CN108346597A - 一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法，所述真空加热系统包括：加热圈固定板，呈环状，且带有一圈环状的凹槽；加热圈，呈环状，设置在加热圈固定板的凹槽内；隔热板，呈环状，设置在加热圈的上部；吸嘴固定板，设置在隔热板的上部；以及多个真空吸嘴，对称均匀的设置在吸嘴固定板上用于吸附剥离后的晶片将其移开。本发明通过设置真空加热系统，能够在晶片被粘合的区域上对粘合层材料进行加热，使其融化，从而使得晶片剥离完全；同时通过真空加热系统的真空吸嘴可以对剥离后的晶片进行吸附，便于晶片的搬运，避免破损，提高晶片剥离的良率。

Description

一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法。

背景技术

集成电路封装是半导体产业链中的核心环节之一，近年来，叠层芯片封装逐渐成为技术发展的主流。叠层芯片封装技术，简称3D封装，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术，它起源于快闪存储器(NOR/NAND)及SDRAM的叠层封装。

随着对于大规模集成、高密度封装的需求日渐提高，堆叠中所用各层芯片的厚度不可避免的需要被减薄，目前较为先进的叠层封装的芯片厚度都在100um以下，对于一些应用，硅晶片/芯片被后侧研磨并抛光到50um甚至更薄。虽然单晶硅具有非常高的机械强度，但在降低厚度的过程中，硅晶片的脆性会增加，减薄后的硅晶片在后续的加工过程中十分容易弯折或断裂，这对于自动化设备提出了较大的挑战。

针对上述问题，在现有技术中，通过将被加工的晶片粘着固定在基板上，以增强晶片在加工过程中的机械强度，在晶片加工完成之后，再将晶片与基板剥离。其中的一种激光剥离技术中的晶片结合体的结构如图1所示，在晶片101的一个表面涂覆上粘合层102，在基板104的一个表面涂覆上释放层103，其中粘合层102为热塑性物质，可以使得晶片101与基板104粘合在一起，释放层103为可以吸收激光波长的物质，通过向释放层103照射一定波长的激光光束，使得释放层材料分解，从而将晶片101和基板104分离。

对于上述激光剥离的技术，在实际应用中，由于在将晶片101和基板104结合后还需进行若干晶片加工步骤，例如晶片厚度减薄加工，晶片背侧工艺如离子注入、退火、蚀刻、溅镀、蒸镀和/或金属化等，以及晶片后侧形成硅直通，直到在晶片的活动侧形成集成电路等，其中在蚀刻工艺过程中，由于需要采用强酸、强碱等化学物质，所采用的释放层材料会被部分腐蚀，如图2所示，释放层103靠近边缘的一部分区域被腐蚀，而由于粘合层102的存在，会使得这一区域的晶片101和基板104粘合在一起，会导致在后续进行激光剥离的过程中，这一区域由于没有释放层材料的存在，激光束对于这一部分区域无法产生作用，从而使得晶片101与基板104分离失败。所以，现有的激光剥离技术中存在着晶片与基板无法彻底分离的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法，从而克服现有技术中的晶片剥离方法存在晶片与基板无法彻底分离的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种晶片剥离装置，其中，包括：

加热圈固定板，呈环状，且带有一圈环状的凹槽；

加热圈，呈环状，设置在加热圈固定板的凹槽内；

隔热板，呈环状，设置在加热圈的上部；

吸嘴固定板，设置在隔热板的上部；以及

多个真空吸嘴，对称均匀的设置在吸嘴固定板上用于吸附剥离后的晶片将其移开。

所述的真空加热系统，其中，所述真空加热系统还包括：与加热圈连接用于测量加热圈温度的温度传感器；设置在加热圈与隔热板之间，用于与加热圈固定板配合将加热圈固定于所述凹槽内的加热圈盖板；以及固定于所述吸嘴固定板上用于方便移动真空加热系统的把手。

本发明还提供了一种晶片剥离装置，其中，包括如以上任一项所述的真空加热系统、以及激光器、光路系统和控制系统；其中，所述激光器用于发射激光束；所述光路系统用于将激光器发射的激光束引导并聚焦至晶片结合体；所述真空加热系统用于对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热，使晶片结合体中的晶片与基板分离；所述控制系统与所述激光器和所述真空加热系统连接，用于控制激光器和真空加热系统的运行。

