TWI843478B - 半導體製程之設備及其相應方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體製程，包括：提供待加工電子元件於一腔體內部；提升該腔體內部的溫度及壓力至第一溫度與第一壓力，並維持一第一時間段；降低該腔體內部的壓力至第二壓力，然後回復至常壓，保持該腔體內部的溫度為該第一溫度，並持續一第二時間段；通入氮氣或惰性氣體至該腔體內部，使該腔體內部的壓力增大至該第一壓力並提供低氧環境，提升該腔體內部的溫度至第二溫度，持續一第三時間段；提升該腔體內部的溫度及壓力至第三溫度與第三壓力，並維持一第四時間段；提升該腔體內部的溫度至第四溫度，維持該腔體內部的壓力為該第三壓力，持續一第五時間段；透過冷熱交換器降溫，藉由調整冷熱交換器的介質溫度以改變腔體內部降溫的速率；其中，該待加工電子元件為待加工半導體晶片封裝結構。
Description
本發明涉及半導體製程相關領域，特別是一種用於半導體製程之設備及其相應之方法。
半導體製程，其實涵蓋了製造積體電路(Integrated Circuit, IC)的一整個流程、數百道加工步驟。半導體前段製程步驟可以粗分成微影、蝕刻、沉積、摻雜與平坦化等實際在晶圓上製造出電路的製程步驟，以及穿插在這些步驟之間的清洗製程，統稱為前段製程。晶圓製作完成後，經過切割、測試、封裝等後段步驟，變成最終的半導體晶片。
半導體後段的封裝製程提供保護上述半導體晶片免受物理、化學等環境因素所造成的損傷，提供增強晶片的散熱能力、實現電氣連接、以確保電路正常工作。
在習知的半導體晶片的封裝過程中，需要由晶圓切割出晶片後再將其黏附於載板之上。在黏附的過程中封裝膠體可能會產生氣泡，封裝膠體內的氣泡會劣化產品的可靠性及品質，現行的方式係利用壓力烤箱以高溫高壓的方式來去除封裝膠體的氣泡，或是利用抽真空(負壓)的方式使氣泡由封裝膠體排出。
然而上述方法，需要在不同溫度環境中進行，加熱以及冷卻製程的速率會影響整個製程週期以及效率。
有鑑於此，本發明提供一種半導體製程之設備及其相應方法，用於提高電子產品的可靠度以及品質。
根據本發明的一個觀點，提出一種半導體製程，包括：提供待加工電子元件於一腔體內部；提升該腔體內部的溫度及壓力至第一溫度與第一壓力，並維持一第一時間段；降低該腔體內部的壓力至第二壓力，然後回復至常壓，保持該腔體內部的溫度為該第一溫度，並持續一第二時間段；通入氮氣或惰性氣體至該腔體內部，使該腔體內部的壓力增大至該第一壓力並提供低氧環境，提升該腔體內部的溫度至第二溫度，持續一第三時間段；提升該腔體內部的溫度及壓力至第三溫度與第三壓力，並維持一第四時間段；提升該腔體內部的溫度至第四溫度，維持該腔體內部的壓力為該第三壓力，持續一第五時間段；透過冷熱交換器降溫，藉由調整冷熱交換器的介質溫度以改變腔體內部降溫的速率；其中，該待加工電子元件為待加工半導體晶片封裝結構。
以一實施例而言，上述之第四溫度高於或等於該第三溫度、該第三溫度高於或等於該第二溫度且該第二溫度高於或等於該第一溫度。
以一實施例而言，上述之第一壓力大於常壓，該第二壓力低於常壓且該第三壓力大於該第一壓力。
以一實施例而言，上述之第二壓力係透過該壓力調節模組中的抽真空裝置調節由該第一壓力降壓，可以是採用線性與非線性方式的一階段性降壓或是採用多階段式緩步降壓。
以一實施例而言，其中上述降低該腔體內部的壓力至第二壓力然後回復至常壓之製程步驟可以進行一次或一次以上。
