用于半导体芯片分离的装置和方法

专利名称：用于半导体芯片分离的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种机械装置，以用于在处理过程中辅助分离安装于粘性带体(adhesive tape)上的半导体晶粒或集成电路芯片。
背景技术：
各种各样的装置已经被使用在半导体封装工业中，以用于在芯片键合或倒装晶片键合(flip chip bonding)工艺中从粘性带体载体(carrier)上分离半导体芯片。该分离过程通常是必须的，其中包含有数个所述的半导体芯片组成的晶圆切片被安装在粘性带体(如聚酯薄膜(mylar film))之上用于切割，每个被切割后的芯片必须从粘性带体上移除并置放在键合位置。最常用的方法是通过使用推顶销(pushup pins)或若干套推顶销加之真空平台实现的，例如美国专利第6,386,815号公开了名称为“用于半导体芯片的拾取装置”及第6,555,418号公开了名称为“用于在半导体元件拾取设备中分离半导体元件的方法”。
该分离工序的第一步通常包括半导体芯片和粘性带体之间的分层或剥离动作，其由该芯片和粘性带体下方的推顶销所施加的上推力产生，并由来自牵制粘性带体的真空平台的吸附力得到增强。这种方法的缺点是如果剥离动作不是足够强来克服界面间的黏着，半导体芯片上将会产生强大的弯曲挠矩(bending moment)。该芯片在推顶销的正上方位置处将会承受高压缩力。如果这种弯曲挠矩所产生的张力超过了其临界应变(critical strain)，该芯片将会容易爆裂失败。对于很薄的半导体芯片(尤其是其厚度不超过150微米的)，其能导致芯片分离工序的较多故障。
另外，随着半导体芯片尺寸的增长，推顶销需要进一步的向上移动以便于使得芯片和粘性带体之间的分离向内扩散进入芯片的内部。但是，推顶销提升高度的增加将会增大芯片到芯片爆裂故障的敏感性。另一种方法是基于支撑平台所提供的真空吸力，如同美国专利号6,202,292(“用于从半导体晶粒移除载体膜片的装置”)、6,505,395(“用于从切割(singulated)晶粒移除载体带的装置和方法”)和6,658,718(“用于从切割晶粒移除载体膜片的方法”)所公开的。通过合适构造的平台的强大真空吸力趋于将粘性带体拉离半导体芯片。然后该芯片被该结构的最高点所支撑，并准备拾取。该方法的缺点是该结构的几何学和构造因素，以及所提供的真空吸力的强度，趋于限定了最高的界面黏着强度，其能由本设计所克服。
一些其他的方法介绍了具有不同几何形状的物体，如圆柱体或棒，如美国专利号6,123,800(“用于处理粘性膜上的元件的方法和装置”)、6,165,310(“用于从粘性膜上移除部件的装置和方法”)和6,290,805(“使用一种拾取和放置装置的系统和方法”)所述。在其他的示例中，一种曲面棒在美国专利号6,629,553(“用于安装半导体器件、半导体器件分离系统的方法和系统，和用于制作IC卡的方法”)被使用，在半导体晶圆或芯片下面的一种阶级平板(stepped flat plate)在美国专利号6,561,743(“小球(pellet)拾取方法和小球拾取装置”)被使用。这些物体或工具在真空平台上的横向运动(和传统方法中工具的垂直运动相反)会产生剥离动作以从粘性带体上分离芯片。在一些设计中，代替移动这些物体，这些物体是静止的除了包含有半导体芯片的晶圆被横向移动穿过这些物体。
通常而言，大多数这些方法需要定制化的加工，这样，其几何形状的认真最优化是必要的以确保分离成功，以及避免爆裂失败。如果芯片的厚度降低至150微米(千分之6寸(6mils))以下时，爆裂失败的风险是显然的。影响分离处理成功分离芯片可能性的三个主要因素是(i)半导体芯片的厚度，(ii)半导体芯片的尺寸，(iii)粘性带体的黏着力度。因此，用于成功分离的处理窗口主要依靠于这些加工的几何学因素，并限制了这些方法的灵活性、有效性和可靠性。
