JP2005142537A - Longitudinal vibration bonding method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の重ね合わされた被接合物を振動印加して接合する接合方法及び接合装置に関する。特に高精度に半導体チップを実装する分野やウエハー張り合わせ分野。 The present invention relates to a joining method and a joining apparatus for joining a plurality of superposed objects by applying vibration. Especially in the field of mounting semiconductor chips with high precision and wafer bonding.
従来、超音波振動により複数の重ね合わされた被接合物同士を接合する方法として、特許文献1及び特許文献2に示されるように両端を支持し、振動子を横に付け、横振動を利用する方式を採用している。これは、縦振動は、チップを上から金槌で叩くような動作となるためダメージを与えやすく、横振動においては、摩擦力でゆする形となるのでダメージは帯びにくい。そのため、特に一方の被接合物が半導体チップからなる場合は、半導体の電極となる金属突起部の下層金属部は超音波振動によりマイクロクラックが入りダメージを帯びやすいため、横振動を使用する。上記超音波振動ヘッドの場合、縦振動は5%以内に抑えられている。上記超音波振動は、40〜60kHzで4〜8μm振幅程度のものが使われる。縦振動による4〜8μmの振幅は半導体チップの弾性変形で吸収できるレンジでは無く、被接合物保持手段とチップの間に隙間ができながら衝撃的にチップを上から叩く動作となってしまう。
Conventionally, as a method of joining a plurality of stacked objects to be joined by ultrasonic vibration, as shown in
但し、横振動を使用して超音波接合した場合には、金属突起部の横振動に対する弾性変形により、周辺部に応力が加わり、図5に示すように均一な接合とはならず金属突起部周辺しか接合しないことになる。それに比較して縦振動の場合は均一な接合ができることが図5より分かる。図5においては、金属突起バンプの縦振動と横振動による接合のための界面応力解析を示し、応力の高い部分は界面の伸びにより新生面が出ることにより接合されると考えられる。 However, when ultrasonic bonding is performed using lateral vibration, stress is applied to the peripheral portion due to elastic deformation of the metal protrusion due to lateral vibration, and the metal protrusion does not become uniform as shown in FIG. Only the periphery will be joined. It can be seen from FIG. 5 that uniform bonding can be achieved in the case of longitudinal vibration. FIG. 5 shows an interfacial stress analysis for joining metal bumps by longitudinal vibration and transverse vibration. It is considered that a portion having a high stress is joined by a new surface appearing due to elongation of the interface.
また、勿論、横に振幅する分、実装位置ずれの原因になるため数μmという高精度での実装は難しい。 Of course, mounting with a high accuracy of several μm is difficult because the horizontal amplitude causes a mounting position shift.
また、次に特許文献3、特許文献4に示すように、接合表面をエネルギー波により洗浄し、活性化した状態で常温で接合する技術が開示されている。高温が不要なところから熱膨張の問題が起きず1μm以内の高精度での実装が可能となり、注目されている。しかし、金の金属突起を接合する場合、表1に示すように常温では300Mpa程度の高加圧力で押しつぶさないと接合できないことになる。このバンプが半導体回路面上にある場合は、一般的に200Mpa以上では回路によってはダメージを与えてしまう。
In addition, as shown in
表1の条件としては、半導体チップに金属突起となる50μm角で高さ20μm、バンプの高さばらつきが1μmの金バンプを使用した半導体チップを金薄膜基板上へ超音波接合した場合と常温接合した場合のデータである。常温接合の場合は、80g/bumpで始めて接合可能となったが、超音波を印加した場合においては40g/bump以上の荷重で接合が可能であった。よってバンプつぶれ代として1μm以上のバンプを押しつぶすことが必要であることが分かる。20μm高さのバンプを金メッキで作る場合において、高さばらつきを1μmに抑えるのが限界であるため、この程度のバンプを押しつぶすことが必要である。 The conditions in Table 1 are as follows: a semiconductor chip using gold bumps of 50 μm square, 20 μm in height and 1 μm in bump height, which are metal protrusions on the semiconductor chip, and ultrasonic bonding to a gold thin film substrate and room temperature bonding This is the data when In the case of room temperature bonding, bonding was possible for the first time at 80 g / bump, but when ultrasonic waves were applied, bonding was possible with a load of 40 g / bump or more. Therefore, it can be seen that it is necessary to crush bumps of 1 μm or more as a bump crushing allowance. In the case where a bump having a height of 20 μm is formed by gold plating, it is necessary to crush the bumps of this degree because it is the limit to suppress the height variation to 1 μm.
特許文献2に示す方法では直角方向に2つの振動子をもうける構造であり、2次元的な軌跡を描けるようになっている。 The method shown in Patent Document 2 has a structure in which two vibrators are provided in a perpendicular direction so that a two-dimensional trajectory can be drawn.
また、特許文献6においては、10−5Torr以下である高真空中でArイオン銃により金属接合表面をスパッタエッチングし、表面の酸化膜や有機物層を除去し、金属同士を常温のもと直接接合する常温接合と呼ばれる技術が開示されている。通常10−8〜10−5Torrという高真空で、イオン銃という量産では使用しにくい研究レベルの装置ではある。
In
また、特許文献7においてはウエハー表面を酸素プラズマにて接合表面にOH基を吸着させて表面活性化し、加熱接合する方法が記載されている。
従来の課題として、超音波振動で被接合物同士を接合する場合、縦振動を使用すると均一な接合と実装ずれが起きないことから高精度な実装が可能となるが、ダメージがおきる。横振動を使用するとダメージは軽減できるが、均一な接合ができず、また、位置ずれも起こる。 As a conventional problem, when joining objects to be joined by ultrasonic vibration, if longitudinal vibration is used, since uniform joining and mounting displacement do not occur, high-accuracy mounting is possible, but damage occurs. If lateral vibration is used, damage can be reduced, but uniform bonding cannot be achieved, and misalignment also occurs.
また、表面活性化による常温接合においては、高精度の実装が可能であるが、高加圧力が必要となり、回路面にバンプがある場合は回路にダメージを与えてしまう。また、特許文献3,特許文献4に示されるように不活性雰囲気でのチャンバー構図が必要となり、大がかりな装置となってしまう。
Further, in room temperature bonding by surface activation, high-precision mounting is possible, but high pressure is required, and if there are bumps on the circuit surface, the circuit is damaged. Moreover, as shown in
特に高精度に半導体チップを実装する分野においては、低温での金属接合において好ましくは1μm以内の高精度実装が要望されており、上記課題解決が特に望まれる。 In particular, in the field of mounting semiconductor chips with high accuracy, high-precision mounting within 1 μm is preferably required for metal bonding at low temperatures, and the above-described problem solving is particularly desired.
従来ダメージを軽減するために横振動を使用していたが、接合均一性や位置ずれの問題から縦振動が有効であることが分かる。しかし、縦振動では、ダメージが起こるため、いかにダメージを軽減して縦振動で接合するかが課題である。また、常温接合においては均一な接合と高精度実装は達成できているが、高加圧力が課題として残る。
特許文献1による方法では、1つの振動子でホーンを共振させるため1方向の振動であり、かつ、3次元的な動きはできない。また、1つであるが故エネルギーは小さい。また、大面積を振動させることはできない。
また、特許文献2に示す方法では、加圧面に対し直角方向の横振動であり、2次元的な軌跡は描けても3次元的な動作はできない。
接合装置を考えた時、大面積で接合するには横振動では摩擦力が大きく振動させることができない。しかし、縦振動であれば、接合面は接触した状態で接合界面に応力を加えることができるため、大面積での接合には有利である。金属突起部を超音波領域の振動により接合した場合の横振動と縦振動による応力分布解析結果を図5に示す。横振動を使用して接合した場合には、金属突起部の横振動に対する弾性変形により、周辺部に応力が加わり、図5に示すように均一な接合とはならず金属突起部周辺しか接合しないことになる。それに比較して縦振動の場合は均一な接合ができることが図5より分かる。図5においては、金属突起部の縦振動と横振動による接合のための界面応力解析を示し、応力の高い部分は界面の伸びにより新生面が出ることにより接合されると考えられる。また、勿論、横に振幅する分、実装位置ずれの原因になるため数μmという高精度での実装は難しい。但し、応力を時間的に一部に集中させて移動させながらまんべんなく加圧振動させてやれば大面積の接合も小さな振動加圧源で可能となる。そのためには3次元的な動作が必要となる。
Conventionally, transverse vibration has been used to reduce damage, but it can be seen that longitudinal vibration is effective from the problem of bonding uniformity and displacement. However, since longitudinal vibration causes damage, the problem is how to reduce the damage and join by longitudinal vibration. In addition, uniform bonding and high-precision mounting have been achieved in room temperature bonding, but high pressure remains as a problem.
In the method according to
Further, in the method shown in Patent Document 2, it is a transverse vibration in a direction perpendicular to the pressing surface, and a three-dimensional operation cannot be performed even if a two-dimensional trajectory can be drawn.
