JP2007335527A - 半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】バンプ同士の接触を正確に検知可能とすると共に、オーバーシュートによりバンプをつぶしすぎて隣り合うバンプと短絡するという不具合をなくし、安定したフリップチップボンディングを行なうことを簡単な機構で可能にする半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法。
【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造装置は、基板が配置されるステージ17と、ステージ17に向けて進退可能に設けられた可動部材27と、可動部材27に設けられた弾性部材3と、弾性部材3によってステージ17に向けて進退可能に支持され、チップSを吸着可能なチップ吸着手段1と、チップ吸着手段1をステージ17に向けて押圧可能な押圧手段14と、可動部材27に設けられ、ステージ17側からチップ吸着手段1と当接することによりチップ吸着手段1のステージ17に近接する方向の変位を規定可能なストッパ6と、可動部材27の駆動する駆動手段8と、駆動手段8の動作を制御する制御部70とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造装置は、基板が配置されるステージ17と、ステージ17に向けて進退可能に設けられた可動部材27と、可動部材27に設けられた弾性部材3と、弾性部材3によってステージ17に向けて進退可能に支持され、チップSを吸着可能なチップ吸着手段1と、チップ吸着手段1をステージ17に向けて押圧可能な押圧手段14と、可動部材27に設けられ、ステージ17側からチップ吸着手段1と当接することによりチップ吸着手段1のステージ17に近接する方向の変位を規定可能なストッパ6と、可動部材27の駆動する駆動手段8と、駆動手段8の動作を制御する制御部70とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、チップのバンプと基板のバンプとを接合して半導体を製造する半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法に関する。
従来から、チップと基板とを接続するボンディング装置が知られている(下記特許文献1参照)。
一般に、ボンディング装置は、チップを吸着するチップ吸着手段と、基板が配置されるボンディングステージと、バンプを加熱する加熱手段と、チップ吸着手段をボンディングステージに向けて進退させる駆動手段と、チップ吸着手段に加わる外力を測定するロードセルとを備えている。
このようなボンディング装置を用いて、チップと基板とをボンディングするには、まず、チップを吸着した状態で、チップ吸着手段がボンディングステージに向けて下降する。
ここで、チップのバンプと基板のバンプとが接触すると、チップ吸着手段に僅かな外力が加えられ、この外力の変動をロードセルが感知することにより、チップと基板との接触を検出する。チップと基板とが接触すると、チップ吸着手段の下降が停止し、加熱手段が駆動する。そして、加熱手段の温度が所定温度以上となると、チップ吸着手段が僅かに下降して、その後、チップの吸着を停止して釈放し、チップと基板とをボンディングする。
このような従来のボンディング装置においては、チップ吸着手段は、リニアガイドによって案内されるため、ロードセルが感知する外力には、リニアガイドの摩擦による摩擦力も含まれる。
この摩擦力は、変動するもので、チップと基板とが接触することにより生じる外力変動を正確にセンシングするのは、非常に困難なものとなっている。
そこで、従来から、チップと基板との接触を正確にセンシングするための工夫がなされたボンディング装置が各種提案されている(特許文献2、3参照)。
たとえば、特開2004−319599号公報に記載されたボンディング装置は、チップを吸着するキャピラリと、キャピラリの外側に配置され、キャピラリとの隙間が密封されると共に、板バネによって支えられた支持部材とを備えている。
このボンディング装置は、チップに押圧力を印加する機構には、リニア軸受等の摩擦を伴う機構が含まれていないため、非常に微小な押圧力を高精度に制御することができる。
特開平11−297749号公報
特開2004−319599号公報
特開平11−340273号公報
