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1. 文章导读

随着摩尔定律的趋缓，先进封装技术正成为延续芯片性能提升、实现更高集成度的关键路径，有力推动了人工智能、高性能计算等前沿领域的创新与演进。临时键合/解键合（TBDB）作为先进封装的核心工艺环节，为实现晶圆减薄、芯片异质集成与系统级三维重构等关键工序提供了不可或缺的支撑保障。近年来，光子解键合技术因其非接触、能量可控及高通量处理等优势，被视为下一代解键合方案的重要发展方向，并受到广泛关注。然而，该技术的商业化与应用进程仍面临关键材料层面的制约：其所依赖的传统金属基释放材料光热转换效率偏低，严重制约光子解键合技术的性能提升与规模化应用。

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张国平研究员、王方成副研究员，联合中国科学技术大学胡衍雷教授等人在SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表题为《基于空间限域效应的激光诱导宽光谱强吸收多尺度碳基纳米薄膜用于光子解键合》的研究论文，提出了一种基于空间限域效应在玻璃表面原位制备激光诱导石墨薄膜（LIGF）的新方法。所制备的LIGF基释放材料兼具宽光谱强吸收和优异的界面粘结强度，有望在先进封装领域的光子解键合工艺中实现应用。图1展示了在空间限域效应下LIGF基释放材料的制备流程及其在光子解键合应用中的示意图。

  亮点  

基于空间限域效应利用激光在玻璃上原位制备了石墨基薄膜。

激光诱导石墨基薄膜展现出优异的宽光谱强吸收特性。

光子解键合后分离界面具有无碳屑和易于清洁的优点。

激光诱导石墨基薄膜在光子解键合工艺中可多次重复使用。

图1 空间限域效应下LIGF基释放材料的制备及在光子解键合应用的示意图。

2. 研究背景

为有效抑制超薄器件晶圆的破片率，并提升芯片制造的整体良率、加工精度及封装精度，TBDB技术逐步成为集成电路领域先进封装中关键工艺环节。光子解键合技术作为一种新兴解键合方案，近年来受到学界与业界的广泛关注。相较于激光解键合，光子解键合技术凭借其面曝光加工机制展现出高效、洁净、释放材料可重复使用等显著优势。然而，迄今为止已报道的金属基释放材料层在200-1100 nm宽光谱范围内的平均反射率高达45%，这严重降低了释放材料的光热转换效率。值得一提的是，激光诱导石墨基材料凭借其宽光谱强吸收特性和优异的稳定性，成为光子解键合工艺中极具前景的释放材料。然而，直接在玻璃基底上制备具有强附着力的石墨基薄膜仍具有挑战性。空间限域效应可在有限空间中抑制等离子羽流的自由扩展，约束冲击波反射与能量再沉积，并形成局部高温高压环境。因此，在空间限域效应下有望利用激光在玻璃表面原位制备更均匀、更致密或具有特定结构的碳基释放材料。

3. 最新进展

为制备高性能光子解键合材料，本文提出了一种基于空间限域效应的新方法，利用激光在玻璃表面原位制备LIGF（激光诱导石墨薄膜）基解键合材料。所获得的LIGF在200–1100 nm的宽光谱范围内吸收率超过95%，显著提升了材料的光热转换效率。与传统的金属基释放材料相比，LIGF基释放材料可将光子解键合阈值降低约40%。此外，该材料不仅支持多次重复使用，而且在光子解键合后表现出优异的界面清洁性，显示出良好的工业应用前景。

图2展示了在空间限域条件下，利用紫外激光烧蚀聚酰亚胺基光敏材料（PBPM）以制备LIGF的瞬态过程。在该条件下，上层限制玻璃（RG）有效抑制了激光诱导碳纳米簇的自由飞溅，从而在载体玻璃（CG）表面形成均匀、平整和强附着力的LIGF薄膜。