When considering a joining device, the frictional force cannot be vibrated greatly by transverse vibration to join in a large area. However, longitudinal vibration is advantageous for bonding in a large area because stress can be applied to the bonding interface while the bonding surface is in contact. FIG. 5 shows the stress distribution analysis result by the transverse vibration and the longitudinal vibration when the metal protrusions are joined by the vibration in the ultrasonic region. When bonding is performed using lateral vibration, stress is applied to the peripheral portion due to elastic deformation of the metal protruding portion with respect to the lateral vibration, resulting in a non-uniform bonding as shown in FIG. 5 and bonding only around the metal protruding portion. It will be. It can be seen from FIG. 5 that uniform bonding can be achieved in the case of longitudinal vibration. FIG. 5 shows an interfacial stress analysis for joining by means of longitudinal vibration and transverse vibration of the metal protrusion, and it is considered that the portion with high stress is joined by the emergence of a new surface due to the elongation of the interface. Of course, mounting with a high accuracy of several μm is difficult because the horizontal amplitude causes a mounting position shift. However, if the pressure is vibrated evenly while the stress is concentrated on a part of the time and moved, joining of a large area is possible with a small vibration pressure source. For this purpose, a three-dimensional operation is required.
また、特許文献6においては、表面活性化接合技術では、気泡や残差は残らないが、イオン銃などを使用した再付着を防止する高真空プロセスが必要で、高価で複雑な装置となる。また、常温であるが故、300MPaという高荷重が必須となり、量産化への妨げとなっていた。また、金属以外には適用できないという課題があった。
Further, in
また、特許文献7においては、OH基が吸着され、ウエハー同士を水素結合により面接合させるが、高温での加熱が必要である。そのため、耐熱の課題がある半導体やMEMSデバイスには使用できなく、また、線膨張係数の異なる異種材料間の接合ではそりが発生し、最悪割れることになる。
In
また、お互いに密着し合う面形状をした複数の被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、特許文献3,4、6の方法においては、低温で固層のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。特にウエハー同士の張り合わせにおいて、通常のウエハーには0.2μm以上のパーティクルが10個以上存在する。これは既製品のカタログにもうたわれている値である。そのため、実際にウエハー同士を低温固層で接合すると10mm程度の大きさのボイドが数カ所に残ってしまう。これを除去するには、並大抵の洗浄方法では無理があるのと、洗浄後にウエハーをハンドリングする時点でパーティクルが付着してしまうため、実質無理である。
In addition, there are particles that become small dust on the bonding surfaces of a plurality of objects to be bonded that are in close contact with each other, and in the methods of
そこで本発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであって、複数の重ね合わされた被接合物が接合機構に支持された被接合物保持手段であるヘッドとステージとでそれらの間に加圧保持され、被接合物保持手段に結合された振動子から被接合物保持手段に振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物が振動エネルギーにより接合される接合装置において、縦振動を使用して被接合物を接合し、かつ、ダメージを軽減する方法及び接合装置を提供することにある。また、縦振動を使用して大面積からなる被接合物を接合する方法及び接合装置を提供することを目的とするものである。また、被加圧物同士を加圧する方法であって、両被加圧物を対向保持する保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールの被加圧物と対向面に複数のピエゾアクチュエータが接触または連結された接合機構において、両被加圧物を接触加圧した状態で、ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加する方法及び加圧装置を提供することを目的とするものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and a plurality of superimposed objects to be joined are added between the head and the stage, which are the object holding means supported by the joining mechanism. Vibration is transmitted from the vibrator held by pressure and coupled to the object-holding means to the object-holding means, and longitudinal vibration is used in the joining device where multiple stacked objects are joined by vibration energy. Then, it is providing the method and joining apparatus which join a to-be-joined object, and reduce damage. It is another object of the present invention to provide a method and a joining apparatus for joining an object to be joined having a large area using longitudinal vibration. In addition, a method of pressurizing objects to be pressed, wherein a plurality of piezo actuators are in contact with the object to be pressed and the facing surface of at least one holding tool among the holding tools that hold both objects to be pressed. It is an object of the present invention to provide a method and a pressurizing device for applying longitudinal vibration by an expansion / contraction operation of a piezo actuator in a state where both pressurized objects are contact-pressed in a connected joining mechanism.
上記課題を解決するための本発明に係る接合方法及び接合装置双方の手段を一括して以降に説明する。特に高精度に半導体チップを実装する分野においては、低温での金属接合において1μm程度の高精度実装が要望されており、上記課題解決が特に望まれる。 The means of both the joining method and the joining apparatus according to the present invention for solving the above-described problems will be described collectively below. In particular, in the field of mounting semiconductor chips with high accuracy, high-precision mounting of about 1 μm is required for metal bonding at low temperatures, and the above-described problem solving is particularly desired.
(項1)上記課題を解決するために本発明に係る接合方法及び接合装置は、複数の重ね合わされた被接合物が、接合機構における被接合物保持手段であるヘッドとステージとでそれらの間に加圧保持され、被接合物保持手段に結合された振動子から被接合物保持手段に振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物に振動印加して接合される接合装置において、縦振動を使用して被接合物を接合する方法からなる。また、複数の重ね合わされた被接合物が、接合機構における被接合物保持手段であるヘッドとステージとでそれらの間に加圧保持され、被接合物保持手段に結合された振動子から被接合物保持手段に振動を伝達し、複数の重ね合わされた被接合物に振動印加して接合される接合装置において、縦振動を使用して被接合物を接合する接合装置からなる。被接合物保持手段とは、従来の超音波振動装置におけるホーン部分にあたり、振動子からの振動を伝達したり共振して増幅したりし、かつ、被接合物を吸着などにより保持する機能を持った部位である。本接合機構においては、ヘッド側とステージ側に分け上部被接合物保持手段を含む部位をヘッドとし、下部被接合物保持手段を含む部位をステージと呼んでいる。また、被接合物同士を接合する方法において、従来から超音波振動を印加して接合する方法が知られている。ここでいう振動とは低周波から超音波領域を含むものを示し、特に周波数を限定せず本発明に含む。また、接合には良く超音波が利用され好ましい。また、被接合物保持手段と共振させることで大きなエネルギーを出力させることができ好ましい。従来ダメージを軽減するために横振動を使用していたが、前述のように接合均一性や位置ずれの問題から縦振動が有効であることが分かる。また、ウエハーなど大面積の接合においては、横振動では摩擦力から振動を界面に与えることができないが、縦振動であれば伝達できる。この大面積を振動接合する方法については後述する。また、前記縦振動の比率が10%以上である方法からなる。また、前記縦振動の比率が10%以上である接合装置からなる。従来横振動を使用していた方法ではダメージ軽減から縦振動を5%以内に抑えていたが、本発明においては10%以上の縦振動を使用する。また、50%以上が好ましい。 (Claim 1) In order to solve the above-described problem, a bonding method and a bonding apparatus according to the present invention are configured such that a plurality of stacked objects to be bonded are between a head and a stage which are objects to be bonded holding means in a bonding mechanism. In a bonding apparatus in which vibration is transmitted from a vibrator coupled to a workpiece holding means to the workpiece holding means and vibration is applied to a plurality of stacked workpieces to be joined. It consists of a method of joining objects to be joined using vibration. In addition, a plurality of stacked objects to be bonded are pressed and held between the head and the stage, which are the objects to be bonded holding means in the bonding mechanism, and bonded from the vibrator coupled to the objects to be bonded holding means. A joining apparatus that transmits vibrations to the object holding means and applies vibrations to a plurality of overlapped objects to be joined to each other and includes joining apparatuses that join the objects to be joined using longitudinal vibration. The object holding means is a horn part in a conventional ultrasonic vibration device, and has a function of transmitting vibration from a vibrator, amplifying by resonance, and holding an object to be bonded by adsorption or the like. It is a part. In this joining mechanism, the part including the upper article holding means is divided into the head side and the stage side, and the part including the lower article holding means is called the stage. In addition, as a method for joining objects to be joined, a method for joining by applying ultrasonic vibration has been known. The term “vibration” as used herein refers to a range from a low frequency to an ultrasonic region, and the frequency is not particularly limited and is included in the present invention. Also, ultrasonic waves are often used for bonding, which is preferable. Further, it is preferable that a large energy can be output by resonating with the object holding means. Conventionally, transverse vibration has been used to reduce damage, but it can be seen that longitudinal vibration is effective from the problems of joint uniformity and misalignment as described above. Further, in a large-area bonding such as a wafer, vibration cannot be applied to the interface from frictional force by lateral vibration, but can be transmitted by longitudinal vibration. A method for vibrating and bonding the large area will be described later. The longitudinal vibration ratio is 10% or more. Moreover, it consists of the joining apparatus whose ratio of the said longitudinal vibration is 10% or more. Conventionally, the method using the horizontal vibration has suppressed the vertical vibration within 5% from the reduction of damage, but in the present invention, the vertical vibration of 10% or more is used. Moreover, 50% or more is preferable.
