JP2010129890A - ボンディングヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを照射して加熱させたボンディングツールにより半導体チップを基板に接合するようにしたボンディングヘッドを提供する。
【解決手段】レーザＬによって加熱されるボンディングツール５は、石英からなるツール基材１５に、吸収層１７、金属層１８を設けて構成されている。吸収層１７はツール基材１５を透過したレーザＬによって加熱される。吸収層１７の下層には金属層１８が設けられており、この金属層１８により吸収層１７の熱が拡散される。これにより、レーザＬを直接照射することなく、レーザＬにより半導体チップを加熱することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はボンディングヘッドに関し、より詳しくは、レーザを照射して加熱させたボンディングツールにより半導体チップを基板に接合するようにしたボンディングヘッドに関する。

従来より、半導体チップを基板に熱圧着させて接合するボンディングヘッドとして、レーザのエネルギーを利用して半導体チップを加熱するものが知られている。レーザによる加熱では、ヒータを用いる場合に比較して、短時間で昇温し降温できるという利点がある。
このように、加熱にレーザを利用したボンディングヘッドとしては、石英ガラスからからなるボンディングツール(保持加圧ツール)により半導体チップを吸着保持し、このボンディングツールを透過させて保持した半導体チップにレーザを直接照射することで、半導体チップを加圧しながら加熱して基板に接合させるようにしたものが公知である(例えば、特許文献１参照)。
特許文献１に開示されるような、半導体チップにレーザを直接照射して加熱する方式の場合では、半導体チップによっては、レーザが透過して内部回路にダメージを与えたり、半導体チップを透過したレーザが基板を不必要に加熱して熱変形させるおそれがあった。
これに対し、レーザにより加熱される媒体を介して、間接的に加熱するよう構成したものも知られている (特許文献２、３参照)。
特許文献２に開示される構成では、セラミック板からなるボンディングツール(加圧ツール)にレーザを照射して加熱し、これを半導体チップに当接させて加熱するようになっている。また、特許文献３には、ボンディングツールの圧着面にレーザ吸収膜を設けて、レーザを吸収膜に集光させて加熱し、吸収膜から直接伝熱するようにしたワイヤボンディングツールの構成が開示されている。
これらの構成によれば、レーザを直接照射させることなく、レーザにより間接的な加熱が可能となる。
特許第３１９５９７０号公報 特許第３３６８４９４号公報 特開平６−１０４３１９号公報

しかしながら、特許文献２のように、ボンディングツールをセラミック板で構成した場合には、熱伝導率が低いため昇温および降温に時間を要し、短時間で昇温、降温できるようセラミック板を薄くした場合には、ボンディング時の加圧に耐える十分な強度が得られないという問題があった。
また、特許文献１によるボンディングツールに特許文献２によるレーザ吸収膜をを設け、吸収膜を介して半導体チップを加熱するよう構成したところ、吸収膜の一部にレーザが集中して、その部分の吸収膜が熱により損失してしまうという事態が生じた。これを防ぐためにレーザの出力を低下させると、半導体チップを十分に加熱することができなかった。

上述した事情に鑑み、本発明は、レーザを照射して加熱させたボンディングツールにより半導体チップを基板に接合するようにしたボンディングヘッドにおいて、
上記ボンディングツールは、レーザを透過するツール基材に、レーザを吸収して加熱される吸収層と、この吸収層の熱を拡散させる金属層とを設けて構成したものである。

上述した構成によれば、レーザを直接照射することなく、レーザにより半導体チップを加熱することができる。

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１において、１は基板２に半導体チップ３を接合するボンディング装置である。ボンディング装置１は、上記基板２を支持して水平方向に移動可能な基板ステージ４と、基板ステージ４の上方側に配置されるとともに、ボンディングツール５によって半導体チップ３を加熱した状態で押圧して基板２に接合するボンディングヘッド６と、このボンディングヘッド６に形成したハウジング６Ａの上部に配設されたレーザ発振器７と、上記ボンディングヘッド６およびレーザ発振器７を昇降させるとともに、下方に加圧して上記ボンディングツール５に保持した半導体チップ３を所要の押圧力で基板２へ押圧する昇降加圧機構８とを備えている。

ボンディングツール５は、筒状に形成したハウジング６Ａの下端の内周部に取り付けられており、ボンディングツール５の中央には、上下方向に貫通する吸引孔５Ａが形成されている。ハウジング６Ａの側面には吸引口６Ｂが形成されており、この吸引口６Ｂは導管９を介して負圧源１０に接続されている。制御装置５０からの指令により、上記負圧源１０から上記導管９と吸引口６Ｂを介してハウジング６Ａ内が吸引されると、吸引孔５Ａに負圧が作用して、ボンディングツール５の下面側の吸着面５Ｂに半導体チップ３を吸着して保持できるようになっている。