在另一种现有的方法中，当使用一种UV切割带时，半导体芯片和粘性带体之间的黏着力度可因UV光(UV light)而被减少。在曝露UV光之后，该带体的黏着力度可通过2个以上的指令被减少。在UV曝露后，该带体的黏着力度能小到约10-30gf/20mm。如果晶圆很薄(如具有小于150微米的厚度)和/或很大(如具有大于8mm的宽度)和/或晶圆安装于高粘合力度的粘性带体上(约50gf/20mm)时，针对所有现有的半导体芯片分离机构的主要关注之一就是用于特定加工的小型处理窗口。由于这种小型处理窗口，加工产量和效益不易于优化，尤其在一些情况下，如带体的粘合力度在整个晶圆上不均匀。例如，据发现UV带体上晶圆周围的外部芯片承受UV带体的黏着通常高于晶圆中央的芯片。因此，当使用前述的现有方法优化处理参数以使得产量和效益最大化时，会出现困难。

发明内容
因此，本发明的目的是在于提供一种改良的机械装置，以帮助半导体芯片从粘合带体上移除，其克服了一些困难以及避免了现有的芯片分离技术的一些前述缺点。
本发明一方面，提供一种用于从粘性带体上分离半导体芯片的装置，该粘性带体上装配有该半导体芯片，该装置包含有一平台，其用于接触芯片位置处的粘性带体；一保持力发生器，其和该平台相连，用于在远离芯片的方向牵拉该粘性带体；一提升设备，其凸起于该平台，该提升设备既可横向移动穿越该平台的表面，又可相对该平台垂直移动，以提升该芯片，藉此以提供可控的芯片提升以及芯片与粘性带体之间分离的扩散。
本发明另一方面，提供一种用于从粘性带体上分离半导体芯片的方法，该方法包含有下述步骤产生保持力，以在远离芯片的方向牵拉和芯片相邻的部分粘性带体；升起提升设备，以在芯片的一端缘附近从粘性带体上推抵和抬起该芯片；移动提升设备基本跨越该芯片的宽度，同时扩散芯片和粘性带体之间的分离，以及；当使用所述的保持力以维持芯片和粘性带体之间分离的同时，降低该提升设备。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。


现参考附图描述本发明所述的装置和方法较佳实施例的示例，其中图1所示为根据本发明较佳实施例的芯片分离装置的立体图；图2所示为图1中芯片分离装置的平面图；图3(a)所示为该芯片分离装置的提升工具的立体图；图3(b)所示为图3(a)的提升工具从图3(a)的C方向所视的前视图；图3(c)所示为图3(a)的提升工具从图3(a)的D方向所视的侧视图；图4(a)所示为设置于多个半导体芯片下方的芯片分离装置的平面图，该半导体芯片安装于粘性带体之上。
图4(b)所示为沿着图4(a)平面图的剖面线A-A所视的该装置和半导体芯片的剖面示意图；图5所示为当提升工具在其初始位置时，在进行从粘性带体分离芯片的扫除动作(sweep motion)开始时的芯片分离装置的平面示意图；图6(a)到(h)所示为当工具扫除穿过半导体芯片和从装配有芯片的粘性带体下方推顶芯片时，该提升工具的各个位置的剖面示意图；图7(a)所示为当提升工具已降至该槽形真空平台下方时，该芯片分离装置在该提升工具扫除动作后期的平面图；图7(b)所示为沿着图7(a)中剖面线A-A所视的剖面图；图8所示为拾取流程的示例图，应用该流程以通过使用本发明的芯片分离装置从晶圆上拾取多个芯片。
具体实施例方式