上記特開2004−319599号公報に記載されたボンディング装置においては、フリップチップを保持しているツールの下降を電気的に制御しているため、フリップチップの導電性のバンプと配線基板を接触させ加熱し接着する時に、所定のボンディング荷重でフリップチップを配線基板に押し付けながらフリップチップの高さの制御を行なうことは困難であり、たとえば、オーバーシュートにより隣接するバンプがつぶれすぎて回路を短絡させたり、荷重不足により半田の接合不良などが起こることがあった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、チップに押圧力を印加する機構に、リニア軸受等の摩擦を伴う機構を含めずに、微小な押圧力を高精度に制御可能として、バンプ同士の接触を正確に検知可能とすると共に、オーバーシュートによりバンプをつぶしすぎて隣り合うバンプと短絡するという不具合をなくし、安定したフリップチップボンディングを行なうことを目的とする。また、フリップチップボンディングを簡単な機構で可能にすることを目的とする。
本発明に係る半導体装置の製造装置は、基板が配置されるステージと、ステージに向けて進退可能に設けられた可動部材と、可動部材に設けられた弾性部材と、弾性部材によってステージに向けて進退可能に支持され、チップを吸着可能なチップ吸着手段と、チップ吸着手段をステージに向けて押圧可能な押圧手段と、可動部材に設けられ、ステージ側からチップ吸着手段と当接することによりチップ吸着手段のステージに近接する方向の変位を規定可能なストッパと、可動部材を駆動する駆動手段と、駆動手段の動作を制御する制御部とを備える。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、チップをチップ吸着手段に吸着させる工程と、チップを基板に向けて移動させて、チップのバンプと基板のバンプとを接触させる工程と、チップのバンプと基板のバンプとを接触させた際に、チップ吸着手段を基板に向けて押圧する工程と、バンプ同士が接触し、チップ吸着手段が基板に向けて押圧した状態で、バンプを加熱して、バンプ同士を溶融する工程と、バンプ同士を溶融した後に、さらに、チップ吸着手段を基板に向けて所定距離だけ移動させた後に、ストッパにチップ吸着手段が当接して停止する工程とを備える。
本発明に係る半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法によれば、チップに押圧力を印加する機構に、リニア軸受等の摩擦を伴う機構を含めずに、微小な押圧力を高精度に制御可能として、バンプ同士の接触を正確に検知可能とすると共に、オーバーシュートによりバンプをつぶしすぎて隣り合うバンプと短絡するという不具合をなくし、安定したフリップチップボンディングを行なうことができる。
図1から図14を用いて、本発明に係るボンディング装置100および半導体装置の製造方法について説明する。図1は、本実施の形態に係るボンディング装置100の側面図であり、図2は、ボンディング装置100の正面図である。これら図1および図2に示されるように本発明に係るボンディング装置(半導体装置の製造装置)100は、基板Wが配置されるボンディングステージ17と、リニアガイド7を介して、ボンディングヘッド50に設けられた可動部材27と、この可動部材27に設けられたボンディング機構60と、加圧手段14と、駆動用アクチュエータ(第1駆動部)8と、各動作の制御を行う制御部70とを備えている。
ボンディングステージ17は、セラミックやステンレス等の剛性の高い材料から構成されている。
可動部材27は、リニアガイド7を介して、ボンディングヘッド50に設けられており、駆動用アクチュエータ8によって変位させられ、ボンディングステージ17に向けて進退可能とされている。駆動用アクチュエータ8は、サーボモータとボールネジで構成され、モータのトルクをボールネジで推力に変換し、可動部材27を摺動させる押圧力を発生している。なお、駆動用アクチュエータ8に代えて、たとえば、エアシリンダとしてもよい。
ボンディング機構60は、可動部材27のうち、ボンディングステージ17側に設けられており、加圧手段14は、ボンディング機構60より上方で、可動部材27に設けられている。
ボンディング機構60は、チップSを吸着可能なチップ吸着手段1と、このチップ吸着手段1に設けられた支持部材26と、可動部材27に固定されたハウジング(筐体)4と、このハウジング4内に設けられた板バネ(弾性部材)3と、可動部材27に固定された接触検知用ロードセル6とを備えている。
