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TWI740266B - 檢查鍵合的半導體晶片的設備和方法 - Google Patents

檢查鍵合的半導體晶片的設備和方法 Download PDF

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TWI740266B
TWI740266B TW108140635A TW108140635A TWI740266B TW I740266 B TWI740266 B TW I740266B TW 108140635 A TW108140635 A TW 108140635A TW 108140635 A TW108140635 A TW 108140635A TW I740266 B TWI740266 B TW I740266B
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semiconductor wafer
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optical
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會豐 施
江汶 鄧
立基 周
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新加坡商先進科技新加坡有限公司
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Abstract

一種用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片的設備，其使用包括圖像感測器和光學系統的光學元件以進行該檢查。該光學元件相對於襯底的頂面傾斜一傾斜角，並且佈置成使得其焦深基本垂直於襯底的頂面，以檢查半導體晶片的至少一個側壁。

Description

檢查鍵合的半導體晶片的設備和方法
本發明涉及半導體封裝的製造，並且尤其涉及在半導體封裝過程中對鍵合的半導體晶片的檢查。
在用於半導體封裝的晶片鍵合應用中，環氧樹脂通常被用作將半導體晶片鍵合到襯底的鍵合墊上的介質。首先將液態環氧樹脂層分配到襯底的鍵合墊上，然後將半導體晶片壓到位於鍵合墊上的環氧樹脂層上。當按壓半導體晶片時，一些環氧樹脂從半導體晶片下面被擠出以覆蓋半導體晶片的側面直至一定高度，從而形成圍繞鍵合的半導體晶片的填角。圖1是襯底10的圖示，襯底10具有使用環氧樹脂鍵合到其上的半導體晶片12。從半導體晶片12的下面擠出一些環氧樹脂以形成圍繞晶片的填角14。如此形成的填角14的高度h是鍵合品質的重要指標。
常規地，使用位於襯底上方的照相機對鍵合的半導體晶片的進行檢查以獲得其平面圖。這樣，通過照相機只能獲得鍵合在襯底10上的半導體晶片12的二維圖像。因此，線上檢查限於從半導體晶片12上方可觀察到的諸如鍵合精度和滲出之類的缺陷。二維圖像充其量僅提供填角高度h的間接近似值。在晶片鍵合設備已經鍵合了所需的半導體晶片12之後，必須離線檢查樣品襯底10以進行進一步的品質檢查，例如填角高度，晶片傾斜度和鍵合線厚度(“BLT”)。應當理解，由於在這種環境 下安裝用於線上測量的成像相機的複雜性，所以無法在常規的晶片鍵合設備內測量填角高度。
由於只能使用上述傳統方法離線驗證最終的鍵合品質，因此存在現實的風險，即僅在完成整個晶片鍵合過程後才能發現有缺陷的鍵合的半導體晶片，從而導致良率降低，尤其是在大量的半導體晶片12只能在之後被發現有缺陷的情況下。
因此，本發明的目的是尋求提供一種用於在晶片鍵合過程中精確線上檢查鍵合的半導體晶片的例如填角高度等各個方面的裝置和方法。
根據本發明的第一態樣，提供了一種用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片的設備，該設備包括：光學元件，其相對於襯底的頂面傾斜一傾斜角度，所述光學元件包括圖像感測器和光學系統；其中，所述光學元件被佈置為使得其焦深大致垂直於所述襯底的頂面，以檢查半導體晶片的至少一個側壁。
根據本發明的第二態樣，提供了一種用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片的設備，該設備包括：第一光學元件和第二光學元件，每個光學元件相對於所述襯底的頂面傾斜一傾斜角度，並且每個光學元件包括圖像感測器和光學系統；其中，第一光學元件和第二光學元件中的每一個被佈置為使得其焦深大致垂直於所述襯底的頂面，以檢查所述半導體晶片的至少一個側壁。
