用于阻止接合材料污染半导体处理工具的方法和系统与流程

本发明技术涉及在半导体裸片的接合工艺期间使用的接合头。具体地说，本发明技术的一些实施例涉及用于缓和接合材料污染半导体处理工具的系统和方法。

背景技术：

例如存储器芯片和微处理器芯片等半导体装置通常包含通过接合材料接合到衬底的半导体装置。在常规接合工艺期间，芯片安装设备通过穿过接合头抽取真空来拾取半导体装置，并将半导体装置转移到半导体装置接合到衬底的接合区域。如图1中所展示，半导体装置16通过真空11与接合头10接触，并通过接合材料18附接到衬底20到装置16上。附接到接合头10的通道12的真空管线13抽取被维持直到装置16牢固地放置到接合位置中为止的真空11。执行在高温下通常本文中所描述的接合工艺，确保接合材料18具有适当的粘度，形成互连件，且接合材料18中的一些倾向于在更高的温度下蒸发。

上文所描述的常规接合工艺的缺点是蒸发的接合材料18潜在地会进入并在真空管线13中冷凝。更具体地说，在接合头10与装置16之间常常存在间隙，这是因为每个半导体装置16的构形具有小的瑕疵和翘曲。因此，在接合头10与装置16之间很少存在完美密封，使得蒸发的接合材料18中的一些会被抽取通过间隙并进入真空管线13。蒸发的接合材料18在其经过真空管线13时冷却并冷凝到真空管线13和/或自身抽取真空11的硬件上。冷凝的接合材料18会堵塞真空管线13并降低真空11的强度，由此致使真空11和真空管线13拾取并转移半导体装置的可靠性降低。最终，会需要替换或清洁真空管线和/或硬件，从而产生不必要的费用和制造停工时间。

技术实现要素：

本申请案的一个实施例提供一种半导体处理工具，其包括：接合头，其具有第一端口、第二端口、以流体方式耦合到所述第一端口的第一通道和以流体方式耦合到所述第二端口的第二通道，其中所述第二通道至少部分地包围所述第一通道；第一流动单元，其耦合到所述第一端口且经配置以从所述第一通道抽出空气；以及第二流动单元，其耦合到所述第二端口且经配置以向所述第二通道提供流体或从所述第二通道抽出所述流体。

本申请案的另一实施例提供一种用于阻止蒸发的接合材料进入真空系统的方法，所述方法包括：通过第一流动单元从接合头的第一端口抽出空气，其中所述第一端口以流体方式耦合到所述接合头的第一通道；以及通过第二流动单元使流体流经所述接合头的第二端口，其中所述第二端口以流体方式耦合到所述接合头的第二通道，且其中所述第二通道至少基本上包围所述第一通道。

本申请案的又一实施例提供一种制造半导体处理设备的方法，所述方法包括：形成接合头，所述接合头具有第一端口、在所述第一端口外围的第二端口、以流体方式耦合到所述第一端口的第一通道和以流体方式耦合到所述第二端口的第二通道，其中所述第二通道至少部分地包围所述第一通道；将第一流动单元耦合到所述第一端口；以及将第二流动单元耦合到所述第二端口。

附图说明

参照下图可以更好地理解本发明技术的许多方面。图中的组件不一定按比例绘制。实际上，重点是清楚地说明本发明技术的原理。

图1是根据现有技术的常规接合头的横截面侧视图。

图2a是接合头的底部平面视图，图2b是包含图2a中所展示的接合头的半导体处理工具的横截面侧视图，且图2c是根据本发明技术的选定实施例配置的图2b中所展示的处理工具的部分的放大图示。

