JP2010056404A - 半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の装置を大幅に設計変更することなく、ウエハ上にチップを積層することができ、精度良く、確実にボンディングすることができる半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第１のポジション１と第２のポジション２との間の往復動が可能な吸着コレット４を備え、第１のポジション１で吸着コレット４にてチップ３をピックアップし、このチップ３を第２のポジション２に搬送して、第２のポジション２のウエハ上にチップ３をボンディングして半導体装置を形成し、第２のポジション２で吸着コレット４にて半導体装置をピックアップし、半導体装置を第３のポジション９へ搬送する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置の組立においては、半導体チップをはんだや樹脂を介して、リードフレームや電極を形成した基板などにボンディングしている。このボンディングを行なう場合、一般に、図４に示すように、水平移動動作Ａ、Ｄ、Ｇ、下降動作Ｂ、Ｅおよび上昇動作Ｃ、Ｆ、さらに必要に応じて回転動作Ｈを行うコレット３０を具備するダイボンダを用いている。

図４に示すダイボンダを使用したダイボンディング方法を説明する。まず、コレット３０は、水平移動を行って（Ａ）、ピックアップポジションで下降し（Ｂ）、半導体チップ４０のピックアップを行う。この場合、ピックアップするポジションには、粘着シート６０の直下にピックアップステージ７０が固定配置され、そのピックアップステージ７０内に、半導体チップ４０を粘着シート６０から剥離させるための突き上げピン８０を上下動自在に収納配置している。そして、突き上げピン８０を上昇させ、半導体チップ４０の裏面を粘着シート６０から剥離させてコレット３０によるピックアップを容易にする。

その後、コレット３０は上昇し（Ｃ）、水平移動を行って（Ｄ）、ボンディングポジションで下降し（Ｅ）、半導体チップ４０をリードフレームや基板５０にボンディングを行い上昇し（Ｆ）、水平移動を行う。この繰り返しによって、半導体チップ４０を、ピックアップポジションでピックアップし、ボンディングポジションでリードフレームや基板５０にボンディングしている。

ところで、ガラスエポキシ基板（ガラエポ基板）等のインターポーザーに半導体チップを実装してなる半導体装置がある。この場合、ガラエポ基板は、加熱すると歪みが生じて表面に凹凸ができる。これにより、凹凸のある基板に精度良くチップをボンディングすることは困難である。また、基板の熱膨張率は、通常、チップの熱膨張率とは異なっている。例えば、ガラエポ基板との熱膨張率は１×１０^-5〜１×１０^-4℃^-1であるのに対し、チップの熱膨張率は２．６〜３．６×１０^-6℃^-1であり大きく相違している。このような熱膨張率の違いは、基板からチップが剥がれる原因となる。

このため、近年では、基板に精度良く、しかも確実にチップをボンディングするために、加熱の際に歪みが生じない基板を用いることが要求されている。また、チップと基板との熱膨張率が略同一である場合、基板からチップが剥がれるのを防止できるため、チップと基板との材料を同一にすることが好ましい。このため、半導体ウエハの上にチップを積層すると、半導体ウエハは加工の際に歪みを生じず、また、チップと基板とが同一材料となって、精度良く、確実にボンディングすることができる。特許文献１には、従来のダイボンダにおいて、基板に複数のチップを積層するものが提案されている。
特開２００３−８６７５８号公報

しかしながら、前記したような半導体ウエハにチップを積層してなる半導体装置を製造するためには、特許文献１に記載のようにチップ積層用の他のステージを必要としたり、複数の装置を必要としたりする。このため、前記図４で示した従来のダイボンダをそのまま用いて、１つの装置で前記のような半導体装置を製造することは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みて、既存の装置を大幅に設計変更することなく、１つの装置でウエハ上にチップを積層することができ、精度良く、確実にボンディングすることができる半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の半導体装置の製造装置は、第１のポジションと第２のポジションとの間の往復動が可能な吸着コレットを備え、第１のポジションで吸着コレットにてチップをピックアップし、このチップを第２のポジションに搬送して、第２のポジションのウエハ上にチップをボンディングして半導体装置を形成し、この第２のポジションで吸着コレットにて半導体装置をピックアップし、半導体装置を第３のポジションへ搬送するものである。

