TWI864200B - 用於去除晶粒堆疊焊劑的設備及方法 - Google Patents

Abstract

一種用於自形成於一基板中之開口中去除焊劑之系統，基板中形成有開口(例如，大小係20微米或更小)，系統包含一噴霧噴嘴裝置，噴霧噴嘴裝置具有形成於約45度或更小之一角度的一噴霧噴嘴臂，用於將流體排向基板中之開口以去除焊劑。角度在約30度至45度之間。

Description

用於去除晶粒堆疊焊劑的設備及方法

相關申請案之交叉參考

本申請案主張於2019年12月27日申請的美國專利申請案第62/954,136號的權益及優先權，該美國專利申請案以全文引用之方式併入於此。

本發明大體上係關於一種用於去除焊劑及焊劑殘渣的設備及方法。更具體言之，本發明係關於一種用於自接合至其他裝置或基板的裝置去除焊劑的設備及方法。

半導體製造及相關處理的趨勢已轉向3D架構以提高效能。在此式樣中，以一個在另一個之上的方式將裝置安裝且接合至其他裝置。採用了許多技術來接合接觸件，包含焊料凸塊及支柱。此等接合製程可使用焊劑且在接合完成時需要使用焊劑及焊劑殘渣去除製程。裝置之大小不斷減小，連接裝置之凸塊亦不斷減小。凸塊已自過去幾年之100+微米下降至近年之10至20微米或更小。隨著半導體設計轉向3D架構(根據定義意謂裝置經堆疊)，這變得更加複雜。由於此等因素，直接接觸(尤其在垂直定向上)經減少\消除。在許多情況下，准許焊劑去除流體與具有焊劑之彼等 區域接觸之開口小於20微米。僅僅在一基板上向下噴射焊劑去除化學物質將僅接觸最上部裝置之頂部，且在此定向上不存在流體開口。由於許多焊劑去除流體之表面張力不會穿透小開口，因此用傳統焊劑去除溶劑將基板浸入流體浴中不會使溶劑到達接合區域且去除焊劑。類似地，即使某些焊劑去除流體可穿透開口，獲得足夠量之沖洗流體來實行，焊劑去除化學物質及焊劑殘渣會產生與流體穿透小開口相同之問題。沖洗後，任何殘留在裝置結構內之流體都難以去除。此等流體蒸發時往往會留下且重新沈積焊劑、焊劑殘渣及其他污染物，且降低產量。

在一個實施例中，揭示了一種設備及方法，用以自例如晶粒堆疊及晶圓上晶片技術之類的3D封裝中去除焊劑及焊劑殘渣。步驟一係使焊劑去除流體(化學物質)通過可為20微米或更小之小開口(見圖2)。焊劑去除流體進入之開口非常小，且高流體表面張力會阻止流體進入通過該開口。將基板浸入低表面張力流體中一足夠深度之頭部壓力將准許流體通過該等開口。如圖1所展示，基板將在一浸浴25中停留一段時間，其中攪動、超聲能及/或通過該浴池之流體再循環將有助於流體流過裝置開口。

隨後將濕基板轉移至一旋轉台35(第二步驟)以完成製程之焊劑去除部分。將使用高壓及低壓焊劑去除流體之組合以進一步使流體移動通過小開口。應注意，此可能與浸沒台中之流體相同或不同。如以下參考圖3所描述，朝下定向之高壓噴射係無效的。如圖2所展示，高壓(最高3,000psi)或高速噴霧噴嘴以一低角度(0至<45度)噴霧定向而定向，以直接噴射在開口。一臂掃描自基板之一邊緣橫越至另一邊緣並藉由反轉旋轉 方向，提供了高效流體流過該等區域以去除焊劑。此噴射可在許多壓力設定下進行，並且可能在改變基板RPM時進行。循環旋轉卡盤RPM且使用低壓高容量分配有助於使焊劑去除化學物質流過裝置開口，以去除髒且飽和之焊劑去除化學物質。沖洗係經由使用低表面張力乾淨流體置換焊劑去除流體而完成的。類似分配類型循環(低角度下高壓/高速，及高容量/低壓)及卡盤RPM循環可誘使足夠流體通過裝置，以用低表面張力沖洗流體儘可能多地置換焊劑去除流體。

