CN113436994B - 一种精密控制的固化处理介电材料的半导体装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造与封装技术领域，提出一种精密控制固化处理介电材料的半导体装置，包括晶圆放置架；晶圆台盘；以及低压固化晶圆腔室等装置。本发明还提出一种利用所述精密控制固化处理介电材料的装置实施介电材料固化的工艺方法。本发明通过使晶圆的背面处于减压状态与晶圆台盘紧密接触，在低压状态加热，使得晶圆与介电材料涂层等到均匀加热升温、或者断电降温，因此介电材料在低压受热固化时产生均匀收缩，带来的应力减小，固化后的介电材料性能提高，同时晶圆翘曲程度大大地降低。

Description

一种精密控制的固化处理介电材料的半导体装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造与封装技术领域，具体而言，本发明涉及一种精密控制的固化处理介电材料的半导体装置及方法。

背景技术

在实施晶圆级芯片封装技术时，通常在晶圆表面上涂敷液态介电材料(例如聚酰亚胺PI、聚苯并恶唑PBO、苯并环丁烯BCB等)涂层作为导电互连的重布线(RDL)之间的介电层，该涂层需要经过脱水、脱气硬化、再到化学键重新整合等固化处理。介电材料的性能与可靠性与固化工艺密切相关。由于有机介电材料加热时内部发生化学键重新整合，现有技术在进行高温固化处理后，整体晶圆出现较大翘曲变形。这种晶圆翘曲变形一般是由于介电材料涂层在加热时快速收缩，涂层的厚度降低，这样x/y/z三个方向不均匀收缩的介电材料涂层对其底部的晶圆产生很大的拉应力。最终晶圆的翘曲程度与固化处理工艺方法、晶圆厚度、涂层厚度、晶圆材质等相关，其中以固化处理工艺的影响最为关键，尤其对于硬度、刚性较弱的塑封树脂晶圆的影响为最大，即在进行扇出型晶圆封装(FOWLP)工艺制备的时候，固化处理介电材料所带来的晶圆翘曲最为明显，因此创新固化处理工艺就显得尤为重要。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种精密控制固化处介电材料的半导体装置，包括：