基板ステージ４、レーザ発振器７および昇降加圧機構８の作動は制御装置５０によって作動を制御されるようになっており、制御装置５０によってレーザ発振器７が作動されると、レーザＬが下方側のボンディングツール５に向けて出射されるようになっている。本実施例においては、レーザ発振器７として半導体レーザを採用しているが、ＹＡＧレーザ等の固体レーザやその他のレーザを用いることも可能である。ハウジング６Ａ内のレーザ発振器７の下方側には、レーザＬの光路上に位置させて、照射範囲におけるレーザＬの強度分布を均等化するホモジナイザー１１が配置されており、さらにその下方側にはレーザＬを所要の大きさに集光するレンズ１２が配置されている。これにより、レーザ発振器７から出射されたレーザＬは、ホモジナイザー１１によって強度分布を均等化された後に、レンズ１２によって集光されてボンディングツール５の上面側の照射面５Ｃに照射されるようになっている。本実施例においては、均等化手段として上記ホモジナイザー１１を設けたことにより、レーザＬの強度分布を均等化してからボンディングツール５の照射面５Ｃに照射できるようになっている。

そして、半導体チップ３を吸着面５Ｂに保持した状態において、ボンディングツール５の照射面５ＣにレーザＬが照射されると、ボンディングツール５がレーザＬによって加熱されて、半導体チップ３およびその下面の複数箇所に配置されたバンプ１３が加熱されるようになっている。基板ステージ４を作動させて、ボンディングツール５に保持した半導体チップ３と基板２を位置合わせした状態において、制御装置５０は、レーザ発振器７からレーザＬを出射させてボンディングツール５に照射させながら、上記昇降加圧機構８によりボンディングヘッド６を下降させて加圧するようになっている。これにより、ボンディングツール５の吸着面５Ｂに保持された半導体チップ３は、加熱されながら基板２へ押圧されて基板２に接合されるようになっている。
このようにしてボンディング作業が終了したら制御装置５０からの指令により、負圧源１０による吸引孔口６Ｂからの吸引が停止されるので、ボンディングツール５による半導体チップ３の保持状態が解除され、その後、昇降加圧機構８によりボンディングヘッド６が上昇され、次回のボンディングに移行するようになっている。
ボンディングヘッド６によって、上述したようにして基板２に半導体チップ３が接合されるようになっており、本発明においては、上記ボンディングヘッド６のボンディングツール５を、以下のように、レーザＬを透過するツール基材１５に、レーザＬを吸収して加熱される吸収層１７と、この吸収層１７の熱を拡散させる金属層１８とを設けて構成したことを特徴としている。

すなわち、図２に拡大断面図で示すように、ボンディングツール５は、下方へ膨出した膨出部１５Ａと、半径方向へ突出したフランジ部１５Ｂとを有する円盤状のツール基材１５から構成され、このツール基材１５の膨出部１５Ａの下面に密着層１６を介して吸収層１７を設け、さらに、この吸収層１７の表面に密着させて金属層１８を設け、さらに、金属層１８を含め、上記ツール基材１５の膨出部１５Ａ全域を覆って保護層１９を設けて構成されている。

ツール基材１５は、レーザＬを透過可能であって、かつ、強度が高い石英あるいはサファイヤからなり、中央部に貫通孔１５Ｃが穿設されて吸引孔５Ａを構成している。このツール基材１５は、フランジ部１５Ｂがハウジング６Ａの下端の内周部に嵌合されている。ハウジング６Ａの下端部にはリング状の支持部材２１を下方側から取り付けてあり、この支持部材２１によってツール基材１５のフランジ部１５Ｂを下方側から支持している。また、フランジ部１５Ｂの上面にリング部材２２を当接させてあり、これにより、支持部材２１とリング部材２２で挟持することによって、ツール基材１５を水平状態でハウジング６Ａの下端部に支持している。
上記レーザ発振器７から出射されたレーザＬは、ホモジナイザー１１により強度分布が均等化されてからレンズ１２を透過して、照射面５Ｃを構成するツール基材１５の上面１５Ｄに照射され、さらに、このツール基材１５を透過したレーザＬが、出力のピークが一部分に集中することなく強度分布が均等化されて、吸収層１７に照射されるようになっている。
これに加えて、上記ツール基材１５の上面１５Ｄは、梨地処理が施されてすりガラスとして構成されており、ツール基材１５に対して照射されたレーザＬが、一部分に集中せず、拡散されて通過するようになっている。このようなツール基材１５の上面１５Ｄによっても、均等化手段が構成されている。本実施例においては、膨出部１５Ａが形成された部分のツール基材１５の厚さは、蓄熱を防ぐためできるだけ薄くすることが望ましいが、接合時の押圧力に耐え得るよう約３ｍｍに設定されている。

