KR102453172B1 - 반도체 요소 접합 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 요소의 초음파 접합 방법이, (a) 제1 반도체 요소의 복수의 제1 도전성 구조체의 각각의 표면을 제2 반도체 요소의 복수의 제2 도전성 구조체의 각각의 표면에 정렬시키는 단계; (b) 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체의 각각 사이에 초음파적으로 택 접합(tack bonds)을 형성하는 단계; 및 (c) 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체의 사이의 완성된 접합을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 요소 접합 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHODS FOR BONDING SEMICONDUCTOR ELEMENTS}
본 출원은 2016년 5월 5일에 출원된 출원 제15/147,015호의 일부 계속 출원이고, 그 출원은 2015년 8월 10일에 출원된 출원 제14/822,164호의 분할 출원이며, 이 분할 출원은 2014년 10월 3일에 출원된 출원 제14/505,609호(현재 미국 특허 9,136,240)의 계속 출원이며, 이는 2013년 10월 8일에 출원된 가출원 제61/888,203호의 이익을 주장하며, 각 출원의 내용은 본원에 참조로 통합되어 있다.
본 발명은 반도체 패키지의 형성에 관한 것으로, 특히, 반도체 요소를 함께 접합하기 위한 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전통적인 반도체 패키징은 전형적으로 다이 부착 공정 및 와이어 접합 공정을 포함한다. 진보한 반도체 패키징 기술(예컨대, 플립 칩 접합, 열압축 접합 등)이 이 산업 분야에서 더 많은 매력을 얻고 있다. 예컨대, 열압축 접합시에, 열과 압력을 사용하여 반도체 요소 사이에 복수의 상호 연결부를 형성한다.
진보한 패키징 기술은 점점 더 많이 이용되고 있지만, 예컨대, 어떤 진보한 패키징 기술의 상대적인 미숙함과 관련된 한계를 포함하여 이들 기술에 많은 한계가 있다. 그래서, 반도체 요소를 함께 접합하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 일 예시적인 실시 형태에 따르면, 반도체 요소를 초음파로 접합하는 반도체 요소 초음파 접합 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 제1 반도체 요소의 복수의 제1 도전성 구조체의 표면을 제2 반도체 요소의 복수의 제2 도전성 구조체의 각각의 표면에 정렬시키는 단계; (b) 상기 제1 도전성 구조체와 각각의 제2 도전성 구조체 사이에 임시 접합부를 초음파로 형성하는 단계; 및 (c) 상기 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체 사이에 완성된 접합부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에 따르면, 접합 시스템이 제공된다. 이 접합 시스템은 제1 반도체 요소를 지지하기 위한 지지 구조체를 포함하고, 제1 반도체 요소는 복수의 제1 도전성 구조체를 포함한다. 접합 시스템은 또한 복수의 제2 도전성 구조체를 포함하는 제2 반도체 요소를 지니고 있는 접합 도구를 포함하고, 이 접합 도구는, 제2 반도체 요소에 초음파 에너지를 가하여 상기 복수의 제2 도전성 구조체와 복수의 대응하는 제1 도전성 구조체 사이에 임시 접합부를 형성하기 위한 것이다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 관례에 따라, 도면의 다양한 요소들은 축척에 따라 있지 않다는 것을 강조해 둔다. 반대로, 다양한 요소의 치수는 명료성을 위해 임의로 확대 또는 축소되어 있다. 도면에는 다음과 같은 도가 포함되어 있다.
도 1a-1c는 본 발명의 일 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 2b는 도 2a의 "도 2b" 부분에 대한 확대도이다.
도 2c는 초음파 접합 후의 도 2b의 도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 4b는 도 4a의 "도 4b" 부분에 대한 확대도이다.
도 4c는 초음파 접합 후의 도 4b의 도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 5b는 도 5a의 "도 5b" 부분에 대한 확대도이다.
도 5c는 초음파 접합 후의 도 5b의 도이다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 6b는 도 6a의 "도 6b" 부분에 대한 확대도이다.
도 6c는 도전성 구조체 사이의 접촉 후의 도 6a의 일부분을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소를 초음파로 접합하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 8a-8e는 본 발명의 일 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소를 초음파로 접합하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10a-10e는 본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 다른 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소를 초음파로 접합하는 또 다른 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 12a-12d는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 또 다른 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소를 초음파로 접합하는 또 다른 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 14a-14d는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 상측 반도체 요소를 하측 반도체 요소에 접합하는 또 다른 구조와 방법을 도시하는 초음파 접합 기계의 일부분의 블록도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소를 초음파로 접합하는 또 다른 방법을 도시하는 흐름도이다.
여기서 사용되는 바와 같은 "반도체 요소(semiconductor element)"는 반도체 칩 또는 다이를 포함하는(또는 나중 단계에서 반도체 칩 또는 다이를 포함하도록 구성된) 어떤 구조체라도 말하는 것이다. 예시적인 반도체 요소는, 그 중에서도, 베어(bare) 반도체 다이, 기판 상의 반도체 다이(예컨대, 리드프레임, PCB, 캐리어 등), 패키징된 반도체 장치, 플립 칩 반도체 장치, 기판에 내장된 다이, 반도체 다이의 적층체를 포함한다. 또한, 반도체 요소는 반도체 패키지에 접합되거나 아니면 포함되도록 구성된 요소(적층형 다이 구성으로 접합될 스페이서, 기판 등)를 포함할 수 있다.
본 발명의 어떤 예시적인 실시 형태에 따르면, 패키지 온 패키지(즉, PoP; package on package)와 같은 반도체 장치를 조립하기 위한 독창적인 기술(및 구조)이 제공된다. 예컨대, 복수의 반도체 요소(패키지일 수 있음)가 적층형 구성으로 배치될 수 있다. 각 요소는 바람직하게는 초음파로 함께 접합되는 알루미늄(또는 알루미늄 합금, 또는 부분적으로 알루미늄)을 포함한다. 이러한 기술은, 예컨대, 다른 상호 연결 기술(예컨대, 땜납 기반 PoP 기술)과 비교하여 감소된 밀도; 다른 상호 연결 기술과는 달리 땜납 질량 리플로우가 이용되지 않는다는 점; 및 어떤 용례에서는 알루미늄-알루미늄 상호 연결의 사용을 통해 실온 초음파 접합이 가능하다는 점을 포함한 어떤 이점을 가지고 있다.
도 1a는 접합 도구(124) 및 지지 구조체(150)를 포함하는 초음파 접합 기계(100)의 일부분을 도시한다. 통상의 기술자라면 아는 바와 같이, 열압축 접합 기계(예컨대, 기계(100), 또는 여기서 설명되는 다른 기계 실시 형태 중 임의의 것)는 많은 요소(단순성을 위해 여기서 도면에는 도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다. 예시적인 요소는, 다른 요소들 중에서도 예컨대, 추가 반도체 요소와 접합될 입력 작업물을 제공하기 위한 입력 요소; 이제 추가 반도체 요소를 포함하는 처리된 작업물을 수용하기 위한 출력 요소; 작업물을 이동시키기 위한 전달 요소; 작업물의 촬상 및 정렬을 위한 촬상 시스템; 접합 도구를 지니고 있는 접합 헤드 어셈블리; 접합 헤드 어셈블리를 움직이기 위한 운동 시스템; 및 기계를 작동시키기 위한 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 시스템을 포함한다.
다시 도 1a를 참조하면, 상측 반도체 요소(108)가 접합 도구(124)의 유지부(110)에 의해 유지된다(예컨대, 유지부(110)의 유지 표면에 형성되어 있는 진공 포트를 통해 주어지는 진공에 의해). 상측 반도체 요소(108)는 그의 하측 표면에서 상측 반도체 구조체(112a, 112b)를 포함한다. 하측 반도체 요소(160)는 기판(104)에 접합되는(또는 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(102)를 포함한다. 하측 도전성 구조체(106a, 106b)가 하측 반도체 다이(102)의 상측 표면에 제공되어 있다. 기판(104)은 지지 구조체(150)(예컨대, 기계(100)의 열 블록, 기계(100)의 앤빌(anvil), 또는 다른 원하는 지지 구조체)에 의해 지지 된다. 도 1a에 나타나 있는 구성(접합 준비)에서, 상측 도전성 구조체(112a, 112b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(106a, 106b)와 정렬된다. 반도체 요소(108)는 접합 도구(124)의 운동(도 1a에서 화살표(126)로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된다. 도 1b는, 이 이동 후에 일어나는 각각의 도전성 구조체(106a, 112a; 106b, 112b) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서(도시되어 있지 않지만, 도면에서 "USG"(초음파 발생기)로 표시되어 있음)를 사용하여 초음파 에너지(114)가 접합 도구(124)를 통해 상측 반도체 요소(108) 및 상측 도전성 구조체(112a, 112b)에 가해진다. 예컨대, 접합 도구(124)를 지니고 있는 초음파 트랜스듀서가 기계(100)의 접합 헤드 어셈블리에 보유될 수 있다.
초음파 접합 동안에, 하측 도전성 구조체(106a, 106b)는 지지 구조체(150)에 의한 하측 반도체 요소(160)의 지지를 통해 상대적으로 움직이지 않게 유지될 수 있다(예컨대, 지지 구조체(150)의 지지 표면은 접합 동안에 기판(104)을 지지 구조체(150)에 고정하기 위해 하나 이상의 진공 포트를 포함할 수 있음). 초음파 에너지(114)(선택적인 접합력 및/또는 열과 함께)가 도전성 구조체의 부분적인 변형을 일으킬 수 있다. 예컨대, 도 1c에서 도전성 구조체(106a, 106b; 112a, 112b)는 부분적으로 변형된 상태로 도시되어 있다. 도 1c에서 초음파 접합부가 각 쌍의 도전성 구조체 사이에 형성되어 있다. 예컨대, 변형된 도전성 구조체(112a'/106a') 사이에 초음파 접합부(128a)가 형성되어 있고, 또한 변형된 도전성 구조체(112b'/106b') 사이에는 초음파 접합부(128b)가 형성되어 있다. 도전성 구조체(106a, 106b; 112a, 112b)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있고 또는 그의 접합 표면 등에서 알루미늄을 함유할 수 있다.