(項2)また、前記振動の振幅を1μm以下とする前記に記載の方法からなる。また、前記振動の振幅を1μm以下とする発振手段を有する項1に記載の接合装置からなる。振幅測定箇所は一般的に被接合物保持手段での振幅を言う。縦振動では、ダメージが起こるため、いかにダメージを軽減して縦振動で接合するかがポイントとなる。その解決策として、振幅を1μm以下とすることにある。そうすることにより被接合物、例えば20μm高さの金属突起バンプのついた半導体チップであればバンプの弾性変形で1μmの振幅を吸収することができる。
(Item 2) Further, the method according to the above, wherein the amplitude of the vibration is 1 μm or less. The bonding apparatus according to
(項3)また、少なくとも一方の被接合物保持手段またはその支持部材に弾性体を介して保持する項1または項2に記載の方法からなる。また、少なくとも一方の被接合物保持手段またはその支持部材に弾性体を有し、弾性体を介して保持する項1または項2に記載の接合装置からなる。また、被接合物保持手段の先端に弾性材を取り付けることにより、縦振動による衝撃を吸収することができる。縦振動の衝撃が問題となるのは、被接合物保持手段とチップの間に隙間ができながら衝撃的にチップを上から金槌で叩くような動作となってしまうからである。そのため、隙間が開かないように弾性材やバンプで吸収してやればダメージは軽減できる。接合においては、接合界面には応力変化は伝わるので界面での粒子のつぶれ移動により新生面が表れ接合は進むので問題は無い。また、先端部に限らず、被接合物保持手段や被接合物保持手段を支持する支持部材、ヘッドまたはステージを弾性体を介して保持することにより、被接合物が振動方向に逃げることにより余分な振動を吸収することができる。
(Item 3) Further, the method according to
(項4)縦振動方向と加圧方向が同一な接合機構において、接合時に加圧方向に移動しうる加圧手段を持ち、振動印加中に縦振動方向に移動自在な状態で一定圧力で加圧制御する項1〜項3のいずれかに記載の方法からなる。縦振動方向と加圧方向が同一な接合機構において、接合時に加圧方向に移動しうる加圧手段を持ち、振動印加中に縦振動方向に移動自在な状態で一定圧力で加圧制御する加圧手段を有する項1〜項3のいずれかに記載の接合装置からなる。振動印加中に縦振動方向に移動自在な状態で一定圧力で加圧制御することにより、被接合物が縦振動方向に逃げ、余分な縦振動を吸収することができる。 (Claim 4) In the joining mechanism in which the longitudinal vibration direction and the pressurizing direction are the same, the joining mechanism has a pressurizing means that can move in the pressurizing direction at the time of joining. It consists of the method in any one of claim | item 1 -3 which controls pressure. In a joining mechanism with the same longitudinal vibration direction and pressurizing direction, it has a pressurizing means that can move in the pressurizing direction during joining, and pressurization control is performed with a constant pressure while being movable in the longitudinal vibration direction during vibration application. It consists of a joining apparatus in any one of claim | item 1 -3 which has a pressurization means. By pressurizing and controlling at a constant pressure while being movable in the longitudinal vibration direction during application of vibration, the object to be joined escapes in the longitudinal vibration direction, and excess longitudinal vibration can be absorbed.
(項5)振動子、被接合物保持手段が、縦振動の比率が10%以上であるキャピラリー方式である項1〜項4のいずれかに記載の方法からなる。また、振動子、被接合物保持手段が、縦振動の比率が10%以上であるキャピラリー方式である項1〜項4のいずれかに記載の接合装置からなる。
(Item 5) The method according to any one of
(項6)振動子、被接合物保持手段が、縦振動の比率が10%以上である、複数の振動子が縦型被接合物保持手段の鉛直周辺に配置された複合型振動ヘッドである項1〜項4のいずれかに記載の方法からなる。また、振動子、被接合物保持手段が、縦振動の比率が10%以上である、複数の振動子が縦型被接合物保持手段の鉛直周辺に配置された複合型振動ヘッドである項1〜項4のいずれかに記載の接合装置からなる。
(Claim 6) The vibrator and the object-to-be-joined holding means are a composite vibration head in which a ratio of longitudinal vibration is 10% or more, and a plurality of vibrators are arranged in the vertical periphery of the vertical-type object to be joined holding means. It consists of the method in any one of claim | item 1 -4.
(項7)振動子、被接合物保持手段、被接合物が縦に配列された状態で接合する項1〜項4のいずれかに記載の方法からなる。また、前記振動子、被接合物保持手段、被接合物が縦に配列された項1〜項4のいずれかに記載の接合装置からなる。これらの縦振動を使用した接合装置におけるヘッド構造としては、図2に示す50%以上縦振動を含む効率的な、振動子、被接合物保持手段、被接合物が縦に配列された状態で接合するタイプがある。それ以外では、10%以上の縦振動を含む被接合物保持手段を揺動させるタイプとして次の2つのものがある。まず、図4に示す、振動子、被接合物保持手段がキャピラリー方式である方法からなる。また、図3に示す、複数の振動子が縦型被接合物保持手段の鉛直周辺に配置された複合型振動ヘッドである方法からなる。
(Item 7) The method according to any one of
(項8)以降に項7における接合方法および接合装置において、ウエハーなどの大面積な接合がが可能となる複数の振動子を並列に配置する方法および装置について記述していく。前記両被接合物を対向保持する被接合物保持手段となる保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に前記振動子となる複数のピエゾアクチュエータが接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加し接合する項7に記載の方法からなる。また、前記両被接合物を対向保持する被接合物保持手段となる保持ツールのうち、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に前記振動子となる複数のピエゾアクチュエータが接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加し接合する項7に記載の接合装置からなる。被接合物同士を接合する方法において、従来から超音波振動を印加して接合する方法が知られている。ここでいう振動とは低周波から超音波領域を含むものを示し、本発明に含む。また、接合には良く超音波が利用され好ましい。また、保持ツールと共振させることで大きなエネルギーを出力させることができ好ましい。従来ひとつの振動子を直列につなぐ方法が一般的であるが、複数を並列に接続することでエネルギーを増大させることができ大面積の振動が可能となる。また、大面積で高荷重をかけると単独で振動子を中央で受けると周辺のたわみが発生して、前面で均一な振動エネルギーを伝達できない。そこで、振動子となるピエゾアクチュエータを並列に複数配置することでたわみを防止し、高いエネルギーで大面積を高荷重のもと振動させることが可能となる。また、従来2次元的な動きしかできなかったものが、並列に複数個所で受けることで3次元的な動作が可能となる。また、加熱接合する場合や表面活性化による接合の場合においても、振動を印加することで接合界面の応力が増すことから接合荷重は約半分の荷重で接合が行われる。これは、接合するには微小な界面の凹凸が押しつぶされて密着する必要があることから、振動による応力増加が寄与するためである。また、被接合物としてウエハーのような大面積なものの場合には、大面積で高荷重のもと振動を与えられる方式である、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に複数のピエゾアクチュエータが接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加し接合する前記方法が有効である。
(Item 8) Hereinafter, a method and an apparatus in which a plurality of vibrators capable of bonding a large area such as a wafer in the bonding method and apparatus in
(項9)ピエゾアクチュエータの配置数が3であり、円周上に等間隔で配置されている項8に記載の方法からなる。また、ピエゾアクチュエータの配置数が3であり、円周上に等間隔で配置されている項8に記載の接合装置からなる。振動子となるピエゾアクチュエータの配置位置としては、例えば被接合物であるウエハーの中心から円周上に等間隔で配置されることが荷重を均等に受け、かつ、振動を均等に与え、共振させやすいことから好ましい。最少数としては面で傾かないように受けるには3となる。また、3次元的な動作をさせる上でも3が好ましい。円周上に3箇所配置することが最少数であり、効率的で安定する。
(Item 9) The method according to
(項10)前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数のピエゾアクチュエータ間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ接合する項8または項9に記載の方法からなる。また、複数のピエゾアクチュエータ間の振動位相を制御する手段を備え、前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数のピエゾアクチュエータ間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ接合する発振手段を有する項8または項9に記載の接合装置からなる。並列に配置されたピエゾアクチュエータの振動位相を制御してやることで3次元的な動作が可能となる。特に円周上等間隔に3箇所に配置されている場合は、振動印加手段によって例えばサインカーブからなる伸縮電圧を印加し、3箇所で位相を120°ずつずらしてやれば回転方向に順次波がながれるが如く3次元的な振動動作をさせることができる。前述のように単純に縦振動だけよりもウェーブのような波がながれるが如く動作を加えた方が、接合時に噛み込んだ空気や真空においても発生する界面の隙間から生じるボイドを抜くことが順次押し出すことで可能となる。また、接合においても集中荷重が順次流れていくので前述原理からなる微小凹凸を密着させる接合にも有効である。特に全面が均等に加圧するのと比べ、ある部分に集中荷重がかかりながら移動していくことで、少ない荷重で接合し易い。ここでいう振動とはこのような3次元的な連続動作も含む。
(Item 10)
(項11)少なくとも一方の保持ツールの表面を中央が高い凸状として加圧接合する項8〜項10のいずれかに記載の方法からなる。また、少なくとも一方の保持ツールの表面を中央が高い凸状とする項8〜項10のいずれかに記載の接合装置からなる。ボイドを抜くという観点からは、中央から周辺へ広がる中央部凸型でが、押し付け時に空気の噛みこみによるボイドを中央から押しのけていくのでボイドが発生しにくい。また、真空下の隙間においても中央から順次押しつぶされていくのでしわ寄せもなく接合し易い。形状としては中央から周辺へ広がる中央部凸型でなだらかな円周状で示されるR状であることが好ましい。
