TWI385751B - 接合晶圓的裝置及方法及整平接合晶圓的方法 - Google Patents

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Description

接合晶圓的裝置及方法及整平接合晶圓的方法
本發明有關於一種積體電路的製造，特別是關於一種將半導體晶片(die)接合至晶圓上的裝置及方法。
隨著半導體技術的發展，半導體晶片變得越來越小。然而，半導體晶片內必須整合更多的功能。因此，半導體晶片必須具備越來越多的輸入/輸出(I/O)接墊形成於較小的區域且I/O接墊的密度也快速增加。如此一來，半導體晶片的封裝變得更加的困難而嚴重影響良率(yield)。
封裝技術可分為兩類型。一類型通常稱為晶圓級封裝(wafer level package,WLP)，其中晶圓上的晶片是在切割製程之前就進行封裝。WLP技術具有某些優點。例如，較大的產能和較低的成本。再者，所需的底膠(under－fill)及/或成型材料(molding compound)較少。然而，WLP技術也有一些缺點。如之前所述，晶片的尺寸越來越小，而習知WLP只能是扇入(fin－in)式封裝，其中每一晶片的I/O接墊受限於晶片表面正上方的區域。在晶片的有限區域，I/O接墊的數量會因I/O接墊的間距限制而受限。若縮小接墊間距，容易發生焊料架橋(solder bridge)。因此，在固定焊球尺寸規定下，焊球必須為某一尺寸，其限制了晶片表面上可封裝形成的焊 球數量。
在另一封裝類型中，自晶圓切割晶片是在其封裝至其他晶圓之前進行，且只有已知良品晶片(known－good－die)進行封裝。此封裝技術的優點在於形成扇出(fan－out)式晶片封裝的可能性，其意謂著晶片上的I/O接墊可重佈於大於晶片的區域，故可增加晶片表面上封裝形成的I/O接墊數量。
第1及2圖繪示出習知接合製程中部份階段剖面示意圖。請參照第1A圖，已知良品晶片12預先一片接著一片接合至晶圓10上，其中接合時間相對較短，例如每一晶片只需幾秒或更短的時間。接著需進行整平接合(leveling bonding)。習知用於整平接合的整平接合系統包括接合頭16及位於下方並與接合頭16貼合的緩衝(compliant)層14。緩衝層14具有一平整表面且用於補償晶片12之間厚度變化。如第2圖所示，在整平接合期間，接合頭16向下移動，以透過緩衝層14在晶片12上施加一力量，使晶片12平整地接合至晶圓12上。
第1及2圖所示的整平接合系統具有某些缺點。緩衝層14係貼附於接合頭16上，因此在更換之前，使用的時間週期相對較長。超時使用，會產生印痕(imprint)及其他缺陷，而使緩衝層14的作用受到嚴重的影響，其接著影響整平接合製程的可靠度。另外，緩衝層14通常由橡膠或是其他聚合物(polymer)材料所構成，其忍受溫度只能到達300℃。然而，在某些應用中，例如銅對銅 直接接合，所需的溫度高於300℃，而使第1及2圖所示的整平接合系統的使用受限。再者，上述接合系統的產能低，一部份的原因在於整平接合每片晶圓的時間相對較長。
因此，必須尋求一種整平接合系統及方法，以進行具有高產能及增加可靠度的整平接合。
根據本發明的一型態，一種接合晶圓的裝置，包括：一接合承座，用以承載晶圓；一接合頭，位於接合承座上方，其中接合承座與接合頭具有彼此相對移動的配置；以及一薄片發送器，用以發送一薄片至晶圓上。
根據本發明的另一型態，一種接合晶圓的裝置，包括：一接合承座，用以承載晶圓；一接合頭，位於接合承座上方且具有一表面面向接合承座，其中接合頭不具有聚合物材料；一機械手臂，用以將晶圓載入接合承座上，並且自接合承座載出晶圓；一薄片，其兩側不具有黏著劑，且其尺寸不小於晶圓的尺寸；以及一薄片發送器，用以發送薄片至晶圓上。
根據本發明的又另一型態，一種接合晶圓的裝置，包括：一接合承座，用以承載晶圓；一第一接合頭，位於接合承座上方且具有一表面面向接合承座，其中第一接合頭與接合承座具有彼此相對移動的配置；以及一第二接合頭，位於第一接合頭上方且與第一接合頭之間具 有一空隙，其中空隙足以放置晶圓，且其中第一接合頭及第二接合頭不具有聚合物材料，而具有彼此相對移動的配置。上述裝置更包括：一機械手臂，用以將晶圓載入接合承座及第一接合頭中至少一個，並且自接合承座及第一接合頭中至少一個載出晶圓；以及一薄片發送器，用以發送一薄片至晶圓上，其中薄片的兩側不具有黏著劑，且具有一晶圓尺寸。
