TWI795010B - 半導體製造方法及用以處理半導體晶圓的方法 - Google Patents

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Abstract

在用以從半導體製造方法中的玻璃載體移除有機黏合劑的方法中，玻璃載體放置於處理腔室中。玻璃載體被旋轉，且加熱的硫酸施加或噴灑於玻璃載體上。臭氧被引入處理腔室。臭氧通過硫酸擴散至玻璃載體之表面上的有機黏合劑。硫酸與臭氧和有機黏合劑化學反應且從玻璃載體移除有機黏合劑。

Description

半導體製造方法及用以處理半導體晶圓的方法
本發明之技術領域係有關於從用於半導體封裝的玻璃載體移除多個有機黏合膜與多種殘留金屬。
在半導體裝置之製造中，封裝與扇出(fan-out)級處理已隨著製造技術發展而變得更加重要。封裝技術不再被動。現在，封裝技術在裝置性能上發揮積極作用。在一些封裝處理中，將薄化(thinned)半導體晶圓(wafer)黏附至玻璃載體是必須的，有時稱為玻璃晶圓。玻璃載體係為特殊玻璃元件，其極為平坦(ultra-flat)且具有均勻的表面品質、厚度與高邊緣強度(edge strength)。玻璃載體在附加處理過程中支撐半導體晶圓，且然後在某些處理完成後和半導體晶圓或晶粒(die)分離。若半導體晶片已比其通常的厚度700微米(micron)更薄，則通常會使用玻璃載體。若半導體晶圓已被切割(diced)，亦可使用玻璃載體。當半導體晶圓已被切割，個別晶粒或裝置彼此分離，或僅藉由半導體晶 圓之非常薄的片段連接。隨著已切割半導體晶圓黏附至玻璃載體，其可被進一步處理，如同其為未切割的且仍是整塊的半導體晶圓。
玻璃載體必須按照非常高的品質標準製造，且必須滿足例如汙染和平整度等參數的關鍵規範。因此，玻璃載體是製造過程中的高成本元件。能夠重複使用玻璃載體可降低整體製造成本與節省資源。重複使用玻璃載體需要先清潔玻璃載體之汙染物，例如金屬、移動離子(mobile ions)、粒子與用以使半導體晶圓黏附至玻璃載體之有機黏合膜。在清潔之後，玻璃必須維持光學透明，以在重複使用玻璃載體時使基於紫外光或紅外光之剝離處理與雷射標印序列化得以進行。
過往使用例如硫酸與過氧化氫混合物(SPM)(亦被稱為「食人魚(piranha)」)之化學物質來將有機黏合膜從半導體晶圓移除。這種化學物質通常是重量百分濃度約96%的硫酸與重量百分濃度約30%的過氧化氫之混合物，以體積比1：1至10：1混合，且可用於50℃至130℃之溫度範圍，最常見的溫度範圍為90℃至120℃。硫酸與過氧化氫結合將會反應形成非常強的氧化劑：
H2SO4+H2O2
Figure 110136844-A0305-02-0004-1
H2S2O8 (過氧二硫酸(peroxy disulfuric acid)或PDSA)
H2SO4+H2O2
Figure 110136844-A0305-02-0004-2
H2SO5 (卡洛酸(Caro’s acid))
這些強氧化劑僅在平衡狀態下以有限數量產生，且是相對不穩定的與短暫存在的。然而，他們可有效去除有機膜。
雖然在一些製造過程中，次微米(submicron)尺寸粒子可能是一個要素(factor)，但半導體裝置封裝規範通常要求1微米以上的清潔度。因為已知高pH值的化學物質可有效地從半導體晶圓移除粒子，氫氧化銨(ammonium hydroxide)(約30%的NH3)與過氧化氫(約30%)的混和物(APM)已被用來從半導體晶圓移除粒子。H2O：NH4OH：H2O2的典型體積比為5：1：1至50：1：1，其中體積比20：4：1是相當常見的，且操作溫度介於50℃至70℃。