图1所示为根据本发明较佳实施例的芯片分离装置的立体图。图2所示为图1中芯片分离装置的平面图。该装置通常包含有以真空部件(vacuum enclosure)10的形式存在的保持力发生器(retaining forcegenerator)，其和真空设备相连，包括一槽形真空平台12和一提升设备如和该真空平台12相连的提升工具(elevation tool)20。当真空平台12和粘性带体相接触时，围绕该槽形真空平台12上部的橡胶环形密封环14沿着粘性带体和槽形真空平台12之间的接触面提供有真空密封以进行真空内置，该粘性带体固定有待分离的芯片。
一可控的真空吸力产生于一通过该真空部件10和真空平台12相连的真空设备(图中未示)，并通过位于平台12上部的真空槽孔16和位于平台12外围的一个或数个真空开口18传送至粘性带体和真空平台之间的所述接触面。该真空设备通过真空吸力用来于粘性带体上产生保持力，这样相邻于提升工具20的直立的垂直端26的芯片处的粘性带体某个局部沿着远离芯片的方向被牵拉。真空槽孔16包括有多个延伸通过真空平台12表面的槽孔。一带有多个指状凸起(finger-likeprojections)的提升工具20在真空槽孔16下方和真空部件10内部插置。
所述工具20凸起于真空平台12的表面，并能相对于平台12的真空槽孔16垂直上下和横向前后移动，该平台在芯片分离处理时基本静止设置。因此，提升工具20既横向移动通过真空平台12的表面，又相对于平台12垂直移动以提升芯片，藉此以提供可控的芯片提升以及芯片和粘性带体之间分离的扩散(propagation)。提升工具20穿过真空平台12表面的横向(lateral)移动最好是单向的(unidirectional)。更适宜地说，每个真空槽孔16的宽度仅能容置提升工具20的单个凸起。存在一脊部(ridge)22以相互隔开两个相邻槽孔16。平台12的真空槽孔16的每个脊部22的上部最好成形锐化(sharpened)，以便于其在芯片和粘性带体下方提供最小的支撑面积。
图3(a)至(c)所示为提升工具20的多个详图。该提升工具20被用来移动穿越该槽形真空平台12，以提供剥离动作(peeling action)进行半导体芯片30自粘性带体32的分离。该提升工具20具有弯曲的支撑表面24以提升半导体芯片30，并被安排来沿着向上、向旁例、向下的曲线(profile)移动穿越真空平台12。该工具20的这种横向动作产生了一种剥离力，以使半导体芯片30从粘性带体32上分离。
图3(a)所示为该芯片分离装置的提升工具的立体图。该提升工具20具有三个主要特征，即，(i)在每对指状凸起中间(in-between)的间隙28，(ii)每个凸起在其一侧包含有弯曲支撑表面24(最好具有超过10mm的弯曲半径)以提升芯片30，以及(iii)大体垂直的直立端26，其位于每个凸起的跟随端(trailing portion)，和弯曲支撑表面24相邻，以用于启动分离。图3(b)所示为图3(a)的提升工具从图3(a)的C方向所视的前视图，其表明了该凸起在相邻的凸起中间具有间隙28。图3(c)所示为图3(a)的提升工具从图3(a)的D方向所视的侧视图。每个凸起具有弯曲支撑表面24和直立垂直端26。分离处理时工具20的移动方向如图3(c)所示，这样弯曲支撑表面24被用作为基本接触表面以进行芯片提升。
图4(a)所示为设置于多个半导体芯片30下方的芯片分离装置的平面图，该半导体芯片30安装于粘性带体32之上。图4(b)所示为沿着图4(a)平面图的剖面线A-A所视的该装置和半导体芯片30的剖面示意图。该芯片分离处理通过首先移动提升工具20到槽形真空平台12内部的初始驻留(rest)位置来实施完成。该提升工具20从其驻留位置向上移动到一预定高度H(如图4(b)所示，从真空平台的上部测量)，在该位置芯片30从平台12处被提升。同时，粘性带体32应该通过真空部件10所引起的真空吸力被保持固定在平台12上。在该提升工具20横向移动穿过平台12时和在该点处该工具的高度最好应该大于某个特定的临界值Hc，在该临界值处芯片30和粘性带体32之间的分离假设将会发生。