图3a到3c是根据本发明技术的选定实施例配置的替代性接合头设计的底部平面视图。

图4是根据本发明技术的选定实施例配置的流动单元系统的示意图。

图5a到5d是说明使用根据本发明技术的选定实施例配置的半导体处理工具的方法的横截面侧视图。

图6是根据本发明技术的选定实施例配置的半导体处理工具的横截面侧视图。

图7a是接合头的底部平面视图，且图7b是根据本发明技术的选定实施例配置的包含图7a中所展示的接合头的半导体处理工具的横截面侧视图。

具体实施方式

连同相关装置和系统，在本文中描述了用于制造半导体装置的方法的若干实施例的具体细节。术语“半导体装置”通常是指包含半导体材料的固态装置。半导体装置的实例包含逻辑装置、存储器装置和二极管等等。此外，术语“半导体装置”可以指成品装置或变成成品装置之前的各个处理阶段时的组件或其它结构。取决于其使用情境，术语“衬底”可以指晶圆级衬底或单分的裸片级衬底。术语“支撑衬底”可以指印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)或承载半导体装置的组合件并提供到半导体装置组合件的电气耦合的其它合适衬底。术语“接合头”可以指用于将半导体装置安装到衬底的上/下夹盘或工具。相关领域的技术人员还将理解，本技术可具有额外实施例，且可在没有下文参考图2a到7b所描述的实施例的细节中的若干个的情况下实践本技术。相关领域的普通技术人员应认识到，可在晶圆级或在裸片级执行本文所描述的方法的合适步骤。此外，除非上下文另有指示，否则可使用常规半导体制造技术来形成本文中所公开的结构。

为了易于参考，贯穿本公开，相同附图标记用以标识类似或相似组件或特征，但使用相同参考数字并不暗示部件应被理解为相同。实际上，在本文中所描述的许多实例中，相同编号的部件在结构和/或功能方面相异。此外，相同着色可用以指示横截面中的可在组成上类似的材料，但使用相同着色并不暗示材料应被理解为相同。

图2a是接合头200的底部平面视图，且图2b是根据本发明技术的实施例的实施接合头200的半导体处理工具250(“工具250”)的横截面侧视图。首先参考图2b，工具250包含接合头200，所述接合头具有第一侧204a和与第一侧204a相对的第二侧204b。工具250包含通过第一导管234在第一侧204a处以流体方式耦合到接合头200的第一流动单元230、和通过第二导管236在第一侧204a处以流体方式耦合到接合头200的第二流动单元232。接合头200以可操作方式定位于半导体裸片206(“裸片206”)上方，所述半导体裸片具有前侧207a和与前侧207a相对的背侧207b。在操作中，裸片206的前侧207a与接合头200的第二侧204b接触，且裸片206的背侧207b通过接合材料208(例如非导电膜(non-conductivefilm，ncf)、非导电膏(non-conductivepaste，ncp)或晶圆级底部填充(waferlevelunderfill，wluf)材料)接合到衬底205。所属领域的一般技术人员应理解，在其它实施例中，可以类似方式使接合头200与裸片206的背侧207b而非前侧207a接触。

一起参考图2a和2b，接合头200包含第一端口210和以流体方式耦合到第一端口210的第一通道220。第一端口210从接合头200的第一侧204a延伸到所述接合头的第一中间深度。第一通道220从接合头200的第二侧204b延伸到第一中间深度以与第一端口210会合。第一端口210和第一通道220一起包括延伸穿过接合头200的第一开口，且所述第一开口通过第一导管234以流体方式耦合到第一流动单元230。在一些实施例中，第一开口大体上定位于裸片206的中心部分上方。第一流动单元230经配置以通过在第一压力(p1)穿过第一通道220和第一端口210抽出第一流体(例如空气)抽取接合头200与其下定位的裸片206之间的真空。第一压力(p1)可小于约0.1兆帕斯卡(mpa)。在其它实施例中，第一压力(p1)可以是介于约0.1mpa和约3pa。

接合头200进一步包含第二端口212和以流体方式耦合到第二端口212的第二通道222。第二端口212从接合头200的第一侧204a延伸到第二中间深度，且第二通道222从接合头200的第二侧204b延伸到第二中间深度以与第二端口212会合。第一或第二中间深度可相同或不同。第二端口212和第二通道222一起包括延伸穿过接合头200的第二开口。第二通道222包围第一通道220并在其外围，使得第二通道222离第一通道220朝外定位。第二端口212可在第一端口210外围。第二开口以流体方式耦合到第二流动单元232并大体上定位于裸片206的外围部分上方。第二流动单元232经配置以在压力(p2)下向第二通道222和第二端口220提供第二流体(例如空气或氮气)到从其抽出第二流体。第二压力(p2)可小于约0.1mpa。在其它实施例中，第二压力(p2)可介于约0.1mpa与约3pa之间。在一些实施例中，第二压力(p2)的量值不大于第一压力(p1)的量值。换句话说，第二压力(p2)的绝对值不大于第一压力(p1)的绝对值。使第二压力(p2)的量值小于第一压力(p1)的量值有助于确保甚至在第二流动单元232接通和/或以流体方式耦合到接合头200之后还维持通过第一流动单元230形成于接合头200与裸片206之间的真空。