為了在有氨存在的情況下使矽孔蝕(pitting)降到最低，過氧化氫被認為是清潔矽基板的關鍵因素。過氧化氫有助於維持矽上的保護氧化物膜。然而，在存在許多金屬離子以及存在酸或鹼的情況下，過氧化氫相對不穩定，特別是在高溫下。其會分解以形成水，同時釋放氧分子。在清潔化學物質裡添加過氧化氫或替換清潔化學物質可能是主要成本因素。由於過氧化氫會分解形成水，基於稀釋考量可進行有限的化學浴調劑(bath dosing)。
通常以各種酸性混合物來達成金屬之移除。這些可包含HCl：H2O2：H2O、HCl、HCl：HNO3等。清潔混合物之選擇取決於要移除的金屬。這些可包含Cu、Ni、Sn、Sn、Ag、Co、Au等。
玻璃清潔可藉由將一系列清潔化學物質送到玻璃載體、或使玻璃載體移動通過一系列儲槽以使玻璃載體在儲槽中暴露於清潔化學物質來達成，通常伴隨著在每一化學步驟之間沖洗且以乾燥步驟結尾，乾燥步驟例如離心脫水法(spin drying)、2-丙醇(異丙醇)輔助乾燥法、或氮氣/加熱氮氣乾燥法。典型的有機黏合劑之移除順序可為：硫酸與過氧化氫混合物>去離子水沖洗>金屬移除化學物質>去離子水沖洗>使用APM移除粒子>沖洗>乾燥。
然而，如前所述，這些已知的玻璃清潔方法涉及使用過氧化氫之缺點。其可能亦需要使用酸性混合物來移除金屬，及/或使用氫氧化銨來移除粒子，從而提升清潔方法的成本、複雜度、所需時間和環境影響。因此，有需要提供改良的用以清潔玻璃載體之方法。
臭氧被用來有效清潔玻璃載體，其具有較低的成本，且相對於已知的玻璃載體清潔技術，其對環境的影響較少。可減少化學成本與清理費用。本發明之臭氧方法可避免使用過氧化氫，從而延長化學浴壽命且減少成本。本發明之臭氧方法適用於移除多種金屬殘留物而不需要額外的清潔步驟。
在本發明之一方面，在半導體製造方法中，半導體晶圓以黏合劑暫時地黏附(adhered)或接合(bonded)於玻璃載體。 以一或更多的後續處理步驟處理黏附的半導體晶圓。接著，從玻璃載體移除黏附的半導體晶圓，以進行進一步的單獨處理及/或封裝。將玻璃載體放入處理腔室中以清潔玻璃載體，以重複使用玻璃載體。將硫酸施加於玻璃載體的表面，此表面先前接合於半導體晶圓。提供臭氧氣體至處理腔室內。臭氧通過硫酸擴散至表面。硫酸與臭氧從玻璃載體的表面移除黏合劑。可旋轉玻璃載體，例如以100rpm至2000rpm的轉速。可加熱硫酸，例如加熱至70℃至130℃，並將硫酸噴灑(sprayed)於玻璃載體上。
透過以下詳細說明，本發明之其他益處對本技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的。
10:處理器
12:頭部
14:升降/旋轉機構
16:頭臂
18:轉子
20:指部
22:馬達
24:處理腔室
25:玻璃載體
26:噴嘴或出口
30:噴嘴
36:沖洗臂
38:噴嘴
40:排水圈
圖式中，相同元件符號代表每一圖中的相同元件。
第1圖係繪示在第一位置的處理腔室之示意剖面圖；第2圖係繪示在第二位置的第1圖之處理腔室之示意剖面圖；及第3圖係繪示在第二位置的第1-2圖之處理腔室之透視圖。
半導體材料晶圓黏附於玻璃載體。半導體晶圓可為薄化(thinned)半導體晶圓(即厚度小於700微米且典型為10微米至150微米)或已切割(diced)半導體晶圓。有機黏合劑可用於 將半導體晶圓暫時地附接於玻璃載體。一般而言，半導體晶圓與玻璃載體係為圓形的。玻璃載體的直徑可相同於半導體晶圓，或例如比半導體晶圓的直徑(通常為300毫米)大1毫米至4毫米，或如工業標準(例如SEMI 3D2)之設定。接著以一或更多的後續處理步驟處理接合於玻璃載體的半導體晶圓。在此後續處理步驟中，由於暴露於雷射光或其他動作，有機黏合劑可被轉化或被灰化(ashed)。接著，必須從玻璃載體移除半導體晶圓，並清潔玻璃載體以重複使用玻璃載體。可如以下所述之內容進行清潔處理。