图5所示为当提升工具20在其初始位置时，在进行从粘性带体32分离芯片的扫除动作(sweep motion)开始时的芯片分离装置的平面示意图。在分离处理开始时，当提升工具20被提升超越临界高度Hc时，粘性带体32将开始从芯片30上分离。该临界高度值Hc通常取决于(i)粘性带体32黏着于芯片30的黏着力度，(ii)如图5所示当提升工具20处于其初始位置时，该提升工具20的直立端26和半导体芯片30端缘的距离D，(iii)由真空部件所提供的真空吸力的强度和最终真空水平，以及(iv)芯片30的厚度和杨氏系数(Young’s modulus)。如图4所示，被分离的芯片30在接触位置由提升工具20完全支撑。
半导体芯片30的端缘和提升工具外侧壁之间的距离E分别在图4和图5中进行了阐述。E的上方值(upper value)最好在临界距离Dc的范围内，该临界距离为芯片的端缘和工具20的直立端缘之间的最大距离，以在其被从真空平台12提升以前建立该提升工具20的初始位置。该临界距离Dc主要由粘性带体32的黏着力度和该工具的高度H所决定。
当提升工具20在芯片30对面移动时，分离将会沿着芯片30和粘性带体32之间的界面扩散。提升工具20横向移动穿过真空平台12时提升工具20的这种扫除动作的速度被计划为一个值，该值小于所述分离的扩散速度。否则，虽然粘性带体被提升工具20提升，但芯片30可能仍然会和粘性带体32相连，或者有时可能发生芯片爆裂失败。
图6(a)到(h)所示为当工具扫除穿过半导体芯片30和从装配有芯片的粘性带体32下方推顶芯片30时，该提升工具20的各个位置的剖面示意图。其针对具有约15mm宽度的芯片，阐述了提升工具20的移动概貌和移动步骤，以及其相应的处理动作。提升工具20在芯片分离处理中的动作基本由下述的移动步骤组成在图6(a)中，该提升工具20在真空平台12表面的下方的驻留位置处停在其驻留高度和初始水平位置。
在图6(b)中，该提升工具从其初始水平位置升高至其待命(standby)高度水平，在该位置支撑表面刚好位于该粘性带体32的下方。该工具的最初位置应该以一种方式设定，即该工具的直立端缘和芯片的端缘之间的距离D小于其临界值Dc。该临界值Dc可以大约为1.0mm。
在图6(c)中，由真空部件10所提供的真空吸力被开启。提升工具20保持在同一个待命水平位置，除了升到一个大于临界高度Hc的提升高度水平，以在真空部件10所提供的真空吸力的帮助下启动粘性带体32与芯片30的分离。该工具的临界值Hc可以大约为0.3mm。
在图6(d)中，粘性带体32自芯片30之间的分离开始扩散(该扩散将因该提升工具的位置而受限制)之后，该提升工具20将沿着槽孔16在水平方向横向移动到位于芯片30另一端的最终位置。分离将会扩散，接着提升工具20移动。该工具的移动速度应该不超过芯片30和粘性带体32之间分离的扩散速度。提升工具20可同时随意地继续向上移动到一个更高的预定高度H，以进一步地缩短分离扩散所需的时间。
在图6(e)中，该提升工具20将停在一升起的高度H(大于Hc)，并在水平方向上继续移动穿过芯片30。当该工具20向前移动时，其弯曲表面24的一端可能超出正常界线进入芯片30’里，该芯片30’和正在分离的芯片相邻。在该点处，该提升工具20因此应该下降至一个更低的最终高度，该高度也应大于临界高度Hc，以使得施加于相邻芯片30上的任何压力最小。
在图6(f)中，在该提升工具到达芯片30的另一端后，当其抵达最终水平位置时，该提升工具从其预定高度H向下移动到该最终的提升高度(其大于Hc)。