각 쌍의 도전성 요소(106a, 112a; 106b, 112b)는 실온에서 함께 접합될 수 있다(접합 공정 동안에 열 추가됨 없이). 선택적으로, 추가적인 열이 예컨대 (1) 접합 공정 동안에 접합 도구(124)를 통해 상측 반도체 요소(108)에 가해져 상측 도전성 요소(112a, 112b)를 가열할 수 있고/있거나 (2) 접합 공정 동안에 지지 구조체(150)(예컨대, 열 블록(150))를 통해 하측 반도체 요소(160)에 가해져 하측 도전성 구조체(106a, 106b)를 가열할 수 있다. 이러한 선택적인 가열(예컨대, 접합 도구 및/또는 지지 구조체 등을 통한)은 여기서 도시되고 설명되는 본 발명의 실시 형태들 중의 어떤 것에도 적용될 수 있다.
도 1a-1c에 도시되어 있는 반도체 요소(160, 108)는 함께 접합되도록 구성된 많은 반도체 요소 중 어떤 것이라도 될 수 있다. 매우 특정한 한 예로(여기서 도시되고 설명되는 다른 실시 형태에도 적용될 수 있음), 반도체 요소(160)는 프로세서(예컨대, APU(application processor unit)으로도 알려져 있는 이동 전화 프로세서)이고, 반도체 요소(108)는 도 1a-1c에 나타나 있는 바와 같이 그 프로세서에 접합되도록 구성된 메모리 장치일 수 있다.
도 1a-1c에 나타나 있는 도전성 구조체(즉, 112a, 112b, 106a, 106b)는 일반적인 구조체로서 도시되어 있다. 이들 구조체는, 특히, 도전성 필라(pillar) 스터드 범프(stud bump)(예컨대, 스터드 범핑 기계를 사용하여 형성됨), 전기 도금된 도전성 구조체, 스퍼터링된 도전성 구조체, 와이어부, 접합 패드, 접촉 패드와 같은 많은 다른 형태를 취할 수 있다. 여기서 제공되어 있는 다양한 다른 도면은 그러한 구조체의 특정한 예를 도시한다. 본 발명의 어떤 실시 형태에 따르면, 도전성 구조체는 다른 도전성 구조체에 접합되는 접촉 영역(즉, 접합 표면)에서 알루미늄을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 도전성 구조체는 알루미늄 또는 알루미늄 합금(예컨대, 구리로 합금된 알루미늄, 규소와 구리로 합금된 알루미늄 등)으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 도전성 구조체는 알루미늄 외의 베이스 도전성 재료(예컨대, 구리)를 포함할 수 있고 접촉 영역에서는 알루미늄(또는 알루미늄 합금)을 갖는다. 본 출원 전체에 걸쳐, 도전성 구조체를 "알루미늄(aluminum)"이라고 하는 경우, 그 도전성 구조체는 알루미늄, 알루미늄 합금일 수 있고, 또는 그러한 도전성 구조체의 접촉 영역에서 알루미늄(또는 알루미늄 합금)을 포함할 수 있다.
도 2a는 접합 도구(224) 및 지지 구조체(250)를 포함하는 초음파 접합 기계(200)의 일부분을 도시한다. 상측 반도체 요소(208)는 접합 도구(224)의 유지부(210)에 의해 유지되고(예컨대, 진공으로), 하측 표면에 제공되어 있는 상측 도전성 구조체(222a, 222b)(즉, 도전성 알루미늄 패드(222a, 222b))를 포함한다. 하측 반도체 요소(260)는 기판(204)에 접합되는(또는 그 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(202)를 포함한다. 하측 도전성 구조체(206a, 206b)가 하측 반도체 다이(202)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(204)은 지지 구조체(250)에 의해 지지된다. 도 2a에 나타나 있는 구성에서, 상측 도전성 구조체(222a, 222b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(206a, 206b)와 정렬된다(또한 초음파로 접합되도록 구성되어 있음). 하측 도전성 구조체(206a)는 하측 반도체 다이(202)의 상측 표면에 제공되어 있는 구리(Cu) 필라(230), 및 Cu 필라(230)의 상측 표면에 있는 상측 알루미늄 접촉 구조체(216)를 포함한다. 상측 알루미늄 접촉 구조체(216)는 예컨대 하측 구리 필라(230)의 상측 표면에 전기 도금되거나 스퍼터링될 수 있다. 도 2b는 도 2a의 "B" 부분의 확대도이고, 상측 도전성 요소(222a)와 접촉하는 하측 도전성 구조체(206a)의 정상부를 도시한다.
초음파 트랜스듀서(도시되지 않음)를 사용하여 초음파 에너지가 접합 도구(224)를 통해 상측 반도체 요소(208)에 가해진다. 초음파 에너지는 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이 도전성 구조체의 부분적인 변형을 일으킬 수 있다. 즉, 변형된 상측 도전성 구조체(222a')와 변형된 접촉 구조체(216') 사이에 초음파 접합부(228)가 형성된다(도 2c에 도시되어 있는 바와 같이).
통상의 기술자라면 아는 바와 같이, Cu 필라(230)(전기 도금된 또는 스퍼터링된 알루미늄 접촉 구조체/부분(216)을 포함함)는 알루미늄을 포함하는 도전성 구조체의 일 예일 뿐이다. 도 2a는 다른 예시적인 도전성 구조체(206b)를 도시한다. 하측 도전성 구조체(206b)는, (와이어 접합 공정을 사용하여 접합될 수 있는) 알루미늄 와이어의 일부분, 알루미늄 필라 등과 같은 알루미늄 구조체(또는 알루미늄 합금 구조체)이다.
도 3은 접합 도구(324) 및 지지 구조체(350)를 포함하는 초음파 접합 기계(300)의 일부분을 도시한다. 상측 반도체 요소(308)는 접합 도구(324)의 유지부(310)에 의해 유지되고(예컨대, 진공으로), 상측 도전성 구조체(322a, 322b)(즉, 도전성 알루미늄 패드(322a, 322b))를 포함한다. 도 3은 패키징된 반도체 장치(360)(즉, 하측 반도체 요소(360))를 상측 반도체 요소(308)에 접합하는 것을 도시한다. 하측 반도체 요소(360)는 기판(304)에 접합되는(또는 아니면 그 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(302)를 포함한다. 하측 도전성 구조체(306a, 306b)가 기판(304)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(304)은 지지 구조체(350)에 의해 지지된다. 와이어 루프(320a, 320b)가 반도체 다이(302)와 기판(304) 사이에 접합되어 있다(도 3에는 도시되어 있지 않지만, 다이(302)는 와이어 루프 상호 연결과는 반대로 또는 그에 추가로 기판(304)에 접합되는 플립 칩일 수 있음). 코팅/캡슐(334)(예컨대, 에폭시 몰딩 화합물)이 다이(302)와 와이어 루프(320a, 320b) 위에 가해져 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 하측 도전성 구조체(306a, 306b)의 상측 부분은 코팅/캡슐(334) 위쪽에서 노출되어 상측 반도체 요소(308)와의 전기적 연결을 가능하게 한다.
도 3에 나타나 있는 구성에서, 상측 도전성 구조체(322a, 322b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(306a, 306b)와 정렬된다(또한 초음파로 접합되도록 구성되어 있음). 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 하측 도전성 구조체(306a, 306b) 각각은 기판(304)의 상측 표면에 있는 각각의 Cu 필라(330a, 330b), 및 Cu 필라(330a, 330b)의 상측 표면에 있는 각각의 상측 알루미늄 접촉 구조체(316a, 316b)를 포함한다. 상측 알루미늄 접촉 구조체(316a, 316b)는 Cu 필라(330a, 330b)의 각 상측 표면에 전기 도금되거나 스퍼터링될 수 있다. 나타나 있는 바와 같이, 반도체 요소(308)는 접합 도구(324)의 운동(도 3에서 화살표로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된 상태이고, 그래서 도 3은 도전성 구조체(306a, 322a; 306b, 322b) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서를 사용하여 초음파 에너지(선택적인 열 및/또는 결합력과 함께)가 (예컨대, 접합 도구(324)를 통해) 상측 반도체 요소(308)에 가해져, 알루미늄 도전성 구조체(322a, 322b)와 각각의 알루미늄 접촉 구조체(316a, 316b) 사이에 초음파 접합부를 형성하게 된다.
도 4a는 접합 도구(424) 및 지지 구조체(450)를 포함하는 초음파 접합 기계(400)의 일부분을 도시한다. 상측 반도체 요소(408)는 접합 도구(424)의 유지부(410)에 의해 유지되고(예컨대, 진공으로), 하측 표면에서 상측 도전성 구조체(412a, 412b)(즉, 스퍼터링된 알루미늄 범프, 알루미늄 스터드 범프 등)를 포함한다. 하측 반도체 요소(460)는 지지 구조체(404)(예컨대, FR4 지지 구조체)에 접합되는(또는 아니면 그에 의해 지지되는) 반도체 다이(402)를 포함한다. 하측 도전성 구조체(406a, 406b)(즉, 스퍼터링된 알루미늄 범프, 알루미늄 스터드 범프 등)가 하측 반도체 다이(402)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(404)은 지지 구조체(450)에 의해 지지된다. 도 4a에 나타나 있는 구성에서, 상측 도전성 구조체(412a, 412b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(406a, 406b)와 정렬된다(또한 초음파로 접합되도록 구성되어 있음). 구조체(412a, 406b)(초음파 접합 전)의 상세가 도 4b에 나타나 있다. 다시 도 4a를 참조하면, 반도체 요소(408)는 접합 도구(424)의 운동(도 4a에서 화살표로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된 상태이고, 그래서 도전성 구조체(406a, 412a; 406b, 412b) 사이의 접촉이 나타나 있다. 초음파 트랜스듀서를 사용하여 초음파 에너지(414)(선택적인 열 및/또는 결합력과 함께)가 (예컨대, 접합 도구(424)를 통해) 상측 반도체 요소(408)에 가해져, 변형된 상측 알루미늄 도전성 구조체와 각각의 변형된 하측 알루미늄 접촉 구조체 사이에 초음파 접합부(428a, 428b)를 형성하게 된다(예컨대, 도 4c에 도시되어 있는 바와 같은, 변형된 구조체(412a')와 변형된 구조체(406a') 사이에 형성된 완성된 초음파 접합부(428a') 참조).
