一种晶圆整平装置及方法与流程

1.本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种多晶圆整平装置及方法。


背景技术：

2.现有的芯片封装技术中，通常需要在不同材质的载板或在带有集成电路的硅晶圆上制备与芯片内置焊盘连接的各种封装结构，从而完成尺寸较小的芯片集成电路输出引脚与封装尺寸较大的封装基板（或pcb板）之间的互联。然而，在封装结构的制备工艺中，需要用到cte（coefficient of thermal expansion,热膨胀系数）不同的各种封装材料，包括：底填胶、塑封填料，尤其在高密度扇出封装结构的rdl制备中，当采用die-last工艺时，需要先在载板上制备多层rdl层，再完成芯片的互联、底填和塑封工艺，而rdl制备通常采用cte较大的聚酰亚胺负性光刻胶，以及电镀或化学镀制备铜导电层。其中，在芯片封装结构中，体积占比最大的硅材料的cte为2.3ppm/℃，铜的cte为17.5ppm/℃，聚酰亚胺负性光刻胶、底填胶、塑封料的cte与材料的成分配比有关，但其cte也均在6-90ppm/℃的范围内波动，由此可见，芯片所涉的封装材料和互连材料（即铜）的cte均大于硅材料。因此，芯片的封装工艺中只要涉及到热处理，均会在芯片封装结构中产生翘曲及相应的cte热失配应力，其中的翘曲不利于芯片后续封装工艺的进行，而cte热失配应力会导致芯片封装结构的失效和/或可靠性问题。
3.然而现有技术中关于晶圆的翘曲改善工序及应力消除工序，通常采用对单个翘曲晶圆逐一进行整平处理，其整平效率较低，不利于降低工艺成本。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种晶圆整平装置及方法，可解决现有技术中翘曲晶圆整平效率低的问题。
5.一种晶圆整平装置，包括外壳、所述外壳内的加热装置、设置在所述外壳内的下压装置以及隔离垫，所述外壳的底部和所述下压装置之间能够容纳翘曲晶圆堆叠体，所述下压装置用于对所述翘曲晶圆堆叠体进行施压；所述翘曲晶圆堆叠体包括多个翘曲晶圆以及设置在任意相邻两个所述翘曲晶圆之间的所述隔离垫。
6.作为优选方案，所述翘曲晶圆堆叠体中的翘曲晶圆采用凸式翘曲晶圆或凹式翘曲晶圆的同向翘曲布置。
7.作为优选方案，所述翘曲晶圆堆叠体中的翘曲晶圆采用凸式翘曲晶圆和凹式翘曲晶圆的混合布置。
8.作为优选方案，所述隔离垫还设置在所述翘曲晶圆堆叠体最上端的翘曲晶圆的上表面一侧。
9.作为优选方案，所述隔离垫采用耐高温隔离纸。
10.作为优选方案，所述下压装置包括行程可调的下压机构以及设置在所述下压机构下侧的用于对所述翘曲晶圆堆叠体施压的压盘。
11.作为优选方案，所述下压机构包括螺旋杆、与所述螺旋杆通过螺纹连接的两个滑动块以及分别与所述两个滑动块铰接的两组连杆，所述两组连杆分别与固定在所述压盘上的两组凸耳铰接；所述两个滑动块的运动方向相反。
12.作为优选方案，还包括压力传感装置和设置在所述外壳侧壁上的压力显示屏，所述压力传感装置设置在所述外壳的底部，并将感应到的所述下压装置对所述翘曲晶圆堆叠体所施加的压力数值传递到所述压力显示屏上。
13.作为优选方案，所述压力传感装置上设有压力感应点组，所述压力感应点组包括：与所述翘曲晶圆中心区域相对应的位于压力传感装置中心区域的中心压力感应点组，以及与所述翘曲晶圆边缘区域相对应的分布于压力传感装置边缘区域的边缘压力感应点组。