根據本發明的另一個觀點，提出一種半導體製程設備，用於執行上述製程，包括：一腔體，其內部具有容置空間；壓力調節模組，連通該容置空間，用於調節壓力；溫度調節模組，設置於該容置空間內，用於調節溫度；冷卻模組，配置於該腔體外部並且與該腔體之內部空間連通，用於冷卻由該容置空間所抽出氣體，並回饋入該腔體內部；以及一控制器，分別與該壓力調節模組及該溫度控制模組電性連接，用於控制該壓力調節模組及該溫度控制模組。
根據本發明的再一個觀點，提出一種半導體製程，包括：第一階段: 將一腔體密閉空間內溫度提升至第一溫度值並維持，並將上述密閉空間內壓力調整至第一壓力值(大於常壓)並維持；第二階段: 維持該腔體密閉空間於該第一溫度，並透過抽真空裝置及增壓裝置，使得上述密閉空間壓力由該第一壓力值調整至第二壓力，且低於常壓，然後回復至該第一壓力值；第三階段: 將上述密閉空間內的溫度提升至第二溫度並保持，並通入氮氣或惰性氣體至上述密閉空間，提供正壓低氧環境；第四階段: 將上述密閉空間內溫度提升至第三溫度值並維持，並將上述密閉空間內壓力調整至第三壓力，該第三壓力大於該第一壓力；及第五階段: 保持上述密閉空間內壓力為該第三壓力，並將上述密閉空間內溫度提升至第四溫度並維持。
以一實施例而言，上述之半導體製程，更包含間歇性壓力變化可於該第二階段內進行一次或一次以上，且壓力調整以線性方式或多階段方式由該第一壓力調整至該第二壓力。
以一實施例而言，上述第三階段可選擇性地啟動洩壓裝置，適時洩出部分氣體以降低該腔體內壓力，但仍然維持腔體內正壓。
以一實施例而言，上述第一階段供預加熱，以提高膠體的流動性。
以一實施例而言，上述第二階透過維持腔體內溫度、透過抽真空，使得待加工封裝結構中的氣泡逐漸變大，並向外擴散至該密閉空間中。
以一實施例而言，上述第三階段至第四階段，透過提高溫度及增大壓力，使得該待加工封裝結構中較小的氣泡逐漸溶解並逸散，並且提供正壓低氧環境，避免膠體的金屬與氧氣反應。
以一實施例而言，上述第五階段，透過將腔體溫度提升至膠體環化反應溫度。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。
圖1係根據本發明的實施例所提之半導體製程設備100的示意圖。半導體製程設備100可以包括腔體102、溫度調節模組、增壓裝置104、抽真空裝置106、洩壓裝置108、回真空裝置110。在本實施例中，腔體102內具有一容置空間112，用於放置待處理晶片(或電子元件)、溫度調節模組包含設置於腔體102內側之散熱器(radiator)、加熱模組114以及由馬達116所帶動之風扇118，可以提供循環氣流，亦即透過對流方式，使容置空間112內部氣體(流體)溫度均勻；增壓裝置104，可以包含氣體供應源、調節閥、電磁閥及增壓缸，但不以此為限，用於對腔體102提供氣體，使腔體102內部壓力大於1大氣壓(常壓)；回真空裝置110可以透過閥門以及管路對腔體102通入氣體，使腔體室內部壓力回復到常壓；抽真空裝置106，用於對腔體102抽真空，例如透過真空幫浦對腔體102內部空間抽真空，使得內部空間壓力降至常壓(1大氣壓)以下。根據本發明的實施例，增壓裝置104、洩壓裝置108、回真空裝置110以及抽真空裝置106配合相關複數個管路以及複數個閥門可以做為壓力調節模組，用於調節腔體102的壓力。
以一實際實施例，上述氣體供應源可以是容置壓縮氣體的各式高壓氣瓶。
為了便於待加工之半導體晶片(或電子元件)的取放，可以在腔體前端設置壓力腔門102a。需要封閉腔體102時，使該壓力腔門102a處於關閉狀態；需要取放半導體晶片(或電子元件)時，使上述壓力腔門102a處於開啟狀態。