图2c是图2b中所展示的工具250的部分的放大图示。如上文在背景技术章节中所提及，半导体装置的表面的不均匀构形会允许蒸发的接合材料(例如经除气接合材料)经过接合头与半导体装置的表面之间的间隙。蒸发的接合材料可最终在真空管线和/或真空硬件中冷凝。本发明技术的一个特征是有能力缓解或阻止蒸发的接合材料进入真空管线。如先前描述，第二流动单元232经配置以向第二通道222和第二端口212提供第二流体到从其抽出第二流体，第二通道222和第二端口212分别定位于第一通道220和第一端口210外围。在此布置中，第二流体至少部分地防止任何蒸发的接合材料进入第一开口。举例来说，在第二流体被提供给第二通道222的一个实施例中，在第一通道220外围产生防止任何蒸发的接合材料的至少一部分到达第一导管234和/或第一流动单元230的正压屏障。此实例还是有收益的，这是因为正压屏障还阻止蒸发的接合材料进入第二端口212。在从第二通道222抽出第二流体的另一实施例中，在第一通道220外围产生负压，所述负压产生用于待抽出的蒸发的接合材料的最小阻力路径。在此类实施例中，优选地穿过第二通道222和第二端口212而非穿过第一通道220和第一端口210抽出任何蒸发的接合材料的至少一部分。在一些实施例中，第二导管236可具有一或多个过滤单元246(例如筛网)，所述过滤单元经配置以捕获蒸发的接合材料208并由此防止任何捕获到的蒸发的接合材料污损第二导管236和/或第二流动单元232。

参考图2a，接合头200的第一通道220包含中心部分221a和外部部分221b。中心部分221a在大体上水平的方向上轴向地横跨接合头200的第二侧204b处的表面，并包含第一端口210。在所说明定向上，外部部分221b在大体上竖直的方向上轴向地横跨接合头的第二侧204b处的表面。第一通道220的目的是覆盖接合头200的第二侧204b的充足的表面区域，以确保穿过第一通道220和第一端口210抽出的空气提供充足的吸力以将裸片206固持到接合头200。接合头200意图表示可根据本发明技术配置的可能的接合头设计的非限制性实例。

举例来说，图3a到3c说明具有不同设计并实现与接合头200的功能性类似的功能性的替代性接合头300、320、340的底部平面视图。每个接合头300、320、340包含(i)第一端口308、328、348、(ii)第一通道306、326、346、(iii)第二端口304、324、344和(iv)第二通道302、322、342。第一通道306、326与346全部不同于彼此且不同于第一通道220(图2a)。所属领域的一般技术人员将了解，可包含其它接合头设计，且其它接合头设计可根据本发明技术而配置。

一般技术人员应认识到，第一端口210、第一通道220、第二端口212与第二通道222的组合可并入到多种系统中。因此，第一端口210、接合头200中的每一个和第一通道220、第二端口212和第二通道222中的每一个可包含图2a和2b中所说明的那些特征和配置的补充或替代性特征和配置。举例来说，图2a中所展示的实施例包含比第一端口210具有更大的侧向尺寸的第一通道220。此更大侧向尺寸可覆盖裸片206的更大的表面区域，以有助于在通过第一流动单元抽取真空后更好地将裸片206紧固到接合头200。在其它实施例中，第一通道220的侧向尺寸可比第一端口210的侧向尺寸更小和/或与其大小相同。类似地，第一开口可形成为仅有第一端口，省略了第一通道。举例来说，第一端口可延伸穿过接合头200而非仅部分地延伸穿过接合头200。第二端口212和第二通道222的配置可以类似方式与图2a中所展示的实施例不同。作为另一实例，图2a中所展示的实施例仅包含单个端口以使第二流体流动到第二通道或从第二通道流动。在其它实施例中，可提供额外端口以更好地确保整个第二通道222中的第二流体的均匀分布。举例来说，可在接合头200的相对端处包含以流体方式耦合到第二通道222和第二流动单元232的额外第二端口(未展示)。作为又一实例，在图2a中所展示的实施例中，第二通道222完全包围第一通道220。在其它实施例中，第二通道222仅部分地包围第一通道220。举例来说，第二通道222可仅包围第一通道220的上和下部分，或蒸发的接合材料更有可能进入第一通道220的其它区域。