晶圆放置架，所述晶圆放置架被配置为承载晶圆台盘，并且所述晶圆放置架上布置有真空导管，所述真空导管连接所述晶圆台盘的背面与真空系统；

晶圆台盘，所述晶圆台盘的上表面被配置为承载晶圆，并且所述晶圆台盘上构造有通孔，所述通孔连通所述晶圆台盘的上表面和下表面，并且所述通孔与所述真空导管相连接；以及

低压固化晶圆装置，所述低压固化晶圆装置被配置为加热固化介电材料，所述介电材料涂覆于所述晶圆台盘上承载的晶圆表面。

在本发明一个实施例中规定，所述晶圆台盘包括：

底盘，所述底盘的上表面上构造有多个沟槽，所述多个沟槽之间相互连通，所述通孔设置于底盘中心；以及

边缘圈，所述边缘圈布置于所述底盘的边缘处，被配置为固定晶圆。

在本发明一个实施例中规定，所述底盘的边缘处布置盲孔，所述盲孔被配置为紧扣所述边缘圈。

在本发明一个实施例中规定，所述沟槽为圆形沟槽；所述沟槽的深度和宽度均为2.5-3.5mm；以及所述通孔的直径为3-6mm。

在本发明一个实施例中规定，所述底盘的材料包括铝合金、铜合金；以及所述边缘圈的材料包括Vespel有机材料。

在本发明一个实施例中规定，所述真空导管上设置有真空表以及自控阀门。

在本发明一个实施例中规定，所述低压固化晶圆装置包括：

进气管道，所述进气管道被配置为向所述加热腔室输送工艺气体；

加热腔室，所述加热腔室包括加热层，其中通过加热所述加热层以加热工艺气体；以及

出气管道，所述出气管道连接所述加热腔室与真空系统，并且所述出气管道上布置有压力控制阀，所述压力控制阀被配置为控制所述加热腔室中的压力。

在本发明一个实施例中规定，所述晶圆放置架和所述晶圆台盘放置在所述加热腔室内。

在本发明一个实施例中规定，所述低压固化晶圆装置还包括：

耐高温真空密封圈，所述耐高温真空密封圈布置于所述加热腔室的开口处：以及

腔室外门，所述腔室外门被配置为在关闭时与所述耐高温真空密封圈紧密贴合。

本发明还提出一种利用所述精密控制的介电材料固化装置固化介电材料的方法，包括下列步骤：

将晶圆放置在台盘里，台盘放置在所述晶圆放置架上，并且将所述真空管道与所述晶圆台盘的通孔相连接；

通过加热腔室的开口将所述晶圆放置架放入所述加热腔室中，并且通过所述真空管道连接所述通孔和真空系统；

通过控制所述自控阀门，使晶圆背面减压以和所述台盘紧密接触；

向加热腔室中通入工艺气体，并且通过调节所述工艺气体的流量以及调解所述加热腔室内的压力，以对腔体实施充气-排气循环作业；

通过控制所述压力控制阀，使加热腔室内的压力到达可设定的工艺压力值，并且在该压力下通过加热所述加热层以加热工艺气体，从而对涂敷介电材料的晶圆进行固化处理；

在到达可设定的时间后，停止加热所述加热层以降低所述加热腔室内的温度，并且仍然向所述加热腔室内通入工艺气体，逐步升压至一个大气压；

通过控制所述自控阀门，使晶圆背面通气升压；以及

将晶圆放置架从加热腔室中移除。

本发明基于发明人的如下洞察：在固化介电材料的过程中，晶圆发生翘曲变形一般是由于介电材料涂层在加热时收缩，介电材料涂层的厚度降低，会给介电材料涂层下部的晶圆产生很大的拉应力。本发明具有如下有益效果，通过使晶圆的背面处于减压状态与晶圆台盘紧密接触，晶圆均匀受热，内应力逐步释放，同时由于晶圆与台盘完全贴合，腔室可以降低压力至相对较低的压力，加速氧气等有害介电材料固化的去除，由于低压时整个涂层均匀固化，导致三维方向均匀收缩，如此产生的应力较小，在固化处理完毕后，又能够均匀地降低晶圆温度，从而有效抑制晶圆在介电材料固化后翘曲变形，同时可以获得高可靠性的介电材料。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了本发明一个实施例中低压固化晶圆装置的结构示意图。

图2示出了本发明一个实施例中加热腔室的结构示意图。

图3A示出了本发明一个实施例中晶圆放置架的结构示意图。

图3B示出了本发明一个实施例中晶圆台盘的结构示意图。

图4示出了本发明一个实施例中晶圆放置架的结构示意图.

图5A-B示出了本发明一个实施例中晶圆台盘的结构示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

在本发明的一个实施例中提出一个精密控制固化处理介电材料的半导体装置，包括晶圆放置架、低压固化晶圆腔室以及晶圆台盘。晶圆放置在所述晶圆台盘上，然后放入所述晶圆放置架，并且在所述低压固化晶圆腔室中固化处理涂敷有介电材料的晶圆。

如图1所示，低压固化晶圆装置100包括加热腔室101、腔室外门102、耐高温真空密封圈103、进气管道104、出气管道105以及压力控制阀106。通过在加热腔室101外侧设置腔室外门102和耐高温真空密封圈103，可以便于晶圆放置装置的放入和取出。进气管道104与可以生成通入工艺所需气体的装置连接，通过进气管道104可以向加热腔室101中通入工艺所需的气体，例如，氮气、氩气等。出气管道105用于排出加热腔室101内的气体。出气管道105连接真空阀，并且在出气管道105上设置有压力控制阀106，可以控制加热腔室101中的气压。

如图2所示，加热腔室200可以包括加热层201、通气管道202、固化处理腔室203、进气管道204、固化处理腔室通气孔205以及出气管道206。加热层201包围固化处理腔室203，加热层201之间设置通气管道一端连接腔室，另一端与进气口相连。图2箭头方向表示气流方向，进气管道204可以连接通气管道202，从进气管道204通入高纯气体，高纯气体沿通气管道202环绕至少一周，受两侧加热层201加热。腔室203的壁上设置有细小的通气孔205，可以使经过加热层201加热的气体流通入腔室203中。出气管道206连接腔室203与压力控制阀/真空阀，可以通出腔室中的气体，并且结合压力控制阀/真空阀控制腔室中的压力大小。