所述的晶片剥离装置，其中，所述晶片剥离装置还包括：与控制系统连接用于支撑和移动晶片结合体的加工平台。

所述的晶片剥离装置，其中，所述光路系统包括准直扩束系统、光束整形系统、振镜以及聚焦透镜；所述准直扩束系统用于对激光器发出的激光束进行准直和扩束；所述光束整形系统用于将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；所述振镜用于控制整形后的激光束的传输方向；所述聚焦透镜与振镜连接用于将整形后的激光束聚焦至晶片结合体的释放层。

所述的晶片剥离装置，其中，所述激光器为输出355nm波长的三倍频YAG激光器，或者为输出308nm波长的准分子激光器。

本发明还提供了一种基于以上所述的晶片剥离装置的晶片剥离方法，其中，所述晶片剥离方法包括：

步骤A、通过所述激光器发射激光束；

步骤B、通过所述光路系统聚焦激光束至晶片结合体的释放层；

步骤C、通过所述控制系统控制激光束对晶片结合体的释放层进行扫描，使得所述释放层材料被分解；以及

步骤D、通过所述真空加热系统对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热，使晶片结合体中的晶片与基板分离。

所述的晶片剥离方法，其中，所述步骤B具体包括：

步骤B1、通过所述光路系统的准直扩束系统对激光器发射的激光束进行准直和扩束；

步骤B2、通过所述光路系统的光束整形系统将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；

步骤B3、通过所述光路系统的振镜控制整形后的激光束的传输方向；以及

步骤B4、通过所述光路系统的聚焦透镜将整形后的激光束经由晶片结合体的基板聚焦照射至释放层。

所述的晶片剥离方法，其中，所述步骤C中，控制激光束对晶片结合体的释放层进行扫描的扫描方式为：控制激光束聚焦至释放层上，由基板的边缘区域入射，沿直线进行来回往复扫描，且每次步进的距离等于光斑宽度大小。

所述的晶片剥离方法，其中，所述步骤D具体包括：

步骤D1、开启所述真空加热系统，并移动至晶片结合体上方，使所述真空加热系统的加热圈固定板与晶片结合体接触，对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热；

步骤D2、在受到加热作用的区域内的粘合层材料被融化后，通过所述真空加热系统的真空吸嘴吸附晶片，将晶片从基板上移走。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法，本发明通过设置真空加热系统，能够在晶片被粘合的区域上对粘合层材料进行加热，使其融化，从而使得晶片剥离完全；同时通过真空加热系统的真空吸嘴可以对剥离后的晶片进行吸附，便于晶片的搬运，避免破损，提高晶片剥离的良率。

附图说明

图1是现有的一种晶片结合体的结构示意图。

图2是图1所示的晶片结合体被部分腐蚀后的结构示意图。

图3是本发明实施例的真空加热系统的结构示意图。

图4是本发明实施例的加热圈固定板的结构示意图。

图5是本发明实施例的加热圈的结构示意图。

图6是本发明实施例的加热圈盖板的结构示意图。

图7是本发明实施例的隔热板的结构示意图。

图8是本发明实施例的吸嘴固定板的结构示意图。

图9是本发明实施例的晶片剥离装置的结构示意图。

图10是本发明实施例的光路系统的结构示意图。

图11是本发明实施例的晶片剥离方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种真空加热系统、晶片剥离装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的晶片剥离装置，如图3所示，所述真空加热系统4包括：加热圈固定板41、加热圈42、加热圈盖板43、隔热板44、吸嘴固定板45、真空吸嘴46、温度传感器47(热电偶)。

进一步的，本实施例中，如图3、图4所示，所述加热圈固定板41呈环状，且带有一圈环状的凹槽411，由具有良好热导性的材料制成，其示意图如附图6所示，在本发明的一个实施例中，该加热圈固定板由铝制成，内径为166mm，外径为216mm，厚度为15mm，凹槽深度为9mm。

进一步的，本实施例中，如图3、图5所示，所述加热圈42呈环状，设置在加热圈固定板41的凹槽内；在加热圈固定板的凹槽内放置加热圈，该加热圈呈环状，由具有良好热导性的材料构成。具体实施时，加热圈可以由不锈钢材料制成，加热圈的尺寸可以为：内径179mm，外径187mm，厚度8mm。所述加热圈42包括加热圈本体421和接线柱422，外部控制器和热源通过接线柱422对加热圈本体421进行加热，其中，加热功率可以为700W，加热温度在150℃左右。