图4是用于从接合头200抽出流体和/或向接合头200提供流体的流动单元系统400的示意图。流动单元系统400包含经配置以从接合头200抽出流体的第一流动单元450、和经配置以使流体流向接合头200和/或从接合头200流动的第二流动单元460。第一流动单元450和第二流动单元460可包含关于图2a到2c所描述的相应第一流动单元230和第二流动单元232的许多相同特征。第一流动单元450包含真空单元405、第一再循环阀420a、第一排出阀420b、第一入口阀420c和第一压力传感器415a。第一流动单元450通过第一导管234耦合到接合头200。真空单元405、阀420a到420c和压力传感器415a可各自以可操作方式耦合到控制器410a，来控制穿过真空单元405的流动以维持特定压力(例如p1)。举例来说，控制器410a可通过根据第一压力传感器415a的当前值而打开和/或关闭阀420a到420c来维持特定压力。

第二流动单元460包含真空单元和/或风机单元410、第二再循环阀430a、第二入口阀430b、第二排出阀430c(取决于流动方向)和第二压力传感器415b。第二流动单元460通过第二导管236耦合到接合头200。真空/风机单元410、阀430a到430c和第二压力传感器415b可各自以可操作方式耦合到控制器410b，来控制穿过真空/风机单元410的流动以维持特定压力(例如p2)。在一些实施例中，控制器410a到410c可耦合到主控制器(未展示)以提供从接合头200抽出和/或被引向接合头200的流体的更好的控制压力。所属领域的一般技术人员将认识到，其它流动单元和/或阀布置可用以执行如本文中所描述的类似功能。

图5a到5d是说明使用半导体处理工具500(“工具500”)的方法的横截面侧视图。参考图5a，组合件500包含通过第一导管234以流体方式耦合到第一流动单元230的接合头200。第一流动单元230在第一压力(p1)下从第一开口(即，第一端口210和第一通道220)抽出空气，并使裸片206的至少一部分与接合头200的第二侧204b的至少一部分接触。一旦裸片206与接合头200接触，那么密封可形成于裸片206与接合头200之间的交接面处。一旦建立，那么可维持密封，甚至在第一流动单元(即，真空单元)关断之后也是如此。因而，第一流动单元230不需要可在裸片206接合到衬底205的完整时间期间操作。在接合工艺期间关断第一流动单元230会减少穿过第一开口抽取蒸发的接合材料并将蒸发的接合材料抽入第一导管234和/或第一流动单元230的传动力。可在晶圆级施加接合材料208，且接合材料208因此可在裸片206由接合头200拾取之前在底侧207b处存在于裸片206上。

图5b展示第二流动单元已通过第二导管236以流体方式耦合到接合头200并接通之后的工具500。第二流动单元232在第二压力(p2)下将第二流体引导到第二开口(即，第二端口212和第二通道222)。因为第二开口在第一开口外围并完全包围第一开口，所以相比于第一流体被抽出穿过第一开口，第二流体被导向裸片206的外部部分。因而，在操作中，第二流体在第一开口周围提供流体屏障，所述流体屏障阻止蒸发的材料在接合头200的第二侧204b与裸片206的前侧207a之间行进。

图5c展示裸片206在衬底205上方移动且先前在裸片206的背侧207b上层压的接合材料208与衬底205接触之后的工具500。可在约220℃的温度或足够高以形成互连件(例如焊接互连件)的温度下发生接合工艺，但对接合材料208的除气可在低温下开始。当接合材料208扩散到裸片206的底侧207b的外围时，第一流动单元230和第二流动单元232保持操作。因而，第二流动单元232继续将第二流体导向裸片206的外部部分，并在裸片206周围提供流体屏障，所述流体屏障阻止接合材料208在接合头200的第二侧204b与裸片206的前侧207a之间行进。第二流体的流体屏障还提供引导蒸发的接合材料远离第二通道222和裸片206的前侧207a的外部部分的传动力。如图5d中所展示，由第二流体提供的传动力阻止蒸发的接合材料到达第一开口，图5d说明接合材料208已经层压之后但接合材料208已完全固化之前的工具500。此外，由穿过第二开口的第二流体提供的传动力阻止接合材料208的圆角在裸片206的外部部分处形成。