根據本發明的第三態樣，提供了一種用於檢查結合在襯底的頂面上的半導體晶片的方法，該方法包括：將半導體晶片鍵合到所述襯底的頂面上；用相對於所述襯底的頂面傾斜一傾斜角度的光學元件檢查所述半導體晶片，所述光學元件包括圖像 感測器和光學系統；其中，所述光學元件被佈置為使得其焦深大致垂直於所述襯底的頂面，以檢查所述半導體晶片的至少一個側壁。
在下述中，參考示出本發明的特定較佳實施例的附圖更詳細地描述本發明將是方便的。附圖和相關描述的特殊性不應被理解為取代申請專利範圍所限定的本發明的廣泛辨識的一般性。
10‧‧‧襯底
12‧‧‧半導體晶片
14‧‧‧填角
16‧‧‧光軸
18‧‧‧焦點
20‧‧‧光學系統
20’‧‧‧光學系統
22‧‧‧圖像感測器
24‧‧‧光線
24’‧‧‧光線
26‧‧‧虛擬焦平面
30‧‧‧物平面
32‧‧‧像平面
40‧‧‧第二光學系統
40’‧‧‧光學系統
42‧‧‧第二圖像感測器
50‧‧‧反射鏡
52‧‧‧反射鏡
60‧‧‧鍵合墊
圖1是襯底的側視圖，該襯底具有使用環氧樹脂鍵合於其上的半導體晶片。
圖2是根據本發明較佳實施例的傾斜光學元件的佈局的示意圖。
圖3包括圖2的示意圖，進一步示出了傾斜光學元件佈置的原理。
圖4示出了用於同時檢查鍵合的半導體晶片的相對側的一對傾斜光學元件。
圖5是本發明另一個較佳實施例的示意圖，其中使用反射鏡使設備更緊湊。
圖6是根據本發明的較佳實施例的用於檢查已鍵合到襯底上的半導體晶片陣列的設備的等軸視圖。
圖7是相對於襯底可旋轉的雙光學元件的等軸示圖。
圖2是根據本發明的較佳實施例的用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片的傾斜光學元件的佈局的示意圖。傾斜光學元件總體上包括具有光軸16和圖像感測器22的光學系統20。例如，當光學系統20的光軸16相對於襯底10的頂面傾斜一傾斜角度時，該光學元件相對於襯底10的頂面傾斜一傾斜 角度。
由於圖像感測器22相對於光軸16偏移的佈置，傾斜光學元件的焦點18相應地相對於光軸16偏移。如圖2所示，圖像感測器22和焦點18位於光軸16的相對側。焦點18較佳地佈置在與填角14的期待高度或期望高度h相同或接近的高度處。由於包括光學系統20和圖像感測器22的傾斜光學元件在某個固定的高度相對於半導體晶片12移動，形成了當光學元件移動時與焦點18的位置重合的虛擬焦平面26。這樣的虛擬焦平面26基本平行於由半導體晶片12的頂面和襯底10限定的平面。
光學系統20和圖像感測器22被佈置成使得傾斜光學元件固有的焦深28大致垂直於襯底10的頂面用於檢查圍繞半導體晶片12的填角14的高度。如此，焦深大致橫向於虛擬焦平面26在虛擬焦平面26上方和下方延伸一定距離，而焦平面26基本在中間。光學元件的垂直佈置的焦深28對應於半導體晶片12的垂直側壁，以確保沿著半導體晶片12的該側壁(位於虛擬焦平面26之外的高度範圍內)在虛擬焦平面26上方或下方的填角14的頂部的圖像是對焦的，並且可以由圖像感測器22識別。從焦點18周圍反射的光線24由光學系統20以相對於光軸16偏移的方式傳送到圖像感測器22。
相對於光軸16傾斜圖像感測器22的益處在於，傾斜光學元件的焦深28對應於預期被定位填角14的頂部附近的半導體晶片12的垂直側壁。另一方面，如果圖像感測器22與光軸16對準，則傾斜光學元件的焦深將替換為沿著光軸16。在這種情況下，當被圖像感測器22觀察時，位於焦點18外部的填角14的頂部更有可能失焦。如果不能確保填角14的頂部對焦，這將導致填角14的高度h的測量不可靠。
圖3包括圖2的示意圖，進一步示出了傾斜光學元件佈置的原理。光學系統20相對於物平面30(或襯底10的頂面)傾斜α角度，而圖像感測器22的像平面32相對於光學系統20傾斜α’角度。α和α’之間的關係可以表示為等式：tan α=M tan α’，其中M是光學系統20中包括的透鏡元件的放大係數。
選擇α和α’的值，使得焦深28大致垂直，或者換言之，大致垂直於物平面30，以使得傾斜光學元件能夠檢查到半導體晶片12的側壁。
圖4示出了用於同時檢查鍵合的半導體晶片12的相對側的一對傾斜光學元件。在該示圖中，包括第一光學系統20和第一圖像感測器22的第一傾斜光學元件被定位在半導體晶片12的一側，而包括第二光學系統40和第二圖像感測器42的第二傾斜光學元件位於半導體晶片12的相對側。因此，第一傾斜光學元件檢查半導體晶片12的一側，而第二傾斜光學元件同時檢查半導體晶片12的相對側。應當理解，如果每個傾斜光學元件將被定位在半導體晶片12的相應角處，使得每個傾斜光學元件能夠一次檢查半導體晶片12的兩側，則當各個傾斜光學元件位於半導體晶片12的相對角附近時(例如，參見圖6)，可以同時檢查和檢查四邊形的半導體晶片12的四側。