14.作为优选方案，所述中心压力感应点组，包括位于所述压力传感装置中心的绝对中心点以及围设在所述绝对中心点周围的第一圆形阵列点组；和/或所述边缘压力感应点组，包括沿所述压力传感装置的边缘区域进行周向排列的第二圆形阵列点组。
15.第二方面，一种晶圆整平方法，采用如第一方面所述的一种晶圆整平装置，包括从低到高的多个预设目标温度，还包括如下步骤：将所述翘曲晶圆堆叠体置于所述压力传感装置上；将所述下压装置下压到与所述翘曲晶圆堆叠体接触的任意位置；升温整平步骤：所述加热装置开始升温过程；当所述升温过程达到所述预设目标温度之一时，所述下压装置作与所述预设目标温度对应的预设位移，并在所述预设目标温度下保持对应的预设时间；若未达到最高的预设目标温度，则反复进行升温整平步骤，否则进入降温步骤；降温步骤：所述加热装置内部温度逐渐下降至室温。
16.作为优选方案，所述升温整平步骤中，所述下压装置作出的预设位移之和不大于所有所述翘曲晶圆纵向翘曲高度之和。
17.又一种晶圆整平方法，采用如第一方面所述的一种晶圆整平装置，包括如下步骤：将所述翘曲晶圆堆叠体置于所述压力传感装置上；将所述下压装置下压到与所述翘曲晶圆堆叠体接触的位置；升温整平步骤：所述加热装置开始升温过程；当所述升温过程达到所述预设目标温度时，所述下压装置作预设位移，并保持预设时间；降温步骤：所述加热装置内部温度逐渐下降至室温。
18.作为优选方案，所述预设目标温度为150~200℃；所述预设时间为60~600min。
19.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：1、通过将隔离垫间隔放置在翘曲晶圆之间，可实现多片翘曲晶圆的同时整平，还能防止粘黏，大大提高翘曲晶圆的整平效率，降低企业的工业化成本；2、通过设置至少一个分段式升降温曲线，使翘曲晶圆在实现绝对整平的情况下可释放更多的内部应力，从而降低芯片封装产品的可靠性风险。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明一种晶圆整平装置的立体示意图；图2为本发明一种晶圆整平装置的关于翘曲晶圆堆叠体m1的结构示意图；图3为本发明一种晶圆整平装置的关于翘曲晶圆堆叠体m2的结构示意图；图4为本发明一种晶圆整平装置的关于翘曲晶圆堆叠体m3的结构示意图；图5为本发明一种晶圆整平装置中翘曲晶圆与压力传感装置的对应关系示意图；图6为本发明一种晶圆整平装置中压力传感装置的第一种压力感应点组排布示意图；图7为本发明一种晶圆整平装置中压力传感装置的第二种压力感应点组排布示意图；图8为本发明一种晶圆整平装置中压力传感装置的第三种压力感应点组排布示意图；图9为本发明一种晶圆整平方法的一种实施例流程示意图；图10为本发明一种晶圆整平方法的一种实施例的温度-时间变化示意图；图11为本发明一种晶圆整平方法中所述翘曲晶圆的中心点纵向翘曲高度示意图；图12为本发明一种晶圆整平方法的另一种实施例流程示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.第一方面：一种晶圆整平装置，如图1-图4所示，包括外壳10、所述外壳10内的加热装置、设置在所述外壳10内的下压装置以及隔离垫31，所述外壳的底部和所述下压装置之间能够容纳翘曲晶圆堆叠体，所述下压装置用于对所述翘曲晶圆堆叠体进行施压。所述翘
曲晶圆堆叠体包括多个翘曲晶圆32以及设置在任意相邻两个所述翘曲晶圆32之间的所述隔离垫31。