도 5a는 접합 도구(524) 및 지지 구조체(550)를 포함하는 초음파 접합 기계(500)의 일부분을 도시한다. 상측 반도체 요소(508)는 접합 도구(524)의 유지부(510)에 의해 유지되고(예컨대, 진공으로), 상측 도전성 구조체(522a, 522b)(즉, 도전성 알루미늄 패드(522a, 522b))를 포함한다. 하측 반도체 요소(560)는 기판(504)(예컨대, FR4 지지 구조체)에 접합되는(또는 아니면 그에 의해 지지되는) 반도체 다이(502)를 포함한다. 하측 도전성 구조체(506a, 506b)(즉, 스퍼터링된 알루미늄 범프, 알루미늄 스터드 범프 등)가 하측 반도체 다이(502)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(504)은 지지 구조체(550)에 의해 지지된다. 도 5a에 나타나 있는 구성에서, 상측 도전성 구조체(522a, 522b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(506a, 506b)와 정렬된다(또한 초음파로 접합되도록 구성되어 있음). 구조체(522a, 506b)(초음파 접합 전)의 상세가 도 5b에 나타나 있다. 나타나 있는 바와 같이, 반도체 요소(508)는 접합 도구(524)의 운동(도 5a에서 화살표로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된 상태이고, 그래서 도 5a는 도전성 구조체(506a, 522a) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서를 사용하여 초음파 에너지(선택적인 열 및/또는 결합력과 함께)가 (예컨대, 접합 도구(424)를 통해) 상측 반도체 요소(508)에 가해져, 변형된 상측 알루미늄 도전성 구조체와 각각의 변형된 하측 알루미늄 접촉 구조체 사이에 초음파 접합부(528a, 528b)를 형성하게 된다(예컨대, 도 5c에 도시되어 있는 바와 같은, 변형된 구조체(522a')와 변형된 구조체(506a') 사이에 형성된 완성된 초음파 접합부(528a') 참조).
도 6a는 접합 도구(624) 및 지지 구조체(650)를 포함하는 초음파 접합 기계(600)를 도시한다. 도 6에서, 복수의 반도체 요소는 본 발명의 교시에 따라, 적층형 구성으로 함께 접합되었다. 구체적으로, 반도체 요소(660a)는 기판(604a)에 접합되는(또는 아니면 그에 의해 지지되는) 반도체 다이(602a)를 포함하고, 도전성 구조체(606a, 606b)(즉, 예컨대 스퍼터링된 알루미늄 범프, 알루미늄 스터드 범프 등)가 반도체 다이(602a)의 상측 표면에 제공되어 있다. 반도체 요소(660a)는 지지 구조체(650)에 의해 지지된다.
다른 반도체 요소(660b)(기판(604b)에 접합되거나 또는 아니면 그에 의해 지지되는 대응하는 반도체 다이(602b), 및 기판(604b) 상에 있는 도전성 구조체(612a, 612b)를 포함하는)가 미리 반도체 요소(660a)에 접합되었다. 보다 구체적으로, 접합 도구(624)는 미리 요소(660b)를 요소(660a)에 접합하여(예컨대, 초음파로 접합함), 각 쌍의 알루미늄 도전성 구조체(612a, 606a; 612b, 606b) 사이에 초음파 접합부(628a, 628b)가 형성되었다. 요소(660b)는 또한, 아래에서 설명하는 단계에서 요소(660c)의 도전성 구조체에 접합된 도전성 구조체(606a', 606b')를 포함한다. 도 6b는 변형된 도전성 구조체(612a, 606a)를 포함하는 초음파 접합부(628a)의 상세도를 도시한다.
마찬가지로, 다른 반도체 요소(660c)(기판(604c)에 접합되거나 또는 아니면 그에 의해 지지되는 대응하는 반도체 다이(602c), 및 기판(604c) 상에 있는 도전성 구조체(612a', 612b')를 포함하는)가 미리 반도체 요소(660b)에 접합되었다. 보다 구체적으로, 접합 도구(624)는 미리 요소(660c)를 요소(660b)에 접합하여(예컨대, 초음파로 접합함), 각 쌍의 알루미늄 도전성 구조체(612a', 606a'; 612b', 606b') 사이에 초음파 접합부(628a', 628b')가 형성되었다. 요소(660c)는 또한, 아래에서 설명하는 단계에서 요소(660d)의 도전성 구조체에 접합될 도전성 구조체(606a", 606b")를 포함한다.
도 6a에 나타나 있는 바와 같이, 상측 반도체 요소(660d)는 접합 도구(624)의 유지부(610)에 의해 유지되고(예컨대, 진공으로), 기판(604d)에 접합되는(또는 아니면 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(602d)를 포함한다. 기판(604d)의 하측 표면에는 도전성 구조체(612a", 612b")(즉, 스퍼터링된 알루미늄 범프, 알루미늄 스터드 범프 등)가 제공되어 있다. 도전성 구조체(612a", 612b")는 일반적으로 마주하는 각각의 도전성 구조체(606a", 606b")와 정렬된다(또한 초음파로 접합되도록 구성되어 있음). 반도체 요소(660d)는 접합 도구(624)의 운동(도 6a에서 화살표로 나타나 있는 바와 같은) 하방으로 이동된다. 이 하방 이동 후에, 각 쌍의 도전성 구조체(612a", 606a"; 612b", 606b") 사이에 접촉이 일어날 것이다(예컨대, 초음파 접합을 통한 변형전의 구조체(612a", 606a") 사이의 접촉을 나타내는 도 6c의 상세도 참조). 초음파 트랜스듀서(도시되지 않음)를 사용하여 초음파 에너지가 접합 도구(624)를 통해 상측 반도체 요소(604d)에 가해져, 각 쌍의 도전성 구조체(612a", 606a"; 612b", 606b") 사이에 초음파 접합부를 형성하게 된다.
특정한 예시적인 상측 및 하측 알루미늄 도전성 구조체가 도시되었지만, 통상의 기술자는 상측 및 하측 알루미늄 도전성 구조체의 다양한 형상 및 설계가 본 발명의 교시 내에서 허용됨을 이해할 것이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소를 함께 접합하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 통상의 기술자는 이해하는 바와 같이, 그 흐름도에 포함되어 있는 어떤 단계는 생략될 수 있고, 어떤 추가적인 단계가 추가될 수 있으며, 또한 단계의 순서는 도시된 순서로부터 변경될 수 있다. 단계 700에서, 제1 반도체 요소(예컨대, 기판 상에 있는 반도체 다이를 포함함)가 접합 기계의 지지 구조체 상에 지지된다. 제1 반도체 요소(예컨대, 반도체 구조체의 상측 표면)는, 적어도 부분적으로 알루미늄으로 구성된 복수의 제1 도전성 구조체를 포함한다(예컨대, 도 1a에 있는 요소(160)의 구조체(106a, 106b); 도 2a에 있는 요소(260)의 구조체(206a, 206b); 도 3a에 있는 요소(360)의 구조체(306a, 306b); 도 4a에 있는 요소(460)의 구조체(406a, 406b); 도 5a에 있는 요소(560)의 구조체(506a, 506b); 및 도 6a에 있는 요소(660c)의 구조체(606a", 606b") 참조). 단계 702에서, 제2 반도체 요소가 접합 기계의 접합 도구의 유지부에 의해 유지된다(예컨대, 대응하는 도에 있는 요소(108, 208, 308, 408, 508, 660d) 참조). 제2 반도체 요소는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 구성된 복수의 제2 도전성 구조체(예컨대, 제2 반도체 요소의 하측 표면에 있음)를 포함한다. 단계 704에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 서로 정렬되고(예컨대, 도 1a 및 6a 참조) 그런 다음에 서로 접촉하게 된다. 선택적인 단계 706에서, 복수의 정렬된 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 미리 정해진 양의 접합력으로 함께 가압된다. 미리 정해진 양의 접합력은 단일 접합력 값일 수 있고, 또는 접합 작업 중에 실제 접합력이 변하는 접합력 프로파일일 수 있다. 선택적인 단계 708에서, 복수의 정렬된 제1 도전성 구조체 및/또는 제2 도전성 구조체에 열이 가해진다. 예컨대, 그 열은 제1 반도체 요소를 지지하는 지지 구조체를 사용하여 제1 도전성 구조체에 가해질 수 있다. 마찬가지로, 제2 반도체 요소를 유지하는 접합 도구를 사용하여 제2 도전성 구조체에 열이 가해질 수 있다. 단계 710에서, 복수의 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 초음파로 함께 접합되어 그들 사이에 초음파 접합부를 형성한다.
통상의 기술자는 아는 바와 같이, 본 발명은 알루미늄 재료를 알루미늄 재료에 접합하고 이는 종종 열 필요 없이 초음파 에너지 및/또는 접합력으로 쉽게 달성될 수 있으므로, 본 발명은 주변/낮은 온도에서의 접합 작업이 요망될 때 특별한 이점을 갖는다.
본 발명은 주로 초음파로 함께 접합되는 두 쌍의 도전성 구조체에 대해 도시되고 설명되었지만, 물론 본 발명은 그에 한정되지 않는다. 실제로, 본 발명에 따라 조립되는 반도체 패키지(예컨대, 진보된 패키지)는 어떤 수의 도전성 구조체라도 가질 수 있고, 초음파로 함께 접합되는 수백 쌍(심지어 수천 쌍)의 도전성 구조체를 가질 수 있다. 또한, 도전성 구조체는 쌍으로 접합될 필요는 없다. 예컨대, 한 구조체는 마주하는 2개 이상의 구조체에 접합될 수 있다. 따라서, 한 반도체 요소에 있는 어떤 수의 도전성 구조체라도 다른 반도체 요소에 있는 어떤 수의 도전성 구조체에도 초음파로 접합될 수 있다.