进一步的，本实施例中，如图3、图6所示，所述加热圈盖板43设置在加热圈42与隔热板44之间，用于与加热圈固定板41配合将加热圈42固定于所述凹槽411内。加热圈被放置于加热圈固定板上的凹槽内之后，在加热圈固定板上覆盖有加热圈盖板，该加热圈盖板与加热圈固定板配合将加热圈固定于凹槽中。该加热圈盖板也呈环状，具体实施时，可以由铝制成，其尺寸可以为：内径166mm，外径216mm，厚度5mm。

进一步的，本实施例中，如图3、图7所示，所述隔热板44呈环状，设置在加热圈的上部；加热圈盖板的第二表面还与隔热板的第一表面紧密贴合，隔热板呈环形，具体实施时，其尺寸可以为：内径144mm，外径216mm，厚度12mm，边缘上留有宽度为44mm的U形槽以便安装加热圈上的接线柱。该隔热板由耐热材料制成，选用的材料为PTFE铁氟龙，以避免在操作过程中造成高温伤害。

进一步的，本实施例中，如图3、图8所示，所述吸嘴固定板45设置在隔热板44的上部；隔热板44的第二表面与吸嘴固定板45的第一表面贴合。所述真空吸嘴46有多个，对称均匀的设置在吸嘴固定板上用于吸附剥离后的晶片将其移开。该吸嘴固定板可以是圆形，也可以是其他形状，但其上的真空吸嘴的位置为对称均匀分布以保证晶片被吸附时受力均匀，避免晶片损坏。吸嘴固定板为环形，相比于完整的圆形，其整体质量会有一定的减轻，具体实施时，其尺寸可以为：外径170mm，内径120mm，在两条相互垂直的直径上的相同半径位置设置有真空吸嘴的安装孔，其中，安装孔距离整个隔热板中心的距离可以根据实际需要进行调节，但是，各个安装孔距离圆形的位置相同；且安装孔之间的间隔相同，从而保证各个区域的吸附力是均匀的。

进一步的，本实施例中，如图3所示，所述温度传感器47，与加热圈连接用于测量加热圈的温度。温度传感器的探测端连接至加热圈，用于测量加热圈的温度。在一个实施例中，该温度传感器为K热电偶，其使用温度范围在0～300℃，可以实时监测加热圈的温度，方便控制。

进一步的，本实施例中，如图3所示，所述真空加热系统4还包括：固定于所述吸嘴固定板45上的把手48。把手48用于对真空加热系统进行移动，方便操作。

由于晶片结合体的释放层材料边缘易被腐蚀，被腐蚀区域上无释放层材料留存，在激光剥离的过程中，该区域上的粘合层材料无法吸收特定波长的激光，使得晶片与基板无法分离。采用以上所述真空加热系统后，由于加热圈的设计正好保证了被腐蚀区域的粘合层材料被加热而分解，使晶片与基板彻底分离，弥补了激光剥离方法的不足，同时真空吸嘴也便于对晶片进行搬运。

进一步的，本发明实施例还提供了一种晶片剥离装置，如图9所示，包括：激光器1、光路系统2、加工平台3、真空加热系统4、以及控制系统5。其中，所述激光器1用于发射激光束；所述光路系统2用于将激光器发射的激光束引导并聚焦至晶片结合体；所述真空加热系统3用于对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热，使晶片结合体中的晶片与基板分离；所述加工平台3用于支撑和移动晶片结合体；所述控制系统5与激光器1、加工平台3、以及真空加热系统4连接，用于控制激光器1、加工平台3、真空加热系统4的运行。

具体的，所述控制系统5用于控制激光束的出射和/或偏转，和，控制加工平台的移动，还用于控制真空加热系统的开启或关闭。可以通过控制系统中的程序的运行，向激光器发送电信号来控制激光器的开启或关闭，或者其他的工作模式，例如连续出光，或者脉冲出光，以及调整所出射的激光束的参数，如脉宽、频率等。同时，控制系统还可以根据设定的程序控制振镜中X和Y扫描镜偏转方向，从而使得经过X和Y扫描镜的激光束的方向发生改变，以实现不同位置的加工。

进一步的，本实施例中，所述晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域为图2中所示的靠近晶片边缘处若干毫米区域，其实际大小取决于在晶片的加工过程中被腐蚀掉的释放层的宽度，在本实施例中，该宽度为沿晶片外径向内约17mm。

