JP2011001445A - 三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法および注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元半導体積層基板の絶縁性接着剤にボイドが発生するのを防止することができる注入装置の提供。
【解決手段】三次元半導体積層基板である積層基板１は半導体回路が形成された基板を複数積層したものであって、側周面に接着剤を注入するための注入口１２および真空排気するための排気口１３が設けられている。この積層基板１の隙間に絶縁性接着剤としての接着剤２１を注入する場合には、積層基板１の排気口１３に接続部３を接続して積層基板１の隙間を真空ポンプ５で真空排気し、容器２に収納された接着剤２１を注入口１２に接液させて、接着剤２１を積層基板１に供給する。積層基板１の隙間を真空に保持しつつ接着剤２１の注入を行うので、注入された接着剤中にボイドが発生するのを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法および注入装置に関する。

３次元半導体装置は、複数の半導体装置（半導体集積回路）を３次元積層したものである。積層する方法の一つとして、多数のチップが形成されたウェハ単位で積層する方法がある。積層されたウェハ間の隙間には、ウェハの接合性や放熱の促進およびウェハの熱応力緩和などの目的で絶縁性接着剤が注入される。そのような接着剤を注入する装置として、積層ウェハの全周に接着剤を配し、真空差圧法によって接着剤を注入する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−４９４４１号公報

しかしながら、積層ウェハの微小な隙間への接着剤注入では、その隙間に残留するガスによって接着剤にボイドが発生する。また、接着剤からガスが発生するため、そのガスが積層ウェハ内に残留することによってもボイドが発生する。このようなボイドが形成されると、半導体装置の放熱性能の低下を招くという問題があった。

請求項１に係る発明は、半導体回路が形成された基板が複数積層され、側周面に接着剤注入口および排気口が設けられた三次元半導体積層基板に対して、該三次元半導体積層基板の隙間に絶縁性接着剤を注入する注入装置であって、排気口に接続され、三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空排気装置と、真空排気装置が接続された三次元半導体積層基板の接着剤注入口に接続され、絶縁性接着剤を供給する供給装置とを備えたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の注入装置において、真空排気装置は、排気口を覆うように三次元半導体積層基板に取り付けられる接続部と、排気口を囲むように接続部に装着され、三次元半導体積層基板の基板面および側周面に密着して排気口の周囲を封止するシール材と、シール材で囲まれた排気口から三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空ポンプとを備えることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の注入装置において、シール材は弾性部材で形成され、シール材を弾性圧縮して、該シール材の基板面および側周面への密着力を増加させる圧縮装置を備えたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の注入装置において、シール材は、圧縮気体が供給される空洞が形成された弾性材から成るチューブであって、圧縮気体の供給によるチューブ外径の増加により、チューブ外周面が基板面および側周面に密着することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項３に記載の注入装置において、大気圧状態および真空状態のいずれかが選択的に可能であって、真空状態において、三次元半導体積層基板に接続部を接続する前の予備真空排気が行われ、大気圧状態において、真空排気装置による三次元半導体積層基板の真空排気および供給装置による絶縁性接着剤の供給が行われる真空チャンバを備えることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の注入装置において、真空排気装置は、複数の三次元半導体積層基板が接続可能に構成されていることを特徴とする。
請求項７に係る発明による三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法は、半導体回路が形成された基板を複数積層して成る三次元半導体積層基板に、該三次元半導体積層基板の隙間を排気するための排気口、および隙間に絶縁性接着剤を注入するための注入口を形成する封止工程と、排気口から排気しつつ注入口から絶縁性接着剤を注入する注入工程と、を有することを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法において、注入工程に先立って、三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する予備真空排気工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、三次元半導体積層基板の絶縁性接着剤にボイドが発生するのを防止することができる。

本発明に係る注入装置の一実施の形態の概略構成を示す図である。 接続部３の詳細を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はガスケット３１５の斜視図である。 接続部３のシール機能を説明する図である。 接続部３の第２の例を示す図であり、断面を示す。 接続部３のＣ−Ｃ断面を示す図である。 チューブシール３１８の斜視図である。 注入手順を示すフローチャートである。 注入手順の他の例を示すフローチャートである。 注入方法を比較説明するための図であり、（ａ）は従来の注入方法の一例を示し、（ｂ）は本実施の形態における注入方法を示す。 変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明に係る注入装置の一実施の形態を示す図であり、注入装置の概略構成を示すブロック図である。注入装置１００は、接続部３、容器２、真空ポンプ４，５、バルブＶ，Ｖ１〜Ｖ３および真空チャンバ６を備えている。バルブＶは流量調整用のニードルバルブであり、バルブＶ１〜Ｖ３はストップバルブである。真空チャンバ６内は、バルブＶ１を開いて真空ポンプ４により排気することで減圧状態とすることができる。また、バルブＶ３を開いて窒素ガス等の不活性ガスを導入することで、真空チャンバ６内を減圧状態から大気圧状態に戻すことができる。

