專利名稱：接合晶片的裝置及方法及整平接合晶片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路的制造，尤其涉及一種將半導(dǎo)體芯片(die)接 合至晶片上的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體芯片變得越來越小。然而，半導(dǎo)體芯片 內(nèi)必須整合更多的功能。因此，半導(dǎo)體芯片必須具備越來越多的輸入/輸出 (I/O)焊盤形成于狡小的區(qū)域且I/0焊盤的密度也快速增加。如此一來，半 導(dǎo)體芯片的封裝變得更加的困難而嚴(yán)重影響合格率(yield)。
封裝技術(shù)可分為兩種類型。 一種類型通常稱為晶片級封裝(wafer level package, WLP),其中晶片上的芯片是在切割工藝之前就進行封裝。WLP技 術(shù)具有某些優(yōu)點。例如，較大的產(chǎn)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(shù)也 有一些缺點。如之前所述，芯片的尺寸越來越小，而公知WLP只能是扇入 (fm-in)式封裝，其中每一個芯片的I/O焊盤受限于芯片表面正上方的區(qū)域。 在芯片的有限區(qū)域，1/0焊盤的數(shù)量會因I/0焊盤的間距限制而受P艮。若縮小 焊盤間距，容易發(fā)生焊料架橋(solderbridge)。因此，在固定焊球尺寸規(guī)定 下，焊球必須為某一尺寸，其限制了芯片表面上可封裝形成的焊球數(shù)量。
在另一種封裝類型中，自晶片切割芯片是在其封裝至其他晶片之前進 行，且只有己知良品芯片(known-good-die)進行封裝。此封裝技術(shù)的優(yōu)點 在于形成扇出(fan-out)式芯片封裝的可能性，其意謂著芯片上的I/O焊盤 可重布于大于芯片的區(qū)域，故可增加芯片表面上封裝形成的I/O焊盤數(shù)量。
圖1及圖2示出公知接合工藝中部分階段剖面示意圖。請參照圖1A， 已知良品芯片12預(yù)先一片接著一片接合至晶片10上，其中接合時間相對較 短，例如每一個芯片只需幾秒或更短的時間。接著需進行整平接合(leveling bonding)。公知用于整平接合的整平接合系統(tǒng)包括接合頭16及位于下方并沖(compliant)層14。緩沖層14具有一平整表面且用 于補償芯片12之間厚度變化。如第圖2所示，在整平接合期間，接合頭16 向下移動，以透過緩沖層14在芯片12上施加一力量，使芯片12平整地接 合至晶片12上。
圖1及圖2所示的整平接合系統(tǒng)具有某些缺點。緩沖層14貼附于接合 頭16上，因此在更換之前，使用的時間周期相對較長。超時使用，會產(chǎn)生 印痕(imprint)及其他缺陷，而使緩沖層14的作用受到嚴(yán)重的影響，其接 著影響整平接合工藝的可靠度。另外，緩沖層14通常由橡膠或是其他聚合 物(polymer)材料所構(gòu)成，其承受溫度只能到達300°C 。然而，在某些應(yīng)用 中，例如銅對銅直接接合，所需的溫度高于300。C，而使圖1及圖2所示的 整平接合系統(tǒng)的使用受限。再者，上述接合系統(tǒng)的產(chǎn)能低， 一部分的原因在 于整平接合每片晶片的時間相對較長。
因此，必須尋求一種整平接合系統(tǒng)及方法，以進行具有高產(chǎn)能及增加可 靠度的整平接合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種接合晶片的裝置及方法，以及整平接合晶片 的方法，以改善現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
根據(jù)本發(fā)明的一方案， 一種接合晶片的裝置，包括 一接合承座，用以 承載晶片； 一接合頭，位于接合承座上方，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(fā)送器，用以發(fā)送一薄片至晶片上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方案， 一種接合晶片的裝置，包括 一接合承座， 用以承載晶片； 一接合頭，位于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，用以將晶片載入接合承座上， 并且自接合承座載出晶片； 一薄片，其兩側(cè)不具有粘著劑，且其尺寸不小于 晶片的尺寸；以及一薄片發(fā)送器，用以發(fā)送薄片至晶片上。