本発明の半導体装置の製造装置によれば、第１のポジションにチップを配置して、第１のポジションからピックアップすべきチップをピックアップし、このチップを第２のポジションに搬送して第２のポジションのウエハ上にボンディングして半導体装置を製造することができる。その後、半導体装置を第３のポジションに搬送する。これにより、半導体装置を、ウエハを構成要素とするシリコンインターポーザにチップを積層した積層体によって構成することができる。ここで、シリコンインターポーザとは、シリコン基板上に配線のみを形成したもの、あるいはそれに容量素子または抵抗素子等の受動素子を組み込んだものをいう。

第３のポジションが前記第１のポジションであり、第１のポジションが、チップが供給される材料供給状態と、形成された半導体装置がボンディングされる半導体装置ボンディング状態との切り換えが可能とされ、ボンディング状態で第１のポジションが第３のポジションとすることができる。すなわち、第１のポジションにおいて、チップが供給される材料供給状態とするピックアップポジション、及び形成された半導体装置がボンディングされる半導体装置ボンディング状態とするボンディングポジションとを共通化して切換自在とすることができる。

前記第３のポジションを、第１のポジションと相違する位置に設けることができる。

第２のポジションに突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えることができる。第１のポジションがピックアップポジションとなった場合、第２のポジションはボンディングポジションとなって、第２のポジションの下方には加熱手段が配設される。一方、第１のポジションがボンディングポジションとなった場合、第２のポジションはピックアップポジションとなって、第２のポジションの下方には突き上げ機構が配設される。この場合、吸着コレットの制御に連動して切換手段を制御することができる。

前記の場合、チップをフリップチップとすることができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、材料供給状態とした第１のポジションで吸着コレットにてチップをピックアップした後、このチップを第２のポジションに搬送して、第２のポジションでチップをボンディングして半導体装置を形成し、その後、この第２ポジションで吸着コレットにて半導体装置をピックアップし、半導体装置を第３のポジションに搬送するものである。

本発明では、既存のボンディング装置を大幅に設計変更することなく、１つの装置でウエハ上にチップを積層することができ、チップと基板とを同一材料とすることができるため、精度良く、確実にボンディングすることができる。

第１のポジションにおいて、ピックアップポジション及びボンディングポジションとを共通化して切換自在とすると、第３のポジションを別途設ける必要がなくなって、装置のコンパクト化を図ることができる。

前記第３のポジションを、第１のポジションと相違する位置に設けると、既存の装置を用いることができる。

第２のポジションに突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えると、第２のポジションがピックアップポジションとなった場合でもボンディングポジションとなった場合でも、確実に機能することができる。吸着コレットの制御に連動して切換手段が制御されると、各ポジションの変更があっても自動で第２のポジションが機能するように切り換えられる。

チップをフリップチップとすることもでき、汎用性に優れている。

本発明の半導体装置の製造方法では、チップと基板とを同一材料とすることができるため、精度良く、確実にボンディングすることができる。

以下本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。

図１に半導体装置の製造装置の簡略図を示し、この半導体装置の製造装置は、第１のポジション１で吸着コレット４にてチップ３をピックアップし、このチップ３を第２のポジション２に搬送して、第２のポジション２でチップ３を基板７にボンディングして半導体装置を形成し、この第２のポジション２で吸着コレット４にて半導体装置をピックアップし、半導体装置を第３のポジション９に搬送するものである。

このような半導体装置の製造装置は、図１に示すように、第１のポジション１と、第２のポジション２と、供給される半導体チップ３を吸着する吸着コレット４を有するアーム５と、第１のポジションを観察する認識用カメラ（図示省略）と、第２のポジションを観察する認識用カメラ（図示省略）とを備える。

半導体チップ３は半導体ウエハが多数に分割されてなるものであり、第１ポジション１にて搬送される。また、基板としての半導体ウエハ（シリコンインターポーザ）７が第２ポジションのウエハ支持台８に載置支持されている。また、このウエハ支持台８は、図示省略の制御手段の制御によって、このウエハ支持台８を支持しているＸＹステージがＸＹ方向に駆動する。ウエハ支持台８の直下には、図示省略の突き上げ機構（突き上げピン）を上下動自在に収納配置している。ここで、シリコンインターポーザとは、半導体ウエハを構成要素とし、シリコン基板上に配線のみを形成したもの、あるいはそれに容量素子または抵抗素子等の受動素子を組み込んだものをいう。