通过将高纯气体从腔室203的外围加热层201至少环绕一周，再从腔室203的通气孔205进入腔室203里，可以使得工艺气体在进入腔室203时受到充分加热升温，基本上达到介电材料固化工艺所需求的温度。通常在工艺开始，在加热腔室203的同时，实行对腔室203采用填充气体与接通真空系统的多次循环，冲刷腔室203，以及结合控制压力控制阀/真空阀，可将腔室203中的气压调到固化处理的工艺气压。

如图3A所示，在本发明的一个实施例中提出一个晶圆放置架301，晶圆放置架301上可以承载晶圆台盘302。晶圆放置架301上可以承载多个晶圆台盘302，例如可以承载25个晶圆台盘。晶圆放置架301可以构造有一定的高度变化，晶圆台盘302放置晶圆面的面朝向稍高的方向，例如可以构造为使得晶圆放置架301的顶部平面相对于底部平面呈10-15度倾斜。通过构造上述高度变化，可以使晶圆台盘302上的晶圆处在平稳的状态下。并且当晶圆台盘302放置到晶圆放置架302上时，晶圆表面与低气压处理腔室底部呈75-80度倾斜。

另外如图3B所示，晶圆台盘3001可以具有容纳晶圆的凹槽，凹槽边缘处构造有坡度变化结构3003，以防止晶圆3002从晶圆台盘3001中滑出。

如图4所示，本发明的另一个实施例中提出一个晶圆放置架400可以包括晶圆放置架底座401、真空管道402以及自控阀门403。晶圆放置架底座401被配置为承载晶圆台盘404。晶圆台盘404的正面可以放置晶圆，背面可以构造有与真空管道402连接的结构。在将晶圆放置装置400放入图2所示的固化处理腔室203中后，可以将晶圆台盘404的背面通过真空管道402与真空系统相连接，真空管道上还可以布置有自控阀门403，自控阀门403可以控制晶圆台盘404的背面与真空系统的通断以及平衡布置上晶圆后晶圆的正面与背面的压力。真空管道402可以通过图2所示的出气管道206连接真空泵或者通过加热腔室另外单独构造的管道连接真空泵。

可以和图4所示的晶圆放置架400配套使用的一个晶圆台盘500如图5A-B所示。如图5A所示，晶圆台盘500包括底盘501和边缘圈502，台盘底座501上承载有晶圆503。边缘圈502可以是导热良好的硬质材料，例如可以是VESPEL材料。底盘501可以是导热良好的金属材料，例如可以是铝合金、铜合金等。

如图5B所示，底盘501的边缘处可以构造有多个盲孔，用于紧扣布置在底盘501边缘的边缘圈5003。底盘501的上表面可构造有多个圆形沟槽5002，圆形沟槽5002的深度和宽度均可以构造为2.8-3.2mm。在底盘的中心处可以构造有通孔5001，通孔5001连通底盘的上表面和下表面，并且通孔5001的直径可以为3-6mm。在底盘501的上表面可以构造有连通多个圆形沟槽5002的结构，例如可以构造有一条直沟槽连通多个圆形沟槽5002。然而本领域技术人员应当理解，沟槽的形状、尺寸和连通方式均不限于上述示例，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的沟槽形状、尺寸和连通方式。

底盘5001的下表面可以构造为平滑的。在底盘501的上表面上覆盖晶圆502后，可以从通孔5001通过真空管道接真空系统，来对晶圆502的背面抽真空。并且可以通过自控阀门403平衡晶圆502的正面与背面的压力，待工艺结束时可以取出晶圆。

在本发明的一个实施例中，还提出一种利用上述精密控制的介电材料固化装置固化介电材料的方法。

在晶圆表面涂覆液态介电材料涂层后，首先经过低温烘烤，使涂层硬化。

其次，可以将上述涂覆有介电材料的晶圆放置在所述晶圆台盘上。

将所述晶圆台盘放置在所述晶圆放置架上，其中每个晶圆放置架上可以放置多个晶圆台盘。并且将所述真空管道与所述晶圆台盘的通孔相连接。

通过对腔室的开口将所述晶圆放置架放入所述加热腔室中，并且通过所述真空管道连接所述通孔和真空系统。

通过控制所述自控阀门，使晶圆背面减压以和所述台盘紧密接触。向加热腔室中通入工艺气体，并且通过调节所述工艺气体的流量以及调解所述加热腔室内的压力，以对腔体实施充气-排气循环作业。