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方案， 一種接合晶片的裝置，包括 一接合承座， 用以承載晶片； 一第一接合頭，位于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，位于第一接合頭上方且與第一接合頭之間具有一空隙，其中空隙足以放置晶片，且其中第一接合頭及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。上述裝置還包括 一機械手臂，用以將晶片載入接合承座及 第一接合頭中至少一個，并且自接合承座及第一接合頭中至少一個載出晶 片；以及一薄片發(fā)送器，用以發(fā)送一薄片至晶片上，其中薄片的兩側(cè)不具有 粘著劑，且具有一晶片尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例， 一種接合晶片的方法，包括提供一接合 承座，用以承載晶片；于接合承座上方提供一接合頭；發(fā)送一薄片至晶片上; 將晶片放置于接合承座上；以及借助接合承座及接合頭，對薄片及晶片施加
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例， 一種整平接合晶片的方法，包括提供一 接合承座；于接合承座上方提供一第一接合頭；于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(fā)送一第一薄片至一第一預(yù)先接合晶片上，其中第一預(yù)先接合晶片包 括位于一第一基礎(chǔ)晶片上的多個第一芯片；將第一預(yù)先接合晶片放置于接合 承座與第一接合頭之間；發(fā)送一第二薄片至一第二預(yù)先接合晶片上，其中第
二預(yù)先接合晶片包括位于一第二基礎(chǔ)晶片上的多個第二芯片；將第二預(yù)先接 合晶片放置于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(yù)先接合晶片及第二預(yù)先接合晶片施加力量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于具有較大的產(chǎn)能、可靠度的提升、以及將整平晶片系 統(tǒng)的使用擴展至高溫應(yīng)用。


圖1及圖2示出使用公知整平接合系統(tǒng)的接合工藝中部分階段剖面示意
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的整平接合系統(tǒng)； 圖4示出用于發(fā)送薄片至晶片上的薄片發(fā)送器；
圖5A至圖5C示出第一整平接合工藝中部分階段剖面示意圖，其中在預(yù) 先接合的晶片放置于接合承座上之前，薄片被發(fā)送至上述晶片上；
圖6示出第二整平接合工藝中部分階段剖面示意圖，其中在預(yù)先接合的 晶片放置于接合承座上之后，薄片被發(fā)送至上述晶片上；圖7及圖8示出另一個整平接合工藝中部分階段剖面示意圖，其中使用 具有堆疊接合頭的整平接合系統(tǒng)，對晶片兩個晶片同時進行接合。
其中，附圖標(biāo)記說明如下 公知
Dl、 D2 空隙。
具體實施例方式
以下的說明為本發(fā)明實施例的制造與使用。然而，必須了解的是本發(fā)明 提供許多適當(dāng)?shù)陌l(fā)明概念，可實施于不同的特定背景。述及的特定實施例僅 僅用于說明以特定方法來制造及使用本發(fā)明，并非用以限定本發(fā)明范圍。
以下提供一種新穎的整平接合系統(tǒng)以及進行整平接合工藝的方法，以及 說明優(yōu)選實施例的差異及操作。在本發(fā)明實施例中，相同的部件使用相同的 標(biāo)號。
圖3示出局部的整平接合系統(tǒng)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最好是位于一可控環(huán)境24內(nèi)，其能夠填充使用 于整平接合工藝的氣體，該氣體包括干凈的空氣及氮氣等等。可控環(huán)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具有高硬度大體上不會因整平接合而產(chǎn)生印痕(imprint)。 因此，接合頭20可由鋼鐵或其適當(dāng)材料所構(gòu)成。接合頭20的溫度也可被控 制，舉例而言，經(jīng)由一內(nèi)部加熱器(未示出)來加熱至所需的溫度，其可加 熱至50(TC，甚至更高。接合承座22也最好具有一平整表面28。接合承座
10~晶片；
14 緩沖層；
本發(fā)明
20、 20、202~接合頭;
24 可控環(huán)境；
30 機械手臂；
36~薄片；
42 芯片；
50 移動導(dǎo)引器；
22 接合承座；
26、 28 平整表面；
34 薄片發(fā)送器；
40、 40!、 40廣晶片;
44 控制系統(tǒng)；