圖5是本發明的另一個較佳實施例的示意圖，其中使用反射鏡50、52使設備更緊湊。在該較佳實施例中，由於相對龐大的光學系統20、40被垂直佈置，以便佔用相對較小的空間，所以該設備可以組裝得更緊湊。因此，光學系統20、40的光軸16垂直於襯底12的頂面。反射鏡50、52佈置在各個光學系統20、40的下方，以將半導體晶片12的側壁的圖像反射向光 學系統20、40。
因此，第一反射鏡50和第二反射鏡52相對於襯底12的頂面以一傾斜角度定位和傾斜，以將從第一傾斜光學元件和第二傾斜光學元件的焦點18發出的光線24重定向到各垂直佈置的光學系統20，40。在這個實施例中，圖像感測器22、42類似地以一傾斜角度傾斜，並且相對於光學系統20、40的光軸16偏移。
圖6是根據本發明的較佳實施例的用於檢查已經鍵合到襯底10上的半導體晶片12的陣列的設備的等軸視圖。在該圖示中，三個半導體晶片12已鍵合到襯底10上的鍵合墊60上。每個鍵合的半導體晶片12具有包圍它的填角14的層。此時，檢查設備被啟動以檢查一行半導體晶片12以確定其填角高度h。
通常由第一和第二光學系統20、40表示的每個傾斜光學元件在使用時相對於半導體晶片12與另一個傾斜光學元件成對角地定位，以便分別檢查半導體晶片12的角。因此，兩個傾斜光學元件被配置為位於半導體晶片12的相對側上，以在使用時同時檢查半導體晶片12的相對側。更具體地，每個傾斜光學元件定位在半導體晶片12的相應角處，並且可操作以同時查看半導體晶片12的兩側，從而可以同時檢查半導體晶片12的所有四個側。當光學系統20、40被垂直地佈置時，第一和第二反射鏡(圖6中未示出)被用來將光線24從半導體晶片12的各側朝向光學系統20、40重定向。
在檢查了第一半導體晶片12並確定了圍繞它的填角14的高度h之後，傾斜光學元件通過移動機構相對於襯底10移動，以便放置定位傾斜光學元件來檢查半導體晶片12的陣列 中的另一個半導體晶片12的各側。應當理解，這種相對運動可以通過移動襯底10，移動傾斜光學元件或兩種運動的組合來實現。
傾斜光學元件的行進路徑將繼續到光學系統20'、40'的末端位置，到那時，傾斜光學元件將已經檢查了第一行中的所有半導體晶片12。如果沒有發現缺陷，更具體地說，如果圍繞半導體晶片12的填角14的高度處於預定範圍內，則可以放心地繼續將另外的半導體晶片12鍵合到隨後的鍵合墊60上。這意味著例如已經正確設置了鍵合參數，並且需要進行更改以避免鍵合缺陷。
圖7是相對於襯底10可旋轉的雙光學元件的等軸示圖。已被鍵合在襯底10上的半導體晶片12可相對於襯底10的傳送方向錯開。為了獲得與當將半導體晶片12與傳送方向對準時所獲得的相等的圖像，如參照圖6所述的用於使光學元件相對於襯底10移動的移動機構也要操作以使光學元件一起相對於襯底10旋轉。在圖7的圖示中，光學元件逆時針旋轉，以使每個傾斜光學元件再次位於半導體晶片12的相應角，並且可操作以同時檢查半導體晶片12的兩側，從而使半導體元件12的所有四側可以同時被檢查。因此，光線24再次從半導體晶片12的所有四側被重定向到光學系統20、40。
由於根據本發明的裝置和方法能夠同時檢查半導體晶片12的所有四側，因此除了填角高度(h)之外，也可以使用相同的方法確定鍵合品質的其他方面，諸如晶片傾斜度(基於晶片各側的相對高度)和BLT(晶片和襯底之間的環氧樹脂層的厚度)。
應當理解，上述檢查設備和方法使得能夠在晶片鍵 合機中創建集成解決方案以實現晶片鍵合和線上檢查。因此，可以立即確定鍵合品質的指標，例如填角高度，晶片傾斜度和BLT，以進行閉環回饋和控制。可以立即確定有缺陷的已鍵合的半導體晶片12。
此外，由於可以在鍵合過程之後立即進行檢查，因此在鍵合過程中，對鍵合參數(如鍵合高度，填角高度，晶片傾斜度和BLT)的即時調整是可變的。例如，對於下一個進行晶片鍵合的襯底10，環氧樹脂寫入參數是可調節的。
由於傾斜光學元件的焦平面26和物平面30平行於半導體晶片12和襯底10的上表面的平面，因此不需要進行移動以調節各個傾斜光學元件的相對位置來適用於不同的半導體晶片尺寸。這是因為，如傾斜光學元件所檢查到的，半導體晶片12的位置沿水平面的移位將不會影響其聚焦。此外，僅需要兩個傾斜光學元件來同時檢查半導體晶片12的所有四個邊緣，並且傾斜光學元件之間的關係可以被固定以形成用於期望的各種測量的立體系統。
還應當理解，本申請不限於線上檢查，因為本申請所述的裝置和方法也適用於在獨立的自動光學檢查機中離線測量填角高度的經濟高效的解決方案。
本發明所描述的本發明除了具體描述的那些之外還可以進行變化、修改和/或添加，並且應當理解，本發明包括落入上述描述的精神和範圍內的所有這樣的變化、修改和/或添加。
10‧‧‧襯底
12‧‧‧半導體晶片
14‧‧‧填角
20‧‧‧光學系統
20’‧‧‧光學系統
24‧‧‧光線
24’‧‧‧光線
40‧‧‧第二光學系統
40’‧‧‧光學系統
60‧‧‧鍵合墊