图2 LIGF的制备：(a) 空间限域条件下激光烧蚀PBPM的示意图；(b) 在玻璃载体表面形成LIGF的示意图。

图3(a)展示了通过玻璃载板测得的LIGF的透射率与反射率。结果表明，在200–1100 nm光谱范围内，LIGF的反射率（R）和透射率（T）分别约为4.5%和0.02%，说明其具备极高的宽光谱吸收能力，并可有效抑制光泄漏对器件功能层的潜在损伤。图3(b)揭示了激光处理过程中聚酰亚胺基PBPM的分子链结构演变：C–H键、酰亚胺环中的C–N键与C=O键，以及苯环之间的C–C键均发生断裂，表明发生了显著的碳化过程。如图3(c)所示，XRD图谱中聚酰亚胺的衍射峰消失，在2θ ≈ 21.43°处出现新的特征峰，证实聚酰亚胺已成功转化为类石墨层状碳膜结构。进一步通过聚焦离子束（FIB）截面观察（图3(d)），可见LIGF呈现出典型的三层“扁骨状”形貌，其中中间层为多孔网状结构，而上层和下层则较为致密。这种大孔-介孔-微孔共存的梯度孔结构有助于增强LIGF的整体结构完整性。

图3 LIGF材料的微观形貌及光学性质表征：(a) LIGF在200–1 200 nm光谱范围的反射率与透射率；(b) PBPM与LIGF的FTIR光谱图；(c) LIGF的XRD峰；(d) LIGF的FIB横截面图。

如图4所示，HRTEM分析显示LIGF中存在晶格间距约为0.15 nm、0.25 nm和0.27 nm的晶格条纹，分别对应SiC和SiO₂纳米颗粒的典型晶面。这些高导热纳米颗粒在光子解键合过程中能够将瞬态产生的热量迅速传递至粘结层，从而促进其热分解反应。此外，SiC纳米颗粒不仅通过电荷转移与能带匹配机制进一步提升LIGF的宽光谱吸收效率，还借助钉扎效应显著增强了复合材料的抗疲劳与抗热冲击性能。同时，LIGF中石墨纳米晶体所具有的sp²杂化碳结构也进一步优化了其宽光谱吸收能力、热传导性能及机械强度。

图4 LIGF材料的TEM和HRTEM图。

本文进一步对比分析了基于LIGF的晶圆键合对的光子解键合机理，如图5所示。光子解键合过程主要包括以下阶段：(1) 光子照射：宽光谱闪光灯发出的光穿透石英玻璃并被下层的LIGF吸收；(2) 光热转换：LIGF将吸收的光能转化为热能，其中镶嵌的石墨与碳化硅纳米颗粒有助于优化热场分布；(3) 热传递：产生的热量从LIGF层向键合界面处的粘结层传递；(4) 界面失效：粘结材料在热作用下发生分解，导致界面结合丧失；(5) 解键合完成：带有LIGF的玻璃载体在近乎无应力的状态下与器件晶圆分离。

图5 多尺度纳米结构增强LIGF宽光谱吸收性能的示意图。(a) LIGF的陷光效应示意图；(b) 光束辐照LIGF过程中的光热转换的横截面示意图；(c) LIGF与粘结层界面处气体副产物生成示意图。

为评估LIGF作为释放材料在超薄晶圆光子解键合中的实际性能，作者在4英寸、厚度为100 μm的超薄晶圆上开展了光子解键合实验。结果表明，LIGF/TB1键合样片在能量密度仅为2.3 J·cm⁻²的条件下，即可实现无应力、无碳屑残留的解键合。解键合后，超薄器件晶圆保持结构完整，未出现裂纹或其他损伤，同时玻璃载板上的LIGF薄膜仍保持完好且未发生脱落，显示出良好的可重复使用性。

图6 基于LIGF的晶圆键合对及其光子解键合后的照片。(a) LIGF/TB1键合对的照片；(b) 光子解键合后超薄晶圆的照片；(c) 清洗后LIGF与超薄晶圆的照片；(d)光子解键合后超薄晶圆表面的光镜图；(e) 表面清洗后超薄晶圆表面的光镜图；(f) 表面清洗后LIGF表面的光镜图。

4. 未来展望

为推动LIGF基释放材料在光子解键合工艺中的实际应用，未来的研究工作需着力于以下方向：开发适用于大尺寸玻璃载板的LIGF制备技术，以满足面板级先进封装的需求；深入探究LIGF形成过程中的瞬态动力学机理，并系统确立其微纳结构与光子解键合效能间的构效关系；此外，还需重点优化LIGF薄膜的表面平整度，从而为超薄晶圆在后续苛刻制程中提供稳固且均匀的支撑，最终推动光子解键合技术在高端芯片封装领域的广泛应用。

5. 致谢感谢深圳市芸卓新材料科技有限公司（Samcien Semiconductor Materials Co.,Ltd）（简称“芸卓新材”）为本工作提供的临时键合材料样品以及工艺讨论。深圳市芸卓新材料科技有限公司于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。