第２のポジション２には、突き上げ機構と、加熱手段としてのヒータ１１（図２参照）が自動で配設される図示省略の切換手段が接続されている。この切換手段は、例えばマイクロコンピュータにて構成されており、この切換手段の制御にて第２のポジション２に突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切り換えられる。

吸着コレット４はコレットホルダ６に保持され、この吸着コレット４とコレットホルダ６がアーム５に連結されている。アーム５は搬送手段１０に支持され、この搬送手段１０にてＸＹＺθ方向に移動することができ、第１のポジション１と第２のポジション２との間の往復動が可能である。このため、搬送手段１０には、ＸＹＺθ軸ステージや、ＸＹＺθ方向に移動可能なロボットアーム等を使用することができる。

吸着コレット４は、その下端面に開口する吸着用の吸着孔が形成され、この吸着孔に図外の真空発生器が接続されている。この真空発生器の駆動にて吸着孔のエアが吸引され、チップ３が真空吸引され、吸着コレット４の下端面にチップ３が吸着する。なお、この真空吸引（真空引き）が解除されれば、吸着コレット４からチップ３が外れる。真空発生器としては、例えば、高圧空気を開閉制御してノズルよりディフューザに放出して拡散室に負圧を発生させるエジェクタ方式のものを採用できる。

この装置は、第１のポジション１が、チップ３が供給される材料供給状態と、形成された半導体装置がボンディングされる半導体装置ボンディング状態との切り換えが可能とされる。第１のポジション１をボンディングポジションとした場合は、第２のポジション２に半導体チップ３を配置し、搬送系である第１のポジション１に基板を配置する。そして半導体チップ３をピックアップポジションである第２のポジション２でピックアップする。ピックアップの際、第２のポジション２では、突き上げピンを上昇させて、半導体チップ３の裏面を粘着シートから剥離させて吸着コレット４によるピックアップを容易にする。その後、チップ３を、ボンディングポジションである第１のポジション１の基板に搬送してボンディングする。このように、第１のポジション１は、ボンディングポジションとして機能し、第２のポジション２は、ピックアップポジションとして機能する。

一方、第１のポジション１をピックアップポジションとした場合は、第１のポジション１は、チップ３が供給される材料供給状態とする場所であり、第２のポジション２は、第２のポジション２のウエハ上に、このチップ３をボンディングして半導体装置を形成する場所であり、第３のポジション９は、形成された半導体装置がボンディングされる半導体装置ボンディング状態とする場所とすることができる。そして、本実施形態では、第３のポジション９を第１のポジション１としている。すなわち、搬送系である第１のポジション１に半導体チップ３を配置し、第２のポジション２にウエハ７を配置する。そして半導体チップ３をピックアップポジションである第１のポジション１でピックアップし、ボンディングポジションである第２のポジション２のウエハ７に搬送してボンディングする。このように、第１のポジションは、ピックアップポジションとして機能し、第２のポジション２は、ボンディングポジションとして機能する。その後、製造された半導体装置を第３のポジション９（本実施形態では、第１のポジション１）に搬送する。

次に、図１に示した半導体装置の製造装置を使用した半導体装置の製造方法を説明する。まず、第１のポジション１を、チップをピックアップするピックアップポジションとして機能させるとともに、第２のポジション２を、チップがボンディングされるボンディングポジションとして機能させる。すなわち、搬送系である第１のポジション１にチップ３を搬送する。そして、ピックアップ位置である第１のポジション１の上方に配置される認識用カメラにてピックアップすべきチップ３を観察して、吸着コレット４をこのピックアップすべきチップ３の上方に位置させてこのチップ３をピックアップする。

その後、ボンディングポジションである第２のポジション２の上方に配置された認識用カメラにて、ボンディングすべきウエハ７の装着部を観察して、この装着部上に吸着コレット４を移動させる。

この場合、第２のポジション２の下方には、図２に示すように、突き上げ機構に換えて加熱手段としてのヒータ１１が、切換手段にて自動で配設され、ウエハ７を載置した状態で加熱する。このヒータ１１でウエハ７を加熱することにより、ウエハ７はボンディングされるチップ３と接合する。

このようにして、ピックアップポジションである第１のポジション１からチップ３をピックアップし、ボンディングポジションである第２のポジション２のウエハ７にボンディングを行って、積層体からなる半導体装置を形成する。

