TW200949988A - Apparatus and method for bonding wafer and method for level-bonding wafers - Google Patents

Description

200949988 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 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。 【先前技術】 隨著半導體技術的發展，半導體晶片變得越來越 小。然而，半導體晶片内必須整合更多的功能。因此， ❹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 0503-A33613TWF/spin 4 200949988 球數量。 在另一封裝類型中，自晶圓切割晶片是在其封裝至 其他晶圓之刖進行’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 ❿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貼合的缓衝 (compliant)層14。缓衝層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，以透過缓衝層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，缓衝層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°C。然而，在某些應用中，例如銅對銅 0503-A33613TWF/spin 5 200949988 直接接合，所需的溫度高於300°C，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。 【發明内容】 ❹ 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 0503-A33613TWF/spin 200949988 有一空隙，其中空隙足以放置晶圓，且其中第一接人頭 及第二接合頭不具有聚合物材料，而具有彼此相對：動 的配置。上述裝置更包括：-機械手臂，用以將晶圓載 入接合承座及第-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-薄片至晶圓上，其中薄片的兩侧不^有 黏著劑，且具有一晶圓尺寸。 ❹ 根據本發明的又另一型態’―種接合晶圓的方法， 包括：提供一接合承座，用以承栽晶圓；於接合承座上 方提供_接合頭；發送_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，—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。 0503-A33613TWF/spin 7 200949988 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。 【實施方式】 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内，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具有向硬 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，經由一内部加熱器（未緣 示）來加熱至所需的溫度，其可加熱至500°C，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 0503-A33613TWF/spin 8 200949988 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，内文中 ❹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°C。 在其他實施例中，薄片3 6可由銅合金所構成，例如黃銅 0503-A33613TWF/spin 9 200949988 (braze)，其熔點温度約為900°C。在另一實施例中， 薄片36可由聚合物（polymer )所構成，例如橡膠，其溶 點溫度約為300°C或更高。薄片36的厚度在數十微米 (μιη )到數百微米的範圍。本發明的優點在於薄片3 6 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 ❿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、氧化物對石夕的接合、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°C至400°C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 0503-A33613TWF/spin 10 200949988 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°C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3 6可由銅、銘等等所構成。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内且放 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内可填充乾淨的空氣、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lOpsi 到lOOpsi的範圍。銅對銅接合的所需溫度在200°C以上， 例如，在200°C至500°C的範圍。氧化物對氧化物的接合 的所需溫度低於300°C。整平接合的時間約在1〇分鐘至 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 0503-A33613TWF/spin 11 200949988 在將晶圓40放置於接合承座22上之後進行的。在本實 ，例中，預先接合晶片42與晶圓4〇，再藉由機械手臂（如 第3圖所示）傳送至可控環境24内，接著放置於接合頭 2〇與接合承座22之間。薄片發送器34接著發送薄片"％ 至晶片42上。而後續的整平接合製程實質相同於第沾 及5C圖所述，在此不在贅述。 、 上迷貫施例 一 …、·-王牧π峭的莰計。第7圖係妗 不出一實施例，其包括接合頭2〇ι及位於其上的 ^ 2至=合頭2〇1及2〇2與接合承座22可個別或同時：執 相同或不_溫度。移動導器 與接合承座22’且用於引導接合頭2Gi^m 養為放置於其上的晶圓的接合承座，二 括增額晶圓承座部件（未彳 ，匕 的晶圓。空隙二承载放置於其上 ❹ 系統也包括—機械手臂3G (如第3圖多重接合頭 器34(如第4圖所示）。 不）及薄片發送 多重接合頭系統操作中 接合承錢與接合頭外上，如及％分別放置於 晶圓4〇1及4〇2之前或之後 =所不。而在放入 及4〇2上。當接合頭2〇命丁心將潯片36放置於晶圓40】 4〇2受壓，使接合頭2〇12向下移二:如第8圖所示，晶圓 引器50)，直至接合頭2 (謂於或沿著移動導 2〇2所施加的力量因而傳導至曰_ 15壓住薄片36。接合頭 序壓住晶圓40丨。可链冰|日日圓4〇2、接合頭20丨、並依 額卜^機械及/或電子部件（杨 05O3-A336I3TWF/spin 12 200949988 示）以個別調整施加於晶圓40〖及402上的力量。再者， 接合頭20!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40!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内，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。 0503-A33613TWF/spin 13 200949988 【圖式簡單說明】 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 益， 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。 ® 【主要元件符號說明】 習知 10〜晶圓； 12〜已知良品晶片； 14〜缓衝層； 16〜接合頭。 本發明 20、2(^、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； 0503-A33613TWF/spin 14 200949988

36〜薄片； 40、4〇ι、4〇2〜晶圓， 42〜晶片； 44〜控制系統； 50〜移動導引器； 100〜整平接合系統；

Dl、D2〜空隙。 0503-A33613TWF/spin 15

Claims (1)

1. 200949988 十、申請專利範圍： h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； 盘合頭’位於該接合承座上方，其中該接合承座 該接0碩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 ❹^面向該接合承座的該接合頭的—表面不具有聚合物材 3. 如申凊專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，更 包括-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 及該晶圓進行加熱。 片 6·如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置其 中該薄片的熔點溫度大於或等於3〇〇〇c。 八 7.如申請專利範圍第1項所述之接合晶圓的裝置，其 中該薄片由金屬所構成。 、 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 0503-A33613TWF/spin 16 200949988 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. —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， © —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； 一薄片，其兩侧不具有黏著劑，且熔點溫度大於或 等於300°C ;以及 一薄片發送器，用以發送該薄片至該晶圓上。 11. 如申請專利範圍第10項所述之接合晶圓的裝 ❹ 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 0503-A33613TWF/spin 17 200949988 置’其中該薄片的材質擇自於銅、鋁、聚合物、及其組 合0 15. 如申請專利範圍第1〇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. —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—空隙，其中該空隙足以放置該晶圓， 且其中該第-#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 f接合頭中至少—個’並且自該接合承座及該第-接合 頭中至少一個載出該晶圓；以及 _ 薄片發送器，用以發送一薄片至該晶圓上，其中 該薄片的兩侧不具有黏著劑，且具有—晶圓尺寸。” η·如申請專㈣圍第16韻述之接 置，更包括一移動導引器，連接至該第—及該第二= 〇503-A33613TWF/spin 18 200949988 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，對該薄片及該晶圓施 ❿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 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 ❿ 法，其中將該晶圓放置於該接合承座上係於發送該薄片 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； 0503-A33613TWF/spin 19 200949988 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. —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 Q 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 〇 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 0503-A33613TWF/spin 20 200949988 •’ 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 Q 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°C。 φ 0503-A33613TWF/spin 21