チップ吸着手段1の表面のうち、ボンディングステージ17と対向する下面は、チップSが吸着されるボンディング面とされており、このボンディング面の上方には、ヒータ等の加熱手段25が設けられている。
チップ吸着手段1は、エアの吸引によりチップSを真空吸着可能とされており、ボンディング面には、吸引口1aが形成されている。
このチップ吸着手段1の上面には、支持部材26が固定されており、この支持部材26の少なくとも一部が、ハウジング4内に位置している。
ハウジング4の上下面には、内部に配置された支持部材26が挿入される貫通孔4aが形成されている。支持部材26は、ハウジング4内にて、板バネ3によって支持されている。
板バネ3は、板バネ3の中心点(重心点)を中心として、点対称に形成されており、この板バネ3は、中心点を中心に点対称の位置にてハウジング4に固定されている。
図3は、板バネ3の一例を示す平面図であり、この図3に示されるように、平板の円盤状に形成されている。板バネ3の中心点を含む中心部には、図1に示す支持部材26が挿入される貫通孔3aが形成されており、さらに、この貫通孔3aを中心に形成され、周方向に延在するスリット3bが複数形成されている。なお、スリット3bも、中心点を中心として、点対称に配置されている。このように形成された板バネ3は、ボンディングステージ17の表面に対して平行となるように、ハウジング4内に配置される。
このような板バネ3を用いて、図1に示すチップ吸着手段1が連設された支持部材26を支持すると、チップ吸着手段1は、ボンディングステージ17に向けて進退可能なように支持される。
特に、複数のスリット3bが形成されているので、板バネ3の変形量が大きくなり、チップ吸着手段1に加えられる応力が微小であっても、板バネ3によって支持される支持部材26およびチップ吸着手段1が敏感に変位する。これにより、チップ吸着手段1に吸着されたチップSのバンプと、ボンディングステージ17上に配置された基板Wのバンプとが接触した際に、支持部材26およびチップ吸着手段1を、ハウジング4に対し相対的に良好に変位させることができる。
図1に示されるように、板バネ3は、ハウジング4内に複数設けられており、各板バネ3は、互いに、可動部材27の進退方向に離間している。
図3に示す各板バネ3の貫通孔3aは、図1に示す基板Wの表面に対して垂直な軸線上に配列されており、支持部材26の中心軸線が、基板Wに対して垂直になるように配置される。これにより、チップ吸着手段1の下面に吸着されるチップSの表面と、基板Wの表面とが互いに平行となるように配置される。なお、支持部材26を、支持部材26の進退方向に間隔を隔てて、板バネ3によって支持することにより、支持部材26が、支持部材26の進退方向(基板Wの表面に対して垂直な方向)に対して傾斜することを抑制することができる。
これにより、支持部材26に接続されているチップ吸着手段1に装着されたチップSが、基板Wに対して傾斜することを抑制することができ、基板Wの上面とチップSの下面とが平行とされた状態を維持しつつ、チップSを基板Wに向けて近接させることができる。
図4は、板バネ3の他の例を示す平面図であり、この図4に示されるように、板バネ3を円盤状に形成してもよい。図5は、板バネ3のさらに他の例を示す平面図であり、この図5に示されるように、正方形形状としてもよい。
すなわち、板バネ3は、中心点を中心として、点対称形状とされておればよく、多角形形状、円形形状、楕円形状等の形状を採用することができる。
図1において、支持部材26は、支持部材26の可動部材27側の側面に開口を有する凹部または貫通孔からなる収納部26aを備えている。
この収納部26aには、可動部材27に固定された接触検知用ロードセル6が収納されている。接触検知用ロードセル6は、可動部材27に一端が固定された固定部材6aの他端側に固定されている。この接触検知用ロードセル6は、支持部材26との間に生じる接触力を測定可能とされてり、支持部材26をボンディングステージ17側から支持可能なように配置されている。
収納部26aの支持部材26が進退する方向の幅は、接触検知用ロードセル6の幅より大きく形成されている。
このため、チップ吸着手段1に外力が加えられると、板バネ3が弾性変形して支持部材26は可動部材27に対して相対変位する。このとき、接触検知用ロードセル6は、収納部26a内にて、可動部材27に固定されているため、支持部材26に対して相対的に変位する。