26.其中，所述加热装置（附图中未示出）用于通过加热外壳内部的空气介质来实现晶圆在整平时的升温过程，现有技术中有多种实现方式，如电热丝加热等，在此不作赘述。所述下压装置用于与所述加热装置配合，对所述翘曲晶圆进行整平。本晶圆整平装置是可封闭的结构（在加热时外壳封闭），为了便于观察其内部，附图中省略了外壳的部分结构。
27.所述翘曲晶圆堆叠体m1-m3包括整齐堆叠的隔离垫31和翘曲晶圆32，所述翘曲晶圆32可包括凸式翘曲晶圆32a和/或凹式翘曲晶圆32b，所述隔离垫31间隔放置在多个翘曲晶圆32之间将所述翘曲晶圆32隔离，可防止高温热处理过程中翘曲晶圆32粘黏在一起。另外，所述隔离垫31还可设置在所述翘曲晶圆堆叠体m1-m3最上端的翘曲晶圆32的上表面一侧。
28.本装置可实现多片翘曲晶圆的同时整平，翘曲晶圆32之间通过隔离垫31来隔离翘曲晶圆，其中，翘曲晶圆堆叠体中的凸式翘曲晶圆32a和凹式翘曲晶圆32b可采用任意放置方式。举例来说，如图2-图4所示，翘曲晶圆堆叠体的放置方式可包括：翘曲晶圆堆叠体m1中的凸式翘曲晶圆32a堆叠，或，翘曲晶圆堆叠体m2中的凹式翘曲晶圆32b堆叠，或，翘曲晶圆堆叠体m3中的凸式翘曲晶圆32a和凹式翘曲晶圆32b的混合堆叠放置。特别地，所述翘曲晶圆堆叠体m1、m2中的翘曲晶圆32采用同向翘曲布置，即要么都是凸式翘曲晶圆32a，要么都是凹式翘曲晶圆32b。
29.本实施例中，通过将隔离垫31间隔放置在翘曲晶圆32之间，可实现多片翘曲晶圆的同时整平，大大提高翘曲晶圆的整平效率，降低企业的工业化成本。
30.作为优选的实施例，所述隔离垫31采用耐高温隔离纸。
31.本实施例中，隔离垫采用耐高温隔离纸，利用耐高温隔离纸中硅酸铝的低导热率和优良热稳定性，来实现翘曲晶圆的隔离和保温。在翘曲晶圆的高温热处理过程中，翘曲晶圆所涉封装材料中含有高分子聚合物，而高分子聚合物的tg（glass transition temperature，玻璃态转化温度）通常在翘曲晶圆的热处理温度范围内，如果不采用隔离垫，将会导致翘曲晶圆之间发生粘黏，不利于整平晶圆的分离。
32.作为优选的实施例，如图1-图4所示，所述下压装置包括行程可调的下压机构以及设置在所述下压机构下侧的用于对所述翘曲晶圆堆叠体m1-m3施压的压盘30。
33.其中，下压装置的所述行程可调，是指可以较精确地调节压盘下压的位移，以便于更好地释放翘曲晶圆32内部的应力。所述压盘30的大小可以与晶圆尺寸相适应，这样可以让下压的过程中对翘曲晶圆堆叠体m1-m3所施加的压力更均衡，确保下压过程更平稳，使翘曲晶圆32内部的应力能得以均匀释放。
34.作为进一步优选实施例，如图1-图4所示，所述下压机构包括螺旋杆20、与所述螺旋杆20通过螺纹连接的两个滑动块21a以及分别与所述两个滑动块21a铰接的两组连杆21b，所述两组连杆21b分别与两组凸耳21c铰接。一组所述凸耳21c和与之对应的一组所述连杆21b可通过支杆21d的两端进行铰接连接。所述两个滑动块21a的运动方向相反。
35.其中，所述连杆21b可通过凸耳21c与所述压盘30铰接，其中所述凸耳21c可与所述压盘30固定连接。所述两个滑动块21a的运动方向相反，可通过在所述螺旋杆20的两侧设置相反螺纹来实现，也就是说，所述两个滑动块21a分别与所述螺旋杆20上螺纹相反的两个螺
纹段连接。还可设置与螺旋杆20连接的旋转把手22，所述旋转把手22位于外壳10外侧。
36.本实施例中，参考图2，所述旋转把手22可旋转带动所述螺旋杆20，通过所述螺旋杆20上的螺纹推动两个所述滑动块21a向所述螺旋杆20的中心移动，在所述滑动块21a的带动下实现连杆21b和凸耳21c的向下运动，从而将下压的力传递给所述压盘30，实现所述压盘30的下压运动。当所述压盘30接触到位于翘曲晶圆堆叠体最顶部的隔离垫31时，整个整平装置可开始升温，以完成翘曲晶圆在高温热处理过程中的整平过程，以及冷却至室温的冷却过程。