(Item 11) The method according to any one of
(項12)前記表面を樹脂コーティングする項11に記載の方法からなる。また、前記表面を樹脂コーティングする項11に記載の接合装置からなる。前述において、凸形状を弾性体で作成することが好ましい。その観点から樹脂でコーティングすることが容易で好ましい。
(Item 12) The method according to
(項13)前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数のピエゾアクチュエータ間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ、かつ、振幅を変化させ接合する項11または項12に記載の方法からなる。また、複数のピエゾアクチュエータ間の振動振幅を制御する手段を備え、前記両被接合物を接触加圧した状態で、複数のピエゾアクチュエータ間の振動位相を制御し、回転方向に順次波がながれるように伸縮動作させ、かつ、振幅を変化させ接合する項11または項12に記載の接合装置からなる。前述の位相をずらすことで波が流れるが如く動作させることができ、これに中央が凸型でなだらかな円周で示されるR状の保持ツールで、前記位相制御しながら1回転おきに振幅も段階的に増大してやることで、中央から周辺に対して渦巻状の軌跡を描くことができる。その状態を図9に示す。振幅を増加させてやることで接点は中央から周辺へ移行されることが分かる。そうすることでボイドが抜け、かつ、1点集中荷重となるのでより低荷重のもと、より高荷重が必要な接合が可能となる。また、増大した振幅は序々に減少させたり、イニシャルに戻して再び増加させるなど方法を選択してやることができる。ここでいう振動とはこのような3次元的な連続動作も含む。
(Claim 13) In a state where both the objects to be bonded are contacted and pressurized, the vibration phase between the plurality of piezo actuators is controlled, the expansion / contraction operation is performed so that the wave is sequentially generated in the rotation direction, and the amplitude is changed to perform the bonding. It consists of the method of claim |
(項14)前記保持ツールの少なくとも一方に圧力検出素子が配置された接合機構において、加圧して保持ツール間の傾きを圧力検出素子で検出し、ピエゾアクチュエータで傾きを補正した後、ピエゾアクチュエータの振動を加えて接合する方法において、ピエゾアクチュエータの出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加する項8〜項13のいずれかに記載の方法からなる。また、複数の圧力検出素子を備え、前記保持ツールの少なくとも一方に圧力検出素子が配置された接合機構において、加圧して保持ツール間の傾きを圧力検出素子で検出し、ピエゾアクチュエータで傾きを補正した後、ピエゾアクチュエータの振動を加えて接合する接合装置において、ピエゾアクチュエータの出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加する振動印加手段を備えた項8〜項13のいずれかに記載の接合装置からなる。接合においては前述のように面同士を密着させる必要があることから、被接合物間の平行調整もサブミクロン台で必要となる。また、この平行度がずれていると無理やりならわすことで高精度に位置合わせしたものがずれてしまう。また、振動を印加する場合は平行調整した上での振動印加が必要である。本発明においては、複数の並列配置された圧力検出素子により圧力分布が均一になるように平行調整を自動的に行うことで微小なミクロン台の平行調整が可能となる。また、圧力検出素子はピエゾアクチュエータと同配置で対向面またはピエゾ後部に配置することが制御し易く好ましい。振動を印加する場合は、平行調整された状態で振幅を印加してやる必要があり、各ピエゾアクチュエータにおいて、ピエゾアクチュエータの出力電圧を平行調整した値をバイアスとして、振動電圧を印加することで達成できる。また、ピエゾの伸縮量は数μmと限られているため、効率的に使用する必要がある。
(Item 14) In a joining mechanism in which a pressure detection element is arranged on at least one of the holding tools, after applying pressure to detect the inclination between the holding tools with the pressure detection element and correcting the inclination with the piezoelectric actuator,
(項15)前記縦振動を印加して接合する接合過程において加圧力及び/又は振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる項8〜項14のいずれかに記載の方法からなる。また、前記縦振動を印加して接合する接合過程において加圧力及び/又は振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる振動印加手段を備えた項8〜項14のいずれかに記載の接合装置からなる。振動エネルギーは接触面積に比例して増大させてやることが好ましく、余分なエネルギーはダメージを発生させるため避けたい。そのため、前述のように界面の微小な凹凸が接合が進むに連れて密着する面積が増大してくるので振動エネルギーを上昇するカーブで増大させてやることで、ダメージなく、最適なエネルギーを供給してやることができる。また、余分な振動がないため、位置ずれもなくサブミクロン台での高精度な位置決めされた接合が達成できる。
(Item 15) The method according to any one of
(項16)前記振動を印加して接合する接合過程において、前記圧力検出手段により、振動時の圧力を検出して振動エネルギーを制御する項8〜項15のいずれかに記載の方法からなる。また、前記振動を印加して接合する接合過程において、前記圧力検出手段により、振動時の圧力を検出して振動エネルギーを制御する振動印加手段を備えた項8〜項15のいずれかに記載の接合装置からなる。前期圧力検出素子を複数配置することでピエゾアクチュエータが発する振動を検出することができる。例えば過度な振動が印加された場合は、圧力検出地が設定されたピーク値以上になれば振動エネルギーや振幅を減少させるなどのフィードバック制御を行ってやればよい。また、圧力検出素子はピエゾアクチュエータの配置位置に対し、同位置で対向位置か後部に配置されていることが制御上好ましい。
(Item 16) The method according to any one of
(項17)前記接合荷重が300Mpa以下である項8〜項16のいずれかに記載の方法からなる。また、前記接合荷重が300Mpa以下である加圧手段を備えた項8〜項16のいずれかに記載の接合装置からなる。特許文献3、4のような常温接合においては、表1に示すように、比較的やわらかい金属である金においても300MPa以上の加圧力を必要としていたが、振動を付加することで荷重の減少が可能となる。例えば、150MPaでの接合が可能であった。
(Item 17) The method according to any one of
(項18)前記接合を減圧チャンバー中で行う項8〜項17のいずれかに記載の方法からなる。また、前記接合を減圧チャンバー中で行う項8〜項17のいずれかに記載の接合装置からなる。減圧下で接合することで特に接合時に空気の巻き込みによるボイドの発生や空気を巻き込んだ接合を防止することができる。また、減圧チャンバーと両保持ツールを支える手段が分離され、摺動できる封止構造からなる前記に記載の接合装置からなる。加圧力や振動を印加するにあたり、チャンバーとつながっていると真空引き時のチャンバーのひずみにより影響を受けてしまう。また、アライメント精度においても同様な影響が起こるため、両保持ツールを支持する手段と減圧チャンバーはOリングまたはベローズで摺動できる封止構造としながら分離することが望ましい。
(Item 18) The method according to any one of
(項19)前記接合表面にパーティクルが1つ以上乗っている項8〜項18のいずれかに記載の方法からなる。また、前記接合表面にパーティクルが1つ以上乗っている項8〜項18のいずれかに記載の接合装置からなる。お互いに密着し合う面形状をした複数の被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、低温で固層のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。これを除去するには接合時に振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、真空中で接合されたものは、隙間が接触さえすれば接合できるので、振動による膨張収縮により空隙を接触させ、接合させることが可能となる。表面活性化された接合表面であれば特に有効である。
(Item 19) The method according to any one of
(項20)前記接合前に両被接合物の接合表面をエネルギー波により表面活性化した後、固層で接合する項1〜項19のいずれかに記載の方法からなる。また、エネルギー波照射手段を備え、前記接合前に両被接合物の接合表面をエネルギー波により表面活性化した後、固層で接合する項1〜項19のいずれかに記載の接合装置からなる。エネルギー波による表面活性化処理とは、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマで接合界面を活性化状態にして接合しやすくする処理を示す。表面活性化による接合原理は次の考え方ができる。金属のような物質においては表面の有機物や酸化膜など付着物をエッチング除去して、活性な金属原子のダングリングボンドを表面に生成することで、他方のダングリングボンド同士で接合させる。また、Siまたはガラス、SiO2、セラミック系を含む酸化物である場合は、酸素や窒素プラズマによる親水化処理により、接合表面をOH基で活性化し、他方のOH基同士で接合させることである。また、常温接合においては均一な接合と高精度実装は達成できているが、高加圧力が課題として残る。そのため、少なくとも一方の被接合物の接合面を事前にエネルギー波により表面活性化し、縦振動を使用して被接合物を接合する方法からなる。表1に示すように、超音波振動を印加することにより加圧力は300Mpaから150Mpa以下での接合が可能となる。縦振動であるので位置ずれの問題も無く、常温で低荷重のもと接合が可能となる。また、接合状態も振動を印加するので、特許文献3、特許文献4のように特にチャンバー構造としなくとも大気中で可能となる。表面活性化においても大気圧プラズマを使用すれば全て大気中で可能となる。また、特許文献7に示すように酸素プラズマによりOH基を接合面に吸着させて表面活性化される方法であれば一度大気に暴露してもその後大気中または真空中で接合させることができる。続いて、真空中でその表面活性化された状態を維持して振動により接合させれば、付着物が無く、かつ、表面が活性化されているので従来、超音波や表面活性化方法だけでは接合できなかったものが接合可能となる。また、従来の表面活性化接合に比べ接合荷重も半分以下である100〜150MPa程度と実用可能なレベルへと低下できる。接合加重を落とせる例として金バンプを特許文献3に示すような常温接合する場合と振動を印加して接合する場合で比較する。金の金属突起を接合する場合、常温では300Mpa程度の高加圧力で押しつぶさないと接合できないことになる。このバンプが半導体回路面上にある場合は、一般的に200Mpa以上では回路によってはダメージを与えてしまう。振動を印加した場合においては150Mpaの荷重で接合が可能であった。また、バンプつぶれ代として1μm以上のバンプを押しつぶすことが必要であることが分かった。また、前述のようにパーティクルなどにより空隙が開いた界面においても、振動印加による膨張と収縮により空隙を接触させ、表面活性化しているので接触さえすれば接合できる。また、前記エネルギー波が減圧プラズマであり、減圧された真空チャンバー内で洗浄する前記に記載の方法からなる。また、前記エネルギー波が減圧プラズマであり、減圧プラズマ照射手段を備え、減圧された真空チャンバー内で洗浄する前記に記載の接合装置からなる。従来の常温接合では少しでも再付着があると接合できなくなるのに比べ、振動を併用するため、常温接合のように10−8〜10−5Torr程度の高真空である必要が無く、簡易な10−2Torr程度の低真空でも可能なため、量産性に適さないイオンビームや原子ビームでなく簡易なプラズマが使用できる。簡易な装置で可能となるため、設備のコストダウンと簡易化が可能となり、量産に適する。