加圧手段14は、支持部材26の上端部を押圧する押圧用アクチュエータ12と、押圧用アクチュエータ12の下端部に設けられ、支持部材26に加えられる押圧力を測定する押圧力検知用ロードセル13とを備えている。押圧用アクチュエータ12も、上記駆動用アクチュエータ8と同様に構成されており、押圧用アクチュエータ12は、サーボモータとボールネジの構成に限らずたとえばリニアモータでもよい。
制御部70は、各パラメータが格納された記憶手段10と、押圧用アクチュエータ12や駆動用アクチュエータ8等の駆動を制御する制御手段9とを備えている。
上記のように構成されたボンディング装置100を用いて、チップと基板とをボンディングして、半導体装置を製造する方法について説明する。
図6は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程の第1工程を示す一部断面側面図であり、図12は、チップSのバンプと、基板Wのバンプとを接続するときの制御フローを示す。
図6に示されるように、まず、チップ吸着手段1は、チップSを吸着する。そして、ボンディングステージ17上にチップSを搬送し、図示されない位置合わせ機構により、チップSと基板Wとの水平方向の位置合わせをして、基板Wのバンプと、チップSのバンプとが上下方向に一致するようにする。
この際、接触検知用ロードセル6は、収納部26aの内壁面と接触しており、接触検知用ロードセル6は、ボンディングステージ17側から上方に向けて支持部材26を押圧している。すなわち、支持部材26とチップ吸着手段1とは、板バネ3と接触検知用ロードセル6とによって支持されており、支持部材26とチップ吸着手段1との重量は、接触検知用ロードセル6からの押圧力と板バネ3からの押圧力と釣り合っている。
このように、支持部材26およびチップ吸着手段1を支持する機構には、リニアガイド7のような摩擦が生じる機構を含まないものとなっている。
そして、上記のように支持部材26と板バネ3と接触検知用ロードセル6との力のバランスが釣り合った状態で、外部からチップ吸着手段1に僅かな外力が加えられると、接触検知用ロードセル6と支持部材26との間の接触力が変動する。特に、接触検知用ロードセル6および支持部材26の剛性は、板バネ3よりも大きく、接触検知用ロードセル6および支持部材26の弾性変形は小さいため、接触検知用ロードセル6は、支持部材26に加わる外力の変動を高精度に検出することができる。
図7は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の第2工程を示す一部断面断面図である。この図7に示されるように、支持部材26と板バネ3と接触検知用ロードセル6との応力状態が釣り合った状態で、制御手段9は、駆動用アクチュエータ8を駆動して、可動部材27をボンディングステージ17に向けて下降させる。なお、基板WとチップSとの位置合わせが完了し、可動部材27が下方に変位する直前の可動部材27の位置を可動部材27の基準点とする。
そして、チップSのバンプと基板Wのバンプとが接触すると、チップ吸着手段1が基板Wのバンプによっても支持されることになり、接触検知用ロードセル6と支持部材26との間に生じる応力が小さくなるように変動する。上記のように、応力変動を接触検知用ロードセル6が精度良く検出ことができるので、基板WのバンプとチップSのバンプとが接触したことを判断することができる。
具体的には、図12において、接触検知用ロードセル6によって検知される接触検知用ロードセル6と支持部材26との間に生じる計測値φが、図1に示す記憶手段10内に格納された設定値ψになるまで、制御手段9は、可動部材27を下降させる。
そして、計測値φが、設定値ψとなったときの可動部材27の位置を接触点として記憶手段10に記憶する。
図10は、チップSのバンプ19と、基板Wのバンプ20とが接触したときのバンプ19、20付近の断面図である。この図10において、バンプ19、20は、半球状の半田から形成されている。そして、基板Wの表面と、チップSの表面とは、距離L1離間している。
図8は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程の第3工程を示す一部断面側面図である。この図8および図12において、制御手段9からの制御信号Aによって、駆動用アクチュエータ8をさらに駆動させて、可動部材27をボンディングステージ17に向けて、所定距離αだけ下降させる。
このように、基板WのバンプとチップSのバンプとが接触している状態で、可動部材27を下方に向けて変位させると、可動部材27に固定された接触検知用ロードセル6も下方に変位する一方で、チップ吸着手段1および支持部材26は、上記接触位置に維持される。
