JP2007311683A

JP2007311683A - 貼り合せ方法及びその装置

Info

Publication number: JP2007311683A
Application number: JP2006141241A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nishiwaki; 健太郎西脇; Yukihiro Maekawa; 幸弘前川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】板状の接合対象物同士を貼り合せるときの衝撃荷重及び偏荷重を緩和して高精度に接合対象物を貼り合せる貼り合せ方法及びその装置を提供する。
【解決手段】駆動部により昇降駆動されるヘッド部１２又は一方の接合対象物を保持するステージ部１３に弾性体７を設けて２枚の接合対象物が接触したときの衝撃荷重や偏荷重を緩和すると共に、荷重検出手段９及び制御アンプ１０により荷重値が均一になるまで仮加圧してから接合に必要な荷重で２枚の接合対象物を貼り合せる。
【選択図】図１

Description

本発明は、板状に形成された複数の接合対象物同士を互いの接合面で貼り合せる接合技術に関し、特にＩＣチップやウエハあるいはガラスパネルなどを接合するのに好適な貼り合せ方法及びその装置に関するものである。

半導体ウエハやガラスパネルなどの板状に形成された接合対象物同士を接合面の間で貼り合せるために、両接合対象物の間が接近するように移動させて接触させたとき、両接合対象物の接合面間の平行度が低い場合、接触直前に点接触となるために衝撃荷重や偏荷重によるダメージが生じ、接合対象面で接触した後の加圧均一性が接合品質に与える影響が大きくなる。

両接合対象物の接合面間の平行度が低くなる原因は、接合対象物自体の両面間の平行度だけでなく、貼り合せる両接合対象物をそれぞれ保持する装置側の傾きが大きく影響する。接合対象物の平行精度や装置の精度には限界があり、それらを補正して両接合対象物が面接触した状態で加圧接合するより信頼性の高い貼り合せ技術の開発が要求されている。

特に、半導体分野においてはウエハの薄型化が進み、低コスト化の要求に応えるべくチップレベルでの接合からウエハレベルでの一括接合への要求が高まっている。しかしながら、薄型化や大型化が進行すると、接合対象物自体の平面度や貼り合せる接合対象物同士の平行度を一定の精度内に確保することが困難となる課題があり、接合対象物を貼り合せる装置において前記課題を解決することが要求されている。

接合対象物同士を貼り合せる際に、それらが接触する瞬間の衝撃荷重や偏荷重を回避する接合方法や、接合加圧の均一性を確保するための面接触を実現する面接合方法は重要課題であり、これを解決すべく接合対象物同士を貼り合せるときの精度を向上させる接合方法が提案されている。

例えば、図９に示すように、保持手段１０３上に上下に重ね合わせた２つの接合対象物１０１、１０２を接合する工程の前に、複数の非接触変位センサ１０５により平行度を計測し、この計測データに基づいてステージ１０４に配置された複数の微小変位機構１０６それぞれを独立して駆動することにより、平行度を所定精度内に収める平行調整機構を設けた構成が知られている（特許文献１参照）。

また、図１０に示すように、球面軸受ホルダ１１６上に板バネ１１７で球面軸１１５を支持した倣い機構の下面に取り付けた保持手段１２１で一方の接合対象物１１１を保持し、それに対面させて他方の接合対象物１１２をステージ１２２上に保持し、球面軸１１５に加圧して両接合対象物１１１，１１２を貼り合せるとき、両接合面の平行の傾きによる点接触があると、板バネ１１７の弾性による倣いにより両接合面間の接触を点接触から面接触へ移行させて加圧接合する接合装置が開示されている（特許文献２参照）。
特開昭５９−１５５９１９号公報特開２００４−２８１４７６号公報

しかしながら、上記平行調整機構を設けた構成においてサブミクロン単位での調整が可能であれば偏荷重は抑止できるが、実際には接合対象物の両面平行度のばらつきを接合工程を実施する毎に調整することは現実には困難であり、倣い機構と併せて貼り合せを実施することが多い。

