）R/A分离；（d）区间（2）；（e）R/R分离。

如图4所示，在R/R分离模式下，晶圆键合对在释放材料层内的烧蚀界面发生分离，分离界面两侧都暴露着许多碳屑。而在R/A分离模式下，器件晶圆侧没有观察到明显的释放材料残留物和碳屑。在激光解键合过程中，激光诱导热冲击效应在粘结层上留下了与光斑形状一致的条纹凹陷。

图4  不同分离模式下玻璃与晶圆的光学显微图片：（a）R/R分离后的玻璃表面；（b）R/R分离后的晶圆表面；（c）R/A分离后的玻璃表面；（c）R/A分离后的晶圆表面。

文章进一步对比分析了R/R和R/A分离界面的微观形貌图，如图5所示。与R/R分离效果相比，R/A界面分离后的玻璃侧表面平整无残留物。这是因为在R/A界面分离的条件下，激光烧蚀产生的碳屑封存在释放材料层内的烧蚀空腔中，从而不会导致碳屑暴露出来污染器件晶圆。

图5 （a-c）激光解键合后玻璃侧的原子力显微镜图：（a）激光烧蚀前；（b）R/A分离后；(c) R/R分离后；(d-f) 激光解键合后玻璃侧的截面扫描电子显微镜图：（d）激光烧蚀前；（e）R/A分离后；（f）R/R分离后；（g-i）激光解键合后晶圆上粘结材料的截面扫描电子显微镜图像：（g）激光烧蚀前；（h）R/A分离；（i）R/R分离。

为了验证R/A界面分离法能够用于超薄器件晶圆的解键合，作者对8寸键合对的器件晶圆减薄至100 μm后进行解键合。如图6所示，在R/A分离过程中，激光诱导热弹性应力波没有对超薄晶圆造成任何损伤，且器件晶圆表面非常干净。此外，激光诱导热弹性应力波也降低了粘结层与器件晶圆界面的粘结力，这使得粘结层可轻易从器件晶圆上剥离，大幅提高了粘结材料的清洗效率。

图6  R/A分离后的8寸超薄硅晶圆的实物：（a）附着在超薄晶圆上的粘结材料层表面几乎没有碳屑；（b）粘结材料可以从超薄晶圆上揭下来；（c,d）用螺旋测微计测量厚度的照片：（c）背面减薄后的临时键合对和（d）粘结材料剥离后的超薄硅晶圆。

04 未来展望

为了进一步发挥激光诱导热弹性应力波的主导作用，需要开发高性能的新型临时键合材料以扩大R/A分离方法的工艺窗口。探究激光解键合过程的瞬态过程，以及不同临时键合材料对激光诱导热弹性应力波和热冲击效应的影响规律。此外，仍需要对临时键合材料的堆叠结构设计进行优化，拓展多种临时键合对的应用场景，推动激光解键合技术在高端芯片先进封装领域的广泛应用。

05 作者简介

张国平

中国科学院深圳先进技术研究院

深圳先进电子材料国际创新研究院

张国平，研究员，中国科学院深圳先进技术研究院材料所副所长、深圳先进电子材料国际创新研究院副院长、集成电路材料全国重点实验室副主任、博士生导师、IEEE高级会员、国家级高层次人才、广东省特支计划领军人才、中国科学院青促会会员、深圳市海外高层次人才。长期从事集成电路先进封装材料领域研究工作，先后承担参与国家自然科学基金、中国科学院先导项目、广东省创新科研团队、广东省重点领域研发计划、深圳市科技计划、企业横向合作等各类项目共10余项。发表SCI和EI收录论文共115篇，累计被引2695次，H因子29，同时申请国家发明专利50余件（其中国外专利2件、PCT专利四件），获得授权中国专利30余件。自主研发的紫外激光解键合材料成功实现国产化规模应用，荣获深圳市科技进步二等奖。

王方成

中国科学院深圳先进技术研究院

深圳先进电子材料国际创新研究院

王方成于2019年在西安交通大学获得博士学位，2019年至 2021年在清华大学从事博士后研究工作。现任中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院助理研究员，并获得深圳市“鹏城优才”等荣誉称号。先后主持国家自然科学基金青年基金项目、中国博士后科学基金面上项目、广东省自然科学基金面上项目等。主要研究方向为光与物质相互作用机理、光控解键合技术在先进封装中的应用。近五年以一作/通讯作者在《Adv. Mater.》《Angew. Chem. Int. Ed.》等著名刊物上发表SCI/EI论文20余篇，并申请发明专利10余项。受邀担任《Nano-Micro Lett.》等著名期刊审稿人。

致谢

感谢深圳市化讯半导体材料有限公司（Samcien Semiconductor Materials Co.,Ltd）（简称“化讯半导体”）为本工作提供的临时键合材料样品以及工艺讨论。深圳市化讯半导体材料有限公司于2016年由中国科学院深圳先进技术研究院技术转移转化成立，专注于高端半导体材料的研发与产业应用。公司聚焦集成电路先进封装、功率器件、新型显示等三大战略新兴领域，致力于为客户提供关键材料及系统解决方案。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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