根據本發明的又另一型態，一種接合晶圓的方法，包括：提供一接合承座，用以承載晶圓；於接合承座上方提供一接合頭；發送一薄片至晶圓上；將晶圓放置於接合承座上；以及藉由接合承座及接合頭，對薄片及晶圓施加一力量。
根據本發明的又另一型態，一種整平接合晶圓的方法，包括：提供一接合承座；於接合承座上方提供一第一接合頭；於第一接合頭上方提供一第二接合頭，其中接合承座、第一接合頭、及第二接合頭具有彼此相向移動的配置；發送一第一薄片至一第一預先接合晶圓上，其中第一預先接合晶圓包括位於一第一基礎晶圓上的複數第一晶片；將第一預先接合晶圓放置於接合承座與第一接合頭之間；發送一第二薄片至一第二預先接合晶圓上，其中第二預先接合晶圓包括位於一第二基礎晶圓上的複數第二晶片；將第二預先接合晶圓放置於第一接合頭與第二接合頭之間；以及對第二接合頭加壓，以對第一預先接合晶圓及第二預先接合晶圓施加力量。
本發明的優點在於具有較大的產能、可靠度的提升、以及將整平晶圓系統的使用擴展至高溫應用。
以下的說明為本發明實施例的製造與使用。然而，必須了解的是本發明提供許多適當的發明概念，可實施於不同的特定背景。述及的特定實施例僅僅用於說明以特定方法來製造及使用本發明，並非用以限定本發明範圍。
以下提供一種新穎的整平接合系統以及進行整平接合製程的方法，以及說明較佳實施例的差異及操作。再本發明實施例中，相同的部件係使用相同的標號。
第3圖係繪示出局部的整平接合系統100，其包括接合頭20以及接合承座22。接合頭20以及接合承座22最好是位於一可控環境24內，其能夠填充使用於整平接合製程的氣體，該氣體包括乾淨的空氣及氮氣等等。可控環境24也可為一抽真空的接合腔室。接合頭20最好具有一平整表面26。在一實施例中，平整表面26具有高硬度大體上不會因整平接合而產生印痕(imprint)。因此，接合頭20可由鋼鐵或其適當材料所構成。接合頭20的溫度也可被控制，舉例而言，經由一內部加熱器(未繪示)來加熱至所需的溫度，其可加熱至500℃，甚至更高。接合承座22也最好具有一平整表面28。接合承座22的溫度也可被控制，以加熱至所需的溫度。接合頭20及接 合承座22的尺寸大於被接合的晶圓(如第4圖所示的晶圓40)。
整平接合系統100最好包括用於上下移動接合頭20及/或接合承座22的機械部件(未繪示)。而施加於晶圓上的力量也可被控制。第3圖亦繪示出運送晶圓至接合承座22上以及自接合承座22移離晶圓的機械手臂30。
在一較佳實施例中，係使用薄片來進行整平接合。薄片可在進行一次整平接合之後即丟棄。因此，內文中的薄片為一次性使用薄片。薄片的尺寸至少等於待整平接合的晶圓的尺寸，而最好是稍微大於。第4圖繪示出一薄片發送器34，用以發送薄片36至晶圓40上，晶圓40為待整平接合的晶圓且其上方具有預先接合(pre－bonded)的晶片42。在發送薄片36之後，薄片36必須覆蓋所有的晶片42。
薄片36的熔點溫度高於整平接合製程所使用的溫度。另外，薄片36的硬度必須在一適當的範圍。可以了解的是在從各個晶圓切割出這些晶片42之前，由於晶圓薄化製程的不均勻性，造成這些晶片42具有厚度差異。由接合頭20及接合承座22(請參照第3圖)所施加的力量必須經過薄片36大體均勻地施加於這些晶片42。因此，薄片36必須有足夠的硬度來傳導該力量且具有足夠的形變來吸收過多的力量施加於較厚的晶片42。在一實施例中，薄片36可由鋁所構成，其熔點溫度約為660℃。在其他實施例中，薄片36可由銅合金所構成，例如黃銅 (braze)，其熔點溫度約為900℃。在另一實施例中，薄片36可由聚合物(polymer)所構成，例如橡膠，其熔點溫度約為300℃或更高。薄片36的厚度在數十微米(μm)到數百微米的範圍。本發明的優點在於薄片36為一次性使用，因此可依照幾個因素來選擇適當薄片，例如待接合晶圓的種類以及是否晶片42與晶圓40之間的接合為氧化物對氧化物的接合、銅對銅的接合等等。
第3及4圖也繪示出一控制系統44，其包括一電腦及一程式碼，用以控制及調節晶圓40的載入/載出、接合頭20及/或接合承座22的移動與加熱、以及薄片的發送。