ツール基材１５の膨出部１５Ａの下面には、シリコン（珪素）からなる密着層１６を介して吸収層１７が設けられている。密着層１６はレーザＬの透過可能な厚さでツール基材１５に成膜され、吸収層１７の密着性を高めるよう作用する。なお、密着層１６の材質としてはタングステンやクロム等を用いることができ、ツール基材１５への吸収層１７の密着が十分であれば省略してもよい。
吸収層１７は、予め貫通孔１５Ｃが穿設されたツール基材１５に対して、プラズマＣＶＤ法等によりＤＬＣ(ダイアモンドライクカーボン)を成膜して設けられ、ツール基材１５および密着層１６を透過したレーザＬを吸収して加熱されるようになっている。吸収層１７としては、ＤＬＣの他、酸化鉄や酸化アルミニウム等レーザＬを反射せず吸収し易い材質、材料により構成することができる。
吸収層１７の膜厚は、厚くなると吸収層１７自体の昇温および降温時間や半導体チップ３への伝熱時間が長くなるため、薄く形成することが望ましく５μｍ以下に成膜するが、薄過ぎるとレーザＬが透過して加熱されず、機械的強度も低下して剥がれやすくなることから、３〜０．５μｍ程度に成膜することが好ましい。なお、使用する半導体レーザが赤外線の場合は、紫外線の場合よりも波長が長く比較的透過しやすくなるため、膜厚の下限を１μｍ程度とするが、紫外線の場合は波長が短く透過しにくいため、０．５μｍ程度まで薄くすることができる。
レーザＬを吸収して加熱される吸収層１７において、一部分に熱が集中して吸収層１７が損失されることを防ぐために、吸収層１７の下層に熱拡散層として金属層１８を設けている。この金属層１８は熱伝導率の高い銅やアルミニウムを、スパッタ法によって吸収層１７の表面全域を覆って直に成膜して設けられ、出力のピークが中央部分に集中するレーザＬを吸収して加熱された吸収層１７の熱を、金属層１８の全域に瞬時に伝熱して拡散させ、吸収層１７の一部分に熱が集中することを防止している。このような金属層１８の厚さは、薄いと熱が広く拡散せずに半導体チップ３に伝熱してしまうため、厚く設けることが望ましいが、成膜に時間を要するため２〜５μｍ程度としている。
金属層１８の下層には、保護層１９が設けられている。この保護層１９は、金属層１８の他、各層を保護する目的で膨出部１５Ａの下面からその周囲を覆って設けられている。このような保護層１９としては、ＤＬＣ(ダイアモンドライクカーボン)を０．５μｍ程度の厚さで成膜して設けており、その金属層１８を覆う下方を向いた表面は、吸引孔５Ａが開口した吸着面５Ｂとして構成されている。

以上のように構成されたボンディングツ一ル５を備えたボンディングヘッド６によれば、照射面５Ｃを構成するツール基材１５の上面１５Ｄに照射されたレーザＬは、ツール基材１５の膨出部１５Ａを透過して、その下面に設けた吸収層１７に吸収されて吸収層１７を加熱する。吸収層１７の下層には加熱された吸収層１７の熱を拡散させる金属層１８が、吸収層１７に密着して設けられているため、吸収層１７の一部に熱が集中することがなく、熱による吸収層１７の損失が防止される。
金属層１８は吸収層１７から伝わった熱を拡散させて全体的に加熱され、その熱は保護層１９を介して、吸着面５Ｂに吸着保持された半導体チップ３に伝熱され、半導体チップ３を加熱する。これと同時に、ボンディングヘッド６は昇降加圧機構８により下降され、半導体チップ３を基板２に当接させた状態で下方へ加圧される。半導体チップ３は、吸収層１７が加熱されたボンディングツール５により、加熱されながら押圧されて基板２に熱圧着により接合（ボンディング）される。

図３は、本発明に係るボンディングヘッド６が備えるボンディングツール５の第２実施例を示したものである。
この第２実施例においては、上記金属層１８に代えて、異なる材質からなる２種類の第１金属層２３Ａおよび第２金属層２３Ｂを設け、これら二層の金属層により熱電対２３を構成し、加熱されるボンディングツール５の温度を検出できるようにしている。これら第１金属層２３Ａおよび第２金属層２３Ｂは、上記第１実施例の金属層１８と同様に熱拡散層としての機能を有しており、このような第２実施例においても、温度検出に関わる構成以外は、上記第１実施例と同様に構成されている。

