用于將半導(dǎo)體芯片對(duì)于鍵合頭定位的系統(tǒng)和方法、熱鍵合系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于將半導(dǎo)體芯片對(duì)于鍵合頭定位的系統(tǒng)和方法、熱鍵合系統(tǒng)和方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明廣義上涉及半導(dǎo)體制造，且更具體而不排他性地，涉及用于將半導(dǎo)體芯片對(duì)于鍵合頭定位的系統(tǒng)和方法，并涉及熱鍵合系統(tǒng)和方法。
[0002]背景
[0003]倒裝芯片焊接(Flip chip bonding)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中。在倒裝芯片焊接中，首先需要從已切割的晶圓或芯片托盤中拾取集成電路(IC)芯片，然后使用熱量和壓力將集成電路芯片安裝于襯底上。通常使用鍵合工具(在下文中可互換地稱為鍵合頭)來實(shí)施安裝。熱量和壓力的分配的均勻度通常決定于諸如鍵合工具的尺寸、在鍵合工具上的芯片的定位等之類的因素。在如果安裝之前在襯底上預(yù)先分配底部充膠的情況中，同樣重要的是將芯片相對(duì)于鍵合工具精確地定位以使得最小化或消除在熱壓縮鍵合過程中底部充膠沿著芯片邊緣慢慢上升到鍵合頭的風(fēng)險(xiǎn)。如果鍵合頭的一部分暴露了(例如，如果芯片沒有與鍵合頭對(duì)齊，或者如果鍵合頭的尺寸大于芯片的尺寸)，那么這一情況可能會(huì)發(fā)生。
[0004]在倒裝芯片焊接中，焊劑經(jīng)常用于增加濕潤(rùn)性并通過與任何存在的氧化層進(jìn)行反應(yīng)而清理鍵合表面。在倒裝芯片焊接過程中，在襯底上完成焊劑/底部充膠，并且芯片對(duì)齊襯底。然后，實(shí)現(xiàn)芯片接觸襯底，并且使芯片的溫度上升直至溫度達(dá)到屆時(shí)發(fā)生鍵合的焊料的熔點(diǎn)。然而，因?yàn)檫@些步驟是順序地執(zhí)行的，所以這一過程相當(dāng)緩慢，并且因?yàn)槠湟笫褂眯枰g歇地通電和斷電的昂貴的加熱系統(tǒng)，所以這一過程昂貴。
[0005]在已改進(jìn)的方案中(也被認(rèn)為是恪化并接觸(meltand touch-down) “MTD”鍵合)，仍然在襯底上完成焊劑/底部充膠，但是焊料在接觸襯底之前被熔化。例如，鍵合頭可以在拾取芯片之前或之后進(jìn)行加熱，并將熱量傳遞到焊料。首先將芯片對(duì)齊襯底，然后在發(fā)生鍵合時(shí)進(jìn)行接觸襯底。然而，在這一已改進(jìn)的方案中，在已熔化的焊料上的氧化物的形成可能沒有被襯底上的焊劑進(jìn)行充分清理，這引起可能會(huì)削弱鍵合或形成裂縫的薄氧化物包封(oxide entrapment)。
[0006]圖1顯示了示出另一個(gè)常規(guī)倒裝芯片上焊劑和鍵合過程的示意圖，該過程涉及以受控的深度在儲(chǔ)槽中浸入芯片以及縮回芯片。首先，使用鍵合頭108將芯片102浸入進(jìn)焊劑板106的焊劑儲(chǔ)槽104中。然后，在將芯片102放置在襯底110上之前，使芯片102縮回并使用鍵合頭108使芯片102與襯底110對(duì)齊。然而，在這一過程中，如果焊料在上焊劑之前被熔化，則焊料可能在上焊劑的時(shí)候弄污(smear)，并且來自于芯片102的直接熱量可能改變儲(chǔ)槽104中的焊劑性質(zhì)。在另一方面，如果在上焊劑之后焊料熔化，則鍵合過程可能會(huì)慢很多。此夕卜，這種常規(guī)的上焊劑過程經(jīng)常存在由于浸入速度、浸入時(shí)間、焊劑粘度、或芯片102和焊劑儲(chǔ)槽104之間的平行度等等而導(dǎo)致的焊劑不充分的限制。
[0007]因此，存在提供試圖解決至少一些上述問題的系統(tǒng)和方法的需要。
[0008]概述
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于將半導(dǎo)體芯片對(duì)于鍵合頭定位的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0010]控制器；
[0011 ]第一運(yùn)輸裝置，其耦合到控制器并被配置成保持半導(dǎo)體芯片并將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第一位置；以及
[0012]第二運(yùn)輸裝置，其耦合到控制器并被配置成在第一位置接收半導(dǎo)體芯片，并將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第二位置以被鍵合頭拾取，
[0013]其中第一運(yùn)輸裝置可控制地校正半導(dǎo)體芯片的位置，使得半導(dǎo)體芯片在第一位置處于相對(duì)于鍵合頭的第一對(duì)齊中；并且
[0014]其中第二運(yùn)輸裝置進(jìn)一步可控制地校正半導(dǎo)體芯片的位置，使得半導(dǎo)體芯片在第二位置處于相對(duì)于鍵合頭的第二對(duì)齊中。
[0015]第一對(duì)齊可以包括沿著至少一個(gè)水平參考軸線的角度對(duì)齊以及線性對(duì)齊。
[0016]第二對(duì)齊可以包括沿著兩個(gè)水平參考軸線的角度對(duì)齊以及線性對(duì)齊。
[0017]第二運(yùn)輸裝置可能是管芯(die)給料機(jī)，該管芯給料機(jī)包括:
[0018]在第一位置和第二位置之間可移動(dòng)的芯片接收部分；
[0019]保持裝置，其被配置成在芯片接收部分處穩(wěn)固地保持芯片在原位；