在某些情況下，基板將經轉移至充滿沖洗流體之一浸沒台45。攪動、超聲能及/或流體再循環可用於誘使流體流過封裝開口，以去除任何焊劑去除化學物質或其他污染物。所有浸沒台(焊劑去除或沖洗台)均具有多基板功能，且該台中是否同時存在一或多個基板取決於製程。沖洗浸沒後，晶圓返回至一旋轉台55(可係相同台25)以重複低表面張力沖洗流體之高壓\高速噴射及低壓分配循環，同時改變基板之RPM。需要此RPM循環以完全沖洗掉溶劑且在乾燥期間消除溶劑之污染。隨後旋轉乾燥該基板。旋轉乾燥可藉由一氮氣源(視情況加熱)幫助完成。氮氣源需要在晶粒之間的小開口處定向，以使晶粒之間的氮氣流最大化以進行乾燥。視情況，可經由帶有氮氣清洗之一熱板來處理基板，以確保完全去除流體，帶有氮氣清洗之熱板在圖1中大體上以59指示。熱板經設計以用於加熱基板，且包含使用氮氣之整體氮氣清洗。

在一些實施例中，台25、35、45、55中之一或多者可經組合成單一站。

10:噴霧噴嘴裝置

12:第一部分

14:彎曲遠端部分

15:噴嘴

20:噴霧噴嘴裝置

25:浸浴/台

35:旋轉台

45:浸沒台

50:水平(線性)軌道

55:旋轉台

59:帶有氮氣清洗之熱板

60:直立柱(直立支撐構件)

100:第一晶粒(晶片)/基板/噴霧噴嘴裝置

101:互連裝置

102:焊劑

103:第二晶粒(晶片)

105:開口

106:開口

202:最上部晶粒

203:下部晶粒

A:第一位置

B:第二位置

圖1係根據一個實施例之系統之示意圖。

圖2係具有晶粒之基板及相對於晶粒以規定角度定向之高壓或高速噴霧噴嘴的截面視圖。

圖3係展示具有相對於晶粒垂直或接近垂直噴霧之習知噴霧噴嘴之截面視圖。

圖4係包括複數個堆疊晶粒之例示性晶粒堆疊之截面視圖。

圖5展示高速噴霧噴嘴裝置之選用之線性移動。

圖2係由一第一晶粒(晶片)100及與第一晶粒100隔開之一第二晶粒(晶片)103界定之一基板的截面視圖。在所說明之實施例中，第二晶粒103係最上部晶粒，而第一晶粒100係最下部晶粒。各晶粒100、103具有互連裝置101及焊劑102，該等互連裝置係可為支柱、焊料凸塊、金屬墊等之形式。如圖2之截面視圖所展示，可存在複數個互連裝置101，其以間隔開之關係橫越晶粒100、103隔開。焊劑102經展示為位於互連裝置101之間。

基板100亦包含開口105、106，該等開口形成於裝置中且表示焊劑102所駐留之位置。此等開口105、106具有小尺寸，且可約為20微米之數量級。

如所已知，為了去除焊劑102，化學物質被施加至焊劑102上以將其去除(在一噴霧室或其類似者中，諸如在圖1之旋轉台35處)。使用通常係一噴霧噴嘴裝置10之形式之一工具或裝置將化學物質施加至基板100上。噴嘴裝置10與化學物質源流體連通且以操作方式連接至一泵或其類 似者，以產生高壓或高速噴霧。噴霧噴嘴裝置10具有可做為一主臂之一第一部分12及附接有一噴嘴15之一彎曲遠端部分14。