このため、支持部材26の収納部26aの内壁面に当接していた、接触検知用ロードセル6が、収納部26aの内壁面から、所定距離αだけ離間する。
なお、ハウジング4が、支持部材26およびチップ吸着手段1に対して相対的に下方に変位するため、板バネ3は、支持部材26に対してボンディングステージ17に向けて押圧するように変形し、僅かにチップSを基板Wに向けて押圧する。
図9は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程の第4工程を示す一部断面側面図である。この図9および図12において制御手段9からの制御信号Bによって、加圧手段14を駆動する。
これにより、押圧用アクチュエータ12が駆動され、押圧力検知用ロードセル13がボンディングステージ17に向けて下降する。そして、押圧力検知用ロードセル13が、支持部材26の上端面を押圧し、バンプ19とバンプ20とを押圧させる。
そして、押圧力検知用ロードセル13が検知する測定値vが、記憶手段10に格納された設定値ωとなるように、制御手段9は、押圧用アクチュエータを制御して、過大な応力が、バンプ19、20間に生じることを抑制する。
このように、バンプ19とバンプ20とを押圧した後に、制御手段9から制御信号Cによって、加熱手段25が駆動される。図9において、加熱手段25からの熱が、チップ吸着手段1内を熱伝導して、ボンディング面からチップSに伝えられ、チップSのバンプ19、20を加熱する。なお、加熱手段25は制御手段9からの制御信号Cにより温度が制御され、過度の熱の発生が抑制されている。
図11は、基板Wのバンプ20とチップSのバンプ19とが溶融して、一体化し、バンプ30とされたときの断面図である。
この図11および図10に示されるようにバンプ20とバンプ19とは、加熱手段25によって、加熱され溶融する。バンプ20とバンプ19とが溶融し、液体状となると、図9において、支持部材26は、ボンディングステージ17に向けて押圧されているため、支持部材26およびチップ吸着手段1は、ボンディングステージ17に向けて変位する。
そして、チップ吸着手段1および支持部材26がボンディングステージ17側に、変位し、チップSが基板Wに向けて所定距離αだけ押し込まれる。その後、収納部26aの内壁面と接触検知用ロードセルとが当接して、支持部材26の下方への変位が規定され、チップ吸着手段1の下降が停止する。すなわち、接触検知用ロードセル6は、バンプ19、20が溶融した後、チップ吸着手段1が、ボンディングステージ17に向けて変位する変位量を規定するストッパとして機能している。
このように、バンプ19、20が溶融した状態で、チップ吸着手段1がボンディングステージ17に向けて変位すると、バンプ19とバンプ20とが一体のバンプ30となり、基板WとチップSとが接続される。
基板Wのバンプ20と、チップSのバンプ19とが溶解すると、バンプ19、20間に生じる応力が低減するため、支持部材26と接触検知用ロードセル6との間に生じる接触力が増加する。この接触力の変動を接触力検知用ロードセル6が検知することにより、バンプ19、20同士が融解したことを検知することができる。
このように、接触力検知用ロードセル6の測定値が変動すると、制御手段9は、押圧用アクチュエータ12の駆動を停止して、過度の加圧を抑制することができる。
このように、チップ吸着手段1をメカニカル的に停止させることができるので、チップSの下降位置がオーバーシュートすることなく、形成されるバンプ30が潰され過ぎて、隣り合うバンプ同士が短絡することを抑制することができる。これにより、良好なボンディングを行うことができる。
さらに、バンプ19、20同士を押し付けた後、融解させるので、バンプ19、20の表面に酸化膜等の絶縁膜が形成されていたとしても、バンプ19、20同士を押し付ける際に破壊することができ、良好な電気的接続を行うことができる。
その上、チップSと基板Wとの距離を所定の距離L2に正確に設定することができ、製造される各半導体装置にばらつきが生じることを抑制することができる。
なお、加圧手段14はエアシリンダで構成してもよく、その場合は図13において押圧用アクチュエータ(加圧力発生手段)12はエアシリンダでもよく、制御手段9からの制御信号Bによって押圧用アクチュエータ12の押圧力を制御する加圧制御手段11は精密レギュレータであればよく、図1に示す押圧力検知用ロードセル13は特に必要がない。