본 발명은 주로 접합 도구(예컨대, 접합 도구는 초음파 트랜스듀서와 결합됨)를 통해 초음파 에너지를 가하는 것을 설명(및 도시)하지만, 본 발명은 그에 한정되지 않는다. 오히려, 초음파 에너지는 어떤 원하는 구조체를 통해서도 전달될 수 있는데, 예컨대 지지 구조체를 통해 전달될 수 있다.
통상의 기술자는 아는 바와 같이, 초음파 접합의 상세는 특정 용례에 따라 넓게 변할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이제 어떤 비한정적인 예시적 상세를 설명한다. 예컨대, 초음파 트랜스듀서의 진동수는 도전성 구조체(예컨대, 필라 구조체 등)의 설계와 관련하여 설계될 수 있고, 그래서 트랜스듀서 공진 진동수는 주어진 반도체 요소의 공진 진동수에 실질적으로 일치하게 되며, 이와 관련하여, 도전성 구조체는 동적으로 외팔보(cantilever beam)로서 작용할 수 있다. 다른 예시적인 대안예에서, 트랜스듀서는 단순한 "구동(driven)"형 방식으로 반도체 요소에 대해 공진외 조건에서 작동될 수 있다.
초음파 트랜스듀서에 가해지는(예컨대, 트랜스듀서 구동기의 압전 결정/세라믹에 가해지는) 에너지에 대한 예시적인 범위는 0.1kHz-160kHz, 10kHz-120kHz, 20kHz-60kHz 등일 수 있다. 접합 동안에 단일 진동수가 가해질 수 있고, 또는 복수의 진동수가 가해질 수 있다(예컨대, 순차적으로, 동시에, 또는 두 가지 모두로). 반도체 요소의 문지름(scrub)(즉, 접합 도구에 의해 유지되는 반도체 요소에 가해지는 진동 에너지)이 많은 원하는 방향 중 어떤 방향으로도 가해질 수 있고, 다른 구성 중에서도, 반도체 요소를 유지하는 접합 도구(여기서 도시되어 있는 바와 같은)를 통해, 또는 반도체 요소를 지지하는 지지 구조체를 통해 가해질 수 있다. 특히 여기서 도시되어 있는 실시 형태를 참조하면(초음파 에너지는 반도체 요소를 유지하는 접합 도구를 통해 가해짐), 문지름은 접합 도구의 길이 방향 축선에 실질적으로 평행하거나 실질적으로 수직인 방향으로(또는 다른 방향으로) 가해질 수 있다.
초음파 트랜스듀서에 의해 가해지는 진동 에너지는 예컨대 0.1um 내지 10um의 피크-투-피크(peak-to-peak) 진폭 범위에서 가해질 수 있다(예컨대, 일정 전압, 일정 전류의 피드백 제어, 또는 하나 이상의 입력에 근거하는 경사 전류, 경사 전압 또는 비례 피드백 제어를 포함하되 이에 한정되지 않는 교번 제어 계획으로).
여기서 설명하는 바와 같이, 접합력은 초음파 접합 사이클의 적어도 일부분 동안에도 가해질 수 있다. 접합력의 예시적인 범위는 0.1kg 내지 100kg이다. 접합력은 일정한 값으로 가해질 수 있고, 또는 접합 사이클 동안에 변하는 접합력 프로파일일 수 있다. 접합력이 제어되는 경우에, 그 접합력의 피드백 제어는 하나 이상의 입력(예컨대, 초음파 진폭, 시간, 속도, 변형, 온도 등)에 근거하여 일정하거나 경사지거나 또는 비례적일 수 있다.
여기서 설명하는 바와 같이, 반도체 요소 중의 하나 이상은 접합 사이클 전 및/또는 동안에 가열될 수 있다. 반도체 요소의 온도의 예시적인 범위는 20℃-250℃이다. 열(예컨대, 접합 도구와 지지 구조체 중의 하나 또는 둘 모두, 또는 다른 요소를 통해 가해짐)은 일정한 값으로 가해질 수 있고, 또는 접합 사이클 동안에 변하는 온도 프로파일일 수 있고, 피드백 제어를 사용하여 제어될 수 있다.
본 발명은 주로 각각의 반도체 요소에 있는 알루미늄 도전성 구조체 사이에 초음파 접합부를 형성하는 것에 대해 도시되고 설명되었지만, 물론 본 발명은 그에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 교시는 다른 조성을 갖는 도전성 구조체 사이에 초음파 접합부를 형성하는 데에도 적용될 수 있다. 접합되는 도전성 구조체에 대한 재료의 예를 들면, 알루미늄과 구리(즉, 한 반도체 요소에 있는 알루미늄 도전성 구조체와 다른 반도체 요소에 있는 구리 도전성 구조체 사이에 초음파 접합부를 형성함); 무납(lead free) 땜납(예컨대, 주로 주석으로 구성됨)과 구리; 무납 땜납과 알루미늄; 구리와 구리; 알루미늄과 은: 구리와 은; 알루미늄과 금; 금과 금; 및 구리와 금이 있다. 물론, 도전성 구조체 조성의 다른 조합(예컨대, 인듐)도 고려된다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 양태는 반도체 요소의 다양한 도전성 구조체에 포함되는 알루미늄 재료와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 그에 한정되지 않는다. 즉, 반도체 요소의 도전성 구조체는 다양한 다른 재료를 포함할 수 있다(또는 그러한 재료로 형성될 수 있음). 예컨대, 상측 반도체 요소(예컨대, 접합 도구를 사용하여 보유되고 접합되는 요소)에 있는 도전성 구조체, 및/또는 하측 반도체 요소(예컨대, 상측 도전성 요소가 접합되는 요소)에 있는 도전성 구조체는 구리로 형성될 수 있다(또는 구리를 포함할 수 있음).
본 발명의 어떤 양태에 따르면, 다단계 접합 공정과 관련하여 초음파 문지름/에너지가 이용될 수 있다. 예컨대, 초음파 문지름/에너지는 플립 칩 및/또는 열압축 접합 공정을 위한 개시자로서 사용될 수 있다. 초음파 문지름은 예컨대 초기 접합부의 형성과 관련하여 산화물을 제거하여 최종 결합 공정(예컨대, 확산 결합 공정)을 준비하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 다단계 접합 공정은 많은 다른 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 초음파 문지름/에너지를 사용하여, 접합 도구는 제1 반도체 요소 상의 제1 도전성 구조체와 제2 반도체 요소 상의 제2 도전성 구조체 사이에 초기 접합부(예컨대, "임시(tack)" 접합부)를 형성할 수 있다. 접합부는 동일한 도구를 사용하여(예컨대, 열 및/또는 힘을 가하여) 완성될 수 있고, 도 8a-8d는 그러한 공정의 일 예를 도시한다. 다른 예로, 접합부는 나중에 다른 공정을 사용하여 완성될 수 있다(예컨대, 동일한 접합 기계에서, 다른 접합 기계 등에서). 이러한 나중(다른) 공정을 사용하여, 복수 요소의 접합부가 "집단(gang)"형 접합 공정을 통해 한번에 완성될 수 있으며, 추가적인 도 8e는 도 8a-8c와 함께 그러한 공정의 일 예를 도시한다.
따라서, 본 발명의 어떤 실시 형태에 따르면, 반도체 요소(예컨대, 반도체 다이)의 다른 반도체 요소(예컨대, 기판, 다른 다이, 웨이퍼 등)에 대한 후속 플립 칩 및/또는 열압축 접합 전에 안정적이고 튼튼한 용접을 개시하기 위해 초음파 문지름(필요하다면, 힘과 함께)이 이용된다. 초음파 운동에 의해, 결합될 표면 상의 산화물이 문질러져 제거된다. 초음파 문지름 및/또는 힘은 상호 연결부(즉, 제1 반도체 요소의 도전성 구조체와 제2 반도체 요소의 도전성 구조체의 상호 연결부)를 함께 임시로 접합하기 위한 것이며, 이와 관련하여, 도전성 구조체의 접합 표면의 산화를 방지하는 바람직한 효과가 얻어진다. 결합될 도전성 구조체의 예를 들면, Sn-Cu, Cu-Al, Al-Al, 및 Cu-Cu가 있다. 물론, 도전성 구조체 재료의 다른 조합도 고려된다. 임시 접합 후에, 반도체 요소(예컨대, 다이)가 개별적으로 또는 집단적으로 접합될 수 있다.
도 8a-8e(도 9의 흐름도와 함께), 도 10a-10e(도 11의 흐름도와 함께), 도 12a-12d(도 13의 흐름도와 함께) 및 도 14a-14d(도 15의 흐름도와 함께)는 예시적인 다단계 접합 공정을 이용하여 반도체 요소 사이에 상호 연결부를 형성하는 시스템과 방법을 도시한다. 도 9, 11, 13 및 15는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라 반도체 요소들을 함께 접합하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 통상의 기술자는 이해하는 바와 같이, 흐름도에 포함되어 있는 어떤 단계는 생략될 수 있고, 어떤 추가적인 단계가 추가될 수 있으며, 또한 단계의 순서는 도시된 순서로부터 변경될 수 있다.