根據一個實施例，在浸浴中使用之化學物質及通過噴霧噴嘴裝置10排出之流體可選自以下中之一者：Zestron FA+(濃縮)；Zestron Hydron(按20：1用水稀釋)；及熱DI水。還將理解，浸浴中之流體及通過噴霧噴嘴裝置10排出之流體可係相同流體或可係不同流體。大體而言，此等流體可係適合於預期用途之可商購之晶粒堆疊焊劑流體。

在圖3所展示之傳統定向中，在圖3中大體上以20展示之噴霧噴嘴裝置產生一垂直或接近垂直的噴霧，該噴霧簡單地接觸圖3中所展示之習知基板之最上部晶粒202。來自此噴霧型式的焊劑去除溶劑將不會穿透至一下部晶粒203之間以去除位於兩個晶粒202、203之間的所有焊劑。此係因為經排出之化學物質沒有直接噴射至與位於兩個晶粒202、203之間的焊劑進行接觸，而是如箭頭所指示那樣偏離。另外，在此定向上之沖洗流體不能完全沖洗溶劑及氮氣以助乾燥，且因此在近垂直平面中無效。任一情況都會導致缺陷及產量下降。此等情況中之任一種都會導致缺陷及產量下降。

再次參考圖2，噴霧噴嘴裝置10經配置以克服上述關於習知噴霧噴嘴裝置20之缺陷。特定言之，噴霧噴嘴裝置10，且特別係附接有噴嘴15之彎曲遠端部分14，具體地經配置以排出有利地與焊劑102及開口(晶粒之間)成角度之噴霧。在一個實施例中，如自圖2中所展示之水平參考平面且其係與穿過最上部晶粒的一頂部之一平面平行的一平面量測，噴霧噴嘴10之角度小於45度(例如，在30度至45度之間)，且更特定言之，可約為30度。在圖2中，水平參考平面由與噴嘴10之最上部端接觸的一線示出且平行 於最上部晶粒之頂表面(且平行於一地面)。申請人已發現，此噴霧角度有利於焊劑去除化學物質、沖洗流體或氮氣乾燥輔助。與圖3所展示之僅係關於基板之曝露頂表面的傳統噴霧型式不同，圖2所展示之成角度的噴霧噴嘴裝置將化學物質直接排放至兩個晶粒之間的開口中，從而與焊劑102等直接接觸。換言之，圖3所說明之傳統噴霧型式以相對於基板頂表面正交(90度)的角度導向噴霧。將理解，以此角度，根本不可能在兩個晶粒之間噴射以直接噴射焊劑102。

噴霧噴嘴裝置10經配置以產生高壓噴霧(最高3,000psi)或一高速噴霧，該噴霧通過以一低角度(0至<45度)噴霧定向而定向之一或多個噴嘴排出以如圖2所展示那樣直接噴射在開口。相對於平行於包含基板之頂表面之一水平面的一平面而量測此量測。換言之，度數量測值(例如30度)係在平行於基板定向之平面上量得。

在一個實施例中，噴霧噴嘴裝置10可具有一可調節式噴嘴頭，其中噴霧噴嘴裝置10之角度可相對於圖2之水平參考平面在0度至45度之間調節。噴霧噴嘴裝置10之排放臂可因此相對於噴霧噴嘴裝置10之一主柱或臂樞轉且可鎖定在一選定的所選角度。