(Item 20) The method according to any one of
(項21)前記エネルギー波が大気圧プラズマである項20に記載の方法からなる。また、前記エネルギー波照射手段が大気圧プラズマ照射手段である項20に記載の接合装置からなる。前記プラズマが大気圧プラズマであれば大気中でも使用でき容易である。また、OH基の付着や窒素置換など化学処理には好適である。
(Item 21) The method according to
(項22)前記エネルギー波が減圧プラズマであり、前記エネルギー波による洗浄工程と縦振動による接合工程を同一チャンバーで行う項20に記載の方法からなる。また、減圧チャンバーと減圧手段を備え、前記エネルギー波照射手段が減圧プラズマ照射手段であり、前記エネルギー波による洗浄工程と縦振動による接合工程を同一チャンバーで行う項20に記載の接合装置からなる。前記プラズマが減圧プラズマであれば、エッチング力も強く不純物を効率よく除去できる。また、同一チャンバー内で行うことにより表面活性化処理後、直ちに接合できるため、再付着や活性化が衰える前に接合することができる。また、被接合物のハンドリングが不要となるのでパーティクルの付着などを防ぐことができる。また、前記エネルギー波を照射しながら接触させる項20に記載の方法からなる。また、前記エネルギー波を照射しながら接触させるエネルギーは照射手段を持つ項20に記載の接合装置からなる。エネルギー波を照射しながら接合すれば接触直前まで表面は洗浄、活性化された状態であるのでより接合されやすい。特に活性化はダングリングボンドが消滅するまでに接合する必要があり、材料によっては短い時間で消滅してしまうものもある。また、少なくとも前記一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を+−両電界に切り替わるRFプラズマ電源またはパルス波によるプラズマ電源からなるプラズマで洗浄する前記または項20に記載の方法からなる。また、少なくとも前記一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を+−両電界に切り替わるRFプラズマ電源またはパルス波によるプラズマ電源からなるプラズマ照射手段からなるまたは項20に記載の接合装置からなる。また、前記RFプラズマのVdcが調整可能である、または、前記パルス波の幅が調整可能である前記に記載の方法からなる。また、前記RFプラズマのVdcが調整可能であるプラズマ電源を備え、または、前記パルス波の幅が調整可能であるプラズマ電源を備えた前記に記載の接合装置からなる。少なくとも一方の被接合物が半導体である場合などでは、+イオンや−電子が半導体の回路面に衝突すると、回路、特にゲート酸化膜などにチャージアップダメージを与えることになる。これを回避するために+イオンと−電子を交互に衝突させることにより電荷がチャージする前に中和させてしまうことができる。そうすることによりチャージアップダメージを回避することが可能となる。また、前記交番電源が1:5より均等に切り替わる方法及び接合装置からなる。交互に切り替わる比率としては1:5より均等であればチャージアップダメージを軽減できる。また、1:2より均等であればより好ましい。また、前記交番電源においてVdcが−値であり、+領域が20%〜40%である方法及び接合装置からなる。また、Arや酸素プラズマなどは+イオンとなるため、加速して洗浄面に衝突させエッチングするためには、被接合物を保持する電極は−電界である必要がある。そのため、Vdc値は−であることが好ましい。また、前記Vdc値を調整できる交番電源からなるプラズマである方法及び接合装置からなる。+−を均等にしすぎると+イオンが衝突する機会が減るため洗浄能力が減少する。また、−電子によるチャージアップダメージが発生する。そのため、アプリケーション毎に最適なVdc値を調整できるようにすることにより、チャージアップダメージを起こさず最適な洗浄能力を発揮することができ、効果がある。また、前記交番電源がRFプラズマである方法及び接合装置からなる。交番電源として交流からなるRFプラズマを使用することで交互に電界を+−切り替えることが容易にできる。また、前記Vdc値の調整で容易に+と−の割合を調整可能である。また、前記交番電源がパルス波からなるプラズマである方法及び接合装置からなる。交番電源としてパルス波を用いることができる。パルス波であれば急峻な立ち上がりと立ち下げが可能であり、洗浄能力もアップする。また、前記パルス波が+領域時間と−領域時間を調整可能な交番電源からなるプラズマである方法及び接合装置からなる。また、Vdc値の調整だけでなく、パルス幅や間隔を調整することで+−の割合や衝突時間を管理できるので交流であるRFよりより細かく設定が可能となり、最適な値を探し出しやすい。また、前記接合時に180℃以内に加熱する項20〜項22のいずれかに記載の方法からなる。また、前記接合時に180℃以内に加熱する加熱手段を備えた項20〜項22のいずれかに記載の接合装置からなる。接合時に加熱を併用することで接合マージンがアップする。また、従来常温では接合できなかったものも接合可能となる。特に活性化時間の短いものは再付着も早く、加熱併用することで接合界面での粒界拡散がし易くなり接合し易くなる。従来の低温接合は鉛錫ハンダが183℃であるのでそれ以下の温度で接合できることは有効である。また、150℃以下、100℃以下での接合も可能で好ましい。また、室温であればさらに良い。特に金であれば室温で接合し易く好ましい。
(Item 22) The method according to
(項23)また、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体ウエハーまたはチップである項1〜項22のいずれかに記載の方法からなる。また、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体ウエハーまたはチップである項1〜項22のいずれかに記載の接合装置からなる。本発明は、半導体の電極となる金属突起部の下層金属部は超音波振動によりマイクロクラックが入りダメージを帯び易く、高精度実装が望まれる半導体チップ実装の分野に特に好適である。被接合物が電極となるバンプを設けた半導体ウエハーやチップであると、接合部は多数の突起部分となるため、一気に全面積を接合する面接合に比べ、個々の突起バンプにおいて順次超音波接合を進めることができるので振動接合に適する。
(Item 23) Further, the method includes the method according to any one of
(項24)前記被接合物が面で接合するウエハーからなる項8〜項22のいずれかに記載の方法からなる。また、前記被接合物が面で接合するウエハーからなる項8〜項22のいずれかに記載の接合装置からなる。特にウエハー同士の張り合わせにおいて、通常のウエハーには0.2μm以上のパーティクルが10個以上存在し、これは既製品のカタログにもうたわれている値である。そのため、実際にウエハー同士を低温固層で接合すると10mm程度の大きさのボイドが数カ所に残ってしまうので本方式は特に有効である。
(Item 24) The method according to any one of
(項25)前記項1〜項24のいずれかに記載の方法で作られたウエハーまたはチップからなる半導体デバイスまたはMEMSデバイスからなる。MEMSデバイスにおいては、接着剤を使用しない構造物としての接合が要望され、また、アクチュエータ部分を封止する構造からガスが発生する接着剤を使用しない面接合する要望が高い。また、高精度な位置決めが要望される。また、半導体デバイスにおいても耐熱の問題と微細ピッチでの電極の接合から、高精度な位置決めされた常態での接合から、低温での接合が要望されている。これらデバイスには本発明が好適である。
(Item 25) A semiconductor device or a MEMS device including a wafer or a chip manufactured by the method according to any one of
上記のような本発明に係る接合方法及び装置においては、被接合物同士を振動印加して接合する接合装置において、縦振動を使用することで、均一な接合を得、位置ずれの無い高精度な実装が可能となる。また、振幅を1μm以内にすることや、弾性材を被接合物保持手段先端に取り付けることにより、ダメージを軽減できる。また、エネルギー波による表面活性化による常温接合において、縦振動を使用する本発明は、常温接合における高加圧力の課題を解決し、かつ、1μm以内の高精度実装も達成できる。また、チャンバー構造を不要とし大気中での接合が可能となる。本発明は、特にダメージを帯び易く、高精度実装が望まれる半導体チップ実装の分野に特に好適である。 In the above-described joining method and apparatus according to the present invention, in the joining apparatus for joining the objects to be joined by vibration, by using longitudinal vibration, uniform joining is obtained, and high accuracy without positional deviation is obtained. Implementation becomes possible. Moreover, damage can be reduced by setting the amplitude within 1 μm or attaching an elastic material to the tip of the object holding means. Further, in the normal temperature bonding by surface activation by energy waves, the present invention using the longitudinal vibration can solve the problem of high pressurization in the normal temperature bonding and can achieve high precision mounting within 1 μm. Further, the chamber structure is not required and bonding in the atmosphere is possible. The present invention is particularly suitable for the field of semiconductor chip mounting that is particularly easily damaged and requires high-precision mounting.
また、従来ひとつの振動子を直列につなぐ方法が一般的であるが、複数を並列に接続することでエネルギーを増大させることができ大面積の振動が可能となる。また、振動子となるピエゾアクチュエータを並列に複数配置することでたわみを防止し、高いエネルギーで大面積を高荷重のもと振動させることが可能となる。また、従来2次元的な動きしかできなかったものが、並列に複数個所で受けることで3次元的な動作が可能となる。これは接合における低荷重化やボイド削減に有効である。また、主に扱うウエハーなどの大面積で高荷重が必要なものに対して有効な構造である。 Conventionally, a method of connecting one vibrator in series is generally used, but by connecting a plurality of vibrators in parallel, energy can be increased and large-area vibration can be achieved. Further, by arranging a plurality of piezoelectric actuators serving as vibrators in parallel, it is possible to prevent deflection and vibrate a large area with high energy under a high load. In addition, what was conventionally only capable of two-dimensional movement can be subjected to a three-dimensional operation by receiving it at a plurality of locations in parallel. This is effective for reducing the load and reducing voids in joining. In addition, this structure is effective for a large area requiring a high load such as a wafer to be handled mainly.