구체적으로, 도 8a를 참조하면, 상측 반도체 요소(808)는 접합 도구(824)의 유지부(810)에 의해 유지된다(예컨대, 유지부(810)의 유지 표면에 형성되어 있는 진공 포트를 통해 주어지는 진공에 의해). 상측 반도체 요소(808)는 그의 하측 표면에서 상측 도전성 구조체(812a, 812b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체, 또는 다른 도전성 구조체)를 포함한다. 하측 반도체 요소(860)는 기판(804)에 접합되는(또는 아니면 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(802)를 포함한다. 기판(804)은 다른 기판 중에서도 예컨대 유기 기판, 반도체 웨이퍼, 일시적인 지지 구조체(예컨대, 규소, 금속 또는 유리 웨이퍼 또는 패널)일 수 있다. 다른 예로, 반도체 다이(802)는 별개의 기판(804)을 나타내는 도면에 상관없이 여전히 반도체 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 하측 도전성 구조체(806a, 806b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체 또는 다른 도전성 구조체)가 하측 반도체 다이(802)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(804)은 지지 구조체(850)(예컨대, 기계(800)의 열 블록, 기계(800)의 앤빌, 또는 다른 원하는 지지 구조체)에 의해 지지 된다. 대안적으로, 반도체 다이(802)는 추가적인 개재 기판(804)이 없이 여전히 지지 구조체(850)에 의해 직접 지지되는 전체 또는 부분적인 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 도 8a에 나타나 있는 구성(접합 준비)에서, 상측 도전성 구조체(812a, 812b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(806a, 806b)와 정렬된다. 반도체 요소(808)는 접합 도구(824)의 운동(도 8a에서 화살표(826)로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된다. 도 8b는, 이 이동 후에 일어나는 각각의 도전성 구조체(806a, 812a; 806b, 812b) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서(도시되어 있지 않지만, 도면에서 "USG"(초음파 발생기)로 표시되어 있음)를 사용하여 초음파 에너지(814)가 접합 도구(824)를 통해 상측 반도체 요소(808) 및 상측 도전성 구조체(812a, 812b)에 가해진다. 예컨대, 접합 도구(824)를 지니고 있는 초음파 트랜스듀서는 플립 칩 접합 기계(800)의 접합 헤드 어셈블리에 보유될 수 있다. 초음파 접합 동안에, 하측 도전성 구조체(806a, 806b)는 지지 구조체(850)에 의한 하측 반도체 요소(860)의 지지를 통해 상대적으로 움직이지 않게 유지될 수 있다(예컨대, 지지 구조체(850)의 지지 표면은 접합 동안에 기판(804)을 지지 구조체(850)에 고정하기 위해 하나 이상의 진공 포트를 포함할 수 있음). 초음파 에너지(814)(선택적인 접합력 및/또는 열과 함께)가 도전성 구조체의 부분적인 변형을 일으킬 수 있다. 예컨대, 도 8c에서 도전성 구조체(806a, 806b; 812a, 812b)는 변형된(또는 적어도 부분적으로 변형된) 상태로 도시되어 있다. 도 8c에서 초기(임시) 초음파 접합부가 각 쌍의 도전성 구조체 사이에 형성되어 있다. 예컨대, 도 8c에 나타나 있는 바와 같이, 변형된 도전성 구조체(812a'/806a') 사이에 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(828a)가 형성되고, 또한 변형된 도전성 구조체(812b'/806b') 사이에는 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(828b)가 형성된다.
본 발명의 어떤 실시 형태에서, 도 8d에 나타나 있는 바와 같이 다단계 접합 공정 완료될 수 있다. 즉, 도 8c에서 초기(임시) 접합부가 형성되어 있고, 도 8d에서, 접합 도구(824) 또는 다른 접합 도구(824a)에서 나오는 열 및/또는 힘을 사용하여 최종 접합부가 형성될 수 있다(예컨대, 동일한 또는 다른 기계에서).
본 발명의 다른 실시 형태에서, 도 8e에 나타나 있는 바와 같이, 다른 접합 도구를 사용하여 최종 접합부가 그룹으로 또는 "집단"적으로 형성될 수 있다(예컨대, 동일한 또는 다른 기계에서). 이러한 실시 형태에서, 도 8c 다음에, 반도체 요소(808, 860)의 도전성 구조체는 함께 "임시로" 접합된다. 그런 다음에, 도 8e에서, 일 그룹의 상측 반도체 요소(808)가 각 그룹의 하측 반도체 요소(860)에 "집단"적으로 접합된다(예컨대, 열 및/또는 힘을 사용하여). 도 8e에 나타나 있는 예에서, 집단 접합 도구(875)가 제공되며, 이 도구(875)는 도 8a의 기계(800) 또는 다른 플립 칩 및/또는 열압축 기계에서 이용될 수 있다. 동일한 기계에서의 경우, 지지 구조체(850)(도 8a)가 "집단" 접합 공정 동안에 복수의 하측 반도체 요소(860)를 지지하기 위해 사용될 수 있다. 다른 기계에서의 경우, 지지 구조체(879)가 "집단" 접합 공정 동안에 복수의 하측 반도체 요소(860)를 지지하기 위해 사용될 수 있다. "집단" 접합 도구(875)(유지부(877)를 포함함)는 복수의 상측 반도체 요소(808)의 도전성 구조체를 대응하는 하측 반도체 요소(860)의 도전성 구조체에 접합하는 것을 완료한다(도 8a와 관련하여 전술한 바와 같이 각 요소(860)는 다이(802)를 포함함). 이 최종 접합 공정 동안에, 접합 도구(875), 지지 구조체(850/879) 또는 이들 모두에 의해 열 및/또는 힘이 가해질 수 있다.
구체적으로 도 9를 참조하면, 단계 900에서, 제1 반도체 요소(예컨대, 도 8a에 나타나 있는 요소(860)와 같은, 기판 상에 있는 반도체 다이를 포함함)가 접합 기계의 지지 구조체 상에 지지된다. 제1 반도체 요소(예컨대, 반도체 구조체의 상측 표면)는 복수의 제1 도전성 구조체를 포함한다. 단계 902에서, 제2 반도체 요소가 접합 기계의 접합 도구의 유지부에 의해 유지된다(예컨대, 도 8a에서 요소(808) 참조). 제2 반도체 요소는 복수의 제2 도전성 구조체(예컨대, 제2 반도체 요소의 하측 표면에 있음)를 포함한다. 단계 904에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 서로 정렬되고(예컨대, 도 8a 참조) 그런 다음에 서로 접촉하게 된다(예컨대, 도 8b 참조). 단계 906에서, 초음파 에너지가 제2 반도체 요소에 가해지고(도 8b에서와 같이, 제2 반도체 요소를 지니고 있는 접합 도구를 통해), 그래서, 도 8c에 나타나 있는 바와 같이, 제2 반도체의 도전성 구조체는 제1 반도체 요소의 도전성 구조체에 "초기(initially)" 접합된다(예컨대, 임시로 접합됨)(임시 접합부(828a, 828b) 참조).
여기서 단계 908A, 908B 및 908C는 일반적으로 서로에 대한 대안인 것으로 생각된다. 단계 908A에서, 제2 도전성 구조체에 대한 제1 도전성 구조체의 플립 칩(예컨대, 열압축) 접합 공정은 단계 906에서 사용되는 것과 동일한 접합 도구를 사용하여 개별적으로 완료된다(반도체 요소를 한번에 하나씩 접합하여). 예컨대, 도 8d에 나타나 있는 예를 참조하면, 완성된 접합부(828a'(더 변형된 도전성 구조체(806a", 812a")를 포함함), 828b'(더 변형된 도전성 구조체(806b", 812b")를 포함함))을 형성하기 위해 접합 도구(824)를 사용하여 열 및/또는 압력이 가해질 수 있다.
단계 908A에 대한 대안으로서, 단계 908B에서, 제2 도전성 구조체에 대한 제1 도전성 구조체의 플립 칩(예컨대, 열압축) 접합 공정은, 단계 906에서 사용되는 접합 도구와 비교하여 다른 도구(예컨대, 동일한 기계에 있는 다른 접합 도구, 다른 기계에 있는 다른 접합 도구)를 사용하여 개별적으로 완료된다(반도체 요소를 한번에 하나씩 접합하여). 예컨대, 다시 도 8d에 나타나 있는 예를 참조하면(요소(860)는 지지 구조체(850a)에 의해 지지됨), 완성된 접합부(828a'(더 변형된 도전성 구조체(806a", 812a")를 포함함), 828b'(더 변형된 도전성 구조체(806b", 812b")를 포함함))을 형성하기 위해 접합 도구(824a)(유지부(810a)를 포함함)를 사용하여 열 및/또는 압력이 가해질 수 있다.
단계 908A 또는 단계 908b에 대한 대안으로서, 단계 908C에서, 제2 도전성 구조체에 대한 제1 도전성 구조체의 플립 칩(예컨대, 열압축) 접합 공정은, 단계 906에서 사용되는 접합 도구와 비교하여 다른 도구(예컨대, 동일한 기계에 있는 다른 접합 도구, 다른 기계에 있는 다른 접합 도구)를 사용하여 그룹으로 완료된다(복수의 반도체 요소를 동시에 접합하여). 예컨대, 이제 도 8e에 나타나 있는 예를 참조하면, 더 변형된 도전성 구조체 쌍(806a'a, 812a'a'; 806b'b, 812b'b)를 포함하는 완성된 접합부를 형성하기 위해 접합 도구(875)(유지부(877)를 포함하고, 복수의 반도체 요소(808)를 대응하는 반도체 요소(860)에 접합함)(요소(860)는 동일한 접합 기계(800)에서의 경우 지지 구조체(850)에 의해 지지될 수 있고 다른 접합 기계에서의 경우에는 지지 구조체(879)에서 지지될 수 있음)를 사용하여 열 및/또는 압력이 가해질 수 있다.
따라서, 도 9에서 설명되는 선택 방안(도 8a-8e에 도시되어 있음)을 통해, 임시 접합 및 용접 접합(또는 임시 접합 및 집단 접합)을 위한 다양한 종류의 시스템과 방법을 설명한다. 물론, 완성된(최종) 접합부에 다음에 초기(임시) 접합부를 형성하는 추가 변화예가 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 도 8a-8e 및 도 9와 관련하여 나타나 있고 설명되는 시스템 및 공정(그리고 본 발명의 범위 내에 있는 다른 시스템 및 공정)에 대한 어떤 변화예는 함께 접합되는 반도체 요소 사이에 제공되는 비도전성 재료(예컨대, 페이스트, 에폭시, 아크릴레이트, 실리콘, 비스-말레이미드, 폴리이미드, 폴리에스테르 등 또는 비도전성 막)에 관한 것이다. 이러한 비도전성 재료는 실리카 또는 알루미나 분말과 같은 무기 충전 재료를 함유할 수 있다. 도 10a-10e(및 도 11의 흐름도), 도 12a-12d(및 도 13의 흐름도), 및 도 14a-14d(및 도 15의 흐름도)는 그러한 시스템 및 공정의 예를 도시한다.