ところが、倣い機構を設けた構成では、接触後の接合対象物同士の平行度確保を可能とし、加圧の均一性を確保することは可能であるが、接触する瞬間の衝撃荷重や偏荷重を抑止することは困難である。従って、平行調整機構や倣い機構では両接合対象物に傾きがあって点接触したときのダメージを緩和することには不充分である。

前述したように、半導体分野においてはウエハの薄型化が進展するのと同時に、チップレベルでの接合からウエハレベルでの接合が要求されるとき、接合対象物自体の平面度や貼り合せる接合対象物同士の平行度を一定の精度内に確保することが困難となる課題があり、接合対象物を貼り合せる装置において前記課題を解決することが要求されている。

本発明が目的とするところは、ウエハのように薄型化、大型化した接合対象物を貼り合せるときの接触衝撃によるダメージを抑制して高品質な加圧接合を実現する貼り合せ方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本願第１発明は、板状に形成された第１の接合対象物と第２の接合対象物とを互いの接合面で対面させ、接近移動させて面接触するように加圧して両接合対象物を接合する貼り合せ方法であって、接近移動により前記第１の接合対象物と第２の接合対象物とが接触する以前に、第１の接合対象物を保持する側と第２の接合対象物を保持する側とを弾性的に接触させ、この弾性接触に基づいて第１の接合対象物の接合面と第２の接合対象物との接合面の平行の傾きを補正して加圧することを特徴とする。

上記貼り合せ方法によれば、接近移動により第１の接合対象物と第２の接合対象物とが接触するより先に、それぞれの接合対象物を保持する側が弾性接触するので、接合対象物が接触した際の衝撃は緩和され、両接合面間の平行度が低下して点接触となったときでの接触衝撃が減少して両接合対象物が受けるダメージを抑制することができる。また、第１の接合対象物を保持する側と第２の接合対象物を保持する側とが弾性接触したときの荷重状態の偏りに基づいて第１の接合対象物の接合面と第２の接合対象物との接合面の平行の傾きを補正することにより、両接合面間の平行度が改善されるので、両接合対象物が面接触した状態で加圧することによって両接合対象物は加圧接合される。

上記貼り合せ方法において、第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む等間隔の複数位置で弾性接触の状態を検出することにより偏荷重を検知し、それに基づいて加圧を制御することにより、両接合面間の平行度が低下して点接触になった状態で大きな接触加圧が加わることによる両接合対象物が受けるダメージを緩和し、加圧制御により両接合面の平行が一致するように加圧して面接触状態で接合加圧することによって両接合対象物は加圧接合される。

また、上記目的を達成するための本願第２発明は、板状に形成された第１の接合対象物と第２の接合対象物とをそれぞれ保持して互いの接合面で対面させ、接近移動させて面接触するように加圧して両接合対象物を接合する貼り合せ装置であって、前記第１の接合対象物又は第２の接合対象物を保持する側に、第１の接合対象物又は第２の接合対象物の接合面より対向する側に向けて突出し、第１の接合対象物を保持する側と第２の接合対象物を保持する側とを弾性的に接触させる衝撃緩和手段を第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む位置に設けると共に、前記衝撃緩和手段の接触に基づいて第１の接合対象物と第２の接合対象物とが対面する互いの接合面の平行の傾きを補正する平行度補正手段を設けてなることを特徴とする。

上記貼り合せ装置によれば、接近移動により第１の接合対象物と第２の接合対象物とが接触するより先に衝撃緩和手段で弾性接触するので、接合対象物が接触した際の衝撃は緩和され、両接合面間の平行度が低下して点接触となったときでの接触衝撃が減少して両接合対象物が受けるダメージを抑制することができる。また、第１の接合対象物を保持する側と第２の接合対象物を保持する側とが弾性接触したときの荷重状態の偏りに基づいて第１の接合対象物の接合面と第２の接合対象物との接合面の平行の傾きを平行度補正手段で補正することにより、両接合面間の平行度が改善されるので、両接合対象物が面接触した状態で加圧することによって両接合対象物は加圧接合される。