如下所描述，將理解，噴霧噴嘴裝置10沿朝向及遠離基板10之一方向移動。如參考圖4所描述，噴霧噴嘴裝置10之此移動允許改變上面噴射化學物質之基板位置。噴霧噴嘴裝置100之此線性移動不會改變固定的噴霧噴嘴裝置的角度(例如，在一個實施例中係30度)。將理解，噴霧噴嘴裝置10可係一機器人系統之部分，且因此，機械臂移動可引起噴霧噴嘴裝置10之此移動。在一個實施例中，如圖5所展示，噴霧噴嘴裝置10可沿一水 平(線性)軌道50行進，該軌道允許將噴霧噴嘴裝置10帶向晶粒堆疊或自該晶粒堆疊移開。噴霧噴嘴裝置10可位於沿軌道50線性移動以使噴霧噴嘴裝置10更靠近或進一步遠離晶粒堆疊之一直立柱(直立支撐構件)60的頂部(如軌道50下方箭頭所指示)。在又一實施例中，噴霧噴嘴裝置10可包含垂直移動，其中噴霧噴嘴裝置可相對於晶粒堆疊升高及降低。同樣，噴霧噴嘴裝置10之角度不變。

為了使通過晶粒堆疊之流體最大化，基板需要RPM循環。低RPM速度有利於准許晶粒之間的區域充滿流體。高RPM步驟使用離心力來幫助自晶粒之間獲得流體。循環有助於吸收溶劑以溶解焊劑，然後沖洗流體以去除溶劑。

圖4說明了包含複數個晶粒之一晶粒堆疊；然而，應理解，晶粒堆疊可由單一晶粒或多個晶粒形成。而且，多個晶粒堆疊可以有8或16個晶粒高(或更高)，且在堆疊內含有單一晶粒或多個晶粒類型。如圖4所展示，整個堆疊具有藉由互連裝置101堆疊在一起的複數個晶粒及位於晶粒之間的焊劑102。因此，如參考圖2所論述，為了去除焊劑102且適當地處理基板，必須將自噴嘴排出之化學物質導向至成對晶粒之間的開口中。晶粒堆疊係垂直定向，且因此，化學物質需要經導向為使得其接觸位於堆疊底部、堆疊中間及堆疊頂部之焊劑102。噴嘴裝置之成角度的性質允許化學物質在焊劑102所在之堆疊的側面排出。藉由本文所描述之成角度的噴嘴裝置10且藉由線性地移動成角度的噴嘴10來實現此期望之噴霧型式。特定言之，成角度的噴嘴裝置10可沿朝向及遠離晶粒堆疊之方向橫向移動。在圖4中，噴嘴裝置10展示為處於一第一位置(標記為「A」)，且展示為藉由水平地(線 性地)移動噴嘴裝置10而移動至一第二位置(標記為「B」)。將理解，成角度的噴嘴裝置10之該移動引起噴霧噴嘴裝置10之噴霧覆蓋範圍的改變。舉例而言，當成角度的噴霧噴嘴10位置最靠近晶粒堆疊時，噴霧覆蓋範圍主要在堆疊頂部，且因此，該區域中之焊劑102與經排出之化學物質直接接觸。隨著噴霧噴嘴裝置10沿遠離堆疊之方向移動，噴霧覆蓋範圍向下移動，其中位於中間晶粒之間的焊劑102與化學物質接觸而被去除。最後，當噴霧噴嘴裝置10位於距堆疊最遠之位置時，噴霧覆蓋範圍在堆疊底部，從而去除位於底部晶粒之間的焊劑102。線性地移動噴霧噴嘴裝置10之能力允許改變噴霧覆蓋範圍，且特定言之，允許化學物質沿堆疊之高度經導向至不同焊劑區域。

應理解，已簡化了本發明之附圖及具體實施方式，以說明與清楚理解本發明相關之元件，同時為了清楚起見，省去了本發明中可能存在的許多其他元件。一般熟習相關技術者將認識到，為了實施本發明，期望有及/或需要其他元件。然而，由於該等元件在本領域中係眾所周知的，且因為該等元件不能促進對本發明之更好理解，所以此處不提供對該等元件之論述。

25:浸浴/台

35:旋轉台

45:浸沒台

55:旋轉台

59:帶有氮氣清洗之熱板

Claims (18)