在图6(g)中，在扫除动作的后期，该提升工具一直移动到位于真空平台12表面下方的最终水平位置所在的驻留的高度水平面上。应用强大的真空吸力以确保分离后的粘性带体32保持或者牵制在真空平台12的槽孔16内，并和芯片30分离。
在图6(h)中，提升工具20将会在真空平台12下方和驻留高度位置向后移动到初始水平位置。
图7(a)所示为当提升工具已降至该槽形真空平台下方时，该芯片分离装置在该提升工具扫除动作后期的平面图。图7(b)所示为沿着图7(a)中剖面线A-A所视的剖面图。在该提升工具扫除动作的后期，该提升工具20将降至该真空平台12的下方。芯片30基本从粘性带体32上分离，此时其由真空平台12的真空槽孔16的脊部22所支撑。由于该粘性带体32通过强大的真空吸力被牵制在平台12的槽孔16中，仅仅和槽孔16的锐化脊部22所在位置相应的部分粘性带体保持和芯片30接触。因此，在芯片30和粘性带体32之间存在最小的接触，以及由于界面之间的黏着已经基本被削减，该已分离的芯片30已准备好由拾取工具的拾取头(图中未示)进行拾取。
图8所示为拾取流程的示例图，应用该流程以通过使用本发明的芯片分离装置从晶圆36上拾取多个芯片30。该包含有多个半导体芯片30的晶圆36安装在粘性带体32上，其由晶圆框架34依序装载。在该种配置中，本发明所描述的实施例被设计来和自动拾取与放置机械一起使用，以便于晶圆36切割后的半导体芯片30能够从粘性带体32上分离。该提升工具20大体垂直于提升工具20的移动方向，其宽度大于芯片30的宽度。
拾取流程从其一侧的晶圆的一个角开始，该芯片分离装置在在图8中标记为箭头38的预定拾取方向上沿着成行的半导体芯片30移动。通常，包含于一行芯片中的每个芯片30在第一方向上被拾取，在相邻芯片行中的每个芯片在和第一方向相反的方向被拾取。包含于晶圆36中的一行半导体芯片30中的每个芯片依序连续被拾取，一直到所有的可用芯片30从晶圆36上被拾取。
值得注意的是，当该真空部件安装于自动拾取和放置机械上时，该真空部件10的小型占地面积(footprint)和圆柱体形状使前述芯片分离装置的用户能够实现晶圆环内晶圆可用的拾取区域的最大化。该装置的另一优点是该半导体芯片上引入了减小的弯曲压力，以引起半导体芯片和粘性带体之间的分离。因此，来自UV和非UV切割粘性带体的很薄的芯片的分离是可能的。
该装置超越现有技术的一个有意义的益处是不需要作任一，或者任一有意义的加工变化，该装置能够被应用到尺寸变化范围较大的半导体芯片。这是因为使用前述的如图8所示的拾取流程，对于不同尺寸的芯片，不需要完成或应用不同的加工。提升工具的宽度甚至可能大于芯片宽度。因此该装置能被规划来满足不同尺寸的芯片30。
同样令人注意的是，由于芯片和粘性带体之间的分离是被提升工具的动作所引导和发起，分离的扩散速率通过调节工具的高度和水平移动速度来控制。分离的扩散速率因此也能轻易优化以取得最大的产能和最小的芯片爆裂失败。
另外，根据本发明较佳实施例所述装置更进一步的优点是不同于某些现有的装置，当芯片被分离时，不需要出现放置于该芯片上部的拾取工具而能够将芯片从粘性带体分离。因为当一个芯片的芯片分离工序正在进行时拾取夹套(pickup collet)是空闲的以完成放置另一个芯片，如果芯片分离工序很慢，有时这能够提升拾取和放置机器的产能。
本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
权利要求
1.一种用于从粘性带体上分离半导体芯片的装置，该粘性带体上装配有该半导体芯片，该装置包含有一平台，其用于接触芯片位置处的粘性带体；一保持力发生器，其和该平台相连，用于在远离芯片的方向牵拉该粘性带体；一提升设备，其凸起于该平台，该提升设备既可横向移动穿越该平台的表面，又可相对该平台垂直移动，以提升该芯片，藉此以提供可控的芯片提升以及芯片与粘性带体之间分离的扩散。