100 整平接合系統(tǒng);
12 已知良品芯片;
16~接合頭。22的溫度也可被控制，以加熱至所需的溫度。接合頭20及接合承座22的尺 寸大于被接合的晶片(如圖4所示的晶片40)。
整平接合系統(tǒng)100最好包括用于上下移動接合頭20及/或接合承座22的 機械部件(未示出)。而施加于晶片上的力量也可被控制。圖3也示出運送 晶片至接合承座22上以及自接合承座22移離晶片的機械手臂30。
在一優(yōu)選實施例中，使用薄片來進行整平接合。薄片可在進行一次整平 接合之后即丟棄。因此，內(nèi)文中的薄片為一次性使用薄片。薄片的尺寸至少 等于待整平接合的晶片的尺寸，而最好是稍微大于。圖4示出一薄片發(fā)送器 34，用以發(fā)送薄片36至晶片40上，晶片40為待整平接合的晶片且其上方 具有預(yù)先接合(pre-bonded)的芯片42。在發(fā)送薄片36之后，薄片36必須 覆蓋所有的芯片42。
薄片36的熔點溫度高于整平接合工藝所使用的溫度。另外，薄片36的 硬度必須在一適當(dāng)?shù)姆秶？梢粤私獾氖窃趶母鱾€晶片切割出這些芯片42 之前，由于晶片薄化工藝的不均勻性，造成這些芯片42具有厚度差異。由 接合頭20及接合承座22 (請參照圖3)所施加的力量必須經(jīng)過薄片36大體 均勻地施加于這些芯片42。因此，薄片36必須有足夠的硬度來傳導(dǎo)該力量 且具有足夠的形變來吸收過多的力量施加于較厚的芯片42。在一實施例中， 薄片36可由鋁所構(gòu)成，其熔點溫度約為660°C。在其他實施例中，薄片36 可由銅合金所構(gòu)成，例如黃銅(braze)，其熔點溫度約為900。C。在另一個 實施例中，薄片36可由聚合物(polymer)所構(gòu)成，例如橡膠，其熔點溫度 約為300。C或更高。薄片36的厚度在數(shù)十微米(pm)到數(shù)百微米的范圍。 本發(fā)明的優(yōu)點在于薄片36為一次性使用，因此可依照幾個因素來選擇適當(dāng) 薄片，例如待接合晶片的種類以及是否芯片42與晶片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。
圖3及圖4也示出一控制系統(tǒng)44，其包括一計算機及一程序碼，用以控 制及調(diào)節(jié)晶片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(fā)送。
在圖4中，芯片42預(yù)先接合至晶片40上。芯片42切割自晶片且為已 知良品芯片。芯片42可面對面、背對面、面對背、背對背地接合至晶片40 上，且可為氧化物對氧化物的接合、氧化物對硅的接合、金屬對金屬的接合(如銅對銅或任何金屬間接合)等等?？山柚胖妹恳粋€單芯片42至晶片 40上并且在芯片上，短時間(例如，幾秒鐘)施加一力量來進行預(yù)先接合。 在預(yù)先接合期間，可加熱，例如在25。C至400。C的范圍，其取決于芯片42 與晶片40之間接合的類型。在預(yù)先接合之后，具有預(yù)先接合芯片42的晶片 40必須經(jīng)過一道整平接合工藝以強化該接合。
圖5A至圖5C示出本發(fā)明的一第一工藝流程。請參照圖5A，薄片36 首先發(fā)送至預(yù)先接合的芯片42與晶片40上。沒有任何粘著劑使用于粘著薄 片36與芯片42。薄片36的材料取決于后續(xù)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(gòu)成。若需使 用高溫，則不使用聚合物。換言之，薄片36可由銅、鋁等等所構(gòu)成。接著， 請參照圖5B，發(fā)送的薄片36、芯片42、及晶片40借助機械手臂30 (如圖 3所示)傳送至可控環(huán)境24內(nèi)且放置于接合頭20與接合承座22之間。在進 行整平接合工藝期間，可控環(huán)境24內(nèi)可填充干凈的空氣、氮氣等等，也可 以抽真空。
請參照圖5B，借助向著接合承座22壓迫接合頭20來進行整平接合工 藝，使力量施加于薄片36、芯片42、及晶片40上。沒有任何粘著劑放置于 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10psi到100psi的范圍。銅對銅接合的所需溫 度在200。C以上，例如，在200。C至500。C的范圍。氧化物對氧化物的接合的 所需溫度低于300°C。整平接合的時間約在10分鐘至60分鐘的范圍。
在圖5C中，接合頭20自薄片36松開，接著自芯片42上方移除薄片 36并可丟棄。晶片移出可控環(huán)境24，而另一個晶片可進行接合。