また、図14は、本実施の形態に係るボンディング装置100の変形例を示す一部断面側面図であり、この図14に示されるように、加圧手段14はボンディングヘッド50に固着されている必要はなく、図14に示すようにボンディングヘッド50とは別の構造部で支持されていてもよい。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、チップのバンプと基板のバンプとを接合して半導体装置を製造する半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法に好適である。
1 チップ吸着手段、1a 吸引口、3 板バネ、3a 貫通孔、4 ハウジング(筐体)、6a 固定部材、6 接触検知用ロードセル、7 リニアガイド、8 駆動用アクチュエータ、9 制御手段、10 記憶手段、11 加圧制御手段、12 押圧用アクチュエータ、13 押圧力検知用ロードセル、14 加圧手段、17 ボンディングステージ、19,20 バンプ、25 加熱手段、26a 収納部、26 支持部材、27 可動部材、30 バンプ、50 ボンディングヘッド、60 ボンディング機構、70 制御部、100 ボンディング装置。
Claims (7)
- 基板が配置されるステージと、
前記ステージに向けて進退可能に設けられた可動部材と、
前記可動部材に設けられた弾性部材と、
前記弾性部材によって前記ステージに向けて進退可能に支持され、チップを吸着可能なチップ吸着手段と、
前記チップ吸着手段を前記ステージに向けて押圧可能な押圧手段と、
前記可動部材に設けられ、前記ステージ側から前記チップ吸着手段と当接することにより前記チップ吸着手段の前記ステージに近接する方向の変位を規定可能なストッパと、
前記可動部材を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段の動作を制御する制御部と、
を備えた、半導体装置の製造装置。 - 前記ストッパが、前記チップ吸着手段との間に生じる接触力を測定可能な接触検知用ロードセルとされた、請求項1に記載の半導体装置の製造装置。
- 前記押圧手段は、前記チップ吸着手段を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段と、前記チップ吸着手段との間に生じる接触力を測定可能な押圧力検知用ロードセルとを含む、請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造装置。
- チップ吸着手段は、加熱機構を含む、請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置の製造装置。
- 前記弾性部材は、前記チップを前記基板に対して垂直方向に移動させるように、チップ吸着手段を支持可能な板バネとする、請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体装置の製造装置。
- チップをチップ吸着手段に吸着させる工程と、
前記チップを基板に向けて移動させて、前記チップのバンプと前記基板のバンプとを接触させる工程と、
前記チップのバンプと前記基板のバンプとを接触させた際に、前記チップ吸着手段を前記基板に向けて押圧する工程と、
前記バンプ同士が接触し、前記チップ吸着手段が前記基板に向けて押圧した状態で、前記バンプを加熱して、前記バンプ同士を溶融する工程と、
前記バンプ同士を溶融した後に、さらに、前記チップ吸着手段を前記基板に向けて所定距離だけ移動させた後に、ストッパに前記チップ吸着手段が当接して停止する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 - 前記チップ吸着手段に対して相対的に移動可能に設けられ、前記チップ吸着手段と間のに生じる接触力を測定可能とされた前記ストッパを、前記チップ吸着手段と接触させた状態で、前記チップを吸着した前記チップ吸着手段を、前記基板が配置されたボンディングステージに向けて移動させる工程と、
前記チップ吸着手段と前記ストッパとの間に生じる接触力の変動を検知して、前記チップのバンプと前記基板のバンプとの接触を検知する工程とを備えた、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
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