此外，半導體製程設備100更包含冷卻模組120，配置於腔體102外並且與腔體102之內部空間連通。以一實施例而言，冷卻模組120包含冷熱交換裝置122、水溫控制裝置124以及送風裝置126；其中，冷熱交換裝置122透過水循環管路128耦接上述水溫控制裝置124，用於將由腔體102排出之氣體(流體)降溫，並透過送風裝置126製造出氣體流出腔體102，經過冷熱交換裝置122後，回流腔體102的循環。因 此，位於腔體102內部空間的氣體(流體)可以流至冷卻模組120降溫後再流回腔體102內部空間。因此，當製程中的特定步驟需要降溫時，可以透過開啟控制連通腔體102與冷卻模組120氣體管路之閥門啟動氣體冷卻循環，協助腔體降溫。以上僅為說明實際應用實施方式，但不以此為限，類似配置，例如將冷熱交換裝置設置於腔體內部。
根據實際操作例子，半導體製程設備更包含一控制器(未顯示)，分別電性連接置上述溫度調節模組和上述壓力調節模組，用以控制上述溫度調節模組和壓力調節模組的作動。上述溫度調節模組更包含複數個溫度測裝置，例如，熱電偶溫度計(thermocouple)，設置於腔體102內不同位置，用於感測腔體102內不同位置之實時溫度；同樣上述壓力調節模組更包含複數個壓力測量裝置，例如壓力計，用於感測腔體102內不同位置之實時壓力值。
為達控制腔體102內溫度以及壓力之目的，舉例而言，控制器可以讀取設置於腔體102內之溫度量測裝置以及壓力測量裝置所偵測到的溫度以及壓力值，透過控制溫度調節模組中的加熱模組114以及風扇118的作動，達到調節腔體內溫度之目的；同樣的，控制器可以透過控制壓力調節模組中的增壓裝置104、抽真空裝置106、洩壓裝置108、回氣裝置110以及閥門的作動，達到調節腔體內壓力之目的。
以一實施例而言，上述半導體製程設備100可以用於生產電子產品(例如晶片)過程的相關製程，例如前段製程、後段製程、晶片級封裝等。其中，封裝製程涉及電子產品(例如晶片)以及載板之間的貼附、晶片底部填膠(underfill)、晶圓貼附(lamination)或晶粒接合(die bonding)等製程。這些製程需要考慮製造或處理過程中膠體的除泡相關環節，過程中需要進行多階段的升降溫度以及升降壓步驟。
以一實際實施例，上述控制器可以是微處理器、微控制器、數位訊號處理器(DSP)、特殊應用積體電路(ASIC)，或其他類似處理裝置。
圖2顯示根據本發明的一個實施例中透過半導體製程設備100進行的相應製程方法。請同時參考圖1及圖2，首先，於步驟S20，將待加工電子元件放置於腔體102內部的乘載部，例如置物架上；接著，於步驟S21，透過控制溫度調節模組以及壓力調節裝置，分別將腔體102內部的溫度及壓力提升至一第一溫度以及第一壓力，並維持一第一時間段，作為製程之均溫階段，用於預熱待加工電子元件及封裝膠體；步驟S22，透過壓力調節裝置將腔體102內部的壓力降低至一第二壓力，然後增壓至常壓，並保持腔體102內溫度為第一溫度，持續一第二時間段，其中第二壓力小於常壓(1大氣壓)，用於對電子元件及封裝膠體進行真空脫泡；步驟S23，透過控制壓力調節裝置通入氮氣或惰性氣體，使腔體102內部的壓力回復至第一壓力並提供低氧環境，同時透過控制溫度調節模組使腔體102內部溫度提升至一第二溫度，並維持該第二溫度一第三時間段，用於對電子元件及封裝膠體進行低氧脫泡；步驟S24，透過控制溫度調節模組以及壓力調節裝置分別將腔體102內部的溫度提升至一第三溫度以及第三壓力，持續一第四時間段，用於對電子元件及封裝膠體進行壓力去泡(pressure degassing)；步驟S25，透過控制溫度調節模組將腔體102內部的溫度提升至一第四溫度，維持腔體內壓力為上述第三壓力，用於對電子元件及封裝膠體進行環化反應(cyclization reaction)；步驟26，透過冷熱交換器122降溫，可藉由調整冷熱交換器的介質(水)溫度以改變腔體102內部降溫的速度；步驟S27，取出加工後之電子元件。