구체적으로, 도 10a를 참조하면, 상측 반도체 요소(1008)는 접합 도구(1024)의 유지부(1010)에 의해 유지된다(예컨대, 유지부(1010)의 유지 표면에 형성되어 있는 진공 포트를 통해 주어지는 진공에 의해). 상측 반도체 요소(1008)는 그의 하측 표면에서 상측 도전성 구조체(1012a, 1012b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체 또는 다른 도전성 구조체)를 포함한다. 하측 반도체 요소(1060)는 기판(1004)에 접합되는(또는 아니면 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(1002)를 포함한다. 기판(1004)은 예컨대 다른 기판 중에서도 예컨대 유기 기판, 반도체 웨이퍼, 일시적인 지지 구조체(예컨대, 규소, 금속 또는 유리 웨이퍼 또는 패널)일 수 있다. 다른 예에서, 반도체 다이(1002)는 별개의 기판(1004)을 나타내는 도면에 상관없이 여전히 반도체 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 하측 도전성 구조체(1006a, 1006b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체, 또는 다른 도전성 구조체)가 하측 반도체 다이(1002)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(1004)은 지지 구조체(1050)(예컨대, 기계(1000)의 열 블록, 기계(1000)의 앤빌, 또는 다른 원하는 지지 구조체)에 의해 지지 된다. 대안적으로, 반도체 다이(1002)는 추가적인 개재 기판(1004)이 없이 여전히 지지 구조체(1050)에 의해 직접 지지되는 전체 또는 부분적인 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 도 10a에 나타나 있는 구성(접합 준비)에서, 상측 도전성 구조체(1012a, 1012b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(1006a, 1006b)와 정렬된다. 반도체 요소(1008)는 접합 도구(1024)의 운동(도 10a에서 화살표(1026)로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된다. 도 10b는, 이 이동 후에 일어나는 각각의 하측 도전성 구조체(1006a, 1012a; 1006b, 1012b) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서(도시되어 있지 않지만, 도면에서 "USG"(초음파 발생기)로 표시되어 있음)를 사용하여 초음파 에너지(1014)가 접합 도구(1024)를 통해 상측 반도체 요소(1008) 및 상측 도전성 구조체(1012a, 1012b)에 가해진다. 예컨대, 접합 도구(1024)를 지니고 있는 초음파 트랜스듀서는 플립 칩 접합 기계(1000)의 접합 헤드 어셈블리에 보유될 수 있다. 초음파 접합 동안에, 하측 도전성 구조체(1006a, 1006b)는 지지 구조체(1050)에 의한 하측 반도체 요소(1060)의 지지를 통해 상대적으로 움직이지 않게 유지될 수 있다(예컨대, 지지 구조체(1050)의 지지 표면은 접합 동안에 기판(1004)을 지지 구조체(1050)에 고정하기 위해 하나 이상의 진공 포트를 포함할 수 있음). 초음파 에너지(1014)(선택적인 접합력 및/또는 열과 함께)가 도전성 구조체의 부분적인 변형을 일으킬 수 있다. 예컨대, 도 10c에서 도전성 구조체(1006a, 1006b; 1012a, 1012b)는 변형된(또는 적어도 부분적으로 변형된) 상태로 도시되어 있다(도 10a-10b와 비교하여). 도 10c에서 초기(임시) 초음파 접합부(1028a, 1028b)가 각 쌍의 도전성 구조체 사이에 형성되어 있다. 예컨대, 도 10c에 나타나 있는 바와 같이, 변형된 도전성 구조체(1012a'/1006a') 사이에 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(1028a)가 형성되고, 또한 변형된 도전성 구조체(1012b'/1006b') 사이에는 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(1028b)가 형성된다.
도 10c에 나타나 있는 바와 같은 초기(임시) 초음파 접합부의 형성 후에는, 도 10d에 나타나 있는 바와 같이, 반도체 요소(1008)와 반도체 요소(1002) 사이에 비도전성 재료(1040)(예컨대, 비도전성 페이스트, 에폭시 재료, 아크릴레이트, 실리콘, 비스-말레이미드, 폴리이미드, 폴리에스테르 등)가 가해진다(이러한 비도전성 재료는 실리카 또는 알루미나 입자 등과 같은 무기 입자를 포함할 수 있음). 재료(1040)는 선택되는 재료 및 용례의 다른 상세에 따라 어떤 원하는 방식으로도 가해질 수 있다(예컨대, 유체로서 분산되거나, 모세관 언더필(underfill) 기술 등을 사용하여 분산됨). 도 10e에서, 제2 도전성 구조체에 대한 제1 도전성 구조체의 결합이 완료되어(예컨대, 열, 압력 등을 사용하여), 완성된 접합부(1028a'(더 변형된 도전성 구조체(1006a", 1012a")를 포함함), 1028b'(더 변형된 도전성 구조체(1006b", 1012b")를 포함함)가 형성되었다. 도 10e에서, 도 10d에서 가해진 비도전성 재료는 경화되어 경화된 비도전성 재료(1040')가 형성되었다.
구체적으로 도 11을 참조하면, 단계 1100에서, 제1 반도체 요소(예컨대, 도 10a에 나타나 있는 요소(1060)와 같은, 기판 상에 있는 반도체 다이를 포함함)가 접합 기계의 지지 구조체 상에 지지된다. 제1 반도체 요소(예컨대, 반도체 구조체의 상측 표면)는 복수의 제1 도전성 구조체를 포함한다. 단계 1102에서, 제2 반도체 요소가 접합 기계의 접합 도구의 유지부에 의해 유지된다(예컨대, 도 10a에서 요소(1008) 참조). 제2 반도체 요소는 복수의 제2 도전성 구조체(예컨대, 제2 반도체 요소의 하측 표면에 있음)를 포함한다. 단계 1104에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 서로 정렬되고(예컨대, 도 10a 참조) 그런 다음에 서로 접촉하게 된다(예컨대, 도 10b 참조). 단계 1106에서, 초음파 에너지가 제2 반도체 요소에 가해지고(도 10b에서와 같이, 제2 반도체 요소를 지니고 있는 접합 도구를 통해), 그래서, 도 10c에 나타나 있는 바와 같이, 제1 반도체 요소의 도전성 구조체에 제2 반도체의 도전성 구조체가 "초기" 접합된다(예컨대, 임시로 접합됨)(임시 접합부(1028a, 1028b) 참조). 단계 1108에서, 비도전성 재료가 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 사이에 가해진다(예컨대, 도 10d에서 가해진 재료(1040) 참조). 단계 1110에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체의 플립 칩 및/또는 열압착 접합이 완료되고(예컨대, 열 및/또는 힘을 가하여), 단계 1112에서, 비도전성 재료가 경화된다(도 10e 참조). 통상의 기술자는 아는 바와 같이, 단계 1110 및 1112는 원하는 경우 동시에 수행될 수 있다.
구체적으로 도 12a를 참조하면, 상측 반도체 요소(1208)는 접합 도구(1224)의 유지부(1210)에 의해 유지된다(예컨대, 유지부(1210)의 유지 표면에 형성되어 있는 진공 포트를 통해 주어지는 진공에 의해). 상측 반도체 요소(1208)는 그의 하측 표면에서 상측 도전성 구조체(1212a, 1212b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리도전성 구조체 또는 다른 도전성 구조체)를 포함한다. 하측 반도체 요소(1260)는 기판(1204)에 접합되는(또는 아니면 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(1202)를 포함한다. 기판(1204)은 다른 기판 중에서도 예컨대 유기 기판, 반도체 웨이퍼, 일시적인 지지 구조체(예컨대, 규소, 금속 또는 유리 웨이퍼 또는 패널)일 수 있다. 다른 예로, 반도체 다이(1202)는 별개의 기판(1204)을 나타내는 도면에 상관없이 여전히 반도체 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 하측 도전성 구조체(1206a, 1206b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체, 또는 다른 도전성 구조체)가 하측 반도체 다이(1202)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(1204)은 지지 구조체(1250)(예컨대, 기계(1200)의 열 블록, 기계(1200)의 앤빌(anvil), 또는 다른 원하는 지지 구조체)에 의해 지지 된다. 대안적으로, 반도체 다이(1202)는 추가적인 개재 기판(1204)이 없이 여전히 지지 구조체(1250)에 의해 직접 지지되는 전체 또는 부분적인 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 도 12a에 나타나 있는 구성(접합 준비)에서, 상측 도전성 구조체(1212a, 1212b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(1206a, 1206b)와 정렬된다. 또한, 도 12a에는, 도 12a에 나타나 있는 바와 같이, 반도체 요소(1208)와 반도체 요소(1202) 사이에 가해지는 비도전성 재료(1240)(예컨대, 비도전성 페이스트, 에폭시 재료, 아크릴레이트, 실리콘, 비스-말레이미드, 폴리이미드, 폴리에스테르 등)이 나타나 있다(이러한 비도전성 재료는 실리카 또는 알루미나 입자 등과 무기 입자를 포함할 수 있음)(이 예에서 재료(1240)는 실제로 반도체 다이(1202)에 가해짐). 재료(1240)는 선택되는 재료 및 용례의 다른 상세에 따라 어떤 원하는 방식으로도 가해질 수 있다(예컨대, 유체로서 분산되거나, 모세관 언더필 기술 등을 사용하여 분산됨).