上記構成において、衝撃緩和手段の対向する側への突出量は、少なくとも４５μｍとするのが好適で、両接合対象物をそれぞれ保持する装置の構成要素の加工精度や組立精度、更には接合対象物の両面平行度の精度を考慮すると、前記突出量に設定することが望ましい。

また、衝撃緩和手段が受ける荷重を第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む等間隔の複数位置で検出する複数の荷重検出手段と、複数の荷重検出手段それぞれの検出荷重に基づいて加圧を制御する制御手段とを備えて構成することにより、第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む複数位置で弾性接触の状態を検出することによって偏荷重を検知し、それに基づいて加圧を制御することにより、両接合面間の平行度が低下して点接触になった状態で大きな接触加圧が加わることによる両接合対象物が受けるダメージを緩和し、加圧制御により両接合面の平行が一致するように加圧して面接触状態で接合加圧することができる。

また、上記構成は、第１の接合対象物及び／又は第２の接合対象物としてウエハ同士又はウエハと半導体チップなどとの貼り合せに好適である。ウエハは薄型化されているだけでなく衝撃によるダメージが大きい素材であり、接合品質が性能品質にも大きく影響するので、高品質な接合状態が得られる貼り合せ装置が要求される。

本発明によれば、貼り合せる両接合対象物の加工精度及び両接合対象物をそれぞれ保持する装置の加工精度や組立精度には限界があり、それによる両接合面の平行が損なわれている状態で両接合対象物を接近移動させて接触させるとき、点接触が生じることによる衝撃荷重や偏荷重を緩和することができ、衝撃による接合対象物が受けるダメージを小さくすることができる。また、接合対象物を囲む複数位置で検出した荷重に基づいて加圧制御することにより、面接合させた接合面に均一加圧を加えて両接合対象物を高品質に貼り合せることができる。

図１は、実施形態に係る貼り合せ装置１の構成を示すもので、貼り合せ装置１は、ヘッド部１２とステージ部１３とを備えて構成され、ここでは接合対象物として第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とを貼り合せる例を示している。

前記ヘッド部１２は、昇降動作する駆動部（図示せず）の下部に取り付けられ、駆動部から発生された接合に必要な荷重を伝える加圧軸２と、ヘッド部１２を構成する構成要素の累積平行度精度をキャンセルする平行調整機構部３と、球面軸受ホルダ４３に板バネ４１及び球面軸４２を支持した倣い機構部（平行度補正手段）４と、第１のウエハ６１を保持する上部保持手段５１とを備えて構成されている。

前記平行調整機構部３は、図１及び図３に示すように、中央がくびれた構造に形成され、その周囲に配置された複数個のボルト３１の押し引きにより、ヘッド部１２の下端に取り付けられた上部保持手段５１の表面と、ステージ部１３に配設された下部保持手段５２の表面との平行度を調節する。

また、倣い機構部４は、図１及び図４に示すように、上部保持手段５１に保持された第１のウエハ６１と、下部保持手段５２に保持された第２のウエハ６２とが接触した際に、互いの接合面が平行に且つ均一に面接触するように倣わせるものである。ここでは、板バネ４１を用いて傾きを吸収する構成を採用している。板バネ４１が取り付けられた球面軸受ホルダ４３に球面で当接する球面軸４２は、倣いによって傾きが生じた際にも加圧軸２から伝達される加圧力を分散させることなく、鉛直方向に伝える手段として採用されている。

また、上部保持手段５１は、第１のウエハ６１を保持できる手段であれば、真空吸着、機械的な固定治具などを採用することもできるが、ここでは接合対象物がウエハであるため、真空中での接合となるので、静電チャックが適用されている。

一方、ステージ部１３は、図１及び図２に示すように、第２のウエハ６２を保持する下部保持手段５２と、この下部保持手段５２が取り付けられたステージ台８と、第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とが接触した際の衝撃荷重及び偏荷重を緩和するＯリングからなる弾性体（衝撃緩和手段）７と、この弾性体７の下方に配置された複数の荷重検出手段９とを備えて構成されている。