圖6示出另一個工藝流程的部分階段。本實施例相似于圖5A至圖5C 的實施例，除了薄片36的發(fā)送是在將晶片40放置于接合承座22上之后進 行的。在本實施例中，預(yù)先接合芯片42與晶片40，再借助機械手臂(如圖 3所示)傳送至可控環(huán)境24內(nèi)，接著放置于接合頭20與接合承座22之間。 薄片發(fā)送器34接著發(fā)送薄片36至芯片42上。而后續(xù)的整平接合工藝實質(zhì) 相同于圖5B及圖5C所述，在此不在贅述。
上述實施例包括一多重接合頭的設(shè)計。圖7示出一實施例，其包括接合頭2(h及位于其上的接合頭202。接合頭2(h及202與接合承座22可個別或同 時加熱至相同或不同的溫度。移動導(dǎo)引器50用于連接接合頭20,與接合承座 22，且用于引導(dǎo)接合頭20J勺移動。接合頭20i作為放置于其上的晶片的接 合承座，且可進一步包括增額晶片承座部件(未示出)，用以承載放置于其 上的晶片。空隙D1及D2足以載入/載出晶片。多重接合頭系統(tǒng)也包括一機 械手臂30 (如圖3所示)及薄片發(fā)送器34 (如圖4所示)。
多重接合頭系統(tǒng)操作中，晶片4(^及402分別放置于接合承座22與接合 頭20i上，如圖7所示。而在放入晶片40i及402之前或之后，將薄片36放 置于晶片4(^及402上。當(dāng)接合頭202向下移動，如第圖8所示，晶片402受 壓，使接合頭20,向下移動(受限于或沿著移動導(dǎo)引器50)，直至接合頭20i 的底部壓住薄片36。接合頭202所施加的力量因而傳導(dǎo)至晶片402、接合頭 20i、并依序壓住晶片40,?？深~外加入機械及/或電子部件(未示出)以個別 調(diào)整施加于晶片4(^及402上的力量。再者，接合頭20i及202可加熱至所需 的相同或不同溫度。
借助使用圖7所示的多重接合頭實施例，整平接合的產(chǎn)能得以加倍。在 另一個實施例中，可堆疊更多的接合頭/承座(例如三個或以上)，以同時接 合更多的芯片，而進一步提升整平接合的產(chǎn)能。晶片40i及402彼此可為相 同或不同的。因此，不同電路設(shè)計及/或尺寸的晶片兩個晶片可同時進行整平 接合。
上述實施例具有許多的優(yōu)點。首先，由于薄片36為一次性使用，故不 會因進行一次接合工藝而產(chǎn)生印痕，進而影響后續(xù)其他晶片的接合。因而提 升可靠度。第二，因為具有選擇適當(dāng)薄片的彈性，本發(fā)明的整平接合系統(tǒng)可 使用于銅對銅接合或其他需要較高溫度的接合應(yīng)用。第三，可堆疊多重接合 頭/承座，使產(chǎn)能得以增加。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭示如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任 何所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作 更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種接合晶片的裝置，該裝置包括一接合承座，用以承載該晶片；一接合頭，位于該接合承座上方，其中該接合承座與該接合頭具有彼此相對移動的配置；以及一薄片發(fā)送器，用以發(fā)送一薄片至該晶片上，其中該薄片的熔點溫度大于或等于300℃。
2. 如權(quán)利要求1所述的接合晶片的裝置，其中面向該接合承座的該接合 頭的一表面不具有聚合物材料。
3. 如權(quán)利要求1所述的接合晶片的裝置，還包括一控制單元，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. 如權(quán)利要求1所述的接合晶片的裝置，其中該接合頭與該接合承座中 的至少一個是用以對該薄片及該晶片進行加熱。
5. 如權(quán)利要求1所述的接合晶片的裝置，其中該薄片由金屬所構(gòu)成。
6. 如權(quán)利要求1所述的接合晶片的裝置，還包括一增額接合頭，位于該 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 晶片，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。
7. —種接合晶片的裝置，該裝置包括 一接合承座，用以承載該晶片；一接合頭，位于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，用以將該晶片載入該接合承座上，并且自該接合承座載出 該晶片；一薄片，其兩側(cè)不具有粘著劑，且該薄片的熔點溫度大于或等于300。C;以及一薄片發(fā)送器，用以發(fā)送該薄片至該晶片上。
8. 如權(quán)利要求7所述的接合晶片的裝置，其中該接合頭向該接合承座移 近及移離，以對該晶片施加一力量。