37.作为优选实施例，如图2-图4所示，还包括设置在所述外壳底部的压力传感装置11以及设置在所述外壳10侧壁并与所述压力传感装置11连接的显示屏12。
38.其中，当下压装置向下移动时，翘曲晶圆堆叠体的最底部翘曲晶圆32或隔离垫31在经历若干微小位移后，达到整平状态，整平状态下的翘曲晶圆接触压力传感装置11上的压力感应装置，并将感应到的压力数值传递到压力显示屏12。所述压力数值可在转换成压力等高线图后，显示在所述压力显示屏12上。
39.作为进一步优选实施例，如图5-图8所示，所述压力传感装置11上设有若干压力感应点110，进而构成压力感应点组，所述压力感应点组包括：与所述翘曲晶圆32中心区域相对应的位于压力传感装置11中心区域的中心压力感应点组r0，以及与所述翘曲晶圆32边缘区域相对应的分布于压力传感装置11边缘区域的边缘压力感应点组r1。
40.本实施例中，所述压力传感装置11可以呈盘形。当达到整平状态的翘曲晶圆32接触到压力传感装置11时，翘曲晶圆32的中心区域和边缘区域分别接触到位于压力传感装置11上的中心压力感应点组r0以及位于压力传感装置11上的边缘压力感应点组r1，并产生相应的压力数值。此时，压力数值的范围可以为2*105~6*10
5 pa。
41.在一种实施例中，如图5-图8所示，所述的中心压力感应点组r0位于压力传感装置的中心点。
42.在一种实施例中，如图6所示，所述边缘压力感应点组r1可包括4个边缘压力感应点组r1。
43.在一种实施例中，如图7所示，所述中心压力感应点组r0，包括位于压力传感盘的中心点c0以及围设在中心点周围的第一圆形阵列r0
′
，所述第一圆形阵列可由任意数量的点组成。
44.在一种实施例中，如图8所示，所述边缘压力感应点组r1包括沿压力传感盘的边缘进行周向排列的第二圆形阵列r1
′
，所述第二圆形阵列r1
′
可由任意数量的点组成。
45.第二方面，一种晶圆整平方法的一种实施例，采用如第二方面所述的一种晶圆整平装置，包括从低到高的多个预设目标温度，如图9所示，具体包括如下步骤：s101：将所述翘曲晶圆堆叠体置于所述一种晶圆整平装置中；s102：将所述下压装置下压到与所述翘曲晶圆堆叠体接触的位置；s103：升温整平步骤：所述加热装置开始升温过程；当所述升温过程达到所述预设目标温度之一时，所述下压装置作与所述预设目标温度对应的预设位移，并在所述预设目标温度下保持对应的预设时间；s104：若未达到最高的预设目标温度，则反复进行升温整平步骤，否则进入降温步骤；
s105：降温步骤：所述加热装置内部温度逐渐下降至室温。
46.之后解除所述下压装置对所述翘曲晶圆堆叠体的施压，得到整平的晶圆。
47.本实施例中，在所述升温整平步骤s103之前，需要先进行预备步骤s101-s102，即将所述下压装置下压到与所述翘曲晶圆堆叠体刚好接触的位置。所述下压装置从该位置开始升温过程。