在第4圖中，晶片42預先接合至晶圓40上。晶片42係切割自晶圓且為已知良品晶片。晶片42可面對面、背對面、面對背、背對背地接合至晶圓40上，且可為氧化物對氧化物的接合、氧化物對矽的接合、金屬對金屬的接合(如銅對銅或任何金屬間接合)等等。可藉由放置每一單晶片42至晶圓40上並且在晶片上，短時間(例如，幾秒鐘)施加一力量來進行預先接合。在預先接合期間，可加熱，例如在25℃至400℃的範圍，其取決於晶片42與晶圓40之間接合的類型。在預先接合之後，具有預先接合晶片42的晶圓40必須經過一道整平接合製程以強化該接合。
第5A至5C圖係繪示出本發明的一第一製程流程。請參照第5A圖，薄片36首先發送至預先接合的晶片42與晶圓40上。沒有任何黏著劑使用於黏著薄片36與晶 片42。薄片36的材質取決於後續整平接合所需的溫度。舉例而言，若溫度約為300℃或以下，薄片36可由聚合物、銅、鋁等等所構成。若需使用高溫，則不使用聚合物。換言之，薄片36可由銅、鋁等等所構成。接著，請參照第5B圖，發送的薄片36、晶片42、及晶圓40藉由機械手臂30(如第3圖所示)傳送至可控環境24內且放置於接合頭20與接合承座22之間。在進行整平接合製程期間，可控環境24內可填充乾淨的空氣、氮氣等等，也可以抽真空。
請參照第5B圖，藉由向著接合承座22壓迫接合頭20來進行整平接合製程，使力量施加於薄片36、晶片42、及晶圓40上。沒有任何黏著劑放置於薄片36的上表面。依照接合的方法(例如氧化物對氧化物的接合、銅對銅的接合等等)，接合頭20及/或接合承座22所需的力量及溫度有所不同。在一實施例中，所施加的力量在10psi到100psi的範圍。銅對銅接合的所需溫度在200℃以上，例如，在200℃至500℃的範圍。氧化物對氧化物的接合的所需溫度低於300℃。整平接合的時間約在10分鐘至60分鐘的範圍。
在第5C圖中，接合頭20自薄片36鬆開，接著自晶片42上方移除薄片36並可丟棄。晶圓移出可控環境24，而另一晶圓可進行接合。
第6圖係繪示出另一製程流程的部份階段。本實施例相似於第5A至5C圖的實施例，除了薄片36的發送是 在將晶圓40放置於接合承座22上之後進行的。在本實施例中，預先接合晶片42與晶圓40，再藉由機械手臂(如第3圖所示)傳送至可控環境24內，接著放置於接合頭20與接合承座22之間。薄片發送器34接著發送薄片36至晶片42上。而後續的整平接合製程實質相同於第5B及5C圖所述，在此不在贅述。
上述實施例包括一多重接合頭的設計。第7圖係繪示出一實施例，其包括接合頭201 及位於其上的接合頭202 。接合頭201 及202 與接合承座22可個別或同時加熱至相同或不同的溫度。移動導引器50用於連接接合頭201 與接合承座22，且用於引導接合頭201 的移動。接合頭201 係作為放置於其上的晶圓的接合承座，且可進一步包括增額晶圓承座部件(未繪示)，用以承載放置於其上的晶圓。空隙D1及D2足以載入/載出晶圓。多重接合頭系統也包括一機械手臂30(如第3圖所示)及薄片發送器34(如第4圖所示)。
多重接合頭系統操作中，晶圓401 及402 分別放置於接合承座22與接合頭201 上，如第7圖所示。而在放入晶圓401 及402 之前或之後，將薄片36放置於晶圓401 及402 上。當接合頭202 向下移動，如第8圖所示，晶圓402 受壓，使接合頭201 向下移動(受限於或沿著移動導引器50)，直至接合頭201 的底部壓住薄片36。接合頭202 所施加的力量因而傳導至晶圓402 、接合頭201 、並依序壓住晶圓401 。可額外加入機械及/或電子部件(未繪 示)以個別調整施加於晶圓401 及402 上的力量。再者，接合頭201 及202 可加熱至所需的相同或不同溫度。
藉由使用第7圖所示的多重接合頭實施例，整平接合的產能得以加倍。在另一實施例中，可堆疊更多的接合頭/承座(例如三個或以上)，以同時接合更多的晶片，而進一步提升整平接合的產能。晶圓401 及402 彼此可為相同或不同的。因此，不同電路設計及/或尺寸的二晶圓可同時進行整平接合。
上述實施例具有許多的優點。首先，由於薄片36為一次性使用，故不會因進行一次接合製程而產生印痕，進而影響後續其他晶圓的接合。因而提升可靠度。第二，因為具有選擇適當薄片的彈性，本發明的整平接合系統可使用於銅對銅接合或其他需要較高溫度的接合應用。第三，可堆疊多重接合頭/承座，使產能得以增加。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 習知
10‧‧‧晶圓
12‧‧‧已知良品晶片
14‧‧‧緩衝層
16‧‧‧接合頭
本發明
20、201 、202 ‧‧‧接合頭