2.如权利要求1所述的装置，其中该保持力发生器包含有一真空设备，其和该平台相连以在该平台上产生真空吸力。
3.如权利要求2所述的装置，该装置还包含有多个槽孔，其延伸穿越该平台的表面，通过该槽孔可以产生真空吸力。
4.如权利要求3所述的装置，其中该提升设备通过该槽孔凸起于该平台的表面。
5.如权利要求3所述的装置，该装置还包含有一脊部，其具有锐化的上表面，以将两个相邻的槽孔彼此分离。
6.如权利要求5所述的装置，其中，该脊部被设计来在分离该粘性带体后支撑该由保持力发生器所牵拉的粘性带体。
7.如权利要求3所述的装置，其中该提升设备包含有多个凸起和间隙，该间隙位于相邻的凸起之间，每个槽孔被设计来容置一个凸出于平台表面的凸起。
8.如权利要求1所述的装置，其中该提升设备包含有用于升起芯片的弯曲支撑表面。
9.如权利要求1所述的装置，其中该提升设备包含有直立端缘，其在该提升设备的跟随端处是基本垂直的，以启动芯片和粘性带体之间的分离。
10.如权利要求1所述的装置，其中该提升设备的支撑表面被用来在一个高度或数个高度处横向移动穿越该平台，该高度高于临界高度，假定在该临界高度在支撑表面位置处发生芯片和粘性带体之间的分离。
11.如权利要求1所述的装置，其中，该提升设备横向移动穿越平台的速度小于芯片和粘性带体之间分离的扩散速度。
12.如权利要求1所述的装置，其中，该大体垂直于其行进方向的提升设备的宽度基本相同于或者大于芯片的宽度。
13.如权利要求1所述的装置，其中，该提升设备具有位于平台表面下方的停留位置。
14.如权利要求1所述的装置，其中，该提升设备被设计来当其横贯平台之后在平台表面下方移动。
15.一种用于从粘性带体上分离半导体芯片的方法，该方法包含有下述步骤产生保持力，以在远离芯片的方向牵拉和芯片相邻的部分粘性带体；升起提升设备，以在芯片的一端缘附近从粘性带体上推抵和抬起该芯片；移动提升设备基本跨越该芯片的宽度，同时扩散芯片和粘性带体之间的分离，以及；当使用所述的保持力以维持芯片和粘性带体之间分离的同时，降低该提升设备。
16.如权利要求15所述的方法，其中该保持力包括真空吸力。
17.如权利要求15所述的方法，该方法包括当所述的保持力维持芯片和粘性带体之间的分离时，支撑该粘性带体于锐化的脊部，以便于芯片和粘性带体之间的最小接触。
18.如权利要求15所述的方法，该方法包括当将提升设备大体移动穿越该芯片的宽度时，在一个高度或数个高度处维持该提升设备的支撑表面，该高度高于临界高度，假定在该临界高度在支撑表面位置处发生芯片和粘性带体之间的分离。
19.如权利要求15所述的方法，该方法包括将提升设备大体移动穿越该芯片的宽度，其速度小于芯片和粘性带体之间分离的扩散速度。
20.如权利要求15所述的方法，其中，该提升设备的驻留位置是从芯片和粘性带体处分隔开的。
全文摘要
本发明提供一种用于从粘性带体上分离半导体芯片的装置和方法，该粘性带体上装配有该半导体芯片，该装置包含有一平台，用于接触芯片位置处的粘性带体；一保持力发生器，和该平台相连，用于在远离芯片的方向牵拉该粘性带体；一提升设备，其凸起于该平台，该提升设备既可横向移动穿越该平台的表面，又可相对该平台垂直移动，以提升该芯片，通过在抬起芯片时移动提升设备穿越芯片的宽度，而能实现可控的芯片提升以及芯片与粘性带体之间分离的扩散。
文档编号H01L21/67GK1700412SQ20051006911
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年5月11日
发明者张耀明, 廖秋棋, 姚正康, 庄智明 申请人:先进自动器材有限公司