真空チャンバ６内には容器２と接続部３とが設けられており、容器２は昇降機構８により上下に昇降される。容器２内には、積層基板１の隙間内に絶縁性接着剤として注入するための接着剤２１が入っている。接続部３は、配管７およびバルブＶ２を介して真空ポンプ５に接続されている。詳細は後述するが、接続部３は積層基板１の排気口１３に接続され、バルブＶ２を開くことにより積層基板１の隙間内が真空ポンプ５によって真空排気される。

図１に示す積層基板１は、半導体回路が形成されたウェハを複数枚積層したものであって、三次元半導体デバイスを有するチップ領域が複数形成されている。積層基板１は、基板端面部分に接着剤２１を注入するための注入口１２と、基板間隙間を真空排気するための排気口１３とを備えている。注入口１２および排気口１３を除くその他の基板側周面には、基板間の隙間を封止するシール材１４が設けられている。シール材１４には接着剤等の絶縁性樹脂が用いられる。なお、積層されるウェハは薄く研磨されてサポート機能を失うため、ガラス基板のようなサポート基板も積層基板１内に含まれることがある。

図２は、接続部３の詳細を示す図である。図２において、（ａ）は積層基板表面に対して平行に断面した図であり、（ｂ）はガスケット３１５の斜視図である。接続部３は、配管７が接続されるボディ３１１と、ボディ３１１内に配設されるガスケット３１５と、ガスケット３１５を圧縮するためのプレート３１２と、プレート３１２をボディ３１１に対して図示上下方向に移動するためのボルト３１４を備えている。

ガスケット３１５はゴム等の弾性部材で形成され、長方形の溝３１５ａ内には、積層基板１の排気口１３が形成された部分が挿入される。溝３１５ａの溝長さおよび溝幅は、積層基板１の厚さや、積層基板１の挿入しやすさおよびシール性を考慮して設定される。ガスケット３１５は、ボディ３１１の下面に形成されたガスケット用溝３１１ａ内に装着されている。溝３１１ａ内に装着されたガスケット３１５は、溝３１１ａから外れないようにプレート３１２によって保持されている。ボディ３１１の溝３１１ａは配管７と連通している。図１のバルブＶ２を開くと、溝３１５ａの領域が真空ポンプ５によって排気されることになる。

接続部３に積層基板１を装着する場合には、積層基板１の排気口１３が形成されている部分を、図２（ａ）に示すようにガスケット３１５の溝３１５ａ内に挿入する。この挿入時には、ボルト３１４が緩められ、ガスケット３１５がプレート３１２により圧縮されていない状態とされる。

積層基板１の排気口１３の部分を溝３１５ａに挿入したならば、ボルト３１４を締め付けて、図３の矢印で示すようにプレート３１２と溝３１１ａとの間に挟み込むようにガスケット３１５を圧縮する。図３は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。破線はガスケット３１５が溝３１１ａ，プレート３１２および積層基板１と接触する面を示しているが、ガスケット３１５を弾性圧縮すると、これらの面と溝３１１ａ，プレート３１２および積層基板１とがより強く密着することになる。なお、破線はガスケット断面の左側のみに記載したが、右側も同様である。また、積層基板１の側周面においては、ガスケット３１５の溝３１５ａの縁が側周面に密着する。その結果、図３の符号Ｂで示す空間は密閉され、図１のバルブＶ２を開くと真空ポンプ５により排気されて真空に保持される。

なお、ガスケット３１５の溝３１５ａの幅寸法を積層基板１の厚さ寸法よりも若干小さめに設定し、ガスケット３１５を弾性変形させて積層基板１を溝３１５ａに挿入する構造とすることで、プレート３１２による弾性圧縮無しでシール機能を持たせることも可能である。

図４〜６は、接続部３の第２の例を示す図である。図４は接続部３の断面を示す図であり、図５は図４のＣ−Ｃ断面を示す図である。図４に示すように、第２の例では、接続部３のボディを２つのケーシング３１６，３１７で構成し、そのケーシング３１６，３１７の内部にチューブシール３１８を設けた。チューブシール３１８は上述したガスケット３１５に代わるシール材であり、ケーシング３１６の溝３１６ａとケーシング３１７の溝３１７ａとで形成される空間に装着される。ケーシング３１６，３１７はボルト３１４により一体とされる。