进一步的，本实施例中，所述激光器1可以为输出355nm波长的三倍频YAG激光器，或者也可以为输出308nm波长的准分子激光器。其中，如图10所示，所述光路系统2包括准直扩束系统21、光束整形系统22、振镜23以及聚焦透镜24；所述准直扩束系统21用于对激光器1发出的激光束进行准直和扩束；所述光束整形系统22用于将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；所述振镜23用于控制整形后的激光束的传输方向；所述聚焦透镜24与振镜23连接用于将整形后的激光束聚焦至晶片结合体的释放层。

进一步的，本发明实施例还提供一种基于以上所述的晶片剥离装置的晶片剥离方法，如图11所示，所述晶片剥离方法包括：

步骤S100、通过所述激光器发射激光束；

步骤S200、通过所述光路系统聚焦激光束至晶片结合体的释放层；

步骤S300、通过所述控制系统控制激光束对晶片结合体的释放层进行扫描，使得所述释放层材料被分解；以及

步骤S400、通过所述真空加热系统对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热，使晶片结合体中的晶片与基板分离。

进一步的，本实施例中，所述步骤S200具体包括：

步骤S210、通过所述光路系统的准直扩束系统对激光器发射的激光束进行准直和扩束；

步骤S220、通过所述光路系统的光束整形系统将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；

步骤S230、通过所述光路系统的振镜控制整形后的激光束的传输方向；以及

步骤S240、通过所述光路系统的聚焦透镜将整形后的激光束经由晶片结合体的基板聚焦照射至释放层。

所述步骤S100至步骤S300具体实施时，激光器发射激光束，激光束经过光路系统聚焦至加工平台上的晶片结合体，通过释放层材料对于紫外激光的吸收，使得释放层材料分解，从而实现晶片与基板的分离。其中，可以采用三倍频YAG激光器，激光波长为355nm，激光束为经过光束整形后得到的矩形状平顶光经由基板照射至释放层上。还可以采用输出波长为308nm的准分子激光器进行加工，采用308nm准分子激光的一个优势是可以利用聚酰亚胺基作为粘合层材料，它可以承受高达400℃的温度，这就使得晶片与基板的粘合结构在后续的离子注入等步骤中能够承受较高的温度，并且308nm的准分子紫外激光的穿透深度只有几百纳米，对晶片完全没有影响，从而降低加工过程中晶片损伤的概率；另一方面，308nm波长激光对于玻璃基板的透过率可达95％，也能减少玻璃基板吸收引起的能量损耗，同时，释放层材料对于308nm波长激光的吸收率达95％，能量利用率高，剥离充分。

进一步的，本实施例中，所述步骤S300中，控制激光束对晶片结合体的释放层进行扫描的扫描方式可以有多种，具体实施时，可以控制激光束聚焦至释放层上，由基板的边缘区域入射，沿直线进行来回往复扫描，且每次步进的距离等于光斑宽度大小，从而确保晶片表面上所有面积都能被激光照射到，且所接收到的光强是均匀的，能够获得均匀的加工效果。

进一步的，本实施例中，所述步骤S400具体包括：

步骤S410、开启所述真空加热系统，并移动至晶片结合体上方，使所述真空加热系统的加热圈固定板与晶片结合体接触，对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热；具体实施时，开启真空加热系统，移动真空加热系统至晶片结合体上方，使得加热圈固定板与晶片结合体接触。

步骤S420、在受到加热作用的区域内的粘合层材料被融化后，通过所述真空加热系统的真空吸嘴吸附晶片，将晶片从基板上移走；具体实施时，晶片与基板分离后，晶片通过真空吸嘴被吸附于加热圈固定板，移除真空加热系统。

本实施例中，在激光束对晶片结合体扫描完成之后，结合体中还含有释放层的部分区域上的释放层材料由于吸收激光能量后被分解，而由于在晶片的加工过程中，一部分区域的释放层材料腐蚀，此区域上无法受到激光作用，粘合层将晶片和基板粘合在一起。此时，将真空加热装置移动至晶片上方，且控制合适的力度使得晶片的上表面与加热圈固定板的底面保持接触，由于热传导，在受到加热作用的区域内的粘合层材料被融化，晶片与基板彻底分离。且由于真空吸嘴的存在，与基板分离后的晶片被吸附至真空吸嘴上被移开，也避免了在搬运过程中晶片碎裂。