1. 一種用於處理其中形成有開口之一基板之方法，該方法包括以下步驟：藉由將該基板定位在一第一浸浴中以一第一流體潤濕該基板，以該第一流體填充該基板中之該等開口；用排出一第二流體之一噴霧噴嘴裝置噴射該經潤濕之基板，其中該噴霧噴嘴裝置經配置使得該噴霧噴嘴裝置之一噴霧噴嘴臂相對於一水平參考平面成30度至45度之間的一角度，用以將該第二流體排向該經潤濕之基板中之該等開口；旋轉該基板；及在一臂掃描模式下操作該噴霧噴嘴裝置，其中該噴霧噴嘴裝置自該基板之一邊緣橫越該基板移動至該基板之一相對邊緣，且改變該基板的一旋轉方向。
2. 如請求項1之方法，其進一步包含以下步驟：用一第三流體沖洗該經噴射之基板；將該經沖洗之基板浸入一第二浸浴中所包含之一第四流體中；及在自該第二浸浴中移開該基板後，旋轉乾燥該基板。
3. 如請求項1之方法，其中該噴霧噴嘴臂相對於該水平參考平面成30度之一角度。
4. 如請求項1之方法，其中該基板包括至少兩個晶粒，每一該晶粒具有複數個互連裝置及相鄰晶粒之間的焊劑。
5. 如請求項4之方法，其中該等互連裝置包括以下中之至少一者： 支柱、焊料凸塊及金屬墊。
6. 如請求項4之方法，其中選擇該第一流體及該第二流體中之每一者以去除該焊劑。
7. 如請求項1之方法，其中該噴霧噴嘴裝置相對於該基板橫向設置，且該噴霧噴嘴裝置經配置以沿朝向該基板及橫向遠離該基板之一方向橫向移動。
8. 如請求項1之方法，其中該等開口具有之大小係20微米或更小。
9. 如請求項1之方法，其中該噴霧噴嘴裝置位於經配置以接收該經潤濕之基板的一旋轉台處，該噴霧噴嘴裝置經配置以按兩種方式操作：(1)一第一模式係一高壓模式，其中該第二流體以最高3000psi之高壓排出；及(2)一第二模式係一低壓模式，其中該第二流體以最高60psi之低壓排出。
10. 如請求項1之方法，其中該旋轉基板之一RPM值係變化的，且該噴霧噴嘴裝置在諸如<60psi之一較低壓力及諸如>1 LPM之高容量下操作。
11. 如請求項2之方法，其中該第三流體包括一低表面張力乾淨流體(例如，IPS(異丙醇))。
12. 如請求項2之方法，其中該第三流體及該第四流體相同。
13. 如請求項2之方法，其中旋轉乾燥該基板之步驟包括發射朝向該基板定向之N2氣體以乾燥該基板。
14. 如請求項2之方法，其進一步包含一選用之熱板\N2清洗以乾燥該基板。
15. 如請求項4之方法，其中該基板包括4個或更多個晶粒之一堆疊，每一該晶粒具有複數個互連裝置及相鄰晶粒之間的焊劑。
16. 一種用於自形成於一基板中之開口中去除焊劑之系統，該基板中形成有該等開口，該系統包括：一噴霧噴嘴裝置，其具有一噴霧噴嘴臂，該噴霧噴嘴臂相對於一水平參考平面成30度至45度之間的一角度，用於將流體排向該基板中之該等開口以去除焊劑，其中該噴霧噴嘴裝置位於經配置以接收該經潤濕之基板之一旋轉台處，該噴霧噴嘴裝置經配置以按兩種方式操作：(1)一第一模式係一高壓模式，其中該流體以最高3000psi之高壓排出；及(2)一第二模式係一低壓模式，其中該流體以最高60psi之低壓排出。
17. 如請求項16之系統，其中該角度係30度。
18. 如請求項16之系統，其中該噴霧噴嘴裝置經配置以沿朝向及遠離該基板之一方向線性地移動。

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