図６はチューブシール３１８の斜視図であり、積層基板１を二点差線で示した。チューブシール３１８は、内部にガスを導入することができるチューブ状のシールであり、チューブシール３１８内へガスを導入したり、チューブシール３１８内のガスを排出したりするためのチューブ４５を備えている。図６は、チューブシール３１８がケーシング３１６，３１７に収められた状態における形状を示したものである。チューブシール３１８は環状のチューブであって、積層基板１の表裏両方の基板面をシールするシール部３１８ａと、積層基板１の側周面をシールするシール部３１８ｂとを備えている。図４，５では、チューブシール３１８の断面を円形としたが、矩形断面とすることも可能である。

積層基板１を下側のケーシング３１７に形成された溝３１７ｂに挿入すると（図４，５参照）、図６に示すように積層基板１がシール部３１８ａによって挟まれるように配置される。図５に示すように、チューブシール３１８のチューブ４５には、圧力計４１、バルブ４２，４３、レギュレータ４４が設けられている。圧力計４１の検出値はコントローラ４０に入力され、コントローラ４０によりバルブ４２，４３の開閉が制御される。チューブシール３１８は内部の気体の圧力によって線径（断面径）が変化し、バルブ４２を開いて圧縮ガスを導入すると径が増大し、接続部３に接続された積層基板１の表裏面および側周面に密着する。逆に、バルブ４３を開いてチューブシール３１８内を排気すると、チューブシール３１８の線径が減少する。接続部３を積層基板１に着脱する際にはチューブシール３１８内を排気する。

圧縮ガスが供給されていない状態においては、チューブシール３１８は種々の形状に容易に変形することができる。そのため、積層基板１の側周面に形成された排気口１３の周囲を囲むような立体的なシール構造（図６参照）であっても容易に対応することができ、確実なシールを行うことができる。

図７は、積層基板１への接着剤の注入手順を説明するフローチャートである。ステップＳ１０においては、積層基板１の側周面の注入口１２および排気口１３となる部分を除き、シール材４を塗布する。塗布されたシール材４は、加熱等を行って硬化される。ステップＳ２０では、積層基板１を真空チャンバ６へ搬入する。ステップＳ３０では、バルブＶ１を開いて真空チャンバ６内を真空ポンプ４で真空排気する。この真空排気を行うことにより、積層基板１の内部の隙間に残留する気体が排気され、残留気体に起因するボイドの発生を抑えることができる。

ステップＳ４０では、接続部３を積層基板１に接続する。ステップＳ５０では、接着剤２１の入った容器２を積層基板１の方向に上昇させて、積層基板１の注入口１２を接着剤２１に接液させる。ステップＳ６０では、バルブＶ２を開いて積層基板１の排気口１３側を真空排気する。さらに、バルブＶ１を閉じた後にバルブＶ３を開いて真空チャンバ６内に不活性ガスを導入し、真空チャンバ６内の圧力を大気圧に戻す。その結果、排気口13側と注入口１２側との圧力差により、接着剤２１が積層基板１の隙間に注入される。

ステップＳ７０では、注入を開始してからの経過時間が予め定めた所定時間となったか否かを判定する。所定時間が経過したと判定されるとステップＳ７０からステップＳ８０へ進み、注入完了とする。すなわち、接続部３を積層基板１から外し、容器２を下げて接液状態を解除する。その後、ステップＳ９０において積層基板１を真空チャンバ６から搬出して、一連の注入動作を終了する。次工程においては、接着剤２１が注入された積層基板１を加熱することにより接着剤２１の硬化が行われる。

上述した実施の形態では、接着剤２１を積層基板１に注入する前に、真空チャンバ６内にて積層基板１の真空排気（ガス出し）を行ったが、図８に示す手順のように、真空チャンバ６を使用しないで、接続部３を用いて注入前の積層基板１内の真空排気を行うようにしても良い。

ステップＳ１１０においてシール材１４を塗布し硬化させたならば、ステップＳ１２０に進んで接続部３を積層基板１に接続する。その後、ステップＳ１３０において積層基板１の注入口１２を接着剤２１に接液させ、ステップＳ１４０でバルブＶ２を開いて積層基板１の排気口１３側を真空排気する。その結果、積層基板１は真空ポンプ５により真空排気され、差圧により接着剤２１が積層基板１内に注入される。積層基板１内の隙間は非常に狭く、また、接着剤２１にある程度の粘性があるため、注入時間は非常に長い。その注入の間、積層基板１内は真空ポンプ５により常に真空排気されているので、ガス出しが十分に行われる。さらに、接着剤２１から出るガスも積層基板１内から排出される。

ステップＳ１４０では、注入開始から所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間が経過したならばステップＳ１５０へ進み、注入完了とする。すなわち、接続部３を積層基板１から外し、接液状態を解除する。