在采用激光进行晶片剥离之后，释放层材料已被分解，晶片的大部分区域与基板分开，但由于释放层材料被腐蚀的区域上粘合层材料使得晶片与基板粘合，且无法再使用激光进行剥离，使用本发明所提供的真空加热装置及晶片剥离方法，能够在晶片被粘合的区域上对粘合层材料进行加热，使其融化，从而使得晶片剥离完全；同时，真空吸嘴可以对剥离后的晶片进行吸附，便于晶片的搬运，避免破损，提高晶片剥离的良率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种真空加热系统，其特征在于，包括：

加热圈固定板，呈环状，且带有一圈环状的凹槽；

加热圈，呈环状，设置在加热圈固定板的凹槽内；

隔热板，呈环状，设置在加热圈的上部；

吸嘴固定板，设置在隔热板的上部；以及

多个真空吸嘴，对称均匀的设置在吸嘴固定板上用于吸附剥离后的晶片将其移开。

2.根据权利要求1所述的真空加热系统，其特征在于，所述真空加热系统还包括：与加热圈连接用于测量加热圈温度的温度传感器；设置在加热圈与隔热板之间，用于与加热圈固定板配合将加热圈固定于所述凹槽内的加热圈盖板；以及固定于所述吸嘴固定板上用于方便移动真空加热系统的把手。

3.一种晶片剥离装置，其特征在于，包括如权利要求1～2任一项所述的真空加热系统、以及激光器、光路系统和控制系统；其中，所述激光器用于发射激光束；所述光路系统用于将激光器发射的激光束引导并聚焦至晶片结合体；所述真空加热系统用于对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热，使晶片结合体中的晶片与基板分离；所述控制系统与所述激光器和所述真空加热系统连接，用于控制激光器和真空加热系统的运行。

4.根据权利要求3所述的晶片剥离装置，其特征在于，所述晶片剥离装置还包括：与控制系统连接用于支撑和移动晶片结合体的加工平台。

5.根据权利要求3所述的晶片剥离装置，其特征在于，所述光路系统包括准直扩束系统、光束整形系统、振镜以及聚焦透镜；所述准直扩束系统用于对激光器发出的激光束进行准直和扩束；所述光束整形系统用于将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；所述振镜用于控制整形后的激光束的传输方向；所述聚焦透镜与振镜连接用于将整形后的激光束聚焦至晶片结合体的释放层。

6.根据权利要求3所述的晶片剥离装置，其特征在于，所述激光器为输出355nm波长的三倍频YAG激光器，或者为输出308nm波长的准分子激光器。

7.一种基于权利要求3所述的晶片剥离装置的晶片剥离方法，其特征在于，所述晶片剥离方法包括：

步骤A、通过所述激光器发射激光束；

步骤B、通过所述光路系统聚焦激光束至晶片结合体的释放层；

步骤C、通过所述控制系统控制激光束对晶片结合体的释放层进行扫描，使得所述释放层材料被分解；以及

步骤D、通过所述真空加热系统对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热，使晶片结合体中的晶片与基板分离。

8.根据权利要求7所述的晶片剥离方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

步骤B1、通过所述光路系统的准直扩束系统对激光器发射的激光束进行准直和扩束；

步骤B2、通过所述光路系统的光束整形系统将准直扩束后的激光束由高斯分布的圆形光斑整形为平顶分布的矩形光斑；

步骤B3、通过所述光路系统的振镜控制整形后的激光束的传输方向；以及

步骤B4、通过所述光路系统的聚焦透镜将整形后的激光束经由晶片结合体的基板聚焦照射至释放层。

9.根据权利要求7所述的晶片剥离方法，其特征在于，所述步骤C中，控制激光束对晶片结合体的释放层进行扫描的扫描方式为：控制激光束聚焦至释放层上，由基板的边缘区域入射，沿直线进行来回往复扫描，且每次步进的距离等于光斑宽度大小。

10.根据权利要求7所述的晶片剥离方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

步骤D1、开启所述真空加热系统，并移动至晶片结合体上方，使所述真空加热系统的加热圈固定板与晶片结合体接触，对晶片结合体上被腐蚀掉释放层的区域进行加热；

步骤D2、在受到加热作用的区域内的粘合层材料被融化后，通过所述真空加热系统的真空吸嘴吸附晶片，将晶片从基板上移走。