使用(大量)硫酸與臭氧之液體混合物(SOM-硫酸臭氧液體混合物)從玻璃載體移除黏合劑。SOM液體混合物可在高溫下施加於玻璃載體，通常介於70℃至130℃、80℃至100℃、或85℃至95℃。具體而言，在將硫酸提供至處理腔室之前，可加熱硫酸。亦可藉由加熱腔室或透過一或更多的腔室中的加熱器來預熱玻璃載體。可選地，亦可在腔室外單獨加熱玻璃基板，且然後將玻璃基板移入腔室中以處理玻璃基板。可使用製造商為了半導體應用提供之具有標準濃度與純度的硫酸。
如同所有氣體，臭氧之溶解度隨著溫度增加而降低。然而，化學反應之速度隨著溫度增加而增加。從而，由於臭氧濃度降低亦會對速率造成不良影響，需要在最大臭氧濃度與熱力學反應速率之間達成平衡。雖然將SOM施加於待清潔的半導體晶圓之最常見方法係為使臭氧形成氣泡或注入控溫的硫酸儲槽中，但 臭氧溶解度限制通常會降低臭氧的氧化有效性(effectiveness)。在此步驟中，將臭氧氣體直接注入容納待清潔玻璃載體之處理腔室可降低或克服臭氧溶解度限制。在一實施例中，在有機黏合劑移除步驟中，僅使用硫酸(市售)與臭氧，而不使用任意其他化學物質。
第1-3圖示出可用於進行本發明之方法的處理器10。頭部(head)12被支撐於升降/旋轉機構14之頭臂(head arm)16上。轉子(rotor)18具有多個指部(fingers)20，用以固持玻璃載體25之邊緣。頭部12中的馬達(motor)22使轉子18旋轉。升降/旋轉機構14可將頭部12從面朝下或第1圖所示的第一位置翻轉或旋轉為面朝上或第2-3圖所示的第二位置。在第一位置，玻璃載體25在處理器10之碗狀物或處理腔室24中。多個噴嘴或出口26被定位以將臭氧氣體引入或噴灑入處理腔室24中。處理器10亦可包含處理擺臂(process swing arm)，處理擺臂具有一或更多的噴嘴，用以將SOM噴灑於玻璃載體25之朝下的表面上。在處理期間，處理器10可關閉與密封，或僅實質關閉，取決於處理腔室之具體處理與位置。多個指部20可包含滾輪(roller)、滾珠(ball)或其他接合裝置，以使玻璃載體25在處理期間可稍微移動，以使處理液體得以更佳地接觸玻璃載體25之所有區域。
可將控溫的硫酸噴灑於玻璃載體25上，例如透過多個噴嘴30，同時臭氧通過多個噴嘴或出口26被送進處理腔室 24中。或者，使玻璃載體暴露於含臭氧環境，同時玻璃載體表面塗布有硫酸。
控制馬達22以用100rpm至2000rpm、300rpm至1500rpm、或300rpm至1000rpm的轉速旋轉轉子18與玻璃載體25。此旋轉有助於分散硫酸並使SOM液體之邊界層(boundary layer)薄化，臭氧氣體可通過此SOM液體之邊界層擴散以和玻璃載體表面上的有機物質與金屬反應。此克服了溫度透過溶解度對於玻璃載體表面上的臭氧施加的限制，因為擴散是完全不同於溶解的機制，且提高溫度可增強擴散，而非抑制擴散。
請參照第2-3圖，玻璃載體25可被翻轉而面朝上，且亦垂直地上升至第二位置。在第二位置，可以去離子水沖洗玻璃載體25，且玻璃載體25可暴露於含氫氧化銨的混合物，含氫氧化銨的混合物透過沖洗臂36上的(多個)噴嘴38被送至玻璃載體之朝上的表面。雖然單獨使用氫氧化銨是有效且適合的玻璃清潔劑，但和以過氧化氫或臭氧形式之氧化劑一起使用可增強清潔效果。在任何情況中，氧化劑可進一步移除可能存在的任意有機殘留物與一些金屬。高的pH值可增強粒子移除且使玻璃保持在完全乾淨的狀態。在沖洗後，可使玻璃載體乾燥，可選擇使用旋轉及/或加熱空氣或氣體。若提供與使用多個排水圈(drain rings)40，升降/旋轉機構垂直移動轉子18，以將旋轉的玻璃載體25甩出的液體收集至所選的排水圈中。