図２は、前記ステージ部１３を平面図として示すもので、弾性体７は下部保持手段５２の外周を囲む円周上に配置されている。この弾性体７の形状は円形に限定されるものではなく、矩形や多角形であっても差し支えない。弾性体７はＯリングなどでもよいが、できれば高精度な部材であることが望ましい。この弾性体７は本発明の特徴的な構成要素であり、詳細は後述する。

弾性体７の下方には複数個の荷重検出手段９が等間隔で配置されている。この荷重検出手段９は、検出精度を安定化させるために、加圧軸２と同軸の円周上に配置され、第２のウエハ６２の近辺で荷重を検出するようにしている。荷重検出手段９は圧力の均一性を確保するための圧力制御を実施する観点から、デジタル信号で検出可能なロードセルセンサや歪センサが望ましいものとなる。また、その配置は、圧力の均一性を判断するために、３個以上のセンサを均等間隔で配置することが望ましい。ここでは図２に示すように、４個の荷重検出手段９を等間隔で配置している。

前記荷重検出手段９による検出値から第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とが面接触した状態での均一な加圧を確認した後、検出値は均一性を保った状態で接合に必要な所定の荷重値を制御する制御アンプ（制御手段）１０に入力され、駆動部にフィードバックされる。

上記構成になる貼り合せ装置１の動作について、図５〜図８を参照して以下に説明する。尚、図５は構成要素の加工精度の累積により傾斜が生じている状態を、図７はウエハに厚さ方向の平行が傾斜している状態をそれぞれ誇張して示している。また、図６及び図８に示すフローチャート中に記載したＳ１，Ｓ２…は工程手順を示すステップ番号で、本文に添記する番号に一致する。

図５に示すように、ヘッド部１２を構成する加圧軸２及び平行調整機構部３、倣い機構部４のいずれかの平行精度が確保できていない場合、上部保持手段５１及びそれに保持された第１のウエハ６１は、ステージ部１３に対して傾斜が生じる。このような状態は、部品の加工精度又は組立精度、あるいは平行調整機構部３の調整精度においても、完全に近い平行を達成することは現実には困難である。この累積精度はヘッド部１２の構成によって異なるが、加圧軸２、平行調整機構部３、倣い機構部４、上部保持手段５１の累計で４０〜５０μｍ程度の平行ずれが生じる。

このような状態でヘッド部１２が下降すると、図５（ｂ）に示すように、第１のウエハ６１が第２のウエハ６２に接触する瞬間に、面接触するのでなく片当たりすることになり、ヘッド部１２の質量と速度とによる運動量分が接触した１点で点接触する衝突により、第２のウエハ６２にダメージを与えてしまうことになる。

そこで、下部保持手段５２が保持する第２のウエハ６２の周囲に弾性体７を配置することにより、第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とが接触する以前に、倣い機構部４の下面（球面軸受ホルダ４３）が弾性体７に接触するので、弾性体７が衝撃を吸収して第１及び第２の各ウエハ６１，６２に対するダメージを緩和する。

図５、図６において、図５（ａ）示す状態から駆動部からの加圧により、図５（ｂ）に示すように、ヘッド部１２が下降開始すると（Ｓ１）、第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とが接触する直前に、倣い機構部４と弾性体７とが接触するので（Ｓ２）、弾性体７の下方に配置された複数の荷重検出手段９は弾性体７に加わった荷重を検出し（Ｓ３）、図５（ｃ）に示すように、倣い機構部４はヘッド部１２とステージ部１３とを平行状態を保つように動作する（Ｓ４）。荷重検出手段９が検出した弾性体７に加わった荷重は制御アンプ１０に入力され、その検出値が一定値内（予め設定した所定値以下）であることを制御アンプ１０で検知する。このデータは駆動部にフィードバックされるので、制御アンプ１０で検知する荷重値が一定範囲内になるまで駆動部はヘッド部１２を下降させる（Ｓ５）。倣い機構部４の作用により第１のウエハ６１と第２のウエハ６２との平行が修正されているので、図５（ｄ）に示すように、ヘッド部１２の下降により第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とが面接触する。荷重検出手段９で検出される荷重検出値が一定になるようにして（Ｓ６）、ヘッド部１２を更に下降させて接合に必要な荷重値まで加圧することにより（Ｓ７）、第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とは対向面で貼り合わされる。