[0020]驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其被配置成將芯片接收部分從第一位置移動(dòng)到第二位置。
[0021]保持裝置可以包括粘性的焊劑，并且芯片接收部分可以包括用于在預(yù)定的深度容納所述粘性焊劑的焊劑儲(chǔ)槽。
[0022]半導(dǎo)體芯片可以被布置在焊劑儲(chǔ)槽中預(yù)定的上焊劑持續(xù)時(shí)間。
[0023]焊劑材料在鍵合頭的溫度范圍內(nèi)可以具有穩(wěn)定的體積。
[0024]該系統(tǒng)還可包括耦合到控制器的第一光學(xué)成像儀，以用于確定由第一運(yùn)輸裝置保持的半導(dǎo)體芯片的相對(duì)的線性偏差值和角度偏差值。
[0025]第一光學(xué)成像儀可以包括照相機(jī)，該照相機(jī)被配置成捕捉半導(dǎo)體芯片的第一圖像，并且控制器可被配置成基于由相機(jī)捕捉的第一圖像，計(jì)算并比較半導(dǎo)體芯片的位置相對(duì)于參考位置的線性偏差值和角度偏差值。
[0026]第一運(yùn)輸裝置可以包括耦合到控制器的旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行器，并且旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行器被配置成基于相對(duì)的角度偏差值，校正半導(dǎo)體芯片的角度位置。
[0027]第一運(yùn)輸裝置還可包括耦合到控制器的線性執(zhí)行器，以用于將半導(dǎo)體芯片水平移動(dòng)到第一位置，并且線性執(zhí)行器可以被配置成基于相對(duì)的線性偏差值，校正半導(dǎo)體芯片的線性位置。
[0028]系統(tǒng)還可包括耦合到控制器的第二光學(xué)成像儀，且其被配置成在第二位置處捕捉半導(dǎo)體芯片連同鍵合頭的第二圖像，并且控制器可被配置成基于第二圖像來確定半導(dǎo)體芯片與鍵合頭的對(duì)齊。
[0029]第二光學(xué)成像儀可以被配置成捕捉半導(dǎo)體芯片和襯底的第三圖像，以用于確定在半導(dǎo)體芯片和襯底之間的對(duì)齊。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了熱鍵合系統(tǒng)，其包括:
[0031]如在第一方面中所限定的定位系統(tǒng)；
[0032]鍵合頭，其用于在第二位置處拾取半導(dǎo)體芯片；以及
[0033]加熱裝置，其被耦合到鍵合頭并且被配置成將鍵合頭加熱到比附接于半導(dǎo)體芯片的焊料的熔點(diǎn)更高的溫度，鍵合頭從而使焊料熔化。
[0034]鍵合頭可被配置成基于在半導(dǎo)體芯片和鍵合頭之間的對(duì)齊將半導(dǎo)體芯片布置到襯底上。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了用于將半導(dǎo)體芯片對(duì)于鍵合頭定位的方法，該方法包括以下步驟:
[0036]將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第一位置:
[0037]在將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第一位置的同時(shí)校正半導(dǎo)體芯片的位置，使得半導(dǎo)體芯片在第一位置處于相對(duì)于鍵合頭的第一對(duì)齊中；
[0038]將半導(dǎo)體芯片從第一位置移動(dòng)到臨近鍵合頭的第二位置；
[0039]在將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第二位置的同時(shí)進(jìn)一步校正半導(dǎo)體芯片的位置，使得半導(dǎo)體芯片在第二位置處于相對(duì)于鍵合頭的第二對(duì)齊中；
[0040]第一對(duì)齊可以包括沿著至少一個(gè)水平參考軸線的角度對(duì)齊以及線性對(duì)齊。
[0041]第二對(duì)齊可以包括沿著兩個(gè)水平參考軸線的角度對(duì)齊以及線性對(duì)齊。
[0042]將半導(dǎo)體芯片從第一位置移動(dòng)到第二位置的步驟可以包括在預(yù)定深度的粘性焊劑中穩(wěn)固地保持半導(dǎo)體芯片在原位；
[0043]該方法還可以包括在預(yù)定深度的粘性焊劑中穩(wěn)固保持半導(dǎo)體芯片在原位一段預(yù)定的上焊劑持續(xù)時(shí)間。
[0044]在將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第一位置的同時(shí)校正半導(dǎo)體芯片的位置的步驟可以包括確定半導(dǎo)體芯片的相對(duì)的線性偏差值和角度偏差值。
[0045]確定半導(dǎo)體芯片的相對(duì)的線性偏差值和角度偏差值可以包括:
[0046]捕捉半導(dǎo)體芯片的第一圖像，以及
[0047]基于第一圖像，計(jì)算并比較半導(dǎo)體芯片的位置相對(duì)于參考位置的線性偏差值和角度偏差值。
[0048]在將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第一位置的同時(shí)校正半導(dǎo)體芯片的位置的步驟還可以包括基于相對(duì)的角度偏差值校正半導(dǎo)體芯片的角度位置。
[0049]在將半導(dǎo)體芯片移動(dòng)到第一位置的同時(shí)校正半導(dǎo)體芯片的位置的步驟還可以包括基于相對(duì)的線性偏差值校正半導(dǎo)體芯片的線性位置。
[0050]該方法還可以包括:
[0051]在第二位置處捕捉半導(dǎo)體芯片連同鍵合頭的第二圖像；以及
[0052]基于第二圖像，確定半導(dǎo)體芯片與鍵合頭