22‧‧‧接合承座
24‧‧‧可控環境
26、28‧‧‧平整表面
30‧‧‧機械手臂
34‧‧‧薄片發送器
36‧‧‧薄片
40、401 、402 ‧‧‧晶圓
42‧‧‧晶片
44‧‧‧控制系統
50‧‧‧移動導引器
100‧‧‧整平接合系統
D1、D2‧‧‧空隙
第1及2圖係繪示出使用習知整平接合系統之接合製程中部份階段剖面示意圖；第3圖係繪示出根據本發明實施例之整平接合系統；第4圖係繪示出用於發送薄片至晶圓上的薄片發送器；第5A至5C圖係繪示出第一整平接合製程中部份階段剖面示意圖，其中在預先接合的晶圓放置於接合承座上之前，薄片被發送至上述晶圓上；第6圖係繪示出第二整平接合製程中部份階段剖面示意圖，其中在預先接合的晶圓放置於接合承座上之後，薄片被發送至上述晶圓上；第7及8圖係繪示出另一整平接合製程中部份階段剖面示意圖，其中使用具有堆疊接合頭的整平接合系統，對二晶圓同時進行接合。
20‧‧‧接合頭
22‧‧‧接合承座
34‧‧‧薄片發送器
36‧‧‧薄片
40‧‧‧晶圓

Claims (29)

  1. 一種接合晶圓的裝置，該裝置包括：一接合承座，用以承載該晶圓；一接合頭，位於該接合承座上方，其中該接合承座與該接合頭具有彼此相對移動的配置；以及一薄片發送器，用以發送一一次性使用薄片至該晶圓上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，其中面向該接合承座的該接合頭的一表面不具有聚合物材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，更包括一控制單元，用以控制該接合頭與該接合承座而施加一彼此相向的既定力量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，更包括一機械手臂，用以將該晶圓載入該接合承座上，並且自該接合承座載出該晶圓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，其中該接合頭與該接合承座中的至少一個是用以對該一次性使用薄片及該晶圓進行加熱。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，其中該一次性使用薄片的熔點溫度大於或等於300℃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，其中該一次性使用薄片由金屬所構成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，更 包括一增額接合頭，位於該接合頭上方，其中該增額接合頭與該接合頭具有一空隙，用以載入及載出該晶圓，且其中該接合頭與該增額接合頭具有彼此相對移動的配置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之接合晶圓的裝置，其中該增額接合頭與該接合頭中至少一個是用以對放置於該接合頭與該增額接合頭之間的該晶圓進行加熱。
  10. 一種接合晶圓的裝置，該裝置包括：一接合承座，用以承載該晶圓；一接合頭，位於該接合承座上方且具有一表面面向該接合承座，其中該接合頭不具有聚合物材料；一機械手臂，用以將該晶圓載入該接合承座上，並且自該接合承座載出該晶圓；一一次性使用薄片，其兩側不具有黏著劑，且熔點溫度大於或等於300℃；以及一薄片發送器，用以發送該一次性使用薄片至該晶圓上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之接合晶圓的裝置，其中該接合頭向該接合承座移近及移離，以對該晶圓施加一力量。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之接合晶圓的裝置，其中該接合頭與該接合承座中的至少一個是用以加熱至一既定溫度。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之接合晶圓的裝 置，其中該接合頭與該接合承座位於一腔室中。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之接合晶圓的裝置，其中該一次性使用薄片的材質擇自於銅、鋁、聚合物、及其組合。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之接合晶圓的裝置，更包括一增額接合頭，位於該接合頭上方，其中該增額接合頭與該接合頭具有一空隙，用以載入及載出該晶圓，且其中該接合頭與該增額接合頭具有彼此相對移動的配置。