多個實驗已顯示各種金屬之有效且不可預期的移除。在去除黏合層時，此移除中的部分可能是藉由基底侵蝕(undercutting)來達成的。然而，清潔比預期更有效，或比使用典型的SPM清潔所觀察到的更有效。在測試樣品中已達成的與觀察到的金屬移除，特別是當SOM清潔和基於氫氧化銨的步驟一起使用時，可不需要單獨的金屬移除化學物質和清潔步驟。在移除黏合膜與金屬後，粒子數量係介於或低於製造商提供之原始玻璃的數量範圍，使用Tencor表面粒子計數器來得到每一測量值。為了重複使用玻璃載體之目的，金屬與移動離子汙染物的數量亦是可接受的。
通過上述方法清潔之樣品並未展現出使其不適合用作玻璃載體之降解(degradation)、裂解(cracking)、裂紋(crazing)或瑕疵。沒有跡象顯示清潔循環之數量會對玻璃品質造成不良影響。
隨著臭氧分解，臭氧會完全生成氧氣，因此不會發生化學浴稀釋。從而，原本可能必須每小時進行過氧化氫調劑與每隔數小時更換化學浴之SPM化學浴可延長為至少一整天，且可能延長為數天。
本揭露之方法可避免在黏合劑移除步驟中使用過氧化氫。因此可延長化學浴的壽命。化學浴的調劑亦可能省略，此有助於避免化學浴成分隨著時間波動。本揭露之方法亦可在黏合劑移除過程中有效去除金屬，而不需要單獨的金屬移除清潔步 驟。由於這些因素，本揭露之方法提供改良的且更具成本效益之玻璃載體的清潔。
和已知的用以清潔半導體晶圓之臭氧處理不同的是，本揭露之處理不需要在玻璃載體表面上達成極薄的液體邊界層。例如，SOM液體邊界層可為1毫米至3毫米。若玻璃載體以高轉速旋轉，在一些應用中SOM液體邊界層可小於1毫米，例如0.1毫米至1毫米，或0.1毫米至5毫米。和已知的臭氧處理不同的是，液體係為SOM，且不是水溶液。此外，玻璃載體上的有機黏合劑之剝離(lift off)或脫落(peel-off)主要可透過以化學物質基底侵蝕有機黏合劑來達成，而不需要使其被完全蝕刻或氧化。玻璃載體上的有機黏合劑亦不同於半導體晶圓上的有機黏合層，因為在通過各種處理步驟後玻璃載體上的有機黏合劑為灰化的殘留物。因此，相較於半導體晶圓上的有機黏合層，移除玻璃載體上的有機黏合劑是更加困難的。殘留物與其他汙染物亦主要在玻璃載體的邊緣附近，但是半導體晶圓的邊緣通常沒有任何有機汙染層。
一般而言，玻璃載體可被個別處理，在每一清潔循環期間，處理腔室中配置一玻璃載體。或者，處理腔室可設計為批量處理多個玻璃載體。玻璃載體可典型地在水平位置處理，面朝上或面朝下，重力有助於維持玻璃載體上的均勻的處理液體層。然而，玻璃載體亦可在非水平位置處理，或在垂直位置，取決於處理腔室之設計。
10:處理器
12:頭部
14:升降/旋轉機構
16:頭臂
18:轉子
20:指部
22:馬達
24:處理腔室
25:玻璃載體
26:噴嘴或出口
30:噴嘴
40:排水圈

Claims (20)

  1. 一種半導體製造方法，包含：以一有機黏合劑將一半導體晶圓(wafer)黏附於一玻璃載體；以一或更多的後續處理步驟處理黏附的該半導體晶圓；從該玻璃載體移除黏附的該半導體晶圓；將該玻璃載體放入一處理腔室；將硫酸施加於該玻璃載體的一表面；以及提供臭氧氣體至該處理腔室內，該臭氧氣體通過該硫酸擴散至該表面，以從該玻璃載體的該表面移除多個汙染物。
  2. 如請求項1所述之方法，更包含將該硫酸加熱至70℃至130℃。
  3. 如請求項2所述之方法，更包含以100rpm至2000rpm的一轉速旋轉該玻璃載體以及將該硫酸噴灑(spraying)於該玻璃載體上，其中該硫酸形成一液體邊界層(liquid boundary layer)，該液體邊界層具有1毫米至3毫米的一厚度。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該半導體晶圓係為一薄化晶圓(thinned wafer)及/或一已切割晶圓(diced wafer)。