図９は、従来の注入方法と本実施の形態における注入方法とを比較説明するための図である。従来は、図９（ａ）に示すように、積層基板１の真空排気を停止した後に、真空差圧法によって積層基板１の全周から接着剤２１を注入するようにしている。そのため、基板内に排気されなかったガスが残留しやすく、接着剤２１内に、特に中央付近の接着剤２１内にボイドが発生しやすい。また、注入作業中は、接着剤２１の粘度を下げて注入速度を上げるために基板加熱が適宜行われるので、接着剤２１からガスが発生しやすく、発生したガスに起因するボイドも生じる。

一方、本実施の形態では、図９（ｂ）に示すように、注入作業中も接続部３を介して積層基板１内の真空排気が継続されるため、積層基板１内のガス出しが十分に行われるとともに、接着剤２１から放出されたガスＧも積層基板１内に滞留することなく排出される。その結果、接着剤２１中にボイドが発生するのを防止することができる。

上述した実施の形態では、一組の積層基板１に接続部３を接続して注入作業を行っているが、図１０に示すように、ボディ３２０に複数のガスケット３１５（不図示）あるいは、複数の基板挿入用スリットが形成された１枚のガスケットを設け、複数の積層基板１が装着できるような構成としても良い。複数のガスケット３１５はプレート３２２により圧縮される。２００は複数の積層基板１を保持するカセットである。また、接着剤２１の入った容器２を積層基板１に対して上下移動させたが、積層基板１側を上下させても良い。さらに、容器２内の接着剤２１を真空差圧により注入する代わりに、積層基板１の注入口１２に接着剤２１を注入する治具を装着し、接着剤２１を直接供給するようにしても良い。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：積層基板、２：容器、３：接続部、４，５：真空ポンプ、６：真空チャンバ、８：昇降機構、１２：注入口、１３：排気口、１４：シール材、２１：接着剤、４０：コントローラ、４１：圧力計、４１，４３：Ｖ，Ｖ１〜Ｖ３：バルブ、４４：レギュレータ、３１１：ボディ、３１２：プレート、３１５：ガスケット、３１４：ボルト、３１６，３１７：ケーシング、３１８：チューブシール

Claims (8)

1. 半導体回路が形成された基板が複数積層され、側周面に接着剤注入口および排気口が設けられた三次元半導体積層基板に対して、該三次元半導体積層基板の隙間に絶縁性接着剤を注入する注入装置であって、
   前記排気口に接続され、前記三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空排気装置と、
   前記真空排気装置が接続された前記三次元半導体積層基板の前記接着剤注入口に接続され、絶縁性接着剤を供給する供給装置とを備えたことを特徴とする注入装置。
2. 請求項１に記載の注入装置において、
   前記真空排気装置は、
   前記排気口を覆うように前記三次元半導体積層基板に取り付けられる接続部と、
   前記排気口を囲むように前記接続部に装着され、前記三次元半導体積層基板の基板面および側周面に密着して前記排気口の周囲を封止するシール材と、
   前記シール材で囲まれた前記排気口から前記三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する真空ポンプとを備えることを特徴とする注入装置。
3. 請求項２に記載の注入装置において、
   前記シール材は弾性部材で形成され、
   前記シール材を弾性圧縮して、該シール材の前記基板面および側周面への密着力を増加させる圧縮装置を備えたことを特徴とする注入装置。
4. 請求項２に記載の注入装置において、
   前記シール材は、圧縮気体が供給される空洞が形成された弾性材から成るチューブであって、前記圧縮気体の供給によるチューブ外径の増加により、チューブ外周面が前記基板面および側周面に密着することを特徴とする注入装置。
5. 請求項３に記載の注入装置において、
   大気圧状態および真空状態のいずれかが選択的に可能であって、前記真空状態において、前記三次元半導体積層基板に前記接続部を接続する前の予備真空排気が行われ、前記大気圧状態において、前記真空排気装置による前記三次元半導体積層基板の真空排気および前記供給装置による絶縁性接着剤の供給が行われる真空チャンバを備えることを特徴とする注入装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の注入装置において、
   前記真空排気装置は、複数の前記三次元半導体積層基板が接続可能に構成されていることを特徴とする注入装置。
7. 半導体回路が形成された基板を複数積層して成る三次元半導体積層基板に、該三次元半導体積層基板の隙間を排気するための排気口、および前記隙間に絶縁性接着剤を注入するための注入口を形成する封止工程と、
   前記排気口から排気しつつ前記注入口から絶縁性接着剤を注入する注入工程と、を有することを特徴とする三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法。
8. 請求項７に記載の三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法において、
   前記注入工程に先立って、前記三次元半導体積層基板の隙間を真空排気する予備真空排気工程を有することを特徴とする三次元半導体積層基板への絶縁性接着剤の注入方法。

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