도 12a에 나타나 있는 바와 같이, 반도체 요소(1208)는 접합 도구(1224)의 운동(도 12a에서 화살표(1226)로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된다. 이 이동의 결과, 주변물(1206a, 1212a; 1206b, 1212b)을 포함하는 반도체 요소(1208)와 반도체 요소(1260) 사이에 비도전성 재료(1240)가 분산된다. 도 12b는, 이 이동 후에 일어나는 각각의 도전성 구조체(1206a, 1212a; 1206b, 1212b) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서(도시되어 있지 않지만, 도면에서 "USG"(초음파 발생기)로 표시되어 있음)를 사용하여 초음파 에너지(1214)가 접합 도구(1224)를 통해 상측 반도체 요소(1208) 및 상측 도전성 구조체(1212a, 1212b)에 가해진다. 예컨대, 접합 도구(1224)를 지니고 있는 초음파 트랜스듀서는 플립 칩 접합 기계(1200)의 접합 헤드 어셈블리에 보유될 수 있다. 초음파 접합 동안에, 하측 도전성 구조체(1206a, 1206b)는 지지 구조체(1250)에 의한 하측 반도체 요소(1260)의 지지를 통해 상대적으로 움직이지 않게 유지될 수 있다(예컨대, 지지 구조체(1250)의 지지 표면은 접합 동안에 기판(1204)을 지지 구조체(1250)에 고정하기 위해 하나 이상의 진공 포트를 포함할 수 있음). 초음파 에너지(1214)(선택적인 접합력 및/또는 열과 함께)가 도전성 구조체의 부분적인 변형을 일으킬 수 있다. 예컨대, 도 12c에서 도전성 구조체(1206a', 1206b'; 1212a', 1212b')는 변형된(또는 적어도 부분적으로 변형된) 상태로 도시되어 있다(도 12a 및 12b와 비교하여). 도 12c에서 초기(임시) 초음파 접합부(1228a, 1228b)가 각 쌍의 도전성 구조체 사이에 형성되어 있다. 예컨대, 도 12c에 나타나 있는 바와 같이, 변형된 도전성 구조체(1212a'/1206a') 사이에 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(1228a)가 형성되고, 또한 변형된 도전성 구조체(1212b'/1206b') 사이에는 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(1228b)가 형성된다.
도 12c에 나타나 있는 바와 같은 초기(임시) 초음파 접합부의 형성 후에, 도 12d에서, 제2 도전성 구조체에 대한 제1 도전성 구조체의 접합이 완료되어(예컨대, 열, 압력 등을 사용하여), 완성된 접합부(1228a'(더 변형된 도전성 구조체(1206a", 1212a")를 포함함), 1228b'(더 변형된 도전성 구조체(1206b", 1212b")를 포함함))가 형성되었다. 도 12d에서, 도 12a에서 가해진 비도전성 재료는 경화되어 경화된 비도전성 재료(1240')가 형성되었다.
구체적으로 도 13을 참조하면, 단계 1300에서, 제1 반도체 요소(예컨대, 도 12a에 나타나 있는 요소(1360)와 같은, 기판 상에 있는 반도체 다이를 포함함)가 접합 기계의 지지 구조체 상에 지지된다. 제1 반도체 요소(예컨대, 반도체 구조체의 상측 표면)는 복수의 제1 도전성 구조체를 포함한다. 단계 1302에서, 제2 반도체 요소가 접합 기계의 접합 도구의 유지부에 의해 유지된다(예컨대, 도 12a에서 요소(1308) 참조). 제2 반도체 요소는 복수의 제2 도전성 구조체(예컨대, 제2 반도체 요소의 하측 표면에 있음)를 포함한다. 단계 1304에서, 비도전성 재료가 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 사이에 가해진다(예컨대, 도 12a에서 가해진 재료(1240) 참조). 단계 1306에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 서로 정렬되고(예컨대, 도 12a 참조) 그런 다음에 서로 접촉하게 된다(예컨대, 도 12b 참조). 단계 1308에서, 초음파 에너지가 제2 반도체 요소에 가해지고(도 12b에서와 같이, 제2 반도체 요소를 지니고 있는 접합 도구를 통해), 그래서, 제2 반도체의 도전성 구조체는 도 12c에 나타나 있는 바와 같이 제1 반도체 요소의 도전성 구조체에 "초기" 접합된다(예컨대, 임시로 접합됨)(임시 접합부(1228a, 1228b) 참조). 단계 1310에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체의 플립 칩 및/또는 열압축 접합이 완료되고(예컨대, 열 및/또는 힘을 통해), 단계 1312에서, 비도전성 재료가 경화된다(도 12d 참조). 통상의 기술자는 아는 바와 같이, 단계 1310 및 1312는 원하는 경우 동시에 수행될 수 있다.
구체적으로, 도 14a를 참조하면, 상측 반도체 요소(1408)는 접합 도구(1424)의 유지부(1410)에 의해 유지된다(예컨대, 유지부(1410)의 유지 표면에 형성되어 있는 진공 포트를 통해 주어지는 진공에 의해). 상측 반도체 요소(1408)는 그의 하측 표면에서 상측 도전성 구조체(1412a, 1412b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체, 또는 다른 도전성 구조체)를 포함한다. 하측 반도체 요소(1460)는 기판(1404)에 접합되는(또는 아니면 기판에 의해 지지되는) 반도체 다이(1402)를 포함한다. 기판(1404)은 다른 기판 중에서도 예컨대 유기 기판, 반도체 웨이퍼, 일시적인 지지 구조체(예컨대, 규소, 금속 또는 유리 웨이퍼 또는 패널)일 수 있다. 다른 예로, 반도체 다이(1402)는 별개의 기판(1404)을 나타내는 도면에 상관없이 여전히 반도체 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 하측 도전성 구조체(1406a, 1406b)(예컨대, 구리 필라와 같은 구리 도전성 구조체 또는 다른 도전성 구조체)가 하측 반도체 다이(1402)의 상측 표면에 제공되어 있다. 그리고 기판(1404)은 지지 구조체(1450)(예컨대, 기계(1400)의 열 블록, 기계(1400)의 앤빌, 또는 다른 원하는 지지 구조체)에 의해 지지 된다. 대안적으로, 반도체 다이(1402)는 추가적인 개재 기판(1404)이 없이 여전히 지지 구조체(1450)에 의해 직접 지지되는 전체 또는 부분적인 웨이퍼의 일부분일 수 있다. 도 14a에 나타나 있는 구성(접합 준비)에서, 상측 도전성 구조체(1412a, 1412b) 각각은 일반적으로 마주하는 각각의 하측 도전성 구조체(1406a, 1406b)와 정렬된다. 또한 도 14a에는, 반도체 요소(1408)와 반도체 요소(1402) 사이에 가해진 비도전성 막(1440)(예컨대, 고체 비도전성 막 등으로서 가해짐)이 나타나 있다(이 예에서, 막(1440)은 실제로 반도체 다이(1402)에 가해짐).
도 14a에 나타나 있는 바와 같이, 반도체 요소(1408)는 접합 도구(1424)의 운동(도 14a에서 화살표(1426)로 나타나 있는 바와 같은)을 통해 하방으로 이동된다. 이 이동의 결과, 주변 도전성 구조체(1406a, 1412a; 1406b, 1412b)을 포함하는 반도체 요소(1408)와 반도체 요소(1460) 사이에 비도전성 막(1440)(아마도 도 14b에 과장되어 있음)이 분산된다. 도 14b는, 이 이동 후에 일어나는 각각의 도전성 구조체(1406a, 1412a; 1406b, 1412b) 사이의 접촉을 도시한다. 초음파 트랜스듀서(도시되어 있지 않지만, 도면에서 "USG"(초음파 발생기)로 표시되어 있음)를 사용하여 초음파 에너지(1214)가 접합 도구(1424)를 통해 상측 반도체 요소(1408) 및 상측 도전성 구조체(1412a, 1412b)에 가해진다. 예컨대, 접합 도구(1424)를 지니고 있는 초음파 트랜스듀서는 플립 칩 접합 기계(1400)의 접합 헤드 어셈블리에 보유될 수 있다. 초음파 접합 동안에, 하측 도전성 구조체(1406a, 1406b)는 지지 구조체(1450)에 의한 하측 반도체 요소(1460)의 지지를 통해 상대적으로 움직이지 않게 유지될 수 있다(예컨대, 지지 구조체(1450)의 지지 표면은 접합 동안에 기판(1404)을 지지 구조체(1450)에 고정하기 위해 하나 이상의 진공 포트를 포함할 수 있음). 초음파 에너지(1414)(선택적인 접합력 및/또는 열과 함께)가 도전성 구조체의 부분적인 변형을 일으킬 수 있다. 예컨대, 도 14c에서 도전성 구조체(1406a', 1406b'; 1412a', 1412b')는 변형된(또는 적어도 부분적으로 변형된) 상태로 도시되어 있다(도 14a 및 14b와 비교하여). 도 14c에서 초기(임시) 초음파 접합부(1428a, 1428b)가 각 쌍의 도전성 구조체 사이에 형성되어 있다. 예컨대, 도 14c에 나타나 있는 바와 같이, 변형된 도전성 구조체(1412a'/1406a') 사이에 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(1428a)가 형성되고, 또한 변형된 도전성 구조체(1412b'/1406b') 사이에는 초기(예컨대, 임시) 초음파 접합부(1428b)가 형성된다.
도 14c에 나타나 있는 바와 같은 초기(임시) 초음파 접합부의 형성 후에는, 도 14d에서, 제2 도전성 구조체에 대한 제1 도전성 구조체의 접합이 완료되어(예컨대, 열, 압력 등을 사용하여), 완성된 접합부(1428a'(더 변형된 도전성 구조체(1406a", 1412a")를 포함함), 1428b'(더 변형된 도전성 구조체(1406b", 1412b")를 포함함))가 형성되었다. 도 14d에서, 도 14a에서 가해진 비도전성 재료는 경화되어 경화된 비도전성 재료(1440')가 형성되었다.