  5. 如請求項3所述之方法，其中該表面係為朝下的。
  6. 如請求項3所述之方法，其中該臭氧氣體是以一乾氣(dry gas)的形式供應至該處理腔室內。
  7. 如請求項6所述之方法，其中在將該硫酸提供至該處理腔室內之前，該臭氧氣體注入(injected)或溶解於該硫酸。
  8. 如請求項5所述之方法，更包含：將該玻璃載體翻轉至該表面朝上的一位置；將過氧化氫施加於該表面；以去離子水沖洗該表面；以及使該玻璃載體乾燥。
  9. 如請求項8所述之方法，更包含將氫氧化銨提供至該表面，和該過氧化氫一起使用。
  10. 如請求項3所述之方法，其中未使用過氧化氫。
  11. 如請求項3所述之方法，更包含使用多個指部(fingers)使該玻璃載體固持於該處理腔室中的一轉子(rotor)上，以使該玻璃載體相對於該轉子移動。
  12. 一種半導體製造方法，包含：以一有機黏合劑將一半導體晶圓黏附於一玻璃載體；以一或更多的後續處理步驟處理黏附的該半導體晶圓；從該玻璃載體移除黏附的該半導體晶圓；將該玻璃載體放入一處理腔室；以100rpm至2000rpm的一轉速旋轉該玻璃載體；將硫酸噴灑於該玻璃載體上，其中該硫酸被加熱至70℃至130℃； 將乾的臭氧氣體(dry ozone gas)噴灑於該處理腔室內，該臭氧氣體通過該硫酸擴散至該玻璃載體之一表面，該硫酸與該臭氧氣體和該有機黏合劑化學反應以從該玻璃載體移除該有機黏合劑；以及將另一半導體晶圓附接於清潔過的該玻璃載體以重複使用該玻璃載體。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該有機黏合劑在該一或更多的後續處理步驟中被灰化(ashed)。
  14. 如請求項12所述之方法，該有機黏合劑在該玻璃載體的一朝下的表面上，且該硫酸以至少部分垂直向上噴灑的方式噴灑於該朝下的表面上。
  15. 如請求項14所述之方法，更包含：翻轉該玻璃載體；將過氧化氫施加於該玻璃載體上；以去離子水沖洗該玻璃載體；以及使該玻璃載體乾燥。
  16. 如請求項12所述之方法，更包含將氫氧化銨提供至該玻璃載體，和過氧化氫一起使用。
  17. 如請求項12所述之方法，更包含使用多個指部使該玻璃載體固持於該處理腔室中的一轉子上，以使該玻璃載體相對於該轉子移動。
  18. 一種用以處理半導體晶圓的方法，包含： 以一有機黏合劑將一薄化(thinned)半導體晶圓或一已切割(diced)半導體晶圓黏附於一玻璃載體；以一或更多的後續處理步驟處理黏附的該薄化半導體晶圓或該已切割半導體晶圓；從該玻璃載體移除黏附的該薄化半導體晶圓或該已切割半導體晶圓；將該玻璃載體放入一處理腔室；將硫酸噴灑於該玻璃載體上，其中該硫酸被加熱至70℃至130℃；以100rpm至2000rpm的一轉速旋轉該玻璃載體，其中該硫酸在該玻璃載體的一表面上形成一邊界層，該邊界層具有1毫米至3毫米的一厚度；將乾的臭氧氣體(dry ozone gas)噴灑於該處理腔室內，該臭氧氣體通過該硫酸擴散至該玻璃載體之該表面，該硫酸與該臭氧氣體和該有機黏合劑化學反應以從該玻璃載體移除該有機黏合劑；將氫氧化銨施加於該表面上以移除多個金屬汙染物；以及將過氧化氫施加於該表面上、以去離子水沖洗該表面和使該玻璃載體乾燥。
  19. 如請求項18所述之方法，其中在將該氫氧化銨施加於該表面上以移除該些金屬汙染物之前，未使用過氧化氫。
  20. 如請求項18所述之方法，更包含將該過氧化氫提供至該表面上，和該氫氧化銨一起使用。
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