深入了解“微转印”技术
2016-07-18 20:49:16   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，初创企业X-Celeprint在拉斯维加斯举办的ECTC会议上提交了4篇论文，主题是关于他们的微转印技术（μTP技术）、工艺流程以及该技术的微电子应用。μTP技术作为一项先进的微装配技术，可以使数百个小型（最适宜尺寸为亚毫米级）器件在同一时间内精确移动。

X-Celeprint是XTRION N.V的全资子公司，XTRION N.V旗下还包括著名的X-Fab公司。他们从塞木普锐斯公司（Semprius）获得技术授权，并且在2014年初开始正式运营。微转印技术的最初发明者为伊利诺大学香槟分校的John Rogers教授，随后在塞木普锐斯公司获得进一步发展。

用最简单的语言来描述微转印技术，就是使用弹性印模（stamp）结合高精度运动控制打印头，有选择地拾取（pick-up）微型器件的大阵列，并将其打印（放置）到替换基板上。首先，在“源”晶圆上制作微型器件（芯片），然后通过移除半导体电路下面的牺牲层获得“释放”。随后，一个微结构弹性印模（与“源”晶圆匹配）被用于拾取微型器件，并将这些微型器件打印（放置）在目标基板上。

通过改变打印头的速度，可以选择性地调整弹性印模和被打印器件之间的黏附力，最终控制装配工艺。当印模移动较快时，黏附力变得很大，得以“拾取”被打印元件，让它们脱离基板；相反，当印模远离键合界面且移动较慢时，黏附力变得很小，被打印元件便会“脱离”，然后“打印”在接收面上。

印模通过设计，可以实现单次拾取和打印操作，转移成千上万个分立元器件，因此这项工艺流程可以实现大规模并行处理。例如，240平方微米的芯片被放置在间距为250 um的晶圆上，需要把芯片“打印”（放置）到间距为2 mm的新表面上，印模上的末端（参考下图转印印模）就会被制作成2 mm的间距，然后从晶圆上拾取1、8、16等芯片，一次打印完成后再回来拾取2、9、17等芯片。

微转印工艺流程：图A：弹性印模接近晶圆；图B：弹性印模拾起芯片；图C：弹性印模接近基板；图D：印模将芯片“印刷”（放置）在基板上

该技术已经在众多“可印刷”微型器件中得到验证，包括激光、LED、太阳能电池和各种IC材料（硅、砷化镓、磷化铟、氮化镓和包括金刚石在内的介电薄膜）的集成电路。

大多数情况下，需要转印的器件首先会从“源”晶圆上得到释放，该方法利用了器件层下方的牺牲释放层。对于硅器件，绝缘体上硅（SOI）晶圆代表方便、随时可用的“源”晶圆。利用商业化的SOI CMOS加工工艺处理5 um器件硅层和1 um埋氧层（BOx）来制作电路。

按照CMOS加工工艺，一段沟槽截至围绕器件周围的器件硅层，封装层被施加在SOI CMOS“源”晶圆上，用来在随后的BOx层刻蚀中，保护ILD和布线层。SOI CMOS晶圆通过刻蚀工艺，用HF（氟化氢）去除器件下方的BOx层，器件最终从晶圆中完全脱离出来，并通过器件层中的“栓绳”来进行位置固定。在转印期间，“栓绳”可以通过可控的方式断裂或切开。牺牲层刻蚀工艺完成后，当IC芯片可以转印时，封装层将会被移除。

制作转印用器件：图A：晶圆代工所以采用的SOI晶圆；B：沟槽和封装层构造；图C：器件硅层开槽，移除埋氧层

2016年ECTC会议上，论文《微转印技术助力微型氮化镓晶体管的异质整合》的作者，来自X-Fab的Ralf Lerner详细描述了构造GaN芯片的工艺流程。

GaN HEMTs异质整合工艺流程：图a：在硅晶圆上制作晶体管；图b：器件被隔离、钝化、切底；图c：器件被抬取黏附在弹性印模上；图d：器件被打印到CMOS晶圆上，并利用薄膜铝迹线与CMOS晶圆连接

氮化镓晶体管在直径为100mm的硅晶圆<111>上制作而成。通过穿过器件层，向下直至硅基板的反应离子刻蚀（RIE），实现单个器件的分离。在该步骤中使用了二氧化硅硬掩膜。通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）将600 nm的氮化硅层沉积。氮化硅层可以钝化器件侧壁，也可以用于锚定和“栓绳”结构的形成。

氮化镓芯片随后被转移到硅基CMOS晶圆上。印刷前，在CMOS晶圆上施以一层半导体薄膜级平坦化树脂，微转印完成后，底层树脂在175 °C时被固化。接下去进行钨化钛和铝的金属叠层溅射沉积，随后进行减厚湿法刻蚀，最终形成器件的连接。转印的GaN HEMT芯片厚度大约为5μm，溅射沉积铝在器件侧壁的布线中起到了有效作用。

相互连接的GaN HEMT：图A：铝布线分布在转印的GaN HEMT侧壁上；图B：展开图

在论文《微转印技术助力微型器件的扇出型封装》中，来自X-Celeprint和RTI Int的研究员们描述了不需要注模材料，制作亚毫米器件扇出封装的高通量策略。微转印技术被用来组装重新装配的晶圆器件（尺寸80um x 40um，拥有重分布金属和6个触点封装的芯片），面朝上，印刷（放置）在200 mm的晶圆上。装配完成后，晶圆器件将经过标准化晶圆级再分配和凸块工艺处理。最终，200 mm晶圆上的扇出型封装器件的尺寸为1.4mm x 1.0mm，器件上有6个250 μm焊接凸块。最终的扇出型封装将在FR4测试板上组装并回焊。

因为封装中没有使用任何注模材料，因此不需要模压成型器件所使用的芯片模具。

该转印工艺良率预估高达99.7%，每30秒就能转印300个芯片。

使用微转印技术制作晶圆级封装芯片：图A：部分“拾取”后的芯片“源”晶圆；图B：焊球置放前完整的扇出型封装；图C：特写；图D：最终的扇出型晶圆级封装

两块PCB板上填充了60颗芯片，每颗芯片都经过JESD环境（-40°C 到 125°C）下的热循环测试。没有一颗芯片显现出超过0.2欧姆的平均热阻变化。