以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に本発明の一実施形態に係る超音波振動接合装置を示す。超音波振動の伝達を説明する上で共振器側から振動が伝わる被接合物の順を第1、第2と呼ぶこととする。この実施形態では第1の被接合物であるチップ20と第2の被接合物である基板22を接合するための装置を例として上げる。チップ20の接合面には接続端子である金属突起21を多数有する。基板22の接合面には接続端子である金属パッド23が金属突起21に対向した位置に配している。チップ側金属突起21と基板側金属パッド23が超音波振動により接合されることにより、チップ20が基板22に面実装される。
超音波振動接合装置は、大まかには、上下駆動機構25とヘッド部26とステージ10とステージテーブル12からなる接合機構27、位置認識部29、架台フレーム13,搬送部30、制御装置24からなる。上下駆動機構25は上下駆動モータ1とボルト・ナット機構2により、上下ガイド3でガイドされながらヘッド部26を上下動させる。ヘッド部26は、ヘッド逃がしガイド5で上下方向にガイドされ、自重をキャンセルし、加圧力検出手段32に押しあてるためのヘッド自重カウンター4に牽引された状態で加圧力を検出する加圧力検出手段32と上下駆動機構に接地されている。ヘッド部26は、チップ20を吸着保持する被接合物保持手段7、被接合物保持手段の振動を阻害しないかたちで被接合物保持手段を保持する被接合物保持手段保持部6により構成されている。また、被接合物保持手段内部には被接合物保持手段ヒータ9が埋設されている。実装機構28は、基板22を吸着保持するステージ10、チップと基板の位置をアライメントするための平行移動、回転移動の移動軸を持ったステージテーブル12により構成される。また、ステージ10内部にはステージヒータ11を内蔵する。実装機構と接合機構は架台フレーム13により連結されている。位置認識部29は、相対されたチップと基板間に挿入して、上下のチップと基板各々の位置認識用のマークを認識する上下マーク認識手段14、上下マーク認識手段14を水平及び/又は上下移動させる認識手段移動テーブル15から構成される。また、振幅検出手段33が上下マーク認識手段14の先端に設けられており、認識手段移動テーブル15により任意の位置へ移動して振動物の測定が可能である。また、第1、第2の被接合物双方の振幅を測定する場合には、複数の振幅検出手段を設けることもある。また、上下マーク認識手段14の先端に設置できない場合は、架台フレーム13から別途設置しても良い。搬送部30は基板22を搬送する基板搬送装置16、基板搬送コンベア17及びチップ20を搬送するチップ供給装置18、チップトレイ19からなる。制御部31は、装置全般の制御と操作部を備える。特に加圧力制御においては、加圧力検出手段32からの信号により上下駆動モータ1のトルクを制御し、接合に関する加圧力をコントロールする。
次に、一連の動作を説明する。チップ20はチップ供給装置18によりチップトレイ19から被接合物保持手段7に供給され、吸着保持される。基板22は、基板搬送装置16により基板搬送コンベア17からステージ10に供給され、吸着保持される。接合面を対向保持されたチップ20と基板22の間に上下マーク認識手段14が認識手段移動テーブル15により挿入され、対向するチップ20と基板22各々の位置合わせマークを上下マーク認識手段14により位置認識する。チップ20を基準として基板22の位置をステージテーブル12により平行移動及び/又は回転移動方向へアライメント移動する。両接合位置が整合された状態で、ヘッド部26は上下駆動機構25により下降され、チップ20と基板22が接地される。ヘッド部26の高さ方向の位置はヘッド高さ検出手段24により検出されている。チップ20と基板22の接地タイミングは加圧力検出手段32により検出され、上下駆動モータは位置制御からトルク制御へと切り替えられる。モータのトルクにより一定の加圧力が両被接合物間に加えられた状態で、超音波接合を開始する。トルク制御に切り替えられている接合中においてもヘッド高さはヘッド高さ検出手段24によりモニタされている。超音波接合完了後、チップ20の吸着は解除され、基板22側にチップ20が実装された状態でステージ上に残る。これを再び基板搬送装置16により基板搬送コンベア17へ排出して一連動作は終了する。
また、接合課程において、振幅検出手段33により振動物の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御したり、接合面積に比例した加圧力及び/又は超音波振動エネルギーを増大させる。振動物の測定個所として被接合物保持手段、第1の被接合物、第2の被接合物を測定できる。また、接合面積はその時の加圧力と超音波振動エネルギーが分かっているので振動物の振幅から推定できる。
FIG. 1 shows an ultrasonic vibration bonding apparatus according to an embodiment of the present invention. In explaining the transmission of the ultrasonic vibration, the order of the objects to be joined from which the vibration is transmitted from the resonator side is referred to as first and second. In this embodiment, an apparatus for bonding the
The ultrasonic vibration bonding apparatus roughly includes a vertical driving mechanism 25, a head unit 26, a bonding mechanism 27 including a
Next, a series of operations will be described. The
Further, in the joining process, the amplitude of the vibrating object is measured by the
事前にネルギー波により接合面を洗浄し、活性化させて接合する場合には、特許文献3、特許文献4に示されるように図1の装置をチャンバーで覆い、洗浄部を設けることで可能となる。また、接合状態も超音波を印加するので特にチャンバー構造としなくとも大気中で可能となる。洗浄においても大気圧プラズマを使用すれば全て大気中で可能となる。
本方式が特に適する場合は、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである。半導体の電極となる金属突起部の下層金属部は超音波振動によりマイクロクラックが入りダメージを帯びやすい。また、好ましくは1μm以内の高精度な実装精度を要求される。そのため、本方式は特に適する。
これらの縦振動を使用した接合装置におけるヘッド構造としては、図2に示す50%以上縦振動を含む効率的な、振動子、被接合物保持手段、被接合物が縦に配列されたタイプがある。それ以外では、10%以上の縦振動を含む被接合物保持手段を揺動させるタイプとして次の2つのものが使用できる。まず、図4に示す、振動子、被接合物保持手段がキャピラリー方式である構造からなる。また、図3に示す、複数の振動子が縦型被接合物保持手段の鉛直周辺に配置された複合型振動ヘッドである構造からなる。
一実施形態としてチップと基板における実施形態を説明したが、被接合物は半導体以外の材料でも良い。また接合部は金、Al、銅、などが適するが、その他の金属や金属以外のものでも超音波振動で接合できるものであれば良い。
エネルギー波とは特許文献3,特許文献4に示すように、プラズマ、イオンビーム、原子ビーム、ラジカルビーム、レーザのいずれかを用いることができる。また、大気中でのプラズマ洗浄も含む。また、接合状態も振動を印加するので特にチャンバー構造としなくとも大気中で可能となる。
また、接合状態も振動を印加するので特にチャンバー構造としなくとも大気中で可能となる。洗浄においても大気圧プラズマを使用すれば全て大気中で可能となる。
弾性材は被接合物保持手段の先端に取り付けたが、取り付け方法は、接着やコーティングなどいかなる方法であっても良い。また、第1の被接合物の表面に取り付ける場合や、被接合物保持手段と第1の被接合物の間にシートなどの形態として供給する場合も本発明に含む。
特許文献5に超音波ホーンとチップ間に干渉部材の挿入例が示されているが、これはあくまで第1、第2被接合物の厚みばらつきや傾きを吸収するものであり、また、ホーンの構造は特許文献1,特許文献2と同様に横振動を主とするものであり、縦振動を吸収するものでは無い。
チップはチップ、ウエハーなどどのような形態であっても良い。また、金属突起は個々に独立した複数の形状であっても良いし、ある領域を閉じ込めたつながった形状であっても良い。また、全面が接合面であっても良い。
接合する被接合物の被接合物保持手段側を第1の被接合物、ステージ側を第2の被接合物と呼ぶが、その配置構成は上下左右どちら向きでも良い。また、2つ以上の被接合物を重ね合わせて接合しても良い。
第1、第2の被接合物間の振幅を求めるためには、複数の振幅検出手段を設けて同時に測定することが好ましいが、1つの振幅検出手段で順番に第1、第2の被接合物を測定した後、同じ時間軸上での振幅差を計算することもできる。また、第1、第2の被接合物が薄く片側から複数の振幅検出手段を設けることが難しい場合は両サイドから個別にセットすることもできる。
In the case where the bonding surface is cleaned in advance with energy waves and activated and bonded, as shown in
When this method is particularly suitable, the object to be bonded is provided with metal protrusions on at least one object to be bonded, and at least one object to be bonded is a semiconductor chip. The lower metal part of the metal projection that becomes the semiconductor electrode is easily damaged by microcracks due to ultrasonic vibration. Further, a high mounting accuracy within 1 μm is required. Therefore, this method is particularly suitable.
As a head structure in the joining apparatus using these longitudinal vibrations, there is an efficient type including a vibrator, an object holding means, and an object to be joined that are vertically arranged including 50% or more of the longitudinal vibration shown in FIG. is there. Other than that, the following two types can be used as the type for swinging the object holding means including 10% or more of longitudinal vibration. First, the vibrator and the object holding means shown in FIG. 4 have a capillary type structure. Moreover, it consists of a structure which is a composite type vibration head shown in FIG. 3 in which a plurality of vibrators are arranged in the vertical periphery of the vertical type object holding means.
