用于将半导体芯片对于键合头定位的系统和方法、热键合系统和方法
【专利说明】用于将半导体芯片对于键合头定位的系统和方法、热键合系统和方法发明领域
[0001]本发明广义上涉及半导体制造，且更具体而不排他性地，涉及用于将半导体芯片对于键合头定位的系统和方法，并涉及热键合系统和方法。
[0002]背景
[0003]倒装芯片焊接(Flip chip bonding)广泛应用于半导体制造中。在倒装芯片焊接中，首先需要从已切割的晶圆或芯片托盘中拾取集成电路(IC)芯片，然后使用热量和压力将集成电路芯片安装于衬底上。通常使用键合工具(在下文中可互换地称为键合头)来实施安装。热量和压力的分配的均匀度通常决定于诸如键合工具的尺寸、在键合工具上的芯片的定位等之类的因素。在如果安装之前在衬底上预先分配底部充胶的情况中，同样重要的是将芯片相对于键合工具精确地定位以使得最小化或消除在热压缩键合过程中底部充胶沿着芯片边缘慢慢上升到键合头的风险。如果键合头的一部分暴露了(例如，如果芯片没有与键合头对齐，或者如果键合头的尺寸大于芯片的尺寸)，那么这一情况可能会发生。
[0004]在倒装芯片焊接中，焊剂经常用于增加湿润性并通过与任何存在的氧化层进行反应而清理键合表面。在倒装芯片焊接过程中，在衬底上完成焊剂/底部充胶，并且芯片对齐衬底。然后，实现芯片接触衬底，并且使芯片的温度上升直至温度达到届时发生键合的焊料的熔点。然而，因为这些步骤是顺序地执行的，所以这一过程相当缓慢，并且因为其要求使用需要间歇地通电和断电的昂贵的加热系统，所以这一过程昂贵。
[0005]在已改进的方案中(也被认为是恪化并接触(meltand touch-down) “MTD”键合)，仍然在衬底上完成焊剂/底部充胶，但是焊料在接触衬底之前被熔化。例如，键合头可以在拾取芯片之前或之后进行加热，并将热量传递到焊料。首先将芯片对齐衬底，然后在发生键合时进行接触衬底。然而，在这一已改进的方案中，在已熔化的焊料上的氧化物的形成可能没有被衬底上的焊剂进行充分清理，这引起可能会削弱键合或形成裂缝的薄氧化物包封(oxide entrapment)。
[0006]图1显示了示出另一个常规倒装芯片上焊剂和键合过程的示意图，该过程涉及以受控的深度在储槽中浸入芯片以及缩回芯片。首先，使用键合头108将芯片102浸入进焊剂板106的焊剂储槽104中。然后，在将芯片102放置在衬底110上之前，使芯片102缩回并使用键合头108使芯片102与衬底110对齐。然而，在这一过程中，如果焊料在上焊剂之前被熔化，则焊料可能在上焊剂的时候弄污(smear)，并且来自于芯片102的直接热量可能改变储槽104中的焊剂性质。在另一方面，如果在上焊剂之后焊料熔化，则键合过程可能会慢很多。此夕卜，这种常规的上焊剂过程经常存在由于浸入速度、浸入时间、焊剂粘度、或芯片102和焊剂储槽104之间的平行度等等而导致的焊剂不充分的限制。
[0007]因此，存在提供试图解决至少一些上述问题的系统和方法的需要。
[0008]概述
[0009]根据本发明的第一方面，提供了一种用于将半导体芯片对于键合头定位的系统，该系统包括:
[0010]控制器；
[0011 ]第一运输装置，其耦合到控制器并被配置成保持半导体芯片并将半导体芯片移动到第一位置；以及
[0012]第二运输装置，其耦合到控制器并被配置成在第一位置接收半导体芯片，并将半导体芯片移动到第二位置以被键合头拾取，
[0013]其中第一运输装置可控制地校正半导体芯片的位置，使得半导体芯片在第一位置处于相对于键合头的第一对齐中；并且
[0014]其中第二运输装置进一步可控制地校正半导体芯片的位置，使得半导体芯片在第二位置处于相对于键合头的第二对齐中。
[0015]第一对齐可以包括沿着至少一个水平参考轴线的角度对齐以及线性对齐。
[0016]第二对齐可以包括沿着两个水平参考轴线的角度对齐以及线性对齐。
[0017]第二运输装置可能是管芯(die)给料机，该管芯给料机包括:
[0018]在第一位置和第二位置之间可移动的芯片接收部分；
[0019]保持装置，其被配置成在芯片接收部分处稳固地保持芯片在原位；
[0020]驱动机构，其被配置成将芯片接收部分从第一位置移动到第二位置。
[0021]保持装置可以包括粘性的焊剂，并且芯片接收部分可以包括用于在预定的深度容纳所述粘性焊剂的焊剂储槽。
[0022]半导体芯片可以被布置在焊剂储槽中预定的上焊剂持续时间。
[0023]焊剂材料在键合头的温度范围内可以具有稳定的体积。
[0024]该系统还可包括耦合到控制器的第一光学成像仪，以用于确定由第一运输装置保持的半导体芯片的相对的线性偏差值和角度偏差值。
[0025]第一光学成像仪可以包括照相机，该照相机被配置成捕捉半导体芯片的第一图像，并且控制器可被配置成基于由相机捕捉的第一图像，计算并比较半导体芯片的位置相对于参考位置的线性偏差值和角度偏差值。
[0026]第一运输装置可以包括耦合到控制器的旋转式执行器，并且旋转式执行器被配置成基于相对的角度偏差值，校正半导体芯片的角度位置。
[0027]第一运输装置还可包括耦合到控制器的线性执行器，以用于将半导体芯片水平移动到第一位置，并且线性执行器可以被配置成基于相对的线性偏差值，校正半导体芯片的线性位置。
[0028]系统还可包括耦合到控制器的第二光学成像仪，且其被配置成在第二位置处捕捉半导体芯片连同键合头的第二图像，并且控制器可被配置成基于第二图像来确定半导体芯片与键合头的对齐。
[0029]第二光学成像仪可以被配置成捕捉半导体芯片和衬底的第三图像，以用于确定在半导体芯片和衬底之间的对齐。
[0030]根据本发明的第二方面，提供了热键合系统，其包括:
[0031]如在第一方面中所限定的定位系统；
[0032]键合头，其用于在第二位置处拾取半导体芯片；以及
[0033]加热装置，其被耦合到键合头并且被配置成将键合头加热到比附接于半导体芯片的焊料的熔点更高的温度，键合头从而使焊料熔化。
[0034]键合头可被配置成基于在半导体芯片和键合头之间的对齐将半导体芯片布置到衬底上。
[0035]根据本发明的第三方面，提供了用于将半导体芯片对于键合头定位的方法，该方法包括以下步骤:
[0036]将半导体芯片移动到第一位置:
[0037]在将半导体芯片移动到第一位置的同时校正半导体芯片的位置，使得半导体芯片在第一位置处于相对于键合头的第一对齐中；
[0038]将半导体芯片从第一位置移动到临近键合头的第二位置；
[0039]在将半导体芯片移动到第二位置的同时进一步校正半导体芯片的位置，使得半导体芯片在第二位置处于相对于键合头的第二对齐中；
[0040]第一对齐可以包括沿着至少一个水平参考轴线的角度对齐以及线性对齐。
[0041]第二对齐可以包括沿着两个水平参考轴线的角度对齐以及线性对齐。
[0042]将半导体芯片从第一位置移动到第二位置的步骤可以包括在预定深度的粘性焊剂中稳固地保持半导体芯片在原位；
[0043]该方法还可以包括在预定深度的粘性焊剂中稳固保持半导体芯片在原位一段预定的上焊剂持续时间。
[0044]在将半导体芯片移动到第一位置的同时校正半导体芯片的位置的步骤可以包括确定半导体芯片的相对的线性偏差值和角度偏差值。
[0045]确定半导体芯片的相对的线性偏差值和角度偏差值可以包括:
[0046]捕捉半导体芯片的第一图像，以及
[0047]基于第一图像，计算并比较半导体芯片的位置相对于参考位置的线性偏差值和角度偏差值。
[0048]在将半导体芯片移动到第一位置的同时校正半导体芯片的位置的步骤还可以包括基于相对的角度偏差值校正半导体芯片的角度位置。
[0049]在将半导体芯片移动到第一位置的同时校正半导体芯片的位置的步骤还可以包括基于相对的线性偏差值校正半导体芯片的线性位置。
[0050]该方法还可以包括:
[0051]在第二位置处捕捉半导体芯片连同键合头的第二图像；以及
[0052]基于第二图像，确定半导体芯片与键合头