根據實際實施操作，上述各個製程步驟中所提及的時間段大約是以分鐘為單位，然而個別時間段的長短可以依據所採用之實際製程而更動，這裡不做詳細說明。
本發明的一些具體實施例中，上述第一溫度之範圍約為20至150℃，上述第一壓力之範圍為1至30kgw/cm
2。使用時(步驟S21)，透過將上述壓力調節裝置中的增壓裝置與腔體102內部連通，通入乾空氣或惰性氣體使得腔體102內的壓力(第一壓力)大於常壓，對待加工電子元件及封裝膠體進行預熱，增加封裝膠體流動性。
本發明的一些具體實施例中，上述第二壓力之範圍為760torr至1torr。於此一製程階段(步驟S22)，據續維持上述第一溫度，透過將上述壓力調節裝置中的抽真空106裝置與腔體102內部連通，使得腔體102內部的壓力為負壓(亦即低於常壓)，進行真空除泡製程。這裡要強調的是，於此製程階段(步驟S22)，腔體102內的壓力由第一壓力(高於常壓)降至第二壓力(低於常壓)可以是採用線性方式的一階段性降壓或是採用多階段式緩步降壓，類似地，腔體102內的壓力由第二壓力(低於常壓)回復或上升至第一壓力(高於常壓)亦可以是採用線性方式的一階段性升壓或是採用多階段式緩步升壓，端視實際製程需求而定。而且，此製程階段(步驟S22)，可以於一時間段之內同時重複一次以上，以實際製程需求為考量依據。
本發明的一些具體實施例中，上述第二溫度之範圍約為20至150℃。此一製程階段(步驟S23)，透過控制溫度調節模組，使得腔體102內之溫度提升至第二溫度；並且，透過將上述壓力調節裝置中的增壓裝置104與腔體102內部連通，饋入氮氣或是惰性氣體，使得腔體102內部壓力回復至第一壓力(正壓)，提供低氧環境。此一製程步驟對於含膠體(例如奈米銀膠)之除泡固化尤為重要，提供低氧環境可以避免後續壓力去泡、熟化等高溫製程中膠體的金屬產生氧化反應。另外，可以於此一階段使洩壓裝置作動一段時間，適時降低腔體102內部壓力。
本發明的一些具體實施例中，上述第三溫度之範圍約為50至120℃，上述第三壓力之範圍約為1至30kgw/cm
2。此一製程階段(步驟S24)，透過控制溫度調節模組以及壓力調節模組，分別提升腔體內的溫度及壓力至第三溫度以及第三壓力。其中，腔體102內部之壓力透過壓力調節模組中的增壓裝置饋入高壓氣體(例如壓縮空氣或氮氣)調節，第三壓力值為第一壓力值的數倍，透過高壓高溫環境對電子元件及封裝膠體進行壓力去泡(pressure degassing)。
本發明的一些具體實施例中，上述第四溫度之範圍約為100至400℃，此一製程階段(步驟S25)，透過控制溫度調節模組，提升腔體內的溫度及壓力至第四溫度，腔體內的壓力維持第三壓力。透過高壓高溫環境對封裝膠體進行熟化。
圖3顯示根據本發明的一個實施例之製程溫度、製程壓力，以及製程時間之關係圖。
參考圖3，其顯示根據本發明的一個實施例中採用階段性方式變化腔體內部溫度以及壓力的製程步驟演進示意圖。以下說明結合圖1-2，請同時參考圖1及圖2，第一階段(階段I)將上述腔體102內部密閉空間內的溫度提升至第一溫度值並維持，並將上述密閉空間內的壓力調整至第一壓力值(大於常壓)並維持。第二階段(階段II)維持腔體102內部密閉空間之溫度為第一溫度，並透過控制壓力調節模組中的抽真空裝置104以及增壓裝置104的作動，使得上述密閉空間內的壓力由第一壓力值(大於常壓)調整至第二壓力(低於常壓)然後回復至第一壓力值，此一間歇性壓力變化可以於第二階段內進行一次或一次以上，而且壓力調整可以以線性方式或多階段的方式由第一壓力調整至第二壓力(第二壓力回復至第一壓力)。