48.所述升温整平步骤，参考图3的翘曲晶圆的升降温曲线，配合升温过程来调控压盘30的下压运动。以所述预设目标温度有4个为例，如图10所示，具体说明如下：在第一升温区间，当温度升到第一目标温度t1时，可通过下压装置向下作第一微小位移l1，并保持t1时间，使翘曲晶圆释放部分内部应力，同时实现翘曲晶圆的第一微小整平。其工作原理是：第一目标温度t1使翘曲晶圆中的原子具有振动频率f1和振动幅度v1，且温度t1下的原子振动频率f1大于室温下的原子振动频率f0、第一目标温度t1下的原子振动幅度v1大于室温下的原子振动幅度v0，因此，整个翘曲晶圆内的物质均处于加快的原子振动频率和增大的原子振动幅度下，配合压盘下压带来的第一微小位移l1，使翘曲晶圆中各物质的组成原子即便偏离室温下的晶格位置也不会产生较大的应力。此外，在第一目标温度t1下保持第一持续时间t1，可使翘曲晶圆中各物质的组成原子在不产生较高应力的情况下，能更好地适应施加了微小向下位移的原子排布。
49.在第二升温区间，温度升到第二目标温度t2，通过下压装置向下作第二微小位移l2，并保持第二持续时间t2，使翘曲晶圆在第一微小整平的基础上进一步释放部分的内部应力，同时实现翘曲晶圆的第二微小整平。
50.在第三升温区间，温度升到第三目标温度t3，通过下压装置向下作第三微小位移l3，并保持第三持续时间t3，使翘曲晶圆在第二微小整平的基础上进一步释放部分的内部应力，同时实现翘曲晶圆的第三微小整平。
51.在第四升温区间，温度升到第四目标温度t4，通过下压装置向下作第四微小位移l4，并保持第四持续时间t4，使翘曲晶圆在第三微小整平的基础上进一步释放部分的内部应力，同时实现翘曲晶圆的第四微小整平。
52.其中，第一目标温度t1＜第二目标温度t2＜第三目标温度t3＜第四目标温度t4。
53.当翘曲晶圆完成升温的整平过程后便可开始降温。根据实际需求，所述降温可选择自然降温，也可采用加快散热的措施降温。
54.本实施例仅列出一种典型的升温曲线，为了更充分地释放翘曲晶圆的内部应力，企业可根据实际的工艺需求，设置若干段升温区间。
55.作为优选实施例，如图11所示，所述升温整平步骤中，所述下压装置作出的预设位移之和不大于所有所述翘曲晶圆的纵向翘曲高度z之和。
56.其中，以前述实施例中所述预设目标温度有4个的情况为例，所述第一微小位移l1 第二微小位移l2 第三微小位移l3 第四微小位移l4≤所有翘曲晶圆的纵向翘曲高度z之和。
57.需要补充的是，翘曲晶圆的纵向翘曲高度z定义为翘曲晶圆的纵向高度与翘曲晶圆绝对整平后的纵向高度之差。当翘曲晶圆为凸式翘曲晶圆时，可参考图11，翘曲晶圆的纵向翘曲高度z为翘曲晶圆中心区域的纵向最高点与翘曲晶圆边缘区域的纵向最低点之间的纵向高度差；当翘曲晶圆为凹式翘曲晶圆时，翘曲晶圆的纵向翘曲高度z为翘曲晶圆边缘区
域的纵向最高点与翘曲晶圆中心区域的纵向最低点之间的纵向高度差。
58.一种晶圆整平方法的又一种实施例，采用如第二方面所述的一种晶圆整平装置，如图12所示，具体包括如下步骤：s201：将所述翘曲晶圆堆叠体置于所述一种晶圆整平装置中；s202：将所述下压装置下压到与所述翘曲晶圆堆叠体接触的位置；s203：升温整平步骤：所述加热装置开始升温过程；当所述升温过程达到所述预设目标温度时，所述下压装置作与所述预设目标温度对应的预设位移，并在所述预设目标温度下保持对应的预设时间；s204：降温步骤：所述加热装置内部温度逐渐下降至室温。
59.之后解除所述下压装置对所述翘曲晶圆堆叠体的施压，得到整平的晶圆。
60.本实施例中，所述翘曲晶圆的升温曲线只包括一个升温区间，其升温区间的预设目标温度可以为150-200℃，所述下压装置保持的预设时间可以为60min-600min。
61.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
62.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。