2016/07/25 Fan Out RDL 微轉印”技術 @ 真乄科技業的頂尖投資團隊

初創企業X-Celeprint在拉斯維加斯舉辦的ECTC會議上提交了4篇論文，主題是關於他們的微轉印技術（μTP技術）、工藝流程以及該技術的微電子應用。μTP技術作為一項先進的微裝配技術，可以使數百個小型（最適宜尺寸為亞毫米級）器件在同一時間內精確移動。

X-Celeprint是XTRION NV的全資子公司，XTRION NV旗下還包括著名的X-Fab公司。他們從塞木普銳斯公司（Semprius）獲得技術授權，並且在2014年初開始正式運營。微轉印技術的最初發明者為伊利諾大學香檳分校的John Rogers教授，隨後在塞木普銳斯公司獲得進一步發展。

用最簡單的語言來描述微轉印技術，就是使用彈性印模（stamp）結合高精度運動控制打印頭，有選擇地拾取（pick-up）微型器件的大陣列，並將其打印（放置）到替換基板上。首先，在“源”晶圓上製作微型器件（芯片），然後通過移除半導體電路下面的犧牲層獲得“釋放”。隨後，一個微結構彈性印模（與“源”晶圓匹配）被用於拾取微型器件，並將這些微型器件打印（放置）在目標基板上。

通過改變打印頭的速度，可以選擇性地調整彈性印模和被打印器件之間的黏附力，最終控制裝配工藝。當印模移動較快時，黏附力變得很大，得以“拾取”被打印元件，讓它們脫離基板；相反，當印模遠離鍵合界面且移動較慢時，黏附力變得很小，被打印元件便會“脫離”，然後“打印”在接收面上。

印模通過設計，可以實現單次拾取和打印操作，轉移成千上萬個分立元器件，因此這項工藝流程可以實現大規模並行處理。例如，240平方微米的芯片被放置在間距為250 um的晶圓上，需要把芯片“打印”（放置）到間距為2 mm的新表面上，印模上的末端（參考下圖轉印印模）就會被製作成2 mm的間距，然後從晶圓上拾取1、8、16等芯片，一次打印完成後再回來拾取2、9、17等芯片。

微轉印工藝流程

微轉印工藝流程：圖A：彈性印模接近晶圓；圖B：彈性印模拾起芯片；圖C：彈性印模接近基板；圖D：印模將芯片“印刷”（放置）在基板上

該技術已經在眾多“可印刷”微型器件中得到驗證，包括激光、LED、太陽能電池和各種IC材料（矽、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵和包括金剛石在內的介電薄膜）的集成電路。

大多數情況下，需要轉印的器件首先會從“源”晶圓上得到釋放，該方法利用了器件層下方的犧牲釋放層。對於矽器件，絕緣體上矽（SOI）晶圓代表方便、隨時可用的“源”晶圓。利用商業化的SOI CMOS加工工藝處理5 um器件矽層和1 um埋氧層（BOx）來製作電路。

按照CMOS加工工藝，一段溝槽截至圍繞器件周圍的器件矽層，封裝層被施加在SOI CMOS“源”晶圓上，用來在隨後的BOx層刻蝕中，保護ILD和佈線層。SOI CMOS晶圓通過刻蝕工藝，用HF（氟化氫）去除器件下方的BOx層，器件最終從晶圓中完全脫離出來，並通過器件層中的“栓繩”來進行位置固定。在轉印期間，“栓繩”可以通過可控的方式斷裂或切開。犧牲層刻蝕工藝完成後，當IC芯片可以轉印時，封裝層將會被移除。

製作轉印用器件

製作轉印用器件：圖A：晶圓代工所以採用的SOI晶圓；B：溝槽和封裝層構造；圖C：器件矽層開槽，移除埋氧層

2016年ECTC會議上，論文《微轉印技術助力微型氮化鎵晶體管的異質整合》的作者，來自X-Fab的Ralf Lerner詳細描述了構造GaN芯片的工藝流程。

GaN HEMTs異質整合工藝流程

GaN HEMTs異質整合工藝流程：圖a：在矽晶圓上製作晶體管；圖b：器件被隔離、鈍化、切底；圖c：器件被抬取黏附在彈性印模上；圖d：器件被打印到CMOS晶圓上，並利用薄膜鋁跡線與CMOS晶圓連接

氮化鎵晶體管在直徑為100mm的矽晶圓<111>上製作而成。通過穿過器件層，向下直至矽基板的反應離子刻蝕（RIE），實現單個器件的分離。在該步驟中使用了二氧化矽硬掩膜。通過等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）將600 nm的氮化矽層沉積。氮化矽層可以鈍化器件側壁，也可以用於錨定和“栓繩”結構的形成。

氮化鎵芯片隨後被轉移到矽基CMOS晶圓上。印刷前，在CMOS晶圓上施以一層半導體薄膜級平坦化樹脂，微轉印完成後，底層樹脂在175 °C時被固化。接下去進行鎢化鈦和鋁的金屬疊層濺射沉積，隨後進行減厚濕法刻蝕，最終形成器件的連接。轉印的GaN HEMT芯片厚度大約為5μm，濺射沉積鋁在器件側壁的佈線中起到了有效作用。

相互連接的GaN HEMT

相互連接的GaN HEMT：圖A：鋁佈線分佈在轉印的GaN HEMT側壁上；圖B：展開圖

在論文《微轉印技術助力微型器件的扇出型封裝》中，來自X-Celeprint和RTI Int的研究員們描述了不需要注模材料，製作亞毫米器件扇出封裝的高通量策略。微轉印技術被用來組裝重新裝配的晶圓器件（尺寸80um x 40um，擁有重分佈金屬和6個觸點封裝的芯片），面朝上，印刷（放置）在200 mm的晶圓上。裝配完成後，晶圓器件將經過標準化晶圓級再分配和凸塊工藝處理。最終，200 mm晶圓上的扇出型封裝器件的尺寸為1.4mm x 1.0mm，器件上有6個250 μm焊接凸塊。最終的扇出型封裝將在FR4測試板上組裝並回焊。

因為封裝中沒有使用任何注模材料，因此不需要模壓成型器件所使用的芯片模具。

該轉印工藝良率預估高達99.7%，每30秒就能轉印300個芯片。

使用微轉印技術製作晶圓級封裝芯片