Claims (19)

  1. 一種用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片之設備，該設備包括：光學元件，其相對於所述襯底的頂面傾斜一傾斜角度，所述光學元件包括圖像感測器和光學系統；其中，所述光學元件被佈置為使得其焦深大致垂直於所述襯底的頂面，以檢查所述半導體晶片的至少一個側壁。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中，所述光學元件的焦點被佈置為使得所述圖像感測器和所述焦點均偏離所述光學系統的光軸。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中，所述圖像感測器和所述焦點位於所述光學系統的所述光軸的相對側。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中，所述光學元件能相對於所述襯底移動，使得當所述光學元件移動時，所述光學元件的虛擬焦平面基本與由所述襯底的頂面限定的平面平行，所述虛擬焦平面與所述焦點的位置重合。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之設備，其中，所述光學元件的相對於所述虛擬焦平面的焦深被配置為橫向於所述虛擬焦平面而在所述光學元件的所述虛擬焦平面上方和下方延伸一定距離。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中，所述光學元件的所述焦深對應於所述半導體晶片的垂直側壁，以確保沿著所述半導體晶片的位於所述虛擬焦平面之外的高度範圍內的側壁而圍繞所述半導體晶片的填角的頂部的圖像是對焦的。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中，所述光學系統相對於所述襯底的頂面傾斜一傾斜角度α，並且所述圖像感測器的像平面相對於所述光學系統傾斜一傾斜角度α’，使得tan α =M tan α’，其中M是包括在所述光學系統中的透鏡元件的放大係數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之設備，還包括第二光學元件，其中，所述光學元件和所述第二光學元件在使用時被配置為位於所述半導體晶片的相對側。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中，所述光學元件和所述第二光學元件被佈置為並且可操作為同時檢查所述半導體晶片的相對側。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中，每個光學元件被佈置為並且可操作為同時分別檢查所述半導體晶片的不同兩側，使得同時檢查所述半導體晶片的四側。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中，每個光學元件被定位在所述半導體晶片的相應角處，以同時檢查所述半導體晶片的不同兩側。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中，所述光學元件還包括反射鏡，所述反射鏡相對於所述襯底的頂面以一傾斜角度傾斜，以將所述半導體晶片的所述至少一個側壁的圖像朝著所述光學系統和所述圖像感測器傳送。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之設備，其中，所述光學系統垂直地佈置，使得其光軸垂直於所述襯底的頂面。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中，所述圖像感測器相對於所述光學系統的光軸以一傾斜角度傾斜並且偏移。
  15. 一種用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片之設備，該設備包括：第一光學元件和第二光學元件，每個光學元件相對於所述襯底的頂面傾斜一傾斜角度，並且每個光學元件包括圖像感測器和 光學系統；其中，第一光學元件和第二光學元件中的每一個被佈置為使得其焦深大致垂直於所述襯底的頂面，以檢查所述半導體晶片的至少一個側壁。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之設備，還包括移動機構，該移動機構用於使所述第一光學元件和第二光學元件相對於所述襯底移動，以檢查鍵合在所述襯底的頂面上的半導體晶片的陣列，並且所述移動機構進一步可操作為使所述第一光學元件和第二光學元件一起相對於所述襯底旋轉。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中，所述第一光學元件在使用時被配置和佈置成相對於所述半導體晶片與所述第二光學元件大致成對角。
  18. 一種用於檢查鍵合在襯底的頂面上的半導體晶片之方法，該方法包括：將半導體晶片鍵合到所述襯底的頂面上；用相對於所述襯底的頂面傾斜一傾斜角度的光學元件檢查所述半導體晶片，所述光學元件包括圖像感測器和光學系統；其中，所述光學元件被佈置為使得其焦深大致垂直於所述襯底的頂面，以檢查所述半導體晶片的至少一個側壁。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，還包括以下步驟：如果圍繞所述半導體晶片的填角的高度處於預定範圍內，則將另外的半導體晶片鍵合到所述襯底上的後續鍵合墊上。
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