より詳細には、ボンディングツール５を構成するツール基材１５の膨出部１５Ａの下面には、上記第１実施例と同様に密着層１６を介して吸収層１７が設けられており、この吸収層１７の下層に第１金属層２３Ａが設けられ、さらに、その下層に第２金属層２３Ｂが設けられている。これら第１金属層２３Ａ、第２金属層２３Ｂは、上記第１実施例の金属層１８と同様に成膜して設けられており、第２金属層２３Ｂの下層には、第１実施例と同様に保護層１９が設けられて吸着面５Ｂが構成されている。
本実施例においては、熱電対２３の＋脚として構成される第１金属層２３Ａの材質としてクロメル(ニッケルおよびクロムを主とした合金)を採用しており、−脚として構成される第２金属層２３Ｂの材質としてアルメル(ニッケルを主とした合金)を採用しているが、これら熱電対２３を構成する＋脚および−脚としての第１金属層２３Ａおよび第２金属層２３Ｂの材質は、熱電対を構成する金属として広く一般に知られている、その他の材質を採用することができる。
上記＋脚としての第１金属層２３Ａは、その一部がツール基材１５の膨出部１５Ａからフランジ部１５Ｂの下面にかけて引き出されており、ツール基材１５を支持する支持手段を兼ねて、ボンディングヘッド６のハウジング６Ａの下端に設けた＋電極２５Ａに導通させている。また、上記−脚としての第２金属層２３Ｂについても、その一部がツール基材１５の膨出部１５Ａからフランジ部１５Ｂの下面にかけて引き出されており、+電極２５Ａと同様にツール基材１５を支持する支持手段を兼ねて、＋電極２５Ａとは位置を異ならせてハウジング６Ａの下端に設けた−電極２５Ｂに導通させている。＋電極２５Ａ、−電極２５Ｂはそれぞれ、導線３１Ａ、３１Ｂを介して制御装置５０に備えられた計測器３２に接続されており、計測器３２で熱起電力が測定されてボンディングツール５の、より詳しくは、吸収層１７の温度を検出できるようになっている。

以上のように構成された第２実施例に係るボンディングツール５を備えたボンディングヘッド６によっても、上記第１実施例の場合と同様に、照射面５Ｃを構成するツール基材１５の上面１５Ｄに照射されたレーザＬは、ツール基材１５の膨出部１５Ａを透過して、その下面に設けた吸収層１７に吸収されて吸収層１７を加熱する。吸収層１７の下層には、第１金属層２３Ａ、第２金属層２３Ｂからなる二層の金属層が設けられ、上記第１実施例の金属層１８と同様に、加熱された吸収層１７の熱を拡散させて吸収層１７の一部に熱が集中することを防ぎ、熱による吸収層１７の損失を防止している。
これら二層の金属層は、吸収層１７から伝わった熱を、それぞれ第１金属層２３Ａ、第２金属層２３Ｂで拡散させて全体的に加熱され、その熱は保護層１９を介して吸着面５Ｂに吸着保持された半導体チップ３に伝熱され、半導体チップ３を加熱する。
さらに、二層の金属層は熱電対２３を構成しており、加熱された吸収層１７の温度を検出することができ、制御装置５０はレーザＬの照射による加熱温度をモニタリングし、これをレーザ発振器７の制御にフィードバックし、また、異常加熱を監視して警報を出力することが可能となる。
なお、上記第２実施例においては、熱電対２３を構成する第１金属層２３Ａ、第２金属層２３Ｂからなる二層の金属層としたが、第１実施例の金属層１８の下層に、これら熱電対２３を構成する第１金属層２３Ａ、第２金属層２３Ｂを設けて、３種類の金属からなる三層の金属層として、熱拡散層としての金属層と熱電対２３を分けて設けるようにすることもできる。
また、第１実施例、第２実施例における各層の成膜法は、上述したものに限らず、その他の蒸着法等、公知の様々な方法を採用することができ、さらに、薄膜に限らず、メッキ、塗装、溶射等による厚膜や薄板、傾斜機能材料により設けることも可能である。

本発明の一実施例を示す構成図。 図１に示したボンディングツール５の拡大断面図。 本発明の第２実施例を示す断面図。

符号の説明

１‥ボンディング装置 ５‥ボンディングツール
６‥ボンディングヘッド １５‥ツール基材
１７‥吸収層 １８‥金属層
１９‥保護層
Ｌ‥レーザ

Claims (4)

1. レーザを照射して加熱させたボンディングツールにより半導体チップを基板に接合するようにしたボンディングヘッドにおいて、
   上記ボンディングツールは、レーザを透過するツール基材に、レーザを吸収して加熱される吸収層と、この吸収層の熱を拡散させる金属層とを設けて構成したことを特徴とするボンディングヘッド。
2. 上記金属層が少なくとも２種類の金属層からなり、二層の金属層で熱電対を構成したことを特徴とする請求項１に記載のボンディングヘッド。
3. 上記金属層を覆って上記半導体チップに当接する保護層を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボンディングヘッド。
4. 上記吸収層に照射されるレーザの光路上に、強度分布を均等化する均等化手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のボンディングヘッド。

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