9. 如權(quán)利要求7所述的接合晶片的裝置，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。
10. 如權(quán)利要求7所述的接合晶片的裝置，其中該接合頭與該接合承座位于一腔室中。
11. 如權(quán)利要求7所述的接合晶片的裝置，其中該薄片的材料擇自于銅、 鋁、聚合物、及其組合。
12. 如權(quán)利要求7所述的接合晶片的裝置，還包括一增額接合頭，位于該 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 晶片，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。
13. —種接合晶片的裝置，該裝置包括 一接合承座，用以承載該晶片；一第一接合頭，位于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，位于該第一接合頭上方且與該第一接合頭之間具有一空 隙，其中該空隙足以放置該晶片，且其中該第一接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，用以將該晶片載入該接合承座及該第一接合頭中至少一 個，并且自該接合承座及該第一接合頭中至少一個載出該晶片；以及一薄片發(fā)送器，用以發(fā)送一薄片至該晶片上，其中該薄片的兩側(cè)不具有 粘著劑，且該薄片的熔點溫度大于或等于300°C 。
14. 如權(quán)利要求13所述的接合晶片的裝置，還包括一移動導(dǎo)引器，連接 至該第一及該第二接合頭。
15. 如權(quán)利要求13所述的接合晶片的裝置，其中該第一及該第二接合頭 具有被加熱的配置。
16. —種接合晶片的方法，該方法包括 提供一接合承座，用以承載該晶片； 于該接合承座上方提供一接合頭； 發(fā)送一薄片至該晶片上； 將該晶片放置于該接合承座上；以及借助該接合承座及該接合頭，對該薄片及該晶片施加一力量。
17. 如權(quán)利要求16所述的接合晶片的方法，還包括預(yù)先接合多個芯片至 該晶片上，其中發(fā)送該薄片以覆蓋所述多個芯片。
18. 如權(quán)利要求16所述的接合晶片的方法，還包括在施力期間，對該接合頭及該接合承座中至少一個進行加熱。
19. 如權(quán)利要求16所述的接合晶片的方法，其中將該晶片放置于該接合 承座上是在發(fā)送該薄片之前進行。
20. 如權(quán)利要求16所述的接合晶片的方法，其中將該晶片放置于該接合 承座上是在發(fā)送該薄片之后進行。
21. 如權(quán)利要求16所述的接合晶片的方法，還包括 于該接合頭上方提供一增額接合頭； 在一增額晶片上方發(fā)送一增額薄片； 將該增額晶片放置于該接合頭上；以及借助該接合頭及該增額接合頭，對該增額薄片及該增額晶片施加一增額
22. —種整平接合晶片的方法，該方法包括 提供一接合承座；于該接合承座上方提供一第一接合頭；于該第一接合頭上方提供一第二接合頭，其中該接合承座、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(fā)送一第一薄片至一第一預(yù)先接合晶片上，其中該第一預(yù)先接合晶片包括位于一第一基礎(chǔ)晶片上的多個第一芯片；將該第一預(yù)先接合晶片放置于該接合承座與該第一接合頭之間； 發(fā)送一第二薄片至一第二預(yù)先接合晶片上，其中該第二預(yù)先接合晶片包括位于一第二基礎(chǔ)晶片上的多個第二芯片；將該第二預(yù)先接合晶片放置于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(yù)先接合晶片及該第二預(yù)先接合晶片施加力量。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種接合晶片的裝置及方法，包括一接合承座、一接合頭、以及一薄片發(fā)送器。接合承座用以承載晶片。接合頭位于接合承座上方，其中接合承座與接合頭具有彼此相對移動的配置。薄片發(fā)送器用以發(fā)送一薄片至晶片上。本發(fā)明也揭示一種整平接合晶片的方法。本發(fā)明的優(yōu)點在于具有較大的產(chǎn)量、可靠度的提升、以及將整平晶片系統(tǒng)的使用擴展至高溫應(yīng)用。
文檔編號H01L21/50GK101587846SQ20081021506
公開日2009年11月25日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者余振華, 吳文進, 邱文智 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司