上述のようにヘッド部１２の加工精度及び組立精度に起因する点接触による接合対象物が受けるダメージは、接合対象物とする第１のウエハ６１及び第２のウエハ６２の加工精度によっても発生する。ウエハの両面平行度は、６インチサイズのものでは厚さ方向で５μｍの平行ずれが生じる。従って、ヘッド部１２がステージ部１３に対して平行であっても、図７に示すようにウエハに平行度が出ていない場合には、第１のウエハ６１は第２のウエハ６２に対して傾斜して接触する状態になり、このままでは点接触によりダメージを与えることになる（図７（ｂ）参照）。

図７、図８において、図７（ａ）に示す状態から駆動部からの加圧により、図７（ｂ）に示すように、ヘッド部１２が下降開始して（Ｓ１１）、図７（ｂ）に示す状態になったとき、ヘッド部１２の下面は弾性体７に接触する（Ｓ１２）。弾性体７へのヘッド部１２の接触は荷重検出手段９によって検出され（Ｓ１３）、制御アンプ１０に入力されるので、制御アンプ１０は圧力状態の検知状態に基づいて駆動部を制御し、所定の圧力値が保たれるように駆動部はヘッド部１２を徐々に下降させる。この状態では弾性体７によりヘッド部１２の運動量をその弾性により吸収、緩和させながらヘッド部１２は下降している。

この後、図７（ｃ）に示すように、第１のウエハ６１が第２のウエハ６２に点接触したとき（Ｓ１４）、荷重検出手段９は荷重変化を検出し（Ｓ１５）、倣い機構部４は板バネ４１が変形して第２のウエハ６２の接合面が第１のウエハ６１の接合面と平行になるように補正動作する（Ｓ１６）。

荷重検出手段９は荷重状態を常時監視して第１のウエハ６１と第２のウエハ６２との平行度を確認する。制御アンプ１０は荷重検出手段９の検出値が一定範囲内になるまで駆動部を制御してヘッド部１２を下降させる（Ｓ１７）。図７（ｄ）に示すように、ヘッド部１２の下降により第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とが面接触するので（Ｓ１８）、荷重検出手段９による検出を継続して荷重値が一定になるようにしてヘッド部１２を下降させ、接合に必要な荷重値まで加圧することにより（Ｓ１９）、第１のウエハ６１と第２のウエハ６２とは貼り合わされる。

ヘッド部１２に取り付けられた上部保持手段５１とステージ部１３に取り付けられた下部保持手段５２とに平行ずれが発生している場合においても、上記動作と同様の作用により修正がなされ、それらに保持された第１及び第２の各ウエハ６１，６２は面接触して貼り合わされる。

上記構成における弾性体７のステージ部１３の上面からの突出量は、ヘッド部１２の下降を制御する上で重要である。ヘッド部１２の各構成要素の加工精度及び組立精度は累計で４０〜５０μｍが限界と考えられるので、接合対象物であるウエハの加工精度が５〜１５μｍ程度の平行度であることを考慮すると、接合対象物の厚さを加味して少なくとも４５μｍの突出量が必要となる。この弾性体７の突出量の調整は、弾性体７としてＯリングを適用する場合には、その断面径が適合するものを採用するか、Ｏリングを埋め込む座ぐりの深さを調整することによって実現できる。

また、荷重検出手段９及び制御アンプ１０により接合対象物間の平行を確認しながら均一荷重で加圧するとき、貼り合せる接合対象物の材質による差や、同一材質であっても製造ロット毎の違いによる平行度のばらつきなどがある場合、そのばらつきを記録して、予め平行調整機構部３により偏荷重を発生させる箇所の傾向に応じて平行調整することにより、弾性体７による吸収を低減し、初期状態から高精度の平行度を保って信頼性の高い貼り合せを実現することができる。