Although the embodiment of the chip and the substrate has been described as an embodiment, the object to be bonded may be a material other than a semiconductor. In addition, gold, Al, copper, and the like are suitable for the joint, but any other metal or other metal may be used as long as it can be joined by ultrasonic vibration.
As the energy wave, as shown in
In addition, since the vibration is applied to the bonding state, it is possible in the atmosphere even without using a chamber structure. Even in cleaning, if atmospheric pressure plasma is used, all can be performed in the atmosphere.
The elastic material is attached to the tip of the object holding means, but the attachment method may be any method such as adhesion or coating. In addition, the present invention includes a case where it is attached to the surface of the first object to be bonded or a case where it is supplied as a sheet or the like between the object holding means and the first object to be bonded.
The chip may be in any form such as a chip or a wafer. The metal protrusions may have a plurality of independent shapes, or may have a connected shape confining a certain region. Further, the entire surface may be a bonding surface.
The bonded object holding means side of the bonded objects to be bonded is referred to as a first bonded object and the stage side is referred to as a second bonded object. Two or more objects to be joined may be overlapped and joined.
In order to obtain the amplitude between the first and second objects to be bonded, it is preferable to provide a plurality of amplitude detecting means and measure simultaneously, but the first and second objects to be bonded in order by one amplitude detecting means. After measuring an object, the amplitude difference on the same time axis can also be calculated. If the first and second objects to be joined are thin and it is difficult to provide a plurality of amplitude detecting means from one side, they can be individually set from both sides.
以下に本発明の望ましい第2の実施の形態について、図面を参照して説明する。図6に本発明の一実施形態に係る表面活性化後に減圧中で振動印加して接合する接合装置を示す。この実施形態では第1の被接合物である上ウエハーと第2の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。 A preferred second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 6 shows a joining apparatus for joining by applying vibration in a reduced pressure after surface activation according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the apparatus is exemplified as an apparatus for bonding an upper wafer as a first object to be bonded and a lower wafer as a second object to be bonded.
まず、装置構成について記述する。ヘッド107の一部である上ウエハーを保持する保持ツール125と下ウエハーを保持するステージ108が減圧チャンバー111中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ101が連結されたZ軸昇降機構102とZ軸昇降機構102を回転させるθ軸機構103と、ヘッド部をXY水平方向へアライメント移動させるXYアライメントテーブル106により、X、Y、θ方向のアライメント移動手段とZ方向の昇降手段からなる。保持ツール保持部124中に配置された圧力検出手段104により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ101にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、図8,10,11に示すように、圧力検出手段104は圧力検出素子131を円周上に等間隔に3箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。ヘッド荷重制御に使用する場合は、3つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、被接合物同士の接触検出にも利用できる。XYアライメントテーブル106は真空中でも使用できる手段を使用するが、Z、θ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、ベローズ105により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ステージ108は接合位置と待機位置間をスライド移動手段129によりスライド移動することができる。スライド移動手段には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。また、移動手段としては、減圧チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することが可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することでも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であっても良い。ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の3つの機能を備える。
First, the apparatus configuration will be described. A holding
図8,10,11に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ130が円周上に3箇所配置され、平行調整を行う。また、ヘッド部は接合時に超音波領域を含む振動を併用するため、ヘッド107は保持ツール保持部124、保持ツール125、振動子126から構成され、振動子による振動が保持ツールに伝達され、振動を保持ツールが保持する被接合物へ伝達する。図8に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ130は並列に3箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など3次元的な動作をさせることができる。保持ツール保持部は保持ツールや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。また、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を接合する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。
As shown in FIGS. 8, 10, and 11, at least one of the holding tools is provided with three
減圧手段としては、排気管115に真空ポンプ117がつながれ、排気弁116により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管118に吸入ガス切り替え弁120が連結され吸気弁119により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを2種類連結でき、例えばArと酸素や酸素と窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁119と排気弁116の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。
As the decompression means, a
アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に1つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や2つのマークを1視野内に配置することで1つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に2つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やIR(赤外)光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。ステージ待機位置で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、ヘッド側でX、Y、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μm程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、IR(赤外)兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度X、Y、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はXY方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なZ移動量は最低限の数μm以内となるため、Z移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。 An alignment mark recognizing unit comprising an alignment optical system is disposed outside the decompression chamber above the stage standby position and below the head. The number of recognition means should be at least one on the stage and head side. If a small object such as a chip is to be recognized, the shape of the alignment mark can also read the θ direction component and two marks within one field of view. Although it is possible to read sufficiently even with one recognition means by arranging, it is possible to read with high accuracy in the θ direction when two large ones in the radial direction such as a wafer are arranged at both ends as in this embodiment. It is preferable because it is possible. Further, the recognition means may be provided with means that can move in the horizontal direction or the focal direction so that the alignment mark at an arbitrary position can be read. The recognition means is a camera with an optical lens made of, for example, visible light or IR (infrared) light. A window made of a material, for example, glass, that can be transmitted through the optical system of the recognition means is disposed in the decompression chamber, and the alignment mark of the object to be bonded in the decompression chamber is recognized through the window. For example, alignment marks are provided on the surfaces of the upper wafer and the lower wafer facing each other on the object to be bonded so that they can be recognized with high positional accuracy. The alignment mark preferably has a specific shape, but a part of a circuit pattern or the like provided on the wafer may be used. Further, when there is no mark, an outline such as an orientation flat can be used. Both alignment marks on the upper and lower wafers are read at the stage standby position, the stage is moved to the bonding position, and the alignment is moved in the X, Y, and θ directions on the head side. In order to reflect the reading result of the standby position at the joining position, it is necessary to have an accuracy so that the relative movement distance vectors of the standby position of the stage and the joining position are repeatedly the same. For this reason, a guide having a high repeatability is used, and a linear scale that reads position recognition on both sides with high accuracy is arranged. If the linear scale is fed back to the moving means to improve the stopping position accuracy and the moving means is a simple cylinder or backlash like a bolt / nut mechanism, the linear scale should be Therefore, it is possible to easily achieve high accuracy by making corrections by taking into account when the head-side alignment moving means is moved. For fine alignment with high accuracy at the nano level, after rough positioning, the head side recognition means is used for both visible light and IR (infrared) with the upper wafer and lower wafer close to about a few μm. By using a recognition means and providing a transmission hole or transmission material at the position of the alignment mark on the stage, the alignment mark on both wafers is transmitted through the stage from the bottom and transmitted through the infrared rays, and is simultaneously recognized. , Θ direction can be aligned. When the recognition means has a movement means in the focal direction, it can be recognized separately in the upper and lower directions, but it is more preferable in terms of accuracy to make the recognition close and simultaneously recognize. When fine alignment is performed, accuracy can be improved by repetitive alignment. In addition, since the θ direction is affected by the runout, the accuracy is reduced to the nano level by performing alignment only in the XY direction after entering within a certain range. It can be improved. By using a sub-pixel algorithm as an image recognition means, it is possible to obtain recognition accuracy that is higher than the infrared resolution. In addition, if they are aligned close to each other, the amount of Z movement required at the time of bonding will be within a minimum of a few μm, so the backlash and inclination with respect to Z movement can be kept to a minimum and high-precision nano-level alignment accuracy is achieved. Can be achieved.