第三階段(階段III)透過控制溫度調節模組，將上述密閉空間內的溫度提升至第二溫度並保持，並透過壓力調節模組中的增壓裝置104對上述密閉空間通入氮氣或惰性氣體，提供正壓低氧環境，亦可選擇性地啟動洩壓裝置108，適時洩出部分氣體以降低腔體102內部壓力，但仍然維持腔體內部正壓。第四階段(階段IV)，將上述腔體102內部密閉空間內的溫度提升至第三溫度值並維持，並將上述密閉空間內的壓力調整至第三壓力(大於第一壓力)並維持。第五階段(階段V)，保持上述腔體102內部密閉空間內的壓力為第三壓力，並將上述腔體102內部密閉空間內的溫度提升至第四溫度並維持。於第五階段後，則進行降溫。
結合圖2以及圖3所示，第一階段提供預加熱高待加工半導體元件/晶片以及相關膠體、封裝膠體，以提高膠體的流動性；第二階段，透過維持腔體內溫度，透過抽真空方式使得待加工半導體晶片封裝結構中的氣泡逐漸變大並向外擴散至腔體102內的密閉空間中；第三階段至第四階段，透過提高溫度以及增大壓力，使得封裝結構中較小的氣泡逐漸分解，並且提供正壓低氧環境，避免膠體的金屬與氧氣反應；第五階段，透過將腔體溫度提升至封裝膠體環化反應溫度，使膠體固化完成封裝製程。
另外，這裡要提到的是本發明所提的冷卻模組120(參考圖1)，可以提供高效降溫，縮短整體製程時程。
以上所述係為本發明之較佳實施例，凡此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明，而非用以限定本發明所主張之專利權範圍，其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
100:半導體製程設備
102:腔體
102a:壓力腔門
104:增壓裝置
106:抽真空裝置
108:洩壓裝置
110:回真空裝置
112:容置空間
114:加熱模組
116:馬達
118:風扇
120:冷卻模組
122:冷熱交換裝置
124:水溫控制裝置
126:送風裝置
128:水循環管路
S20,S21,S22,S23,S24,S25,S26,S27:步驟
[圖1]顯示根據本發明的一個實施例所提之半導體製程設備的示意圖。
[圖2] 顯示根據本發明的一個實施例中透過半導體製程設備進行的相應製程方法。
[圖3]顯示根據本發明的一個實施例之製程溫度、製程壓力，以及製程時間之關係圖。
S20,S21,S22,S23,S24,S25,S26,S27:步驟
Claims (13)
- 一種半導體製程，包括： 提供待加工電子元件於一腔體內部； 提升該腔體內部的溫度及壓力至第一溫度與第一壓力，並維持一第一時間段； 降低該腔體內部的壓力至第二壓力，然後回復至常壓，保持該腔體內部的溫度為該第一溫度，並持續一第二時間段； 通入氮氣或惰性氣體至該腔體內部，使該腔體內部的壓力增大至該第一壓力並提供低氧環境，提升該腔體內部的溫度至第二溫度，持續一第三時間段； 提升該腔體內部的溫度及壓力至第三溫度與第三壓力，並維持一第四時間段； 提升該腔體內部的溫度至第四溫度，維持該腔體內部的壓力為該第三壓力，持續一第五時間段； 透過冷熱交換器降溫，藉由調整冷熱交換器的介質溫度以改變腔體內部降溫的速率； 其中，該待加工電子元件為待加工半導體晶片封裝結構。
- 如請求項1所述之半導體製程，其中上述之第四溫度高於或等於該第三溫度、該第三溫度高於或等於該第二溫度且該第二溫度高於或等於該第一溫度。
- 如請求項1所述之半導體製程，其中上述之第一壓力大於常壓，該第二壓力低於常壓且該第三壓力大於該第一壓力。