次に、第２のポジション２を、半導体装置をピックアップするピックアップポジションとして機能させるとともに、第３のポジション９を、半導体装置がボンディングされる半導体装置ボンディング状態とするボンディングポジションとして機能させる。本実施形態では、第１のポジション１を第３のポジション９としている。つまり、第２のポジション２の上方に配置される認識用カメラにてピックアップすべき半導体装置を観察して、吸着コレット４をこのピックアップすべき半導体装置の上方に位置させ、半導体装置をピックアップする。そして、第３のポジション９（第１のポジション１）の上に吸着コレット４を移動させて、第３のポジション９（第１のポジション１）に半導体装置を搬送する。

本発明では、既存のボンディング装置を大幅に設計変更することなく、１つの装置でウエハ上にチップ３を積層することができ、チップ３と基板とを同一材料とすることができるため、精度良く、確実にボンディングすることができる。

第１のポジション１において、ピックアップポジション及びボンディングポジションとを共通化して切換自在とすると、第３のポジション９を別途設ける必要がなくなって、装置のコンパクト化を図ることができる。

第２のポジション２に突き上げ機構と加熱手段１１とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えると、第２のポジション２がピックアップポジションとなった場合でもボンディングポジションとなった場合でも、確実に機能することができる。吸着コレット４の制御に連動して切換手段が制御されると、各ポジションの変更があっても自動で第２のポジション２が機能するように切り換えられる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この場合、第３のポジション９を、第１のポジション１とは相違する位置に設ける。この場合、既存の装置に第３のポジション９を設けるのみでよく、コスト低減を図ることができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。この場合、チップ３をフリップチップとしている。この半導体装置においては、図３に示すように、半導体チップ３の裏面に設けられたバンプ電極１２を介して、ウエハ７にフリップチップ実装されている。

この半導体装置の製造方法は、チップ３の裏面が下側となるように（つまり、バンプ電極１２が下側となるように）、搬送系である第１のポジション１にチップ３を搬送する。そして、前記第１実施形態と同様の方法にてウエハ７にチップ３をボンディングする。

第３実施形態においても、前記第１実施形態、第２実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、チップをフリップチップとすることができるため、汎用性に優れている。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、チップ３の大きさ、厚さ等は種々設定することができる。チップ３を積層する場合、その数は任意に設定することができる。

本発明の実施形態を示す半導体装置の製造装置の簡略図である。 本発明の実施形態を示す半導体装置の製造装置の吸着コレットの動きを示す図である。 本発明の第３実施形態を示す半導体装置の製造装置を使用して製造した半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置の製造装置を使用してボンディング作業を行う場合の吸着コレットの動きを示す図である。

符号の説明

１ 第１のポジション
２ 第２のポジション
３ 半導体チップ
４ 吸着コレット
７ ウエハ

Claims (7)

1. 第１のポジションと第２のポジションとの間の往復動が可能な吸着コレットを備え、第１のポジションで吸着コレットにてチップをピックアップし、このチップを第２のポジションに搬送して、第２のポジションのウエハ上にチップをボンディングして半導体装置を形成し、この第２のポジションで吸着コレットにて半導体装置をピックアップし、半導体装置を第３のポジションへ搬送することを特徴とする半導体装置の製造装置。
2. 第３のポジションが前記第１のポジションであり、第１のポジションが、チップが供給される材料供給状態と、形成された半導体装置がボンディングされる半導体装置ボンディング状態との切り換えが可能とされ、ボンディング状態で第１のポジションが第３のポジションとなることを特徴とする請求項１の半導体装置の製造装置。
3. 前記第３のポジションが、第１のポジションと相違する位置に設けられることを特徴とする請求項１の半導体装置の製造装置。
4. 第２のポジションに突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３の半導体装置の製造装置。
5. 前記吸着コレットの制御に連動して前記切換手段の制御を可能としたことを特徴とする請求項４の半導体装置の製造装置。
6. 前記チップは、フリップチップであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項の半導体装置の製造装置。
7. 材料供給状態とした第１のポジションで吸着コレットにてチップをピックアップした後、
   このチップを第２のポジションに搬送して、第２のポジションでチップをボンディングして半導体装置を形成し、
   その後、この第２のポジションで吸着コレットにて半導体装置をピックアップし、
   半導体装置を第３のポジションに搬送することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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