以上説明した実施形態の構成においては、弾性体７はステージ部１３上に配置しているが、ヘッド部１２の倣い機構部４を構成する球面軸受ホルダ４３のステージ部１３に対向する面に、上部保持手段５１に沿って配置しても同様の効果が得られる。

以上の説明の通り本発明によれば、貼り合せる両接合対象物の加工精度及び両接合対象物をそれぞれ保持する装置の加工精度や組立精度には限界があり、それによる両接合面の平行が損なわれている状態で両接合対象物を接近移動させて接触させるとき、点接触が生じることによる衝撃荷重や偏荷重を緩和することができ、衝撃による接合対象物が受けるダメージを小さくすることができる。また、接合対象物を囲む複数位置で検出した荷重に基づいて加圧制御することにより、面接合させた接合面に均一加圧を加えて両接合対象物を高品質に貼り合せることができる。特に、半導体分野においては、チップ接合からウエハ接合となり、薄型化、大型化するウエハ同士を正確に貼り合せることは高精度の作業となるが、本発明によりウエハ同士の貼り合せを高品質に行うことが可能となる。

実施形態に係る貼り合せ装置の構成を示す断面図。ステージ部の構成を示す平面図。平行調整機構部の構成を示す断面図。倣い機構部の構成を示す断面図。装置精度を補正する動作を説明する説明図。同上補正動作の工程手順を示すフローチャート。接合対象物の精度を補正する動作を説明する説明図。同上補正動作の工程手順を示すフローチャート。従来技術に係る平行調整機構を示す断面図。従来技術に係る倣い機構を示す断面図。

符号の説明

１貼り合せ装置
２加圧軸
３平行調整機構部
４倣い機構部（平行度補正手段）
７弾性体（衝撃緩和手段）
９荷重検出手段
１０制御アンプ（制御手段）
１２ヘッド部
１３ステージ部
５１上部保持手段
５２下部保持手段
６１第１のウエハ（第１の接合対象物）
６２第２のウエハ（第２の接合対象物）

Claims

板状に形成された第１の接合対象物と第２の接合対象物とを互いの接合面で対面させ、接近移動させて面接触するように加圧して両接合対象物を接合する貼り合せ方法であって、
接近移動により前記第１の接合対象物と第２の接合対象物とが接触する以前に、第１の接合対象物を保持する側と第２の接合対象物を保持する側とを弾性的に接触させ、この弾性接触に基づいて第１の接合対象物の接合面と第２の接合対象物との接合面の平行の傾きを補正して加圧することを特徴とする貼り合せ方法。
第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む等間隔の複数位置で弾性接触の状態を検出することにより偏荷重を検知し、それに基づいて加圧を制御する請求項１に記載の貼り合せ方法。
板状に形成された第１の接合対象物と第２の接合対象物とをそれぞれ保持して互いの接合面で対面させ、接近移動させて面接触するように加圧して両接合対象物を接合する貼り合せ装置であって、
前記第１の接合対象物又は第２の接合対象物を保持する側に、第１の接合対象物又は第２の接合対象物の接合面より対向する側に向けて突出し、第１の接合対象物を保持する側と第２の接合対象物を保持する側とを弾性的に接触させる衝撃緩和手段を第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む位置に設けると共に、前記衝撃緩和手段の接触に基づいて第１の接合対象物と第２の接合対象物とが対面する互いの接合面の平行の傾きを補正する平行度補正手段を設けてなることを特徴とする貼り合せ装置。
衝撃緩和手段の対向する側への突出量は、少なくとも４５μｍである請求項３に記載の貼り合せ装置。
衝撃緩和手段が受ける荷重を第１の接合対象物又は第２の接合対象物を囲む等間隔の複数位置で検出する複数の荷重検出手段と、複数の荷重検出手段それぞれの検出荷重に基づいて加圧を制御する制御手段とを備えてなる請求項３に記載の貼り合せ装置。
第１の接合対象物及び／又は第２の接合対象物がウエハである請求項３〜５いずれか一項に記載の貼り合せ装置。