구체적으로 도 15를 참조하면, 단계 1500에서, 제1 반도체 요소(예컨대, 도 14a에 나타나 있는 요소(1460)와 같은, 기판 상에 있는 반도체 다이를 포함함)가 접합 기계의 지지 구조체 상에 지지된다. 제1 반도체 요소(예컨대, 반도체 구조체의 상측 표면)는 복수의 제1 도전성 구조체를 포함한다. 단계 1502에서, 제2 반도체 요소가 접합 기계의 접합 도구의 유지부에 의해 유지된다(예컨대, 도 14a에서 요소(1408) 참조). 제2 반도체 요소는 복수의 제2 도전성 구조체(예컨대, 제2 반도체 요소의 하측 표면에 있음)를 포함한다. 단계 1504에서, 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 사이에 비도전성 막이 가해진다(예컨대, 도 14a에서 가해진 막(1440) 참조). 단계 1506에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체는 서로 정렬되고(예컨대, 도 14a 참조) 그런 다음에 서로 접촉하게 된다(예컨대, 도 14b 참조). 단계 1508에서, 초음파 에너지가 제2 반도체 요소에 가해지고(도 14b에서와 같이, 제2 반도체 요소를 지니고 있는 접합 도구를 통해), 그래서, 도 14c에 나타나 있는 바와 같이, 제1 반도체 요소의 도전성 구조체에 제2 반도체의 도전성 구조체가 "초기" 접합된다(예컨대, 임시로 접합됨)(임시 접합부(1428a, 1428b) 참조). 단계 1510에서, 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체의 플립 칩 및/또는 열압착 접합이 완료되고(예컨대, 열 및/또는 힘을 가하여), 단계 1512에서, 비도전성 막이 경화된다(도 14d 참조). 통상의 기술자는 아는 바와 같이, 단계 1510 및 1512는 원하는 경우 동시에 수행될 수 있다.
도 10a-10e, 12a-12d 및 14a-14d는 초기(임시) 초음파 접합 및 이어지는 완전 접합 단계를 완료하기 위해 원래의 접합 도구를 이용하는 것으로 나타나 있다. 그러나, 이들 실시 형태 각각(및 도 11, 13 및 15에 나타나 있는 대응하는 흐름도)은 최종 접합을 완료하기 위해 다른 도구를 이용할 수 있음을 이해할 것이고, 이 경우, 다른 도구는 동일한 접합 기계 또는 다른 접합 도구에 있을 수 있고, 또한 다른 도구는 반도체 요소를 개별적으로 또는 그룹으로(예컨대, 도 8e에서와 같이) 접합할 수 있다. 도 8a-8e, 9, 10a-10e, 11, 12a-12d, 13, 14a-14d, 15에 나타나 있는 각 실시 형태는, 임시 공정 및 집단 공정에 대한 특별한 적용성을 갖는데, 요소는 먼저 초음파로 개별 요소로서 임시로 접합되고(예컨대, 도 8c, 10c, 12c, 14c) 참조), 그 후에, 도전성 구조체를 최종적인 완전한 접합 상태로 더 변형시키기 위해 열 및/또는 압력을 사용하여 집단적으로 접합된다(도 8e에 나타나 있는 도구(875)와 같은 집단 접합 도구를 사용하여). 이러한 임시 공정과 집단 공정은 칩 투 웨이퍼(chip to wafer)("C2W") 환경에서 우수한 적용성을 갖는데, 즉, 개별 반도체 다이(칩)가 초음파 접합 도구를 사용하여 개별적으로 웨이퍼에 초음파로 임시로 접합되고, 그런 다음에 일 그룹의 접합된 다이가 집단 접합 도구를 사용하여 집단적으로 접합된다(예컨대, 열 및/또는 압력을 가하여).
(ⅰ) 초기 초음파 임시 접합 공정(개별 반도체 요소(예컨대, 다이)가 초음파 접합 도구를 사용하여 임시로 접합됨) 및 그 다음의 (ⅱ) 집단 접합 공정(복수의 반도체 요소가 (열 및/또는 압력과 함께 집단 접합 도구를 사용하여) 최종 접합 공정을 거치게 됨)을 사용하는 다단계 접합은 상측 구리 도전성 구조체(상측 반도체 요소에 있음)를 하측 구리 도전성 구조체(하측 반도체 요소에 있음)에 접합함에 있어 특별한 적용성을 갖는다. 최종 접합부를 형성하는 공정은 상측 및 하측 도전성 구조체의 계면을 가로질러 입자를 성장시키기 위해 풀림(annealing)을 포함하는 경향이 있다. 이 공정은 비교적 상당한 양의 시간이 드는 경향이 있다. 유용한 공정 처리량(예컨대, UPH(units per hour))을 제공하기 위해, 집단 접합은 특별한 적용을 갖는다. 따라서, 비교적 빠른 "임시" 초음파 접합 공정이 한번에 하나의 반도체 요소가 접합되어 완료될 수 있고, 또한 비교적 느린 "집단적" 접합 공정(열 및/또는 압력이 사용됨)은 복수의 반도체 요소가 동시에 접합되어 완료될 수 있다.
본 발명은 특정 실시 형태를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 나타나 있는 상세에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 청구 범위의 등가 범위 내에서 또한 본 발명에서 벗어남이 없이 상세에 있어 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (30)

  1. 반도체 요소를 초음파로 접합하는 반도체 요소 초음파 접합 방법으로서,
    (a) 제1 반도체 요소의 복수의 제1 도전성 구조체의 표면을 제2 반도체 요소의 복수의 제2 도전성 구조체의 각각의 표면에 정렬시키는 단계;
    (b) 상기 제1 도전성 구조체와 각각의 제2 도전성 구조체 사이에 임시(tack) 접합부를 초음파로 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 도전성 구조체와 제2 도전성 구조체 사이에 완성된 접합부를 형성하는 단계를 포함하고,
    단계(a) 전에, 상기 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 사이에 비도전성 재료를 가하는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체 요소는 반도체 다이인 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 각각은 각각의 반도체 다이인 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체 요소는 반도체 다이를 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 각각은 각각의 반도체 다이를 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전성 구조체의 하측 표면이 각각의 제2 도전성 구조체의 상측 표면과 접촉하도록 상기 제1 반도체 요소를 제2 반도체 요소 쪽으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    단계(b)의 적어도 일부분 동안에 상기 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 사이에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    단계(b) 동안에 상기 제1 도전성 구조체를 변형시키는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    단계(b)는 주변 온도에서 수행되는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    단계(b)의 적어도 일부분 동안에 상기 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 중의 적어도 하나를 가열하는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반도체 요소를 유지하는 접합 도구를 사용하여, 단계(b)의 적어도 일부분 동안에 상기 제1 반도체 요소를 가열하는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    단계(b) 동안에 상기 제2 반도체 요소를 지지하는 지지 구조체를 사용하여, 단계(b)의 적어도 일부분 동안에 상기 제2 반도체 요소를 가열하는 단계를 더 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 제1 도전성 구조체와 복수의 제2 도전성 구조체 중의 적어도 하나는 구리로 형성되어 있는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 제1 도전성 구조체와 복수의 제2 도전성 구조체 각각은 구리 도전성 구조체인 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    단계(b)는, 단계(b) 동안에 상기 제1 반도체 요소를 유지하는 접합 도구를 사용하여 상기 제1 도전성 구조체를 각각의 제2 도전성 구조체에 초음파로 접합하는 것을 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 접합 도구는 단계(b) 동안에 초음파 에너지를 제공하기 위한 초음파 트랜스듀서와 결합되는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 접합 도구는 단계(b) 동안에 진공을 사용하여 상기 제1 반도체 요소를 유지하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    단계(b)는 상기 제2 반도체 요소를 제1 반도체 요소에 접합하도록 구성된 접합 도구를 사용하여 임시 접합부를 초음파로 형성하는 것을 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    단계(c)는 완성된 접합부를 형성하기 위해 상기 접합 도구로 상기 제2 반도체 요소를 가열하는 것을 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  20. 청구항 1에 있어서,
    단계(c)는 완성된 접합부를 형성하기 위해 상기 제1 반도에 요소와 제2 반도체 요소 중의 적어도 하나를 가열하는 것을 포함하는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  21. 청구항 1에 있어서,
    단계(c)는, 복수의 제1 반도체 요소의 제1 도전성 구조체와 복수의 제2 반도체 요소의 대응하는 제2 도전성 구조체 사이에 복수의 완성된 접합부가 형성되는 집단(gang) 접합 공정에 포함되는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 집단 접합 공정은 가열되는 집단 접합 도구를 사용하여 완료되는 반도체 요소 초음파 접합 방법.
  23. 삭제
  24. 접합 시스템으로서,
    복수의 제1 도전성 구조체를 포함하는 제1 반도체 요소를 지지하기 위한 지지 구조체;
    복수의 제2 도전성 구조체를 포함하는 제2 반도체 요소를 지니고 있고, 제2 반도체 요소에 초음파 에너지를 가하여 상기 복수의 제2 도전성 구조체와 복수의 대응하는 제1 도전성 구조체 사이에 임시 접합부를 형성하기 위한 접합 도구; 및
    상기 임시 접합부를 형성하기 전에, 상기 제1 반도체 요소와 제2 반도체 요소 사이에 가해지는 비도전성 재료를 포함하는 접합 시스템.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 접합 도구는, 상기 임시 접합부를 형성한 후에, 상기 복수의 제2 도전성 구조체와 복수의 대응하는 제1 도전성 구조체 사이에 완성된 접합부를 형성하도록 구성되어 있는 접합 시스템.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 접합 도구는 가열되는 접합 도구이고, 상기 접합 도구는 완성된 접합부를 형성하기 위해 상기 제2 반도체 요소에 열을 가하는 접합 시스템.
  27. 청구항 24에 있어서,
    제2 접합 도구를 더 포함하고, 상기 제2 접합 도구는, 상기 접합 도구에 의한 임시 접합부의 형성 후에, 상기 복수의 제2 도전성 구조체와 복수의 대응하는 제1 도전성 구조체 사이에 완성된 접합부를 형성하도록 구성되어 있는 접합 시스템.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 제2 접합 도구는 가열되는 접합 도구이고, 상기 제2 접합 도구는 완성된 접합부를 형성하기 위해 상기 제2 반도체 요소에 열을 가하는 접합 시스템.
  29. 청구항 24에 있어서,
    집단 접합 도구를 더 포함하고, 상기 집단 접합 도구는, 상기 접합 도구에 의한 임시 접합부의 형성 후에, 복수의 제1 반도체 요소와 복수의 각각의 제2 반도체 요소 사이에 완성된 접합부를 형성하도록 구성되어 있는 접합 시스템.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 집단 접합 도구는 가열되는 접합 도구이고, 상기 집단 접합 도구는 완성된 접합부를 형성하기 위해 상기 제2 반도체 요소에 열을 가하는 접합 시스템.
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