通过控制所述压力控制阀，使加热腔室内的压力到达可设定的工艺压力值，并且在该压力下通过加热所述加热层以加热工艺气体，从而对涂敷介电材料的晶圆进行固化处理。

在到达可设定的时间后，通过关掉加热层的电源，降低加热层的温度，同时继续通入高纯气体来降低所述腔室内晶圆的温度，在达到工艺设置的温度后，向所述腔室内通入高纯气体流量，提升腔室的压力至一个大气压。

最后通过控制所述自控阀门，使晶圆背面通气升压，使晶圆和晶圆台盘不再紧密贴合，便于之后取出晶圆。

在以上描述的各个实施例中，以高纯气体作为工艺气体为例，介绍了本发明的介电材料固化装置及使用方法。然而，本领域的技术人员应该清楚，本发明的保护范围不限于此，在本发明的其他实施例中，可以使用任何其他适当的气体作为工艺气体，并且均落入本发明的保护范围。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (8)

1.一种利用精密控制固化处理介电材料的半导体装置固化介电材料的方法，其特征在于，所述半导体装置包括：

晶圆放置架，所述晶圆放置架被配置为承载晶圆台盘，并且所述晶圆放置架上布置有真空管道，所述真空管道连接所述晶圆台盘的背面与真空系统，其中所述真空管道上设置有自控阀门；

晶圆台盘，所述晶圆台盘的上表面被配置为承载晶圆，并且所述晶圆台盘上构造有通孔，所述通孔连通所述晶圆台盘的上表面和下表面，并且所述通孔与所述真空管道相连接；以及

低压固化晶圆装置，所述低压固化晶圆装置被配置为加热固化介电材料，所述介电材料涂覆于所述晶圆台盘上承载的晶圆表面，其中所述低压固化晶圆装置包括加热腔室，所述加热腔室包括加热层，其中通过加热所述加热层以加热工艺气体，其中所述低压固化晶圆装置包括出气管道，所述出气管道连接所述加热腔室与真空系统，并且所述出气管道上布置有压力控制阀，所述压力控制阀被配置为控制所述加热腔室中的压力；

该方法包括下列步骤：

将晶圆放置在晶圆台盘里，晶圆台盘放置在所述晶圆放置架上，并且将所述真空管道与所述晶圆台盘的通孔相连接；

通过加热腔室的开口将所述晶圆放置架放入所述加热腔室中，并且通过所述真空管道连接所述通孔和真空系统；

通过控制所述自控阀门，使晶圆背面减压以和所述晶圆台盘紧密接触；

向加热腔室中通入工艺气体，并且通过调节所述工艺气体的流量以及调节所述加热腔室内的压力，以对腔体实施充气-排气循环作业；

通过控制所述压力控制阀，使加热腔室内的压力到达设定的工艺压力值，并且在该压力下通过加热所述加热层以加热工艺气体，从而对涂敷介电材料的晶圆进行固化处理；

在到达设定的时间后，停止加热所述加热层以降低所述加热腔室内的温度，并且仍然向所述加热腔室内通入工艺气体，逐步升压至一个大气压；

通过控制所述自控阀门，使晶圆背面通气升压；以及

将晶圆放置架从加热腔室中移除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆台盘包括：

底盘，所述底盘的上表面上构造有多个沟槽，所述多个沟槽之间相互连通，所述通孔设置于底盘中心；以及

边缘圈，所述边缘圈布置于所述底盘的边缘处，被配置为固定晶圆。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述底盘的边缘处布置盲孔，所述盲孔被配置为紧扣所述边缘圈。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述沟槽为圆形沟槽；所述沟槽的深度和宽度均为2.5-3.5mm；以及所述通孔的直径为3-6mm。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述底盘的材料包括铝合金、铜合金。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述真空管道上设置有真空表。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低压固化晶圆装置还包括：

进气管道，所述进气管道被配置为向加热腔室输送工艺气体。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低压固化晶圆装置还包括：

耐高温真空密封圈，所述耐高温真空密封圈布置于所述加热腔室的开口处；以及

腔室外门，所述腔室外门被配置为在关闭时与所述耐高温真空密封圈紧密贴合。