  16. 一種接合晶圓的裝置，該裝置包括：一接合承座，用以承載該晶圓；一第一接合頭，位於該接合承座上方且具有一表面面向該接合承座，其中該第一接合頭與該接合承座具有彼此相對移動的配置；一第二接合頭，位於該第一接合頭上方且與該第一接合頭之間具有一空隙，其中該空隙足以放置該晶圓，且其中該第一接合頭及該第二接合頭不具有聚合物材料，而具有彼此相對移動的配置；一機械手臂，用以將該晶圓載入該接合承座及該第一接合頭中至少一個，並且自該接合承座及該第一接合頭中至少一個載出該晶圓；以及一薄片發送器，用以發送一一次性使用薄片至該晶圓上，其中該薄片的兩側不具有黏著劑，且具有一晶圓尺寸。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之接合晶圓的裝置，更包括一移動導引器，連接至該第一及該第二接合頭。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之接合晶圓的裝置，其中該第一及該第二接合頭具有被加熱的配置。
  19. 一種接合晶圓的方法，該方法包括：提供一接合承座，用以承載該晶圓；於該接合承座上方提供一接合頭；發送一一次性使用薄片至該晶圓上；將該晶圓放置於該接合承座上；以及藉由該接合承座及該接合頭，對該一次性使用薄片及該晶圓施加一力量。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之接合晶圓的方法，更包括預先接合複數晶片至該晶圓上，其中發送該一次性使用薄片以覆蓋該等晶片。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之接合晶圓的方法，更包括在施力期間，對該接合頭及該接合承座中至少一個進行加熱。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之接合晶圓的方法，其中將該晶圓放置於該接合承座上係於發送該一次性使用薄片之前進行。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之接合晶圓的方法，其中將該晶圓放置於該接合承座上係於發送該一次性使用薄片之後進行。
  24. 如申請專利範圍第19項所述之接合晶圓的方法，更包括：於該接合頭上方提供一增額接合頭；在一增額晶圓上方發送一增額薄片；將該增額晶圓放置於該接合頭上；以及藉由該接合頭及該增額接合頭，對該增額薄片及該增額晶圓施加一增額力量。
  25. 一種整平接合晶圓的方法，該方法包括：提供一接合承座；於該接合承座上方提供一第一接合頭；於該第一接合頭上方提供一第二接合頭，其中該接合承座、該第一接合頭、及該第二接合頭具有彼此相向移動的配置；發送一第一薄片至一第一預先接合晶圓上，其中該第一預先接合晶圓包括位於一第一基礎晶圓上的複數第一晶片；將該第一預先接合晶圓放置於該接合承座與該第一接合頭之間；發送一第二薄片至一第二預先接合晶圓上，其中該第二預先接合晶圓包括位於一第二基礎晶圓上的複數第二晶片；將該第二預先接合晶圓放置於該第一接合頭與該第二接合頭之間；以及對該第二接合頭加壓，以對該第一預先接合晶圓及 該第二預先接合晶圓施加力量。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之整平接合晶圓的方法，更包括在施力期間，對該第一接合頭及該第二接合頭中至少一個進行加熱。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之整平接合晶圓的方法，其中放置該第一預先接合晶圓及該第二預先接合晶圓係於分別發送該第一薄片及該第二薄片之前進行。
  28. 如申請專利範圍第25項所述之整平接合晶圓的方法，其中放置該第一預先接合晶圓及該第二預先接合晶圓係於分別發送該第一薄片及該第二薄片之後進行。
  29. 如申請專利範圍第25項所述之整平接合晶圓的方法，其中該第一薄片及該第二薄片之熔點溫度大於或等於300℃。
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