- 如請求項1所述之半導體製程，其中上述之第二壓力係透過抽真空裝置調節由該第一壓力降壓，採用線性與非線性方式的一階段性降壓或是採用多階段式緩步降壓。
- 如請求項1所述之半導體製程，其中上述降低該腔體內部的壓力至第二壓力然後回復至常壓之製程步驟可以進行一次或一次以上。
- 一種半導體製程設備，用於執行請求項1-5製程，包括： 一腔體，其內部具有容置空間； 壓力調節模組，連通該容置空間，用於調節壓力； 溫度調節模組，設置於該容置空間內，用於調節溫度； 冷卻模組，配置於該腔體外部並且與該腔體之內部空間連通，用於冷卻由該容置空間所抽出氣體，並回饋入該腔體內部；以及 一控制器，分別與該壓力調節模組及該溫度控制模組電性連接，用於控制該壓力調節模組及該溫度控制模組。
- 一種半導體製程，包括： 第一階段：將一腔體密閉空間內溫度提升至第一溫度值並維持，並將上述密閉空間內壓力調整至第一壓力值(大於常壓)並維持； 第二階段：維持該腔體密閉空間於該第一溫度，並透過抽真空裝置及增壓裝置，使得上述密閉空間壓力由該第一壓力值調整至第二壓力，且低於常壓，然後回復至該第一壓力值； 第三階段：將上述密閉空間內的溫度提升至第二溫度並保持，並通入氮氣或惰性氣體至上述密閉空間，提供正壓低氧環境； 第四階段：將上述密閉空間內溫度提升至第三溫度值並維持，並將上述密閉空間內壓力調整至第三壓力，該第三壓力大於該第一壓力；及 第五階段：保持上述密閉空間內壓力為該第三壓力，並將上述密閉空間內溫度提升至第四溫度並維持。
- 如請求項7所述之半導體製程，其中更包含間歇性壓力變化可於該第二階段內進行一次或一次以上，且壓力調整以線性方式或多階段方式由該第一壓力調整至該第二壓力。
- 如請求項7所述之半導體製程，其中該第三階段可選擇性地啟動洩壓裝置，適時洩出部分氣體以降低該腔體內壓力，但仍然維持腔體內正壓。
- 如請求項7所述之半導體製程，其中該第一階段供預加熱，以提高膠體的流動性。
- 如請求項7所述之半導體製程，其中該第二階透過維持腔體內溫度、透過抽真空，使得待加工封裝結構中的氣泡逐漸變大，並向外擴散至該密閉空間中。
- 如請求項7所述之半導體製程，其中該第三階段至第四階段，透過提高溫度及增大壓力，使得該待加工封裝結構中較小的氣泡逐漸溶解並逸散，並且提供正壓低氧環境，避免膠體的金屬與氧氣反應。
- 如請求項7所述之半導體製程，其中該第五階段，透過將腔體溫度提升至膠體環化反應溫度。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI843478B true TWI843478B (zh) | 2024-05-21 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130065362A1 (en) | 2011-09-14 | 2013-03-14 | Ableprint Technology Co., Ltd. | Flip chip package manufacturing method |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130065362A1 (en) | 2011-09-14 | 2013-03-14 | Ableprint Technology Co., Ltd. | Flip chip package manufacturing method |
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