次に動作フローを図7を参照しながら解説する。まず、1に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に2に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。不純物を取り除くために10−3Torr以下に減圧することが好ましい。続いて3、4に示すように、プラズマ反応ガスである例えばArを供給し、例えば10−2Torr程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ電源を印加し、プラズマを発生させる。発生されたプラズマイオンは電源側に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。また、酸素や窒素を反応ガスとして使って親水化処理し、OH基により表面活性化することもできる。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、1つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。続いて5に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて6に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は7に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μm程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、IR(赤外)兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度X、Y、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はXY方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて8に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被接合物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、表面活性化する前に事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させることもできる。次に前述のような3次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接合界面での応力が増加することにより低荷重で接合が進む。加圧力は接合面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、ウエハーのようにお互いに密着し合う面形状をした被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、低温で固層のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。これを除去するには接合時に振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、界面の隙間からなる空隙においても振動を印加することで膨張収縮させ、空隙を接触させることで、すでに表面活性化された界面は接合されるようになり、ボイドが軽減する。超音波振動では面同士は接合できないが、接合力は表面活性化によって接合されるので振動は、パーティクルを粉砕及び/又は埋没させ、また、空隙を接触させるために使用する。真空中であるのでパーティクルさえ無くなれば隙間なく接合することができる。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。また、残留応力を除去したり接合強度をアップするために振動接合後、加熱する場合は、常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することもできる。続いて9に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて10に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて11に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。 Next, the operation flow will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 1, the upper wafer and the lower wafer are held on the stage and the head while the front door of the decompression chamber is opened. This may be done manually, but may be automatically loaded from the cassette. Next, as shown in 2, the front door is closed and the pressure in the vacuum chamber is reduced. In order to remove impurities, the pressure is preferably reduced to 10 −3 Torr or less. Subsequently, as shown in 3 and 4, for example, Ar, which is a plasma reaction gas, is supplied, and a plasma power source is applied to the plasma electrode at a certain degree of vacuum, for example, about 10 −2 Torr to generate plasma. The generated plasma ions collide toward the surface of the wafer held on the power source side, and surface deposits such as an oxide film and an organic layer are etched to activate the surface. Alternatively, oxygen or nitrogen can be used as a reactive gas to make the surface hydrophilic, and the surface can be activated by OH groups. Both wafers can be cleaned at the same time, but can also be cleaned alternately by switching one matching box. Subsequently, as shown in 5, the alignment marks on the upper and lower wafers are read in vacuum by the recognition means on the head side and the stage side at the stage standby position to recognize the positions. Subsequently, as shown in 6, the stage slides to the joining position. The relative movement between the recognized standby position and the sliding joint position at this time is performed with high accuracy using a linear scale. When nano-level high accuracy is required, the process shown in 7 is added. After rough positioning, visible light and IR (infrared) recognition means are used as the head side recognition means with the upper wafer and the lower wafer brought close to each other by several μm. By providing a hole and a transmission material, the alignment marks on both wafers can be simultaneously recognized through the stage from below, and alignment in the X, Y, and θ directions can be performed again. In this case, it is possible to improve accuracy by repeatedly aligning, and the θ direction is affected by the runout, so after entering within a certain range, the accuracy can be improved to the nano level by performing alignment only in the XY direction. . Subsequently, as shown in FIG. 8, the head is lowered, both the wafers are brought into contact with each other, and pressure is switched from position control to pressure control. In a state where the contact is detected by the pressure detection means and the height position is recognized, the value of the pressure detection means is fed back to the torque control type lifting drive motor to control the pressure so as to become the set pressure. In a state where initial pressurization is applied, first, parallel adjustment is performed between the upper and lower workpieces by a piezo actuator so that the values of the pressure elements arranged at equal intervals on the circumference are uniform. If high-precision positioning is required, parallel adjustment can be performed in advance before surface activation, and the value can be stored and contacted in a state of parallel adjustment. Next, arbitrary vibration including the three-dimensional operation as described above is applied, and the stress at the bonding interface increases, so that the bonding proceeds with a low load. It is preferable to increase the applied pressure in proportion to the increase in the bonding area. In addition, there are particles that become small dust on the bonding surface of objects to be bonded that are in close contact with each other like a wafer, and when bonded as a solid layer at low temperature, gaps are created around the particles, and large voids and Will not be joined. In order to remove this, by applying vibration at the time of joining, since stress concentrates on the particle part, it can be crushed or buried in the base material. In addition, by applying vibration to the gap formed by the gap at the interface, the interface is already activated by bringing the gap into contact with the gap, thereby reducing the voids. The surfaces cannot be joined by ultrasonic vibration, but since the joining force is joined by surface activation, the vibration is used to pulverize and / or bury the particles and to contact the voids. Since it is in a vacuum, it can be joined without a gap if there are no particles. Further, heating is applied at the time of joining as necessary. In addition, in the case of heating after vibration bonding in order to remove residual stress or increase bonding strength, heating can be performed in a state where accuracy is maintained by raising the temperature after contacting at normal temperature. Subsequently, as shown in 9, the head side holding means is released and the head is raised. Subsequently, as shown at 10, the stage is returned to the standby position, and the inside of the decompression chamber is released to the atmosphere. Subsequently, as shown at 11, the front and rear wafers are taken out by opening the front door. Although it may be manual, it is preferable to automatically unload the cassette.
前記実施例では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。ウエハーのような大きな接合面積であれば、被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。 In the above embodiment, the wafer is raised as the object to be bonded, but it may be a chip and a substrate. As long as the bonding area is large, such as a wafer, the object to be bonded is not limited to a wafer, a chip, and a substrate, and may have any shape.
振動ヘッドをヘッドとは別にステージ待機位置とヘッド位置の中間に配置し、アライメントして上部被接合物と下部被接合物をヘッドで装着した後、ステージを移動させ、振動ヘッドにより上部より加圧、振動を印加して接合しても良い。そうすることで保持ツールで被接合物を保持する手段やプラズマ電極機能が不要となり、保持ツールの設計が容易になる。 Separately from the head, the vibration head is placed between the stage standby position and the head position, aligned, and after the upper and lower objects are mounted on the head, the stage is moved and pressurized from above by the vibration head. Alternatively, bonding may be performed by applying vibration. By doing so, the means for holding the object to be joined by the holding tool and the plasma electrode function become unnecessary, and the design of the holding tool becomes easy.
また、プラズマ洗浄を別装置で行い、本装置では接合だけを行ってもよい。その場合はステージの待機位置への移動手段は不要となる。 Further, plasma cleaning may be performed with another apparatus, and only bonding may be performed with this apparatus. In that case, the means for moving the stage to the standby position becomes unnecessary.
被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。 The holding means for the object to be joined is preferably an electrostatic chuck method, but may be a mechanical chucking method. In addition, a method of mechanically chucking after first vacuum-sucking and adhering in the atmosphere is preferable because adhesion is improved.
実施例ではヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。 In the embodiment, the head side has an alignment moving means and a lifting shaft, and the stage side has a slide shaft. However, the alignment moving means, the lifting shaft, and the slide shaft may be combined in any way on the head side and the stage side. It may be duplicated. Further, even if the head and the stage are not arranged vertically, it does not depend on the arrangement direction, such as left and right arrangement or diagonal.
ステージをスライドさせた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト、コストダウンを達成できる。 When plasma cleaning is performed while the stage is slid, the electric field environment is similar because the electrode shape of the head and the stage and the surrounding shape are similar. Therefore, the matching box for automatically adjusting the plasma power source can be switched to the head side and the stage side sequentially by switching the electrodes by one without using an individual one. By doing so, compactness and cost reduction can be achieved.
振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。 The vibration frequency may not be in the ultrasonic region. Especially in the case of the longitudinal vibration type, the effect is sufficiently exhibited even at a low frequency.
本実施例ではArプラズマによる表面活性化を上げたが、酸素や窒素を反応ガスとしてプラズマを使用し、親水化により表面をOH基で表面活性化させ、水素結合させ、加熱により強固に共晶結合させる方法も使用できる。本方式は特にSiやガラス、SIO2、セラミック系を含む酸化物に有効である。 In this example, the surface activation by Ar plasma was increased, but plasma was used with oxygen or nitrogen as a reaction gas, the surface was activated with OH groups by hydrophilization, hydrogen-bonded, and strongly eutectic by heating. Bonding methods can also be used. This method is particularly effective for oxides including Si, glass, SIO2, and ceramics.
図11に示すようにピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置したが、図8に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置した方が、被接合物を介して検出できるので好ましい。また、図10に示すようにピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、図10や図11のように支柱で連結して支柱をOリングで封止し、圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置することで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。 As shown in FIG. 11, it is arranged to be held on the same side as the piezo actuator, but when the pressure detecting element is arranged on the stage side facing the piezo actuator as shown in FIG. It is preferable because it is possible. Further, as shown in FIG. 10, the piezoelectric actuator and the pressure detection arrangement may be reversed. Also, as shown in FIG. 10 and FIG. 11, the support is connected with a support and the support is sealed with an O-ring, and the pressure detection element is arranged outside the decompression chamber, so that it is not subject to drift due to temperature change, so that it can be detected with high accuracy. it can.
平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。また、表面活性化して接合する場合は、表面活性化処理前に平行調整しておく必要がある。 As the timing of parallel adjustment, a value adjusted in advance can be held. Further, it can be performed more precisely by performing parallel adjustment at each contact or by correcting at the time of pressurization. In addition, when it is necessary to align with high accuracy, it is preferable to perform parallel adjustment before alignment. Moreover, when joining by surface activation, it is necessary to adjust in parallel before surface activation processing.
1 上下駆動モータ
2 ボルト・ナット機構
3 上下ガイド
4 ヘッド自重カウンター
5 ヘッド逃がしガイド
6 被接合物保持手段保持部
7 被接合物保持手段
8 振動子
9 被接合物保持手段ヒータ
10 ステージ
11 ステージヒータ
12 ステージテーブル
13 架台フレーム
14 上下マーク認識手段
15 認識手段移動テーブル
16 基板搬送装置
17 基板搬送コンベア
18 チップ供給装置
19 チップトレイ
20 チップ
21 金属突起
22 基板
23 金属パッド
24 ヘッド高さ検出手段
25 上下駆動機構
26 ヘッド部
27 接合機構
28 実装機構
29 位置認識部
30 搬送部
31 制御装置
32 加圧力検出手段
33 振幅検出手段
34 弾性材
101 トルク制御式昇降駆動モータ
102 Z軸昇降機構
103 θ軸回転機構
104 圧力検出手段
105 ベローズ
106 XYアライメントテーブル
107 ヘッド
108 ステージ(プラズマ電極、ヒータ、保持手段)
109 下ウエハー
110 上ウエハー
111 減圧チャンバー
112 ヘッド側ウエハー認識カメラ
113 ステージ側ウエハー認識カメラ
114 ガラス窓
115 排気管
116 排気弁
117 真空ポンプ
118 吸気管
119 吸気弁
120 吸入ガス切り替え弁
121 Ar
122 O2
123 大気
124 保持ツール保持部
125 保持ツール(プラズマ電極、ヒータ、保持手段)
126 振動子
127 上アライメントマーク
128 下アライメントマーク
129 スライド移動手段
130 ピエゾアクチュエータ
131 圧力検出素子
137 支柱
DESCRIPTION OF
101 Torque Control Type Elevating Drive Motor 102 Z
109
122 O2
123 Atmosphere 124
126
Claims (50)
49. The bonding apparatus according to any one of claims 33 to 48, wherein the object to be bonded includes a wafer bonded on a surface.
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