图6是根据本发明技术的选定实施例配置的半导体处理工具600(“工具600”)的横截面侧视图。工具600包含大体上类似于在上文详细描述的组合件的那些特征的特征。在图6的所说明实施例中，第二流动单元232在第三压力(p3)下从第二通道222和第二端口212抽出第二流体。第三压力(p3)可小于约0.1mpa，或在0.1mpa与约3pa之间变化。穿过第二开口抽出第二流体会将任何蒸发的接合材料抽出到第二端口212中，以阻止蒸发的接合材料到达第一开口。从第二开口抽出第二流体还可有助于在接合头200与裸片206之间形成第二密封，另外还形成通过穿过第一开口抽出第一流体形成的密封。此第二密封可进一步阻止接合材料208到达第一开口。

图7a是接合头700的底部平面视图，且图7b是半导体处理工具750(“工具750”)的横截面侧视图。工具750可包含大体上类似于在上文详细描述的工具的那些特征的特征。举例来说，工具750包含具有第一端口710和第一通道720的接合头700，所述第一端口和所述第一通道一起包括延伸穿过接合头700的第一开口。工具750进一步包含一起包括延伸穿过接合头700的第二开口的第二端口712和第二通道722。第一开口通过第一导管234以流体方式耦合到第一流动单元230，且第二开口通过第二导管236以流体方式耦合到第二流动单元232。在图7b的所说明实施例中，接合头700进一步包含第三端口714和以流体方式耦合到第三端口714的第三通道724。第三端口714从接合头700的第一侧704a延伸到接合头700的中间深度，且第三通道724从接合头700的第二侧704b延伸以与第三端口714会合。第三端口714和第三通道724一起包括延伸穿过接合头700的第三开口。第三开口在接合头700的第一和第二开口外围。第三开口以流体方式耦合到第三流动单元730，所述第三流动单元经配置以穿过第三开口在第四压力(p4)下抽出第三流体(例如空气和/或氮气)。第四压力(p4)可小于约0.1μpa，或介于0.1mpa与约3pa之间变化。在操作中，第三开口可进一步阻止蒸发的接合材料208进入第一开口因此和第一导管234和第一流动单元230。

一般技术人员应认识到，在其它实施例中，工具750可以不同方式配置。举例来说，第二流动单元232可经配置以从第二端口212和第二通道222抽出第二流体。类似地，第三流动单元730可经配置以向第三端口712和第三通道722提供第三流体。所属领域的一般技术人员将了解，这些不同配置的任何组合可并入到本发明技术中。

本公开并不意图是详尽的或将本发明技术限于在本文中公开的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中公开具体实施例，但是在不偏离本发明技术的情况下各种等效修改是可能的，如相关领域的技术人员将认识到。举例来说，虽然本说明书聚焦于ncf、ncp和/或wluf，但是本发明技术还可应用于其它工艺和/或应用，例如用于微凸块成型、热压接合(thermocompressionbonding，tcb)和倒装芯片的焊剂。在一些状况下，众所周知的结构和功能未被展示或详细描述，以避免不必要地混淆对本发明技术的实施例的描述。虽然可以特定次序在本文中呈现方法的步骤，但是替代性实施例可按不同次序执行所述步骤。类似地，可在其它实施例中组合或去除在特定实施例的背景下所公开的本发明技术的某些方面。此外，虽然可能已在那些实施例的背景下公开与本发明技术的某些实施例相关联的优点，但是其它实施例也可展现此类优点，且并非所有实施例需要一定展现本文中所公开的此类优点或其它优点来落入所述技术的范围内。因此，本发明和相关联的技术可以涵盖未明确地在本文中展示或描述的其它实施例。

贯穿本公开，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”和“所述(the)”包含多个提及物。类似地，除非词语“或”明确地限制成仅意指对参考两个或更多个项的列表的其它项排他的单个项，否则此列表中的“或”的使用可以理解为包含：(a)列表中的任何单个项、(b)列表中的所有项、或(c)列表中的项的任何组合。此外，术语“包括”贯穿全文用以意指至少包含所叙述特征，使得不排除任何更大数个个相同特征和/或额外类型的其它特征。在本文中对“一个实施例”、“实施例”或类似表述的参考意味着结合所述实施例所描述的特定特征、结构、操作或特性可包含于本发明技术的至少一个实施例中。因此，此类短语或表述在本文中的出现未必都指同一实施例。此外，各种特定特征、结构、操作或特性可在一或多个实施例中以任何合适的方式组合。